Portfólio Eletrônica Industrial - Estudo de Caso Inversor de Frequência e Acionamento de Motor AC

PORTFÓLIO ELETRÔNICA INDUSTRIAL ORIENTAÇÕES PARA ENTREGA Use este arquivo modelo para desenvolver o seu trabalho é nele que você deverá inserir as informações para a postagem do seu portfólio Caso tenha dúvidas de como realizar a postagem do portfólio este vídeo irá lhe auxiliar ESTUDO DE CASO O inversor de frequência é um equipamento muito utilizado na indústria para o controle de velocidade de motores AC devido sua característica de permitir a variação da velocidade do motor sem a perda de torque em função da variação de frequência da tensão de alimentação do mesmo Sendo assim este semestre o aluno deve apresentar um estudo de caso abordando o funcionamento de um inversor de frequência diagrama de blocos dos elementos que o compõem forma de controle principais componentes eletrônicos e sua função ao final do estudo o aluno deve ser capaz de propor um esquema eletrônico para criar e fabricar um inversor 6 step comandando por um Microcontrolador para acionamento de um motor AC gaiola de esquilo ¼ CV ATIVIDADE PROPOSTA Dimensionar IGBTs ou MOSFETs para um inversor de frequência capaz de acionar um motor AC gaiola de esquilo de ¼ de CV CONCLUSÃO Ao final do seu trabalho você deverá realizar individualmente uma conclusão expressando seu ponto de vista sobre os desafios durante o desenvolvimento do trabalho SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO1 2 ESTUDO DE CASO3 21 Funcionamento Do Inversor3 211 Retificador Trifásico de 6 pulsos a diodo4 212 Barramento CC5 213 Conversor CCCA5 2131 Chaveamento do Conversor CCCA6 2132 Modulação por Largura de Pulso PWM9 22 Equações e Fórmulas de Funcionamento12 3 ACIONAMENTO DE MOTORES DE INDUÇÃO COM INVERSOR DE FREQUÊNCIA13 311 DIMENSIONAMENTO DOS IGBTS14 312 CIRCUITO ESQUEMÁTICO DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA16 4 CONCLUSÃO17 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS18 APÊNDICE 1 CÓDIGO DO ARDUINO PARA CONTROLE DO GATE DOS IGBTS19 1 INTRODUÇÃO Inversores de frequência também conhecidos como inversores de velocidade variável ou acionadores de frequência variável desempenham um papel central na indústria moderna Esses dispositivos eletrônicos são projetados para controlar a velocidade de motores elétricos permitindo uma ampla gama de aplicações em setores como manufatura automação industrial e sistemas de transporte Neste artigo exploraremos os princípios de funcionamento aplicações benefícios e desafios associados aos inversores de frequência abordando o assunto de forma acadêmica e fazendo referência a fontes bibliográficas relevantes Os inversores de frequência operam com base no princípio de modulação por largura de pulso PWM ou na técnica de modulação de frequência Esses dispositivos convertem a energia de entrada de corrente contínua CC em uma tensão alternada CA controlada em frequência e amplitude permitindo o ajuste da velocidade dos motores elétricos A modulação por largura de pulso é uma técnica amplamente utilizada na qual os transistores de potência como os IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors são acionados de forma pulsante para criar uma forma de onda CA aproximada A teoria por trás do controle de velocidade de motores usando inversores de frequência tem suas raízes na teoria de controle de sistemas elétricos Segundo Kassakian Schlecht e Verghese 2017 os inversores de frequência são fundamentais para o controle de velocidade em aplicações industriais pois permitem a variação contínua da velocidade do motor adaptandose às demandas específicas do processo Os inversores de frequência encontram aplicações em uma variedade de indústrias desde elevadores sistemas de bombeamento de água ventiladores industriais até sistemas de transporte como trens e metrôs e máquinasferramenta conforme destacado por Wildi 2016 A versatilidade desses dispositivos resulta do controle preciso da velocidade e do torque que oferecem Além disso os inversores de frequência proporcionam inúmeros benefícios Ao variar a velocidade do motor de acordo com a demanda é possível economizar energia em comparação com os sistemas de acionamento de velocidade fixa conforme aponta Chapman 2016 A capacidade de ajustar a velocidade do motor para atender às necessidades específicas de uma aplicação contribui para a melhoria da eficiência e a redução dos custos operacionais Além disso a redução do desgaste dos motores e componentes mecânicos é um benefício significativo uma vez que a partida suave e a operação contínua a velocidades variáveis diminuem o estresse mecânico Apesar dos inúmeros benefícios o uso de inversores de frequência apresenta desafios A geração de harmônicos na forma de onda da tensão de saída é um desses desafios De acordo com Bollen 2018 os inversores de frequência podem introduzir harmônicos