Inversor de Frequência Trifásico

Inversor de Frequência Trifásico

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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Inversor de Freqüência Trifásico

CASCAVEL 2011

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Inversor de Freqüência Trifásico

Trabalho apresentado na disciplina de Eletrônica de Potência, do curso de Engenharia de Controle e Automação, da FAG, como requisito parcial de conclusão da disciplina. Professor Orientador: Ederson Zanchet

CASCAVEL 2011

O presente trabalho destina-se a apresentar um circuito eletrônico que atuará como um inversor de freqüência para motores trifásicos, utilizando um dispositivo chaveador do tipo IGBT juntamente com um circuito driver, e um microcontrolador, que proverá todos os tipos de pulsos necessários para efetuar o chaveamento do IGBT.

Palavra-chave: Inversor de freqüência, onda senoidal chaveada.

This work is intended to provide an electronic circuit that acts as a frequency inverter for AC motors using a switch-type device with an IGBT driver circuit and a microcontroller, which will provide all types of pulses necessary to effectuate the switching of the IGBT.

Keyword: frequency inverter, sine wave switching.

FETField Effect Transistor
IGBTInsulated Gate Bipolar Transistor
KWkilo-Watts
FETField Effect Transistor
MOSMetal Oxide Semiconductor
PWMPulse Width Modulation
RMSRoot Mean Square

LISTA DE ABREVIATURAS MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor TBP Bipolar Junction Transistor

Figura 1 - Bloco de um inversor de freqüência completo9
Figura 2 - Retificador Monofásico10
Figura 3 - Forma de onda na saída do retificador monofásico10
Figura 4 - Ponte de Graetz1
Figura 5 - Forma de onda no retificador trifásico1
Figura 6 - IGBT circuito equivalente e Símbolo13
Figura 7 - 1° Carga do capacitor. 2° Chavear a tensão do capacitor15
Figura 9 - Estrutura interna do circuito integrado17
Figura 10 - Invólucro do circuito integrado18
Figura 1 - Modulação PWM21
Figura 12 - Integrado CM500102
Figura 13 - Circuito do retificador23
Figura 14 - Estado dos pinos de entrada e a tensão de saída23
Figura 15 - Exemplo de aplicação24
Figura 16 - Pinout PIC18f462025
Figura 17 - Placa de controle26
Figura 18 - Placa do circuito de potência27
Figura 19 - Fase 1. Parte alta e baixa27
Figura 20 - Fase 1 parte alta e Fase 2 parte alta28
Figura 21 - Fase 1 parte alta e fase 3 parte baixa28
Figura 2 - Modulação PWM29
1 INTRODUÇÃO8
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA9
2.1 Inversores de Freqüência9
2.1.1 Circuito Retificador com Filtro9
2.1.2 Circuito chaveador12
2.1.3 Hard-switching ou hard-commutation15
2.1.4 Módulo IGBT+Gate driver17
2.2 SISTEMAS DE CONTROLE19
2.2.1 ESCALAR19
2.2.2 VETORIAL19
2.2.3 Sensorless20
2.3 Modulação21
2.3.1 PWM21
3 DESENVOLVIMENTO2
3.1 Retificador2
3.2 Módulo IRAM23
3.3 Microcontrolador24
3.4 Algoritmo25
4 RESULTADOS26
4.1 Circuito de Controle26
4.2 Circuito de potência26
4.3 Modulação PWM27
4.4 Testes no Motor30
5 CONCLUSÃO31
6 BIBLIOGRAFIA32
APÊNDICE I - CIRCUITO3
APÊNDICE I – ALGORITMO34

1 INTRODUÇÃO

Os inversores de freqüência são dispositivos que convertem uma determinada tensão com freqüência normalmente fixa e a converte para uma tensão com freqüência controlada para uma determinada aplicação, normalmente motores elétricos. Sua aplicação é altamente difundida nos dias de hoje, e sua eficiência e benefícios são inquestionáveis, substituindo processos que antes utilizavam motorredutores e outros mecanismos, com a facilidade de possuir controle de freqüência e tensão, e por conseqüência, o torque inserido no sistema. Apresentaremos uma parte do inversor de freqüência, onde controlaremos a freqüência e a tensão para um pequeno motor trifásico. Note que o projeto apresentado não possui sistemas de proteção ou filtros de EMI, sendo apenas um pequeno experimento.

