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EE833 Eletrônica de Potência Módulo 7 FEEC - UNICAMP 1 FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO - UNICAMP EE-833 - ELETRÔNICA DE POTÊNCIA MÓDULO 7 CONVERSORES PARA ACIONAMENTO DE MÁQUINAS ELÉTRICAS ASPECTOS TEÓRICOS 7.1 Introdução As máquinas de corrente alternada, especialmente a máquina de indução, são construtivamente muito mais simples e robustas do que as máquinas de corrente contínua. Quando comparadas a máquinas de corrente contínua, apresentam menor massa (20 a 40% a menos), para uma mesma potência, o que leva a um custo menor de aquisição e de manutenção em relação a máquinas CC equivalentes. Quando se trata de realizar um acionamento controlado, no entanto, os conversores e sistemas de controle necessários se tornam mais sofisticados do que aqueles utilizados para as máquinas CC, o que faz necessário analisar o custo global, e não apenas o relativo à máquina. Entretanto, o custo dos conversores e circuitos eletrônicos tem diminuído com o passar o tempo, enquanto o custo de produção das máquinas tem tido uma variação muito menos significativa. Por esta razão, o custo total do sistema máquina + acionamento tende cada vez mais a ser vantajoso para a máquina CA. Em termos de desempenho dinâmico, novas técnica de controle tem possibilitado às máquinas CA apresentarem comportamento similar ao das máquinas CC, eliminando, também neste aspecto, as vantagens anteriores das máquinas de corrente contínua. Este experiência analisará o uso de conversores CC-CA utilizados no acionamento de máquinas de corrente alternada e que representam a grande maioria das aplicações industriais neste campo. 7.2 Excitação senoidal de um circuito magnético É usual em máquinas elétricas e em transformadores que as tensões e, consequentemente, os fluxos magnéticos variem senoidalmente com o tempo. Considere o circuito magnético mostrado na figura 7.1. Uma tensão senoidal e(t) alimenta um enrolamento de N espiras. A corrente que circula (desprezando a saturação do material magnético), chamada de corrente de magnetização, também tem forma senoidal, o mesmo ocorrendo com o fluxo φ(t). + - e(t) N φ Fig. 7.1 Excitação senoidal de um núcleo ferromagnético (sem saturação) ) t cos( E ) t ( e p ϖ = (7.1) ) t ( sin ) t ( p ϖ Φ = φ (7.2)

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EE833 Eletrnica de Potncia Mdulo 7 FEEC - UNICAMP

1

FACULDADE DE ENGENHARIA ELTRICA E DE COMPUTAO - UNICAMP EE-833 - ELETRNICA DE POTNCIA

MDULO 7

CONVERSORES PARA ACIONAMENTO DE MQUINAS ELTRICAS

ASPECTOS TERICOS

7.1 Introduo As mquinas de corrente alternada, especialmente a mquina de induo, so construtivamente muito mais simples e robustas do que as mquinas de corrente contnua. Quando comparadas a mquinas de corrente contnua, apresentam menor massa (20 a 40% a menos), para uma mesma potncia, o que leva a um custo menor de aquisio e de manuteno em relao a mquinas CC equivalentes. Quando se trata de realizar um acionamento controlado, no entanto, os conversores e sistemas de controle necessrios se tornam mais sofisticados do que aqueles utilizados para as mquinas CC, o que faz necessrio analisar o custo global, e no apenas o relativo mquina. Entretanto, o custo dos conversores e circuitos eletrnicos tem diminudo com o passar o tempo, enquanto o custo de produo das mquinas tem tido uma variao muito menos significativa. Por esta razo, o custo total do sistema mquina + acionamento tende cada vez mais a ser vantajoso para a mquina CA. Em termos de desempenho dinmico, novas tcnica de controle tem possibilitado s mquinas CA apresentarem comportamento similar ao das mquinas CC, eliminando, tambm neste aspecto, as vantagens anteriores das mquinas de corrente contnua. Este experincia analisar o uso de conversores CC-CA utilizados no acionamento de mquinas de corrente alternada e que representam a grande maioria das aplicaes industriais neste campo.

