teoria 18 filosofia de controle vetorial[1]

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Teoria 18 Filosofia de Controle Vetorial

18.1 Introdução: Características de Controle da Máquina Assíncronas:

De uma forma geral pode-se dividir a forma de controle do inversor em 2 tipos: escalar e vetorial.

O controle escalar, como foi visto nos estudos teóricos e práticos anteriores, é aquele que impõe no motor uma determinada tensão e uma determinada freqüência, visando manter a relação V/F constante. É também chamado controle em malha aberta. A sua característica principal é que a precisão da regulação de velocidade para uma dada freqüência de acionamento do motor é função do escorregamento, o qual por sua vez varia em função da carga. A carga por sua vez, também pode variar (ou não) em função da velocidade. Em baixas rotações, existe ainda a necessidade do inversor aumentar a relação V/F para compensar o efeito da queda na resistência estatórica, visando manter, dentro do possível, a capacidade de torque do motor para baixas rotações.

O controle vetorial (também denominado Controle por Orientação de Campo - FOC) é um método utilizado no acionamento de velocidade variável de máquinas de indução trifásicas a fim de controlar o torque (e daí por fim a velocidade) através de uma malha de controle que monitora a corrente enviada a máquina.

O controle vetorial possibilita atingir um elevado grau de precisão e rapidez no controle

tanto do torque quanto da velocidade do motor. O nome vetorial advém do fato que para ser possível este controle, é feita uma decomposição vetorial da corrente enviada ao motor nos vetores que representam o torque e o fluxo no motor, de forma a possibilitar a regulação independente do torque e do fluxo.

O controle vetorial de máquinas assíncronas pode ainda ser dividido em 2 tipos: normal e

“sensorless” (sem sensores). Denominamos sensores, dispositivos que, sob o efeito de um sinal físico, alteram suas

propriedades físicas. Neste contexto um encoder ou um resolver já não são mais sensores, mas dispositivos mais desenvolvidos que usam sensores, onde os sinais dos mesmos já foram condicionados a fornecer um sinal adequado ao uso desejado.

O controle vetorial normal necessita ter no motor um “sensor de velocidade” (por exemplo,

um encoder incremental). Este tipo de controle permite obter a maior precisão possível no controle da velocidade e do torque, inclusive com o eixo do motor parado.

A função do encoder é fundamental principalmente em velocidades próximas ao zero e

também, muitas vezes, quando a carga assume valores extremos. O controle vetorial “sensorless” não necessita de um “sensor de velocidade”, ou seja, não

necessita de um encoder. Sua precisão na regulação de velocidade é inferior se comparado a do controle vetorial normal, com limitações ainda maiores em baixíssimas rotações (velocidade zero ou bem próximas a zero).





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O objetivo do chamado controle sensorless de máquinas assíncronas de indução é eliminar o encoder colocado no eixo da máquina, bem como os acessórios a ele ligados, diminuindo-se custos e eliminando-se etapas adicionais ao controle da mesma.

Entretanto não se conhece, até o momento um controle que seja genuinamente sem sensores (sensorless). O chamado controle vetorial sem sensores é, na verdade, um controle sem o transdutor de posição (encoder ou resolver). Uma análise um pouco mais rígida mostra que, mesmo no clássico controle vetorial de máquinas assíncronas, é necessário pelo menos dois sensores de corrente para que sejam feitos as transformações de coordenadas e o cálculo do fluxo.

Até o presente momento o controle em velocidades próximas do zero, é explorado em um

numero muito limitado de aplicações. Quando o enfoque é posicionamento, as técnicas desenvolvidas para emprego das máquinas assíncronas quase sempre exigem alterações estruturais na própria máquina e ainda assim apresentam performance insatisfatória, por isso normalmente se utilizam outras máquinas que não a assíncrona, para controle de posição.

O estudo deste capítulo tem por objetivo oferecer a seus usuários os conhecimentos básicos

sobre as diversas tecnologias de Conversores de Freqüência com Controle Vetorial disponíveis atualmente no mercado, sem desmerecer e nem favorecer a nenhumas delas, pois, a tecnologia empregada em cada conversor pode ser a mais adequada com a aplicação existente, não necessitando da melhor tecnologia disponível no mercado.

Cabe ao profissional da área especificar o conversor que melhor lhe atenda a relação de

custo e benefício proporcionado. 18.2 O Controle Vetorial:

O motor de indução possui características de elevada robustez e baixo custo, que o torna bastante atrativo para aplicações industriais. Por esta razão, a maioria dos motores elétricos utilizados na indústria é deste tipo. O motor de indução ficou restrito, num primeiro momento, a aplicações de baixo desempenho dinâmico devido à complexidade de seu controle.

No funcionamento dos Conversores de Freqüência Escalares (V/f) utiliza-se basicamente da tensão de saída (V) e da freqüência de saída (f) para controle e variação de velocidade.

Apesar de eficiente para um bom número de aplicações, o modo de controle Escalar (V/f) possui algumas limitações:

• Não possui controle de conjugado; • Possui baixa performance dinâmica. • Não usa a orientação do campo magnético; • Ignora as características técnicas do motor;

Já a máquina CC com excitação independente, possui uma estrutura de controle bastante simples baseada na ortogonalidade dos eixos associados ao fluxo de campo e a força magnetomotriz de armadura. Devido às características construtivas, estes eixos, conjugado e fluxo, estão





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desacoplados, facilitando projetos de acionamento com alto desempenho dinâmico, através do controle da corrente de armadura.

Na máquina CA, esta ortogonalidade não existe diretamente tornando as interações

dinâmicas bastante complexas, ou seja, o fluxo e a FMM (Força Magneto Motriz) não são estacionários e mudam de valor com diferentes velocidades, dependendo assim do estado dinâmico da máquina.

Podemos afirmar que a máquina de indução é um sistema não linear multi-variável, diferenciando-se de uma carga R-L passiva pela existente interação entre o estator e o rotor, o qual resulta em um comportamento que é dependente do ponto de operação (fluxo, conjugado, velocidade). Podemos dizer que a máquina de indução é uma carga R-L ativa.

