Controlo de Motores de Corrente Contínua

FEUP-LEEC. SAM 1

Controlo de Motores

de Corrente Contínua

Sistemas de Accionamento e Movimentação

FEUP-LEEC. SAM 2

Motores de corrente contínua.

Introdução

(histórica)

• Historicamente, o motor CC, foi utilizado de modo universal no controlo de velocidade, até ao aparecimento, em força, dos inversores de tensão, baseados em semicondutores de potência (tirístores, inicialmente, e GTOs e IGBTs mais recentemente) associados aos motores CA.

• O sistema conhecido como Ward-Leonard foi utilizado durante largo tempo em accionamentos de elevado desempenho.

• Ainda hoje, uma parte importante dos accionamentos controlados é uma versão electrónica do sistema Ward-Leonard.

FEUP-LEEC. SAM 3 Diagrama de controlo de um sistema Ward-Leonard para um motor CC.

O sistema Ward-Leonard

(curiosidade).

Diagrama

Motor CA 1 Gerador CC 2 Motor controlado 4 Carga accionada 3 Excitatriz Controlo de campo do gerador Controlo de campo do motor 5 6 Conjunto Ward-Leonard + -+

1. No arranque, a excitação do gerador é aproximadamente nula,

garantindo uma tensão no induzido perto de zero. Esta tensão é aplicada ao motor controlado. A tensão de excitação do motor é colocada no seu valor máximo (o nominal).

2. O aumento da tensão de excitação aumenta a tensão aplicada ao motor, garantindo-se, também, controlo da polaridade.

3. O controlo de velocidade do motor é obtido a partir do controlo da excitação do gerador.

4. O sistema possibilita a frenagem regenerativa bastando, para isso, diminuir a tensão no induzido do motor. A corrente inverte-se e o

gerador passa a funcionar como motor. O motor CA, por seu lado, passa a funcionar como gerador devolvendo energia à rede.

O sistema Ward-Leonard.

Descrição

FEUP-LEEC. SAM 5

• A manutenção do campo indutor do motor constante, no seu valor máximo, permite obter o máximo binário em função da corrente. No entanto, a máxima velocidade possível é atingida com a máxima tensão na armadura, que é função do valor máximo do campo do gerador. Esta velocidade máxima toma a designação de velocidade base do motor. • No entanto, os motores são projectados para operar a velocidades

superiores a esta velocidade base, até 2 a 3 vezes.

• A redução da tensão de excitação aplicada ao motor (designada por enfraquecimento de campo), diminui a f.e.m., permitindo que a velocidade suba.

• Nesta zona de operação, o binário disponível diminui, já que é

proporcional quer à corrente na armadura quer ao fluxo. Trata-se de uma operação a potência constante.

O sistema Ward-Leonard.

Descrição

FEUP-LEEC. SAM 6

• A utilização de conversores estáticos de potência substituíu o sistema Ward-Leonard rotativo que, tendo um bom comportamento dinâmico, apresenta algumas desvantagens.

• O custo do sistema (com diversas máquinas rotativas), a manutenção, e o dimensionamento são as principais.

• O motor e o gerador do sistema devem ter um dimensionamento em potência superior ao do motor; o espaço ocupado e a manutenção (especialmente do gerador CC - colector e escovas), são desvantagens importantes.

• O ruído e a vibração gerados por este sistema são desvantagens que não existem no sistema estático.

O sistema Ward-Leonard.

Características

FEUP-LEEC. SAM 7

• O motor de corrente contínua contém dois circuitos: o do campo e o do induzido. O do campo situa-se na parte fixa do motor e consiste em enrolamentos colocados à volta dos polos magnéticos do estator.

Estrutura (corte) e circuitos de um motor de corrente contínua.

O motor de corrente contínua

(revisão).

Estrutura e circuitos

N S 18 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 17 12 13 14 15 16 A₂ B₂ A₁ B 1 I I 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 2I ω 12I F₁ F₂ A₁ A₂

• O número de polos é par e os enrolamentos são percorridos pela mesma corrente. Terminam nos pontos F₁ e F₂.

