PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM CONVERSOR CC-CA TRIFÁSICO PARA ACIONAMENTO E CONTROLE ESCALAR DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO UTILIZANDO DSP

PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM CONVERSOR CC-CA TRIFÁSICO

PARA ACIONAMENTO E CONTROLE ESCALAR DE UM MOTOR DE

INDUÇÃO TRIFÁSICO UTILIZANDO DSP

Rafael Ivan Hartmann Prof. Eduardo Félix Ribeiro Romaneli, Dr. Eng.

Universidade Tecnológica Federal do Paraná – Campus Curitiba Departamento de Eletrotécnica

Av. Sete de Setembro, 3165. CEP 80230-901 Curitiba – PR - Brasil

e-mail: rafaha@bol.com.br

markosmuniz@yahoo.com.br Resumo – Este trabalho apresenta o conversor CC-CA

usado para acionamento e controle escalar de velocidade de um motor de indução trifásico como uma alternativa de baixo custo, fácil implementação e com plataforma de alta tecnologia. A implementação do conversor de tensão foi feita através do uso do controlador digital de sinais do fabricante Freescale 56F8013, que realiza o acionamento e o controle de velocidade do motor, o monitoramento e o controle dos dispositivos de chaveamento e a interface dos circuitos lógicos e de potência do sistema. Para isso foi desenvolvido um protótipo completo do conversor, incluindo a concepção e a construção de uma placa de circuito impresso e o desenvolvimento de um código de programa para controle de tensão e freqüência aplicadas ao motor. Na seção final os resultados experimentais do conversor CC-CA podem ser observados a partir dos testes que foram realizados em um motor de indução trifásico de 0,33CV, demonstrando a validade e as vantagens de sua aplicação.

PALAVRAS - CHAVE

Conversor CC-CA, Motor de indução, DSP, PWM. I. INTRODUÇÃO

Os motores de indução, devido a sua grande simplicidade, robustez e baixo custo, são os motores mais utilizados, sendo adequados para quase todos os tipos de máquinas acionadas encontradas na prática. O grande inconveniente é que, em grande parte das aplicações, necessita-se do ajuste da velocidade e esta é de complexa implementação se comparado com o motor de corrente contínua, cujo método de controle é a variação da tensão média aplicada à armadura. Devido aos processos que envolvam controle de velocidade, aliado a viabilidade econômica e confiabilidade, tem surgido à necessidade de implementação de dispositivos ativos que venham a controlar a velocidade dos motores de indução.

A grande desvantagem do motor de indução trifásico reside na dependência entre torque e fluxo magnético.

T

=

k

⋅

Φ

⋅

I

120

(

1

s

)

p

f

n

=

⋅

⋅

−

_f

V

k

⋅

=

Φ

Variando-se apenas a tensão, varia-se a velocidade, entretanto, o fluxo varia e, conseqüentemente, o torque. Existe, portanto, a necessidade de controlar a velocidade dos motores de indução trifásica disponibilizando torque nominal disponível constante a carga.

O presente trabalho mostra o desenvolvimento de um conversor CC-CA trifásico aplicado ao acionamento e controle escalar da velocidade do motor de indução trifásico, controlado por um processador digital de sinais (DSP). Este conversor terá potência de saída de ½ CV e tensão de entrada de 220V.

II. ANÁLISE DO CONVERSOR

Um sistema baseado num conversor CC-CA trifásico tipo 180º cuja estratégia de comando impõe tensão de saída a todo instante, qualquer que seja a natureza da carga é mostrado na figura [1]:

A carga pode ser ligada em estrela (Y) ou em triângulo ( ). Para uma carga em estrela, as tensões fase-neutro devem ser determinadas de modo a encontrar as correntes de linha (ou fase). Para uma carga ligada em triângulo, as correntes de fase podem ser obtidas diretamente a partir das tensões de linha.

