Projeto de Inversor de Frequencia Monofasico 100VA: Melhorias e Inovacoes

OBJETIVO O Objetivo desse trabalho é permitir que através do estudo revisão bibliográfica e simulação do circuito simulação o aluno possa consolidar e complementar o conhecimento adquirido no curso de Eletrônica de Potência Bem como estimular a buscar por novos conteúdos Para isso faremos uso de amplificadores indutores MOSFETS IGBT diodos transformadores e microcontroladores TEMAS PROJETO UM INVERSOR DE FREQUÊNCIA MONOFÁSICO PARA 100VA Obs As equipes devem propor alguma vantagem ou melhoria em relação ao projeto simples padrão ou seja os projetos devem apresentar alguma característica inovadora exemplo baixo ruido baixa THD alta eficiência proteção elétrica e etc NOME DA INSTITUIÇÃO NOME DO CURSO NOME DO ALUNO PROJETO DE UM INVERSOR DE FREQUÊNCIA MONOFÁSICO PARA 100V CIDADE ESTADO 2022 1 INTRODUÇÃO Um conversor de frequência é um dispositivo usado para ajustar a tensão e a frequência aos valores desejados em sistemas CA principalmente acionamentos elétricos Os inversores trifásicos são bastante desenvolvidos e o tamanho do mercado é relativamente grande Os inversores monofásicos que usam o mesmo princípio de funcionamento são menores em escala Este trabalho investiga uma topologia adequada simulação e montagem de inversores monofásicos capazes de controlar a velocidade do motor em malha aberta e seu custo pode ser reduzido em relação aos inversores existentes no mercado Em pequenos processos industriais ou mesmo caseiros como cervejeiros onde é difícil controlar bombas de indução monofásicas como em processos que precisam controlar o fluxo de fluido de um vaso para outro onde muitas vezes são utilizadas válvulas manuais O uso de inversores monofásicos de baixo custo pode facilitar pequenos produtores ou até mesmo a produção caseira pois seu uso pode automatizar o processo sem exigir alto investimento e até mesmo ampliar o processo Desta forma este trabalho visa buscar a melhor topologia e os melhores componentes possíveis para obter o controle desejado Em muitos processos é necessário controlar a velocidade de um motor seja em corrente alternada CA ou em corrente contínua CC Em um motor CC a mudança de velocidade pode ser obtida alterando a amplitude da tensão Em um motor CA assíncrono mudanças de velocidade podem ocorrer através de mudanças de tensão e mudanças de frequência e a Equação 1 é o objetivo deste trabalho onde f é a frequência elétrica Hz p é o número de pólos e Vsync é a velocidade elétrica em rotações por minuto RPM Ao alterar a velocidade síncrona que é a velocidade elétrica a velocidade assíncrona também muda pois tenta acompanhar a velocidade síncrona O controle de velocidade do motor CA é realizado principalmente pelo conversor de frequência que altera a amplitude e a frequência da tensão e portanto a velocidade Os inversores mais comuns no mercado são inversores trifásicos mas também existem inversores monofásicos Os inversores podem ser usados tanto para controle de velocidade quanto para outras aplicações como comunicação entre áreas com diferentes frequências de rede Para a operação do dispositivo a corrente ou tensão precisa ser convertida para alterar a frequência A transformação existente é Conversão de CA para CC CC para CA CC para CC CA para CA A conversão necessária para a operação do dispositivo depende do tipo de tensão de entrada Este trabalho visa topologias de conversão monofásica ACDC e posterior DCAC para níveis de potência de até ½ CV em malha aberta Com base nesses princípios de transição este capítulo fornece uma revisão bibliográfica das transições CACC e subsequentes CCCA As topologias também serão comparadas entre si 2 REFERÊNCIAL TEÓRICO 21 Conversão CACC A conversão ACDC é feita através de um conversor chamado retificador Os retificadores podem ser classificados de acordo com sua capacidade de regular a tensão de saída controlada ou não controlada com base no número de fases da tensão CA de entrada e no tipo de conexão dos elementos retificadores A Figura 1 mostra a topologia básica de um retificador monofásico baseado em diodo não controlado Na Figura 1 𝑣𝑡 é a tensão CA de entrada VD é a queda de tensão no diodo VL é a tensão no resistor R neste caso a carga do retificador e iL é a corrente do circuito Na Figura 2 podese observar a forma de onda de saída do retificador mostrada na Figura 1 Neste caso a corrente de saída é expressa junto com a tensão de saída Vo Uma tensão de entrada senoidal perfeita é considerada O tipo de conversão AC mais utilizado é a ponte completa pois em um retificador de meia onda o valor médio da corrente e o valor médio da tensão são menores Este valor menor ocorre porque há mais um