7.2 Excitao senoidal de um circuito magntico usual em mquinas eltricas e em transformadores que as tenses e, consequentemente, os fluxos magnticos variem senoidalmente com o tempo. Considere o circuito magntico mostrado na figura 7.1. Uma tenso senoidal e(t) alimenta um enrolamento de N espiras. A corrente que circula (desprezando a saturao do material magntico), chamada de corrente de magnetizao, tambm tem forma senoidal, o mesmo ocorrendo com o fluxo (t).

+

-

e(t) N

Fig. 7.1 Excitao senoidal de um ncleo ferromagntico (sem saturao)

)tcos(E)t(e p = (7.1)

)t(sin)t( p = (7.2)

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2

dt

dN)t(e

= (7.3)

fN2

Epp

= (7.4)

Note-se que, mantida a tenso, uma reduo na frequncia leva a um aumento no fluxo. Caso o elemento magntico no seja linear, ou seja, apresente saturao, isto significa que o fluxo no pode aumentar acima de um certo valor mximo, de modo que a eq. (7.2) no seja mais vlida, mantida a tenso senoidal.

7.3 Modelagem da mquina de induo trifsica Uma mquina de induo trifsica possui enrolamentos de estator nos quais aplicada a tenso alternada de alimentao. O rotor pode ser composto por uma gaiola curto-circuitada ou por enrolamentos que permitam circulao de corrente. Dada a caracterstica trifsica da alimentao do estator e distribuio espacial dos enrolamentos, o campo produzido pelo estator girante, ou seja, sua resultante possui um movimento rotacional. Por efeito transformador, os campos magnticos produzidos pelos enrolamentos do estator induzem correntes no rotor. O campo produzido pelas correntes induzidas no rotor ter a mesma caracterstica rotacional, procurando sempre acompanhar o campo girante do estator de modo que, da interao de ambos campos magnticos ser produzido o torque que levar a mquina rotao. Se o rotor girar na mesma velocidade do campo girante, no haver corrente induzida, uma vez que no haver variao de fluxo pelas espiras do rotor. No havendo corrente, no haver torque. Desta anlise qualitativa pode-se concluir que a produo de torque no eixo da mquina deriva do fato de que a velocidade do rotor ser sempre menor do que a velocidade do campo girante. A corrente induzida no rotor possui uma frequncia que a diferena das frequncias angulares do campo girante e do rotor. Assim, na partida, com a mquina parada, as correntes sero de 60Hz (supondo esta a frequncia de alimentao da mquina). medida que a mquina ganha velocidade, tal frequncia vai caindo, at chegar, tipicamente, a poucos Hz, quando atingir a velocidade de regime. A velocidade angular do campo girante depende, alm da frequncia de alimentao, do chamado nmero de plos da mquina. O nmero de plos indica quantos enrolamentos, deslocados espacialmente (simetricamente) no estator, so alimentados pela mesma tenso de fase. Assim, se 3 enrolamentos (1 para cada fase) estiverem dispostos num arco de 180 graus e outros 3 enrolamentos ocuparem os outros 180 graus do permetro do estator, diz-se que esta uma mquina de 4 plos (ou 2 pares de plos). O modelo por fase de um motor de induo mostrado na figura 7.2. O ramo em derivao, composto por Rm e Xm representa, respectivamente, a resistncia de perdas no material ferromagntico e a reatncia de magnetizao (a corrente que circula por Xm a responsvel por criar o fluxo no material ferromagntico). Rs e Rr representam as resistncias dos enrolamentos do estator e do rotor, enquanto Xs e Xr so as reatncias de disperso de estator e de rotor, ou seja, representam as parcelas de fluxo que no enlaam ambos enrolamentos. A figura 7.3 mostra um circuito simplificado, no qual desprezam-se as perdas ferromagnticas e a queda de tenso no enrolamento do estator, de modo que a tenso de alimentao (Vs) igual tenso Es. Esta ltima, por sua vez, relaciona-se com o fluxo, de acordo com as equaes (7.1 a 7.4).

