versão electrónica - Universidade do Minho

Hélder Tiago da Silva Fernandes
Desenvolvimento de um Sistema de
Acionamento para Motor de Indução
Trifásico
UMinho | 2012
Hélder Tiago da Silva Fernandes
Desenvolvimento de um Sistema de Acionamento para Motor de Indução Trifásico
Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Dezembro de 2012
Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Hélder Tiago da Silva Fernandes
Desenvolvimento de um Sistema de
Acionamento para Motor de Indução
Trifásico
Tese de Mestrado
Engenharia Eletrónica Industrial de Computadores
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor Doutor João Luiz Afonso
Dezembro de 2012
À Filipa e Carolina.
Agradecimentos
O nascimento da minha filha Carolina e a minha formação académica são para
mim, os melhores momentos para o ano de 2012. Contudo, a realização deste trabalho
não teria sido possível sem o apoio e a ajuda de algumas pessoas, às quais dirijo os
meus sinceros agradecimentos.
No âmbito académico, o meu primeiro agradecimento ao meu orientador, o
Professor Doutor João Luiz Afonso, por toda a compreensão, pelos conselhos e
motivação dada ao longo deste trabalho.
À equipa de investigação do Grupo de Eletrónica de Potência e Energia – GEPE
sendo eles Henrique Gonçalves, Gabriel Pinto, Bruno Exposto, Delfim Pedrosa, Vítor
Monteiro e Raúl Almeida, pela disponibilidade e a ajuda prestada.
Os técnicos das oficinas do departamento de eletrónica industrial Ângela Macedo,
Carlos Torres, Joel Almeida, pela simpatia e por toda a atenção que me dispensaram ao
longo deste ano e da minha formação.
Aos meus colegas de curso e de dissertação, Micael Machado, Vítor Veiga, Pedro
Carvalho e muitos outros, pela boa disposição, pelo companheirismo, e por toda a ajuda
prestada ao longo deste e dos anos anteriores.
Quero expressar a minha gratidão aos meus pais e aos meus sogros, mostram-se
sempre presentes. Quero agradecer a todos os meus familiares pelo forte apoio
demonstrado.
Um muito obrigado à minha mulher, Filipa por todo apoio e compreensão
mostrada ao longo desta dissertação e de toda a minha formação académica.
À minha filha Carolina, pela alegria que despertou em mim.
Desenvolvimento de um Sistema de Acionamento para Motor de Indução Trifásico
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v
Resumo
Esta dissertação tem como objetivo o estudo e desenvolvimento de um sistema
para o acionamento de um motor elétrico que integre o inversor e respetivo sistema de
controlo.
O desenvolvimento de sistemas de controlo para motores elétricos tem inúmeras
aplicações, desde aplicações domésticas, como o caso de controlo de motores para
exaustores, ou máquinas de lavar, a aplicações industriais para o controlo de processos
fabris.
O desenvolvimento deste trabalho pretende dar continuidade a uma linha de
investigação já iniciada, no GEPE-UM (Grupo de Eletrónica de Potência e Energia da
Universidade do Minho), na área dos Veículos Elétricos. Com a aposta crescente em
Veículos Elétricos, torna-se cada vez mais importante o desenvolvimento de tecnologias
novas que se possam aplicar neste tipo de veículos. Este trabalho de dissertação
pretende contribuir para este desenvolvimento.
Os veículos puramente elétricos possuem um motor elétrico e baterias para o
armazenamento de energia elétrica. Até à pouco tempo, os Veículos Elétricos eram
considerados veículos lentos, com pouca autonomia energética, silenciosos e não
poluidores (ou seja não emissores de gases potenciadores do efeito de estufa). Como
exemplo deste tipo de veículos elétricos podem ser referidos os carros utilizados nos
campos de golfe, aeroportos ou outro tipo de aplicações para uso no quotidiano, como
motos, bicicletas elétricas. No entanto atualmente começam a surgir no mercado
veículos elétricos de alta performance, como são exemplo disso os carros da marca
Tesla, as motos da KTM ou da Zero Motorcycle, e as Bicicletas elétricas que têm
despontado com novas apostas por parte dos diferentes fabricantes.
Palavras-Chave: Veículo Elétrico, Motor de Indução, Inversores de Eletrónica de
Potência, Sistemas de Controlo, IGBT
Desenvolvimento de um Sistema de Acionamento para Motor de Indução Trifásico
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vii
Abstract
This dissertation aims to study and develop a system to drive an electric motor,
that integrates the inverter and control system.
The development of control systems for electric motors has several applications
ranging from domestic applications for motor control in exhaust systems, or washing
machines to industrial applications like the control of industrial processes.
The development of this work intends to continue a line of research that has
already been initiated in the area of electrical vehicles by GEPE-UM (Group of Energy
and Power Electronics of University of Minho). With the growing investment in electric
vehicles, it becomes increasingly important to develop technology to be implemented in
electrical vehicles. This research work intents to contribute for this work.
The electrical vehicles have an electrical motor and batteries for storage electric
energy. Until recently the electric vehicles where considered slow and with low
autonomy, silent and non-pollutant (i.e. non-emitter of green-house gases). As example
of this we can quote the electrical vehicles that are used in the golf courts, airports or
any kind of applications for the daily usage, such as bicycles and motor cycles.
However now beginning to emerge in the market high performance electric vehicles, As
example of this is the Tesla brand cars, KTM bikes or Zero Motorcycle, and Electric
bicycles that have emerged with new bets by different manufacturers.
Keywords: Electrical Vehicle, Induction Motor, Power Electronic Inverter, Control
Systems, IGBT.
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ix
Índice
Agradecimentos ......................................................................................................................... v
Resumo .................................................................................................................................... vii
Abstract .................................................................................................................................... ix
Lista de Figuras ....................................................................................................................... xv
Lista de Acrónimos ................................................................................................................ xvii
Nomenclatura ......................................................................................................................... xix
CAPÍTULO 1 Introdução ......................................................................................................... 1
1.1.
Identificação do Problema ........................................................................................... 1
1.2.
Enquadramento ........................................................................................................... 1
1.3.
Motivações .................................................................................................................. 3
1.4.
Objetivos ..................................................................................................................... 3
1.5.
Organização e Estrutura da Dissertação........................................................................ 4
CAPÍTULO 2 Sistemas para Acionamento de Motores de Indução ........................................ 7
2.1.
Introdução ................................................................................................................... 7
2.2.
Motor de Indução ........................................................................................................ 7
2.2.1. Campo Magnético do Motor de Indução................................................................... 8
2.3.
Acionamento de Motores Elétricos ............................................................................ 10
2.4.
Inversor de Frequência e Motor de Indução................................................................ 11
2.5.
Constituição de um Inversor de Frequência ................................................................ 11
2.5.1. Interface I/O do Inversor ........................................................................................ 12
2.5.2. Andar de Potência do Inversor ............................................................................... 12
2.5.3. Lógica de Controlo do Inversor de Frequência........................................................ 13
2.5.4. Funcionamento do Inversor de Frequência ............................................................. 13
2.6.
Unidades de Controlo Comerciais para Motores de Indução ....................................... 14
2.6.1. Controladores da Empresa Curtis Instruments ........................................................ 15
2.6.2. Controladores da Empresa ZAPI............................................................................. 16
2.6.3. Controladores da Empresa MES-DEA..................................................................... 16
2.6.4. Controladores da Empresa BRUSA ......................................................................... 17
2.7.
Conclusões ................................................................................................................ 18
CAPÍTULO 3 Técnicas de Controlo para Motores de Indução ............................................. 19
3.1.
Introdução ................................................................................................................. 19
3.2.
Técnicas de Controlo ................................................................................................. 19
3.2.1. Controlo Escalar .................................................................................................... 20
3.2.2. Controlo Vetorial ................................................................................................... 20
3.2.2.1. Controlo Vetorial Direto...................................................................................... 22
3.2.2.2. Controlo Vetorial Indireto ................................................................................... 22
3.2.3. Princípio Funcionamento Técnica Controlo por Orientação de Campo .................... 22
3.3.
Posição do Motor e Fluxo do Rotor ............................................................................ 23
3.3.1. Espaço vetorial e projeção...................................................................................... 24
3.3.2. Transformação de Clarke ....................................................................................... 25
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xi
Índice
3.3.3. Transformação de Park .......................................................................................... 26
3.3.4. Transformada Inversa de Park ............................................................................... 26
3.4.
Controlo Proporcional e Integral ................................................................................ 27
3.5.
Encoder..................................................................................................................... 28
3.5.1. Resolução do Encoder ........................................................................................... 29
3.5.2. Sentido de Rotação do Encoder .............................................................................. 29
3.5.3. Ponto Zero ou Absoluto do Encoder ....................................................................... 30
3.6.
Conclusões ................................................................................................................ 30
CAPÍTULO 4 Simulações do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução .... 33
4.1.
Introdução ................................................................................................................. 33
4.2.
Software de Simulação PSIM .................................................................................... 33
4.2.1. Bloco de IGBTs em Ambiente PSIM...................................................................... 34
4.2.2. Motor de Indução em ambiente PSIM .................................................................... 34
4.2.3. Encoder Incremental em Ambiente PSIM ............................................................... 35
4.2.4. Bloco C em Ambiente PSIM .................................................................................. 35
4.3.
Estimação dos Parâmetros do Motor de Indução ........................................................ 35
4.3.1. Determinação da Resistência do Estator por Fase ................................................... 37
4.3.2. Ensaio em Curto-Circuito com o Rotor Travado ..................................................... 38
4.3.3. Ensaio em Vazio.................................................................................................... 39
4.3.4. Simulação dos parâmetros do motor em PSIM ....................................................... 40
4.4.
Diagrama de Controlo do Motor de Indução............................................................... 42
4.5.
Simulação do Sistema de Controlo e acionamento...................................................... 43
4.6.
Conclusões ................................................................................................................ 48
CAPÍTULO 5 Implementação do Sistema de Acionamento de um Motor de Indução
Trifásico ............................................................................................................................................. 51
5.1.
Introdução ................................................................................................................. 51
5.2.
Sistema de Controlo para o Motor de Indução ............................................................ 51
5.2.1. Implementação do Sistema de Controlo.................................................................. 52
5.3.
Inversor de Potência .................................................................................................. 54
5.4.
Placa de Comando..................................................................................................... 57
5.5.
Placa de DSP............................................................................................................. 58
5.6.
Placa Condicionamento de Sinal ................................................................................ 59
5.7.
Sensores de Corrente ................................................................................................. 60
5.8.
Sensores de Posição .................................................................................................. 62
5.9.
Conclusões ................................................................................................................ 63
CAPÍTULO 6 Ensaios do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução .......... 65
6.1.
Introdução ................................................................................................................. 65
6.2.
Resultados Obtidos .................................................................................................... 65
6.2.1. PWM Aplicado ao Inversor ................................................................................... 67
6.2.2. Resultados da Tensão Produzida pelo Inversor ....................................................... 68
6.2.3. Correntes Produzidas pelo Inversor ........................................................................ 69
6.3.
xii
Análise dos Resultados Obtidos ................................................................................. 70
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Índice
6.4.
Conclusões ................................................................................................................ 70
CAPÍTULO 7 Conclusões e Trabalho Futuro ........................................................................ 73
7.1.
Conclusões ................................................................................................................ 73
7.2.