ciclo de retificação no retificador de onda completa o que aumenta o valor médio e reduz o valor da capacitância necessária no barramento CC 22 Retificador Monofásico Um retificador não controlado é um retificador formado a partir de uma ponte de diodos A carga conectada à saída do retificador pode ser resistiva capacitiva ou indutiva Sob uma carga resistiva a corrente e a tensão de saída têm a mesma forma de onda e a mesma fase No diagrama abaixo o diodo é considerado ideal ou seja não há queda de tensão no dispositivo A Figura 3 representa uma ponte completa de diodos formando um retificador de onda completa carregado resistivamente não controlado Sua forma de onda de tensão de saída é mostrada na Figura 4 Na Figura 3 Vp representa o valor de pico da tensão de entrada e Vo representa a tensão de saída No caso de cargas capacitivas e resistivas conforme mostrado na Figura 5 os capacitores conferem à tensão de saída uma forma suave aumentando o valor médio associado às cargas resistivas O capacitor é carregado no pico da forma de onda da tensão de entrada Quando a tensão de entrada é menor que a tensão através do capacitor o diodo é bloqueado e a corrente de saída é fornecida exclusivamente pelo capacitor que descarrega até que a tensão de entrada suba novamente carregando o capacitor A corrente de entrada é formada pelos pulsos à medida que o capacitor é carregado A forma de onda corrente e tensão de entrada e tensão de saída deste retificador são mostradas na Figura 6 Para retificadores de onda completa com cargas indutivas e resistivas conforme mostrado na Figura 7 a corrente de entrada depende do valor do indutor A carga se comporta como uma fonte de corrente Quando a indutância é maior a corrente se comporta mais como uma onda quadrada enquanto para valores de indutância menores a componente mais próxima afeta se resistiva a forma será senoidal se capacitiva será pulso Na Figura 8 três tipos possíveis de formas de onda de corrente de entrada podem ser observados ou seja quando a carga é principalmente resistiva principalmente capacitiva ou principalmente indutiva Uma carga predominantemente resistiva significa que dos três elementos básicos de um circuito resistores capacitores e indutores os resistores têm mais peso fazendo com que o sistema se comporte como resistores assim como o capacitordominante e o indutordominante O circuito sem carga da Figura 9 é usado para ilustrar o funcionamento da ponte Os diodos são divididos em dois pares diodos 1 e 3 na parte superior e diodos 2 e 4 na parte inferior A corrente de entrada flui através de um diodo na parte superior e um diodo na parte inferior enquanto os outros dois estão desligados Como pode ser visto na Figura 9 os diodos 1 e 2 conduzem quando id é positivo e 3 e 4 conduzem quando id é negativo O valor médio da tensão de saída contínua supondo que a fonte seja ideal pode ser obtido pela integração de meio ciclo da tensão de entrada assumindo um tempo inicial arbitrário onde Vs é o valor RMS da tensão de entrada e Vo é o valor médio de a saída 23 Conversão CCCA Conversores DCAC são frequentemente chamados de inversores Esses dispositivos devem ser capazes de fornecer uma tensão ou corrente alternada cuja frequência forma e magnitude são definidas por algum sistema de controle O inversor consiste em uma ponte composta por chaves semicondutoras acionadas por um circuito de controle Existem configurações de inversores das quais podemos citar Inversores de Fonte de Tensão VSI e Inversores de Fonte de Corrente CSIs O CSI é usado principalmente em situações com requisitos de alta potência como ao acionar motores de alta potência Como a potência de saída deste trabalho não é muito alta estudase apenas o VSI que pode ser dividido em inversor PWM inversor de onda quadrada e inversor monofásico com cancelamento de tensão Devido à presença dos circuitos de controle necessários para acionar as chaves semicondutoras os inversores são controlados e podem obter tensões com diferentes amplitudes e frequências em suas saídas de acordo com os sinais de controle que lhes são fornecidos Para realizar essa conversão os comutadores semicondutores mais usados são transistores de efeito de campo MOSFETs junções bipolares de porta isolada IGBTs transistores de junção bipolar TBJs e tiristores Na Figura 10 as chaves semicondutoras são representadas por transistores mas podem ser qualquer uma das opções acima Em um transistor de efeito de campo MOSFET Figura 11 a corrente na direção de condução flui do dreno dreno para a fonte fonte se a dopagem for canal n e da fonte para o dreno se a dopagem for Os polos são canal p Em um transistor de junção bipolar de porta isolada IGBT Figura 11 no caso de dopagem