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3

Vs

+

jX s Rs

N s N r

Es

+

Er

+

jX r'

R r'

s

I' rI s

Vs

+

jX s Rs

Vm=Es

+

jX r

R rs

I rI s

jX mRm

I m

s.Er

+

js.X r'

R r'

I' r(a) (b)

(c)

Figura 7.2 Modelos circuitais para motor de induo: a) circuito do rotor; b) com rotor e estator separados, c) com rotor refletido ao lado do estator.

Vs

+

jXs Rs jXr

Rrs

= I rI s

mjX

I m

I i

Zi Figura 7.3 Modelo simplificado, por fase, de motor de induo.

Pode-se demonstrar que a expresso do torque desenvolvido pelo motor :

( )T

R V

s RR

s X Xd

r s

s sr

s r

=

+

+ +

3 2

2 2 (7.5)

s a velocidade angular do campo girante (velocidade sncrona) s o escorregamento definido por:

s

ms )(s

= (7.6)

m a velocidade angular do rotor A figura 7.4 mostra uma curva torque - velocidade tpica para um motor alimentado a partir de uma fonte de tenso senoidal de frequncia e amplitude fixas. Existem 3 regies de operao: trao (0

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4

0

1 0.5 0 0.5 1 1.5 2

Td

s

Regenerao Trao Reverso

-s s

T

T

T

mm

s

mr

m m

m

ssmsm

0 2

m

sss

Figura 7.4 Caracterstica torque-velocidade de mquina de induo.

Em trao, o rotor roda no mesmo sentido do campo girante e, medida que o escorregamento aumenta (partindo do zero), o torque tambm aumenta, de maneira praticamente linear, enquanto o fluxo de entreferro se mantm constante. A operao normal do motor se d nesta regio linear, uma vez que, se o torque de carga exceder Tmm, o motor, perdendo o seu torque, parar, levando a elevadas perdas no rotor, devido s altas correntes induzidas no rotor. Neste caso o motor se comportaria como um transformador com o secundrio (rotor) curto-circuitado. Na regio de regenerao, o rotor e o campo girante movem-se no mesmo sentido, mas a velocidade mecnica, m, maior do que a velocidade sncrona, levando a um escorregamento negativo. Como a resistncia equivalente do rotor negativa, isto significa que a mquina est operando como gerador, entregando potncia para o sistema ao qual est conectado o estator. A caracterstica torque - velocidade similar quela da operao em trao, mas com um valor de pico maior (uma vez que o numerador menor do que no caso de trao). No modo de reverso, o campo girante gira em sentido oposto ao rotor, levando a um escorregamento maior do que 1. Isto pode ocorrer quando se faz a inverso na conexo de 2 fases do estator, provocando a mudana no sentido de rotao do campo. O torque produzido (que tende a acompanhar o campo girante) se ope ao movimento do rotor, levando a uma frenagem da mquina. O torque presente pequeno, mas as correntes so elevadas. A energia retirada da massa girante dissipada internamente na mquina, levando ao seu aquecimento, que pode ser excessivo. Tal modo de operao no normalmente recomendado.

7.4 Mtodos de controle da velocidade de mquina de induo Do ponto de vista do acionamento, a velocidade de um motor de induo pode ser variada das seguintes maneiras Controle da resistncia do rotor Controle da tenso do estator Controle da frequncia do estator Controle da tenso e da frequncia do estator Controle da corrente

7.4.1 Controle pela resistncia Para uma mquina de rotor enrolado possvel, externamente, colocar resistncias que se somem impedncia prpria do rotor, como mostrado na figura 7.5.a.

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Para melhorar a eficincia, os resistores podem ser substitudos por um retificador controlado que, ao invs de dissipar energia sobre a resistncia externa, possa envi-la de volta para a rede. A relao entre a tenso cc definida pelo retificador e a corrente Id refletem para os enrolamentos do rotor a resistncia equivalente. Este arranjo mostrado na figura 7.5.b. A variao de Rx permite mover a curva torque - velocidade da mquina, como mostrado na figura 7.6. Note que, para um dado torque, o aumento da resistncia do rotor leva a uma diminuio na velocidade mecnica. Este mtodo permite elevar o torque de partida e limitar a corrente de partida. Obviamente este um mtodo de baixa eficincia devido dissipao de potncia sobre as resistncias. O balanceamento entre as 3 fases fundamental para a boa operao da mquina. Este tipo de acionamento ainda usado especialmente em situaes que requeriam grande nmero de partidas e paradas, alm de elevado torque, como em pontes rolantes.