O inversor trifásico de tensão em ponte é de fato a composição de três inversores monofásicos de meia ponte. No braço R, para o primeiro meio período, a chave S1 permanece em condução, enquanto que S4 fica bloqueada. Já no meio período seguinte há uma inversão no comando das chaves, e assim S1 permanece aberta, enquanto S4 mantém conduzindo. As chaves do braço S operam da mesma maneira, exceto pelo fato que o comando das mesmas está defasado de 120º, ou seja, 1/3 de período, em relação a R. Operação similar ocorre com o braço T, sendo que o comando das chaves desse braço está defasado de 120º em relação ao braço S. Desse modo, as chaves semicondutoras são comandas segundo o diagrama representado na figura[2].

Figura 2 – Diagrama de comando das chaves

Observa-se que há seis seqüências distintas de operação em cada período de funcionamento. Em cada seqüência existem sempre três chaves em condução, duas no grupo positivo e uma no grupo negativo, ou vice-versa.

A duração de cada seqüência é de 60º. Portanto, os sinais de comando das chaves estáticas são defasadas de 60º uns dos outros, a fim de se obter tensões trifásicas (fundamentais) balanceadas. As chaves do grupo positivo têm um dos seus terminais ligado ao pólo positivo da fonte de alimentação CC. As chaves do grupo negativo têm um dos seus terminais ligado ao pólo negativo da fonte de alimentação CC. Entre duas chaves de mesmo braço cada uma conduz por 180º, dos 360º correspondentes a um período completo de forma de onda alternada. Entre duas chaves, de braços distintos, há uma defasagem de 120º.

Figura 3 – Principais formas de onda

III. SIMULAÇÃO DO CONVERSOR

Com o objetivo de obter, previamente, o comportamento dinâmico do circuito do inversor, foi utilizado o software Pspice Designer Manager versão 9.2 para simulação.

Figura 4 – Corrente e tensões de linha obtidas na simulação.

O processo de modulação em PWM foi obtido através de amplificadores operacionais na configuração comparadora. Estes amplificadores recebem um sinal dente de serra em 24kHz na porta inversora e um sinal senoidal na porta não inversora que representa a tensão, freqüência e fase de referência. Os sinais complementares são obtidos através de um par de fontes de tensão dependentes para cada amplificador operacional, sendo que uma delas inverte a lógica. O tempo morto, para evitar o cruzamento das chaves, foi obtido através de um circuito RC (1k e 470pF).

IV. APRESENTAÇÃO DO DSP56F8013

A evolução das tecnologias de eletrônica permitiu a popularização de ferramentas utilizadas para sistemas de controle digitais. Uma dessas ferramentas é o processador digital de sinais. Os DSP’s são microprocessadores especificamente projetados para executar em tempo real algoritmos de processamento digital de sinais que exigem tarefas numéricas intensivas e repetitivas.

O DSP56F8013, escolhido para este projeto, é um chip que pertence à família de DSP’s de 16 bits com núcleos 56800/E fabricados pela Freescale Semiconductors. Ele combina, num único chip, o poder de processamento de um DSP e a funcionalidade de um microcontrolador com um flexível conjunto de periféricos.

Principais características do DSP56F8013:

• Processador de 16-bits com arquitetura Harvard; • Freqüência de operação de 32MHz;

• Um módulo de PWM que opera a até 96MHz com 6 canais e 4 entradas para proteção de Fault;

• Um módulo com 6 entradas de ADC de 12-bits de resolução e clock máximo de 5,33MHz;

• Até 26 portas I/O que podem ser programadas como entrada ou saída;

• 16KB de memória Flash de programa; • 4KB de memória RAM de dados e programa.

Figura 5 – Diagrama de blocos do circuito

V. DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO O protótipo do conversor CC-CA envolveu as seguintes etapas: concepção do circuito, desenvolvimento de uma placa de circuito impresso e a montagem do protótipo. O diagrama de blocos do circuito desenvolvido pode ser visto na figura [5].

Figura 6 – Placa conversor montada

Para a montagem do protótipo, foi desenvolvida uma placa de face dupla de 150x200 mm, como mostra a figura [6].

VI. PROJETO CONVERSOR CC-CA

Figura 7 – Aplicação do driver

A) Aplicação do driver

O driver representado no bloco da figura [7] é o IR2130 que tem por finalidade fazer a interface entre a etapa de potência e a etapa de comando (DSP), adaptando os níveis de tensão e corrente para o acionamento das chaves. Por se tratar de sinais complementares (conversor meia ponte), o driver

emprega um tempo morto (deadtime) de 1,5µs, para evitar o cruzamento entre as chaves superiores e inferiores.