indesejados na rede elétrica o que requer medidas de mitigação para atender aos regulamentos de qualidade de energia Além disso é fundamental considerar o dimensionamento adequado dos inversores a proteção contra sobrecorrentes e a dissipação de calor para garantir o funcionamento confiável do sistema 2 ESTUDO DE CASO 21 Funcionamento Do Inversor Os inversores de frequência de 6 passos 6 steps como o nome sugere operam com uma tensão de saída aproximadamente senoidal dividida em seis passos Cada passo corresponde a um nível de tensão diferente Esse conceito é baseado em uma técnica de modulação de largura de pulso PWM que gera uma forma de onda de saída senoidal por meio da comutação dos semicondutores como transistores IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors ou MOSFETs MetalOxideSemiconductor Field Effect Transistors A modulação por largura de pulso controla a duração dos pulsos de tensão em cada nível resultando em uma tensão de saída senoidal eficaz Os inversores de frequência de 6 passos geralmente usam uma configuração de braço de tensão em que três conjuntos de interruptores braços são usados para gerar os seis níveis de tensão A modulação PWM controla a comutação desses interruptores de forma a criar a tensão desejada na saída Para entender o funcionamento de um inversor de frequência é essencial analisar suas principais etapas o retificador trifásico de 6 pulsos a diodo o barramento CC e o conversor CCCA Figure 1 Inversor de frequência acionando um motor de indução trifásico 211 Retificador Trifásico de 6 pulsos a diodo O primeiro estágio de um inversor de frequência é o retificador trifásico de 6 pulsos a diodo Este componente é responsável por converter a tensão alternada trifásica da rede elétrica em tensão contínua O retificador 6pulsos é chamado assim devido ao fato de que cada fase é retificada por dois diodos resultando em um total de seis pulsos de corrente contínua Figure 2 Estágio de retificação do inversor de frequência 212 Barramento CC O barramento CC é a etapa intermediária do inversor de frequência onde a tensão contínua gerada pelo retificador de 6 pulsos é armazenada Este barramento atua como uma reserva de energia fornecendo estabilidade ao sistema durante flutuações na rede elétrica e permitindo o controle da velocidade do motor de maneira mais suave Figure 3 Estágio do barramento CC do inversor de frequência 213 Conversor CCCA A última etapa do inversor de frequência é o conversor CCCA que transforma a tensão contínua do barramento CC em tensão alternada O conversor CCCA pode operar com diferentes topologias sendo o inversor de frequência 6step um exemplo comum Figure 4 Estágio de Saída do inversor de frequência 2131 Chaveamento do Conversor CCCA A tensão alternada da rede elétrica é retificada e filtrada formando uma tensão contínua CC Essa tensão CC é conectada aos terminais de saída pelos IGBTs que funcionam no corte ou na saturação como uma chave estática O controle desses circuitos é feito pelo circuito de comando de maneira a obter um sistema de tensão alternada em que as frequências estão defasadas em 120º O circuito de comando dos transistores de potência é o elemento responsável pela geração dos pulsos de controle dos transistores de potência a partir do uso de dispositivos digitais Essa técnica é atualmente extremamente confiável Atuando sobre a taxa de variação do chaveamento das bases dos transistores o circuito controla a frequência do sinal trifásico gerado Como o modulador recebe um sinal de corrente contínua ou é alimentado em corrente contínua a frequência e a tensão de saída do modulador para o motor independem da rede de alimentação do conversor fato que permite que o conversor ultrapasse a frequência nominal da rede A variação da frequência de chaveamento dos transistores aumenta ou diminui a velocidade do motor na proporção de variação da frequência de chaveamento Essa variação pode ser notada na Figura 5 onde se observa que a variação do chaveamento dos transistores aumenta ou diminui a frequência da saída Figure 5 Frequência de controle variável com um inversor de frequência a Forma de onda 60Hz 120V b Forma de onda 30Hz 120V A Figura 6 exibe um inversor trifásico com uma lógica de controle para os pulsos de disparo de seis IGBTs de maneira a gerar uma tensão de saída alternada e defasada de 120º uma da outra Como há seis transistores ligados três a três têmse oito combinações possíveis porém apenas seis são válidas Para se entender melhor o funcionamento dos IGBTs será feita a análise de uma das condições Figure 6 Representação de um inversor de frequência para um circuito trifásico No 1º tempo os transistores T1 T2 e T3 estão ligados e os restantes desligados Como o motor é trifásico é necessário que as tensões de linha VRS VST e VTR estejam defasadas de 120º Para esse primeiro tempo de chaveamento obtêmse as Equações 