Sugestões para Trabalho Futuro ................................................................................. 75
Referências .............................................................................................................................. 77
Lista de Figuras
Figura 2.1 - Constituição do motor de Indução. ....................................................................................... 8
Figura 2.2 – Diagrama de Blocos de um inversor de frequência............................................................. 11
Figura 2.3 – Circuito inversor do tipo VSI. ........................................................................................... 13
Figura 2.4- Controladores da marca Curtis Instruments. ........................................................................ 15
Figura 2.5 - Controladores da marca ZAPI. ........................................................................................... 16
Figura 2.6 - Controlador da marca MES-DEA. ...................................................................................... 17
Figura 2.7 - Controlador da marca BRUSA. .......................................................................................... 17
Figura 3.1 - Gráficos para o controlo v / f. ............................................................................................ 20
Figura 3.2 - Modelo dinâmico do motor com transformação de coordenadas dq0................................... 21
Figura 3.3 - Curvas do binário x velocidade. ......................................................................................... 22
Figura 3.4 – Diagrama de blocos do controlo por orientação de campo. ................................................. 23
Figura 3.5 – Vetores de corrente e fluxo do rotor no espaço dq0 em relação ao referencial abc .............. 24
Figura 3.6 – Vetor de corrente, projeção no espaço vetorial................................................................... 25
Figura 3.7 - Vector de corrente no estator e componentes no referencial abc. ........................................ 26
Figura 3.8 – Diferentes respostas para as ações de controlo. .................................................................. 27
Figura 3.9 - Diagrama de blocos da ação PI. ......................................................................................... 28
Figura 3.10 - Exemplo de um encoder físico e respetivo esquemático. ................................................... 28
Figura 3.11 - Diagrama com o sentido de rotação do encoder. ............................................................... 30
Figura 3.12 - Representação do ponto do zero absoluto do encoder. ...................................................... 30
Figura 4.1 – Sistema de controlo do motor indução em ambiente de simulação PSIM. ........................... 34
Figura 4.2 - Pormenor da chapa de caraterísticas do motor de indução................................................... 36
Figura 4.3 - Circuito equivalente do motor de indução. ......................................................................... 36
Figura 4.4 - Bancada onde foram realizados os ensaios ao motor de indução trifásico. ........................... 37
Figura 4.5 - Ponte RLC utilizada para medição dos enrolamentos do estator. ......................................... 38
Figura 4.6 - Ensaio do motor de indução com o rotor travado. ............................................................... 38
Figura 4.7 - Ensaio do motor de indução em vazio. ............................................................................... 40
Figura 4.8 – Modelo de simulação realizado em PSIM para o motor de indução trifásico. ...................... 40
Figura 4.9 - Forma de onda da corrente consumida pelo motor de indução, para uma das fases,
desde o arranque até à entrada em regime permanente. .................................................................. 41
Figura 4.10 - Forma de onda do binário de carga para o motor de indução desde o arranque até à
operação em regime permanente em binário nominal. ................................................................... 41
Figura 4.11 - Curva de velocidade do motor de indução. ....................................................................... 42
Figura 4.12 - Valores eficazes da corrente, do binário e de velocidade do motor de indução. ................. 42
Figura 4.13 - Diagrama do código implementado para o controlo do motor de indução. ......................... 43
Figura 4.14 - Simulação do sistema de controlo do motor de indução trifásico. ...................................... 44
Figura 4.15 - Consumo de corrente das três fases do motor de indução. ................................................. 45
Figura 4.16 - Curva do binário de carga. ............................................................................................... 45
Figura 4.17 – Curva de velocidade do motor. ........................................................................................ 46
Figura 4.18 - Consumo de corrente das três fases do motor de indução. ................................................. 47
Figura 4.19 - Curva do binário de carga. ............................................................................................... 47
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xv
Lista de Figuras
Figura 4.20 - Curva da velocidade do motor. ........................................................................................ 47
Figura 4.21 - Tabela dos valores médios eficazes dos dois ensaios anteriores. ....................................... 48
Figura 5.1 - Diagrama de blocos do sistema de controlo e acionamento do motor. ................................. 52
Figura 5.2 - Aspeto da implementação realizada para o controlo do motor. ........................................... 53
Figura 5.3 - Interface de alimentação: (a) Esquemático e (b) Montagem final. ....................................... 53
Figura 5.4 - Módulo de IGBTs Mitsubishi PM75DSA12. ...................................................................... 54
Figura 5.5 - Inversor de potência utilizado. ........................................................................................... 55
Figura 5.6 - Circuito de drive do IGBT. ............................................................................................... 55
Figura 5.7 – Fonte de alimentação para alimentação de drives para os módulos dos IGBTs. .................. 56
Figura 5.8 - Pormenor do condensador snubber à esquerda e respetiva implementação à direita............. 56
Figura 5.9 - Esquema dos circuitos da placa de comando desenvolvida em software PADS LOGIC. ...... 57
Figura 5.10 – Aspeto da placa de circuito impresso desenvolvida já montada. ....................................... 58
Figura 5.11 - Plataforma da Texas Instruments, TMS320F28335. .......................................................... 59
Figura 5.12 – Plataforma TMS 320F28335 da Texas Instruments, adaptada para o projeto. ................... 59
Figura 5.13 - Circuito leitura para medição das correntes do motor para a placa de
condicionamento de sinal. ............................................................................................................ 60
Figura 5.14 - Placa de condicionamento de sinal, para leitura das correntes do motor. ........................... 60
Figura 5.15 - Sensor de corrente LEM LA100-P, e o esquema elétrico ................................................... 61
Figura 5.16 - Sensores de Corrente montados e implementados. ............................................................ 61
Figura 5.17 - Sensor de posição já acoplado ao motor de indução e pormenor do sensor de posição. ...... 62
Figura 5.18 - Circuito de acondicionamento de sinal em cima e implementação em baixo. .................... 62
Figura 6.1 - Bancada de trabalho com equipamentos utilizados para a recolha de resultados. ................. 65
Figura 6.2 - Imagem das ligações para medições dos parâmetros no inversor e no motor. ...................... 66
Figura 6.3 - Imagem com identificação das cores utilizadas no osciloscopio para a visualização
de PWM, fase e correnete. ............................................................................................................ 66
Figura 6.4 - Pormenor do dead time aplicado entre comuntações. .......................................................... 67
Figura 6.5 - Sinal de PWM aplicado aos terminais do IGBT. ................................................................ 68
Figura 6.6 - Tensão de saída do inversor e tensão filtrada pelo osciloscópio. ......................................... 68
Figura 6.7 - Correntes do motor, sem filtragem na primeira imagem e com filtragem na segunda
imagem. ....................................................................................................................................... 69
Figura 6.8 - Corrente de arranque do motor. ......................................................................................... 70
xvi
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Lista de Acrónimos
ADC
Analog to Digital Converter
ASD
Adjustable Speed Drive
CA
Corrente Alternada
CC
Corrente Contínua
CSI
Current Source Inverter
DAC
Digital to Analog Converter
DSP
Digital Signal Processor
DTC
Direct Torque Control
FOC
Field Oriented Control
IGBT
Insulated Gate Bipolar Transistor
PCI
Placa de Circuito Impresso
PWM
Pulse Width Modulation
RMS
Root Mean Square
SPWM
Sinusoidal Pulse Width Modulation
SVPWM
Space Vector Pulse Width Modulation
VSI
Voltage Source Inverter
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xvii
Nomenclatura
Símbolo
Significado
Unidade
f
Frequência
Hz
fC
Frequência de comutação
Hz
T
Período
XC
Reatância Capacitiva
Ω
XL
Reatância Indutiva
Ω
Z
Impedância
Ω
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s
xix
CAPÍTULO 1
Introdução
1.1. Identificação do Problema
As palavras “Veículo Elétrico” estão ainda é associadas à complexidade do
desenvolvimento de tecnologia para este tipo de veículo. Contudo, as tecnologias de
última geração, os sistemas de controlo para motores elétricos e componentes, deixaram
de ser um fator limitativo para aplicar no desenvolvimento de veículos elétricos,
fazendo com que este desenvolvimento seja cada vez maior e melhor. O
desenvolvimento tecnológico de softwares de controlo para motores elétricos e o
aumento da eficiência dos semicondutores, provocaram um aumento de desempenho do
veículo elétrico, fazendo com que este tipo de veículo seja cada vez mais autónomo, e
eficiente. Criadas estas condições, a eletrónica de potência assume, cada vez mais,
funções relevantes para o desenvolvimento de tecnologia a aplicar nos veículos
elétricos.
Muitos processos de controlo industrial são realizados por motores elétricos,
sendo o motor de indução trifásico escolhido, devido a características de construção,
manutenção, e preço de aquisição.
Tal como nas aplicações industriais em que, para acionar um motor elétrico é
necessário ajustar as características nominais do motor elétrico, às condições de
operação da carga, o acionamento de um motor elétrico para aplicar num veículo
elétrico também vai estar sujeitos a estes fatores [1]. Assim sendo, e no âmbito desta
dissertação, os veículos elétricos vão necessitar de um sistema, um sistema de
acionamento para o motor de indução trifásico, que consiga coordenar o funcionamento
do motor de indução trifásico.
1.2. Enquadramento
A invenção de veículos elétricos não é recente nem clara quanto ao seu
aparecimento [2][3], sendo que os primeiros veículos elétricos desenvolvidos na
Europa, (França e Inglaterra) remontam ao séc. XIX [3–5]. Ainda neste século, os
Desenvolvimento de um Sistema de Acionamento para Motor de Indução Trifásico
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1
Capítulo 1 - Introdução
veículos elétricos foram detentores de recordes de velocidade e autonomia [4–6]. Com a
mudança de século deu-se a maior revolução da indústria automóvel a favor dos
veículos a combustão. Até aqui havia maior procura por veículos elétricos, devido à
ausência de caixa de velocidades, eram mais fáceis de conduzir, menos poluentes,
silenciosos, e mais económicos em termos de manutenção [2], [4]. As dificuldades em
termos de autonomia já eram evidenciadas naquela época, facilitando assim a
concorrência com o veículo de combustão.
Com o aperfeiçoamento do veículo de combustão, a invenção do sistema de
ignição da Bosch (arranque elétrico para o veículos de combustão em que o motorista
não precisava de dar à manivela para acionar o arranque do motor) [5-6]) e a descoberta
de petróleo a baixo-custo nos Estados Unidos da América - E.U.A. [2], [7–8]
contribuíram para o declínio do veículo elétrico, contrastando, com a rápida conquista
de mercado do veículo de combustão. Além deste último custar cerca de três vezes
menos, era também mais rápido de construir face ao veículo elétrico [6].
Fabricantes como Henry Ford reduziram o custo de produção automóvel com a
produção massiva, para que muitos o pudessem comprar [2], [4]. O desaparecimento do
veículo elétrico privado deu-se por volta de 1930 [2-3], [6-7], reaparecendo na década
de 70 com a crise do petróleo e a consequente necessidade de se encontrar alternativas
ao uso de combustíveis fósseis. A evolução dos veículos tem sido persistente até aos
dias de hoje, e a introdução de políticas para um desenvolvimento sustentável à escala
global, juntamente com as políticas internacionais para a redução de emissões de gases
com efeito estufa, têm incentivado novamente o reaparecimento dos veículos
elétricos [2], [4].
Desde sua invenção em 1888, o motor de indução tornou-se o motor mais
utilizado na indústria, e até há alguns anos atrás, eram relegados para segundo plano
uma vez que, para realizar o controlo do motor de indução, necessitavam de
equipamentos adicionais e caros, tornando-os assim uma solução menos atraente
quando comparados com os motores de Corrente Contínua [11].
Os inversores são utilizados para controlar a velocidade de motores de indução,
em que, quando variamos a frequência de alimentação do motor de indução,
conseguimos controlamos a velocidade do motor, e a frequência de alimentação, que é
controlada pelos pulsos aplicados nos circuitos de disparo dos IGBT [10], [12–14]. O
desenvolvimento de técnicas de controlo para o motor de indução trifásico permitiu uma
maior utilização deste motor [15]. Assim, um sistema de acionamento para o motor de
indução trifásico é constituído pelo próprio motor de indução, por sensores, e um
2
Desenvolvimento de um Sistema de Acionamento para Motor de Indução Trifásico
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Capítulo 1 - Introdução
inversor, combinado simultaneamente, as diferentes áreas de conhecimento da
engenharia [10].
1.3. Motivações
A eletrônica de potência é utilizada no processamento de energia elétrica com o
intuito de atingir maior eficiência energética e menores perdas nos processos de
conversão. O método da eletrônica de potência baseia-se na utilização de dispositivos
semicondutores, que operam comutando o estado de operação dos semicondutores na
realização do controlo dos fluxos de energia.
Os inversores transformam uma tensão contínua numa tensão alternada,
idealmente sinusoidal, sendo a conversão é realizada com a sincronização de
comutações elétricas, fazendo com que estes dispositivos sejam empregues no controlo
de velocidade de motores elétricos.
O motor de indução é uma das soluções para sistemas de tração elétrica. É um
motor robusto, com baixo preço e boa relação tamanho/potência. Até há alguns anos
atrás eram relegados para segundo plano devido à dificuldade para realizar o controlo de
velocidade, binário e sentido de rotação. O desenvolvimento de técnicas de controlo
permitiu uma maior utilização deste tipo de motor. Todos estes fatores, além do gosto
pelos automóveis motivam-me para a realização deste trabalho.
1.4. Objetivos
O motor de indução desde a sua criação até aos dias de hoje tornou-se numa
máquina versátil, e de construção simples, tanto ao nível da fabricação como da
manutenção. Durante muitos anos, os controladores par motores de corrente alternada
eram sistemas grandes, caros e complexos, apenas disponíveis ou utilizáveis em
veículos elétricos de alto desempenho (locomotivas) ou nos designados veículos
exóticos (caros), sendo a maioria projetada para uso com tensões muito elevadas. Os
novos controladores para motores de corrente alternada, existentes no mercado, são de
tamanho compacto com tensões de operação mais baixas [9-10].
Esta dissertação é orientada para o estudo, simulação e desenvolvimento de um
sistema de acionamento (inversor e respetivo sistema de controlo) para o motor de
indução trifásico.
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3
Capítulo 1 - Introdução
1.5. Organização e Estrutura da Dissertação
Esta Dissertação, subordinada ao tema, Desenvolvimento de um Sistema de
Acionamento para Motor de Indução para Aplicação em Veículos Elétricos, encontra-se
organizada em 7 capítulos com a seguinte descrição:
No Capítulo 1 é realizado um enquadramento dos veículos elétricos, sendo citado
algum contexto histórico acerca deste tipo de veículos, referindo qual o tema e
motivação que conduziram à realização desta dissertação. Também é apresentada a
organização e feita uma breve descrição sobre o conteúdo deste tema de dissertação.
No Capítulo 2, denominado de sistemas para acionamento de motores de indução,
é executada uma análise sucinta à constituição e à construção do motor de indução
trifásico, bem como, uma visão sobre campo magnético e a análise estacionária deste
motor. Em seguida, é apresentado o módulo interno do inversor de frequência para o
motor de indução trifásico e alguma da eletrónica de potência para o acionamento e
controlo do motor de indução. Por fim e com o intuito de dar a conhecer um pouco do
mercado a este nível, são dados a conhecer alguns controladores comerciais.
O Capítulo 3 apresenta as técnicas de controlo para motores de indução, sendo
apenas abordadas as técnicas que melhor se adequam ao motor de indução trifásico.
Quanto às técnicas abordadas são elas o controlo escalar e o controlo por orientação de
campo onde é exposto o controlo sem e com o recurso a sensores (encoders), o respetivo
diagrama de blocos, e outras matérias relevantes para o acionamento.
O Capítulo 4 trata das simulações do sistema de controlo e acionamento do motor
de indução trifásico. É feita uma introdução ao software de simulação computacional
PSIM e de seguida a estimação dos parâmetros do motor de indução, circuito
equivalente, cálculo das resistências e indutâncias do rotor e estator com os ensaios em
rotor em travado e do motor em vazio.
O Capítulo 5 apresenta a montagem do sistema de controlo e acionamento do
motor de indução trifásico. Neste capítulo será mostrado o hardware desenvolvido, o
funcionamento deste e justificadas as escolhas realizadas. Será ainda mostrada a
montagem final, que combina os diferentes sistemas desenvolvidos que irão funcionar
como um todo.
O Capítulo 6 apresenta os ensaios e análise do sistema de controlo e acionamento
do motor de indução trifásico, onde são tratados e apresentados os resultados finais
produzidos pelo software do capítulo 4 e pelo hardware do capítulo 5. Durante esta fase
4
Desenvolvimento de um Sistema de Acionamento para Motor de Indução Trifásico
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Capítulo 1 - Introdução
dos ensaios foram realizados ajustes tanto da componente física como da componente
lógica do sistema de controlo do motor.
O Capítulo 7 apresenta as conclusões e as sugestões para trabalho futuro. Aqui é
feita a apreciação crítica do trabalho e o modo como foi conduzido. São também
realizadas algumas sugestões para uma melhor evolução deste trabalho no futuro.
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5
CAPÍTULO 2
Sistemas para Acionamento de Motores de Indução
2.1. Introdução
A aplicação de sistemas com velocidade variável ocorreu pelos requisitos dos
processos industriais, sendo limitada pelos custos da tecnologia, eficiência e pelas
condições de manutenção dos elementos empregues. A utilização dos motores de
indução em sistemas de acionamento de velocidade variável está a tornar-se uma prática
comum em todo o setor industrial. A evolução dos sistemas e métodos de controlo para
este tipo de motor resulta do desenvolvimento dos vários dispositivos ao longo das
últimas décadas. No acionamento de motores em veículos elétricos os requisitos são o
fornecimento de um binário elevado mesmo em velocidades reduzidas, elevada
velocidade em regime permanente e a conservação de energia das baterias, [10] sendo o
circuito de controlo do Veículo Elétrico, configurado para responder a essas exigências.