Isso se constituiu um grande problema até que Hasse em 1969 propôs uma nova metodologia baseada em seu modelo vetorial, usando vetores espaciais para a modelagem da máquina CA. O excelente desempenho dinâmico do motor de corrente contínua de excitação independente foi o ponto de partida para os métodos vetoriais aplicados aos motores de indução.

Somente em 1972, F. Blaschke, utilizando-se de conceitos matemáticos e de muita intuição conseguiu formular uma teoria geral sobre o comportamento dinâmico da máquina de indução. Com a apresentação do princípio de Controle por Orientação de Campo, estava lançada a base teórica para o desenvolvimento das técnicas de Controle Vetorial de motores CA. A dificuldade então passou a ser implementá-la, uma vez que a técnica de orientação de campo previa cálculos complexos como conversão de sistemas de coordenadas móveis, utilizando equações simplificadas do modelo matemático do motor.

O objetivo da técnica de controle por orientação de campo é produzir um desacoplamento entre Conjugado e Fluxo de campo, possibilitando controlar a máquina CA de forma semelhante ao controle de um motor CC. Devido ao grande volume de processamento matemático inerente a essa técnica, o controle por orientação de campo só pode ser implementado na prática a partir de 1980, tornando-se economicamente viável, somente alguns anos depois, com o aumento da velocidade, aumento da capacidade de processamento matemático matricial e redução do custo de fabricação dos microprocessadores.

Atualmente, graças aos progressos obtidos principalmente nas áreas da eletrônica de potência e da microeletrônica, já é possível a utilização de motores de indução em aplicações de alto desempenho dinâmico. Os acionamentos industriais de alto desempenho que utilizam motores de indução empregam o controle vetorial. Este método de controle utiliza correntes para comandar o sistema e, sendo assim, faz-se necessário adicionar uma malha de realimentação para o controle da corrente do motor. O controle vetorial de máquinas de indução possui um grande campo de estudos e pesquisas científico-tecnológicas por tratar-se de sistemas bastante complexos, o qual exige intensa computação em tempo real e maior velocidade de processamento, quando comparado ao controle escalar.

O controle vetorial ultrapassa as desvantagens mencionadas para o controle escalar (V/f = constante) e pode assegurar elevados desempenhos dinâmicos e de conversão energética. Encontramos nas literaturas termos que são correlatos associados a Controle Vetorial: "Field Oriented Control" (FOC - Controle por Orientação de Campo); "Vector control"; "Universal Field Oriented" (UFO).

TRANSF

TRANSF

Integrador

Valor estimado

Correntede

magnetização

Correntede

saída

Tensãode

saída

IqId

Id = corrente de excitação

Iq = corrente de conjugado

TRANSF

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Integrador

Valor estimado

Correntede

magnetização

Correntede

saída

Tensãode

saída

IqId



TRANSF

TRANSF

Integrador

Valor estimado

Correntede

magnetização

Correntede

saída

Tensãode

saída

IqId



O controle vetorial é um método de controle, com uma visão da máquina e dos seus modelos dinâmicos, que toma em consideração tanto a amplitude das grandezas como a sua fase, fazendo utilização de "vetores espaciais", cujas projeções são as variáveis trifásicas.

Tradicionalmente o controle vetorial utiliza a estratégia de matrizes de transformação do sistema de 3 eixos para um sistema de 2 eixos (transformadas de Clark e Park). A estrutura de regulação (cadeia fechada) recebe assim duas constantes como referência: a componente do conjugado (sobre o eixo q) e a componente do fluxo (sobre o eixo d).

A técnica de Controle por Orientação de Campo (Field Oriented Control – FOC) tem sido

largamente utilizada para permitir alto desempenho dinâmico de conjugado e velocidade no acionamento de máquinas de indução. Os regimes dinâmicos mais comuns da máquina são levados em consideração e o modelo obtido é similar ao das máquinas de C.C. e, portanto, de fácil controle, atendendo à dependência linear entre conjugado e corrente. O tratamento matricial / vetorial, recorrendo ao uso de matrizes é facilitado por uso de software. Os modelos tornam-se muito compactos. A estrutura do comando dos semicondutores de potência é conseguida usando um modulador de vetores espaciais (Space Vector PWM).





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referêncian

φ

I

PWM

regulador

regulador

regulador

Correntede

magnetização

Valor estimado

Valor estimado

referêncian

φ

I

PWM

regulador

regulador

regulador

Correntede

magnetização

Valor estimado

Valor estimado

n

φ

I

PWM

regulador

regulador

regulador

Correntede

magnetização

Valor estimado

Valor estimado

O controle vetorial influi sobre os controladores de corrente eliminando os termos de

acoplamento da equação do rotor da máquina de indução. Este fato produz a eliminação da parte complexa dos pólos associados à equação do rotor e com isto são eliminadas também as restrições nas faixas de variação da velocidade mecânica e freqüência síncrona apresentadas pelo controlador de corrente sem controle vetorial.

referência

"Encoder"

n

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I

PWM

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regulador

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Correntede

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Valor real

referência

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n

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n

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Correntede

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Valor real





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O desenvolvimento da tecnologia de semicondutores de potência assim, como a aplicação dos Processadores Digitais de Sinais (DSP), Circuitos integrados para fins específicos (ASIC), Field Programmable Gate Array (FPGA - componente semicondutor de lógica de uso geral que pode ser customizado para operar como um chip dedicado a uma tarefa específica), originou várias mudanças nas orientações das pesquisas em acionamentos de máquinas assim como das aplicações industriais: o custo do ‘hardware’ necessário para controle vetorial tem diminuído continuamente. Além disso, dependendo da aplicação, o controle vetorial pode ser simplificado, deixando o custo da estrutura de hardware ainda menor. Com isto, as complexidades iniciais da bancada experimental foram deslocadas para a programação em tempo real dos sistemas de controle.