1 2 e 3 V RSV 2 V 2 01 V STV 2 V 2 V 2 V STV 2 V 2 V 3 A tensão VRS representa a diferença de potencial entre a fase R e S A Tabela 1 mostra as tensões aplicadas ao motor com as demais condições iniciais A Figura 7 ilustra a Tabela 1 em um diagrama de tempos mostrando também a defasagem de 120º entre as três fases Essas etapas formam o inversor de frequência Figure 7 Três fases resultantes na saída do bloco inversor 2132 Modulação por Largura de Pulso PWM Os transistores na saída do inversor trabalham como chaves liga ou desliga a forma de onda da tensão de saída de um inversor de frequência é sempre quadrada Para se obter uma tensão de saída mais próxima da senoidal os transistores chaveiam modulando sua largura de pulso através de uma técnica chamada PWM Pulse Width Modulation Com o uso do microprocessador as funções de controle do PWM são efetivamente realizadas pela combinação de uma onda triangular e uma senoidal que produzem a forma de onda da tensão de saída Figure 8 Geração de sinal PWM Na Figura 9 observase o sinal de saída do gerador de PWM pois o sinal triangular é a frequência de chaveamento do inversor O gerador de onda senoidal produz um sinal que determina a largura dos pulsos e portanto a tensão RMS de saída do inversor O IGBT é chaveado por um curto período de tempo permitindo que somente uma pequena parcela de corrente chegue até o motor O IGBT é então ligado por períodos de tempo maiores permitindo correntes maiores no motor até que se atinja a corrente nominal do motor Após isto o IGBT é ligado por períodos de tempo progressivamente menores diminuindo a corrente aplicada ao motor Esse processo pode ser visualizado na Figura 10 Figure 9 Sinal de saída do gerador de PWM A parte negativa das ondas senoidais é gerada pelo chaveamento do IGBT conectado ao valor negativo da tensão CC Figure 10 Acionamento dos IGBTs no circuito do inversor Quanto mais senoidal for a corrente de saída do PWM maior será a redução de pulsações de torque e perdas Na Figura 11 podem ser visualizadas as formas de onda de tensão e de corrente na saída do inversor Figure 11 Formas de onda de tensão e de corrente na saída do inversor de frequência A tensão e a frequência são controladas eletronicamente pelo circuito de controle A tensão CC é modulada para produzir uma tensão e uma frequência variáveis Em baixas frequências de saída os dispositivos de chaveamento são ligados por um curto período de tempo sendo pequenas as tensões e as correntes aplicadas ao motor Em frequências altas de saída uma alta tensão é necessária Os dispositivos de chaveamento são ligados por um longo período de tempo permitindo correntes e tensões mais elevadas para serem aplicadas ao motor conforme Figura 12 Figure 12 Dispositivos ligados em a curto período de tempo e b longo período de tempo Podese afirmar que independentemente da topologia utilizada o princípio de funcionamento baseiase em uma tensão CC no circuito intermediário e uma transformação em tensão CA para acionar o motor Quanto maior for a frequência de chaveamento mais senoidal será a forma de onda resultante embora o ruído seja aumentado significativamente por ser proporcional à frequência de chaveamento conforme ilustrado na Figura 13 Figure 13 Formas de onda para diferentes frequências de chaveamento 22 Equações e Fórmulas de Funcionamento O funcionamento dos inversores de frequência de 6 passos pode ser descrito por equações fundamentais I Tensão Média de Saída Vout A tensão média de saída pode ser expressa como uma função dos níveis de tensão de fase Vdc e do ciclo de trabalho do PWM D V OUTV DCD II Tensão de Pico de Saída Vpico A tensão de pico de saída é determinada pelos níveis de tensão de fase Vdc V picoV DC III Frequência de Saída f saída A frequência de saída é controlada pelo período de chaveamento dos interruptores e pelo número de níveis de tensão f saída 2 3f chaveamento 3 ACIONAMENTO DE MOTORES DE INDUÇÃO COM INVERSOR DE FREQUÊNCIA O acionamento de motores de indução trifásicos por meio de inversores de frequência 6step é um tópico de grande relevância na engenharia elétrica e automação industrial Este método de controle proporciona uma ampla gama de aplicações em sistemas industriais permitindo o controle preciso da velocidade e da potência do motor Neste texto exploraremos os princípios fundamentais desse acionamento destacando a teoria por trás dele as vantagens as aplicações e as considerações de projeto O motor de indução trifásico é um dos tipos mais comuns de motores elétricos amplamente utilizado em aplicações industriais devido à sua simplicidade confiabilidade e eficiência Para entender o acionamento de motores de indução trifásicos com inversores de frequência 6step é necessário primeiro compreender os conceitos de inversores de frequência e controle de motores de indução Um dos principais benefícios do acionamento de motor de indução