B) Dimensionamento das chaves

O conversor CC-CA trifásico ou inversor trifásico é constituído de três inversores meia ponte, tendo o total de seis chaves. Os esforços das chaves estão em função da tensão de barramento e da corrente eficaz que circula por cada uma. A magnitude da corrente de linha em plena carga é:

A

n

V

Pout

I

1

,

51

8

,

0

8

,

0

220

3

368

cos

3

⋅

⋅

⋅

Φ

=

⋅

⋅

⋅

=

=

Segundo (BARBI & MARTINS, 2005), a corrente eficaz por chave é determinada da seguinte forma:

2

I

I

=

Ilef: Corrente eficaz de linha ou fase (A)

ISef: Corrente eficaz por chave (A)

A

I

I

1

,

07

2

51

,

1

2

=

=

=

A máxima tensão permitida no barramento é de 400V. Chave utilizada: IRFP460

C) Dimensionamento dos resistores de gate.

Os resistores de gate tem por finalidade limitar a corrente de carga das capacitâncias parasitas dos MOSFET´s e promover o tempo de corte e condução das chaves, evitando dV/dt elevado. Os tempos de corte e condução podem ser expressos através da seguinte expressão:

iss g

C

R

tr

tf

=

=

2

,

2

⋅

⋅

tf : tempo de rampa de condução (s)

tr : tempo da rampa de corte (s) Rg: Resistor de gate ( )

Ciss: Capacitância intrínseca da chave (F)

Através do datasheet do IRF460, obtemos Ciss=4200pF O tempo de corte desejado é de 430ns, pois é um tempo suficiente para que a capacitância da chave complementar descarregue.

Ω

=

∴

⋅

⋅

=

₂

_,

₂

₄₂₀₀

₄₆

_,

₅₄

430

e

R

R

e

Resistor de gate (condução): 47

Entretanto, deseja-se que o tempo de desligamento da

chave no corte seja o mais rápido possível. Para tanto, estima-se em torno de 100ns para evitar dV/dt elevado.

Ω

=

∴

⋅

⋅

=

₂

_,

₂

₄₂₀₀

₁₀

_,

₈₂

100

e

R

R

e

Resistor de gate (corte): 10

Para promover os tempos distintos, fez-se necessário a introdução de um diodo conforme figura [8]:

Figura 8 – Resistores de gate e diodo

VII. PROGRAMA IMPLEMENTADO NO DSP56F8013 O programa foi desenvolvido em linguagem C, no ambiente de programação e depuração CodeWarrior®, disponibilizado pela empresa Metrowerks®.

Têm-se como entradas as amostras do circuito, e a principal saída é para o driver que irá comandar a chaves do estágio de potência do conversor CC-CA.

A principal interrupção utilizada é a interrupção de atualização do PWM, que acontece a cada 5kHz. Existe uma outra interrupção que é a interrupção de Fault do PWM, e ela só será chamada se houver um sinal externo do hardware.

TABELA I

Resumo dos eventos do software do conversor CC-CA

Freqüência de trabalho do DSP 32MHz

Período de instrução 31,25ns

Freqüência de chaveamento do PWM 5kHz

Freqüência de amostragem 1920kHz

Tempo de conversão analógico-digital 3µs

Nome da interrupção Freqüência da interrupção Tarefa da interrupção Iniciar a conversão AD Tratamento das amostras

Timer_0 1920kHz

Máquina de Estados

PWM Fault Evento externo Desliga o PWM

Timer_1 Variável Atualiza o valor PWM

VIII. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Para realização do ensaio prático do protótipo foi utilizado um motor de indução trifásico de 0,33CV.

Figura 10 – Ensaio prático no protótipo

Os resultados experimentais obtidos com o protótipo do conversor controlado escalarmente são mostrados nesta seção. A verificação da operação do protótipo foi focada na manutenção da relação V/f. Ao analisar os resultados, percebe-se que a forma de onda da tensão trifásica de fato obedecem a uma relação constante entre a amplitude de tensão e a freqüência. As figuras [11a] tensões de linha a 10Hz, [11b] tensões de linha a 65Hz mostram as formas de onda da tensão e corrente de saída do conversor em relação à freqüência. O traço 1, 2 e 3 respectivamente definem as tensões de linha VAB, VBC e VCA, enquanto que o traço 4 define a corrente na fase A.