O desenvolvimento das Técnicas de Modulação PWM também foi incentivado pelo desenvolvimento tecnológico, pois a implementação do Modulador de Vetores Espaciais requeria uma montagem complexa em bancada experimental e um investimento de tempo bastante elevado na implementação. Estas limitações foram superadas com os recentes DSPs, com altas freqüências de operação, alta velocidade de conversão A/D e D/A, alto grau de paralelismo(1) e com periféricos os quais implementam o modulador PWM em máquinas de estados finitos(2). Atualmente as aplicações utilizando a modulação de vetores espaciais usam a técnica SV-PWM (Space Vector PWM) em substituição à técnica PWM que utiliza o método de comparação de rampa convencional. 18.2.1 Técnicas de Controle Vetorial:

Para a implementação de qualquer uma das técnicas de controle vetorial, é necessário que exista um desacoplamento entre o conjugado e o fluxo da máquina obtido com o alinhamento da componente ‘d’ do fluxo orientado.

O controle por campo orientado tem como objetivo o desacoplamento de controles de

conjugado e fluxo do motor de indução. Com este desacoplamento, o motor pode ser operado a fluxo constante de forma análoga ao motor DC com excitação independente. Este desacoplamento é alcançado referenciando os controles de conjugado e fluxo em um sistema de coordenadas que está alinhado com o vetor fluxo do motor, conhecido como sistema de coordenadas de campo, e impondo um escorregamento que cancela o acoplamento existente entre os eixos d e q.

Com isto os modelos matemáticos da máquina de indução, sejam para o fluxo no rotor,

sejam para o fluxo no estator, sejam ainda para o fluxo no entreferro, devem ser modificados inserindo esta condição.

Assim, obtém-se novas equações para implementação do controlador. Executando o

alinhamento do eixo d, a componente q dos fluxos tornam-se zero. A partir desta condição aplicadas às equações de fluxo obtém-se os modelos desacoplados (novas equações) para os fluxos de rotor, estator e de entreferro, respectivamente. As técnicas de controle vetorial podem ser divididas em:

• Controle Vetorial Indireto:

o Orientação no Fluxo de Rotor;





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o Orientação no Fluxo de Estator; o Orientação no Fluxo de Entreferro; o Controlador Universal Indireto.

• Controle Vetorial Direto:

o Orientação no Fluxo de Rotor; o Orientação no Fluxo de Estator; o Orientação no Fluxo de Entreferro; o Controlador Universal Direto.

18.2.2 Método de Controle Vetorial Indireto:

O método indireto de controle vetorial tem como característica principal não apresentar a realimentação do vetor de fluxo. Os controles do fluxo do estator e do conjugado são realizados de forma indireta, a partir das componentes da corrente do estator. A componente s isq controla o fluxo do estator enquanto que a componente s isd controla o conjugado.

Por isso, o método indireto é bastante dependente de um perfeito ajuste entre os parâmetros

da máquina e os usados na malha de controle. Assim, variações de temperatura, a saturação e o efeito pelicular podem fazer com que os parâmetros da máquina apresentem variações, fazendo com que o controle não tenha um bom desempenho. Neste método a constante de tempo do rotor (τr) é um ponto crítico que reduz sua robustez.

O método indireto de controle vetorial baseia-se inteiramente na relação de escorregamento

da máquina e no fato desta relação ser uma condição necessária e suficiente para produzir a orientação do campo,

Um sistema genérico de controle vetorial indireto é apresentado na figura a seguir, onde o bloco CVI (Controle Vetorial Indireto) pode ser substituído por um controlador orientado em qualquer um dos fluxos da máquina, os quais serão apresentados em seguida:

18.2.3 Método de Controle Vetorial Indireto com Orientação no Fluxo do Rotor:

A estrutura deste controlador é bastante simples ele é preferido em detrimento dos demais controladores de método indireto com estruturas orientadas nos fluxos de estator e entreferro.

Os parâmetros da máquina, presentes no controlador, podem em situações reais, sofrer

variações devido a mudanças de temperatura, saturação, efeito pelicular, etc. Entre os parâmetros que variam no motor a constante de tempo do rotor é a mais sensível e interfere diretamente na resposta do controlador, por isso alguns algoritmos de estimação de parâmetros são utilizados para melhorar a resposta do controlador. 18.2.4 Método de Controle Vetorial Indireto com Orientação no Fluxo do Estator:

Outro esquema de adaptação que consiste em utilizar a componente de eixo em quadratura do fluxo do rotor para fazer a adaptação da constante de tempo rotórica do controlador. Esta variável deve ser nula quando o sistema está operando em sintonia, logo é natural se pensar em utilizá-la para a adaptação do parâmetro tr. O esquema de adaptação pode ser visto como um MRAC em que o modelo de referência é trivial: a saída deve ser nula para qualquer valor de entrada.

Uma das desvantagens desta estrutura é a necessidade de derivar a componente do eixo ‘q’

da corrente na obtenção do escorregamento. Isto pode acarretar valores elevados de escorregamento para ajustes do ângulo de orientação, durante transitórios de conjugado. Assim estes valores de escorregamento não podem ser obtidos, mas se a taxa de variação do conjugado for compatível com os limites impostos ao inversor, a máquina responde de forma rápida a variações em degrau de sua referência.





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Observar que existe um acoplamento entre os eixos diretos e de quadratura no controlador, ou seja, a estrutura não apresenta um desacoplamento total entre os eixos d e q, como existe na orientação pelo fluxo de rotor. Este acoplamento é devido às indutâncias de dispersão de estator e de rotor existentes no modelo em fluxo para o estator 18.2.5 Método de Controle Vetorial Indireto com Orientação no Fluxo de Entreferro:

A orientação no fluxo de entreferro apresenta as mesmas características da orientação no fluxo do estator, ou seja, necessita de diferenciação da corrente em quadratura para o cálculo do escorregamento e o acoplamento inerente entre conjugado e fluxo em sua estrutura.