• O objectivo do circuito indutor é magnetizar os polos do motor, criando um fluxo magnético no entreferro, entre o estator e o rotor.

• O circuito indutor não será necessário se forem utilizados ímanes permanentes no estator.

• O circuito de potência de um motor CC é a armadura, e está situado no rotor. Consiste em enrolamentos colocados em ranhuras.

• Se metade de um enrolamento está sob um polo norte, a outra metade estará sob o polo sul adjacente.

O motor de corrente contínua.

Estrutura e circuitos

FEUP-LEEC. SAM 9

• Quando circula corrente num enrolamento, as forças devidas à

interacção entre a corrente e o fluxo serão iguais e opostas nos dois lados do enrolamento. Juntas produzem o binário com que o enrolamento

contribui para o binário total.

• Os enrolamentos são ligados em série formando um circuito fechado. • A armadura dispõe, ainda, de um comutador (colector) constituído por

um conjunto de lâminas isoladas umas das outras.

• Os terminais final de uma bobina e inicial da bobina adjacente são ligados à mesma lâmina.

• O comutador está fixo ao rotor e roda com ele. A corrente chega às bobinas através de um par de escovas de grafite que contactam com as lâminas do colector. Garante-se, assim, uma corrente constante sob um polo do estator, independentemente do movimento do rotor.

O motor de corrente contínua.

Estrutura e circuitos

FEUP-LEEC. SAM 10

• O conjunto comutador-escovas permite transformar uma fonte de corrente contínua numa corrente alternada, a que circula nas bobinas. Este conjunto é, no entanto, uma desvantagem dos motores CC

aumentando o seu custo e, fundamentalmente, a sua manutenção. • As escovas e, mais lentamente, as lâminas do colector, deterioram-se

com o tempo. Também, a imperfeição da rotação implica a ocorrência de arcos eléctricos, impedindo a utilização deste motor em ambientes

perigosos.

• Apesar da excelente regulação e controlabilidade do motor CC, este tem perdido muitos campos de aplicação, nos accionamentos controlados, em detrimento do motor assíncrono.

O motor de corrente contínua.

Estrutura e circuitos

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• Uma característica fundamental do motor CC, responsável pelo seu bom desempenho dinâmico, é o facto de os circuitos magnéticos do campo indutor e da armadura estarem mutuamente desacoplados. O fluxo criado pelo indutor não liga com os enrolamentos da armadura.

O motor de corrente contínua.

Estrutura e circuitos

N

S φA

φF

Orientações espaciais do fluxo indutor e da f.m.m. da armadura num motor CC.

• As orientações espaciais dos fluxos são fixas e não dependem da rotação do motor. Sendo direcções

perpendiculares, verifica-se o

desacoplamento magnético referido. • A rápida variação da corrente da

armadura, em caso de perturbação dinâmica, pode ser obtida sem haver interacção do fluxo indutor.

• Sendo as direcções da corrente da armadura e do fluxo indutor

perpendiculares, desenvolve-se uma força electromagnética em cada condutor proporcional à corrente e ao fluxo.

• O binário resultante nos diversos condutores soma-se, resultando:

O motor de corrente contínua.

Binário e f.e.m.

I K T = ₁Ψ

Ψ é o fluxo por polo, I é a corrente na armadura e K₁ uma constante de proporcionalidade (dimensões, número de polos, etc).

• A rotação do motor faz induzir uma f.e.m. nos condutores, proporcional à velocidade e ao fluxo por polo:

ω Ψ

= K₂

E

Ψ é o fluxo por polo, ω é a velocidade angular do motor e K₂ uma constante de proporcionalidade (dimensões, número de polos, etc).

FEUP-LEEC. SAM 13

O motor de corrente contínua.

Binário e f.e.m.

I K

EI

P = = ₂Ψω

• Se as equações de binário e f.e.m. forem expressas em unidades SI as constantes K₁ e K₂ são iguais.