Estator

Rotor

Rx

Rx

Rx (a)

Estator

Rotor

Retificador Ld

(b)

Retificador

Controlado Id

Vd Vdc Trafo Rede

Figura 7.5 Controle de velocidade por variao da resistncia da armadura.

0

0.5

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8

m

Td/Tmm

Rr

5Rr

10Rr

s

Figura 7.6 Caracterstica torque - velocidade para diferentes valores de resistncia de rotor (normalizada em relao ao torque mximo)

7.4.2 Controle pela tenso de alimentao do estator Da equao do torque v-se que ele proporcional ao quadrado da tenso aplicada ao estator. Assim para um dado torque, uma reduo na tenso produz uma diminuio na velocidade (um aumento no escorregamento), como mostrado na figura 7.7. Este tipo de acionamento em geral utilizado em cargas cujo torque varia com a velocidade, como em ventiladores, e no aplicvel quando se necessita de torque constante, nem elevado conjugado de partida. A faixa de ajuste de velocidade relativamente estreita e feita ao custo de uma reduo significativa do torque disponvel. Quando a curva do torque da carga cruza a curva da mquina alm do ponto de torque mximo, no possvel o acionamento.

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6

0

0.5

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8

ms

0

0.5

1

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14

s

torque de carga

Td

100%Vs 80%Vs 60%Vs

Td

Figura 7.7 Caractersticas torque - velocidade para diferentes valores de tenso de alimentao.

A tenso do estator pode ser variada por meio de um controlador de tenso ca, formado por tiristores, operando com controle de fase. Sua simplicidade justifica seu uso em sistemas de baixa performance e potncia, como ventiladores e bombas centrfugas, que precisam de baixo torque de partida. Outra possibilidade o uso de um inversor trifsico, operando com frequncia constante e tenso ajustvel, seja variando a tenso cc, seja por uso de MLP. O fato de a tenso de partida ser reduzida permite uma limitao na corrente de partida. A figura 7.8 mostra, esquematicamente, os acionamentos.

Inversor

Trifsico

estator estatorRede Controlador

CAVcc

(a) (b)

Figura 7.8 Controle da tenso de estator por inversor (a) e controlador ca (b).

7.4.3 Controle pela variao da frequncia Como se v na eq. 7.5, o torque e a velocidade de um motor de induo podem ser variados controlando-se a frequncia da fonte de alimentao. Nos valores nominais de tenso e frequncia, o fluxo de entreferro da mquina tambm estar em seu valor nominal. Se a tenso for mantida constante e a frequncia diminuda, o fluxo aumentar, levando saturao da mquina, alterando os parmetros da mquina e a caracterstica torque - velocidade. Em baixas frequncias, com a queda das reatncias, as correntes tendem a se elevar demasiadamente. Este tipo de controle no normalmente utilizado. Se a frequncia aumentada acima do valor nominal, fluxo e torque diminuem. Sendo s a velocidade sncrona frequncia nominal, as curvas tpicas de torque - velocidade para diferentes valores de b ( s bb= ) esto mostradas na figura 7.9. Abaixo da velocidade sncrona nominal o torque deve ficar limitado ao seu valor nominal. A elevao da frequncia permite aumentar a velocidade, s custas da perda do torque. Esta caracterstica similar dos motores de corrente contnua quando se faz a elevao da velocidade pelo mtodo do enfraquecimento do campo. Uma alimentao deste tipo pode ser obtida por meio de um inversor que fornea uma tenso constante (valor eficaz), variando apenas a frequncia.

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7

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0.5 1 1.5 2 2.5

Td/Tm

b=1

b=1.5

b=2 b=2.5

m = b* b b>1 Figura 7.9 Caracterstica torque - velocidade com controle da frequncia.

