ward leonard
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FEUP-LEEC. SAM 1
Controlo de Motoresde Corrente Contínua
Sistemas de Accionamento e Movimentação
FEUP-LEEC. SAM 2
Motores de corrente contínua.Introdução (histórica)
• Historicamente, o motor CC, foi utilizado de modo universal no controlo de velocidade, até ao aparecimento, em força, dos inversores de tensão, baseados em semicondutores de potência (tirístores, inicialmente, e GTOs e IGBTs mais recentemente) associados aos motores CA.
• O sistema conhecido como Ward-Leonard foi utilizado durante largo tempo em accionamentos de elevado desempenho.
• Ainda hoje, uma parte importante dos accionamentos controlados é uma versão electrónica do sistema Ward-Leonard.
FEUP-LEEC. SAM 3
Diagrama de controlo de um sistema Ward-Leonard para um motor CC.
O sistema Ward-Leonard (curiosidade).
Diagrama
Motor CA1
Gerador CC2
Motorcontrolado
4Carga
accionada
3Excitatriz
Controlo de campo dogerador
Controlo de campo domotor
5
6
Conjunto Ward-Leonard
+
-
-
+
FEUP-LEEC. SAM 4
1. No arranque, a excitação do gerador é aproximadamente nula, garantindo uma tensão no induzido perto de zero. Esta tensão é aplicada ao motor controlado. A tensão de excitação do motor é colocada no seu valor máximo (o nominal).
2. O aumento da tensão de excitação aumenta a tensão aplicada ao motor, garantindo-se, também, controlo da polaridade.
3. O controlo de velocidade do motor é obtido a partir do controlo da excitação do gerador.
4. O sistema possibilita a frenagem regenerativa bastando, para isso, diminuir a tensão no induzido do motor. A corrente inverte-se e o gerador passa a funcionar como motor. O motor CA, por seu lado, passa a funcionar como gerador devolvendo energia à rede.
O sistema Ward-Leonard.Descrição
FEUP-LEEC. SAM 5
• A manutenção do campo indutor do motor constante, no seu valor máximo, permite obter o máximo binário em função da corrente. Noentanto, a máxima velocidade possível é atingida com a máxima tensão na armadura, que é função do valor máximo do campo do gerador. Esta velocidade máxima toma a designação de velocidade base do motor.
• No entanto, os motores são projectados para operar a velocidadessuperiores a esta velocidade base, até 2 a 3 vezes.
• A redução da tensão de excitação aplicada ao motor (designada por enfraquecimento de campo), diminui a f.e.m., permitindo que a velocidade suba.
• Nesta zona de operação, o binário disponível diminui, já que é proporcional quer à corrente na armadura quer ao fluxo. Trata-se de uma operação a potência constante.
O sistema Ward-Leonard.Descrição
FEUP-LEEC. SAM 6
• A utilização de conversores estáticos de potência substituíu o sistema Ward-Leonard rotativo que, tendo um bom comportamento dinâmico, apresenta algumas desvantagens.
• O custo do sistema (com diversas máquinas rotativas), a manutenção, e o dimensionamento são as principais.
• O motor e o gerador do sistema devem ter um dimensionamento em potência superior ao do motor; o espaço ocupado e a manutenção (especialmente do gerador CC - colector e escovas), são desvantagens importantes.
• O ruído e a vibração gerados por este sistema são desvantagens que não existem no sistema estático.
O sistema Ward-Leonard.Características
FEUP-LEEC. SAM 7
• O motor de corrente contínua contém dois circuitos: o do campo e o do induzido. O do campo situa-se na parte fixa do motor e consiste em enrolamentos colocados à volta dos polos magnéticos do estator.
Estrutura (corte) e circuitos de um motor de corrente contínua.
O motor de corrente contínua (revisão).
Estrutura e circuitos
N
S
18 1 23
4
5
6
78
91011
17
1213
14
15
16
A2 B2
A1
B1
I
I
12
3
4
5
6
7
8910
11
12
13
14
15
16
1718
12
Iω 12
I
F1
F2
A1
A2
FEUP-LEEC. SAM 8
• O número de polos é par e os enrolamentos são percorridos pela mesma corrente. Terminam nos pontos F1 e F2.