Este capítulo irá abordar a temática dos sistemas para o acionamento do motor de
indução, sendo apresentadas algumas topologias de inversores de potência, técnicas de
modulação e teorias de controlo passíveis de serem utilizadas.
2.2. Motor de Indução
O motor de indução (Figura 2.1) é constituído por vários elementos, sendo o
estator e rotor os elementos básicos desta máquina. A carcaça (armação do motor), parte
responsável pela refrigeração, aloja o núcleo do estator e os enrolamentos trifásicos
inseridos em ranhuras, (“slots”) dispostos na periferia do núcleo. O núcleo do estator é
formado por ferro fino laminado, e aparafusado, sendo coberto em ambos os lados com
uma resina isolante para reduzir as perdas por correntes parasitas (correntes de
Foucault). Na frente do motor, a carcaça do estator é fechada por uma tampa, que serve
de suporte para o rolamento dianteiro do rotor. O rotor também laminado, e construído
em torno de um eixo, transmite a potência mecânica à carga. A tampa oposta, também
serve de suporte para o rolamento da parte de trás do rotor, permitindo a suspensão e
rotação deste.
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7
Capítulo 2 – Sistemas para Acionamento de Motores de Indução
Figura 2.1 - Constituição do motor de Indução [14].
O princípio de funcionamento no motor de indução baseia-se na criação de um
campo magnético rotativo. A partir da aplicação de uma tensão alternada no estator,
consegue-se produzir um campo magnético rotativo (campo girante), que atravessa os
condutores do rotor. Este campo magnético variável induz no rotor forças eletromotrizes
que, por sua vez, criam o seu próprio campo magnético girante. Este campo magnético
girante criado pelo rotor, ao tender a alinhar-se com o campo girante do estator, produz
um movimento de rotação no rotor. A velocidade de rotação do rotor é ligeiramente
inferior à velocidade de rotação do campo girante do estator, não estando por isso o
rotor sincronizado com esse campo girante. Por esta razão este tipo de motor é chamado
de motor assíncrono [16].
2.2.1. Campo Magnético do Motor de Indução
No estator estão alojados os enrolamentos principais (enrolamentos estatóricos).
Cada enrolamento consiste numa bobina, constituída por vários laços de fio condutor
em torno do enrolamento de cada fase, e posteriormente, colocadas nas respetivas
ranhuras.
Num motor de indução trifásico são três os conjuntos de bobinas dispostas nas
ranhuras do estator, de modo a estarem desfasadas posicionalmente em 120º. Quando as
correntes trifásicas e equilibradas atravessam os enrolamentos, criam um campo
magnético. Este campo magnético varia em cada conjunto de bobinas, assim como varia
a corrente sinusoidal que as atravessa. Na prática, temos uma corrente resultante, que
8
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Capítulo 2 – Sistemas para Acionamento de Motores de Indução
atravessa o entreferro do motor, como se um campo magnético girasse dentro do estator.
Tudo isto acontece devido à variação sinusoidal das correntes nas bobinas do estator.
Um campo girante do estator atravessará o entreferro entre o estator e o rotor.
Quando o campo variável atravessa as espiras do rotor, surge uma tensão induzida.
Como o rotor possui alguma resistência, e está curto-circuitado, haverá a circulação de
uma corrente nos condutores do rotor que criam um campo magnético, estando este
campo relacionado com o campo do estator. Com este princípio, surge o movimento
mecânico do rotor e consequente binário motor. O rotor “perseguirá” o movimento do
campo girante do estator, com uma velocidade abaixo da velocidade do campo girante
do estator.
Podemos ter motores com 2, 4, 6, 8 ou mais pares de polos, com velocidades do
campo girante do estator de 3000, 1500, 1000 e 750 rpm respetivamente, para uma
frequência de 50 Hz. Estes dados são fornecidos pelo fabricante ou recolhidos na placa
de caraterísticas do motor, e confirmados pelas equações (2.1), e (2.2).
N
120 f
p
(2.1)
N – velocidade de expressa em rotações por minuto (rpm)
f - frequência da rede, em Hz
p - número de polos.
fr  s fs
(2.2)
fr - frequência das correntes no rotor, em Hz
fs - frequência das correntes no estator, em Hz
s - deslizamento
O termo indução é aplicado devido à indução do campo do estator sobre o rotor. O
assincronismo do motor deve-se ao facto de os valores da velocidade de rotação nunca
atingirem, os valores máximos da velocidade síncrona do campo girante. Posto isto,
temos uma velocidade assíncrona. Quanto à diferença de velocidades, entre campo
girante (velocidade síncrona) e o eixo do motor (velocidade do rotor), é designado por
deslizamento ou escorregamento.
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9
Capítulo 2 – Sistemas para Acionamento de Motores de Indução
Apesar de não existir ligação física entre, o rotor e o estator, existe uma interação
entre os campos magnéticos do estator e do rotor. O controlo de velocidade e binário do
motor de indução trifásico deve respeitar algumas particularidades, pois a velocidade do
rotor do motor está diretamente relacionada com a frequência, mas também com o valor
eficaz de tensão no estator e com o binário solicitado ao motor de indução. Com o
motor a rodar em vazio, sem carga no eixo, o deslizamento é quase nulo. Em vazio o
fator de potência do motor é baixo e a corrente consumida pelo motor é apenas a
suficiente para manter a magnetização e para as perdas do motor. Acoplando uma carga
no rotor temos uma diminuição da velocidade do motor, conduzindo a um aumento da
frequência das correntes no rotor.
2.3. Acionamento de Motores Elétricos
Os motores elétricos podem acionar diretamente uma carga mecânica acoplada
diretamente ao eixo do motor, através de um sistema de desmultiplicação de forças
(sistema de polias), ou ainda por uma unidade de controlo eletrónico, sistema de
acionamento com velocidade variável [17]. O inversor de eletrónica de potência,
sensores para a monitorização das condições de alimentação e rotação do motor, e um
processador digital de sinal, mais conhecidos pela sigla inglesa DSP, são elementos que
fazem parte dos sistemas de acionamento eletrónico de velocidade variável [18].
O aparecimento de semicondutores no mercado modificou o rumo da história,
sendo os semicondutores de potência responsáveis pela viabilização da implementação
dos sistemas eletrónicos com velocidade variável [19]. Em aplicações que envolvam o
acionamento de motores elétricos, tal como na maioria das aplicações, o acionamento da
carga mecânica em veículos elétricos (constituído pelo condutor mais passageiros e
mercadoria), também é variável, dependendo do peso, e por isso necessário a utilização
de um sistema de controlo do binário e velocidade do motor.
Os sistemas de variação de velocidade proporcionaram vantagens como o
aumento da eficiência, melhoria do desempenho das máquinas e equipamentos, a
mitigação dos picos de corrente no arranque do motor, e a redução das intervenções de
manutenções preventiva nos equipamentos.
A Eletrónica de Potência para acionamento do motor é feita com a utilização de
dispositivos de ação rápida como, os componentes ativos. Os componentes ativos são
aqueles que podem gerar ou amplificar sinais. Estes componentes ativos, são montados
e configurados com diversas topologias para determinados tipos de atividade num dado
circuito elétrico, variando a frequência de comutação.
10
Desenvolvimento de um Sistema de Acionamento para Motor de Indução Trifásico
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Capítulo 2 – Sistemas para Acionamento de Motores de Indução
Como se trata do acionamento de um motor de indução trifásico (sendo que
também pode ser aplicado em veículos elétricos), este é alimentado a partir de um
barramento CC, seguido do circuito inversor (circuito com IGBTs ou MOSFETs) que
converte a tensão contínua numa onda sinusoidal, cuja frequência e a tensão de
alimentação podem ser ajustadas pelos pulsos aplicados no circuito de disparo do
inversor.
2.4. Inversor de Frequência e Motor de Indução
A reduzida manutenção mecânica é tida como a principal característica deste tipo
de motor, sendo isto devido à ausência de escovas e comutadores que são as principais
peças sujeitas a desgaste. Estas são algumas das vantagens diretas do motor de indução
quando comparado com um motor de corrente contínua, sendo também a razão pela
qual se iniciou o estudo e desenvolvimento de um sistema capaz de controlar a potência,
velocidade e o binário para o motor de indução.
A velocidade de rotação de um motor de indução depende da frequência de
alimentação [16–19].
Como o número de polos de um motor de indução é determinado a quando da sua
construção, sendo por isso o número de polos constante, ao variar a frequência de
alimentação do motor, varia a velocidade de rotação deste. Sendo assim o inversor de
frequência é considerado uma fonte de tensão alternada com frequência variável. Esta é
uma aproximação bastante superficial, contudo, dá uma ideia clara pela qual chamamos
a este sistema de acionamento de inversor de frequência [14], [17-18].
2.5. Constituição de um Inversor de Frequência
A Figura 2.2 mostra um modelo abrangente do módulo interno da grande parte
dos inversores de frequência. Estes diferem mediante o fabricante e aplicação, podendo
ser dividido nos principais como o bloco de controlo, circuito de interface e o andar de
potência.
Figura 2.2 – Diagrama de Blocos de um inversor de frequência.
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11
Capítulo 2 – Sistemas para Acionamento de Motores de Indução
2.5.1. Interface I/O do Inversor
Os dispositivos de interfaces permitem as trocas de informações entre sistemas de
controlo e o motor, interagindo, dando ordens ou recebendo informações sobre o estado
do sistema, através de sinais digitais ou analógicos. Por meio deste bloco o inversor
comunica com os dispositivos externos, como o acelerador, sensores de posição do
motor, sensores de temperatura, ou pelo painel de instrumentos. O mediador do
processo é a unidade central de processamento.
2.5.2. Andar de Potência do Inversor
O andar de potência é constituído por um circuito inversor de potência, que
consiste num módulo responsável pela reconversão da tensão CC numa onda sinusoidal.
Este bloco gera os sinais que excitam os semicondutores de potência de saída que atuam
como intermediários entre o circuito que gera o sinal e o circuito final de potência.
Os inversores de potência utilizam essencialmente semicondutores de potência
que operam nas zonas de corte e saturação, existindo diversas tipologias a serem
utilizadas na construção dos sistemas com velocidade variável para motores de indução.
Como tal, o inversor converte tensões ou correntes, sendo classificados em função da
conversão praticada. Assim sendo podem ser, inversores fonte de corrente (Current
Source Inverters - CSI) possuindo do lado CC uma fonte de corrente ou um elemento
armazenador de energia do tipo indutivo. Podem ser ainda inversores fonte de tensão
(Voltage Source Inverters - VSI). Os inversores VSI possuem do lado CC uma fonte de
tensão ou elementos armazenadores de energia do tipo capacitivo. Um inversor deste
tipo providencia um sistema trifásico de tensões, com amplitude, frequência e fase
controladas. Este tipo de inversor é aplicado em variadores de velocidade para motores
(Adjustable Speed Drives – ASDs). A Figura 2.3 apresenta um circuito inversor do tipo
VSI. Os díodos da figura, em paralelo com IGBTs, têm como função o bloqueio de
correntes reversas. O sinal gerado é um conjunto de pulsos que formam uma onda
sinusoidal que pode ser aplicada em cargas indutivas como motores.
12
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Capítulo 2 – Sistemas para Acionamento de Motores de Indução
Figura 2.3 – Circuito inversor do tipo VSI.
2.5.3. Lógica de Controlo do Inversor de Frequência
O bloco da lógica de controlo do inversor de frequência, que pode ser um
microprocessador ou microcontrolador, gera pulsos elétricos que atuam sobre os
semicondutores provocando as comutações. A frequência do sinal gerado por este
circuito vai determinar a velocidade do motor. Nesta unidade estão guardadas as
informações, parâmetros e dados do sistema para a geração dos pulsos de disparo dos
semicondutores.
2.5.4. Funcionamento do Inversor de Frequência
Como os IGBTs operam em comutação nos estados de “on” e “off”, a forma de
onda de tensão à saída do inversor é quadrada. Ao inverter o sentido de corrente, a
tensão no motor passa a ser alternada, mesmo quando ligada a uma fonte CC. Com o
aumento da frequência de comutação estes transístores aumentam também a velocidade
de rotação do motor, e vice-versa. Como o motor de indução é trifásico, necessita de um
inversor trifásico.
O inversor trifásico tem como base o circuito da Figura 2.3. Com esta topologia
para os IGBTs, o bloco de controlo necessita de distribuir os pulsos de disparos pelos 6
IGBTs, formando uma tensão de saída, que embora quadrada, seja alternada e desfasada
120º uma da outra. Como são 6 IGBTs, devem ser ligados 3 a 3. Assim sendo, temos 8
combinações possíveis, contudo apenas 6 serão válidas, conforme analisaremos a
seguir.
As possibilidades T1,T3,T5 e T4,T6,T2 não são válidas, pois ligam todas as fases
do motor ao mesmo potencial, portanto essa é uma condição interdita para o inversor.
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13
Capítulo 2 – Sistemas para Acionamento de Motores de Indução
Para não tornar esta explicação extensa, iremos analisar uma das condições sendo
as restantes análogas a esta, bastando para isso, seguir os intervalos de tempo da tabela e
a respetiva sequência de comutações. Consultando a Erro! A origem da referência
não foi encontrada. e o primeiro intervalo de tempo tem-se os IGBTs T1,T2,T3
ligados, e os restantes desligados.
Tabela 1 - Estados de comutação dos IGBTs para o inversor de frequência trifásico.
T1
T2
T3
T4
T5
T6
VAB
VBC
VCA
ON
OFF
OFF
OFF
ON
ON
ON
OFF
ON
ON
OFF
OFF
OFF
ON
OFF
ON
ON
ON
ON
OFF
OFF
OFF
ON
OFF
OFF
ON
ON
ON
OFF
OFF
OFF
ON
OFF
OFF
ON
ON
ON
OFF
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
ON
ON
OFF
ON
0
- VCC
- VCC
0
VCC
VCC
0
0
VCC
VCC
0
- VCC
- VCC
0
0
0
-VCC
0
VCC
VCC
0
-VCC
0
0
Intervalo
Tempo
1º
2º
3º
4º
5º
6º
Para que o motor possa funcionar bem, as tensões das fases vAB, vBC, e vCA devem
estar desfasadas em 120º. O facto de a forma de onda ser quadrada e não sinusoidal, não
compromete o funcionamento do motor.
Assumindo os seguintes valores para as tensões de componente contínua com uma
de 0v, tensão positiva como +vCC e a tensão inversa com –vCC, e quando se fala em vAB,
significa a diferença de potencial entre fase a e fase b.