• A potência eléctrica convertida em mecânica é: • A potência mecânica é: ω Ψ = ω =T K I P ₁ ou seja: ω Ψ = ω Ψ I K I K_{2 1} I K T K E Ψ = ω Ψ = • Assim, em regime permanente:

FEUP-LEEC. SAM 14

Circuitos do campo e da armadura, em regime dinâmico e em regime permanente.

O motor de corrente contínua.

Binário e f.e.m.

f f f f f a a i R dt di L V E i R dt di L v + = + + =

• Em regime dinâmico devem ser consideradas as indutâncias dos dois circuitos, L_f e L_a. A evolução das correntes será dada por:

F 1 F₂ A₁ A₂ + -+ -+ -V_f I f R_f I R_a E V f f f a I R V E I R V = + = • Em regime permanente: + -+ -+ -V_f i_f R_f i R_a E v L_f L_a

FEUP-LEEC. SAM 15 Curva de magnetização de um motor CC.

O motor de corrente contínua.

Saturação do motor

• A relação entre a corrente de campo e o fluxo depende da relutância do circuito magnético. Sendo linear numa zona alargada de corrente, satura para valores mais elevados.

• Em geral, o ponto de funcionamento nominal do motor já se encontra ligeiramente na zona de saturação.

I_f (A) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 100 200 300 E (V) Velocidade 1000 rpm

O motor de corrente contínua.

Métodos de excitação do motor

• Os circuitos da armadura e do campo podem ser colocados: - em paralelo: motor “shunt”;

- em separado: motor de excitação separada; - em série: motor de excitação série.

• O fluxo no motor depende da f.m.m. criada (NI). O mesmo fluxo pode ser obtido com poucas espiras e corrente elevada (motor série), ou por muitas espiras e corrente pequena (motor “shunt” e de excitação

separada).

• Naturalmente, a excitação separada permite uma maior flexibilidade

sendo utilizada na maior parte dos accionamentos. Apenas no domínio da tracção eléctrica existem os motores série.

FEUP-LEEC. SAM 17 Conversores electrónicos para um motor de excitação separada.

Controlo de motores CC, de exc. separada.

Conversores electrónicos

• Se a fonte disponível é CC, utilizam-se conversores CC/CC (a partir de baterias, em tracção eléctrica de pequena potência);

• Se a fonte disponível é CA, utilizam-se conversores CA/CC (monofásicos ou trifásicos).

• A potência do conversor de campo é muito inferior à do conversor da armadura, podendo ambos ter saída variável.

F 1 F₂ A 1 A₂ + -+ -+ -V f I f R_f I R_a E V Conversor do campo Conversor da armadura FEUP-LEEC. SAM 18

Controlo de motores CC, de excitação separada.

Controlo de velocidade

• Distinguem-se duas zonas de funcionamento em velocidade:

– com fluxo constante, em que a velocidade depende linearmente de

V (R_aI é uma parcela de perdas, em geral pouco significativa);

– com tensão V constante, em que a velocidade depende inversamente do fluxo. Nesta zona, a um aumento de velocidade corresponde uma redução do binário disponível.

I R V E = − _a • Na armadura: ω Ψ = −R I K V _a Ψ − = ω K I R V _a

• A velocidade é expressa por:

      Ψ − Ψ = ω T K R V K a 1 ou

FEUP-LEEC. SAM 19

Controlo de motores CC, de excitação separada.

Controlo de velocidade

• Na zona de fluxo constante as curvas T-n são rectas paralelas com inclinação negativa. T n n_n δ=δ₁ δ=δ₂ -n_n 0 T_n -T_n

Características T-n na zona de fluxo constante para quatro quadrantes e em função do parâmetro de controlo.

Controlo de motores CC, de exc. separada.