de canal n a corrente na direção de condução flui do coletor coletor para o emissor emissor se a dopagem for canalp Apenas MOSFETs e IGBTs são discutidos que são os dispositivos mais usados em tais aplicações 24 Inversores Monofásicos Os inversores monofásicos têm uma variedade de aplicações seja no campo de acionamentos sistemas de energia ou simplesmente como reguladores de tensão e frequência para cargas específicas Portanto existem várias configurações diferentes de inversores e cada tipo de projeto requer uma configuração diferente Alguns projetos podem exigir configurações mais padronizadas e mais potentes enquanto outros podem permitir configurações mais baratas e compactas e tecnologias com diferentes possibilidades O acoplamento óptico geralmente ocorre no processamento de sinal Em níveis de potência mais altos o acoplamento magnético pode ser usado para fornecer isolamento galvânico entre os componentes se necessário Esse tipo de proteção no conversor é importante para evitar que a tensão do lado CC circule no lado CA evitando que altas correntes circulem no conversor em caso de falha e protegendo o usuário de correntes de inrush e fugas ainda permitindo a regulagem de tensão O volume e o peso de um transformador são inversamente proporcionais à sua frequência de operação de modo que o isolamento de alta frequência Figura 12 é mais compacto e menor que o isolamento de baixa frequência Figura 13 Em componentes de baixa frequência por outro lado o número é reduzido tornando esse isolamento mais barato mais simples e mais resistente 25 Inversores com Capacitor Chaveado SC Novos conversores têm sido propostos com o objetivo de substituir os transformadores Novos conversores foram propostos com o objetivo de substituir o transformador Um método de fechamento sugerido Os capacitores comutados são mais fáceis e melhores de implementar porque reduzem os componentes magnéticos O conversor de potência bidirecional possui um primeiro modo boost e um segundo modo buck O conversor inclui um capacitor que é carregado durante a primeira topologia de comutação e depois descarregado durante a segunda topologia de comutação em ambos os modos De preferência o conversor inclui uma pluralidade de comutadores semicondutores e cada topologia corresponde a uma configuração de comutador diferente Uma maneira de fazer isso é carregar capacitores com corrente de carga e fornecer uma maneira de controlar a magnitude da carga o que pode ser feito com chaves semicondutoras Os conversores SC switched capacitor ou seja conversores com capacitores chaveados possuem uma resistência equivalente muito maior que a impedância de saída dos conversores que utilizam indutores como armazenamento de energia A configuração boost e buck do conversor SC é mostrada na Figura 14 A configuração é mostrada na Figura 14a quando operando em modo buck e na Figura 14b quando operando em modo boost A chave mostrada pode ser qualquer chave semicondutora 26 Simulação A simulação é um passo importante na verificação inicial de um circuito projetado Na simulação você pode verificar se os componentes projetados funcionam conforme o esperado Também é possível observar situações próximas do real a partir da simulação como limitações de componentes capacidade de resposta e situações não ideais que não estão descritas na folha de dados O modelo real difere da simulação devido a vários fatores mas tende a se aproximar dele quando os erros aleatórios são excluídos O circuito indicado é o circuito a ser simulado Possui duas curvas a linha contínua onde a corrente extraída pela carga do capacitor do barramento CC é irrestrita e a curva formada pelo x versus a corrente extraída pelo limitador de projeto Podese observar que apesar do aumento do tempo de carregamento a corrente diminui de 9364 A para um máximo de 5371 A A corrente máxima é maior do que o esperado porque o sistema possui armazenamento de energia indutores e capacitores o que faz com que a corrente suba acima do esperado Os diodos são projetados para uma corrente máxima de 1 A mas podem suportar picos de corrente de até 30 A durante meio ciclo a 60 Hz Como o pico de corrente é de 5371 A no máximo os diodos são capazes de suportar o pico à medida que cada diodo conduz por meio ciclo O circuito analógico é a conexão com todas as partes do circuito de controle projetadas no capítulo anterior exceto a geração da onda senoidal de referência Portanto no circuito abaixo além de fornecer isolação elétrica existe um gerador PWM SG3525 um circuito para gerar PWM complementar utilizando TIP31C e um circuito para adaptar o sinal para ponto flutuante e um optoacoplador PC817A para fornecer isolação elétrica Os dados obtidos nas simulações