• O objectivo do circuito indutor é magnetizar os polos do motor, criando um fluxo magnético no entreferro, entre o estator e o rotor.
• O circuito indutor não será necessário se forem utilizados ímanes permanentes no estator.
• O circuito de potência de um motor CC é a armadura, e está situado no rotor. Consiste em enrolamentos colocados em ranhuras.
• Se metade de um enrolamento está sob um polo norte, a outra metade estará sob o polo sul adjacente.
O motor de corrente contínua.Estrutura e circuitos
FEUP-LEEC. SAM 9
• Quando circula corrente num enrolamento, as forças devidas à interacção entre a corrente e o fluxo serão iguais e opostas nos dois lados do enrolamento. Juntas produzem o binário com que o enrolamento contribui para o binário total.
• Os enrolamentos são ligados em série formando um circuito fechado.
• A armadura dispõe, ainda, de um comutador (colector) constituído por um conjunto de lâminas isoladas umas das outras.
• Os terminais final de uma bobina e inicial da bobina adjacente são ligados à mesma lâmina.
• O comutador está fixo ao rotor e roda com ele. A corrente chega às bobinas através de um par de escovas de grafite que contactam com as lâminas do colector. Garante-se, assim, uma corrente constante sob um polo do estator, independentemente do movimento do rotor.
O motor de corrente contínua.Estrutura e circuitos
FEUP-LEEC. SAM 10
• O conjunto comutador-escovas permite transformar uma fonte de corrente contínua numa corrente alternada, a que circula nas bobinas. Este conjunto é, no entanto, uma desvantagem dos motores CC aumentando o seu custo e, fundamentalmente, a sua manutenção.
• As escovas e, mais lentamente, as lâminas do colector, deterioram-se com o tempo. Também, a imperfeição da rotação implica a ocorrência de arcos eléctricos, impedindo a utilização deste motor em ambientes perigosos.
• Apesar da excelente regulação e controlabilidade do motor CC, este tem perdido muitos campos de aplicação, nos accionamentos controlados, em detrimento do motor assíncrono.
O motor de corrente contínua.Estrutura e circuitos
FEUP-LEEC. SAM 11
• Uma característica fundamental do motor CC, responsável pelo seu bom desempenho dinâmico, é o facto de os circuitos magnéticos do campo indutor e da armadura estarem mutuamente desacoplados. O fluxo criado pelo indutor não liga com os enrolamentos da armadura.
O motor de corrente contínua.Estrutura e circuitos
N
S
φA
φF
Orientações espaciais do fluxo indutor e da f.m.m. da armadura num motor CC.
• As orientações espaciais dos fluxos são fixas e não dependem da rotação do motor. Sendo direcções perpendiculares, verifica-se o desacoplamento magnético referido.
• A rápida variação da corrente da armadura, em caso de perturbação dinâmica, pode ser obtida sem haver interacção do fluxo indutor.
FEUP-LEEC. SAM 12
• Sendo as direcções da corrente da armadura e do fluxo indutor perpendiculares, desenvolve-se uma força electromagnética em cada condutor proporcional à corrente e ao fluxo.
• O binário resultante nos diversos condutores soma-se, resultando:
O motor de corrente contínua.Binário e f.e.m.
IKT Ψ= 1
Ψ é o fluxo por polo, I é a corrente na armadura e K1 uma constante de proporcionalidade (dimensões, número de polos, etc).
• A rotação do motor faz induzir uma f.e.m. nos condutores, proporcional à velocidade e ao fluxo por polo:
ωΨ= 2KE
Ψ é o fluxo por polo, ω é a velocidade angular do motor e K2 uma constante de proporcionalidade (dimensões, número de polos, etc).
FEUP-LEEC. SAM 13
O motor de corrente contínua.Binário e f.e.m.