trifásico com inversores de frequência 6step é a capacidade de controlar a velocidade e a direção do motor permitindo assim maior flexibilidade em aplicações industriais Isso é particularmente útil em sistemas de transporte como esteiras rolantes onde a velocidade e a direção do motor precisam ser ajustadas constantemente Além disso o controle preciso de torque e a capacidade de partida suave são vantagens adicionais reduzindo o desgaste mecânico e proporcionando economia de energia O acionamento de 6step também apresenta desafios incluindo a necessidade de eletrônica de controle sofisticada e a consideração de um ajuste adequado dos parâmetros do inversor para garantir um desempenho ideal Além disso o monitoramento constante do sistema é essencial para evitar sobrecargas e outros problemas operacionais 311 DIMENSIONAMENTO DOS IGBTS 1 Dados do Motor Trifásico 63 14 Cv 4 P 220380 Ir3 Hercules CV 025 kW 018 Carcaça 63 RPM 1685 Frequência Hz 60 Corrente Nominal 220V A 10 Corrente com rotor bloqueado IpIn 45 Conjugado nominal Cn Kgfm 010 Conjugado com rotor bloqueado CpCn 30 Conjugado máximo CmáxCn 31 Fator de serviço 125 Peso kg 65 Tensão V 220380 220380 II Dados do IGBT De acordo com Fitzgerald 2002 As oscilações de tensão no gatilho do IGBT iniciam quando a corrente atinge o valor de saturação e quanto maior o valor da tensão entre coletor e o emissor maior a oscilação da tensão no gatilho A tensão em um evento de curtocircuito apresenta frequências que podem variar de 10 a 20 MHz e a tensão no gatilho é maior que 20 V valor limite em testes de curto circuito com ramos paralelos Nos ramos únicos não há evidência de tais oscilações O tempo de duração de um transiente no circuito do IGBT é uma variável que contribui muito para o aparecimento de oscilações na porta do IGBT sendo que quanto maior for o tempo de duração maior será a oscilação As oscilações podem se iniciar a partir de 17 μs após o curtocircuito considerando corrente e tensão de 6 kA11 kV O modelo do IGBT utilizado é o CM400HA24A cujos dados nominais são Corrente máxima do coletor 400 A Tensão máxima entre coletor e o emissor V CE 1200 V Tensão máxima direta entre gatilho e emissor V 20 V Tensão máxima reversa entre gatilho e emissor V 20 V 312 CIRCUITO ESQUEMÁTICO DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA O circuito abaixo mostra os estágios do inversor de frequência retificador barramento CC e conversor CCCA acionando um motor de indução de 025 CV O controle dos IGBTs são feitos através do microcontrolador Arduíno através da modulação PWM código se encontra no apêndice 1 Figure 14 Diagrama esquemático do acionamento do motor de indução trifásico utilizando inversor de frequência no PSIM 4 CONCLUSÃO Em conclusão o acionamento de motor de indução trifásico por meio de inversores de frequência representa uma evolução significativa na automação industrial e no controle de motores elétricos Esse método oferece uma ampla gama de vantagens incluindo controle preciso de velocidade e torque partida suave economia de energia e versatilidade em diversas aplicações A capacidade de ajustar a frequência e a tensão de saída do inversor proporciona um controle sofisticado sobre o motor permitindo adaptações rápidas às necessidades da produção industrial Além disso o uso de inversores de frequência contribui para a redução do desgaste mecânico do motor e de outros componentes do sistema prolongando a vida útil e diminuindo custos de manutenção Essa tecnologia também é essencial para aplicações que exigem controle de direção e reversão do motor como sistemas de transporte e máquinasferramenta No entanto é importante ressaltar que a implementação bemsucedida de inversores de frequência requer conhecimento técnico avançado escolha adequada dos parâmetros do inversor e monitoramento constante do sistema para evitar sobrecargas e problemas operacionais 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Fitzgerald A E Kingsley C Umans S D 2002 Máquinas Elétricas com Introdução à Eletrônica de Potência Porto Alegre Bookman Mohan N Undeland T M Robbins W P 2002 Eletrônica de Potência Conversão de Energia e Aplicação Porto Alegre Bookman Rashid M H 2018 Power Electronics Handbook Academic Press Bimal K Bose 2002 Modern Power Electronics and AC Drives Prentice Hall Lipo T A 2011 Introduction to AC Machine Design University of WisconsinMadison APÊNDICE 1 CÓDIGO DO ARDUINO PARA CONTROLE DO GATE DOS IGBTS Definir os pinos do Arduino para controlar os IGBTs const int pinosIGBT 9 10 11 12 13 14 Exemplo de pinos para controle dos 6 IGBTs Definir a frequência PWM em Hertz const int frequenciaPWM 1000 Exemplo de frequência de PWM de 1 kHz Configurar a função setup void setup Configurar os pinos dos IGBTs como saídas for int i 0 i 6 i pinModepinosIGBTi OUTPUT Configurar a frequência do PWM for int i 0 i 6 i analogWriteFrequencypinosIGBTi