3. Unidade de Controlo
3.4 Controlo de Motores Síncronos
3.4.1 Princípio de Orientação de Campo (Vector Control)
O algoritmo de controlo da unidade ATV71 tem por base o método vector control ou também designado por princípio de orientação de campo.
A máquina eléctrica proposta neste trabalho é um sistema eletromecânico em que se pretende controlar o seu movimento de rotação através do binário de referência ∗ .
Nos sistemas de controlo pelo princípio de orientação de campo, tem-se as seguintes particularidades [2]:
• A influência da velocidade no sistema em cadeia fechada é mínima ou praticamente nula; • O sistema apresenta desacoplamento entre o binário de referência e as correntes em
componentes dq;
• A relação entre o binário electromagnético desenvolvido e a corrente consumida é máxima; • Admite-se o sistema a funcionar na zona de fluxo constante — isto é, na zona de binário
máximo disponível e para velocidades de rotação até à nominal;
Em termos do modo de controlo, a máquina será controlada em corrente, ou seja, através de uma cadeia interior de regulação de corrente. Deste modo, o sistema de controlo da unidade ATV71 deverá fornecer as correntes de referência para que a motor síncrono se comporte do modo desejado.
O desacoplamento do sistema de controlo para o caso do sistema em estudo, é obtido pela decomposição da corrente do estator em duas componentes: a componente que produz o fluxo magnético, que nosso caso é nula visto que o fluxo é gerado por magnetos permanentes e não por correntes eléctricas; a restante componente é a responsável pelo binário electromagnético.
No que diz respeito a métodos de controlo utilizando o princípio de orientação de campo, existem três métodos principais de controlo, nomeadamente [2]:
• Orientação de campo do rotor; • Orientação de campo do estator; • Orientação de campo do entreferro;
A principal diferença e mais óbvia entre os métodos enunciados acima, é o facto do referencial síncrono com o campo girante, se encontrar alinhado com os vetores do fluxo ligado com o rotor, estator e entreferro respetivamente. Em termos de implementação, a grande diferença entre os sistemas de controlo vetorial por orientação de campo do estator e por orientação de campo do entreferro em relação ao por orientação de campo do rotor, é o sistema de desacoplamento. No caso da orientação de campo do rotor, não é necessário o sistema auxiliar de desacoplamento para o controlo separado do fluxo e do binário, visto que já o apresenta naturalmente sem a necessidade de cálculos auxiliares adicionais.
No caso dos sistemas de controlo directo, que são de facto o que nos interessa para a aplicação em estudo, utilizados normalmente para velocidades médias e altas, dado que são insensíveis particularmente à variação de parâmetros, nomeadamente os coeficientes de indução da máquina.
Das variantes mencionadas do princípio de orientação de campo, o método RFOC é tecnicamente de desempenho superior e simultaneamente mais complexo de implementar que os restantes.
Em termos genéricos para uma máquina polifásica AC, as equações para um referencial girante comum tanto ao estator como ao rotor, rodando à velocidade ! em relação ao rotor [2], em que se baseia este princípio de controlo são as seguintes:
0 = + y − !# (3.2)
Por sua vez, a relação entre os fluxos e as correntes é a seguinte:
#= + (3.4)
#= + (3.5)
Quanto ao binário electromagnético desenvolvido pelo motor, será expresso do seguinte modo:
= DW#− #X (3.6)
3.4.1.1 Método de Controlo por Orientação de Campo do Rotor (RFOC)
O RFOC utiliza o referencial comum alinhado com o vetor espacial do fluxo do rotor, e deste modo obtém-se o seguinte conjunto de equações simplificadas [2]:
#= 0 (3.7)
# = # $ (3.8)
0 = + ~1 (3.9)
0 = + !# $ (3.10)
= D # $ (3.11)
Para a máquina em estudo, o fluxo # $ é aproximadamente constante e com a condição = 0, que origina uma relação de perpendicularidade entre o vector fluxo e a corrente , o que corresponde a uma situação óptima no que toca à relação de proporcionalidade entre o binário electromagnético desenvolvido e a corrente consumida pelo motor [2].
Como a geração do campo magnético é efetuada a partir de magnetos permanentes instalados no rotor, não existem correntes eléctricas no mesmo, o que implica que as equações anteriores se simplifiquem:
# $= m (3.12)
= 0 (3.13)
= 0 (3.14)
= 0 (3.15)
Com o fluxo # $ constante, o binário electromagnético será unicamente proporcional à componente da corrente do estator segundo o eixo q, designada por .
3.4.1.2
Controlo Directo do RFOC
As unidades de variadores de velocidade ATV71 são denominados sensorless, ou seja, sem sensores, o que leva ao fluxo e ao binário serem estimados/calculados em vez de medidos directamente, através do processamento de sinais obtidos a partir dos terminais da máquina.
Na figura 3.5 apresenta-se um diagrama de blocos que ilustra o princípio do controlo directo por orientação de campo do rotor para uma máquina polifásica AC.
Figura 3.5 - Esquema de base do controlo directo [2].
Para a máquina em estudo apenas é necessário controlar o binário electromagnético, pelas razões apresentadas anteriormente. Por outro lado, como o fluxo do rotor é constante e fixo, a componente id será nula o que elimina também a componente de controlo do fluxo, assim como o regulador PI que é alimentado com o erro de fluxo e que determina a corrente id* (valor de referência), diminuindo deste modo a complexidade do sistema [2].
Figura 3.6 - Diagrama de Controlo Directo RFOC para a máquina em estudo [9].
O esquema vetorial que traduz o princípio de controlo aplicado à situação em estudo é o seguinte:
O sinal de referência do binário é adquirido e comparado com o respetivo valor estimado através do bloco estimador/calculador, o que constitui a entrada do regulador PI que posteriormente determinará a componente q da corrente de referência do estator. A componente iq por sua vez é transformada para coordenadas abc, através de um bloco que realiza a transformação de Park, utilizando para tal o ângulo eléctrico do rotor.
Posteriormente, depois de conhecidas as correntes estatóricas de referência, estas são comparadas com as correntes reais que percorrem o sistema trifásico de enrolamentos do estator, resultando em três sinais de erro que traduzem a diferença entre o real e o comando. Com o recurso a comparadores de histerese, são gerados os sinais de controlo do bloco inversor, que por sua vez alimenta a máquina em estudo.
Tal como enunciado acima, o sistema terá apenas de ter controlador de binário subordinado ao de velocidade. Na figura 3.8 apresenta-se o diagrama de blocos do controlador de binário:
Figura 3.8 - Diagrama de blocos do controlador de binário [2].
Do diagrama de blocos resulta:
= 0 (3.16)
= D0% (3.17)