Zonas de funcionamento

• Naturalmente, em regime transitório, o motor poderá desenvolver um binário superior ao nominal, de acordo com a capacidade de corrente associada. ωm (p.u.) 0 _1.0 1.0 p.u. T, I, Φ_f, I_f V, I V E T, Φ_f, I_f E Zona de binário constante Zona de potência constante

FEUP-LEEC. SAM 21

Controlo de motores CC, de excitação separada.

Zonas de funcionamento

• A característica de um accionamento deve estender-se por quatro quadrantes.

• Acima de n_n, a velocidade depende inversamente do fluxo. A um

aumento de velocidade corresponde uma redução do binário disponível.

Envolvente da zona de funcionamento de um motor CC.

T

0 _n

T_n

n_n n_máx

FEUP-LEEC. SAM 22

Controlo de motores CC, de exc. separada.

Comportamento dinâmico do motor

E i R dt di L v = _a + _a + WL T B dt d J T = ω+ ω+

• Aplicando a transformada de Laplace:

) ( ) ( ) ( ) (s E s R sL I s V = + _a + _a ) ( ) ( ) ( ) (s T s B sJ s T = _WL + + ω

• Para o motor CC, com fluxo constante, tem-se:

sendo ); ( ) (s K s E = ω T(s) = KI(s); ω(s) = sθ(s)

FEUP-LEEC. SAM 23

Controlo de motores CC, de excitação separada.

Comportamento dinâmico do motor

) ( ) )( ( ) ( ) )( ( ) ( 2 2 T s K B sJ sL R sL R s V K B sJ sL R K s _WL a a a a a a + + + + − + + + = ω

• Associando as duas equações anteriores:

Diagrama de blocos de um motor de excitação separada.

-+ V(s) K_T I(s) T(s) ω(s) T_WL(s) K_E E(s) 1 s θ(s) + -1 R a+sLa 1 B+sJ K_T e K_E são iguais.

Controlo de motores CC, de excitação separada.

Comportamento dinâmico do motor

2 0 ) ( 1 ) )( ( ) ( ) ( ) ( K B sJ sL R K s V s s G a a s T_WL + + + = ω = = 2 0 ) ( 2 ) )( ( ) ( ) ( ) ( K B sJ sL R sL R s T s s G a a a a s V WL + + + + − = ω = =

• Considerando o motor um sistema linear (apenas dependente do circuito de campo) a equação geral anterior resulta em duas funções de

transferência:

• A velocidade depende de duas variáveis actuantes no motor: a tensão da armadura e o binário resistente.

FEUP-LEEC. SAM 25

Controlo de motores CC, de excitação separada.

Comportamento dinâmico do motor

• Definindo as constantes de tempo mecânica e eléctrica: • Considerando B=0 (habitualmente pequeno e desprezável):

      _{+ +} = + + = 1 1 ) ( ) ( 2 2 2 2 1 K J R s K J L s K K sL R sJ K s G a a a a ; 2 K J R_a m = τ a a e R L = τ

(

1

)

1 ) ( ₂ 1 + τ + τ τ = m e m s s K s G • Admitindo τ_m>>τ_e obtém-se:

(

1

)(

1

)

1 ) ( ) ( ) ( 1 ≅ _{τ + τ +} ω = e m s s K s V s s G FEUP-LEEC. SAM 26

Controlo em malha fechada para um motor de excitação separada.

Controlo de motores CC, de exc. separada.

Controlo de velocidade em malha fechada

• O sistema apresenta duas malhas de controlo para a corrente da armadura: a malha interior, de corrente, e a malha exterior, de velocidade. S_a ω_{ref Conversor da} armadura + - + -+ -I a(ref) C_a V c Motor Malha de corrente SS Malha de velocidade Conversor do campo I_f Enfraquecimento de campo FW I_f(ref) ωf I_a Limitação de corrente

FEUP-LEEC. SAM 27

Controlo de motores CC, de excitação separada.

Controlo de velocidade em malha fechada

• O controlo em cascata pode ser aplicado a uma malha exterior de controlo de posição em servo-accionamentos. A posição de referência é comparada com a posição actual (obtida a partir de um sensor apropriado). A saída do controlador de posição corresponde a um valor de referência para a velocidade.