TABELA II

Valores obtidos na prática relacionando a tensão e a freqüência

A variação da relação V/f é realizada linearmente até a freqüência base (nominal) e permanece constante, havendo apenas a variação da freqüência aplicada ao enrolamento estatórico do motor conforme obtida na tabela II a partir da freqüência de 51Hz; uma vez que a tensão de linha eficaz máxima que se conseguiu obter no protótipo foi de 188Vrms. No intervalo de freqüência de 10Hz até aproximadamente

0,5Hz, através do software, aplicou-se mais tensão no estator do motor para compensar a queda de tensão e manter o fluxo no entreferro próximo a nominal.

Abaixo da freqüência de 0,5 Hz, também via software, forçou-se a condição de nenhum valor de tensão aplicado ao estator do motor.

Figura 12 – Gráfico que relaciona a tensão e a freqüência

A região de 51Hz a 65Hz caracteriza-se a chamada região de enfraquecimento de campo, pois ali o fluxo decresce com o aumento da freqüência provocando também a diminuição do torque. A região de 10Hz a 51Hz caracteriza-se a chamada região de linearidade, típica do controle escalar, na qual a

relação tensão pela freqüência é mantida constante. A região de 0,5Hz a 10Hz caracteriza-se a chamada região em que a queda de tensão no enrolamento do estator torna-se significativa em relação à tensão aplicada ao estator pelo conversor provocando a diminuição do torque.

IX. CONCLUSÃO

Este capítulo apresentou todo o projeto, implementação e testes do conversor CC-CA aplicado ao controle escalar de velocidade de um motor de indução trifásico. A implementação do controle foi feita utilizando-se o DSP 56F8013 da Freescale. O projeto envolveu o desenvolvimento do circuito, dimensionamento dos componentes de lógica e potência, cálculo dos circuitos aplicados, desenvolvimento dos algoritmos de modulação e desenvolvimento de rotinas de programa.

Além disso, o projeto envolveu o desenvolvimento de uma placa de circuito impresso para a implementação do conversor. Construído o protótipo, foram realizados testes para análise do controle de velocidade e reversão de um motor de indução trifásico. No ensaio pôde-se verificar o correto funcionamento do protótipo, e na análise das formas de onda obtidas conseguiu-se atingir o controle de velocidade escalar. Foi feita a análise das formas de onda da tensão e corrente de saída do conversor, evidenciando assim a manutenção do torque nominal disponível. Foi feita então a análise do desempenho das proteções de curto e falta, limite de corrente de entrada através da proteção automática de

fault do DSP. Assim, podem-se verificar os aspectos

estudados na teoria sobre o conversor CC-CA aplicado ao controle escalar comprovando o sucesso do protótipo.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem aos professores Roger Gules, Walter Denis Cruz Sánches e a empresa NHS Sistemas Eletrônicos Ltda pelas contribuições.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] BARBI, Ivo & MARTINS, Denizar Cruz. Eletrônica de Potência – Introdução ao Estudo dos Conversores CC-CA. Florianópolis: Edição dos Autores, 2005.

[2] POMÍLIO, José Antenor, Conversores CC-CA para acionamento de máquina trifásica. Apostila Didática.

Disponível em:

http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/. Acessado em: Março de 2007.

[3] WEG, Guia Técnico – Motores de indução alimentados por conversores de freqüência PWM.

Ver. 09/2006. Disponível em:

http://weg.com.br/extras/downloads/art_tecnicos/motore s_de_indução_alimentados_por_conversores_de_freque ncia_PWM.pdf. Acessado em: Junho de 2007.

[4] SIMÃO, Eduardo Borges & ALMEIDA NETO, Manoel Ferreira de., Rendimento do conjunto inversor / motor de indução sob diferentes condições de carga. 2002.

Monografia (Graduação em Engenharia Elétrica), Universidade Federal de Goiás Escola de Engenharia Elétrica.