Produzindo as seis condições de tempo, a lógica de controlo e os IGBTs
estabelecem uma distribuição de tensão nas 3 fases do motor. Transpondo a tabela num
diagrama temporal, obtemos as três formas-de-onda para a tensão com um desfasamento
de 120º.
2.6. Unidades de Controlo Comerciais para Motores de Indução
Com os avanços tecnológicos, as tecnologias dos controladores também aumentou
estando disponível uma vasta gama de controladores comerciais para os motores CA de
indução. As ofertas de mercado neste setor são múltiplas e variam consoante o tipo de
aplicações. Os preços de controladores para os motores CA de indução variam
consoante a tecnologia empregue e a aplicação a que se destinam. Neste momento já é
possível aplicar controladores com refrigeração líquida que condiciona uma melhor
eficácia energética, controladores de alta performance para veículos de alto
desempenho, ou então, um controlador mais económico de construção fácil e rápida em
que as questões de performance e eficácia energética sejam dispensáveis. As ofertas de
14
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Capítulo 2 – Sistemas para Acionamento de Motores de Indução
mercado são tantas e variadas que caso se pretenda há distribuidores que comercializam
em conjunto dois itens, o motor e controlador. Esta opção até pode ser a solução mais
em conta para alguns projetos uma vez que estamos a lidar com uma tecnologia que
apesar de não ser recente é ainda muito cara e dispendiosa. Nesta secção da dissertação,
são ser apresentados alguns dos controladores existentes no mercado implementando a
técnica do FOC e comunicação CAN-BUS, apenas uma pequena descrição da gama de
ofertas, sendo que muitas mais unidades estão para vir.
2.6.1. Controladores da Empresa Curtis Instruments
A Curtis Instruments é uma empresa com uma ampla linha de controladores para
motores de corrente alternada e contínua para diversas aplicações, Figura 2.4.
Desde as aplicações mais industrializadas como o acionamento de bombas ou
ventiladores, passando por controladores para direções a aplicar em automóveis, ou o
desenvolvimento de controladores para tração em veículos elétricos. Estes veículos vão
desde carros para lazer como o desenvolvimento de veículos para aplicações industriais
ou mesmo veículos de trabalho como camiões, empilhadores e tratores agrícolas.
Figura 2.4- Controladores da marca Curtis Instruments [21].
Com um hardware de programação e acionamento do motor próprio, proporciona
um controlo suave em toda a gama de velocidade e binário, incluindo travagem
regenerativa, direção assistida elétrica, através do sistema de comunicação CAN-BUS.
Os controladores, dependendo do modelo, têm uma tensão de funcionamento de 2480 V CC e uma saída de pico de corrente máxima de até 650 A CA. Estes controladores
utilizam um algoritmo de fluxo vetorial indireto – IFOC, permitem gerar binário
máximo com máxima eficiência em toda a gama de velocidade [23]. São inteiramente
programáveis através programador de mão ou de uma estação de programação.
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15
Capítulo 2 – Sistemas para Acionamento de Motores de Indução
2.6.2. Controladores da Empresa ZAPI
Os controladores da marca ZAPI contam com alguns anos de experiência para o
desenvolvimento de uma linha completa de controladores de corrente alternada, sendo
considerada pioneira no desenvolvimento controladores e tecnologia para motores de
indução. A ZAPI fabrica controladores para motores de corrente alternada e corrente
contínua e para diversas aplicações. Estes controladores trabalham com tensões que
variam de 24-96 V CC e saída em corrente que variam de 150 A em unidades mais
pequenas até 550 A. Do AC0 ao AC4 Figura 2.5, são classificações para motores de
indução de 1,5 até 20 kW, respetivamente, dependendo do modelo e tensões de
operação.
Figura 2.5 - Controladores da marca ZAPI [22].
Estes controladores têm uma série de características para os motores assíncronos,
apresentando tecnologias recentes. Estas unidades apresentam uma plataforma de
comunicações multiplex, oferecendo melhorias no controlo do veículo. A família de
controladores de corrente alternada ZAPI representa uma ampla gama de produtos
atualmente disponíveis no mercado de veículos elétricos de baixa tensão.
2.6.3. Controladores da Empresa MES-DEA
A série de controladores para motores de indução MES-DEA Figura 2.6, com um
Inversor de Tração – TIM, (Tipo TIM 400 W – 600 W), é uma unidade de controlo
também com recurso ao fluxo vetorial, desenvolvido para o acionamento de motores de
indução para veículos elétricos e híbridos.
Como principais características temos um controlo baseado no processamento
digital de sinal baseado num controle suave do motor e completamente ajustável com
travagem regenerativa. Parâmetros atualizados em tempo real para um desempenho
ajustável e programação com recurso a um computador portátil via cabo RS-232 ou
CAN – BUS. Gestão Total da seleção de velocidades (Drive, Económica, Reversa,
Estacionamento) e um modo de economia com redução do desempenho para maior
autonomia.
16
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Capítulo 2 – Sistemas para Acionamento de Motores de Indução
Figura 2.6 - Controlador da marca MES-DEA [23].
Saída do tacômetro digital programável, auto sintonização das características do
motor, proteção contra sob e sobre tensões, proteção contra sobre correntes e
temperatura e um invólucro com o nível de proteção IP54 [24].
2.6.4. Controladores da Empresa BRUSA
Com mais de 20 anos de experiência na conceção de unidades de para motores de
indução, a BRUSA criou uma família de controladores verdadeiramente universais para
qualquer tipo de máquinas de corrente alternada com uma ampla faixa de potência.
Estas unidades possuem alta eficiência, controlo de fluxo vetorial, sofisticados,
compactos e peso baixo, com um custo-alvo e volume de produção favorável. Classes
de potência 50-100-150 kW. O inversor de tração BRUSA Figura 2.7 é de refrigeração
líquida e destina-se a qualquer tipo de veículo elétrico com motor de indução BRUSA.
Assíncrono ou de ímanes permanente.
Figura 2.7 - Controlador da marca BRUSA [24].
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Capítulo 2 – Sistemas para Acionamento de Motores de Indução
Com um controlo do motor sofisticado, travagem regenerativa, comunicação
CAN. PWM a 24 kHz garante um funcionamento silencioso da unidade de controlo. A
família de inversores DMC fornece ampla potência e maior eficiência, sendo plana e
compacta, flexível com especificações IP-65 faz com que estas unidades sejam
adequadas para aplicações móveis, como carros, autocarros, camiões, barcos e
outros [25].
2.7. Conclusões
Neste capítulo foi realizado um estudo objetivo sobre o acionamento do motor de
indução trifásico. Foi realizada uma pesquisa sobre técnicas de acionamento do motor e
sistemas de velocidade variável. Foi também descrito, o módulo interno do inversor de
frequência com uma descrição do controlo, interface, andar de potência e os respetivos
processos de inversão da tensão. Para finalizar o estudo, foi feita uma análise às ofertas
de mercado, a fim de entender a comercialização destes equipamentos.
Em desfecho de capítulo, podemos dizer que o cálculo de um sistema de
acionamento, ou a escolha de uma unidade de controlo para um motor, depende sempre
do motor em questão e a finalidade a que este se destina. Parâmetros como binário
motor, a potência elétrica, tensão, corrente e frequência de alimentação devem ser
considerados aquando do dimensionamento ou compra de equipamentos. Como se trata
do acionamento de motores, e estes podem ser aplicados em veículos elétricos, a
autonomia energética do veículo é um dos, ou o fator mais importante a considerar,
dando maior relevância à eficiência elétrica do motor e à globalidade do sistema motor
mais controlador, pois este último é o responsável pela gestão de energia entre a bateria
e o motor.
18
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CAPÍTULO 3
Técnicas de Controlo para Motores de Indução
3.1. Introdução
As técnicas de controlo têm como objetivo a gestão da variação de velocidade e
binário do motor. É ainda desejável uma resposta eficiente na conversão, e que o
sistema de acionamento para o motor de indução seja um sistema estável,
proporcionando simultaneamente baixas perdas elétricas nas comutações dos IGBTs,
rápida variação da velocidade e do binário sem perder o controlo do sistema de
acionamento [15]. Assim, e de um modo conciso, podemos dizer que o controlo de uma
máquina de corrente alternada pode ser realizado com variação dos seguintes
parâmetros:

Velocidade de rotação;

Tensão do estator;

Frequência de alimentação;

Corrente no estator.
3.2. Técnicas de Controlo
Os valores de tensão e corrente, solicitados pelos inversores para o controlo da
velocidade e binário são determinam como o motor atende às exigências da carga
mecânica. Em estado estacionário, os parâmetros referidos bem como os fluxos
magnéticos são definidos por magnitude e frequência. Quando as magnitudes destes
parâmetros são observadas e ajustadas, a técnica de controlo é classificada de Controlo
Escalar, sendo mais indicado para um controlo com baixo desempenho [10]. Para
sistemas com alto desempenho, é adaptado um controlo vetorial, baseado em vetores
espaciais, para que as variáveis tenham em consideração a análise de grandezas
instantâneas no estator como, tensão, corrente e o fluxo magnético. A técnica vetorial é
empregue para ajustar valores instantâneos, permitindo maior performance e boa
dinâmica da unidade de controlo. O controlo vetorial pode ser implementado de
diferentes modos, sendo o Field Oriented Control – FOC e o Direct Torque Control –
DTC as técnicas mais conhecidas [15].
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19
Capítulo 3 – Técnicas de Controlo do Motor de Indução
3.2.1. Controlo Escalar
Como problema fundamental do controlo escalar, temos a preservação do binário
motor em velocidades baixas, uma vez que, o fluxo de entreferro deve manter-se
constante (tensão-frequência), e com a velocidade reduzida, é estabelecida uma tensão
de alimentação também reduzida a uma frequência diminuída, sendo insuficiente para
magnetizar o restante circuito. Em termos gerais e segundo o princípio de controlo de
velocidade, quando se controla o binário consegue-se controlar a aceleração. A
Figura 3.1 apresenta o gráfico para observar o princípio de controlo v / f.
Figura 3.1 - Gráficos para o controlo v / f.
Na região de baixa velocidade, é aplicada uma tensão mínima para compensar a
redução de fluxo. Na região de enfraquecimento de campo, o fluxo e o binário são
reduzidos, V = V nom. Entre ambas as regiões, é aplicado um fluxo nominal, ou seja, um
fluxo constante. Tanto o controlo em malha aberta como o controlo em malha fechada
da velocidade de um motor de indução pode ser implementado com base no princípio de
V / Hz constante. Em controlo com malha aberta a tensão de comando é gerada a partir
do sinal de referência e através do ganho de v / f constante. Em velocidades reduzidas, a
alimentação do motor, compensa a queda de tensão nos enrolamentos do estator, com
uma tensão de referência que limita o sinal de tensão mínima para baixas velocidades. O
controlo de velocidade com a malha de circuito permite maior precisão no controlo do
motor (binário, velocidade e limitação de corrente). A observação direta da corrente e
velocidade permitem alcançar uma operação do motor mais confiável.
3.2.2. Controlo Vetorial
A técnica de controlo vetorial FOC, Controlo por Orientação de Campo é baseada
em cálculos dinâmicos das correntes do motor e através de uma malha de controlo que
possibilita um elevado grau de precisão e rapidez no controlo do motor. Este tipo de
controlo só é possível, reconsiderando o motor de indução trifásico, tratando-o, como
um motor de corrente contínua. Com este tratamento é possível a transferência do
20
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Capítulo 3 – Técnicas de Controlo do Motor de Indução
sistema de coordenadas abc do estator, para o sistema de referência do fluxo do rotor
chamado de referencial dq0 Figura 3.2, viabilizando assim o processo de controlo
vetorial.
Figura 3.2 - Modelo dinâmico do motor com transformação de coordenadas dq0.
O controlo vetorial do motor de indução pode ser classificado como controlo
vetorial direto – DFOC, mediante a aplicação de sensores para monitorizar a posição e
velocidade do motor, e como controlo vetorial indireto - IFOC para a ausência de
sensores de monitorização. A grande quantidade de processamento matemático inerente
a técnica do FOC, só foi possível implementar quando se tornou economicamente viável
o uso de microprocessadores. Com este recurso foi possível aumentar a velocidade e a
capacidade de processamento matemático matricial, isto devido à banalização,
utilização e redução do custo de fabricação de produção dos microprocessadores. O
progresso nas áreas da eletrónica de potência e da microeletrónica permitiu conciliar a
aplicação de DSP e os motores de indução para aplicações com alto desempenho
dinâmico. A utilização deste Hardware permitiu o tratamento deste modelo matemático,
matricial e vetorial com a transformação de matrizes de um sistema de 3 eixos para um
sistema de 2 eixos, como os sistemas de transformadas de Park e Clarke, tornando-se
assim num modelo de tratamento compacto. Consultando a Figura 3.3 para a técnica de
controlo FOC, temos a comparação do binário motor versus a velocidade com o binário
máximo em toda faixa de rotação.
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21
Capítulo 3 – Técnicas de Controlo do Motor de Indução
Figura 3.3 - Curvas do binário x velocidade.
3.2.2.1. Controlo Vetorial Direto
O controlo vetorial direto é realizado com o vetor de fluxo do rotor. Para isso é
aplicado um sensor para medição do fluxo montado no entreferro ou ainda medido
usando as equações de tensão a partir dos parâmetros da máquina elétrica. Nestas
circunstâncias, o vetor de fluxo é calculado instantaneamente com base nas grandezas
elétricas do motor. [26]
3.2.2.2. Controlo Vetorial Indireto
Quanto ao controlo vetorial indireto e como o próprio nome deixa antever não é
feita a aplicação de um sensor para medição de fluxo. Este método de fluxo vetorial é
mais simples, determinado e calculando o vetor de fluxo do rotor, através das equações
de controlo que obrigam à medição da velocidade do rotor [26].
3.2.3. Princípio Funcionamento Técnica Controlo por Orientação de Campo
Pelo menos duas correntes de fase do motor são medidas pelo módulo de
transformação de Clarke. As saídas desta projeção são designadas is e is . Estas
duas correntes são a entrada da transformação de Park que dá a corrente atual no
referencial de rotação dq0. Os componentes isd e isq são comparados com o isdref fluxo de referência e isqref - binário de referência. Como o motor de indução necessita
do fluxo de rotor para funcionar, a referência de fluxo não deve ser zero. As saídas dos
reguladores são vsdref e vsqref , aplicados à transformada inversa Park. As saídas
desta projeção são vsref e vs ref que são os vetores de tensão no estator no
referencial  ,  . As saídas deste bloco, são os sinais do inversor. De notar que tanto a
transformada de Park, como a transformada inversa de Park precisam da posição do
fluxo do rotor. Obter a posição de fluxo do rotor depende do tipo de máquina de
22
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Capítulo 3 – Técnicas de Controlo do Motor de Indução
corrente alternada se síncrona ou assíncrona. O diagrama da Figura 3.4 resume o
esquema básico do controlo de binário com a técnica de controlo FOC. Considerações
da posição e fluxo do rotor são feitas na secção seguinte.