Enfraquecimento de campo

• O enfraquecimento de campo é obtido automaticamente a partir do bloco FW. Do ponto de vista do controlador, o sistema torna-se não linear.

Limitação de corrente

• A limitação de corrente no conversor obtém-se a partir da limitação da saída do amplificador de erro de velocidade.

Conversor CC/CC de um quadrante no modo motor e em frenagem.

Controlo de motores CC, de exc. separada.

Conversores CC/CC

• No conversor de um quadrante, pode ocorrer condução descontínua. • Não permite efectuar frenagem directamente.

V_cc D _ω i_a A B C S V_cc D ω i_a A B C S

• Os conversores CC/CC podem ser de um, dois ou quatro quadrantes. • Permitem impôr uma frequência de comutação elevada, diminuindo a

FEUP-LEEC. SAM 29

Controlo de motores CC, de excitação separada.

Conversores CC/CC

• O conversor CC/CC de dois quadrantes apenas funciona em condução contínua, o que facilita a regulação do sistema.

• Em qualquer conversor CC/CC, no modo de frenagem torna-se

necessário que a fonte de alimentação CC tenha capacidade de receber a energia recuperada. Conversor CC/CC de 2 quadrantes. V_t I_a V_cc Φ T, ω + -V_f I_f FEUP-LEEC. SAM 30

Conversor CC/CC de um quadrante. Inversão aos terminais da armadura.

Controlo de motores CC, de excitação separada.

Conversores CC/CC

• A inversão do sentido de rotação de um motor pode ser obtida a partir da inversão da polaridade aos terminais da armadura ou invertendo o

campo. A inversão do campo é mais lenta (circuito muito indutivo). • A inversão da tensão aos terminais da armadura pode ser realizada de

duas formas: utilizando dois pares de contactos electromecânicos ou utilizando um conversor de quatro quadrantes.

V_cc S D F F R R A₁ A₂ F₁ F₂ Conversor do campo Vcc

FEUP-LEEC. SAM 31 Conversor CC/CC de quatro quadrantes.

Controlo de motores CC, de excitação separada.

Conversores CC/CC

• O conversor de quatro quadrantes permite uma dinâmica muito superior.

• Há diferentes métodos de controlo para este conversor: – S₂ e S₃ off, S₄ on. S₁ controla a tensão aplicada. – S₃ off, S₄ on. S₁ e S₂ controlam a tensão aplicada. – S₁, S₂, S₃ e S₄ controlam a tensão aplicada.

V_cc D₁ ω S₁ S₂ D₂ D₃ D₄ S₃ S₄ A₁ A₂ F₁ F₂ Conversor do campo V_cc

Controlo de motores CC, de exc. separada.

Conversores CC/CC - ondulação da corrente

• A tensão de saída dos conversores electrónicos não é constante, apresenta ondulação que, por sua vez provoca ondulação de corrente.

• Admitindo a f.e.m. constante, a tensão e a corrente na armadura são: ) ( ) (t V v t v = + _r ) ( ) (t I i t i = + _r

[

]

dt t di L t i I R E t v V + _r( ) = _a + _a + _r( ) + _a r( )

• Substituindo na expressão instantânea da tensão na armadura:

• Resulta para o valor médio e a ondulação:

I R E V = _a + _a dt t di L t i R t v_r( ) = _{a r}( )+ _a r( )

FEUP-LEEC. SAM 33

Controlo de motores CC, de excitação separada.

Conversores CC/CC - ondulação da corrente

• Admitindo que a resistência tem um efeito desprezável:

dt t di L t v_r( ) ≈ _a r( )

Ondulação de corrente num conversor CC/CC de quatro quadrantes, com métodos de controlo distintos.

v 0 V t i T_s=1/f_s ∆i= V 8L_af_s v 0 V t -V i T s=1/fs ∆i= V 2L_af_s

• O mesmo valor médio está associado a valores eficazes diferentes, aumentando as perdas em R_a, no primeiro caso.