Nestes dois esquemas de orientação, segundo fluxo de estator e segundo o fluxo de

entreferro, a relação entre conjugado e freqüência de escorregamento é não linear, fazendo com que um limite teórico de conjugado em regime permanente exista para operação com fluxo constante. Mas esse limite é muitas vezes superior ao limite nominal da máquina, portanto não costuma apresentar problemas em uma situação de implementação prática. 18.2.6 Controlador Universal Indireto:

Este controlador abrange em uma só estrutura todas as outras possibilidades de orientação de fluxo.

18.2.7 Método de Controle Vetorial Direto:

Os métodos diretos de controle vetorial apresentam uma malha fechada de regulação de fluxo, e, portanto se caracterizam pela necessidade de medição ou estimação das componentes ortogonais do vetor fluxo, ou seja, módulo e fase do vetor. Nesse tipo de estrutura a aquisição do vetor fluxo é de fundamental importância, sendo este o maior problema, existindo várias formas para obtenção do fluxo.

Caso o fluxo seja diretamente medido, para a implementação prática seriam necessários

sensores para medir o fluxo: sensores de efeito hall ou bobinas exploradoras. Geralmente tais sensores são caros, bastante sensíveis e, algumas vezes, pouco confiáveis.

Os sensores de efeito hall apresentam a vantagens que é de apresentar bom desempenho em baixas velocidades, entretanto as dificuldades são várias: de instalação, pois necessitam máquinas especiais que suportem a instalação. Como os sensores devem ser colocados ortogonalmente na superfície do estator, eles acabam por apresentar sinais altamente distorcidos causados pelo efeito das ranhuras do motor. Além disso, apresentam um desempenho ruim em condições de excesso de vibração e de temperatura.

As bobinas exploradoras apresentam menor dificuldade de instalação e eliminam o efeito

das ranhuras do rotor, mas também necessitam de máquinas especiais para sua instalação. Sua principal desvantagem é a necessidade de se conhecer os parâmetros da máquina para síntese do vetor fluxo, por isso não são eficazes em baixas velocidades.





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Para contornar as dificuldades apresentadas pelo uso de sensores para medição direta da variável do fluxo principalmente para a instalação, (por exemplo, o fluxo do rotor é uma variável na prática inacessível), fizeram com que essa solução fosse logo descartada, e estratégias alternativas, baseadas em técnicas de controle moderno, como estimadores de fluxo e observadores de fluxo modelados em corrente ou em tensão e baseado no modelo da máquina, fossem os métodos mais usados.

Os estimadores de fluxo fazem uso basicamente de grandezas terminais da máquina

como tensão, corrente e velocidade para, a partir do modelo da máquina estimar as componentes de fluxo, mas não apresentam mecanismos para compensação de erro de predição. Por isso tem grande sensibilidade à variação paramétrica, e assim não são eficientes em baixas velocidades.

Os observadores de fluxo podem ser ditos como estimadores em malha fechada, ou seja,

possuem mecanismos para compensação de erro de predição, mesmo assim ainda apresentam problemas em baixas velocidades.

Como podemos notar, o controlador vetorial direto não depende da relação de

escorregamento da máquina, mas sim da qualidade da medição da posição dos fluxos orientados.

O desacoplamento dos controles de conjugado e fluxo é dependente da constante de tempo rotórica do motor. O desconhecimento deste parâmetro pode levar à perda da orientação de campo. Uma forma de contornar este problema é fazer uma adaptação deste parâmetro. 18.2.8 Adaptação da Constante de Tempo Rotórica:

O cálculo do escorregamento no controle por campo orientado indireto é dependente do conhecimento da constante de tempo rotórica do motor, parâmetro este que varia amplamente com a temperatura do motor e com a saturação magnética. Quando a constante de tempo rotórica não é exatamente conhecida, um erro é introduzido no cálculo do escorregamento, o que se traduz na perda da orientação de campo. Como conseqüência, erros de conjugado e fluxo são introduzidos em regime permanente e oscilações amortecidas aparecem nos transitórios destas variáveis. De uma forma geral, o desempenho do controle por campo orientado é severamente degradado em função do desconhecimento da constante de tempo rotórica do motor.

Uma das soluções para eliminar estes efeitos e manter o desempenho do controle por campo

orientado é a técnica do Controle Adaptativo por Modelo de Referência (MRAC) onde o parâmetro a ser adaptado é a constante de tempo rotórica (tr). Neste tipo de controle, o comportamento desejado para o motor de indução é estabelecido por um modelo denominado de modelo de referência. A constante de tempo rotórica é adaptada para que o comportamento real do motor de indução seja o mais próximo possível do comportamento estabelecido pelo modelo de referência.

Diversos modelos de referência são apresentados, os quais utilizam o valor da medição de

tensão para produzir uma informação de erro (erro de sintonia) que é utilizada para adaptar o parâmetro.

O uso de um estimador ou de um observador se justifica por não ser essencial ao desempenho do sistema uma medida acurada do fluxo do rotor. Apesar do fluxo observado não representar uma boa estimativa do fluxo real, o esquema de controle apresenta bom desempenho.

A estrutura básica de um controlador vetorial direto é mostrada na figura a seguir, e da

mesma maneira que no método indireto, o bloco CVD (Controlador Vetorial Direto) pode ser substituído por qualquer um dos esquemas dados para cada um dos fluxos controlados. Por sua vez também o bloco estimador pode ser considerado qualquer um dos métodos de medição do fluxo.

18.2.9 Método de Controle Vetorial Direto com Orientação no Fluxo do Rotor:

Devemos observar nesta estrutura a “não dependência da resistência do rotor”, que é o parâmetro que mais influencia no desempenho do controlador vetorial indireto. Mas os estimadores ou observadores de fluxo usados no processo de aquisição do fluxo são baseados em modelos da máquina, logo esta aquisição depende dos parâmetros da máquina.

Realizando-se simulações utilizando variações no valor da constante de tempo rotórica, acima e abaixo do seu valor exato, constata-se que fazendo a adaptação da constante de tempo rotórica o bom desempenho do controle por campo orientado em sintonia é mantido. Consegue-se também manter o esforço de controle e a potência dissipada. O fluxo observado difere bastante do fluxo real do rotor, e mesmo assim o parâmetro converge, mantendo o mesmo desempenho e eficiência do controle vetorial em sintonia.