Figura 3.4 – Diagrama de blocos do controlo por orientação de campo. (Fonte: Texas Instruments)
A medida das correntes de fase é amostrada e convertida por um conversor A/D.
O funcionamento correto da técnica de FOC dependente da verdadeira medida destas
correntes [19].
3.3. Posição do Motor e Fluxo do Rotor
O conhecimento da posição do motor de indução e o fluxo do rotor é o centro da
técnica de controlo por orientação de campo. O diagrama da Figura 3.5 mostra a posição
dos vetores de corrente e fluxo de rotor no espaço.
A medição da posição do fluxo no rotor é diferente, se considerarmos o motor
síncrono ou assíncrono. Existindo um erro nesta variável de fluxo de rotor e caso não
estejam alinhados com o eixo q e d, a componente de fluxo binário e corrente no estator,
isq e isd, ficam com valores incorretos.
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23
Capítulo 3 – Técnicas de Controlo do Motor de Indução
Figura 3.5 – Vetores de corrente e fluxo do rotor no espaço dq0 em relação ao referencial abc.
(Fonte: Texas Instruments)
O diagrama da Figura 3.5 mostra a posição do fluxo de rotor, corrente do estator e
a tensão vetorial no estator que giram com o referêncial dq0 à velocidade síncrona,
sendo necessário um método para calcular a variável Θ. Um método básico é a
utilização do modelo de corrente, que necessita de duas equações do modelo do motor,
em referencial dq0 [19].
3.3.1. Espaço vetorial e projeção
A tensão trifásica, corrente e fluxo do motor de indução podem ser analisados em
termos de vetores espaciais [19], Figura 3.6. No que diz respeito às correntes, o vetor
espacial pode ser definido assumindo que, ia, ib, ic, são as correntes instantâneas nas
fases do estator, sendo que o vetor de corrente do estator is é definido pela equação
(3.1).
24
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Capítulo 3 – Técnicas de Controlo do Motor de Indução
Figura 3.6 – Vetor de corrente, projeção no espaço vetorial. (Fonte: Texas Instruments)
is  ia  αib  α 2 ic
2
(3.1)
4
Onde   e j 3 e  2  e j 3 são os operadores espaciais.
O vetor de corrente descreve o sistema trifásico sinusoidal, precisando de ser
transformado num sistema de duas coordenadas. Esta transformação pode ser dividida
em duas etapas.
3.3.2. Transformação de Clarke
Transformação de Clarke- abc     gera um sistema de duas coordenadas,
que pode ser mencionado num referencial com apenas dois eixos ortogonais  ,  .
Assumindo os eixos, a e  na mesma direção, temos o diagrama de vetores da Figura
3.7. A projeção que modifica o sistema de trifásico para um sistema ortogonal de duas
dimensões  ,   é apresentado em abaixo:
is  ia



is  1 ia  2 ib

3
3
(3.2)
 is 
 que depende do
Obtemos um sistema de duas coordenadas 
 is 
tempo.
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25
Capítulo 3 – Técnicas de Controlo do Motor de Indução
Figura 3.7 - Vector de corrente no estator e componentes no referencial abc. (Fonte: Texas
Instruments)
3.3.3. Transformação de Park
Transformação de Park-    dq  gera um sistema de duas coordenadas. Esta
é a transformação mais importante para o FOC. Na verdade, esta projeção modifica um
sistema ortogonal de duas fases  ,   numa de referência rotativa dq0. Considerando o
eixo d alinhado com o fluxo do rotor, o diagrama mostra o vetor de corrente, para o
referencial de dois eixos, onde  é a posição de fluxo do rotor. As componentes de
fluxo e binário do vetor atual são determinados pelas equações (3.3).
 isd  is  cos  is  sin 


isq  is  cos  is  sin 
(3.3)
Obtém-se um sistema de duas coordenadas is e is invariantes no tempo, com
as componentes de fluxo e binário isd e isq.
3.3.4. Transformada Inversa de Park
Transformada inversa de Park- dq     aqui é apresentado a partir desta
transformação, que apenas a equação modifica as tensões no referencial dq0 num
sistema de duas fases.
vsref  vsdref  cos  vsqref  sin 


vsref  vsdref  sin   vsqref  cos
26
(3.4)
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Capítulo 3 – Técnicas de Controlo do Motor de Indução
3.4. Controlo Proporcional e Integral
Em processos que requerem um controlo suave, pode ser empregue um controlo
Proporcional e Integral a fim de controlar a velocidade do motor para que em operação
forneça uma determinada rotação independentemente da carga acoplada.
Decompondo as diferentes respostas para as ações de controlo da Figura 3.8,
temos no controlo proporcional uma relação linear fixa entre o valor da variável
controlada e o valor do atuador de controlo. Por outro lado, quando se tem um sistema
onde é utilizado um controlador proporcional as alterações de carga conduzem a um
reajuste do offset que deve ser feito de forma automática. Assim integrando o valor do
erro no tempo obtemos esse reajuste. Na prática o controlo integral é utilizado em
conjunto com o controlo proporcional formando um controlo proporcional e integral PI conforme mostram os gráficos da Figura 3.8
Figura 3.8 – Diferentes respostas para as ações de controlo.
No Controlo por Orientação de Campo é necessário duas referências como
parâmetros de controlo. A componente de binário, isqref , e a componente de fluxo,
isdref . O regulador numérico, PI é adequado para a regulação de binário e fluxo para
os valores desejados, alcançando as referências com uma correta definição tanto para o
termo P (K pi) como o termo I (K i) que são, respetivamente, responsáveis pela
sensibilidade de erro e do erro em estado estacionário. A equação (3.5) é do regulador
PI e a Figura 3.9 do diagrama de blocos.
k 1
Uk  Kpi  ek  Ki  ek   en
(3.5)
n 0
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Capítulo 3 – Técnicas de Controlo do Motor de Indução
Figura 3.9 - Diagrama de blocos da ação PI. (Fonte: Texas Instruments)
De acordo com o ponto de limitação durante os ensaios, são grandes os valores de
variações da referência ou grandes os distúrbios que possam ocorrer, resultando na
saturação das variáveis e do regulador de saída. A resolução destes problemas passa por
adicionar a estrutura anterior a uma correção da componente integral.
3.5. Encoder
Este sensor é utilizado para converter o movimento angular e linear fornecendo ao
controlador dados da posição do motor para o processo de controlo da posição e
velocidade do motor, através de uma série de pulsos digitais, Figura 3.10.
Figura 3.10 - Exemplo de um encoder físico e respetivo esquemático. (Fonte: Saber Eletrónica)
A conversão do movimento em pulsos elétricos é feita através da deteção
fotoelétrica, pela passagem de luz num disco opaco, com várias aberturas transparentes.
O recetor deteta a luz do emissor, e a falta desta, gerando assim os pulsos digitais (0 e
1). Os encoders existentes podem ser de dois tipos, designando-se assim por
incrementais e absolutos. Ambos são similares visto que usam a mesma forma de
deteção fotoelétrica e construção semelhante. O encoder adotado para a aplicação é do
tipo incremental.
28
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Capítulo 3 – Técnicas de Controlo do Motor de Indução
3.5.1. Resolução do Encoder
A resolução no encoder incremental é dada pelos pulsos por volta, isto é, o
encoder gera uma certa quantidade de pulsos elétricos por uma volta em torno dele
próprio. A posição do objeto com movimento linear ou angular sobre o qual o sensor
está acoplado é obtida a partir da contagem dos pulsos. Um encoder rotativo gera uma
quantidade de pulsos elétricos por volta, 360º. Para descobrir a variação angular de cada
pulso é feito um cálculo simples, equação (3.6).
Variação_ Angular 
360º
Número _ Pulsos
(3.6)
Como temos um encoder de 1000 Pulsos (preestabelecido pelo encoder), temos:
Variação_ Angular  0,36º
Esta variação angular do encoder é designada por resolução. Quando é obtida a
posição de um objeto móvel, rotativo ou linear, em vários pontos obtemos dados
suficientes para saber outras grandezas em função do tempo, como por exemplo, a
velocidade, e aceleração. A precisão do encoder incremental depende de fatores
mecânicos, elétricos e ambientais. Erros de escala causados pelas janelas do disco,
excentricidade do disco, excentricidade das janelas, ou ainda erros introduzidos na
leitura eletrónica dos sinais e dos próprios componentes transmissores e recetores de
luz. Normalmente, nos encoders são disponibilizados os sinais A, B e Z. Há outras
informações importantes quando se trata do controlo de posições como o sentido da
rotação ou a direção. Ambos serão abordados nos tópicos seguintes.
3.5.2. Sentido de Rotação do Encoder
Observando a Figura 3.11, são encoder incremental em que é fornecidos
simultaneamente dois pulsos quadrados desfasados em 90º. Um dos canais envia o sinal
e compara-o posteriormente, tornando possível a descoberta do sentido de rotação. Pode
haver também apenas um canal de ranhuras no disco, com 2 sensores fotoelétricos, um
ao lado do outro. Dependendo do tempo de reposta de cada sensor, será determinado o
sentido da rotação. Nos canais A e B conforme a Figura 3.11, o valor de saída que será
enviado ao controlador será o mesmo, apesar da construção do encoder ser diferente.
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29
Capítulo 3 – Técnicas de Controlo do Motor de Indução
Figura 3.11 - Diagrama com o sentido de rotação do encoder. (Fonte: Saber Eletrónica)
É possível concluir que na leitura em um canal individualmente é dada a
posição, já nos dois canais simultaneamente, também o sentido de rotação.
3.5.3. Ponto Zero ou Absoluto do Encoder
Na Figura 3.12 temos três canais, um terceiro canal aparece com a designação
“Z”, conhecido como ponto zero ou absoluto. Este determina a origem do encoder, a
única posição que é possível descobrir sem a contagem de pulsos.
Figura 3.12 - Representação do ponto do zero absoluto do encoder. (Fonte: Saber Eletrónica)
A leitura do canal “Z”, além de ser usada como ponto de origem e dando ao eixo
ou objeto móvel um começo e fim no seu curso, por ser uma referência, é utilizada pelo
controlador como suporte na contagem de pulsos.
3.6. Conclusões
Hoje em dia existem diferentes formas e técnicas de controlo para os motores de
indução trifásicos. O controlo escalar e o controlo vetorial são estratégias de controlo
predominantes para controlar a velocidade e binário do motor de indução. Muitos dos
controladores para motores utilizados atualmente não utiliza sensores e incorporam um
controlo com várias topologias para comutação do inversor.
Com a técnica do FOC (Field Oriented Control), torna-se possível controlar,
direta e indiretamente o binário e fluxo das máquinas de corrente alternada. O controlo
30
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Capítulo 3 – Técnicas de Controlo do Motor de Indução
com a orientação de campo das máquinas de corrente alternada permitiu alcançar as
vantagens da máquina de corrente contínua, com controlo instantâneo de fluxo e de
binário. Para além das vantagens do FOC, as máquinas de corrente alternada resolvem
os problemas mecânicos de comutação inerentes com máquinas de corrente contínua.
A conclusão a que chegamos é que o controlo pela técnica de FOC apresenta a
melhor solução técnica, pois tem controlo de fluxo e binário contínuo ao passo que o
controle V / f não possui controlo de binário contínuo, apresentando potenciais perdas
traduzidas em calor pela saturação do material magnético, ripples de binário, e
desequilíbrios.
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31
CAPÍTULO 4
Simulações do Sistema de Controlo e Acionamento do
Motor de Indução
4.1. Introdução
Neste capítulo são tratados e analisados os resultados da simulação do sistema de
controlo e acionamento para o motor de indução trifásico. As simulações foram obtidas
com o recurso de um software de simulação projetado especificamente para eletrónica
de potência PSIM, versão 9.1. Para que as simulações fossem concretizadas, foi
necessário determinar os parâmetros internos do motor de indução trifásico utilizado
neste trabalho, bem como fazer o ajuste de outros parâmetros que são descritos no
decorrer deste capítulo. Por fim e para que fosse possível tratar deste trabalho num nível
digital, neste caso a linguagem C, para que a informação fosse tratada e processada pela
plataforma de desenvolvimento adotada. No decorrer do capítulo serão apresentados os
resultados destas simulações.
4.2. Software de Simulação PSIM
O PSIM é um software de simulação, especificamente pensado e desenvolvido
para ser utilizado na análise de circuitos elétricos, nomeadamente em circuitos de
Eletrónica de Potência. Através de um algoritmo dedicado a circuitos elétricos e
desenvolvido para simulação de sistemas dinâmicos de Eletrónica de Potência, os
circuitos podem ser criados e editados em ambiente PSIM, incluindo um bloco de
programação em linguagem C, que permite inserir o código diretamente sem o
compilar, tornando possível a simulação de circuitos de sistemas elétricos de energias
renováveis [27], controlo de motores [28], entre outros. Este software proporciona uma
rápida implementação do circuito a simular, através de uma interface de utilização
intuitiva, proporcionando um ambiente de simulação e resultados capazes de responder
e atender às necessidades do sistema a desenvolver. Com este software podemos ajustar
os parâmetros do nosso motor, a técnica de controlo, ajustar os ganhos dos
controladores e implementar os restantes elementos necessários para que esta técnica
seja executada segundo um modelo digital.
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33
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
Figura 4.1 – Sistema de controlo do motor indução em ambiente de simulação PSIM.
Na Figura 4.1 é apresentado o modelo simulado com o software de PSIM para o
controlo do motor de indução trifásico. Com base nesta figura será realizada uma breve
apresentação nos subitens seguintes, aos módulos de blocos utilizados para obter os
resultados de simulação do sistema de controlo para o motor de indução. Associado ao
motor de indução temos ainda dois blocos que ajudam no processo de controlo do
motor. Assim sendo, temos um sensor de velocidade e um bloco de carga que permite a
simulação do sistema de controlo com o motor acoplado a uma determinada carga.
4.2.1. Bloco de IGBTs em Ambiente PSIM
Em ambiente de simulação PSIM um bloco de IGBTs corresponde a um IGBT em
antiparalelo com um díodo. Funciona como um interruptor ao corte ou em condução, e é
controlado através de dois níveis de tensão para as comutações de condução. Este é
ativado através de um pulso de disparo ascendente, nível alto, e é desligado quando este
pulso passa para um nível baixo (transição descendente). Alguns dos parâmetros que
podemos configurar neste bloco são a tensão de saturação, a resistência do transístor,
tensão de threshold e resistência interna do díodo.
