Inversor de Frequência Trifásico

Inversor de Frequência Trifásico

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A fim de eliminar ou minimizar as perdas que ocorrem nos chaveamentos dos semicondutores, as quais, para freqüências elevadas limitam a aplicação dos semicondutores, têm sido criados circuitos que, nas transições de estado das chaves, produzem uma situação de tensão e/ou corrente nulas, minimizando, conseqüentemente, a potência dissipada nestes momentos. Estes processos são denominados de comutação suave (soft-commutation). Quando a comutação se dá com tensão nula nos terminais do interruptor, ela é denominada de ZVS (do inglês Zero Voltage Switching). Quando a comutação acontece com corrente nula, é chamada de ZCS (do inglês Zero Current Switching).

audíveis do chaveamento

O uso de comutação forçada (hard-commutation) em inversores, até um passado recente, era limitado a freqüências em torno de 5khz (para IGBTs e transistores bipolares), o que trazia grande incômodo oriundo do ruído acústico, além de pobres resultados em termos de harmônicas de corrente sobre a carga. A elevação da freqüência era inviável por causa da excessiva perda de potência no chaveamento. Desta época datam os primeiros circuitos para comutação suave, objetivando elevar a freqüência no mínimo para 20khz, eliminando os efeitos

Melhorias na tecnologia de construção, especialmente dos IGBTs, torna possível operá-los nos dias de hoje a 20khz sem necessidade de comutação suave. O interesse por estas técnicas se mantém, no entanto, pela possibilidade de se trabalhar sempre com menores conteúdos harmônicos de corrente sobre a carga.

2.1.4 Módulo IGBT+Gate driver

Existem no mercado algumas soluções interessantes e integradas para circuitos inversores. O usado no inversor proposto é o circuito integrado da fabricante International Rectifier (IR) IRAMS06UP60A. Teremos seis IGBTs em nosso inversor com mais seis gate drivers. Seria dispendioso e complexo o projeto de circuitos bootstraps e a placa certamente seria maior. O circuito integrado proposto engloba todos os elementos de chaveamento integrado, juntamente com proteção de sobre-temperatura, sobre-corrente e sobre-tensão. A figura 8 mostra a estrutura interna do módulo proposto para uso.

Figura 8 - Estrutura interna do circuito integrado

Figura 9 - Invólucro do circuito integrado Principais características do módulo IRAM:

• Drivers Gate e Diodos Bootstrap integrado.

• Monitor de Temperatura

• Desligamento por sobrecorrente.

• Isolamento total.

• Baixo Vce (on). • Bloqueio por subtensão e atraso de propagação para todos os canais.

• A lógica de entrada Schmitt-triggered.

• A lógica de prevenção de condução transversal.

• Menor / para controle de ruído.

• Controle de motor na faixa de potência de 0,1 ~ 0,5 KW / 85 ~ 253 Vac. • Isolamento de 2000VRMS/1min.

2.2 SISTEMAS DE CONTROLE

Entende-se por controle escalar o sistema de controle de velocidade feito por conversores de frequência convencionais, onde é necessária apenas a variação de velocidade em aplicações normais e que não requerem elevadas dinâmicas e precisões, nem controle de torque (corrente). O circuito de potência do conversor é igual para os dois sistemas (escalar ou vetorial), sendo que o que difere entre os dois é a forma com que é executado o controle de velocidade do motor.

Em um sistema com controle escalar, é possível uma precisão de velocidade de até 0,5% da rotação nominal sem variação de carga, e de 3% a 5% com variação de carga de 0 a 100% do torque nominal. Pelo princípio de funcionamento e aplicação, são utilizados na maioria das vezes motores de indução convencionais sem nenhum sistema de realimentação de velocidade (taco gerador acoplado ao motor) em malha fechada. A faixa de variação de velocidade é pequena e da ordem de 1:10 (Ex: 6 a 60 Hz).

Com estas características, o conversor de freqüência convencional (escalar), é utilizado em maior escala, pois apresenta um custo relativo menor que o conversor com controle vetorial, como também em relação a um acionamento por motor C e conversor CA/C.

Em aplicações onde se faz necessário uma alta performance dinâmica (resposta rápidas e alta precisão), o motor elétrico deverá fornecer essencialmente um controle preciso de torque para uma faixa extensa de condições de operações. Para tais aplicações os acionamentos de corrente contínua sempre representaram uma solução ideal, pois, a proporcionalidade da corrente de armadura, do fluxo e do torque num motor de corrente continua proporciona um meio para o controle de torque. Contudo, a busca por avanços tecnológicos significativos, tem diminuído esta hegemonia, e gradativamente, estão crescendo as opções por novas alternativas como o uso de acionamentos em corrente alternada do tipo controle vetorial.

Para que se tenha um controle vetorial bom é necessário que o inversor tenha a capacidade de suprir a corrente desejada pelo controle, neste caso tem se que usar um inversor PWM em alta freqüência com uma tensão adequada em relação à tensão do motor. Neste caso como podemos impor a corrente pelos reguladores de corrente a equação que descreve a tensão do motor em relação as suas características é resolvida pelo inversor e, portanto pode ser suprimida do modelo matemático do motor.

