CONTROLE DE VELOCIDADE DE MÁQUINAS ELÉTRICAS ACIONADAS POR INVERSOR COMUTADO EM BAIXA FREQUÊNCIA

Divisão Temática

DT 4 - Processos produtivos, tecnologias e tendências para o presente e o futuro

1; L. B. GONÇALVES2; J. LAGO3, M. S. ORTMANN4, B. S. DUPCZAK5.

Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC)

Resumo:

A necessidade da otimização dos processos industriais ajudou no desenvolvimento de tecnologias de acionamento e controle de motores. Grandezas como velocidade, torque e até mesmo a posição do eixo passaram a ser monitoradas e ajustadas conforme a necessidade do processo. Isso passou a ser possível com a evolução da eletrônica de potência e o advento do inversor de frequência. Quando trabalhamos com motores de grande potência, o seu acionamento impõe algumas dificuldades para o inversor que o aciona, um desses problemas diz respeito às perdas por comutação dos semicondutores empregados no inversor uma vez que devem interromper níveis consideráveis de corrente. Como solução, empregaram-se técnicas de modulação que garantem a baixa distorção harmônica e diminuição das perdas por comutação. O presente trabalho foi desenvolvido durante o projeto “Controle de Velocidade de Máquinas Elétricas Acionadas por Inversor Comutado em Baixa Frequência.” E tem como objetivo final o desenvolvimento de um inversor trifásico para controle eletrônico de motores elétricos de grande potência.

Palavras-chave: conversor de frequência; modulação; baixa frequência.

Introdução

Para que os valores de tensão e frequência sejam alterados, é utilizado, na grande maioria das vezes, um conversor estático de potência do tipo inversor de frequência. Tal equipamento propicia um maior controle na alimentação do motor, permitindo a variação da velocidade e até controle do torque dos motores, controlados via software por meio de processadores digitais de sinais. Este trabalho tem foco no desenvolvimento do firmware que controla o inversor e de sua modulação, bem como de sua implementação prática. Para tal utilizou-se um inversor de frequência trifásico, de potência nominal de 5 kVA e tensão nominal de 380 V, cujo hardware já havia sido parcialmente desenvolvido em projetos de pesquisa anterior “Inversores de Tensão Trifásicos em Smart Grids: Estratégia de Controle Local e Arquitetura de Comunicação para Controle Secundário Baseado no Paradigma da “Internet das Coisas”

Procedimentos metodológicos1Autores: E. E. CENTENARO Aluno bolsista, curso Engenharia Elétrica; eduardoecentenaro@hotmail.com.2

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Ns=120. fp Um conceito fundamental para o entendimento do funcionamento dos MIT é o

de campo magnético girante em que “Três correntes alternadas senoidais, com mesma amplitude e defasadas de 120º, circulando por três bobinas fixas, cujos eixos magnéticos distam 120º entre si, produzem um campo magnético girante de intensidade constante e velocidade angular constante”. A velocidade angular é definida pela equação , onde Ns é a velocidade síncrona [RPM], f representa a frequência [Hz] e P é o número de pólos. Neste caso, consideramos que a velocidade do rotor é muito próxima da velocidade do campo girante, mas sempre inferior a esta.

A velocidade do rotor é muito próxima da velocidade do campo girante, mas sempre inferior a esta. Assim, para alterar a velocidade do motor, basta trabalharmos na variação da frequência da rede f, visto que alterar o número de polos não é viável já que se trata de uma característica construtiva. Cabe ressaltar que a redução de frequência da tensão de alimentação deve vir acompanhada de uma redução proporcional na amplitude da tensão, pois do contrário ocorre aumento no fluxo e possivelmente a saturação do núcleo magnético. Esse tipo de acionamento é conhecido como V/f constante. Abordando este método, utilizaremos um inversor de frequência. O acionamento eletrônico de um motor pode ser dividido por estágios, onde o primeiro é o conversor CA-CC cuja entrada é a rede trifásica e a saída um barramento CC de tensão. O conversor deste trabalho é constituído por seis diodos que formam um retificador passivo, assim a corrente flui apenas em uma direção criando seis pulsos de corrente. Para diminuir a variação dos valores de corrente na saída do retificador é utilizado capacitores em paralelo, que atuam como filtros. A tensão do barramento CC depende da tensão da rede, nesta parte do processo, utilizamos a tensão do barramento CC para criar as condições necessárias para o funcionamento desejado do nosso motor, convertendo novamente para CA, porém com novas características de tensão e frequência. Para que essa etapa seja possível, há um circuito inversor dentro do equipamento, constituído por 6 interruptores controlados, que quando comandados de maneira apropriada, produzem um sinal de tensão composto por pulsos retangulares, gerando uma tensão resultante com características muito próximas de uma senóide. Esse processo é conhecido como modulação e pode ser feito de diversas maneiras. Neste trabalho buscou-se métodos de modulação adequados à operação do inversor com baixa frequência de comutação, visando aplicações de grande potência.

Os processos citados acimas são divididos entre as placas de potência e de controle, que atuam na parte de processamento de energia e dos sinais eletrônicos, respectivamente. A placa de controle além de ser responsável pela comunicação entre todos os componentes internos e externos ligadas ao conversor, acopla o microcontrolador, que através de um código escrito em linguagem C define quais as chaves utilizadas no circuito inversor da placa potência, permanecem ligadas ou desligadas, e o tempo em que permanecem nesses dois estados. Esse método utilizado, para alterar os valores de tensão na saída do conversor, caracteriza a modulação PWM, que através da largura dos pulsos gerados e da variação de tensão utilizada é capaz de gerar senóides muito próximas das requeridas pelos equipamentos para as suas diferentes funcionalidades.

O inversor de frequência projetado e implementado conta ainda com uma interface homem-máquina interativa composta por um display LCD touchscreen baseada na plataforma NEXTION, e que se comunica com o inversor via um canal de comunicação serial UART. Optou-se por essa abordagem visando, além do controle e monitoramento de grandezas importantes como tensões, correntes e velocidade, também trazer ao projeto um aspecto

didático. Para tal, esse display mostra ao usuário, em tempo real, uma representação dos campos magnéticos envolvidos na conversão eletromecânica de energia e como estes são manipulados e interagem para que se consiga o controle da velocidade do motor.

Figura 2 – Display LCD: (a) Placa de potência; (b.) Placa de controle; (c) Montagem do conversor.

(a) (b) (c)

Considerações finais

A partir da concepção do projeto físico do conversor, da implementação do firmware necessário para sua operação, continuamos com os estudos e testes em cima do seu funcionamento, avaliando seu desempenho, a qualidade da energia fornecida pelo equipamento, e sua aplicabilidade no controle de motores de indução, além da implementação de uma plataforma visual para fins didáticos que ilustra o que está acontecendo no sistema quando exige-se uma alteração na velocidade do motor. Por hora, pode-se concluir que o estudo e pesquisa em cima de tais equipamentos é de extrema importância para o entendimento da tecnologia atual, para o desenvolvimento de novas tecnologias mais eficazes e também para a disseminação do aprendizado na prática.

Referências

LAGO, J., HELDWEIN, M. L. Generalized Synchronous Optimal Pulse Width Modulation for Multilevel Inverters, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 32, NO. 8, AUGUST 2017

FRANCHI, Claiton Moro. Inversores de frequência: teoria e aplicações. 2. ed. São Paulo: Érica, 2009.

FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY JÚNIOR, Charles; UMANS, Stephen D. Máquinas elétricas: com introdução à eletrônica de potência. 6. ed. Porto Alegre: Bookman, 2006.