Mesmo esquemas que adotam como solução a medição direta do fluxo também são dependentes dos parâmetros da máquina, isso porque somente o fluxo de entreferro está disponível para medição, através dos sensores, e então estes valores medidos são convertidos nas variáveis de rotor.





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18.2.10 Método de Controle Vetorial Direto com Orientação no Fluxo do Estator:

Para o modelo orientado no fluxo de estator, o desacoplamento não é direto. Assim variações na corrente do eixo em quadratura poderão causar oscilações no fluxo, prejudicando a resposta dinâmica do controlador.

Para a solução deste problema um bloco desacoplador deve ser inserido no sistema que representa o controlador vetorial direto com orientação no fluxo de estator.

A equação do desacoplador é obtida aplicando as condições de desacoplamento a partir da equação a da resposta de eixo direto, e considerando os valores de escorregamento de regime, evitando assim o cálculo de algumas derivadas e afetando muito pouco a resposta do sistema.

Em todas as simulações o parâmetro converge para o valor exato com velocidade

satisfatória. A Figura 1 mostra o desempenho do controle adaptativo no seguimento de trajetória e na variação no fluxo de eixo em quadratura.

18.2.11 Método de Controle Vetorial Direto com Orientação no Fluxo de Entreferro: O controlador vetorial com orientação no fluxo de entreferro pode ser obtido de forma totalmente análoga ao com orientação no fluxo de estator apresentando também os mesmos problemas de desacoplamento (desacoplamento apenas parcial). A estrutura do controlador que tem orientação no fluxo do entreferro é a mesma para o fluxo de estator. O circuito desacoplador também é obtido da mesma forma, e fazendo as mesmas simplificações. 18.2.12Controlador Universal Direto:

Assim como no controlador universal indireto, este controlador abrange em uma só estrutura todas as outras possibilidades de orientação de fluxo.





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18.2.13Controle Vetorial com realimentação:

Geralmente, nos acionamentos elétricos com motores, além da malha de corrente têm-se também as malhas de fluxo, de conjugado e de velocidade.

O controle total de conjugado em velocidade zero não é possível sem realimentação da

malha de fluxo e de conjugado. Além disso, se a aplicação necessitar de um erro de velocidade inferior a 0,5%, é necessário ainda um controle vetorial com realimentação da malha de velocidade por encoder. 18.3 Controladores de Corrente:

Nas duas últimas décadas, o abrupto desenvolvimento tecnológico motivou uma forte pesquisa de diferentes controladores de corrente. Em particular, no que diz respeito aos motores de indução com controle vetorial, é encontrado um número abundante e diversificado de contribuições, indicando a importância desta área de pesquisa como também a necessidade de desenvolvimentos:

Com o intuito de oferecer uma visão geral da evolução dos controladores de corrente, na figura a seguir é mostrada uma retrospectiva das principais contribuições da pesquisa internacional nesta área. São mostrados os sete métodos de controladores principais, sendo cronologicamente o controlador PI o primeiro a ser proposto (1964) e o controlador otimizado o mais recente (1994).

Método Tipo Freqüência de Chaveamento PI Estacionário Linear Constante PI Síncrono Linear Constante





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Realimentação de Estados Linear Constante Preditivo Linear Constante Deadbeat Linear Constante Modulação Delta Não-Linear Constante Histerese Não-Linear Constante Histerese Não-Linear Variável Preditivo Freq. Min. Estac. Não-Linear Variável Preditivo Freq. Min. Sinc. Não-Linear Variável Otimizado On-Line Não-Linear Variável Redes Neurais Não-Linear Variável Lógica Fuzy Não-Linear Variável 18.4 Técnica de Controle Direto do Conjugado por Orientação de Fluxo do estator:

Mais recentemente, outras técnicas de controle não-linear têm sido desenvolvidas e utilizadas com o objetivo de aumentar a robustez e melhorar o desempenho sob determinadas condições de operação. Um exemplo é a técnica de Controle Direto do Conjugado (DTC – Direct Torque Control), na qual o conceito de orientação de campo do estator que se observa é diferente do conceito apresentado pelo Controle por Orientação de Campo.

O Controle Direto do Conjugado (DTC) começou a ser desenvolvido na década de 80, a

partir de trabalhos de Takahashi e Noguchi (1985) e Depenbrock (1988), aplicando princípios de orientação de campo e modulação espacial. Dentre as muitas promessas dessa técnica destaca-se a substituição de motores de corrente contínua em aplicações de velocidade variável. O DTC se caracteriza pela ausência de blocos independentes de modulação da tensão (do tipo PWM), mas pela presença de oscilações de ripple nas malhas de conjugado e fluxo devidas aos ciclos-limite, ocasionados pelo controle por histerese.

O regulador de corrente de histerese convencional, em muitas aplicações industriais,

satisfaz os requerimentos de desempenho e largura de faixa. As vantagens do regulador de histerese são bastante conhecidas: excelente dinâmica, pequena ondulação de corrente e pico limitado de corrente. Como possui uma faixa fixa para a variação da ondulação da corrente, este tipo de regulador não tem problema de sobrecorrente, sendo que as formas de onda da corrente são aproximadamente senoidais em toda a faixa de freqüência e a regulação da corrente não é afetada com a variação dos parâmetros da carga.

A técnica DTC é uma estratégia de acionamento orientada com relação ao fluxo do

estator. As estratégias de acionamento de motores orientadas com relação ao fluxo do estator apresentam menor sensibilidade à variação de parâmetros da máquina do que a técnica de controle por orientação de campo. Essa orientação é obtida de forma automática pela aplicação da técnica, a qual utiliza estimadores de fluxo do estator.

No DTC, as grandezas fluxo do estator e conjugado são controladas diretamente, através do

controle por histerese. Dessa forma não há necessidade de um desacoplador para separar fluxo e conjugado. Tal separação ocorre como conseqüência das malhas de controle independentes.





