inversor de frequência monofásico

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FACULDADE ASSIS GURGACZ MAIKON LUCIAN LENZ RAFAEL VINICIUS DA SILVA ROBSON BARBOSA INVERSOR DE FREQUÊNCIA MONOFÁSICO CASCAVEL 2011

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Page 1: Inversor de Frequência Monofásico

FACULDADE ASSIS GURGACZ

MAIKON LUCIAN LENZ RAFAEL VINICIUS DA SILVA

ROBSON BARBOSA

INVERSOR DE FREQUÊNCIA MONOFÁSICO

CASCAVEL 2011

Page 2: Inversor de Frequência Monofásico

FACULDADE ASSIS GURGACZ

MAIKON LUCIAN LENZ RAFAEL VININCIUS DA SILVA

ROBSON BARBOSA

INVERSOR DE FREQUÊNCIA MONOFÁSICO

Trabalho apresentado na disciplina de Eletrônica Industrial e de Potência, do curso de Bacharelado em Engenharia de Controle e Automação, da FAG, como requisito parcial de conclusão da disciplina. Professora: Ederson Zanchet

CASCAVEL 2011

Page 3: Inversor de Frequência Monofásico

RESUMO

Discussão e projeto de um circuito inversor de frequência monofásico com auxílio de um microcontrorlador Arduino. Detalhamento do funcionamento e princípios fundamentais envolvidos, bem como os resultados obtidos com a experiência prática. Palavras-Chave: Inversor de Frequência; Arduino; Chaveamento;

Page 4: Inversor de Frequência Monofásico

ABSTRACT

Discussion and Project of a frequency inverter circuit with an Arduino microcontroller. Details about of the way it function, the principles involved and the results obtained with the pratical experience. Keywords: frequency inverter; Arduino; Switching;

Page 5: Inversor de Frequência Monofásico

LISTA DE ABREVIATURAS

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

KW Kilo-Watts

PWM Pulse Width Modulation

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

BJT Bipolar Junction Transistor

Page 6: Inversor de Frequência Monofásico

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Esquema básico de um inversor de frequência ................................................ 9

Figura 2 - Esquema utilizado no trabalho ....................................................................... 10

Figura 3 - Relação Torque/Tensão para controle escalar ...................................... 11

Figura 4 - Comparativo entre os elementos mais comuns de controle de velocidade ..................................................................................................................... 13 Figura 5 - Arduino UNO ................................................................................................. 14

Figura 6 - Circuito IGBT e equivalente .......................................................................... 15 Figura 7 - Circuito Completo ......................................................................................... 18 Figura 8 - Teste de Funcionamento ................................................................................ 19 Figura 9 - Resultado da inversão de frequência ............................................................. 19

Page 7: Inversor de Frequência Monofásico

Sumário 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 8

2. PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS ............................................................................. 9

2.1. Metodologia de Conversão .................................................................................... 9

2.2. Métodos de Conversão ........................................................................................ 10

2.3. Controle Escalar de Frequência ............................................................................ 11

2.4. Controle Vetorial de Frequência .......................................................................... 12

2.5. Circuito Chaveador .............................................................................................. 13

3. Algoritmo ................................................................................................................ 16

4. RESULTADOS........................................................................................................ 18

4.1. Circuito Pronto .................................................................................................... 18

4.2. Testes ................................................................................................................... 19

5. CONCLUSÃO ........................................................................................................ 20

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 21

Page 8: Inversor de Frequência Monofásico

1. INTRODUÇÃO

O desenvolvimento de circuitos capazes de chavear um sinal criando uma

onda de frequência diferente daquela que a originou, os denominados

inversores de frequência são sem dúvida um dos pilares da eletrônica de

potência na atualidade, sem os quais o mundo como o conhecemos hoje não

seria possível.

Ao longo do trabalho o tema será explanado detalhadamente para que

possamos abranger não somente o projeto mas também toda a metodologia e

os princípios de funcionamento envolvidos no equipamento em questão.