frequenciaPWM Inicializar o PWM com um valor de 0 desligado para todos os IGBTs for int i 0 i 6 i analogWritepinosIGBTi 0 Função para ajustar a velocidade do motor void definirVelocidadeMotorint faseU int faseV int faseW Ajustar a velocidade do motor através da largura de pulso do PWM em cada fase Os valores de faseU faseV e faseW devem estar na faixa de 0 a 255 analogWritepinosIGBT0 faseU analogWritepinosIGBT1 faseV analogWritepinosIGBT2 faseW analogWritepinosIGBT3 0 Desligar as outras fases analogWritepinosIGBT4 0 analogWritepinosIGBT5 0 Função loop vazia pois o controle é realizado em uma malha de controle void loop Não é necessário para este caso SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 2 2 ESTUDO DE CASO 4 21 Funcionamento Do Inversor 4 211 Retificador Trifásico de 6 pulsos a diodo 5 212 Barramento CC 5 213 Conversor CCCA 6 2131 Chaveamento do Conversor CCCA 6 2132 Modulação por Largura de Pulso PWM 9 22 Equações e Fórmulas de Funcionamento 12 3 ACIONAMENTO DE MOTORES DE INDUÇÃO COM INVERSOR DE FREQUÊNCIA 13 311 DIMENSIONAMENTO DOS IGBTS 14 312 CIRCUITO ESQUEMÁTICO DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA 16 4 CONCLUSÃO 17 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 18 APÊNDICE 1 CÓDIGO DO ARDUINO PARA CONTROLE DO GATE DOS IGBTS 19 1 INTRODUÇÃO Inversores de frequência também conhecidos como inversores de velocidade variável ou acionadores de frequência variável desempenham um papel central na indústria moderna Esses dispositivos eletrônicos são projetados para controlar a velocidade de motores elétricos permitindo uma ampla gama de aplicações em setores como manufatura automação industrial e sistemas de transporte Neste artigo exploraremos os princípios de funcionamento aplicações benefícios e desafios associados aos inversores de frequência abordando o assunto de forma acadêmica e fazendo referência a fontes bibliográficas relevantes Os inversores de frequência operam com base no princípio de modulação por largura de pulso PWM ou na técnica de modulação de frequência Esses dispositivos convertem a energia de entrada de corrente contínua CC em uma tensão alternada CA controlada em frequência e amplitude permitindo o ajuste da velocidade dos motores elétricos A modulação por largura de pulso é uma técnica amplamente utilizada na qual os transistores de potência como os IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors são acionados de forma pulsante para criar uma forma de onda CA aproximada A teoria por trás do controle de velocidade de motores usando inversores de frequência tem suas raízes na teoria de controle de sistemas elétricos Segundo Kassakian Schlecht e Verghese 2017 os inversores de frequência são fundamentais para o controle de velocidade em aplicações industriais pois permitem a variação contínua da velocidade do motor adaptandose às demandas específicas do processo Os inversores de frequência encontram aplicações em uma variedade de indústrias desde elevadores sistemas de bombeamento de água ventiladores industriais até sistemas de transporte como trens e metrôs e máquinasferramenta conforme destacado por Wildi 2016 A versatilidade desses dispositivos resulta do controle preciso da velocidade e do torque que oferecem Além disso os inversores de frequência proporcionam inúmeros benefícios Ao variar a velocidade do motor de acordo com a demanda é possível economizar energia em comparação com os sistemas de acionamento de velocidade fixa conforme aponta Chapman 2016 A capacidade de ajustar a velocidade do motor para atender às necessidades específicas de uma aplicação contribui para a melhoria da eficiência e a redução dos custos operacionais Além disso a redução do desgaste dos motores e componentes mecânicos é um benefício significativo uma vez que a partida suave e a operação contínua a velocidades variáveis diminuem o estresse mecânico Apesar dos inúmeros benefícios o uso de inversores de frequência apresenta desafios A geração de harmônicos na forma de onda da tensão de saída é um desses desafios De acordo com Bollen 2018 os inversores de frequência podem introduzir harmônicos indesejados na rede elétrica o que requer medidas de mitigação para atender aos regulamentos de qualidade de energia Além disso é fundamental considerar o dimensionamento adequado dos inversores a proteção contra sobrecorrentes e a dissipação de calor para garantir o funcionamento confiável do sistema 2 ESTUDO DE CASO 21 Funcionamento Do Inversor Os inversores de frequência de 6 passos 6 steps como o nome sugere operam com uma tensão de saída aproximadamente senoidal dividida em seis passos Cada passo corresponde a um nível de tensão diferente Esse conceito é baseado em uma técnica de modulação de largura de pulso PWM que gera uma forma de onda de saída senoidal por meio da comutação dos semicondutores como transistores IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors ou MOSFETs MetalOxideSemiconductor FieldEffect Transistors A modulação por largura de pulso controla a duração dos pulsos de tensão em cada nível resultando em uma tensão de saída senoidal eficaz Os inversores de frequência de 6 passos geralmente usam uma configuração de braço de tensão em que três conjuntos de interruptores braços são usados para gerar os seis níveis de tensão A modulação PWM controla a comutação desses interruptores de forma a criar a tensão desejada na saída Para entender o funcionamento de um inversor de frequência é essencial analisar suas principais etapas o retificador trifásico de 6 pulsos a diodo o barramento CC e o conversor CCCA Figure 1 Inversor de frequência acionando um motor de indução trifásico 211 Retificador Trifásico de 6 pulsos a diodo O primeiro estágio de um inversor de frequência é o retificador trifásico de 6 pulsos a diodo Este componente é responsável por converter a tensão alternada trifásica da rede elétrica em tensão contínua O retificador 6pulsos é chamado assim devido ao fato de que cada fase é retificada por dois diodos resultando em um total de seis pulsos de corrente contínua Figure 2 Estágio de retificação do inversor de frequência 212 Barramento CC O barramento CC é a etapa intermediária do inversor de frequência onde a tensão contínua gerada pelo retificador de 6 pulsos é armazenada Este barramento atua como uma reserva de energia fornecendo estabilidade ao sistema durante flutuações na rede elétrica e permitindo o controle da velocidade do motor de maneira mais suave Figure 3 Estágio do barramento CC do inversor de frequência 213 Conversor CCCA A última etapa do inversor de frequência é o conversor CCCA que transforma a tensão contínua do barramento CC em tensão alternada O conversor CCCA pode operar com diferentes topologias sendo o inversor de frequência 6step um exemplo comum Figure 4 Estágio de Saída do inversor de frequência 2131 Chaveamento do Conversor CCCA A tensão alternada da rede elétrica é retificada e filtrada formando uma tensão contínua CC Essa tensão CC é conectada aos terminais de saída pelos IGBTs que funcionam no corte ou na saturação como uma chave estática O controle desses circuitos é feito pelo circuito de comando de maneira a obter um sistema de tensão alternada em que as frequências estão defasadas em 120º O circuito de comando dos transistores de potência é o elemento responsável pela geração dos pulsos de controle dos transistores de potência a partir do uso de dispositivos digitais Essa técnica é atualmente extremamente confiável Atuando sobre a taxa de variação do chaveamento das bases dos transistores o circuito controla a frequência do sinal trifásico gerado Como o modulador recebe um sinal de corrente contínua ou é alimentado em corrente contínua a frequência e a tensão de saída do modulador para o motor independem da rede de alimentação do conversor fato que permite que o conversor ultrapasse a frequência nominal da rede A variação da frequência de chaveamento dos transistores aumenta ou diminui a velocidade do motor na proporção de variação da frequência de chaveamento Essa variação pode ser notada na Figura 5 onde se observa que a variação do chaveamento dos transistores aumenta ou diminui a frequência da saída Figure 5 Frequência de controle variável com um inversor de frequência a Forma de onda 60Hz 120V b Forma de onda 30Hz 120V A Figura 6 exibe um inversor trifásico com uma lógica de controle para os pulsos de disparo de seis IGBTs de maneira a gerar uma tensão de saída alternada e defasada de 120º uma da outra Como há seis transistores ligados três a três têmse oito combinações possíveis porém apenas seis são válidas Para se entender melhor o funcionamento dos IGBTs será feita a análise de uma das condições Figure 6 Representação de um inversor de frequência para um circuito trifásico No 1º tempo os transistores T1 T2 e T3 estão ligados e os restantes desligados Como o motor é trifásico é necessário que as tensões de linha VRS VST e VTR estejam defasadas de 120º Para esse primeiro tempo de chaveamento obtêmse as Equações 1 2 e 3 𝑉𝑅𝑆 𝑉 2 𝑉 2 0 1 𝑉𝑆𝑇 𝑉 2 𝑉 2 𝑉 2 𝑉𝑆𝑇 𝑉 2 𝑉 2 𝑉 3 A tensão VRS representa a diferença de potencial entre a fase R e S A Tabela 1 mostra as tensões aplicadas ao motor com as demais condições iniciais A Figura 7 ilustra a Tabela 1 em um diagrama de tempos mostrando também a defasagem de 120º entre as três fases Essas etapas formam o inversor de frequência Figure 7 Três fases resultantes na saída do bloco inversor 2132 Modulação por Largura de Pulso PWM Os transistores na saída do inversor trabalham como chaves liga ou desliga a forma de onda da tensão de saída de um inversor de frequência é sempre quadrada Para se obter uma tensão de saída mais próxima da senoidal os transistores chaveiam modulando sua largura de pulso através de uma técnica