IKEIP ωΨ== 2
• Se as equações de binário e f.e.m. forem expressas em unidades SI as constantes K1 e K2 são iguais.
• A potência eléctrica convertida em mecânica é:
• A potência mecânica é:
ωΨ=ω= IKTP 1ou seja:
ωΨ=ωΨ IKIK 12
IKT
KE
Ψ=ωΨ=
• Assim, em regime permanente:
FEUP-LEEC. SAM 14
Circuitos do campo e da armadura, em regime dinâmico e em regime permanente.
O motor de corrente contínua.Binário e f.e.m.
fff
ff
aa
iRdt
diLV
EiRdt
diLv
+=
++=
• Em regime dinâmico devem ser consideradas as indutâncias dos dois circuitos, Lf e La. A evolução das correntes será dada por:
F1
F2
A1
A2
+
-
+
-
+
-
Vf
If
Rf
I
Ra
E
V
fff
a
IRV
EIRV
=+=
• Em regime permanente:
+
-
+
-
+
-
Vf
if
Rf
iRa
E
v
Lf
La
FEUP-LEEC. SAM 15
Curva de magnetização de um motor CC.
O motor de corrente contínua.Saturação do motor
• A relação entre a corrente de campo e o fluxo depende da relutância do circuito magnético. Sendo linear numa zona alargada de corrente, satura para valores mais elevados.
• Em geral, o ponto de funcionamento nominal do motor já se encontra ligeiramente na zona de saturação.
If (A)0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
100
200
300
E (V) Velocidade 1000 rpm
FEUP-LEEC. SAM 16
O motor de corrente contínua.Métodos de excitação do motor
• Os circuitos da armadura e do campo podem ser colocados:
- em paralelo: motor “shunt”;
- em separado: motor de excitação separada;
- em série: motor de excitação série.
• O fluxo no motor depende da f.m.m. criada (NI). O mesmo fluxo pode ser obtido com poucas espiras e corrente elevada (motor série), ou por muitas espiras e corrente pequena (motor “shunt” e de excitação separada).
• Naturalmente, a excitação separada permite uma maior flexibilidade sendo utilizada na maior parte dos accionamentos. Apenas no domínio da tracção eléctrica existem os motores série.
FEUP-LEEC. SAM 17
Conversores electrónicos para um motor de excitação separada.
Controlo de motores CC, de exc. separada.Conversores electrónicos
• Se a fonte disponível é CC, utilizam-se conversores CC/CC (a partir de baterias, em tracção eléctrica de pequena potência);
• Se a fonte disponível é CA, utilizam-se conversores CA/CC (monofásicos ou trifásicos).
• A potência do conversor de campo é muito inferior à do conversor da armadura, podendo ambos ter saída variável.
F1
F2
A1
A2
+
-
+
-
+
-
Vf
If
Rf
IRa
EV
Conversordo campo
Conversorda
armadura
FEUP-LEEC. SAM 18
Controlo de motores CC, de excitação separada.Controlo de velocidade
• Distinguem-se duas zonas de funcionamento em velocidade:
– com fluxo constante, em que a velocidade depende linearmente de V (RaI é uma parcela de perdas, em geral pouco significativa);
– com tensão V constante, em que a velocidade depende inversamente do fluxo. Nesta zona, a um aumento de velocidade corresponde uma redução do binário disponível.
IRVE a−=• Na armadura:
ωΨ=− KIRV a
Ψ−=ωK
IRV a
• A velocidade é expressa por:
Ψ−
Ψ=ω T
K
RV
Ka1ou
FEUP-LEEC. SAM 19
Controlo de motores CC, de excitação separada.Controlo de velocidade
• Na zona de fluxo constante as curvas T-n são rectas paralelas com inclinação negativa.
T
nnn
δ=δ1
δ=δ2
-nn
0 Tn-Tn
Características T-n na zona de fluxo constante para quatro quadrantes e em função do parâmetro de controlo.
FEUP-LEEC. SAM 20
Controlo de motores CC, de exc. separada.Zonas de funcionamento
• Naturalmente, em regime transitório, o motor poderá desenvolver um binário superior ao nominal, de acordo com a capacidade de corrente associada.