4.2.2. Motor de Indução em ambiente PSIM
O motor utilizado nas simulações em ambiente PSIM é o motor de indução
trifásico com o rotor em gaiola de esquilo. Para realizar as simulações é necessário
34
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Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
introduzir algumas características do motor de indução como o número de polos do
motor, o valor da resistência dos enrolamentos do estator, a indutância dos
enrolamentos do estator, a resistência dos enrolamentos do rotor, a indutância dos
enrolamentos do estator e a indutância de magnetização. Os parâmetros considerados
para o motor de indução têm como referência o lado do estator e consideram as ligações
internas dos enrolamentos do estator em Y.
4.2.3. Encoder Incremental em Ambiente PSIM
Um encoder incremental em ambiente PSIM é um sensor de posição capaz de
gerar uma onda quadrada como resultado de um sinal de saída que indica velocidade,
ângulo e direção de rotação do eixo. Os dois sinais de saída são A e B (com os
respetivos sinais inversos), desfasados de 90 º. Um terceiro sinal, Z (com respetivo sinal
inverso), fornece a informação sobre o sentido de rotação do motor.
4.2.4. Bloco C em Ambiente PSIM
O bloco C é o bloco onde o código C pode ser inserido diretamente sem compilar.
Ao contrário dos blocos de DLL, o Bloco C permite aos utilizadores inserir o código C
diretamente, sem compilar o código. Um intérprete em C irá interpretar e executar o
código em tempo real. Este bloco faz com que seja mais fácil suportar códigos
personalizados.
4.3. Estimação dos Parâmetros do Motor de Indução
Os valores dos parâmetros que entram nas equações que regem o funcionamento
do motor de indução trifásico em regime permanente e que são utilizados no esquema
elétrico equivalente do motor utilizado no modelo de simulação, podem ser
determinados através de um conjunto de ensaios [29]. Estes ensaios têm a
particularidade de serem realizados, sem a máquina chegar a consumir a sua potência
nominal, sendo por isso designados como ensaios económicos, e efetuados de acordo
com o estipulado nas normas internacionais IEEE – 112 [30].
A chapa de características do motor pode ser observada na Figura 4.2, e a bancada
onde foram realizados os ensaios aos parâmetros do motor de indução trifásico na
Figura 4.4.
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35
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
Tabela 2 – Características do motor de indução trifásico presente na chapa de características.
Motor de Indução Trifásico
Classe B
380
Tensão (V)
Corrente (A)
2,25
Potência (kW)
0,74
Velocidade (rpm)
1415
Frequência (Hz)
50
Figura 4.2 - Pormenor da chapa de caraterísticas do motor de indução.
Figura 4.3 - Circuito equivalente do motor de indução [25].
Com base na chapa de características do motor de indução trifásico, são
calculadas as características internas do motor de indução e assim é determinado o
modelo do circuito equivalente, como mostra na Figura 4.3.
Rs – Resistência do estator;
Ls – Indutância de dispersão do estator;
Rm – Resistência representa perdas no ferro;
Lm – Indutância de magnetização;
Lr – Indutância de dispersão do rotor;
Rr – Resistência do rotor.
36
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Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
Figura 4.4 - Bancada onde foram realizados os ensaios ao motor de indução trifásico.
4.3.1. Determinação da Resistência do Estator por Fase
A medida da resistência do estator por fase é feita pelo método do voltímetro –
amperímetro, efetuando-se de seguida uma correção para a temperatura normal de
funcionamento da máquina, que é de 75°C. O valor da resistência é determinado
medindo-se a tensão CC aplicada a dois terminais do estator da máquina e a corrente
elétrica que circula no circuito. A correção da resistência do estator (Rsa) medida à
temperatura ambiente (ta) em °C para o valor Rsc à temperatura de correção (tc), em °C
é feita através da equação (4.1). Com esta correção determina-se o valor da resistência
do estator [29].
 234,5  tc 
Rsc  
  Rsa
 234,5  ta 
(4.1)
Rsa – Resistência do estator à temperatura ambiente.
Rsc - Resistência do estator com correção da temperatura ambiente.
Em alternativa, pode ser utilizada uma ponte RLC para a medir o valor da
resistência do estator, conforme é mostrado na Figura 4.5.
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Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
Figura 4.5 - Ponte RLC utilizada para medição dos enrolamentos do estator.
4.3.2. Ensaio em Curto-Circuito com o Rotor Travado
Durante este ensaio mede-se o valor da corrente elétrica no estator Icc, o valor da
tensão aplicada Ucc e a potência absorvida pela máquina Pcc. Com o rotor travado
(Figura 4.6), o deslizamento da máquina durante este ensaio é unitário (s = 1). Como o
rotor está travado e o circuito rotórico está em curto-circuito é necessário um valor de
tensão reduzido (quando comparado com a tensão nominal) para obter a circulação da
corrente elétrica nominal no circuito estatórico. Como a tensão é reduzida, também são
reduzidas as perdas magnéticas, a indução magnética e a corrente de magnetização. O
circuito elétrico equivalente por fase para esta situação é o representado na figura, onde
se despreza o circuito de magnetização. [29]
Figura 4.6 - Ensaio do motor de indução com o rotor travado.
38
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Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
Com os valores lidos de Ucc; Icc e Pcc, determina-se o valor da impedância total
do circuito equivalente Zcc, de acordo com a equação (4.2).
Zcc 
Ucc
Icc
(4.2)
Determina-se o valor da resistência total do circuito equivalente, desprezando as
perdas no ferro através da equação (4.3).
Rcc  Rs  R ' r 
Pcc
Icc 2
(4.3)
Valor da reactância total de dispersão equivalente, através da equação (4.4).
Xcc  Zcc 2  Rcc 2
(4.4)
Como já determinamos o valor de Rs, o valor da resistência do rotor reduzida ao
estator R’r é determinado na equação (4.5).
R' r  Rcc  Rs
(4.5)
4.3.3. Ensaio em Vazio
O ensaio em vazio do motor de indução trifásico (Figura 4.7) permite determinar
as perdas mecânicas (Pmec) juntamente com as perdas no ferro, fornecendo informação
sobre os parâmetros do circuito de magnetização, Rm e Xm. Este ensaio realiza-se
fazendo rodar o motor à tensão e frequência nominal, sem qualquer carga mecânica.
Uma vez que o motor não possui carga mecânica, a energia absorvida durante este
ensaio destina-se somente a alimentar as perdas existentes no motor para esta situação
de funcionamento. Atendendo ao circuito elétrico equivalente e a esta situação em que o
valor do deslizamento é praticamente nulo, verifica-se durante o ensaio a existência
praticamente de apenas perdas magnéticas, representadas no circuito de magnetização
pela resistência Rm, e de perdas mecânicas (Pmec) causadas pelo movimento de rotação
do rotor.
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39
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
Figura 4.7 - Ensaio do motor de indução em vazio.
4.3.4. Simulação dos parâmetros do motor em PSIM
Uma vez determinados os valores dos parâmetros internos do motor de indução
trifásico, e a fim de confirmar se estão devidamente calculados, foi realizada uma
simulação em ambiente PSIM com os valores obtidos para verificar a veracidade dos
valores obtidos. Na Figura 4.8 temos a montagem realizada para validar os parâmetros
do motor de indução trifásico.
Figura 4.8 – Modelo de simulação realizado em PSIM para o motor de indução trifásico.
Os blocos PSIM utilizados neste modelo de simulação foram, uma fonte de
alimentação trifásica, um amperímetro para medir o consumo de corrente, o motor de
indução com os valores obtidos previamente, um sensor de velocidade do motor e um
bloco de carga para poder validar as características de funcionamento do motor de
40
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Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
indução trifásico, com carga nominal. Na Figura 4.9 é visivel o resultado da simulção
do motor de indução. No funcionamento em regiem permanente com carga máxima,
verifica-se que o motor consome a corrente nominal indicada na chapa de
características.
Figura 4.9 - Forma de onda da corrente consumida pelo motor de indução, para uma das fases,
desde o arranque até à entrada em regime permanente.
A Figura 4.10 apressentam a curva do binário de carga do motor de indução.
Figura 4.10 - Forma de onda do binário de carga para o motor de indução desde o arranque até à
operação em regime permanente em binário nominal.
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Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
A Figura 4.11 apressenta a curva da velocidade do motor de indução desde o
arranque até à velocidade nominal.
Figura 4.11 - Curva de velocidade do motor de indução.
Os valores de regime permanente obtidos para a simulação do motor de indução
podem ser consultados na Tabela 3 e confirmados na tabela da Figura 4.12.
Tabela 3 – Valores eficazes da simulação.
Tempo inicial da simulação (s)
1,5
Tempo final da simulação (s)
2
Corrente (A)
1,376
Binário (Nm)
5,11
Velocidade (rpm)
1415
Os ensaios realizados ao motor de indução trifásico tinham os enrolamentos do
estator ligados em triângulo. Já os enrolamentos do estator do PSIM são considerados
estão em estrela.
Figura 4.12 - Valores eficazes da corrente, do binário e de velocidade do motor de indução.
4.4. Diagrama de Controlo do Motor de Indução
A Figura 4.13 mostra o diagrama do sistema de controlo desenvolvido para o
motor de indução trifásico. Para realizar as simulações do sistema de controlo em
42
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Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
ambiente PSIM, foi necessário adequar e ajustar o sistema de controlo do nosso motor
ao código C desenvolvido para o efeito.
Figura 4.13 - Diagrama do código implementado para o controlo do motor de indução.
4.5. Simulação do Sistema de Controlo e acionamento
Depois de calculados os parâmetros internos do motor de indução, e de realizada a
posterior verificação desses parâmetros, passou-se à implementação do sistema de
controlo.
Os blocos PSIM utilizados no modelo de simulação do sistema de controlo do
motor de indução trifásico, são apresentados na Figura 4.14, consta uma fonte de
alimentação CC do lado do inversor, de amperímetros para medir o consumo de
corrente do motor de indução, de um bloco de carga para simular diferentes cargas
acopladas ao motor de indução, e de um encoder para poder obter informações sobre a
posição, velocidade e sentido de rotação do motor de indução trifásico.
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43
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
Figura 4.14 - Simulação do sistema de controlo do motor de indução trifásico.
Foi também necessário utilizar um bloco C (programação em linguagem C) e
realizar a programação do sistema de controlo. O código desenvolvido recebe a leitura
das variáveis dinâmicas do sistema (consumo de corrente, velocidade e posição do
motor), aplica a transformada de Clarke e de Park, utiliza um controlador PI, e a
transformada inversa de Clarke e Park. Como resultado deste bloco em C, são obtidos
três valores em coordenadas abc que vão ser filtradas e comparadas com a onda
portadora de sinal para gerar os impulsos de PWM. Cada um dos pulsos gerados será
aplicado ao respetivo braço dos IGBTs.
A Figura 4.15 apresenta o resultado de simulação do acionamento do motor de
indução mostrando o consumo de corrente do motor de indução. Esta simulação foi
realizada sem o acoplamento de carga ao motor. Ao fim de alguns segundos o motor
consegue normalizar o funcionamento estabilizando o consumo de corrente, binário
(Figura 4.16) e velocidade (Figura 4.17), sendo o binário produzido igual a zero. A
Tabela 4 mostra os resultados da simulação Figura 4.21.
44
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Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
Tabela 4 – Valores eficazes da simulação sem carga acoplada ao motor de indução trifásico.
Tempo inicial da simulação (s)
3,5
Tempo final da simulação (s)
4
Corrente (A)
Isa
Isb
Isc
Binário (Nm)
0,794
0,801
0,798
0,22
Velocidade (rpm)
1500
Figura 4.15 - Consumo de corrente das três fases do motor de indução.
Figura 4.16 - Curva do binário de carga.
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45
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
Figura 4.17 – Curva de velocidade do motor.
As figuras mostradas a seguir apresentam as mesmas informações, mas desta vez
com uma carga de 5 Nm acopladas ao motor de indução trifásico Este valor já se situa
perto do limite do valor nominal de binário do motor de indução trifásico. A Figura 4.18
apresenta o consumo de corrente do motor nas três fases, e tal como na simulação
anterior, os valores estabilizam, mas ao fim de um intervalo de tempo superior. O motor
consegue assim também normalizar o seu funcionamento estabilizando o consumo de
corrente, binário (Figura 4.19) e velocidade (Figura 4.20). A Tabela 5 mostra os
resultados da simulação.
Tabela 5 – Valores eficazes da simulação com carga acoplada ao motor de indução trifásico.
46
Tempo inicial da simulação (s)
3,5
Tempo final da simulação (s)
4
Corrente (A)
Isa
Isb
Isc
Binário (Nm)
1,35
1,35
1,34
5,09
Velocidade (rpm)
1415
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Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
Figura 4.18 - Consumo de corrente das três fases do motor de indução.
Figura 4.19 - Curva do binário de carga.
Figura 4.20 - Curva da velocidade do motor.
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47
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
Os valores das simulações anteriores podem ser observados na Figura 4.21, em
que a tabela à esquerda corresponde ao ensaio em vazio e a tabela da direta ao ensaio
com binário de 5 Nm.
Figura 4.21 - Tabela dos valores médios eficazes dos dois ensaios anteriores.
4.6. Conclusões
Neste capítulo foram realizadas simulações para o motor de indução utilizado e
para o sistema de controlo e o acionamento do motor de indução.
Em primeiro lugar foi abordado o software utilizado para as simulações, o PSIM,
sendo realizada uma apresentação do programa, seguida de uma breve explicação sobre
os módulos utilizados.
Após esta descrição passou-se aos testes realizados para determinar os parâmetros
internos do motor de indução trifásico. Como se trata de um motor de indução trifásico
com alguns anos e de uma marca descontinuada no mercado, procedeu-se aos ensaios
para determinar os parâmetros internos do motor e assim se dimensionar o sistema de
controlo. Assim foram determinados os parâmetros do motor de indução, através de
ensaios como motor em vazio e com o rotor travado. Por fim estes valores foram
validados através de uma simulação em PSIM.
Em seguida, foi realizado um fluxograma para facilitar o desenvolvimento do
código fonte para o controlo do motor de indução. Como será utilizado um
microcontrolador para realizar o controlo do motor de indução, torna-se vantajosa a
utilização do Bloco C do PSIM para a programação desenvolvida. O emprego deste
bloco dispensa a utilização de um compilador para o código #C. Esta é uma forma de
testar, corrigir e simular o código fonte, antes de o transferir para o microcontrolador a
utilizar.
