A figura 3 mostra o processo de obten- ção do PWM, utilizando um
amplificador
operacional
para a comparação dos sinais comentados. Pode-se notar que a diferença entre os sinais senoidal e triangular produzirá valores positivos e negativos ao longo do tempo. Pela característica de funcionamento do amplificador operacional, uma diferença positiva irá levá-lo à saturação no seu limite de tensão positivo, enquanto que uma di- ferença negativa levará à saturação no seu limite negativo. As diferenças têm duração limitada pelas intersecções das formas de onda. Portanto, tem-se como resultado umF3. Modulação PWM.
F2. Semicondutores utilizados em inversores
F4. Sinal PWM com fp=9fM.
trem de pulsos de amplitudes limitadas pela saturação do amplificador e largura limitada pela duração das diferenças, formando o sinal modulado PWM.
Dos conceitos de telecomunicações pode- se definir o chamado
Índice de Modulação
(M), dado pela razão entre a amplitudeA
M do sinalmodulante
(neste caso, o sinal senoidal), e a amplitudeA
P daportadora
(sinal triangular em questão), definido pela equação 1:(1) M = A M
A
P
O índice de modulação deverá estar na faixa entre 0 e 1, ou 0 e 100% . Valores superiores a 1 provocam a perda de amos- tragem do sinal, ou seja, a onda triangular não envolverá toda a região da amplitude da senoide, gerando um sinal PWM de- ficiente.
Uma condição para a modulação é que a frequência da portadora
f
P seja maior que a da modulantef
M . No caso da figura 3, tem- se que a portadora tem frequência três vezes maior que a modulante. Pode-se melhorar a taxa de amostragem do sinal senoidal aumen- tando ainda mais a frequência da portadora, obtendo uma modulação mais eficiente. A figura 4 apresenta um sinal PWM em que a frequência da portadora é de nove vezes a frequência da modulante. Observa-se a melhora na taxa de amostragem.42 Mecatrônica Atual :: 2011
automação
Controle PWM do Inversor
Cada dispositivo de chaveamento no conversor CC-CA do inversor receberá um trem de pulsos PWM, seja na forma de tensão ou corrente, dependendo do tipo de dispositivo de chaveamento. Para o IGBT, por exemplo, necessita-se de uma tensão aplicada ao terminal de porta (gate) para que haja o chaveamento.
Como exemplo, será mostrado o controle PWM em um ramo do estágio conversor CC-CA, ou seja, em uma fase da alimentação do motor. Será utilizado como elemento de chaveamento o transistor BJT (do inglês Bi- polar Junction Transistor ). A montagem deste circuito está mostrada na figura 5, com os transistores representados por Q 1e Q 4 .
De acordo com o funcionamento do BJT, na ausência de pulsos, o transistor se comporta como uma chave aberta. A injeção de uma corrente no terminal de base (B), com tensão tipicamente superior a 0,7 volts, faz com que o dispositivo conduza uma corrente do terminal coletor (C) ao emissor (E). Com uma corrente de base elevada ocorre a saturação do BJT, fazendo a tensão entre os terminais coletor e emissor chegar a valores próximos a zero, e, neste caso, o dispositivo funciona como uma chave fechada. A resistência R presente na base serve para controlar a intensidade da corrente injetada.
A aplic ação do sinal PWM sobre o transistor fará com que ele opere abrindo e fechando alternadamente, com tempo de operação limitado pela largura de cada pulso. Como os dois transistores estão ligados em série, a condição fundamental para operação é manter Q 1 aberto enquanto Q 4 estiver fechado, e vice-versa. Se os dois transistores estiverem fechados ao mesmo tempo, haverá uma ligação direta entre as tensões +V CC e
F6. Funcionamento de uma fase do conversor. Observa-se que os pulsos de Q4 são invertidos em relação a Q1 para evitar a condução simultânea dos transistores.
F5. Representação de uma fase de um estágio conversor CC-CA com BJTs.
–V CC do link CC, provocando uma corrente de sobrecarga no circuito e danificando os dispositivos.
A figura 6 ilustra o funcionamento de um ramo conversor, mediante a injeção de sinal modulado nos transistores Q 1 e Q 4 . Aplica-se o trem de pulsos modulado em Q 1e o mesmo sinal comentado é invertido e aplicado a Q 4 , de modo a manter a condição de funcionamento alternado dos transistores. Nota-se que, quando Q 1 é excitado pelo nível positivo do pulso, comporta-se como chave fechada e deixa a saída do ramo igual à +V CC , enquanto Q 4 permanece aberto. Analogamente, quando excitado positiva- mente, Q 4 entra no estado fechado, gerando –V CC na saída, com Q 1aberto. Vale observar que a forma de onda da tensão de saída é modulada, com níveis positivos devido a Q 1e níveis negativos devido aQ 4 .
Para os demais ramos do estágio conversor CC-CA, valem as mesmas características de funcionamento, sendo o detalhe de que devem estar defasadas de um ângulo de 120º, por se tratar de um sistema trifásico. A saída em cada ramo do sistema corres-
ponde à tensão de fase . A tensão de linha da saída corresponde à diferença entre duas das tensões de fase, exibida pela figura 7. Observa-se que a forma de onda obtida fica caracterizada por cada semiciclo da senoide, ou seja, para o semiciclo positivo os valores alternam entre 0 e +V CC , enquanto que para o semiciclo negativo há alternância entre 0 e –V CC .
Efeito Sobre o MIT
Nesta parte, será analisado o comporta- mento da corrente elétrica devida à tensão modulada sobre uma fase da alimentação do MIT, considerando-se uma ligação tipo
estrela para os terminais do motor. Este estudo será auxiliado por computador, através de simulação do circuito no antigo software EWB , versão 4.1.
Basicamente, um MIT, ou motor de indução trifásico, é composto por uma parte fixa em forma de anel, o estator , que recebe a alimentação da rede elétrica, e por outra parte móvel em formato cilíndrico, o rotor , posicionado interno ao anel do estator. Quando o estator é alimentado, um campo magnético girante é gerado e, da mesma forma que um ímã atrai um material metálico, o campo girante do estator atrai o rotor, fazendo-o girar no mesmo sentido.
O modelo elétrico por fase do MIT é representado por uma impedância estatórica, com uma resistência R 1e uma indutância L1, uma impedância rotórica, com uma resistência R 2 e uma indutância L 2 , e um ramo magne- tizante , expresso por uma indutância Lm. A figura 8-a destaca este modelo, observando que R 2 é dividido pela grandeza s , chamada escorregamento, que expressa o percentual da diferença entre as velocidades angulares do estator e rotor. Se for desprezada Lm, pode-se representar o motor como uma resistência total R T em série com uma indutância total LT , ou seja, um circuito R-L série , conforme a figura 8-b.
Baseado nesta situação, é possível obter a curva da corrente no motor devida à tensão modulada, por fase. A figura 9 mostra as formas de onda de corrente para três tipos de modulação em tensão. Para todos os casos, a tensão de pico modulada vale 200 V e o índice de modulação utilizado no controle foi M=0,85 . A resistência total tem valor de 10 Ω a indutância 5 mH , valores típicos de um motor de 7,5 HP . Em 9-a, t em-se a curva de corrente gerada por uma tensão