Um Conversor de Fases Estático de Baixo Custo para ser

UM CONVERSOR DE FASES ESTÁTICO DE BAIXO CUSTO PARA
SER UTILIZADO EM REDE MONOFÁSICA
Angelo José Junqueira Rezek
José Manuel Esteves Vicente
José Antonio Cortez
Marcílio André Merone
Nelson Barbosa Renó Júnior
Carlos Alberto Mohallem Guimarães
Celso Luiz da Silva
Departamentos: Eletrotécnica e Eletrônica
EFEI: Escola Federal de Engenharia de Itajubá
Caixa Postal 50, 37500-903, Itajubá, MG, Brasil
[email protected]
RESUMO
Sabe-se que na maioria dos casos, o meio rural
dispõe apenas de sistema monofásico para suprimento
de energia elétrica. Pretende-se neste trabalho, propor
um sistema estático de conversão de fases, simples,
eficiente e de baixo custo. O sistema proposto consiste
basicamente de um retificador semi-controlado e de um
inversor transistorizado que realiza a conversão DCAC para trifásico. Pode-se, desta maneira, utilizar o
sistema para alimentação de motores de indução
trifásicos em substituição aos monofásicos, o que é
desejável. Também a operação em velocidade variável
é conseguida, pois o conversor de fases possibilita a
manutenção de fluxo constante mantendo a relação
tensão-freqüência, para partida do motor e variação da
rotação.
can be used in this way to supply three-phase
induction in substitution of single phase ones,
which is desirable. Also the operation in variable
speed is achieved, therefore the converter of
phases aim the constant motor flux operation, with
the maintaining of the relationship voltagefrequency, for the motor startup and variable
speed operation.
INTRODUÇÃO
Este trabalho apresenta os resultados da
implementação modular de um inversor VSI para
o acionamento do motor de indução do tipo
gaiola, um dos mais empregados universalmente
pelo seu baixo custo, mas que apresenta
dificuldade no controle de sua velocidade.
MÓDULOS IMPLEMENTADOS
A figura 1 ilustra o diagrama de blocos
do sistema.
PALAVRAS CHAVES
Inversor de Frequência, Conversor Estático de
Fases, Acionamento Controlado
ABSTRACT
It is known that in most of the cases, the
country area just has a single-phase system to supply
the electric energy. It is intended in this work, to
purpose a simple, efficient and low cost static system
conversion phases. The proposed system consists
basically of a semicontrolled rectifier and a
transistorized inverter that make the conversion DCAC (direct current - alternating current). The system
OSCILADOR CONTROLADO
POR TENSÃO (VCO)
Para que fosse gerada uma onda
quadrada com freqüência proporcional a tensão de
entrada, foi utilizado um oscilador 555, que se
apresenta como um circuito bastante simples e
também eficiente. Através da análise do circuito
interno do oscilador verificou-se a viabilidade de
seu uso como oscilador controlado por tensão,
proporcionando uma relação linear entre
frequência de saída e tensão de entrada,
necessária para obtenção
de
torque
constante. O circuito VCO está ilustrado na figura
2.
Figura 1. Módulos implementados
Figura 2. Oscilador controlado por tensão
CONTADOR EM ANEL
A finalidade desse circuito é a geração de
seis pulsos seqüenciais com defasagem de 60o entre
um e outro, através do sinal de clock (saída do
VCO). Partindo dessa necessidade e utilizando-se
de lógica binária, projetou-se um circuito com
três flip-flops JK mestre-escravo. Este circuito
possui ainda uma opção de reset, para garantir a
correta inicialização
dos
flip-flops quando
necessário. Utilizando-se então os dados obtidos na
tabela de funcionamento dos flip-flops chegou-se ao
circuito mostrado na figura 3. A seguir, na figura 4,
tem-se as formas de esperada para as seis saídas
deste circuito.
Figura 3. Contador em anel
da ponte inversora não conduzam si multaneamente,
ou seja, o desligamento de um precisa ser mais
rápido que a ligação do outro pois isso poderia
causar um curto-circuito na rede DC, levando a um
Este circuito é necessário para se ter a
pico de corrente e podendo queimar os próprios
garantia de que dois transistores numa mesma
transistores.
coluna
CIRCUITO DEFASADOR DE
EDGE POSITIVO
Figura 4. Formas de onda na saída do contador
O defasador causa então um atraso de
aproximadamente 500s no acionamento de
transistores em relação ao desligamento aos seus
complementares, garantindo a não existência de
curtos momentâneos. Neste circuito foram
utilizados um
resistor de 1k, um capacitor de 470 kpF e
algumas portas lógicas. O atraso é dado
basicamente pelo valor do circuito R x C. A figura
5 ilustra as formas de onda de entrada e saída no
defasador. É necessário um circuito desse para cada
transistor. O circuito defasador é apresentado na
figura 6.