O código fonte desenvolvido para o sistema de controlo do motor de indução é
mostrado em anexo. Antes de concluir o capítulo é apresentado o resultado das
simulações para o sistema de controlo do motor de indução. São apresentados os
48
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Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
resultados de simulação ao sistema de controlo para o motor sem carga e com a carga
nominal acoplada ao eixo do motor de indução trifásico.
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49
CAPÍTULO 5
Implementação do Sistema de Acionamento de um
Motor de Indução Trifásico
5.1. Introdução
Neste capítulo será apresentada a implementação desenvolvida para o sistema de
controlo e acionamento de um motor de indução trifásico. Será feita uma apresentação
dos elementos pertencentes ao sistema de acionamento do motor de indução e o modo
como foi realizada a implementação.
O trabalho a apresentar foi realizado com os recursos do Grupo de Eletrónica de
Potência e Energia – GEPE, da Universidade do Minho [31]. Estes recursos vão desde
os componentes eletrónicos (aplicados na construção dos circuitos) aos equipamentos
de laboratório (instrumentos de medida, fontes de alimentação entre outros), até às
ferramentas utilizadas (equipamento de solda, chaves de aparafusamento, alicates e
ouros) na construção dos circuitos elétricos.
Uma parte dos elementos a apresentar, foram desenvolvidos de raiz
especificamente para o trabalho em questão, outros elementos foram desenvolvidos para
projetos anteriores, como a placa de circuito impresso para o condicionamento de sinal
das correntes do motor, que foi desenvolvida para o Projeto SINUS [32]. Contudo o
dimensionamento dos circuitos foi sempre alterado, de forma a ser adequado a este
projeto.
5.2. Sistema de Controlo para o Motor de Indução
O sistema de controlo para o motor de indução é composto por, sensores de
corrente, placa de condicionamento de sinal dos sensores de corrente, sensor de posição
do motor (encoder), placa de condicionamento de sinal do sensor de posição, placa de
DSP (microcontrolador), e por um inversor que vai alimentar o motor de indução
trifásico.
O motor de indução trifásico é alimentado por intermédio de um inversor de
potência onde IGBTs são elementos integrantes deste circuito de eletrónica de potência.
As comutações dos IGBTs são geradas pela placa de DSP previamente programada.
Para controlar as comutações dos IGBTs para o motor de indução, está colocada uma
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51
Capítulo 5 - Projeto e Montagem do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
placa de comando que habilita/desabilita a comunicação entre o DSP e o IGBTs,
realizando a gestão de erros produzidos nas comutações dos IGBTs.
A placa de DSP recebe informação do motor proveniente de dois sensores para
realizar o controlo do motor. Uma das informações recebidas é o consumo instantâneo
de corrente do motor, feito através de sensores de corrente da marca LEM modelo
LA100P. Posteriormente é realizado o respetivo condicionamento do sinal destes
sensores, numa placa desenvolvida para o efeito. Outra informação recebida pela placa
do DSP é a posição do rotor do motor, através de um sensor de posição. Também é
realizado o respetivo condicionamento do sinal para este sensor. A Figura 5.1 apresenta
o diagrama de blocos onde é possível ver o processamento do sistema de controlo para o
motor de indução.
Figura 5.1 - Diagrama de blocos do sistema de controlo e acionamento do motor.
5.2.1. Implementação do Sistema de Controlo
A Figura 5.2 mostra a bancada de trabalho onde foi realizada a implementação do
sistema de controlo para o motor de indução. Dentro desta figura, são visíveis quatro
caixas de numeradas. Em I pode-se ver alguns dos equipamentos de laboratório como
um gerador de sinais; uma fonte de alimentação; e um osciloscópio. Em II têm-se as
placas desenvolvidas após a fase de testes, placa de condicionamento de sinal e placa de
comando, e a fonte de alimentação (CC-CC) para alimentar os drives de gate do IGBT.
Em III é visível o inversor e os circuitos de drive. Em IV têm-se o motor de indução
trifásico.
52
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Capítulo 5 - Projeto e Montagem do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
I
III
IV
II
Figura 5.2 - Aspeto da implementação realizada para o controlo do motor.
A Figura 5.3 mostra o pormenor da placa de circuito impresso desenvolvida para
acondicionar os diferentes níveis de tensão que são distribuídos para os restantes
circuitos. Foi construída uma placa de circuito impresso para englobar os diferentes
níveis de tensão vindos da fonte de alimentação, distribuindo-os assim de um modo
organizado, as alimentações para os restantes circuitos do sistema de controlo para o
motor de indução. Esta placa recebe e distribui três níveis de tensão diferentes (-15 V,
5 V, 15 V), alimentando as placas de acondicionamento de sinal e a placa de comando.
(a)
(b)
Figura 5.3 - Interface de alimentação: (a) Esquemático e (b) Montagem final.
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53
Capítulo 5 - Projeto e Montagem do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
5.3. Inversor de Potência
Na construção de um inversor para um circuito de eletrónica de potência é
necessário ter em atenção as características elétricas, como a tensão e corrente que os
semicondutores são capazes de suportar para a aplicação em questão. Aspetos térmicos
e mecânicos devem também ser considerados para os efeitos de dissipação térmica
causada pelos semicondutores bem como espaço disponível para a montagem do
inversor. Visto que se pretendia validar o controlo do motor, e que já existia um
inversor construído no la2boratório que possuía as características necessárias para
realizar o controlo do motor utilizado, optou-se pela utilização deste.
Os módulos de IGBTs utilizados são da Mitsubishi modelo M75DSA120,
(Figura 5.4). Trata-se de um módulo com dois IGBTs e respetivos díodos em
antiparalelo, capaz de suportar correntes de coletor de 75 A e tensões de 1200 V, num
encapsulamento cerâmico. Possuem a base isolada e podem ser utilizados em aplicações
de comutação de energia com capacidade de operação até uma frequência de 20 kHz,
em aplicações típicas em inversores, UPSs e fontes de alimentação [33].
Figura 5.4 - Módulo de IGBTs Mitsubishi PM75DSA12. (Fonte: Mitsubishi)
A Figura 5.5 mostra o inversor de potência utilizado. Na parte superior do
inversor é visível o barramento CC do inversor, bem como os condensadores de
snubber e os circuitos de drive da gate dos IGBTs.
54
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Capítulo 5 - Projeto e Montagem do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
Figura 5.5 - Inversor de potência utilizado.
Para fazer o disparo dos IGBTs é utilizado um circuito de driver duplo, como
mostra na Figura 5.6. Uma característica importante permitida pelo circuito de driver é a
monitorização da tensão entre coletor e emissor, VCE, para proteção dos IGBTs, com a
indicação de erro através de uma saída que pode ser utilizada para informar o circuito de
controlo dessa anomalia [34].
Figura 5.6 - Circuito de drive do IGBT. ( Fonte: Mitsubishi)
O acoplador ótico HCPL-4504 (Figura 5.6) permite um isolamento galvânico
entre os sinais de controlo e de potência. Internamente o acoplador ótico é constituído
por um díodo emissor de luz e por um foto transístor [35]. O díodo emissor quando em
condução, emite um sinal luminoso e ativa o foto transístor. Com este princípio é
assegurado o isolamento de contactos elétricos entre a entrada e a saída do acoplador.
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55
Capítulo 5 - Projeto e Montagem do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
O módulo M57140-01 (Figura 5.7) é uma fonte de alimentação da POWEREX
para alimentar os circuitos de drive dos IGBTs. Este módulo é um circuito conversor
CC, com uma entrada de 20 V, fornecendo quatro saídas de 15 V, e uma potência
máxima de 3 W, com isolamento entre o lado primário e secundário, e também com
isolamento entre os secundários da fonte, projetada para esta função [36].
Figura 5.7 – Fonte de alimentação para alimentação de drives para os módulos dos IGBTs.
Os condensadores de snubber são usados para proteção dos semicondutores contra
as sobretensões provocadas pelas comutações de estado, essencialmente nas comutações
de turn-off. Estes devem ser montados em paralelo com os IGBTs, para que consigam
absorver e assim limitar as variações de tensão provocadas pelas comutações. Este
cuidado permite uma maior longevidade do próprio IGBT, e uma redução nas perdas
causadas pelas comutações do IGBT. Para esta aplicação foram aplicados três
condensadores de polipropileno de 1 μF/1000 V, modelo B32656S105K500 com
encapsulamento T6, da Epcos (Figura 5.8).
Figura 5.8 - Pormenor do condensador snubber à esquerda e respetiva implementação à direita. (Fonte:
Epcos)
56
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Capítulo 5 - Projeto e Montagem do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
5.4. Placa de Comando
O desenvolvimento de uma placa de comando concretiza a interface entre o
circuito de controlo e o circuito de potência do sistema de acionamento do motor de
indução. Esta placa foi desenvolvida através do software PADS.
O PADS é uma ferramenta informática para o desenho de esquemáticos (PADS
Logic), conforme se pode ver na Figura 5.10 e para o desenho de placas de circuito
impresso (PADS Layout), como o da placa de comando da Figura 5.9. Em termos de
recursos situa-se muito próximo de uma bancada eletrónica MultiSim/Ultiboard. Novos
componentes e símbolos esquemáticos podem ser criados e editados utilizando o PADS
Editor (editor de lógica). Uma vez terminado o design e o layout da placa de circuito
impresso, o projeto deve ser exportado como arquivos Gerber para fabricar a placa de
circuito impresso. Neste caso a fabricação das placas de circuito impresso foi realizada
no Departamento de Eletrónica Industrial da Universidade do Minho, onde existem os
recursos necessários para a realização deste tipo de trabalho [37].
Power On/Off
Reset e memorização de erros
Comunicação DSP para IGBTs
Enable/Disable comunicação
Figura 5.9 - Esquema dos circuitos da placa de comando desenvolvida em software PADS LOGIC.
A placa de comando (Figura 5.10) vai realizar o ajuste dos níveis de tensão do
DSP, para os níveis de tensão do circuito de drive do inversor de potência. Ajusta os
níveis de tensão de 3,3 V do DSP, para 15 V do sinal de saída da placa de comando.
Nesta placa também é possível habilitar/desabilitar, através de um interrutor, a
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Capítulo 5 - Projeto e Montagem do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
comunicação/comutação do circuito de potência. Para permitir uma melhor gestão e
controlo sobre o estado de erros nas comutações dos IGBTs, foram implementados 6
LEDs vermelhos, que são ativados quando ocorrer um erro numa das comutações. Cada
um dos LEDs esta ligado a um dos brações do inversor, permitindo assim uma rápida
identificação do braço do inversor com problemas na comutação.
Interruptor
On/Off
Saídas
de
PWM
Ficha
Flat Cable
DSP
Entradas
de
Erro
Sinal de erro
Reset de erro
Enable
da
Comunicação
Figura 5.10 – Aspeto da placa de circuito impresso desenvolvida já montada.
5.5. Placa de DSP
O microcontrolador utilizado baseia-se numa plataforma da Texas Instruments, a
TMS320C2000, Figura 5.11 que combina periféricos de controlo e memória flash numa
arquitetura de 32 bits, com capacidade de processamento de vírgula flutuante.
A plataforma TMS320F28335 de 32 bits destina-se a aplicações de medição e
controlo em tempo real, apresentando um bom nível de fiabilidade, desempenho e a
capacidade de operação em diversos ambientes, como instrumentação médico-cirúrgica,
aplicações industriais, e claro, no âmbito desta dissertação, em controlo de motores.
Esta plataforma inclui uma unidade de processamento com velocidade de clock a
100 MHz, o que permite operações de medição e controlo em tempo real seis vezes
mais rápidas do que outras soluções alternativas para este tipo de ambientes. Outras
características incluem: 512 kB de memória flash, 68 KB de memória RAM interna, e
58
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Capítulo 5 - Projeto e Montagem do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
periféricos integrados para operações de controlo, além de seis saídas PWM de alta
resolução, e um conversor A/D de 12 bits e 16 canais de alta velocidade [38].
Figura 5.11 - Plataforma da Texas Instruments, TMS320F28335.
Na Figura 5.12 podemos observar dentro da caixa com delimitação de cor branca
os três conetores soldados à docking do microcontrolador que realizam a comunicação
dos dois sinais de entrada e o sinal de saída do DSP. O conetor mais à esquerda e de cor
castanha, header de 6 pinos, recebe o sinal do encoder. O conetor do meio, Mini DIN
de 6 pinos, recebe as correntes do motor, vindas da placa de condicionamento de sinal.
Finalmente o conetor preto à direita, uma Flat Cable de 10 pinos, envia os sinais de
PWM para a placa de comando.
Figura 5.12 – Plataforma TMS 320F28335 da Texas Instruments, adaptada para o projeto.
5.6. Placa Condicionamento de Sinal
A utilização de uma placa de condicionamento de sinal tornou-se necessária para
o sinal de saída do sensor de corrente, e para a entrada de sinal na placa de DSP.
Para realizar a montagem da placa de condicionamento de sinal, e sendo nesta
placa montada a resistência de medida do sensor de corrente, foi necessário dimensionar
o circuito de leitura mostrado na Figura 5.13 para a resistência de medida do sensor de
corrente.
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Capítulo 5 - Projeto e Montagem do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
Figura 5.13 - Circuito leitura para medição das correntes do motor para a placa de condicionamento de
sinal.
A gama da tensão de entrada analógica para os ADCs do DSP é de 0 a 3,3 V.
Como os sinais provenientes dos sensores de corrente são bipolares -15 V e +15 V, é
necessário realizar a adaptação destes sinais para o nível de sinal do ADC do DSP. Por
uma questão de tempo e reaproveitamento de equipamentos, a placa utilizada para
realizar este condicionamento de sinal é uma placa já desenvolvida anteriormente para o
projeto SINUS [32].
Figura 5.14 - Placa de condicionamento de sinal, para leitura das correntes do motor.
5.7. Sensores de Corrente
Para realizar a medição das correntes de carga (Ia, Ib, Ic) do motor de indução,
foram utilizados sensores de corrente da marca LEM, modelo LA100P (Figura 5.15). Os
sensores de correntes utilizados têm a saída em corrente, sendo a resistência de medida
colocada na placa de condicionamento de sinal [39]. Para podermos alojar os sensores
60
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Capítulo 5 - Projeto e Montagem do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
de corrente e os condensadores de desacoplamento de um modo mais adequado, foi
implementada uma placa de circuito impresso para integrar estes elementos.
Figura 5.15 - Sensor de corrente LEM LA100-P, e o esquema elétrico [39].