7.4.4 Controle da tenso e da frequncia Se a relao entre a tenso e a frequncia da alimentao do motor mantida constante, o fluxo de entreferro no se altera, de modo que o torque mximo no se altera. A figura 7.10 mostra a caracterstica torque - velocidade para uma excitao deste tipo, para velocidades abaixo da velocidade base.

0

0.167

0.333

0.5

0.667

0.833

1

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

T( ),s 1

T( ),s .8

T( ),s .6

m= b * b b

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8

freq.

Tenso

fnominal

Vnominal

VMnima

fmxima

fmnima

Figura 7.11 Caracterstica V/Hz tpica de acionamento de motor CA.

7.6 Plataforma Digital O modulo 7 utiliza uma plataforma digital para realizar o comando e o controle do mdulo inversor. O circuito de potncia o mesmo utilizado no mdulo 6, com o circuito integrado IRAM, que realiza um inversor trifsico. O aproveitamento de apenas dois dos trs braos do inversor permite realizar um inversor monofsico em ponte completa. A placa digital possui um microcontrolador PIC18f4431e diversos outros dispositivos digitais que permitem estabelecer comunicao com um computador (para visualizao de grandezas observadas pelo controlador e para ajuste de parmetros de acionamento esta facilidade no ser utilizada neste experimento). Um outro canal de comunicao possibilita a programao do microcontrolador na prpria placa. A placa digital possui tambm um display LCD para configurao local do modo de funcionamento. Uma entrada de encoder e outra entrada para um tacmetro permitem a leitura de sinais de velocidade de motores. Os canais analgicos do conversor A/D esto disponveis para a implementao de funes de controle e proteo. Para a realizao da parte experimental deste mdulo, o ajuste de parmetros (tenso e frequncia) feito atravs de um potencimetro que ajusta cada uma das variveis, a depender de qual destas foi selecionada atravs dos push-bottoms localizados abaixo do display.

Figura 7.12 Diagrama geral do sistema

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Microcontrolador PIC18f4431

O microcontrolador escolhido para este projeto foi o PIC18f4431. Este microcontrolador de baixo custo e possui as seguintes caractersticas, importantes na escolha:

Seis sadas PWM, para controlar os seis transistores de potncia do inversor trifsico. Poderamos tambm utilizar apenas trs sadas do microcontrolador e usar um inversor lgico para obter as outras trs, porm desta maneira temos uma operao mais flexvel (podemos, por exemplo, ajustar o tempo morto por software) e segura, pois podemos manter todos os transistores desligados.

Entrada para capturar o sinal de um sensor de velocidade (Motion Feedback Module) que facilita a aquisio da informao de velocidade do tacmetro.

Memria flash e possibilidade de programao In-Circuit (isto , sem tirar o microcontrolador do circuito) que aceleram o processo de desenvolvimento.

Disponibilidade de um compilador C. Mdulo de comunicao serial RS232. Pinos de I/O suficientes para a interface com o usurio (LCD e botes). Disponibilidade de conversores A/D para o potencimetro usado como referncia e

para monitorao e realimentao de variveis de interesse. Operao em 8 bits e at 40MHz (ou 10mips), suficiente para atualizao do

PWM, rotinas de controle, comunicao e interface.

Figura 7.13 Microcontrolador PIC18f4431

7.7 Circuito Integrado de Potncia O circuito integrado de potncia utilizado como inversor o IRAMS10UP60A,

mostrado abaixo:

Figura 7.14 Mdulo Integrado de Potncia IRAM

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Este mdulo consiste em seis transistores (IGBTs) ligados em uma ponte inversora trifsica, os circuitos de acionamento dos transistores (drivers) com tempo morto e um circuito de proteo trmica baseado em um termistor (NTC).

Este mdulo foi escolhido por atender aos requisitos de tenso de at 600 V e corrente eficaz de at 5 Arms (na pior condio de temperatura T=100C) suficientes para acionar um motor trifsico de at 750 W (~1 HP).