Page 9: Inversor de Frequência Monofásico

2. PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS

2.1. Metodologia de Conversão

Para que possa transformar um sinal de uma frequência fixa para outra é

comumente utilizado uma conversão CA-CC antes de utilizar métodos de

chaveamento para refazer uma nova onda em frequência diferente. O sinal CC

é manipulável mais facilmente do que uma outra qualquer.

Neste trabalho entretanto, o inversor de frequência fora alimentado

diretamente com uma tensão contínua eliminando o circuito de retificação.

Figura 1 - Esquema básico de um inversor de frequência

Page 10: Inversor de Frequência Monofásico

Figura 2 - Esquema utilizado no trabalho

2.2. Métodos de Conversão

Existem basicamente dois tipos inversores de frequência:

Inversores de Controle Escalar

Inversores de Controle Vetorial

A diferença fundamental entre estes é que o primeiro é capaz de

controlar apenas a velocidade do motor de forma linear, o que pode ser um

problema quando se tem grandes variações na carga utilizada e no torque

necessário, tornando-se um método de controle bastante impreciso nestas

situações.

A curva que relaciona torque e tensão difere entre os dois tipos, sendo o

escalar algo mais próximo de um controle linear.

Page 11: Inversor de Frequência Monofásico

2.3. Controle Escalar de Frequência

Apesar de bastante comum, seu uso justifica-se basicamente no custo

reduzido se comparado ao controle vetorial. No entanto, este inversor controla

o motor tomando como base os valores de tensão e frequência, tentando

manter a relação entre estes constante, o que resulta em pouco torque em

baixas rotações já que o torque é relação direta da corrente de alimentação e a

alta resistividade do motor em baixas frequências faz com que em certo este

não consiga mais recuperar o torque, à um limite de aproximadamente 3 Hz.

De qualquer forma, este tipo de inversor pode ser utilizado muito bem

para partidas suaves e/ou operações acima da velocidade nominal do motor.

Figura 3 - Relação Torque/Tensão para controle escalar

Caso o motor necessite de grande torque na partida, devido a grande

inércia do sistema, pode-se utilizar um procedimento para aumentar o torque

aumentando a tensão de saída do inversor, denominado compensação de

boost.

O aumento da tensão pode compensar ainda as perdas na parcela

resistiva em baixas frequência em até 30% da frequência nominal

Page 12: Inversor de Frequência Monofásico

(compensação IxR).

2.4. Controle Vetorial de Frequência

O inversor de frequência vetorial trabalha de acordo com a demanda de

torque do motor, e variando constantemente a curva que relaciona torque e

tensão.

Isto é possível monitorando as variáveis de:

Corrente de magnetização (Im)

Corrente do rotor (Ir)

Para aplicações que exijam torque elevado e preciso em baixas

rotações, com regulação precisa de velocidade, sem dúvidas este é o método

adequado.

É comum também utilizar de um encoder acoplado ao eixo do motor

para se ter um referência real da velocidade que o motor está trabalhando

corrigindo o erro do controle.

Page 13: Inversor de Frequência Monofásico

Figura 4 - Comparativo entre os elementos mais comuns de controle de velocidade

2.5. Circuito Chaveador

A conversão de frequência é feita através de interruptores eletrônicos,

comumente transistores, já que os tiristores são mais difíceis de serem

controlados e trabalham com frequências não satisfatórias em muitos casos.

Destes transistores é comum lidarmos com BJT, MOSFET ou IGBT, esse

último o utilizado em nosso projeto. Eles podem ser usados também para

regulagem de potência conforme o nível de corrente da base, no entanto, nesta

situação nos interessa apenas a circulação ou não de corrente.

Desta forma, podemos operar com os transistores nos pontos de corte e

saturação, aonde o mínimo de potência será dissipada.

Com o sinal em corrente contínua, o restante do procedimento é

realizado por transistores (mais rápidos no chaveamento que tiristores, e sem a

necessidade de elementos de comutação para desligar estes) acionados a

Page 14: Inversor de Frequência Monofásico

partir de um sistema microcontrolado, no projeto em questão um Arduino UNO.