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1 Inversores de Freqüência

Dotados primeiramente de um conversor CA-C e posteriormente C-CA, o bloco principal é apresentado na figura 1.

Figura 1 - Bloco de um inversor de freqüência completo A figura 1 mostra o bloco de funcionamento de um inversor para motores trifásicos com entrada trifásica. O inversor de frequência também pode ser usado para ligar motores trifásicos em redes monofásicas.

2.1.1 Circuito Retificador com Filtro

A função básica de um circuito retificador trifásico ou monofásico é converter um sinal analógico para sinal continuo. No caso do circuito da figura 1, o retificador trifásico ou ponte de Graetz, provê um sinal com um valor de ripple baixo se comparado a um retificador monofásico, sendo sua grande vantagem, a possibilidade de uso de capacitores menores neste tipo de circuito e diminuição da corrente de descarga e carga provocada pelo chaveamento do IGBT.

Figura 2 - Retificador Monofásico

Figura 3 - Forma de onda na saída do retificador monofásico

= 0,9.V0(1)

1 Figura 4 - Ponte de Graetz

Figura 5 - Forma de onda no retificador trifásico

Na equação 1 temos o cálculo de tensão média em um retificador monofásico e na equação 3 temos o cálculo para tensão média de retificador trifásico. Pelas duas equações podemos constatar que o retificador trifásico possui uma tensão média de saída bem mais alta que um retificador monofásico de onda completa.

A inserção de capacitores de filtro faz com que o sinal se torne contínuo e constante. Sua tensão de saída com o capacitor corresponde ao pico do sinal e sua variação pico a pico corresponde ao ripple do sinal.

É um semicondutor que possui metade bipolar e metade FET. Onde a corrente principal é conduzida entre um coletor e um emissor como num transistor bipolar, mas a corrente é controlada aplicando uma tensão entre a porta e o emissor. Por possuir as características tanto de FET quanto bipolar, o IGBT é utilizado para controle de potência, principalmente encontrado em aplicações industriais.

Dentre tantas aplicações que empregam o uso do IGBT as mais comuns são, fontes chaveadas, solenóides, controle de motores e algumas aplicações que necessitem o controle de correntes elevadas.

Reunindo as características de comutação dos transistores bipolares de potência à elevada impedância de entrada dos MOSFET, o IGBT se torna cada vez mais popular nos circuitos de controle de potência de uso industrial e até mesmo em eletrônica de consumo e embarcada.

Os transistores bipolares de potência possuem características que permitem sua utilização no controle de elevadas correntes com muitas vantagens, como baixas perdas no estado de condução. No entanto, as suas características de entrada, necessitam correntes elevadas de base, já que operam como amplificadores de corrente trazem certas desvantagens em algumas aplicações.

Já os transistores de efeito de campo MOS de potência podem também controlar potências elevadas com muitas vantagens pelo fato de exigirem tensão para o disparo, pois, embora sejam dispositivos de alta impedância têm como desvantagem uma baixa velocidade de comutação devida às capacitâncias de gate que aumentam com a intensidade de corrente (Largura do canal) que deve ser controlada. No entanto, para baixas correntes de condução através do canal, o MOSFET pode operar com elevadas freqüências.

O IGBT reúne a facilidade de acionamento dos MOSFET e sua elevada impedância de entrada com as pequenas perdas em condução dos TBP velocidade de chaveamento é determinada, lentas. Assim, a velocidade do IGBT é semelhante à dos TBP, no entanto, nos últimos anos tem crescido gradativamente, permitindo a sua operação em freqüências de dezenas de kHz, nos componentes para correntes na faix dezenas e até centenas de Ampéres.

Figura Fonte: < http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/almanaque/13

2.1.2.2 Gate Driver O circuito de comando de interruptor IGBT nos estados de comutação, condução e bloqueio, proporcionando também o isolamento entre o circuito de controle e o circuito de potência, evitan sua possível destruição devido aos diferentes potenciais de tensão de emissor e coletor.

controlada. No entanto, para baixas correntes de condução através do canal, o pode operar com elevadas freqüências.