ωm(p.u.)
0 1.0
1.0
p.u.T, I, Φ f, If V, I
VE
T, Φ f, If
E
Zona de binárioconstante
Zona de potênciaconstante
Binário disponibilizado por um motor de excitação separada.
FEUP-LEEC. SAM 21
Controlo de motores CC, de excitação separada.Zonas de funcionamento
• A característica de um accionamento deve estender-se por quatro quadrantes.
• Acima de nn, a velocidade depende inversamente do fluxo. A um aumento de velocidade corresponde uma redução do binário disponível.
Envolvente da zona de funcionamento de um motor CC.
T
0 n
Tn
nn nmáx
FEUP-LEEC. SAM 22
Controlo de motores CC, de exc. separada.Comportamento dinâmico do motor
EiRdt
diLv aa ++=
WLTBdt
dJT +ω+ω=
• Aplicando a transformada de Laplace:
)()()()( sIsLRsEsV aa ++=
)()()()( ssJBsTsT WL ω++=
• Para o motor CC, com fluxo constante, tem-se:
sendo
);()( sKsE ω= );()( sKIsT = )()( sss θ=ω
FEUP-LEEC. SAM 23
Controlo de motores CC, de excitação separada.Comportamento dinâmico do motor
)())((
)())((
)(22
sTKBsJsLR
sLRsV
KBsJsLR
Ks WL
aa
aa
aa ++++−
+++=ω
• Associando as duas equações anteriores:
Diagrama de blocos de um motor de excitação separada.
-+
V(s)KT
I(s) T(s) ω(s)
TWL(s)
KE
E(s)
1s
θ(s)
+
-1
Ra+sLa
1B+sJ
KT e KE são iguais.
FEUP-LEEC. SAM 24
Controlo de motores CC, de excitação separada.Comportamento dinâmico do motor
20)(
1))(()(
)()(
KBsJsLR
K
sV
ssG
aasTWL+++
=ω==
20)(
2))(()(
)()(
KBsJsLR
sLR
sT
ssG
aa
aa
sVWL ++++−=ω=
=
• Considerando o motor um sistema linear (apenas dependente do circuito de campo) a equação geral anterior resulta em duas funções de transferência:
• A velocidade depende de duas variáveis actuantes no motor: a tensão da armadura e o binário resistente.
FEUP-LEEC. SAM 25
Controlo de motores CC, de excitação separada.Comportamento dinâmico do motor
• Definindo as constantes de tempo mecânica e eléctrica:
• Considerando B=0 (habitualmente pequeno e desprezável):
++=
++=
1
1
)()(
22221
K
JRs
K
JLsKKsLRsJ
KsG
aaaa
;2K
JRam =τ
a
ae R
L=τ
( ) 1
1)(
21 +τ+ττ=
mem ssKsG
• Admitindo τm>>τe obtém-se:
( )( )111
)()(
)(1 +τ+τ≅ω=
em ssKsV
ssG
FEUP-LEEC. SAM 26
Controlo em malha fechada para um motor de excitação separada.
Controlo de motores CC, de exc. separada.Controlo de velocidade em malha fechada
• O sistema apresenta duas malhas de controlo para a corrente da armadura: a malha interior, de corrente, e a malha exterior, de velocidade.
Sa
ωref Conversor daarmadura+ - + -
+ -
Ia(ref)
Ca
Vc
Motor
Malha de corrente
SS
Malha de velocidade
Conversordo campo
If Enfraquecimento de campo
FW
If(ref)
ωf
Ia
Limitaçãode corrente
FEUP-LEEC. SAM 27
Controlo de motores CC, de excitação separada.Controlo de velocidade em malha fechada
• O controlo em cascata pode ser aplicado a uma malha exterior de controlo de posição em servo-accionamentos. A posição de referência é comparada com a posição actual (obtida a partir de um sensor apropriado). A saída do controlador de posição corresponde a um valor de referência para a velocidade.