7.7.1 Interface Atravs de LCD Esta interface em um display de LCD, com 2 linhas e 16 caracteres por linha, um

potencimetro e trs botes, identificados na placa pelos nmeros de 1, 2 e 3, bem como pelas etiquetas Run/Stop, Fwd/Rev e OK, respectivamente. A disposio destes dispositivos de interface mostrada abaixo:

1 2 3

Potencimetro

Display de LCD 16x2

Fwd/Rev OKRun/Stop

Min Max

Figura 7.15 Organizao dos dispositivos de interface

As funes do potencimetro e de cada boto dependem da etapa do programa em que o usurio se encontra. Inicialmente (ao ligar ou resetar o microcontrolador) exibida uma mensagem com o nome da experincia que est sendo realizada.

Em qualquer momento do programa, caso seja detectada alguma falha na operao, o microcontrolador desligar os pulsos PWM e o sinal de ativao do inversor e exibir uma mensagem indicando que a proteo foi ativada. Neste caso o usurio dever verificar o problema ocorrido e reiniciar o programa.

Aps a etapa de configurao, o usurio dever pressionar o boto Run/Stop para iniciar o envio de pulsos para o inversor.

7.7.2 Descrio do circuito de potncia O circuito de potncia mostrado se baseia no mdulo integrado IRAMS10UP60A. O acionamento das chaves superiores feito atravs de um circuito de bootstrap e por

isto so necessrios os capacitores C11, C12 e C13. Os resistores R7, R8 e R9 so conectados em srie com o emissor dos transistores

inferiores, possibilitando a medio de corrente. Foram especificados em 0,1 Ohm, 5 Watts, o que permite medir correntes de at aproximadamente 7Arms . A tenso sobre estes resistores ser utilizada pelo circuito de proteo.

Considerando a segurana do usurio, optou-se por isolar eletricamente o circuito de Controle e Interface do circuito de Potncia e Proteo. Para transmitir os sinais entre os dois sistemas utilizamos opto-acopladores.

Os opto-acopladores numerados de 2 at 7 tm a funo de transmitir os seis pulsos PWM para as seis chaves. O opto-acoplador nmero 8 transmite ao inversor o sinal de ativao (ativa o pino Itrip). O opto-acoplador nmero 1 transmite ao microcontrolador um sinal de proteo do inversor (informa a ocorrncia de falha).

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O resistor R18 calibra o nvel de atuao da proteo trmica do mdulo inversor e foi escolhido com o valor de 6.8 k.

7.7.3 Descrio do circuito de proteo O circuito de proteo engloba duas protees: de sobrecorrente e de subtenso. A proteo de sobrecorrente tem a funo de proteger o circuito (principalmente as

chaves - IGBTs - mas tambm as trilhas, conectores, a fonte de potncia) contra correntes potencialmente perigosas e que, em geral, indicam operao incorreta do sistema (curto-circuito, tentativa de partir o motor em velocidades altas etc).

O funcionamento se baseia na medio da tenso em resistores colocados em srie no circuito (chamados de shunt). O sinal medido amplificado por op-amps e, em seguida, comparado com uma referncia ajustada pelo usurio. Quando a corrente medida excede a referncia, o comparador muda de estado e a proteo se mantm ativada pela ao de um flip-flop, at que o usurio reinicie a proteo.

Como a proteo de sobrecorrente feita por hardware e com componentes rpidos, ela age de forma bastante rpida e precisa. O ajuste da corrente de atuao feito pelo usurio por meio de um trimpot. Uma vez ultrapassado o limite, em qualquer um dos braos do inversor, a proteo atuar em alguns microssegundos.

Esta proteo funciona em complemento proteo trmica. A proteo trmica lenta e tem a funo de atuar em caso de sobrecarga prolongada.

O princpio de funcionamento da proteo por subtenso o seguinte: no momento em que a fonte auxiliar desligada, seus capacitores comeam a descarregar. Na fonte de 15 V so colocados diodos zeners para o GND, polarizados em sua regio reversa pela corrente que os atravessa, limitada por um resistor. A tenso deste resistor, quando menor que certo valor de limiar, ativa a proteo pois est conectada na entrada de um flip-flop. Desse modo, quando a tenso da fonte for menor que algo em torno de 13 V, a proteo atuar.

