- Acionamento e Controle do MI com Inversor de Tensão Nesta proposta, o MI é alimentado com tensões provenientes de inversor de tensão, proporcionando amplitude e frequência variável. Também com o inversor de tensão é possível estabelecer o controle pelo escorregamento, ajustando a tensão e frequência adequadamente. Neste tópico serão apresentadas e discutidas várias estratégias de utilização de inversores de tensão aplicados ao controle e acionamentos de MI s. As topologias e métodos de comando dos conversores serão abordadas de forma funcional associado ao MI. abr- Cap. Manoel
.a - Obtenção de tensão e frequência variável com inversores de tensão Rede AC Hz Fig.. Retificador Controlado v i V CC Barramento CC Inversor pulsos i a v a f s a b c Motor AC Topologia Rede AC Hz Fig.. Retificador a diodo v i V CC i a Barramento CC Inversor PWM v a f s a b c Motor AC Topologia Rede AC Hz Fig.. Retificador a diodo i v Chopper V CC Inversor PWM ou pulsos i a v a f s a b c Motor AC Topologia abr- Cap. Manoel
.b - Conversor Topologia - Retificador Controlado Ponte trifásica controlada Regula nível de tensão ( Amplitude ) - Capacitor Estabiliza nível da tensão CC ( Barramento CC ) - Inversor Ponte-trifásica totalmente controlada ( Frequência ) - Comando do retificador : disparo do ângulo de fase malha fechada no barramento CC - Comando do inversor : pulsos (escalar ou vetorial) segundo estratégia de controle em malha fechada (velocidade/torque) - Outras Características : Regeneração possível com conversor dual no lugar do retificador. Nível de distorção harmônica na rede é elevado. abr- Cap. Manoel
.b - Conversor Topologia - Retificador a Diodo Ponte trifásica não controlada Nível de tensão constante ( Amplitude ) - Capacitor Estabiliza nível da tensão CC ( Barramento CC) - Inversor Ponte-trifásica totalmente controlada com estratégia PWM que fornece Amplitude e Frequência variável - Comando do inversor : Escalar ou vetorial segundo estratégia de controle em malha fechada (velocidade/torque). Para inversor a tiristores comutação forçada e baixa frequência. No caso de transistores no elemento chave de potência, obtém-se um conversor mais simples. abr- Cap. Manoel 4
.b - Conversor Topologia - Retificador a Diodo Ponte trifásica não controlada Nível de tensão constante ( Amplitude ) - Chopper : Regula o nível CC proveniente do ponte retificadora. - Capacitor Estabiliza nível da tensão CC ( Barramento CC ) - Inversor Ponte-trifásica totalmente controlada com estratégia PWM que fornece Amplitude e Frequência variável, ou somente do tipo pulsos com atuação na frequência. - Comando do inversor : similar ao da topologia. - Outras características: Só é vantajoso quando altas frequências de operação são requeridas e neste caso, o inversor opera em comando de pulsos. abr- Cap. Manoel
.c - Execução e operação do Inversor de Tensão Barramento U an V CC CC U bn U cn 4 Fig..4 A numeração das chaves segue a ordem natural de disparo, seja na estratégia (a) ou (a). Chave tipo SCR : Alta potência / Baixa frequência. Exige comutação forçada e resulta num conversor mais complexo. Chave tipo IGBT/BJT/MOSFET: Médias e baixas potências com alta frequências de operação. Comando de comutação por sinal de Gate/Base. Mais simples. abr- Cap. Manoel
.c - Execução e operação do Inversor de Tensão A forma de onda e frequência das tensões geradas no inversor éfunçãodopadrãodedisparoetambémdaimpedânciade carga, no caso, o MI que é caracterizado por um circuito RL mais fcem. A operação básica do inversor é caracterizada em duas formas: operação em -pulsos e operação em PWM (Modulação de Largura de Pulsos). Na operação em -pulsos, considera-se ainda os casos de condução com duas ou três chaves simultâneas, ou seja, condução (a) ou (a). Na forma de operação em PWM, normalmente se utiliza condução (a). abr- Cap. Manoel 7
.c - Inversor de Tensão em pulsos (a) O inversor de -pulsos é normalmente associado a operação de carga em alta potência e baixa frequência. No caso de condução (a), tem-se a formas de onda de saída tal como: 4 4 Disparo 4 4 4 Disparo 4. U an U ab -.. U bn - -.. U cn -. abr- Cap. Manoel Sendo que, a partir das formas de onda, obtém-se para a fundamental de fase e de linha: Fig.. U an _ RMS V U ab _ RMS V CC CC (. ) (. ) 8
.c - Inversor de Tensão em pulsos (a) Neste caso o inversor de pulsos tem a mesma aplicação daquele anterior, e as formas de onda são tais como a seguir. 4 Disparo 4 4 4 4 Disparo 4 4 4 / U an / U ab -/ -/ U bn / / -/ -/ U cn / / -/ -/ - Fig.. Sendo que, a partir das formas de onda, obtém-se para a fundamental de fase e de linha: U an _ RMS V CC U ab _ RMS V CC (. ) (.4 ) abr- Cap. Manoel 9