FEUP-LEEC. SAM 34

Conversores CC/CC.

Recuperação de energia para a fonte CA.

• Se o barramento CC não permite o trânsito bidireccional de potência torna-se necessário dissipar a energia devolvida ao barramento CC.

Circuito de frenagem para conversores CC/CC.

Conversor CC/CC de 1, 2, ou 4 quadrantes Motor CC L_f C_f R_b T_b V_s U_f Φ Controlo

• Em geral, o transístor T_b faz parte dos módulos integrados de semicondutores de potência aplicáveis em controlo de motores.

FEUP-LEEC. SAM 35

Conversores CC/CC.

Recuperação de energia para a fonte CA.

• A bidireccionalidade de potência no barramento CC (por inversão da corrente) é feita por um inversor de tensão (monofásico ou trifásico) a funcionar como rectificador.

Interface para a rede CA com possibilidade de recuperação de energia. C L_s v_s v_cc + -i_s T₁ T₂ T₃ T₄ v_inv i_cc Conversor CC/CC de 1, 2, ou 4 quadrantes Motor CC U_f Φ

• A topologia garante, ainda, factor de potência unitário e corrente de entrada sinusoidal.

Conversores CC/CC.

Filtro do barramento CC

• O filtro do barramento CC é utilizado para duas funções:

– Filtrar a tensão de saída de um rectificador (se existir) garantindo uma ondulação especificada;

– Filtrar a corrente de entrada pedida pelo conversor CC/CC à fonte CC (bateria, por exemplo).

Filtro LC na entrada de um conversor CC/CC.

Conversor CC/CC Motor CC L_f C_f v_s U_f Φ Conversor CA/CC (díodos) v_i v_cc i_cc + + - -i_s i_i

FEUP-LEEC. SAM 37

Controlo de motores CC, de exc. separada.

Conversores CA/CC

• Uma parte importante dos accionamentos industriais é baseada em rectificadores tiristorizados, devido à disponibilidade da rede CA. • O circuito do campo poderá ser não controlado (ponte de díodos) ou

controlado (ponte tiristorizada, em geral mista), permitindo velocidades superiores à nominal.

• A possibilidade de frenagem ou de inversão do sentido de rotação

depende das configurações implementadas. A inversão de sentido obtém-se por inversão do campo ou por inversão da tensão na armadura.

• A inversão do campo indutor é um processo lento, comparado com a inversão da tensão na armadura. A inversão da tensão na armadura pode ser obtida por processos electromecânicos ou por processos estáticos.

FEUP-LEEC. SAM 38

Inversão da tensão na armadura a partir de contactores.

Controlo de motores CC, de excitação separada.

Conversores CA/CC - inversão da rotação

• Aumentando o ângulo de disparo, a corrente anula-se. De seguida, é aberto o contactor F. O ângulo de disparo é aumentado para valores superiores a 90º, permitindo tensões negativas superiores à f.e.m. É fechado o contactor R, iniciando-se a condução no circuito (frenagem). • Diminuindo α, a tensão inverte-se e o motor inicia a rotação no sentido

inverso. F F R R A₁ A₂ F₁ F 2 L

FEUP-LEEC. SAM 39 Inversão do campo indutor a partir de rectificadores em anti-paralelo.

Controlo de motores CC, de excitação separada.

Conversores CA/CC - inversão da rotação

• Aumentando o α da armadura, a corrente anula-se.

• No indutor, α é aumentado para valores superiores a 90º, anulando a corrente de campo e a f.e.m. Após um intervalo de segurança, a ponte 2 é disparada, invertendo-se a corrente de campo e a f.e.m. (frenagem).

• Controlando o conversor da armadura o motor inicia a rotação no sentido inverso.

1 2

• A ondulação de tensão de saída dos conversores CA/CC, associada à respectiva frequência, é mais importante que nos conversores CC/CC. Tal como nestes, provoca ondulação na corrente com os efeitos já descritos.