Enfraquecimento de campo• O enfraquecimento de campo é obtido automaticamente a partir do bloco
FW. Do ponto de vista do controlador, o sistema torna-se não linear.
Limitação de corrente• A limitação de corrente no conversor obtém-se a partir da limitação da
saída do amplificador de erro de velocidade.
FEUP-LEEC. SAM 28
Conversor CC/CC de um quadrante no modo motor e em frenagem.
Controlo de motores CC, de exc. separada.Conversores CC/CC
• No conversor de um quadrante, pode ocorrer condução descontínua.
• Não permite efectuar frenagem directamente.
Vcc
D ω
ia
A
B
C
S
Vcc
D
ω
ia
A
B
C
S
• Os conversores CC/CC podem ser de um, dois ou quatro quadrantes.
• Permitem impôr uma frequência de comutação elevada, diminuindo aondulação de corrente no motor.
FEUP-LEEC. SAM 29
Controlo de motores CC, de excitação separada.Conversores CC/CC
• O conversor CC/CC de dois quadrantes apenas funciona em conduçãocontínua, o que facilita a regulação do sistema.
• Em qualquer conversor CC/CC, no modo de frenagem torna-se necessário que a fonte de alimentação CC tenha capacidade de receber a energia recuperada.
Conversor CC/CC de 2 quadrantes.
Vt
IaVcc
Φ
T, ω
+
-
Vf
If
FEUP-LEEC. SAM 30
Conversor CC/CC de um quadrante. Inversão aos terminais da armadura.
Controlo de motores CC, de excitação separada.Conversores CC/CC
• A inversão do sentido de rotação de um motor pode ser obtida a partir da inversão da polaridade aos terminais da armadura ou invertendo ocampo. A inversão do campo é mais lenta (circuito muito indutivo).
• A inversão da tensão aos terminais da armadura pode ser realizada de duas formas: utilizando dois pares de contactos electromecânicos ou utilizando um conversor de quatro quadrantes.
Vcc
S
D
F
F
R
R
A1
A2
F1
F2
Conversordo campo
Vcc
FEUP-LEEC. SAM 31
Conversor CC/CC de quatro quadrantes.
Controlo de motores CC, de excitação separada.Conversores CC/CC
• O conversor de quatro quadrantes permite uma dinâmica muito superior.
• Há diferentes métodos de controlo para este conversor:
– S2 e S3 off, S4 on. S1 controla a tensão aplicada.
– S3 off, S4 on. S1 e S2 controlam a tensão aplicada.
– S1, S2, S3 e S4 controlam a tensão aplicada.
Vcc
D1
ω
S1
S2 D2
D3
D4
S3
S4
A1 A2
F1
F2
Conversordo campoVcc
FEUP-LEEC. SAM 32
Controlo de motores CC, de exc. separada.Conversores CC/CC - ondulação da corrente
• A tensão de saída dos conversores electrónicos não é constante, apresenta ondulação que, por sua vez provoca ondulação de corrente.
• Admitindo a f.e.m. constante, a tensão e a corrente na armadura são:
)()( tvVtv r+=
)()( tiIti r+=
[ ]dt
tdiLtiIREtvV r
araar)(
)()( +++=+
• Substituindo na expressão instantânea da tensão na armadura:
• Resulta para o valor médio e a ondulação:
IREV aa +=
dt
tdiLtiRtv r
arar)(
)()( +=
FEUP-LEEC. SAM 33
Controlo de motores CC, de excitação separada.Conversores CC/CC - ondulação da corrente
• Admitindo que a resistência tem um efeito desprezável:
dt
tdiLtv r
ar)(
)( ≈
Ondulação de corrente num conversor CC/CC de quatro quadrantes, com métodos de controlo distintos.
v
0
V
t
i
Ts=1/fs
∆ i=V
8Lafsv
0
V
t
-V
i
Ts=1/fs
∆ i=V
2Lafs
• O mesmo valor médio está associado a valores eficazes diferentes, aumentando as perdas em Ra, no primeiro caso.