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7.8 PARTE EXPERIMENTAL Lista de Equipamentos Variac Monofsico Retificador monofsico com filtro capacitivo Transformador de isolao para alimentao do osciloscpio Osciloscpio Fonte CC Minipa 3003 ou equivalente 2 multmetros RMS verdadeiro Mdulo digital Mdulo de potncia Filtro LC Transformador 110 V x 220 V Resistor de 1 ohm, 10 W (montado em placa) Motor CA trifsico Tacmetro Ateno: a fim de evitar acidentes, antes de realizar qualquer alterao na montagem, sempre reduza a tenso do Variac a zero de modo que, ao ligar o circuito, parta-se sempre de um valor reduzido de tenso na alimentao do inversor. Lembre-se que o capacitor do retificador pode permanecer carregado. Procedimentos Iniciais

O osciloscpio e a impressora devem ser alimentados atravs do transformador isolador, uma vez que o circuito de potncia ser alimentado pela rede, por meio de um retificador. Com esse procedimento possvel colocar a referncia da ponta de prova em qualquer ponto do circuito para observar formas de onda (lembre-se que ambas as pontas de prova devem sempre estar com o mesmo ponto de referncia).

Interconecte a placa digital com a de potncia atravs do flat-cable. Antes de conectar o VARIAC rede, conecte o lado CA (entrada) do retificador na

sada do VARIAC. A sada do retificador (lado CC) deve ser conectada entrada do mdulo de potncia. MUITA ATENO COM A POLARIDADE! Utilize cabos com cores distintas para evitar erros. Coloque um multmetro na sada do retificador para monitorar a tenso CC. Na sada do inversor (escolha duas das trs sadas disponveis) conecte o filtro LC, inserindo o resistor de 1 ohm sobre o qual se far, com o osciloscpio, a observao da corrente. Coloque um ampermetro para medir o valor da corrente. Na sada do filtro ligue o transformador (lado de 110 V), conforme indica a figura abaixo.

(Inversor)

Sada do filtro Entrada do filtro

R = 1 ohm / 10W bornes pretos

Filtro LC

(Transformador lado 110V)

A ampermetro

Figura 7.16 Conexo do filtro LC ao circuito.

Alimente o circuito eletrnico do mdulo de potncia conectando o transformador de alimentao na rede. Alimente o mdulo digital com 5 V (use a sada fixa da fonte CC).

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Certifique-se que ambos os leds da placa de potncia estejam apagados. Caso no estejam, acione o respectivo boto de reset. Leds acesos indicam acionamento de proteo do inversor. O display permite a escolha do modo de operao do circuito de comando. Esto implementadas duas opes: uma que permite o ajuste independente do valor de tenso e de frequncia e outra que faz um ajuste que mantm a relao V/f constante. A seleo do modo se faz com os botes abaixo do display (o da esquerda seleciona a opo 1 e o do centro seleciona a opo 2).

PARTE 1 ALIMENTAO DE CARGA INDUTIVA

a) Atravs do display, escolha a opo 1 (ajuste independente de tenso e de frequncia). A

seguir, usando o potencimetro, ajuste a tenso para 100% (confirme usando o boto OK) e, em seguida, ajuste a frequncia para 60 Hz, confirmando o valor.

O ajuste de tenso em 100% significa que o ndice de modulao 100%, ou seja, que o valor de pico da tenso de sada (aps a filtragem) deve ser praticamente igual tenso CC na entrada do inversor. b) Observando com o osciloscpio a tenso na entrada e na sada do filtro LC, eleve a

tenso do VARIAC at obter 100 V na sada do retificador. Registre e mea a frequncia de chaveamento observando o espectro do sinal MLP (use a funo FFT do osciloscpio).

c) Reduza a tenso CC a zero. Altere a posio das pontas de prova para observar

simultaneamente a tenso de sada do filtro e a corrente pelo circuito (sobre o resistor de 1 ohm). Eleve a tenso CC a 100 V. Observe e registre as formas de onda, mea o valor eficaz da corrente (com o ampermetro) e da tenso (osciloscpio com valor RMS por ciclo). Certifique-se que o ampermetro esteja medindo o valor CA da corrente. Use a escala de 10 (ou 20) A.

d) Aps cada medio e registro, desligue o inversor (boto RUN/STOP na placa digital).