• A ondulação da corrente na saída de rectificadores pode ser calculada a partir do método do primeiro harmónico. Consiste em aproximar a corrente de saída pela soma do seu valor médio com o primeiro termo harmónico. Este termo depende, naturalmente, do topologia do conversor e do respectivo ângulo de disparo.

• Também para este método (aproximado) se pode admitir que a

resistência da armadura não contribui para a impedância do circuito que limita a ondulação da corrente.

• O método do primeiro harmónico só é válido em condução contínua.

Controlo com conversores CA/CC.

FEUP-LEEC. SAM 41

• Com binários/cargas baixas, o valor médio da corrente é baixo. • Se a ondulação da corrente for significativa, esta pode tornar-se

descontínua, introduzindo uma dependência entre o valor médio da tensão de saída e o valor médio da corrente (considerando a f.e.m. constante). É uma característica de não linearidade.

Controlo com conversores CA/CC.

Ondulação da corrente e corrente descontínua

T 0 n 1500 N.m 1000 500 -1500 -1000 -500 α=0º Corrente descontínua Binário nominal rpm α=45º α=75º α=90º α=105º α=135º α=180º Corrente contínua Exemplo (trifásico) de característica velocidade-binário. FEUP-LEEC. SAM 42

• Naturalmente, a condução descontínua também ocorre nos conversores CC/CC de um quadrante.

Controlo com conversores CA/CC.

Ondulação da corrente e corrente descontínua

T 0 n 1500 N.m 1000 500 -1500 -1000 -500 α=0º Corrente descontínua Binário nominal rpm α=45º α=75º α=90º α=105º α=135º α=180º Corrente contínua

FEUP-LEEC. SAM 43 Conversores CA/CC em anti-paralelo.

Controlo de motores CC, de exc. separada.

Conversores CA/CC em anti-paralelo

(introdução)

• O conversor da esquerda fornece tensão positiva e negativa (em função de α_Κ) e corrente positiva a uma carga ligada entre K e N;

• O conversor da direita fornece tensão positiva e negativa (em função de α_Ν) e corrente negativa a uma carga ligada entre A e N.

• Se os conversores forem ligados em anti-paralelo obtém-se um sistema de quatro quadrantes. N V_a V_c A K V_b

Conversores CA/CC em anti-paralelo.

Controlo de motores CC, de excitação separada.

Conversores CA/CC em anti-paralelo

• Para o conversor da esquerda:

N V_a V_c A K V_b p d KN V V = ₀cosα

• Para o conversor da direita:

n d

AN V

V =− ₀cosα

• Para a colocação em anti-paralelo as tensões de saída devem ser iguais, o que se obtém fazendo:

0 180 = α + α_{p n}

(

cos( )

)

₀cos( ) 0 p d p d AN V V V = − − −α = α • Resultando:

FEUP-LEEC. SAM 45 Exemplo de conversores CA/CC em

anti-paralelo.

Controlo de motores CC, de excitação separada.

Conversores CA/CC em anti-paralelo

• Embora as tensões médias sejam iguais, as tensões instantâneas não são, impedindo a colocação directa em anti-paralelo.

• Existem diversos métodos de

colocação em anti-paralelo de dois rectificadores:

– com bobinas de ligação;

– sem bobinas de ligação, com banda morta ou com lógica de inversão v_KN v_aN v_bN v_cN v_AN v_aN v_bN v_cN v_KA FEUP-LEEC. SAM 46

Conversores CA/CC em anti-paralelo, com corrente de circulação.

Controlo de motores CC, de excitação separada.