FEUP-LEEC. SAM 34
Conversores CC/CC.Recuperação de energia para a fonte CA.
• Se o barramento CC não permite o trânsito bidireccional de potência torna-se necessário dissipar a energia devolvida ao barramento CC.
Circuito de frenagem para conversores CC/CC.
ConversorCC/CC de 1,
2, ou 4quadrantes
MotorCC
Lf
Cf
Rb
Tb
Vs
Uf
ΦControlo
• Em geral, o transístor Tb faz parte dos módulos integrados de semicondutores de potência aplicáveis em controlo de motores.
FEUP-LEEC. SAM 35
Conversores CC/CC.Recuperação de energia para a fonte CA.
• A bidireccionalidade de potência no barramento CC (por inversão da corrente) é feita por um inversor de tensão (monofásico ou trifásico) a funcionar como rectificador.
Interface para a rede CA com possibilidade de recuperação de energia.
C
Ls
vs vcc
+
-
is
T1
T2
T3
T4
vinv
icc
ConversorCC/CC de 1,
2, ou 4quadrantes
MotorCC
Uf
Φ
• A topologia garante, ainda, factor de potência unitário e corrente de entrada sinusoidal.
FEUP-LEEC. SAM 36
Conversores CC/CC.Filtro do barramento CC
• O filtro do barramento CC é utilizado para duas funções:
– Filtrar a tensão de saída de um rectificador (se existir) garantindo uma ondulação especificada;
– Filtrar a corrente de entrada pedida pelo conversor CC/CC à fonte CC (bateria, por exemplo).
Filtro LC na entrada de um conversor CC/CC.
ConversorCC/CC
MotorCC
Lf
Cf
vs
Uf
Φ
ConversorCA/CC(díodos)
vi vcc
icc
+ +
- -
is
ii
FEUP-LEEC. SAM 37
Controlo de motores CC, de exc. separada.Conversores CA/CC
• Uma parte importante dos accionamentos industriais é baseada em rectificadores tiristorizados, devido à disponibilidade da rede CA.
• O circuito do campo poderá ser não controlado (ponte de díodos) ou controlado (ponte tiristorizada, em geral mista), permitindo velocidades superiores à nominal.
• A possibilidade de frenagem ou de inversão do sentido de rotaçãodepende das configurações implementadas. A inversão de sentido obtém-se por inversão do campo ou por inversão da tensão na armadura.
• A inversão do campo indutor é um processo lento, comparado com ainversão da tensão na armadura. A inversão da tensão na armadura pode ser obtida por processos electromecânicos ou por processos estáticos.
FEUP-LEEC. SAM 38
Inversão da tensão na armadura a partir de contactores.
Controlo de motores CC, de excitação separada.Conversores CA/CC - inversão da rotação
• Aumentando o ângulo de disparo, a corrente anula-se. De seguida, é aberto o contactor F. O ângulo de disparo é aumentado para valores superiores a 90º, permitindo tensões negativas superiores à f.e.m. É fechado o contactor R, iniciando-se a condução no circuito (frenagem).
• Diminuindo α, a tensão inverte-se e o motor inicia a rotação no sentido inverso.
F
F
R
R
A1 A2
F1
F2
L
FEUP-LEEC. SAM 39
Inversão do campo indutor a partir de rectificadores em anti-paralelo.
Controlo de motores CC, de excitação separada.Conversores CA/CC - inversão da rotação
• Aumentando o α da armadura, a corrente anula-se.• No indutor, α é aumentado para valores superiores a 90º, anulando a
corrente de campo e a f.e.m. Após um intervalo de segurança, a ponte 2 é disparada, invertendo-se a corrente de campo e a f.e.m. (frenagem).
• Controlando o conversor da armadura o motor inicia a rotação no sentido inverso.
1 2
FEUP-LEEC. SAM 40
• A ondulação de tensão de saída dos conversores CA/CC, associada à respectiva frequência, é mais importante que nos conversores CC/CC. Tal como nestes, provoca ondulação na corrente com os efeitos jádescritos.