chamada PWM Pulse Width Modulation Com o uso do microprocessador as funções de controle do PWM são efetivamente realizadas pela combinação de uma onda triangular e uma senoidal que produzem a forma de onda da tensão de saída Figure 8 Geração de sinal PWM Na Figura 9 observase o sinal de saída do gerador de PWM pois o sinal triangular é a frequência de chaveamento do inversor O gerador de onda senoidal produz um sinal que determina a largura dos pulsos e portanto a tensão RMS de saída do inversor O IGBT é chaveado por um curto período de tempo permitindo que somente uma pequena parcela de corrente chegue até o motor O IGBT é então ligado por períodos de tempo maiores permitindo correntes maiores no motor até que se atinja a corrente nominal do motor Após isto o IGBT é ligado por períodos de tempo progressivamente menores diminuindo a corrente aplicada ao motor Esse processo pode ser visualizado na Figura 10 Figure 9 Sinal de saída do gerador de PWM A parte negativa das ondas senoidais é gerada pelo chaveamento do IGBT conectado ao valor negativo da tensão CC Figure 10 Acionamento dos IGBTs no circuito do inversor Quanto mais senoidal for a corrente de saída do PWM maior será a redução de pulsações de torque e perdas Na Figura 11 podem ser visualizadas as formas de onda de tensão e de corrente na saída do inversor Figure 11 Formas de onda de tensão e de corrente na saída do inversor de frequência A tensão e a frequência são controladas eletronicamente pelo circuito de controle A tensão CC é modulada para produzir uma tensão e uma frequência variáveis Em baixas frequências de saída os dispositivos de chaveamento são ligados por um curto período de tempo sendo pequenas as tensões e as correntes aplicadas ao motor Em frequências altas de saída uma alta tensão é necessária Os dispositivos de chaveamento são ligados por um longo período de tempo permitindo correntes e tensões mais elevadas para serem aplicadas ao motor conforme Figura 12 Figure 12 Dispositivos ligados em a curto período de tempo e b longo período de tempo Podese afirmar que independentemente da topologia utilizada o princípio de funcionamento baseiase em uma tensão CC no circuito intermediário e uma transformação em tensão CA para acionar o motor Quanto maior for a frequência de chaveamento mais senoidal será a forma de onda resultante embora o ruído seja aumentado significativamente por ser proporcional à frequência de chaveamento conforme ilustrado na Figura 13 Figure 13 Formas de onda para diferentes frequências de chaveamento 22 Equações e Fórmulas de Funcionamento O funcionamento dos inversores de frequência de 6 passos pode ser descrito por equações fundamentais I Tensão Média de Saída Vout A tensão média de saída pode ser expressa como uma função dos níveis de tensão de fase Vdc e do ciclo de trabalho do PWM D 𝑉𝑂𝑈𝑇 𝑉𝐷𝐶 𝐷 II Tensão de Pico de Saída Vpico A tensão de pico de saída é determinada pelos níveis de tensão de fase Vdc 𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑉𝐷𝐶 III Frequência de Saída 𝒇𝒔𝒂í𝒅𝒂 A frequência de saída é controlada pelo período de chaveamento dos interruptores e pelo número de níveis de tensão 𝑓𝑠𝑎í𝑑𝑎 2 3 𝑓𝑐ℎ𝑎𝑣𝑒𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 3 ACIONAMENTO DE MOTORES DE INDUÇÃO COM INVERSOR DE FREQUÊNCIA O acionamento de motores de indução trifásicos por meio de inversores de frequência 6step é um tópico de grande relevância na engenharia elétrica e automação industrial Este método de controle proporciona uma ampla gama de aplicações em sistemas industriais permitindo o controle preciso da velocidade e da potência do motor Neste texto exploraremos os princípios fundamentais desse acionamento destacando a teoria por trás dele as vantagens as aplicações e as considerações de projeto O motor de indução trifásico é um dos tipos mais comuns de motores elétricos amplamente utilizado em aplicações industriais devido à sua simplicidade confiabilidade e eficiência Para entender o acionamento de motores de indução trifásicos com inversores de frequência 6step é necessário primeiro compreender os conceitos de inversores de frequência e controle de motores de indução Um dos principais benefícios do acionamento de motor de indução trifásico com inversores de frequência 6step é a capacidade de controlar a velocidade e a direção do motor permitindo assim maior flexibilidade em aplicações industriais Isso é particularmente útil em sistemas de transporte como esteiras rolantes onde a velocidade e a direção do motor precisam ser ajustadas constantemente Além disso o controle preciso de torque e a capacidade de partida suave são vantagens adicionais reduzindo o desgaste mecânico e proporcionando economia de energia O acionamento de 6step também apresenta desafios incluindo a necessidade de eletrônica de controle sofisticada e a consideração de um ajuste adequado dos parâmetros do