Conversores CA/CC em anti-paralelo

N a A L b c K Carga CC M P_a P_b P_c N_a N_b N_c t₂ t₁ t₃ t₄ t₅ t₆ t₇ t₈ t₉ t₁₀ t₄ t₆ t₈ t₁ t₂ t₃ t₅ t₇ t₉t₁₀ v_a v_b v_c t₁ t₃ t₅ t₇ t₉ P_c t₁ P_a P_b t₂ t₄ t_{6 P} ct8 N_a N_b N_c t₃ t₅ t₇ v_a v_b v_c t₂ t₄ t₆ t₈

• Exemplo de tensões existentes num agrupamento de conversores CA/CC em anti-paralelo, com corrente de circulação. Saída v_KN Saída v_AN Saída v_MN Tensão na bobina

FEUP-LEEC. SAM 47 Pontes trifásicas em anti-paralelo, com corrente de circulação.

Controlo de motores CC, de excitação separada.

Conversores CA/CC em anti-paralelo

• Tratando-se de conversores duplos é necessário uma segunda bobina para limitar a corrente de circulação.

• Há outras configurações de ligação que podem ser utilizadas, dispensando a segunda bobina.

M P L a b c

Drive de quatro quadrantes com pontes trifásicas em anti-paralelo e corrente de circulação.

Conversores CA/CC em anti-paralelo.

Exemplo de drive de quatro quadrantes

a a b c A₁ A₂ F₁ F₂ b c ωref + -+ -I_ref I_f(ref) ω 1 + -+ ++ -I_c 2 3 5 4 6 7 8 9 10 11 D₁ D₂

FEUP-LEEC. SAM 49 Sistema de quatro quadrantes sem corrente de circulação.

Controlo de motores CC, de excitação separada.

Conversor dual sem corrente de circulação

Conversor P L a b c Conversor N Q Lógica de inversão Q Lógica Circuito de sincronismo e de geração de impulsos Lógica FEUP-LEEC. SAM 50

Controlo de motores CC, de excitação série.

• Num motor série, os enrolamentos do circuito de campo e da armadura são colocados em série. O circuito de campo terá poucas espiras, de secção elevada, e baixa resistência.

• Sendo o binário proporcional à corrente da armadura e à corrente de campo, torna-se proporcional ao quadrado da corrente na armadura. • No arranque e às baixas velocidades, com uma f.e.m. baixa, é possível

obter um binário muito elevado a partir de uma corrente elevada; às velocidades elevadas, com a f.e.m. a subir, a corrente decresce e o binário também.

• É a característica típica de um sistema de tracção eléctrica, o campo de aplicação essencial do motor série. No entanto, apresenta algumas dificuldades a nível de métodos de controlo e do funcionamento em recuperação de energia.

FEUP-LEEC. SAM 51 Conversor CC/CC no controlo de um motor série.

Controlo de motores CC, de excitação série.

• Com o desenvolvimento da electrónica de potência, o motor série passou a ser controlado por conversores CC/CC.

i_a S D ω S₁ S 2 A 1 A 2 L

• Para inverter a velocidade é necessário inverter o campo ou a armadura, mas não ambos. Torna-se necessário a utilização de um contactor.

Controlo de motores CC, de excitação série.

• Durante o funcionamento em frenagem, com a configuração do

conversor CC/CC em step-up, é mais vantajoso colocar o motor como de excitação separada, aumentando a estabilidade.

• Esta configuração permite um controlo mais eficiente de ambas as correntes, de campo e da armadura, optimizando o regime dinâmico. • No entanto, as características de funcionamento do conjunto são não

FEUP-LEEC. SAM 53

Controlo de motores CC, de excitação série.

• O controlo, com realimentação do quadrado da corrente da armadura, permite obter características de funcionamento semelhantes às obtidas com um motor de excitação separada.

i_a S D ω S₁ S₂ A₁ A₂ L V_cc n ref + -n PI _∆ +

-Controlo de um motor série com realimentação não linear da corrente.

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Controlo de motores CC.

Referências

• “Electric Motor Drives Modeling, Analysis and Control”, R. Krishnan, Prentice-Hall, 2001

• “Power Electronics. Principles and Applications”, J. Vithayathil, McGraw-Hill, 1995

• “Electric Drives. An Integrative Approach”, N. Mohan, MNPERE, Minneapolis, 2001