• A ondulação da corrente na saída de rectificadores pode ser calculada a partir do método do primeiro harmónico. Consiste em aproximar a corrente de saída pela soma do seu valor médio com o primeiro termo harmónico. Este termo depende, naturalmente, do topologia do conversor e do respectivo ângulo de disparo.
• Também para este método (aproximado) se pode admitir que a resistência da armadura não contribui para a impedância do circuito que limita a ondulação da corrente.
• O método do primeiro harmónico só é válido em condução contínua.
Controlo com conversores CA/CC.Ondulação da corrente e corrente descontínua
FEUP-LEEC. SAM 41
• Com binários/cargas baixas, o valor médio da corrente é baixo.
• Se a ondulação da corrente for significativa, esta pode tornar-se descontínua, introduzindo uma dependência entre o valor médio datensão de saída e o valor médio da corrente (considerando a f.e.m. constante). É uma característica de não linearidade.
Controlo com conversores CA/CC.Ondulação da corrente e corrente descontínua
T0
n
1500
N.m
1000
500
-1500
-1000
-500
α =0º
Correntedescontínua
Binárionominalrpm
α =45º
α =75ºα =90º
α =105º
α =135º
α =180º
Correntecontínua
Exemplo (trifásico) de característica velocidade-binário.
FEUP-LEEC. SAM 42
• Naturalmente, a condução descontínua também ocorre nos conversores CC/CC de um quadrante.
Controlo com conversores CA/CC.Ondulação da corrente e corrente descontínua
T0
n
1500
N.m
1000
500
-1500
-1000
-500
α=0º
Correntedescontínua
Binárionominalrpm
α=45º
α=75ºα=90º
α=105º
α=135º
α=180º
Correntecontínua
Exemplo (monofásico) de característica velocidade-binário.
FEUP-LEEC. SAM 43
Conversores CA/CC em anti-paralelo.
Controlo de motores CC, de exc. separada.Conversores CA/CC em anti-paralelo (introdução)
• O conversor da esquerda fornece tensão positiva e negativa (em função de αΚ) e corrente positiva a uma carga ligada entre K e N;
• O conversor da direita fornece tensão positiva e negativa (em função de αΝ) e corrente negativa a uma carga ligada entre A e N.
• Se os conversores forem ligados em anti-paralelo obtém-se um sistema de quatro quadrantes.
N
Va Vc
AK
Vb
FEUP-LEEC. SAM 44
Conversores CA/CC em anti-paralelo.
Controlo de motores CC, de excitação separada.Conversores CA/CC em anti-paralelo
• Para o conversor da esquerda:
N
Va Vc
AK
Vb
pdKN VV α= cos 0
• Para o conversor da direita:
ndAN VV α−= cos 0
• Para a colocação em anti-paralelo as tensões de saída devem ser iguais, o que se obtém fazendo:
0180=α+α np
( ) )cos()cos( 00 pdpdAN VVV α=α−−−=• Resultando:
FEUP-LEEC. SAM 45
Exemplo de conversores CA/CC em anti-paralelo.
Controlo de motores CC, de excitação separada.Conversores CA/CC em anti-paralelo
• Embora as tensões médias sejam iguais, as tensões instantâneas não são, impedindo a colocação directa em anti-paralelo.
• Existem diversos métodos de colocação em anti-paralelo de dois rectificadores:
– com bobinas de ligação;
– sem bobinas de ligação, com banda morta ou com lógica de inversão
vKN
vaN vbNvcNvAN
vaN vbNvcN
vKA
FEUP-LEEC. SAM 46
Conversores CA/CC em anti-paralelo, com corrente de circulação.
Controlo de motores CC, de excitação separada.Conversores CA/CC em anti-paralelo
N
a
AL
bc
K
CargaCC
M
Pa Pb Pc
Na Nb Nc
t2
t1 t3
t4
t5
t6
t7
t8
t9
t10
t4 t6 t8t1 t3 t5 t7 t9 t10t2
va vb vc
t1 t3 t7 t9t5
Pc
t1
Pa Pbt2 t4 t6 Pc
t8
Na Nb Nc
t3 t5 t7va vb vc
t2 t4 t6 t8
• Exemplo de tensões existentes num agrupamento de conversores CA/CC em anti-paralelo, com corrente de circulação.