.d - Outras características do Inversor de Tensão em pulsos - Outro fator importante é o nível de distorção harmônica total na linha definido como sendo: THD U an _ RMS U U an_ RMS an_ RMS Harmônicas - Fundamental Fundamental (. ) - E ainda outro fato importante, é o conteúdo harmônico aplicado ao motor, o qual pode afetar o rendimento global devido ao aumento de perdas. - Para cada tipo de conversor é possível se estabelecer o índice de conteúdo harmônico a partir das formas de onda de tensão - Desde que o motor é basicamente um circuito RL, as correntes apresentarão uma sequência de evoluções exponenciais em função dos degraus de tensão e em função dos valores do estado de condução abr- Cap. Manoel
.e - Operação do MI com Inversor de Tensão em pulsos Para o inversor -pulsos obtém-se sua operação por ciclo, tal que a relação da amplitude da fundamental de fase / V CC é: Tabela. (a) (a) U an U bn U cn U an U bn U cn t - t t 8-8 t 4-4 t t - - - - - - - - - - - - abr- Cap. Manoel
.e -Operação do MI com Inversor de Tensão em pulsos A simulação com o conversor deve levar em conta que para se obter um resultado semelhante de desempenho para comparação, deve-se considerar um nível de amplitude no barramento CC tal que produza o mesmo valor RMS (ou pico) da alimentação senoidal. Assim para se obter V pico com o conversor -pulsos (a), o barramento CC segundo (. ) deve ser de 488, V CC Inserindo-se o modo de operação do inversor -pulsos (a) da tabela (.) e utilizando-se o modelo trifásico do MI alimentado por tensão, obtém-se os resultados a seguir abr- Cap. Manoel
.e - Operação do MI com Inversor de Tensão em pulsos Velocidade e torque na partida com o inversor -pulsos. 8 4 8 4....4...7 -....4...7 Fig..7 8 4....4...7.8.9..4..8...4 abr- Cap. Manoel
.e - Operação do MI com Inversor de Tensão em pulsos Corrente da fase a durante a partida, comparada com a mêsma corrente com partida senoidal. 4 - - - - - -4 - -....4...7...7.8.9.4.4.4.4 Fig..8 Nota-se nas formas de onda com conversor, o elevado conteúdo harmônico das corrente no motor. abr- Cap. Manoel 4
.f - Programa para introdução do inversor -pulsos Na alimentação do MI (notação trifásica) Para executar uma simulação do MI com inversor, basta trocar as tensões de alimentação senoidais por formas de onda tais como definidas na Tabela (.). Para o modelo trifásico e o inversor -pulsos (a), uma possível formulação da simulação seria tal como indicado a seguir. ( Inicializações ) % Inversor -pulsos (a) % f a f => setores angulares de graus cada wt=w*t; if (w*t >= f) ; wt=w*t-floor((w*t)/f)*f; end; if (wt <= f) % ang =: ua=uu*/; ub = -UU/; uc = -UU/; elseif (wt <= f) % ang=:8 ua=uu/; ub = -UU*/; uc = UU/; elseif (wt <= f) % ang=8:4 ua=-uu/; ub = -UU/; uc = UU*/; elseif ( wt <= f4) % ang=4: ua=-uu*/; ub = UU/; uc = UU/; elseif (wt <= f) % ang=: ua=-uu/; ub = UU*/; uc = -UU/; elseif ( wt <= f) % ang=: ua=uu/; ub = UU/; uc = -UU*/; end; % segue modelo trifásico Prog.. abr- Cap. Manoel
.g - Inversor de Tensão Tipo PWM Princípio de geração a partir de comparação com sinal de referência. u h u ref u PWM Fig..9 abr- Cap. Manoel
.g - Inversor de Tensão Tipo PWM Combasenaestratégiadeoperaçãodoinversordetensão com PWM, deve-se ter um compromisso entre a escolha da frequência de modulação u h e as velocidades de chaveamento dos elementos de potência. Para tiristores, pode-se chegar a KHz enquanto que para transistores, a frequência de modulação pode atingir KHz. Nas estratégias de PWM sempre se adota o modo de condução (a). Dependendo se o barramento CC é unipolar o com neutro central, ocorrem inúmeras possibilidades de obtenção do sinal PWM. Osinalu h pode ser um simples sinal de referência (malha aberta) ou um sinal de controle proveniente de uma estrutura de controle em malha fechada. abr- Cap. Manoel 7
.g - Inversor de Tensão Tipo PWM No caso do inversor trifásico, referências senoidais são comparadas simultaneamente com o mesmo sinal modulante e resultando para as tensões de fases e para de linha AB. u an u ab u ab u bn u cn A avaliação dos níveis da fundamental de fase ou de linha depende de uma análise mais complexa, já que as largura dos pulsos não são Fig.. constantes. abr- Cap. Manoel 8