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A aplicação da técnica DTC implica na estimação do fluxo do estator e do conjugado eletromagnético, que são grandezas necessárias às malhas de controle.

O fluxo do estator é estimado a partir do modelo de fluxo (Equação), que na prática é

separado em dois modelos de estado de ordem reduzida denominados: modelo de corrente e modelo de tensão. Esses modelos são denominados observadores de fluxo de malha aberta por não apresentarem realimentação para correção de erro.

O fluxo estimado é utilizado, juntamente com a medida da corrente do estator, para estimar

o conjugado eletromagnético. Para isso é necessária que se desenvolva uma expressão de conjugado adequada.

18.4.1 Maneiras de se Estimar o Fluxo:

Comparando-se os modelos com relação à sensibilidade à variação de parâmetros, pode-se observar que:

• O estimador baseado no modelo de corrente não é influenciado diretamente nem pela

velocidade do rotor, e nem pela freqüência de alimentação da máquina, mas sim pelo escorregamento. Daí o fato dele utilizar, além das medidas da corrente do estator, também da velocidade do rotor ou, no mínimo, da posição angular do rotor, para realizar a transformação de coordenadas, calculando o escorregamento por fim e produzindo a estimativa de fluxo. O fato de necessitar da velocidade do rotor (ou posição angular do rotor) para estimar o fluxo consiste na grande desvantagem deste método.

• O estimador baseado no modelo de tensão possui uma topologia de simples

implementação, sensibilidade apenas ao parâmetro resistência do estator: a resistência do estator é único parâmetro que influencia na estimação do fluxo do estator, através do modelo de tensão. Todos os outros parâmetros permanecem constantes. Alem disso, ele utiliza apenas variáveis que são referenciadas ao estator. Além disso, ele não depende da velocidade ou da posição do rotor, que no caso da implementação necessita ser medida ou estimada. Dessa forma, na grande maioria das implementações da estratégia DTC, ele é o estimador adotado.

Devido à necessidade de aperfeiçoar, além de adaptar a técnica DTC para sua utilização na

indústria, inúmeras alternativas vêm sendo propostas, apresentando soluções para problemas tais como a freqüência de chaveamento variável e o alto ripple de conjugado, ocasionados pelo controle por histerese. 18.4.2 Estrutura e funcionamento do DTC:

A figura a seguir apresenta um diagrama de blocos resumido da técnica DTC. O objetivo principal desta técnica é o controle do conjugado e do fluxo do estator, realizado através de comparadores com histerese, o que assegura uma rápida resposta de conjugado.

A lógica de chaveamento é utilizada para selecionar o vetor de tensão a ser aplicado ao

estator, determinando as chaves que serão acionadas no inversor (modulação espacial). A seleção do vetor tensão é realizada de forma a manter o conjugado e o fluxo do estator dentro dos limites determinados pelos comparadores com histerese. Há seis vetores de tensão possíveis com amplitude diferente de zero e dois vetores nulos, que são escolhidos em função dos erros entre os valores de referência e os valores estimados de conjugado e fluxo. Os vetores de tensão são obtidos através da escolha de acionamento dos pares de transistores do inversor de tensão.

O modelo do motor nos fornece uma estimativa do estado atual do motor. O fluxo e o

conjugado estimados são utilizados na modulação espacial enquanto que a freqüência do estator e a velocidade mecânica (cujas estimativas não aparecem na figura anterior) podem ser utilizadas na malha externa de controle de velocidade.

Com a implementação do DTC, é possível a obtenção de uma resposta de conjugado rápida

– da ordem de milissegundos. A técnica DTC mostra vantagens, tais como a ausência de transformações de coordenadas e

o menor tempo de resposta de conjugado, se comparadas com as técnicas de controle por orientação de campo.

Embora o regulador de histerese possua característica de robustez e de resposta dinâmica

amplamente reconhecida, as suas desvantagens também limitam a utilização deste regulador: a sua principal desvantagem está na impossibilidade de obter vetores de tensão zero, gerando desta forma, interferência entre as fases do motor. Soma-se a isto, os fatos da freqüência de chaveamento não ser constante e se tornar excessivamente alta quando a faixa de histerese é muito estreita produzindo o fenômeno de ciclo limite que acontece quando a freqüência de chaveamento alcança a freqüência





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das chaves semicondutoras, e ainda do processo de modulação gerar uma grande quantidade de componentes subarmônicos. 18.5 Controladores de Corrente com PWM:

O modulador PWM fornece freqüência de chaveamento constante e um espectro de harmônicos definido, eliminando, dessa forma, o excessivo ruído acústico dos reguladores de histerese.

A utilização da modulação vetorial PWM nos controladores de corrente, permite, pelo

menos teoricamente, infinitos vetores espaciais de tensão aplicados na carga (e não os apenas oito vetores fundamentais do controlador de histerese). O modulador PWM fornece uma freqüência de chaveamento constante e um espectro de harmônicos definido, eliminando, dessa forma, o excessivo ruído acústico dos reguladores de histerese.

Em geral, nos controladores que utilizam modulação PWM a ondulação de corrente não é

diretamente controlada. Isto acontece porque a constante de tempo da ondulação é várias vezes superior ao período de chaveamento, limitando o controle da ondulação da corrente. Uma possível solução é aumentar a freqüência de chaveamento, embora esta freqüência seja limitada em muitas aplicações. Uma outra solução consiste em ajustar a ondulação em função do ponto de operação; neste caso os parâmetros do controlador devem ter um ajuste dinâmico para cada faixa de operação do sistema. 18.6 Controlador PI síncrono:

O controlador PI síncrono apresenta boa robustez dinâmica. O Controlador PI Síncrono é recomendado para os acionamentos de motor CA controlado

por orientação de campo. Neste sistema, os componentes síncronos das correntes do estator Isq e Isd são grandezas CC e, dessa forma, os reguladores PI reduzem os erros da componente fundamental a zero. O controlador de corrente PI síncrono de comparação de rampa tornou-se um produto comercial e está presente na maioria dos acionamentos de motor de indução com orientação de campo.

