Sensor de Tensão

A aquisição da tensão aos terminais dos enrolamentos é feita recorrendo ao amplificador operacional MC33202.

A família de amplificadores operacionais MC33201/2/4 garante um funcionamento

rail-to-rail tanto na entrada como na saída e podem ser alimentados com tensões muito

baixas (± 0,9 V). As entradas funcionam com tensões a partir dos 200 mV e as saídas podem oscilar até uma diferença de 50 mV de cada nível de tensão [41].

Esta solução surge do insucesso na pesquisa por sensores de tensão disponíveis no mercado. Apesar de terem sido encontradas soluções no que respeita ao princípio de funcionamento (Voltage Transducer LV 25-P [42]), a sua volumetria torna impossível a sua utilização no dispositivo proposto, tendo em conta as dimensões exigidas.

Idealmente, estes sensores deveriam ter um comportamento linear, uma variação do nível de tensão entre 0 V, para o valor máximo negativo, e a tensão de alimentação, para o valor máximo positivo, e deveriam ter isolamento galvânico entre os circuitos de potência e controlo (que não é possível obter com amplificadores operacionais).

Estes sensores têm de ser capazes de apresentar um sinal de tensão à saída proporcional à tensão aos terminais de cada enrolamento e ter um comportamento linear. A tensão aos terminais de cada enrolamento num sistema de tensões trifásico de 400 Vrms,

quando ligado em Δ, varia entre -565 Vpico e 565 Vpico. Utilizando uma montagem

diferencial (Figura 4.15) é possível obter à saída uma relação direta do sinal de entrada dada pela equação 4.10.

𝑉_𝑜𝑢𝑡 = 𝑅2

𝑅₁(𝑉𝑏− 𝑉𝑎) 4.10

Neste caso, os sensores apresentam um nível de tensão simétrico à saída, mas para tal têm de ser alimentados com uma tensão simétrica. Assim, se a tensão aos terminais

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dos enrolamentos for negativa (tendo como referência Vb), a tensão à saída é positiva, e

vice-versa.

Figura 4.15 – Montagem típica de um amplificador diferencial.

Na aplicação apresentada esta montagem apresenta 2 problemas.

Em primeiro lugar o dispositivo não dispõe de alimentação elétrica simétrica, pelo que não é possível obter as formas de onda de tensão do meio ciclo negativo à saída. Nestes casos o valor de tensão à saída será 0 V.

Em segundo lugar, mesmo que isso fosse possível, o microcontrolador não permite a leitura de valores analógicos negativos. Para resolver estes problemas alterou-se ligeiramente o esquema elétrico do amplificador para criar um offset de tensão à saída. No novo circuito (Figura 4.16) é utilizado um divisor de tensão conectado à entrada não inversora para criar um offset de tensão. Com este divisor o sinal de tensão à saída é sempre positivo e mantém a linearidade, cumprindo todos os requisitos para aquisição da tensão.

As resistências R1, R2 e R3 são utilizadas para criar um divisor de tensão de alta

impedância, conectado em paralelo com o enrolamento, obtendo um nível de tensão na resistência R3, dentro da gama de valores do amplificador operacional. A tensão aos

terminais da resistência R3 é obtido pela equação 4.11.

𝑉_𝑅3 = (𝑉_{𝑢2−𝑢1}) 𝑅3

𝑅₁+ 𝑅₂+ 𝑅₃ 4.11

Admitindo que R1 = R2 = 1 MΩ, e R3 = 10 kΩ, para uma tensão máxima de 565 V,

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Figura 4.16 – Esquemático do sensor de tensão.

Recorrendo ao circuito já apresentado, a combinação das resistências R4, R5, e R6,

foi encontrada iterativamente através de simulação recorrendo ao PSIM. Os valores obtidos são: R4 = 2,4 kΩ, R5 = 6,8 kΩ e R6 = 3,6 kΩ.

É importante realçar que para os sensores de tensão devem ser utilizadas resistências de precisão para reduzir a Common Mode Rejection Ratio (CMRR).

Os MC33202 possuem um par de amplificadores operacionais. São necessários 2 ICs no dispositivo para fazer a medição dos valores de tensão dos 3 enrolamentos do motor. O amplificador que sobra é utilizado para medir o offset de tensão criado nos amplificadores recorrendo ao circuito implementado (removendo as resistências R1 e R2),

utilizando esse valor para anular o offset em software. Os valores de offset de tensão são obtidos quer na conexão em Y, quer em Δ e estão apresentados na Tabela 4.6 e Figura 4.17. É possível verificar que o offset é muito idêntico em qualquer das ligações, pelo que pode ser utilizado para eliminar o offset criado.