do circuito de controle foram coletados em arquivos txt e processados no software MATLAB para melhor processamento dos resultados obtidos Primeiro verifique a onda dente de serra gerada pelo SG3525 para verificar sua frequência Este sinal é observado onde a transformada rápida de Fourier da onda dente de serra também é observada Faça uma Transformada Rápida de Fourier FFT para determinar a frequência de chaveamento e observe marque o ponto de frequência de chaveamento que é a frequência de maior amplitude no sinal dente de serra e a frequência é igual a 1505 kHz A frequência esperada é de 1665 kHz a diferença entre os dois se deve ao fato dos dois CIs estarem conectados ao mesmo TC do capacitor resultando em uma pequena redução na frequência de chaveamento mas a frequência de chaveamento resultante ainda está dentro da faixa permitida no final da frequência audível O próximo passo na simulação é verificar se a onda senoidal de referência está dentro do alcance da onda dente de serra e se o PWM foi gerado corretamente O seno de referência é do condicionamento de sinal da ponte de Wien O oscilador produz uma onda senoidal com tensão média próxima de 0 e valor de pico próximo à tensão de alimentação Na imagem abaixo existem duas ondas senoidais condicionadas com frequência de 60 Hz dentro do dente de serra Na primeira curva o sinal senoidal com menor amplitude é o sinal que produz PWM2 e o sinal com maior amplitude é o sinal que produz PWM1 A primeira curva é a onda dente de serra com o sinal de referência a segunda curva é o PWM gerado por um dos SG3525 a terceira curva é o complemento deste PWM a quarta curva é o PWM gerado pelo segundo SG3525 A quinta curva é o complemento PWM disso Há uma ligeira curvatura no complemento devido ao tempo de resposta do TIP31C Outro ponto a ser observado é que a amplitude do sinal é um pouco menor que a da fonte de alimentação do optoacoplador que está configurada para 100 V pois de acordo com seu datasheet esta é uma tensão suficiente para acionar o MOSFET selecionado Há uma pequena queda na amplitude do sinal e se um quarto sinal for observado apesar da queda a tensão ainda é suficiente para ativar o MOSFET e a duração do pulso é suficiente para ativar a chave No primeiro e terceiro sinais observouse que o sinal não atingiu 0 V mas a tensão nesses pontos estava abaixo da tensão mínima para acionar os transistores fazendo com que eles se desligassem O tempo abaixo desta tensão também é suficiente para que ocorra o desligamento Isso porque eles não possuem uma resistência muito alta ligada ao coletor de saída o que faz com que o circuito não descarregue totalmente 3 CONCLUSÃO Os principais resultados deste trabalho incluem uma descrição detalhada do projeto e uma tabela de preços simulação e implementação prática dos principais componentes utilizados para construir um conversor CACA monofásico Portanto a pesquisa realizada concluiu que projetos de inversores monofásicos de baixo custo pode ser realizados mantendo a confiabilidade e segurança exigidas Existem falhas no projeto do circuito como ao gerar uma onda senoidal de referência que é fixa para o trabalho e pode ser variável Outro problema encontrado foi o tempo morto criado no optoacoplador que teve que ser verificado antes de ativar a ponte No entanto o circuito mostrou se eficaz mesmo em malha aberta pois não houve tempo para dar partida no motor como originalmente exigido Os circuitos de retificação controle e inversor são simulados Foi observado que alguns casos não ideais acabam como ondas de flexão na saída do optoacoplador Isso acontece porque a simulação utiliza modelos reais dos componentes mostrando que eles não estão se comportando de maneira ideal com tempos de resposta Podese observar também que para o sinal de referência gerado obtémse um sinal de saída na forma de PWM como esperado mas com a mesma frequência fundamental da onda de referência Todas as ondas foram analisadas foram obtidos resultados muito próximos dos resultados esperados e o circuito projetado foi verificado por cálculo Concluise disso que o circuito projetado pode ser realizado REFERÊNCIAS M I Khan A Ahda e K Islam Design of a Single Phase ACAC Converter Edição do Autor Bangladesh 2012 N J Wong Acionamento de motor de indução monofásico PSC com inversor de frequências aplicados à máquinas de lavar roupa domésticas Edição do Autor São Carlos 2010 R Deepa A N Nagashree e K Anand Transformerless Grid Connected Single Phase Inverter for Power System Application em International Conference on Emerging Research in Electronics Computer Science and Technology Mandya 2015 D Cao S Jiang X Yu e F Z Peng Low Cost SinglePhase SemiZsource Inverter IEEE East Lansing 2011