Figura 5. Formas de onda no defasador
Figura 6. Defasador de edge positivo
CIRCUITO DE ACOPLAMENTO
Este circuito é necessário para se isolar o
sinal eletrônico (baixa potência) do sinal de
controle dos transistores, que exigem um maior
nível de corrente em seu acionamento. A função
deste circuito é a mesma dos amplificadores, isto é,
apli
car potência em um pequeno sinal para que se possa
ativar uma carga maior, no caso o sinal de base dos
transistores. O acoplamento é realizado por um
acoplador óptico, sendo a injeção de potência
realizada por fontes individuais de 15V. O
diagrama esquemático é apresentado na figura 7.
Figura 7. Circuito de acoplamento
CIRCUITO DE REFERÊNCIA
Este circuito foi montado para ser utilizado
como um sinal de referência a ser colocado na
entrada do VCO. Ele na verdade é um divisor
resistivo em conjunto com dois amplificadores
operacionais usados na configuração de ganho
unitário. Uma saída, de 0-5[V] é responsável pelo
controle de tensão da ponte retificadora semicontrolada
tiristorizada. A outra saída, de 0-10[V] é
responsável pelo controle de freqüência da saída da
ponte inversora transistorizada. Assim consegue-se
variar a tensão do retificador e a freqüência do
inversor, mantendo linear a relação V/f. Este
circuito está mostrado na figura 8.
Figura 8. Circuito de referência
SISTEMA DC
Consiste na retificação da tensão
monfásica AC utilizando um retificador
semicontrolado.
PONTE TRANSISTORIZADA
Utilizou-se uma ponte transistorizada
a IGBT’s com diodo antiparalelo incorporado.
RESULTADOS
contador era diminuída; depois, aumentou-se o
valor da tensão e então a freqüência aumentou. A
figura 9 ilustra a tensão fase-fase e corrente de
fase do motor para a velocidade nominal. A figura
10 ilustra a mesma forma de onda para metade da
velocidade nominal. Percebe-se a manutenção da
relação tensão x freqüência para operação do motor
com fluxo constante.
O conjunto apresentou um perfeito
acionamento dos motores durante todosos testes
realizados. Observando-se com o osciloscópio as
grandezas envolvidas, pôde-se verificar a relação
entre a tensão e freqüência: em um primeiro
momento, colocou-se um pequeno sinal de tensão
no VCO, verificando-se que então a freqüência na
saída do
Figura 9. Tensão fase-fase e corrente de fase do motor para velocidade nominal de operação
Figura 10. Tensão fase-fase e corrente de fase do motor para metade da velocidade de operação
CONCLUSÃO
O sistema proposto mostrou-se eficiente
para alimentação de cargas passivas (banco
resistivo) e ativas (motor de indução trifásico). O
controle de tensão do sistema é feito no retificador e
o ajuste de freqüência no inversor transistorizado.
Consegue-se desta forma manter constante a relação
tensão-freqüência e variar convenientemente a
velocidade do motor de indução acoplado. Também
a partida do mesmo pôde ser feita de maneira
satisfatória, aumentando-se gradativamente a tensão
e freqüência durante o processo.
Os maiores custos associados ao sistema
proposto constituem-se na implementação do autotransformador de alimentação mais ponte inversora
transistorizada a IGBTs. Esta última, formadapor
seis IGBTs de 50 ampéres e 600 volts, está cotada
em aproximadamente oitenta dólares (US$ 80).
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à FAPEMIG,
Processo 657/92 pelo suporte financeiro que
permitiu o desenvolvimento deste trabalho de
pesquisa.
REFERÊNCIAS
[1] N. B. Renó Jr.. Sistema Inversor para
Controle de Velocidade de MIT’s, Trabalho de
Diploma, EFEI, 1993.
[2] M. A. Merone. Implementação de um
Inversor VSI para o Acionamento do Motor de
Indução, Relatório Final de Projeto de Iniciação
Científica, EFEI/FAPEMIG, 1998.
[3] M.H. Rashid. Power Electronics,
Circuits, Devices, and Applications, Prentice Hall
International, Inc., 1993.
[4] Guimarães, C. A. M., “Implementação
de um Sistema de Chaveamento Point on Wave
Baseado em Microcomputador”, Dissertação de
Mestrado, UFSC, Florianópolis, SC, Brasil, 1986.
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