Com estes dados é possível verificar o correto funcionamento dos sensores apresentados e validar o seu funcionamento para a aquisição das tensões em cada enrolamento.

Na Tabela 4.7, na Tabela 4.8 e na Tabela 4.9, tal como na Figura 4.18, na Figura 4.19 e na Figura 4.20 estão apresentados os resultados obtidos da análise da forma de onda quer das tensões aos terminais dos enrolamentos, quer dos sinais de tensão transmitidos ao microcontrolador.

Todos os valores adquiridos pelos sensores de tensão estão dentro da gama de leitura do microcontrolador evitando assim erros de medição que poderiam surgir casos houvesse saturações quer da parte dos amplificadores operacionais, quer do ADC do próprio microcontrolador.

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Tabela 4.6 – Valores de tensão obtidos à saída do sensor de tensão de referência.

Conexão Vmáx Sensor (V) Vmín Sensor (V) Vmédio Sensor (V)

Y 1,80 1,64 1,71

Δ 1,80 1,64 1,72

Azul: 200 V / div Vermelho: 200 V / div Verde: 200 V / div Laranja: 1 V / div Tempo: 5 ms / div Figura 4.17 – Tensão aos terminais dos enrolamentos U (azul), V (vermelho) e W (verde) e sinal de

referência do offset de tensão criado (laranja) na conexão em Y (à esquerda) e na conexão em Δ (à direita).

Tabela 4.7 – Tensão no enrolamento U e valores de tensão obtidos à saída do sensor de tensão instalado aos terminais do enrolamento.

Conexão Tensão no Enrolamento (V) Tensão à Saída do Sensor (V)

RMS MÁX MÍN RMS MÁX MIN MÉDIO

Y 230 328 -328 1,82 2,60 0,92 1,73

Δ 568 -576 397 1,98 3,12 0,28 1,73

Azul: 200 V / div Laranja: 1 V / div Tempo: 5 ms / div

Figura 4.18 – Tensão aos terminais do enrolamento U (azul) e sinal de tensão à saída do sensor de tensão respetivo (laranja), na conexão em Y (à esquerda) e na conexão em Δ (à direita).

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Tabela 4.8 – Tensão no enrolamento V e valores de tensão obtidos à saída do sensor de tensão instalado aos terminais do enrolamento.

Conexão Tensão no Enrolamento (V) Tensão à Saída do Sensor (V)

RMS MÁX MÍN RMS MÁX MIN MÉDIO

Y 228 320 -328 1,82 2,56 0,88 1,73

Δ 395 568 -576 1,98 3,20 0,32 1,73

Vermelho: 200 V / div Laranja: 1 V / div Tempo: 5 ms / div

Figura 4.19 – Tensão aos terminais do enrolamento V (vermelho) e sinal de tensão à saída do sensor de tensão respetivo (laranja), na conexão em Y (à esquerda) e na conexão em Δ (à direita).

Tabela 4.9 – Tensão no enrolamento W e valores de tensão obtidos à saída do sensor de tensão instalado aos terminais do enrolamento.

Conexão Tensão no Enrolamento (V) Tensão à Saída do Sensor (V)

RMS MÁX MÍN RMS MÁX MIN MÉDIO

Y 229 328 -328 1,82 2,60 0,92 1,72

Δ 396 576 -576 1,98 3,16 0,28 1,72

Verde: 200 V / div Laranja: 1 V / div Tempo: 5 ms / div

Figura 4.20 – Tensão aos terminais do enrolamento W (verde) e sinal de tensão à saída do sensor de tensão respetivo (laranja), na conexão em Y (à esquerda) e na conexão em Δ (à direita).

Tal como no caso dos sensores de corrente, os valores obtidos a partir dos sensores de tensão, depois de retificados, são utilizados para o cálculo quer das tensões instantâneas, quer das tensões eficazes. A partir dos valores de ambos é possível calcular a potência ativa de cada enrolamento e os valores eficazes das correntes e tensões.

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Com estes valores é possível calcular as principais grandezas elétricas do motor e, em trabalho futuro, desenvolver uma aplicação de monitorização do motor.