A fácil sintonização, a estabilidade com a variação de parâmetros do motor, o idealmente

erro de rastreio nulo em regime estacionário e baixa complexidade de implementação fazem, deste controlador, a melhor opção, permitindo um bom equilíbrio entre desempenho e complexidade.

A figura a seguir mostra o controlador síncrono com dois reguladores PI, um para o

componente direto e outro para o componente em quadratura do sistema de referência síncrono d-q.

No caso do controlador de corrente alimentar uma máquina de indução, as funções de transferência em coordenadas d-q permitem observar a influência e o grau de acoplamento entre as componentes de eixo direto Isd e em quadratura Isq. As variáveis Isd e Isq, quando a malha externa é o controle vetorial, estão associadas diretamente às magnitudes de fluxo e conjugado respectivamente, permitindo a realização de uma análise do sistema com maior profundidade.

No controlador PI síncrono, o aumento da freqüência síncrona aumenta também as

amplitudes de oscilação da resposta transitória, mas o erro de regime permanente sempre é nulo, anulando o erro de rastreio (erro entre a corrente de referência e a corrente real) que existia no regulador PI estacionário em regime permanente.

Embora apresente as vantagens acima mencionadas, experimentalmente o controlador PI

síncrono não possui ganho infinito (erro de rastreio nulo) em regime permanente, já que este ganho está limitado pelos erros de sintonia no controle vetorial.

A variação dos parâmetros da máquina de indução não influencia a estabilidade do sistema,

sendo esta determinada fundamentalmente pela freqüência e velocidade mecânica. Quando o motor opera com orientação de campo de rotor, a velocidade deixa de influenciar na estabilidade do sistema, no PI síncrono.

Operando com orientação de fluxo do rotor, a componente em quadratura do vetor de fluxo

do rotor é nula, tem como vantagem, além claro daquela inerente à orientação, a eliminação das componentes complexas nos pólos e zeros do sistema, melhorando a resposta do controlador (seja o PI síncrono ou o preditivo síncrono).

Portanto, este estudo tem como meta avaliar as aplicações do controle vetorial (completo e

simplificado) em acionamentos de motores de indução, com a finalidade de se obter excelente performance (elevada precisão e rápida resposta dinâmica), adequada para acionamentos comerciais, industriais, agroindustriais e em quaisquer atividades em que se necessite de controlar a velocidade e o conjugado de motores convencionais. SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina”




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18.7 Outros Controladores de Corrente:

O controlador preditivo, por sua vez, oferece a vantagem de menor ondulação quando comparado com os controladores PI, maior estabilidade com a variação dos parâmetros do motor de indução e sintonização sistemática baseada nos parâmetros do motor de indução. A necessidade de um observador robusto de tensão induzida limita a utilização deste controlador em aplicações de alto desempenho nas quais a complexidade na implementação do controlador não é um aspecto limitante.

Os controladores PI fuzzy aplicados a controladores de corrente, no balanço desempenho-

complexidade, são inferiores aos controladores PI e preditivo. O fato da sintonização deste controlador ser muito dependente do ponto de operação, é algo que limita a sua aplicação a casos nos quais a exigência dinâmica é baixa. Este inconveniente pode ser resolvido aumentando o número de informações ao controlador, com o conseqüente aumento de regras e complexidade de implementação. Embora, o projeto de controladores de corrente “fuzzy” não utilize os modelos matemáticos clássicos, ele exige o profundo conhecimento do comportamento do sistema para a definição correta do conjunto de regras do controlador. Outro fator crítico no projeto, é o ganho proporcional que sempre é necessário para cada uma das variáveis de entrada do controlador; se esta variável não for ajustada corretamente, as regras não serão acionadas apropriadamente e o controlador poderá gerar instabilidade no sistema.

O conjunto de regras do controlador de corrente “fuzzy” pode ser otimizado para melhorar

o desempenho em determinados pontos de operação do sistema. Com isto, em determinadas aplicações, uma solução com dois controladores, um controlador PI convencional para o transitório e outro controlador “fuzzy” otimizado para uma região de operação pré-determinado pode ser apropriada. 18.8 Controle Ótimo:

Muitos controladores não-lineares vem sendo estudados com o objetivo de aumentar a eficiência do desempenho dinâmico dos motores de indução. Muitos destes controladores operam com fluxo constante, fixo em um valor nominal. Neste caso, a eficiência é máxima somente quando o sistema opera com conjugado nominal. Fora deste ponto de operação, a máquina pode dissipar muita potência ou armazenar muita energia nas bobinas. Em muitas aplicações os motores não operam somente em sua condição nominal e o conjugado desejado pode ser dependente de outros estados do sistema (posição ou velocidade). Por este motivo é importante estudar outros modos de operação de fluxo visando otimizar a eficiência do sistema.

Outro aspecto importantíssimo da nova geração de conversores de freqüência consiste em sua metodologia de Colocação em Operação, bem simples e rápida, baseando-se na utilização de softwares de parametrização que, além de possibilitarem a comunicação com qualquer PC de modo elementar viabilizando a otimização perfeita das características do motor de acordo com as reais necessidades da carga, proporcionam ao motor dinâmica, estabilidade e precisão.

Nesses softwares já estão incluídos os modelos matemáticos dos motores assíncronos trifásicos, não sendo necessário incluir nenhum dado, apenas selecionar seu modelo e sua tensão de alimentação de acordo com os dados contidos na plaqueta do próprio motor.





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A dinâmica oferecida a esses motores é em função do seu modo de controle vetorial, que é o responsável direto pelo modelamento do fluxo magnético do motor.

No ambiente de parametrização, são selecionados os motores utilizados, o modo de operação desejado e são introduzidas as informações básicas como o tipo do motor, tensão, freqüência e corrente. A partir desse ponto, são fornecidos ao sistema os dados do modelamento matemático do motor e são calculados os parâmetros usuais e de controle, resultando numa otimização da performance do motor.