inversor para garantir um desempenho ideal Além disso o monitoramento constante do sistema é essencial para evitar sobrecargas e outros problemas operacionais 311 DIMENSIONAMENTO DOS IGBTS 1 Dados do Motor Trifásico 63 14 Cv 4 P 220380 Ir3 Hercules CV 025 kW 018 Carcaça 63 RPM 1685 Frequência Hz 60 Corrente Nominal 220V A 10 Corrente com rotor bloqueado IpIn 45 Conjugado nominal Cn Kgfm 010 Conjugado com rotor bloqueado CpCn 30 Conjugado máximo CmáxCn 31 Fator de serviço 125 Peso kg 65 Tensão V 220380 220380 II Dados do IGBT De acordo com Fitzgerald 2002 As oscilações de tensão no gatilho do IGBT iniciam quando a corrente atinge o valor de saturação e quanto maior o valor da tensão entre coletor e o emissor maior a oscilação da tensão no gatilho A tensão em um evento de curtocircuito apresenta frequências que podem variar de 10 a 20 MHz e a tensão no gatilho é maior que 20 V valor limite em testes de curto circuito com ramos paralelos Nos ramos únicos não há evidência de tais oscilações O tempo de duração de um transiente no circuito do IGBT é uma variável que contribui muito para o aparecimento de oscilações na porta do IGBT sendo que quanto maior for o tempo de duração maior será a oscilação As oscilações podem se iniciar a partir de 17 μs após o curtocircuito considerando corrente e tensão de 6 kA11 kV O modelo do IGBT utilizado é o CM400HA24A cujos dados nominais são Corrente máxima do coletor 400 A Tensão máxima entre coletor e o emissor 𝑉𝐶𝐸 1200 V Tensão máxima direta entre gatilho e emissor 𝑉𝐺𝐸 20 V Tensão máxima reversa entre gatilho e emissor 𝑉𝐺𝐸 20 V 312 CIRCUITO ESQUEMÁTICO DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA O circuito abaixo mostra os estágios do inversor de frequência retificador barramento CC e conversor CCCA acionando um motor de indução de 025 CV O controle dos IGBTs são feitos através do microcontrolador Arduíno através da modulação PWM código se encontra no apêndice 1 Figure 14 Diagrama esquemático do acionamento do motor de indução trifásico utilizando inversor de frequência no PSIM 4 CONCLUSÃO Em conclusão o acionamento de motor de indução trifásico por meio de inversores de frequência representa uma evolução significativa na automação industrial e no controle de motores elétricos Esse método oferece uma ampla gama de vantagens incluindo controle preciso de velocidade e torque partida suave economia de energia e versatilidade em diversas aplicações A capacidade de ajustar a frequência e a tensão de saída do inversor proporciona um controle sofisticado sobre o motor permitindo adaptações rápidas às necessidades da produção industrial Além disso o uso de inversores de frequência contribui para a redução do desgaste mecânico do motor e de outros componentes do sistema prolongando a vida útil e diminuindo custos de manutenção Essa tecnologia também é essencial para aplicações que exigem controle de direção e reversão do motor como sistemas de transporte e máquinasferramenta No entanto é importante ressaltar que a implementação bemsucedida de inversores de frequência requer conhecimento técnico avançado escolha adequada dos parâmetros do inversor e monitoramento constante do sistema para evitar sobrecargas e problemas operacionais 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Fitzgerald A E Kingsley C Umans S D 2002 Máquinas Elétricas com Introdução à Eletrônica de Potência Porto Alegre Bookman Mohan N Undeland T M Robbins W P 2002 Eletrônica de Potência Conversão de Energia e Aplicação Porto Alegre Bookman Rashid M H 2018 Power Electronics Handbook Academic Press Bimal K Bose 2002 Modern Power Electronics and AC Drives Prentice Hall Lipo T A 2011 Introduction to AC Machine Design University of WisconsinMadison APÊNDICE 1 CÓDIGO DO ARDUINO PARA CONTROLE DO GATE DOS IGBTS Definir os pinos do Arduino para controlar os IGBTs const int pinosIGBT 9 10 11 12 13 14 Exemplo de pinos para controle dos 6 IGBTs Definir a frequência PWM em Hertz const int frequenciaPWM 1000 Exemplo de frequência de PWM de 1 kHz Configurar a função setup void setup Configurar os pinos dos IGBTs como saídas for int i 0 i 6 i pinModepinosIGBTi OUTPUT Configurar a frequência do PWM for int i 0 i 6 i analogWriteFrequencypinosIGBTi frequenciaPWM Inicializar o PWM com um valor de 0 desligado para todos os IGBTs for int i 0 i 6 i analogWritepinosIGBTi 0 Função para ajustar a velocidade do motor void definirVelocidadeMotorint faseU int faseV int faseW Ajustar a velocidade do motor através da largura de pulso do PWM em cada fase Os valores de faseU faseV e faseW devem estar na faixa de 0 a 255 analogWritepinosIGBT0 faseU analogWritepinosIGBT1 faseV analogWritepinosIGBT2 faseW analogWritepinosIGBT3 0 Desligar as outras fases analogWritepinosIGBT4 0 analogWritepinosIGBT5 0 Função loop vazia pois o controle é realizado em uma malha de controle void loop Não é necessário para este caso