Saída vKN
Saída vAN
Saída vMN
Tensão na bobina
FEUP-LEEC. SAM 47
Pontes trifásicas em anti-paralelo, com corrente de circulação.
Controlo de motores CC, de excitação separada.Conversores CA/CC em anti-paralelo
• Tratando-se de conversores duplos é necessário uma segunda bobina para limitar a corrente de circulação.
• Há outras configurações de ligação que podem ser utilizadas, dispensando a segunda bobina.
M
P
L
a
b
c
FEUP-LEEC. SAM 48Drive de quatro quadrantes com pontes trifásicas em anti-paralelo e corrente de circulação.
Conversores CA/CC em anti-paralelo.Exemplo de drive de quatro quadrantes
aabc
A1
A2
F1
F2
bc
ωref+ -
+-
Iref
If(ref)
ω
1
+-+
+ -+
Ic
2
3
54
6 7
8 9
10
11
D1
D2
FEUP-LEEC. SAM 49
Sistema de quatro quadrantes sem corrente de circulação.
Controlo de motores CC, de excitação separada.Conversor dual sem corrente de circulação
Conversor P
L
a
b
c
Conversor N
QLógica deinversão Q
Lógica
Circuito de sincronismo e degeração de impulsos
Lógica
FEUP-LEEC. SAM 50
Controlo de motores CC, de excitação série.
• Num motor série, os enrolamentos do circuito de campo e da armadura são colocados em série. O circuito de campo terá poucas espiras, de secção elevada, e baixa resistência.
• Sendo o binário proporcional à corrente da armadura e à corrente de campo, torna-se proporcional ao quadrado da corrente na armadura.
• No arranque e às baixas velocidades, com uma f.e.m. baixa, é possível obter um binário muito elevado a partir de uma corrente elevada; às velocidades elevadas, com a f.e.m. a subir, a corrente decresce e o binário também.
• É a característica típica de um sistema de tracção eléctrica, o campo de aplicação essencial do motor série. No entanto, apresenta algumas dificuldades a nível de métodos de controlo e do funcionamento em recuperação de energia.
FEUP-LEEC. SAM 51
Conversor CC/CC no controlo de um motor série.
Controlo de motores CC, de excitação série.
• Com o desenvolvimento da electrónica de potência, o motor série passou a ser controlado por conversores CC/CC.
ia
S
D
ω
S1
S2A1
A2
L
• Para inverter a velocidade é necessário inverter o campo ou a armadura, mas não ambos. Torna-se necessário a utilização de um contactor.
FEUP-LEEC. SAM 52
Controlo de motores CC, de excitação série.
• Durante o funcionamento em frenagem, com a configuração do conversor CC/CC em step-up, é mais vantajoso colocar o motor como de excitação separada, aumentando a estabilidade.
• Esta configuração permite um controlo mais eficiente de ambas ascorrentes, de campo e da armadura, optimizando o regime dinâmico.
• No entanto, as características de funcionamento do conjunto são não lineares.
FEUP-LEEC. SAM 53
Controlo de motores CC, de excitação série.
• O controlo, com realimentação do quadrado da corrente da armadura, permite obter características de funcionamento semelhantes às obtidas com um motor de excitação separada.
ia
S
D
ω
S1
S2A1
A2
L
Vcc
nref+
-
n
PI ∆+
-
Controlo de um motor série com realimentação não linear da corrente.
FEUP-LEEC. SAM 54
Controlo de motores CC.Referências
• “Electric Motor Drives Modeling, Analysis and Control”, R. Krishnan, Prentice-Hall, 2001
• “Power Electronics. Principles and Applications”, J. Vithayathil, McGraw-Hill, 1995
• “Electric Drives. An Integrative Approach”, N. Mohan, MNPERE, Minneapolis, 2001
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