O IGBT reúne a facilidade de acionamento dos MOSFET e sua elevada impedância de entrada com as pequenas perdas em condução dos TBP velocidade de chaveamento é determinada, a princípio, pelas características mais lentas. Assim, a velocidade do IGBT é semelhante à dos TBP, no entanto, nos últimos anos tem crescido gradativamente, permitindo a sua operação em de dezenas de kHz, nos componentes para correntes na faix dezenas e até centenas de Ampéres.

Figura 6 - IGBT circuito equivalente e Símbolo http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/almanaque/1365

O circuito de comando de gate deve permitir uma operação adequada do interruptor IGBT nos estados de comutação, condução e bloqueio, proporcionando também o isolamento entre o circuito de controle e o circuito de potência, evitan sua possível destruição devido aos diferentes potenciais de tensão de emissor e

13 controlada. No entanto, para baixas correntes de condução através do canal, o

O IGBT reúne a facilidade de acionamento dos MOSFET e sua elevada impedância de entrada com as pequenas perdas em condução dos TBP. Sua a princípio, pelas características mais lentas. Assim, a velocidade do IGBT é semelhante à dos TBP, no entanto, nos últimos anos tem crescido gradativamente, permitindo a sua operação em de dezenas de kHz, nos componentes para correntes na faixa de deve permitir uma operação adequada do interruptor IGBT nos estados de comutação, condução e bloqueio, proporcionando também o isolamento entre o circuito de controle e o circuito de potência, evitando

Um circuito bem projetado deve produzir as mínimas perdas de condução e comutação com moderados esforços de tensão e corrente, protegendo o dispositivo da destruição.

Atualmente muitos fabricantes de IGBT tem desenvolvido circuitos de comando de gate integrados dedicados para seus dispositivos.

Existem circuitos com isolamento e sem isolamento, todos estes circuitos necessitam de uma fonte de tensão isolada na saída. Os circuitos com isolamento utilizam foto sensores de sinal para transmitir os pulsos da entrada para a saída e os circuitos sem isolamento utilizam a técnica do Bootstrap, que normalmente são utilizados em conversores de potência menores que 2 kW, e tensão menores que 600 v. Alguns circuitos ainda podem apresentar proteção contra curto-circuito.

O termo vem do inglês e é o nome dado a um acessório usado para ajudar a calçar botas. Hoje o termo é usado em uma infinidade significados metafóricos tanto na eletrônica como na computação de forma geral e é associado a técnicas que auxiliam processos sem ajuda externa.

A maioria de gate drivers utilizam uma técnica nomeada Bootstrap. Quando analisamos o acionamento da parte “alta” da ponte igbt podemos perceber que há uma certa dificuldade em gerar a tensão VBE necessária para que ele comute, já que o circuito de acionamento está referenciado pelo terra e não pelo emissor do igbt de cima. Assim utilizam capacitores e circuito comutatores que carregam os capacitores em determinado momento e depois utilizam a energia armazenada para disparar o igbt. O 1° passo é mostrado na figura 7, onde o igbt da parte baixa carrega o capacitor Cb, já que o igbt de baixo está ligado e o de cima desligado.

Figura 7 - 1° Passo Carga do capacitor. 2° Passo Chavear a tensão do capacitor Com o capacitor carregado, o gate driver usará a tensão do capacitor para disparar o igbt de cima como mostra a figura 7.

Dessa forma aproveita-se o disparo do igbt da parte baixa para carregar o capacitor e para depois usa-la quando necessário para disparar o igbt da parte de cima.

A escolha do valor do capacitor de bootstrap depende diretamente da frequência de chaveamento dos IGBTs,

2.1.3 Hard-switching ou hard-commutation

Nas topologias em que as chaves semicondutoras comutam a corrente total da carga a cada ciclo, elas ficam sujeitas a picos de potência que colaboram para o stress do componente, reduzindo sua vida útil. Além disso, elevados valores de di/dt e dv/dt são potenciais causadores de interferência eletromagnética (IEM).

Quando se aumenta a freqüência de chaveamento, buscando reduzir o tamanho dos elementos de filtragem e dos transformadores, as perdas de comutação se tornam mais significativas sendo, em última análise, as responsáveis pela limitação da freqüência máxima de operação dos conversores.

Por outro lado, caso a mudança de estado da chave ocorra quando tensão e/ou corrente por ela seja nula, o chaveamento se faz sem dissipação de potência.

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