Figura 5 - Arduino UNO

O Arduino será responsável por intercalar o acionamento dos pontos T1-T4

e T2-T3, e entre eles os pontos de alta e baixa (ligado, desligado) conforme a

frequência desejada.

O transistor utilizado é do tipo IGBT, ideal para circuitos de potência já que

ele mistura características de transistores MOSFET e bipolares. A principal

vantagem deste tipo de transistor se deve a seu acionamento ser realizado

aplicando-se uma tensão entre a porta e o emissor, assim o IGBT, com grande

impedância de entrada e baixíssimas perdas por condução, o IGBT se torna

uma peça fundamental no controle de potência industrial.

Page 15: Inversor de Frequência Monofásico

Figura 6 - Circuito IGBT e equivalente

O CI utilizado possui um driver de controle do gate, para garantir o

isolamento entre o circuito de potência e controle, além da operação exata nos

pontos de comutação, condução e bloqueio do transistor.

O circuito chaveador foi alimentado por uma fonte de tensão de 12V,

enquanto o circuito de potência foi alimentado por outra fonte de tensão com

testes por volta de 10V aplicados ao circuito.

Page 16: Inversor de Frequência Monofásico

3. Algoritmo

O algoritmo é simples, apenas intercala o acionamento entre os pinos 12

(quadrante 0) e 13 (quadrante 1) do arduino que estão ligados em cada um dos

ICDrivers, que são os semi-ciclos negativo e positivo respectivamente. Dentro

desses semi-ciclos é a ajustada a frequência para 2khz, ou seja, um período de

500 μs.

const int Pin13 = 13; // pino utilizado

const int Pin12 = 12;

// Variáveis

int Quadrante = 0; // ledState used to set the LED

void setup()

{

// set the digital pin as output:

pinMode(Pin13, OUTPUT);

pinMode(Pin12, OUTPUT);

digitalWrite(Pin13, 0);

digitalWrite(Pin12, 0);

}

void loop()

{

if (Quadrante)

Page 17: Inversor de Frequência Monofásico

Quadrante=0;

else

Quadrante = 1 ;

}

if (Quadrante)

{

digitalWrite(Pin13, 1);

delayMicroseconds (100);

digitalWrite(Pin13, 0);

delayMicroseconds (400);

} else {

digitalWrite(Pin12, 1);

delayMicroseconds (100);

digitalWrite(Pin12, 0);

delayMicroseconds (400);

}

}

Page 18: Inversor de Frequência Monofásico

4. RESULTADOS

4.1. Circuito Pronto

Figura 7 - Circuito Completo

Page 19: Inversor de Frequência Monofásico

4.2. Testes

Figura 8 - Teste de Funcionamento

Figura 9 - Resultado da inversão de frequência

Page 20: Inversor de Frequência Monofásico

5. CONCLUSÃO

Os inversores de frequência são de grande serventia nas plantas atuais, para não

dizer indispensáveis.

Com eles pudemos evoluir tanto em termos de controle de velocidade, quanto

em economia de energia.

Com o advento dos inversores de frequência de controle vetorial em detrimento

dos escalares, está necessidade ficou ainda mais evidente, já que houve uma grande

evolução na compensação de torque que era ainda um dos obstáculos enfrentados por

este tipo de controle.

Page 21: Inversor de Frequência Monofásico

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Faculdade de Tecnologia Alvarez de Azevedo. Inversores de Frequência –

Descrição do Funcionamento. Disponível em:

<www.faatesp.edu.br/publicacoes/Inversores_de_Frequencia.pdf>. Acesso em: 30 nov.

de 2011.

[2] EJM. CONVERSORES DE FREQÜÊNCIA E SOFT STARTERS. Disponível

em: <www.ejm.com.br/download/Inversores.pdf> Acesso em: 30 de nov. de 2011.

[3] BIM, E. MÁQUINAS ELÉTRICAS E ACIONAMENTOS. Rio de Janeiro:

Campus, 2009.