Alguns softwares possibilitam efetuar a programação e controle de movimentos seqüenciais através de programação em Assembler, Ladder, C++, entre outras, comuns às utilizadas nos Controladores Lógicos Programáveis, inclusive com funções e blocos lógicos. 18.9 Glossário:

(1) Paralelismo: Quanto mais hardware trabalha simultaneamente, maior performance, aumentando no tempo o número total de tarefas que podem ser realizadas ao mesmo tempo, com arquitetura caracterizada por processadores multi-núcleos que possibilitam o multi-processamento em um único molde de aplicações multi-thread (programas que consistem de várias seções menores independentes;).

(2) Máquina de Estados Finitos: A Máquina de Estados, ou mais precisamente, Máquina de Estados Finitos (Finite State Machine - FSM), é um dispositivo e uma técnica que permitem o projeto simples e preciso da funcionalidade de controladores de lógica seqüencial. A idéia por trás de uma Máquina de Estados Finitos é que um sistema como uma máquina com controles eletrônicos só pode estar atuando dentro um limitado (finito) número de estados. O uso métodos de Máquina de Estado no desenvolvimento de programa de computação, circuitos de lógica seqüencial ou sistemas de controle de eletrônica digital permite a elaboração projetos com mais sofisticação e facilidade. Uma Máquina de Estados Finitos trabalha com estradas estáticas ou transitórias e tem “resposta dependente de contexto”, ou seja, responde a uma determinada entrada sob de várias circunstâncias. O primeiro passo em qualquer projeto de Máquina de Estados Finitos é identificar os estados significantes do sistema; precisamos incluir todos os estados importantes, mas evitar incluir estados desnecessários. A ferramenta de projeto principal para Máquinas de Estados Finitos é o Diagrama de Transição de Estados, também chamado um diagrama de estados, o qual descreve as relações entre os estados do sistemas e os eventos que fazem o sistema mudar de um estado a outro.

18.10 CONCLUSÃO:

Argumentos à parte, a evolução dos Conversores de Freqüência trouxe benefícios em todos os segmentos, dentro e fora da indústria.

• Equipamentos aprimorados tecnologicamente, que apresentam maior tecnologia empregada, são mais confiáveis, proporcionando maior dinâmica, além de possuírem

precisão da ordem de minutos de grau (atendendo às mais rígidas solicitações de tolerância) e são muito mais compactos, oferecendo inclusive níveis de segurança e confiabilidade incríveis.

A tecnologia atual desenvolvida para inversores destinados a aplicações de variações de

velocidade em motores CA de indução trifásicos, apresentando as seguintes vantagens:

• Controle escalar / vetorial programáveis no mesmo produto;

• Controle vetorial sem encoder (sensorless) e opcionalmente com encoder;

• Controle vetorial sensorless com alto torque e rapidez na resposta em

velocidades muito baixas e na partida;

• Auto-ajuste adaptando automaticamente o controle vetorial a um dado motor e carga;

• Controlador Programável interado: Um cartão especial permite com que

o inversor de freqüência assuma as funções equivalentes às de um CLP de pequeno porte e de um módulo controle de trajetória.

Exemplo de trajetória com utilização da placa PLC-01:

18.11 Novos Método de Frenagem de motores elétricos:

Contínuas pesquisas e desenvolvimento de produtos dotados de tecnologia de ponta, com destaque para os conversores de freqüência utilizados no acionamento de motores elétricos de indução, tem levado a inovações tecnológicas.





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Para aplicações que exijam tempos de parada reduzidos e / ou paradas de cargas de elevada inércia, os inversores tradicionais utilizam-se da Frenagem Reostática, onde a

energia cinética da carga é regenerada ao link DC do inversor e cujo excesso é dissipado sob a forma de calor em um resistor de frenagem, interligado ao circuito de potência.

Recentemente a WEG patenteou um método de frenagem de motores elétricos com

inversores de freqüência, que dispensa o uso de resistores de frenagem comumente utilizados nos inversores para a desaceleração dos motores, reduzindo o custo do produto pela dispensa destes resistores.

Os avançados e princípios tecnológicos desta invenção foram incorporados na

função “Optimal Braking®” ou "Frenagem Ótima", disponível na linha de inversores de freqüência CFW-09, para o modo vetorial, a qual possibilita uma frenagem ótima capaz de atender a muitas aplicações até então somente atendidas pelo método da frenagem reostática. Esta tecnologia permite a frenagem do motor com torque maior do que aquele obtido com métodos tradicionais, como a frenagem por injeção de corrente contínua (frenagem CC) que é comumente utilizado.

A invenção foi certificada nos Estados Unidos, pelo Serviço de Marcas e Patentes

do governo americano. A patente PI 0003903 refere-se a um "Método de frenagem de uma máquina de indução de velocidade variável controlada por vetor, que compreende um método e um dispositivo de controle para frear uma máquina de indução de velocidade variável controlada por vetor, acionada por inversor PWM, no qual o componente de corrente-d e o componente de corrente-d da corrente do estator são controlados independentemente um do outro de acordo com um primeiro sinal de referência (i~ q~*) e um segundo sinal de referência (i~ d~*), respectivamente. Para frenagem, componentes de alta freqüência são superimpostos em dito segundo sinal de referência (i~ d~*), e o valor RMS (i~ d RMS~) e o valor médio (i~ d av~) do segundo sinal de referência a ser obtido são controlados independentemente um do outro de modo que os requisitos de campo são atendidos por meio do valor médio e altas perdas de máquina são produzidas por meio do valor RMS.

Com a tecnologia "Optimal Braking", tanto as perdas totais no motor como as perdas no inversor são utilizadas para obter um torque de desaceleração da carga mais elevado, possibilitando acionamentos com alta performance dinâmica sem o uso do resistor SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina”




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de frenagem e evitando o desligamento do inversor pela atuação da proteção de sobretensão, com torques frenantes da ordem de 5 vezes o torque característico de uma frenagem CC.

ALLenz

teoria 18 filosofia de controle vetorial[1]

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