Reajuste os valores de tenso (sempre para 100%) e da frequncia. Varie a frequncia entre 60 e 30 Hz (de 5 em 5 Hz). Observe as alteraes nas formas de onda (se existirem) e mea os correspondentes valores da corrente (ampermetro) e da tenso no transformador (sada do filtro). Imprima as formas de onda em 60 Hz e em 30 Hz. Trace os grficos com os valores (V x f ) e (I x f). Comente.

e) Para a frequncia de 30 Hz, reduza a amplitude da tenso (atravs do Variac) at que a

corrente medida (ampermetro) seja igual quela obtida em 60 Hz. Neste ponto mea a tenso no transformador (sada do filtro). Comente o resultado.

f) Reduza a tenso do VARIAC a zero. RESET o microcontrolador para realizar os testes

com controle simultneo de tenso e de corrente (V/f constante). Na opo V/f, o microcontrolador sempre inicia com frequncia baixa. Pressione RUN e faa o ajuste para 60 Hz. Observar que a tenso automaticamente ajustada.

g) Eleve a tenso do VARIAC at obter 100 V na sada do retificador. Mea a tenso (com

osciloscpio) e a corrente (com ampermetro) para os valores de frequncia do item d (entre 60 e 30 Hz). Imprima as formas de onda para 60 Hz e para 30 Hz. Trace os grficos (V x f ) e (I x f). Comente.

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PARTE 2 ACIONAMENTO DE MOTOR DE INDUO

Retire o filtro LC do circuito pois ele no suporta a corrente da carga. Nas sadas do

inversor conecte o motor, inserindo o resistor de 1 ohm em uma das correntes de linha sobre o qual se far, com o osciloscpio, a observao da corrente. Coloque tambm um ampermetro para medir o valor da corrente. a) Atravs do display, escolha a opo 2 (ajuste simultneo de tenso e de frequncia). Na

opo V/f o microcontrolador sempre inicia com frequncia baixa. Pressionar RUN e depois ajustar a frequncia. Ajuste a frequncia para 60 Hz.

b) Ligue o VARIAC e eleve sua tenso at obter 200V na sada do retificador. Observe e registre com o osciloscpio a tenso de linha (entre duas fases) aplicada no motor e a corrente. Uma das fases tem que ser a mesma na qual se observa a corrente com o resistor. Mea a corrente tambm com o ampermetro. CUIDADO COM A CONEXO DO TERRA DAS PONTAS DE PROVA QUE DEVEM ESTAR EM UM MES MO POTENCIAL ELTRICO.

c) Varie a frequncia entre 80 e 20 Hz, de 10 em 10 Hz, anotando a velocidade e a corrente (medida com o ampermetro) no motor. Trace os grficos (velocidade x f ) e (I x f). Comente.

RELATRIO: Apresente as formas de onda e comente os resultados obtidos na Parte Experimental, incluindo os resultados da 1 e da 2 aula. O relatrio deve ser entregue daqui a uma semana.

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Diagrama eltrico dos circuitos da placa digital

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Diagrama eltrico do circuito de isolao e habilitao

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Diagrama interno do modulo inversor IRAM

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Diagrama eltrico dos circuitos de proteo.

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7.9 Referncias Bibliogrficas Dewan, S. B.; Slemon, G. R. e Straughen, A.: Power Semiconductor Drives, John Wiley & Sons, New York, USA, 1984. N. Mohan, T. M. Undeland e W. P. Robbins: Power Electronics, Converters, Applications and Design, 2nd Edition, John Willey & Sons, USA, 1994 M. P. Kazmierkowiski and H. Tunia: Automatic Control of Converter-Fed Drives. Elsevier, Amsterdam, 1994. M. H. Rashid: Power Electronics: Circuits, Devices and Applications, Prentice Hall International, Inc., Englewood Cliffs, 1993. P. C. Sen: Principles of Electrical machines and Power Electronics, John Wiley & Sons, 1997.