.h - O MIT com Inversor de Tensão Tipo PWM Procedendo-se uma simulação do MI com inversor PWM, tal que se obtenha uma resposta de velocidade semelhante àquela do caso senoidal, pode-se comparar os demais resultados. - - - - -........4.4.........4.4. 8 Fig.. i an 4 - -4 - -8.4...7.8.9.4.4.4.4 Com relação ao caso do inversor -pulsos, verifica-se que a corrente de fase apresenta um conteúdo harmônico de maior frequência, o qual é melhor filtrado pelo próprio motor. abr- Cap. Manoel 9
.h - O MIT com Inversor de Tensão Tipo PWM Para ao caso em questão, o uso do Simulink facilita esta tarefa, tal como indicado no diagrama a seguir - Constant Modulante Comp. A PWM-A Ref. A Constant Comp. B PWM-B Ref. B PWM-C Ref. C Comp. C Fig.. abr- Cap. Manoel
.i - Abordagem vetorial do Inversor de Tensão Análise de operação do inversor : Vetores de espaço-base A B C B j Im U a U b U c V cc U B N U A A Re U C C Fig.. Chaves Ideais: Fechada : Estado Lógico = Aberta : Estado Lógico = Z = (conduzindo) Z = (não conduzindo) abr- Cap. Manoel
.j - Estados de condução do Inversor de Tensão Para se evitar curto-circuito em Vcc, se a chave superior está fechada, a inferior deve estar aberta. Destaformaoestadológicoéassociadoaoramodoinversore não à chaves. Portanto: Estado lógico Chave superior fechada e Chave inferior aberta No caso do inversor da Fig. (.) existem 8 possibilidades de combinação das chaves, ou 8 estados lógicos, sendo que deles (todas as superiores ou todas inferiores fechadas) não produzem tensão nos terminais do motor. abr- Cap. Manoel
.k - Estados lógicos e Vetores de espaço-base do Inversor de Tensão Apartirdascombinações de estados de condução chega-se aos estados lógicos e vetores de espaço-base de tensões representados a seguir. Tabela. U AN V cc V cc V cc V cc V cc V cc U BN V cc V cc V cc V cc V cc V cc U CN V cc V cc V cc V cc V cc V cc U e j U cc e j U cc e j U cc e j U cc e j8 U cc e j4 U cc e j e j abr- Cap. Manoel
.l - Vetores de espaço-base Considerando-se o caso do inversor do Fig. (.) os vetores de espaço-base são tais como mostrados a seguir. (Se houvesse um barramento CC com níveis de tensão (+Vcc Vcc), outras combinações são possíveis.) U j Imag U / e j U U 8 Re U U 4 U abr- Cap. Manoel 4 Fig..4
.m - Inversor de tensão -pulsos e PWM vetorial No caso do inversor de -pulsos, o vetor de espaço de tensão saltadeemgrause permanecendo fixo na posição de cada vetor de espaço-base por / do período da frequência em operação. No caso de PWM, existem diversas possibilidades ou estratégias de combinação de estados-base. Para o exemplo da Fig. (.9) ocorre a comutação de estadosbase, tal que na média resulta o vetor de espaço desejado. Com relação à Fig. (.4), para se produzir o vetor de tensão na posição [U e j pode-se alternar os estados-base [ Ue j ]e [Ue j ]. Para se atuar na amplitude de [U e j alterna-se os estados adjacentes juntamente com um dos estados. abr- Cap. Manoel
.n - Modulação vetorial Inversor de tensão -pulsos Considerando-se T o período de chaveamento PWM, alternado-se U [ ] U [ ] e [ ] em intervalos de tempo adequados consegue estabelecer um valor médio que é o Ue j desejado j Imag U U / e j U U Re e j T T U j T j T j Ue Ue e T U T T T T T T T T = Período chaveamento PWM (. ) (.7a ) (.7b ) (.7c ) abr- Cap. Manoel Fig..
.n - Modulação vetorial Inversor de tensão -pulsos Para o exemplo Ue j anterior, uma possível configuração de comando de disparo dos transistores do inversor da Fig. (.) seria tal como a seguir. A A B B C C U U U U Fig.. T T T T T T T T Desde que o período de chaveamento do inversor é múltiplo do período de controle ( o qual determina mudanças em U ), a sequência de disparos pode ser alterada para minimizar comutações. abr- Cap. Manoel 7
.o - Modulação vetorial - Minimização de comutações Com uma estratégia adequada de comando de disparo das chaves de potência, pode-se minimizar o número de comutações por ciclo, e portanto melhorando o rendimento global do conversor. Dependendo da topologia do inversor e do barramento CC muitas outras possibilidades podem ser aplicadas. A A B B C C U U U U T T T T T T T T Fig..7 abr- Cap. Manoel 8
.p - Correntes no MIT - Abordagem vetorial Para o caso do inversor -pulsos operando (a), o comportamento dinâmico do MI é obtido como a seguir. - - - - (a) i - - - - - - - - - - (a) i - - - - - - Fig..8 - - - - (a) i - - - - - - - - - - (a) i - - - - - - abr- Cap. Manoel 9
.q Acionamento do MIT com Cicloconversor abr- Cap. Manoel
.q Acionamento do MIT com Cicloconversor abr- Cap. Manoel
.q Acionamento do MIT com Cicloconversor abr- Cap. Manoel
abr- Cap. Manoel