Os sensores de corrente são alimentados a -15 V e +15 V, e na extremidade da
placa estão montados dois condensadores, de 100 nF de poliéster, e de 10 uF
eletrolítico, para cada um dos dois níveis de alimentação, para uma minimização dos
efeitos de ruído, para uma melhor imunidade em altas e baixas frequências. Os sensores
de corrente são conectados à placa de condicionamento de sinal por meio de fichas
Mini-DIN e com terminais de aparafusamento na placa de circuito impresso dos
sensores de corrente. O cabo que realiza a ligação física é do tipo LYCY de 4
condutores, com uma secção de fio condutor de 0,14 mm de diâmetro, sendo blindado
com uma malha de isolamento para atenuar efeitos de interferência eletromagnética.
Esta montagem pode ser vista na Figura 5.16.
Figura 5.16 - Sensores de Corrente montados e implementados.
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Capítulo 5 - Projeto e Montagem do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
5.8. Sensores de Posição
O encoder é um tipo de sensor muito utilizado para verificar a posição de
motores. Tal como a maioria dos sistemas de controlo de motores, o nosso sistema de
controlo necessita de saber a posição do motor em cada instante. Na Figura 5.17, é
possível observar o motor de indução com um encoder incremental da Pepperl + Fuchs
TRD - J1000 - RZ já acoplado.
Figura 5.17 - Sensor de posição já acoplado ao motor de indução e pormenor do sensor de posição.
Este é um sensor que apresenta uma interface digital e alta resolução. Apresenta
uma contagem de 1000 pulsos por cada volta do motor, necessitando de um circuito de
interface para a sua utilização. Como caraterísticas possui proteção IP65 e gamas de
tensão de alimentação de 4,75 a 30 V em CC. A Figura 5.18 apresenta a implementação
do circuito realizado para o condicionamento do sinal do sensor.
Figura 5.18 - Circuito de acondicionamento de sinal em cima e implementação em baixo.
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Capítulo 5 - Projeto e Montagem do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução
5.9. Conclusões
Neste capítulo foi realizada uma descrição sobre a implementação do sistema de
controlo para o motor de indução. A realização deste trabalho prático permitiu aumentar
o conhecimento em diferentes níveis e simultaneamente integrar os conhecimentos
teóricos adquiridos ao longo da formação académica. Parte do sucesso no trabalho
prático deve-se ao gosto pela área da eletróncia, execução dos projetos e a ambição em
expandir e adquirir sempre novos conhecimentos. Especialmente os que envolvam
princípios elétricos, movimento de mecanismos. O trabalho em Eletrónica de Potência
exige um conhecimento transversal de diferentes áreas que se interligam no domínio da
eletrónica. Deste modo, reuniu-se e fundiu-se conhecimentos do campo de eletrónica,
eletrotecnia, teorias de controlo, programação.
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CAPÍTULO 6
Ensaios do Sistema de Controlo e Acionamento do
Motor de Indução
6.1. Introdução
Para este trabalho de dissertação foi proposto o estudo e desenvolvimento de um
sistema de controlo para o acionamento de um motor de indução trifásico. Neste
capítulo são mostrados e comentados os resultados obtidos, para esta dissertação. É
realizada uma reflexão sobre os resultados obtidos. Por fim temos as respetivas
conclusões do capítulo.
6.2. Resultados Obtidos
Tal como no capítulo anterior, os equipamentos de bancada utilizados para esta
função pertencem ao Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE). A Figura 6.1
mostra a bancada de trabalhos com os equipamentos utilizados para realizar a recolha
dos resultados. Para isso utilizou-se um osciloscópio digital de 8 canais da marca
YOKOGAWA modelo DL708E e um computador com um interface em LABVIEW para
podermos recolher e tratar estas imagens em suporte digital.
Figura 6.1 - Bancada de trabalho com equipamentos utilizados para a recolha de resultados.
Na Figura 6.2 temos três caixas de cor branca que indicam os pontos de medição
para recolha dos valores dos testes realizados. Os registos são dos valores de PWM
(medição no inversor), tensão na saída do inversor (medição nos terminais de ligação do
motor), correntes de saída do inversor (cabos de alimentação do motor). Para realizar as
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65
Capítulo 6 - Ensaios e Análise do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução Desenvolvido
medições do consumo de correntes no motor, foram utilizadas pinças amperimétricas,
com três voltas de fio (enrolamento) em cada pinça. Para os ensaios foi aplicada uma
tensão de 94 V ao barramento CC do inversor.
Figura 6.2 - Imagem das ligações para medições dos parâmetros no inversor e no motor.
Para um melhor esclarecimento e identificação da informação observada no
osciloscópio foi construído o diagrama da Figura 6.3, que indica as cores utilizadas no
osciloscópio para a recolha de valores. Nos subitens seguintes são abordados cada um
dos valores recolhidos.
Figura 6.3 - Imagem com identificação das cores utilizadas no osciloscopio para a visualização
de PWM, fase e correnete.
66
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Capítulo 6 - Ensaios e Análise do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução Desenvolvido
6.2.1. PWM Aplicado ao Inversor
A sequência de imagens que se segue mostra os resultados obtidos com o PWM
gerado pelo DSP e que é aplicado ao inversor. A Figura 6.4 mostra o dead time de 5 μs
para que cada IGBT do inversor comute sem provocar curto-circuito. A imagem
superior mostra uma captura mais ampla do sinal sem filtragem e a imagem de baixo
mostra uma janela ampliada para uma melhor análise.
5μs
Figura 6.4 - Pormenor do dead time aplicado entre comuntações.
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Capítulo 6 - Ensaios e Análise do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução Desenvolvido
A Figura 6.5 mostra o sinal de PWM aplicado ao inversor com o sinal filtrado
pelo osciloscópio com uma largura de banda de 500 Hz.
Figura 6.5 - Sinal de PWM aplicado aos terminais do IGBT.
6.2.2. Resultados da Tensão Produzida pelo Inversor
Na Figura 6.6 temos os resultados da tensão produzida pelo inversor e que é
aplicada aos terminais do motor de indução.
Figura 6.6 - Tensão de saída do inversor, filtrada pelo osciloscópio.
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Capítulo 6 - Ensaios e Análise do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução Desenvolvido
Na imagem temos o sinal, mas com uma filtragem de 500 Hz aplicado pelo
próprio osciloscópio. Como se pode observar na imagem captada pelo osciloscópio, a
onda produzida pelo inversor é uma onda sinusoidal, mas na realidade é uma onda
pulsada que fica sinusoidal depois de ser filtrada.
6.2.3. Correntes Produzidas pelo Inversor
Ao contrário das tensões produzidas pelo inversor, as correntes produzidas e
consumidas pelo motor são praticamente sinusoidais conforme se observa na Figura 6.7.
Figura 6.7 - Correntes do motor, sem filtragem na primeira imagem e com filtragem na segunda
imagem.
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Capítulo 6 - Ensaios e Análise do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução Desenvolvido
Nesta figura, a imagem superior faz a amostragem deste sinal sem qualquer tipo
de filtragem (observar detalhe da caixa preta no lado direito da figura, que indica as
opções de filtragem do osciloscópio). A imagem de baixo mostra o mesmo sinal, com as
mesmas características, com uma filtragem de 500 Hz aplicada pelo osciloscópio
(observar caixa preta). Como se observa este sinal ficou mais limpo.
6.3. Análise dos Resultados Obtidos
Apesar de haver sido implementado o sistema de controlo para o motor de
indução trifásico em operação, apenas foram validados e postos em prática na bancada
de trabalho o funcionamento do motor em malha aberta. Os resultados obtidos nas
simulações para as correntes de arranque do motor em malha aberta (Figura 4.9) são
semelhantes ao da Figura 6.8, obtido na banca de trabalho. Contudo, não é possível
confrontar de forma direta os valores da simulação com os do trabalho prático, uma vez
que os parâmetros do barramento CC das simulações e da bancada de trabalho são
diferentes.
Figura 6.8 - Corrente de arranque do motor.
6.4. Conclusões
Para conseguir obter estes resultados experimentais, foi necessário estudar e
aprender a trabalhar com a plataforma de DSP, para depois proceder à respetiva
configuração e programação do PWM. Após a programação, foi realizada a validação
deste, através da visualização dos sinais gerados no osciloscópio digital. Em seguida
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Capítulo 6 - Ensaios e Análise do Sistema de Controlo e Acionamento do Motor de Indução Desenvolvido
conectou-se (através de uma ficha Flat Cable de dez pinos) o DSP à placa de comando,
testando e validando as saídas do sinal de PWM entre o DSP e a placa de comando.
Após a confirmação da etapa anterior, passou-se ao teste do inversor, verificando e
validando todas as conexões em primeiro lugar. Ainda no seguimento dos testes do
inversor, foi ligada uma carga resistiva aos terminais deste, verificando as comutações.
Por fim e após o cumprimento das etapas anteriores é que foi ligado o motor de indução
aos terminais do inversor.
Neste capítulo é mostrado e comentado os resultados experimentais obtidos com o
sistema de acionamento do motor de indução trifásico, sendo também apresentados os
resultados obtidos para o acionamento do motor em malha aberta e comparados com os
resultados obtidos em simulação.
Devido a imprevistos ocorridos durante a elaboração do projeto não foi possível
obter mais resultados do motor em funcionamento em diferentes condições,
nomeadamente, em situação de malha fechada com variação de parâmetros, como
tensão, frequência de alimentação e variação de carga acoplada ao veio do motor.
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CAPÍTULO 7
Conclusões e Trabalho Futuro
7.1. Conclusões
O desafio proposto para a realização deste trabalho de dissertação foi o
desenvolvimento de um sistema de controlo e acionamento para um motor de indução
trifásico, sendo que a sua realização envolveu uma série de pesquisas, estudos,
investigação, desenvolvimento de práticas de eletrónica e programação. A realização
deste trabalho envolveu um planeamento e uma divisão de tarefas em diferentes fases.
Numa primeira fase foi realizada uma pesquisa sobre o estado da arte quanto às
técnicas de controlo de motores para motores de indução, um estudo de mercado sobre
as ofertas disponíveis e os preços de aquisição para motores e controladores para este
tipo de motores, isto para uma abordagem inicial.
A segunda fase para a realização deste trabalho de dissertação passou pela
escolha de uma técnica de controlo para o motor e a escolha do motor a utilizar para a
implementação do trabalho. Após a escolha do motor, foram realizados testes a este
para descobrir os valores dos seus parâmetros internos, para que estes pudessem ser
aplicados nos modelos de simulação e assim conseguir modelar a técnica de controlo
para o motor.
A terceira fase deste trabalho passou pela discussão do microcontrolador a
utilizar para este sistema de controlo e a posterior aquisição (compra). Foi necessário
aprender a trabalhar com o microcontrolador e com a plataforma de programação desta
unidade de processamento digital de sinal, sendo necessário o seu estudo.
A quarta fase deste trabalho passou pela discussão do modelo físico do sistema
de controlo a desenvolver para o motor de indução. Foram analisadas as necessidades
do sistema de controlo e adquiridos os materiais necessários para a realização do
trabalho. Aqui também tronou-se necessária mais uma vez a instalação e utilização de
novos programas informáticos para desenvolver as placas de circuito impresso. Após o
desenvolvimento destas placas, procedeu-se à montagem e validação das mesmas
placas.
Na quinta fase de tarefas deste trabalho procedeu-se à implementação do sistema
de controlo do motor de indução. Foram desenvolvidos os restantes circuitos do
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Capítulo 7 – Conclusões e Trabalho Futuro
sistema de controlo do motor de indução e a programação necessária para coordenar as
comutações do inversor. Por fim combinou-se os circuitos desenvolvidos e foi posto
em funcionamento o motor de indução trifásico.
No entanto quando se trabalha no desenvolvimento de projetos de investigação
como o apresentado nesta dissertação, é normal o aparecimento de imprevistos que
condicionam a realização e o cumprimento do plano de trabalhos. Alguns destes
imprevistos, são fatores externos ao trabalho, mas que mesmo assim condicionam e
perturbam a ação deste. Outros fatores são diretos e por vezes têm a ver com a
aquisição de materiais (atrasos nas encomendas), adaptação a diferentes plataformas
utilizadas para a realização do trabalho.
Em modo de conclusão desta dissertação será realizada uma síntese sobre cada
capítulo.
No capítulo um realizou-se uma breve apresentação deste trabalho de
dissertação, foi realizado um enquadramento mostrada organização e conteúdo desta
dissertação.
No capítulo dois foram apresentados sistemas para acionamento e uma análise
ao motor de indução. Foi também apresentado um módulo do inversor de frequência e
alguma da eletrónica de potência para o acionamento e controlo deste motor. No final
foi ainda dado a conhecer algumas unidades de controladores comerciais para o motor
de indução.
No capítulo três apresentaram-se técnicas de controlo para motores de indução,
controlo escalar e o controlo por orientação de campo, e o diagrama de blocos para
esta técnica, e outras matérias relevantes para o acionamento.
No capítulo quatro apresentou-se a estimação dos parâmetros do motor e as
simulações do sistema de controlo para o motor de indução.
No capítulo cinco foi apresentada a implementação do sistema de controlo e
acionamento do motor de indução e a montagem, dos diferentes sistemas
desenvolvidos.
No capítulo seis foram apresentados os resultados do sistema de controlo
desenvolvido para o motor de indução trifásico. Estes resultados foram apresentados, e
comentados nesta dissertação.
O capítulo sete, e último deste trabalho de dissertação, passou pelas conclusões
sobre a realização desta dissertação e por eventuais sugestões futuras para uma
evolução deste mesmo trabalho.
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Capítulo 7 – Conclusões e Trabalho Futuro
7.2. Sugestões para Trabalho Futuro
O sistema de controlo para o motor de indução desenvolvido pode ser adaptado e
aplicado num veículo elétrico. Para isso este pode ser melhorado, através do
desenvolvimento de uma placa de circuito impresso única e compacta, de modo a
albergar o circuito de comando e o circuito de leitura dos sensores. O circuito de
potência do inversor também pode ser rearranjado com base neste princípio.
A realização de testes do sistema de controlo para o motor de indução trifásico
em malha fechada é outra sugestão para trabalho futuro, assim como, a utilização de
motores de maior potência.
O desenvolvimento de um sistema de controlo que consiga lidar com travagem
regenerativa é outra inovação que poder ser implementada.
Outra solução interessante a integrar na conceção desta nova placa de circuito
impresso é a inserção de um dissipador de calor com refrigeração líquida. A integração
desta sugestão possibilita o desenvolvimento de sistemas de controlo cada vez mais
compactos, o que provoca sistemas de menor volume, menor peso e acima de tudo
com melhor eficiência energética. Estes três fatores têm especial interesse para o
desenvolvimento de veículos elétricos, uma vez que tem implicações diretas na
influência do desempenho do veículo elétrico.
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