Este capítulo apresenta uma revisão da literatura sobre os motores de indução monofásicos e as principais estratégias de controle que estão diretamente relacionadas aos métodos de controle aplicados ao motor de indução monofásico.
2.1 Motores de indução monofásicos
Motores de indução com uma especificação de potência fracionária são em sua maior parte motores de indução monofásicos. Esses são aplicados principalmente, em ambientes comerciais e residenciais, em equipamentos e eletrodomésticos que vão desde condicionadores de ar, refrigeradores e ventiladores até máquinas de lavar, bombas e secadores.
Segundo Fitzgerald et al. (2006), os tipos mais comuns de motores de indução monofásicos são estruturalmente semelhantes aos motores polifásicos de gaiola de esquilo, diferindo apenas com relação a disposição dos enrolamentos do estator – possuindo um enrolamento principal e um enrolamento auxiliar eletricamente defasados entre si de 90 graus. São classificados de acordo com os seus métodos de partida: fase dividida (split phase - SP), capacitor de partida (capacitor-start - CS), capacitor permanente (permanent-split-capacitor - PSC) e capacitor de partida e permanente (capacitor-start,capacitor-run - CSCR) – segundo Krause (1995).
Os motores de indução monofásicos do tipo SP e CS são projetados de forma que seus enrolamentos auxiliares sejam desligados após o motor atingir em torno de 75% de sua velocidade nominal através de uma chave centrífuga.
Um melhor desempenho é observado em motores de indução monofásicos com capacitor permanente, cujos capacitor e enrolamento auxiliar são projetados para operação equivalente a um sistema bifásico (FITZGERALD et al., 2006).
Os enrolamentos principal e auxiliar do motor de indução monofásico são geralmente assimétricos. Isto se faz necessário para que se possa estabelecer campo de entreferro resultante girante e, consequentemente, a produção de um torque eletromagnético cujo valor médio seja diferente de zero. Em motores monofásicos com apenas um enrolamento, o campo de entreferro e o torque resultante são pulsantes no tempo.
As primeiras análises para explicar o comportamento do motor de indução monofásico e criar um modelo de operação em regime permanente foram feitas através da teoria dos campos girantes e teoria dos campos cruzados de seus respectivos autores Morrill (1929) e Puchstein e Lloyd (1941).
No entanto, para analisar o desempenho dinâmico do motor de indução era necessário uma nova teoria capaz de estabelecer um modelo mais completo do motor. Para esta finalidade foi proposto por Krause (1965) a utilização da teoria dos eixos dq, desenvolvida por Park (1929).
A teoria dos eixos dq permitiu tratar de maneira isolada as componentes responsáveis pela produção do fluxo e torque no motor de indução, decompondo as variáveis do motor através de uma transformação de coordenadas, de um sistema de referência fixo no estator, em componentes de eixo direto (eixo d) e de eixo em quadratura (eixo q).
Além disso, o uso das teorias de eixo dq e do desenvolvimento das equações dinâmicas do motor de indução permitiram a criação de novas estratégias de controle, voltadas inicialmente para o controle do motor de indução trifásico, cujos precursores foram Hasse (1969) e Blaschke (1972).
O que torna possível o uso dessas estratégias de controle aplicadas ao motor de indução monofásico é que este pode ser tratado como um motor de indução bifásico. Desde que seja considerada a retirada do capacitor permanente do motor de indução monofásico tipo PSC, é possível estabelecer um conjunto de equações dinâmicas de tal modo que este possa ser considerado um motor bifásico.
2.2 Métodos de controle
Dois métodos de controle aplicados ao motor de indução são frequentemente citados na literatura: os métodos baseados no controle por orientação de campo e os métodos conhecidos por controle direto de torque (BOLDEA, 2008; KAZMIERKOWSKI et al., 2011).
O controle vetorial ou controle por orientação de campo (FOC) teve suas origens nos trabalhos de Hasse (1969) e Blaschke (1972). Este método está baseado na analogia com os motores DC com escovas nos quais os enrolamentos da armadura são separados do enrolamento de excitação, onde o fluxo é controlado pela corrente de excitação e o torque é controlado de forma independente (KAZMIERKOWSKI et al., 2011).
Assim, no controle por orientação de campo, busca-se controlar de forma independente o fluxo e o torque do motor. Isto é conseguido agindo-se sobre as correntes do estator de tal modo que estas fiquem alinhadas com os vetores de fluxo do motor. Esta mudança de coordenadas decompõe as correntes em dois eixos – a corrente de eixo d que é responsável pelo controle de fluxo e a corrente de eixo q que controla o torque. O controle vetorial está intimamente relacionado com os estados dinâmicos do motor. Ele atua sobre os vetores espaciais de tensão, corrente e fluxo e garante a orientação correta desses vetores em toda a faixa de operação, seja em regime permanente ou transitório.
Há três formas básicas de orientação de campo – orientação por fluxo de rotor, orientação por fluxo de estator e orientação por fluxo de entreferro. Em qualquer caso, obter a informação correta do vetor fluxo do motor se faz necessária (DONCKER; NOVOTNY, 1994).
O método chamado controle vetorial indireto IFOC – introduzido por Hasse (1969) – usa a relação escorregamento proveniente das equações dinâmicas do motor para garantir a orientação de campo. O controle vetorial direto DFOC, desenvolvido por Blaschke (1972) se utiliza dos parâmetros do motor juntamente com os valores de tensão e corrente para determinar o valor do fluxo.
Enquanto os métodos por orientação de campo são caracterizados pela utilização de uma transformação de coordenadas, o controle direto de torque DTC se utiliza de uma tabela de chaveamento para selecionar um vetor tensão adequado de modo a manter fluxo e torque dentro dos limites estabelecidos por uma banda de controladores de histerese (MARINO et al., 2001). Assim, os princípios do DTC, introduzidos inicialmente por Takahashi (1986) e Depenbrock (1988), tornam-se uma alternativa ao clássico FOC.
Vários estudos sobre o controle direto de torque têm sido realizados. Em Buja (2004), uma análise sobre as diferentes variações deste método é abordada. Buja (2004) cita que uma das desvantagens do controle DTC clássico está nas altas frequências de amostragem do controle para que se possa alcançar um desempenho adequado.
Como alternativa ao método DTC clássico, o controle DTC com modulação por vetores de espaço tem sido avaliado (BUJA, 2004) (CAMPOS et al., 2007a).
Pode-se se considerar o controle DTC com modulação por espaço de estados DTC-SVPWM como um método intermediário entre o FOC e o DTC clássico. Ele substitui os comparadores de histerese por controladores PI e a tabela de chaveamento pelo sistema de modulação por vetores
de espaço SVPWM. Por consequência, a orientação de campo e o sistema de transformação de coordenadas se faz necessário. Porém, assim como no DTC clássico, este método traz as vantagens de controlar diretamente torque e fluxo e herda a capacidade de operação em frequência de chaveamento constante do FOC. Segundo Kazmierkowski et al. (2011), este método melhora consideravelmente o desempenho do controle em termos de redução do comportamento pulsante do torque e do fluxo, além de melhorias na operação em baixas velocidades.
As aplicações dessas estratégias são tradicionalmente avaliadas em motores de indução trifásicos. Para aplicá-las aos motores de indução monofásicos, um modelo dinâmico em con- figuração bifásica deve ser desenvolvido. O desenvolvimento desse modelo é apresentado no próximo capítulo.