O fluxo rotórico, de modo semelhante ao acionamento da máquina de corrente continua e mantido no valor nominal em velocidade abaixo da velocidade nominal e trabalha reduzido em velocidade acima da nominal (enfraquecimento de campo). A diferença de velocidade (erro) é aplicada ao regulador de velocidade que atua sobre o valor de referencia de corrente, que é a responsável pelo torque do motor, variando este de modo a zerar o erro de velocidade. O encoder incremental acoplado ao eixo do motor fornece a referencia da velocidade real.

2.2.3 Sensorless

Sem encoder o valor da velocidade necessário para a regulação em malha fechada é estimado a partir dos parâmetros do motor e das variáveis disponíveis como: corrente e tensão do estator. Desta forma o controle pelo fluxo estatórico é mais conveniente, resultando num sistema mais robusto. O principio de controle é igual ao do controle com encoder.

2.3 Modulação

A modulação é um elemento importante no inversor de frequência. Com ele reconstruiremos a onda de saída do inversor. São diversas técnicas que podem ser implementadas, mas a mais comum e utilizada é por PWM. Neste método podemos variar ao longo do tempo seu duty cycle para simularmos uma onda senoidal. Ou então podemos manter seu duty cycle invariante, simulando uma onda quadrada.

Na modulação PWM, mantém a amplitude do pulso e varia-se a largura proporcionalmente aos valores do sinal modulador nos instantes correspondentes.

Figura 10 - Modulação PWM A vantagem do uso de circuitos PWM esta relacionado com sua eficiência, pois suas perdas são menores que 1%. Outra vantagem que se tem ao utilizar o PWM é o maior torque conseguido em motores, uma vez que o valor nominal de pico é mantido.

Mantendo-se a frequência da modulação, se torna mais fácil os cálculos de eficiência e reposta dos circuitos de filtro e do circuito de indutância do motor.

3 DESENVOLVIMENTO

3.1 Retificador

Usaremos um circuito retificador monofásico em nosso inversor, pela facilidade em testar e pela dificuldade em se encontrar linhas trifásicas.

Com base na equação um projetaremos o retificador para uma tensão de entrada de 220 vai. Assim obtemos:

A tensão de pico de ponte completa monofásica é dada pela equação 3. Assim temos uma tensão contínua de:

Informações do fabricante indicam que o motor de ½ HP consome, ligado em um sistema trifásico, algo em torno de 2 A.

Para a ponte monofásica utilizaremos a ponte integrada CM50010 da fabricante Multcomp. A figura 1 mostra a o invólucro da ponte retificadora.

Figura 1 - Integrado CM50010 As principais características aqui observadas são a tensão e corrente. Sua tensão é de 1000 V e sua corrente máxima é de 50 A, sendo mais que o suficiente para nosso sistema. Na figura é apresentado o circuito retificador com a inserção de um fusível e um NTC para proteção de surtos de corrente. O capacitor usado é para

200 volts, por isso foram ligados em série para que sua capacidade de tensão fosse maximizada para 400 volts resolvendo o problema de tensão.

Figura 12 - Circuito do retificador

3.2 Módulo IRAM

O módulo IRAM da IR, deve ser alimentada com as tensões de barramento uma tensão de acionamento de gatilho em torno de 15 V. Para seu funcionamento deveremos inserira alguns capacitores e um termistor para supervisão de temperatura. O mesmo apresenta seis pinos de controle, onde cada pino representa um IGBT. Seus pinos aceitam sinal TTL e podem ser controlados por qualquer microcontrolador. Um exemplo de aplicação é mostrado na figura abaixo.

Figura 13 - Estado dos pinos de entrada e a tensão de saída

Figura 14 - Exemplo de aplicação

3.3 Microcontrolador

O chaveamento das três fases deverão ser feitas na frequência de chaveamento de 4 kHz. Isso nos dá um período de 250 us de chaveamento, algo muito rápido e muito complexo a ser feito num microcontrolador comum. Por isso, utilizaremos um PIC18F4620 para realizar a modulação. Sua escolha é justificada pelo seu clock conjugado a um circuito PLL, onde conseguimos uma frequência final de 40 MHz. A figura dos pinos do microcontrolador é apresentada na figura 15.

Figura 15 - Pinout PIC18f4620

3.4 Algoritmo

O algoritmo de modulação funcionará exclusivamente por interrupções. Utilizaremos os quatro timers disponíveis pelo microcontrolador. O Timer0 funcionará a cada 250 us, criando a frequência base para a modulação PWM.

A cada interrupção do Timer0, o mesmo dispara os pinos correspondentes à onda a ser disparada e liga os timers Timer1, Timer2 e Timer3. O tempo de cada timer é menor que 250 us e seu tempo dirá a largura do pulso da modulação para cada pino, já que há ter seu tempo esgotado o mesmo desliga o pino correspondente.

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