FACULDADE ASSIS GURGACZ MAIKON LUCIAN LENZ RAFAEL VINICIUS VINICIU S DA SIL SI LVA ROBSON BARBOSA
INVERSOR DE FREQUÊNCIA MONOFÁSICO
CASCAVEL 2011
FACULDADE ASSIS GURGACZ MAIKON LUCIAN LENZ RAFAEL VININCIUS VININCIU S DA SILVA SILVA ROBSON BARBOSA
INVERSOR DE FREQUÊNCIA MONOFÁSICO MONOFÁSICO Trabalho apresentado na disciplina de Eletrônica Industrial e de Potência, do curso de Bacharelado em Engenharia de Controle e Automação, da FAG, como requisito parcial de conclusão da disciplina. Professora: Ederson Zanchet
CASCAVEL 2011
RESUMO Discussão e projeto de um circuito inversor de frequência monofásico com auxílio de um microcontrorlador Arduino. Detalhamento do funcionamento e princípios fundamentais envolvidos, bem como os resultados obtidos com a experiência prática.
Palavras-Chave: Inversor de Frequência; Arduino; Chaveamento;
ABSTRACT
Discussion and Project of a frequency inverter circuit with an Arduino microcontroller. Details about of the way it function, the principles involved and the results obtained with the pratical experience. Keywords: frequency inverter; Arduino; Switching;
LISTA DE ABREVIATURAS IGBT
Insulated Gate Bipolar Transistor
KW
Kilo-Watts
PWM
Pulse Width Modulation
MOSFET
Metal Oxide Semiconductor Semiconductor Field Effect Transistor Transistor
BJT
Bipolar Junction Transistor Transistor
LISTA DE FIGURAS FIG URAS Figura 1 Esquema básico de um inversor de frequência Figura 2 Esquema utilizado no trabalho Figura 3 - Relação Torque/Tensão para controle escalar Figura 4 - Comparativo entre os elementos mais comuns de controle de velocidade Figura 5 Arduino UNO Figura 6 Circuito IGBT e equivalente Figura 7 Circuito Completo Figura 8 Teste de Funcionamento Figura 9 Resultado da inversão de frequência -
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Sumário
1. INTRODUÇÃO 2. PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS 2.1. Metodologia de Conversão 2.2. Métodos de Conversão 2.3. Controle Escalar de Frequência 2.4. Controle Vetorial de Frequência 2.5. Circuito Chaveador 3. Algoritmo 4. RESULTADOS 4.1. Circuito Pronto 4.2. Testes 5. CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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1.
INTRODUÇÃO O desenvolvimento de circuitos capazes de chavear um sinal criando uma
onda de frequência diferente daquela que a originou, os denominados inversores de frequência são sem dúvida um dos pilares da eletrônica de potência na atualidade, sem os quais o mundo como o conhecemos hoje não seria possível. Ao longo do trabalho o tema será explanado detalhadamente para que possamos abranger não somente o projeto mas também toda a metodologia e os princípios de funcionamento envolvidos no equipamento em questão.
2.
PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS
2.1.
Metodologia de Conversão
Para que possa transformar um sinal de uma frequência fixa para outra é comumente utilizado uma conversão CA -CC antes de utilizar métodos de chaveamento para refazer uma nova onda em frequência diferente. O sinal CC é manipulável mais facilmente do que uma outra qualquer. qualquer. Neste trabalho entretanto, o inversor de frequência fora alimentado diretamente com uma tensão contínua eliminando o circuito de retificação.
Figura 1 - Esquema básico de um inversor de frequência
Figura 2 - Esquema utilizado no trabalho
Métodos de Conversão
2.2.
Existem basicamente dois tipos inversores de frequência:
Inversores de Controle Escalar
Inversores de Controle Vetorial
A diferença fundamental entre estes é que o primeiro é capaz de controlar apenas a velocidade do motor de forma linear, o que pode ser um problema quando se tem grandes variações na carga utilizada e no torque necessário, tornando -se um método de controle bastante impreciso nestas situações. A curva que relaciona torque e tensão difere entre os dois tipos, sendo o escalar algo mais próximo de um controle linear.
2.3.
Controle Escalar de Frequência
Apesar de bastante comum, seu uso justifica -se basicamente no custo reduzido se comparado ao controle vetorial. No entanto, este inversor controla o motor tomando como base os valores de tensão e frequência, tentando manter a relação entre estes constante, o que resulta em pouco torque em baixas rotações já que o torque é relação direta da corrente de alimentação e a alta resistividade do motor em baixas frequências faz com que em certo este não consiga mais recuperar o torque, à um limite de aproximadamente 3 Hz. De qualquer forma, este tipo de inversor pode ser utilizado muito bem para partidas suaves e/ou operações acima da velocidade nominal do motor. motor.
Figura 3 - Relação Torque/Tensão para controle escalar
Caso o motor necessite de grande torque na partida, devido a grande inércia do sistema, pode -se utilizar um procedimento para aumentar o torque aumentando a tensão de saída do inversor, denominado compensação de boost. O aumento da tensão pode compensar ainda as perdas na parcela resistiva em baixas frequência em até 30% da frequência nominal
(compensação IxR).
2.4.
Controle Vetorial de Frequência
O inversor de frequência vetorial trabalha de acordo com a demanda de torque do motor, e variando constantemente a curva que relaciona torque e tensão. Isto é possível monitorando as variáveis de:
Corrente de magnetização (Im)
Corrente do rotor (Ir)
Para aplicações que exijam torque elevado e preciso em baixas rotações, com regulação precisa de velocidade, sem dúvidas este é o método adequado. É comum também utilizar de um encoder acoplado ao eixo do motor para se ter um referência real da velocidade que o motor está trabalhando corrigindo o erro do controle.
Figura 4 - Comparativo entre os elementos mais comuns de controle de velocidade
2.5.
Circuito Chaveador
A conversão de frequência é feita através de interruptores eletrônicos, comumente transistores, já que os tiristores são mais difíceis de serem controlados e trabalham com frequências não satisfatórias em muitos casos. Destes transistores é comum lidarmos com BJT, MOSFET ou IGBT, esse último o utilizado em nosso projeto. Eles podem ser usados também para regulagem de potência conforme o nível de corrente da base, no entanto, nesta situação nos interessa apenas a circulação ou não de corrente . Desta forma, podemos operar com os transistores nos pontos de corte e saturação, aonde o mínimo de potência será dissipada. Com o sinal em corrente contínua, o restante do procedimento é realizado por transistores (mais rápidos no chaveamento que tiristores, e sem a necessidade de elementos de comutação para desligar estes) acionados a
partir de um sistema microcontrolado, no projeto em questão um Arduino UNO.
Figura 5 - Arduino UNO
O Arduino será responsável por intercalar o acionamento dos pontos T1 -T4 e T2 -T3, e entre eles os pontos de alta e baixa (ligado, desligado) conforme a frequência desejada. O transistor utilizado é do tipo IGBT, ideal para circuitos de potência já que ele mistura características de transistores MOSFET e bipolares. A principal vantagem deste tipo de transistor se deve a seu acionamento ser realizado aplicando-se uma tensão entre a porta e o emissor, assim o IGBT, com grande impedância de entrada e baixíssimas perdas por condução, o IGBT se torna uma peça fundamental no controle de potência industrial.
Figura 6 - Circuito IGBT e equivalente
O CI utilizado possui um driver de controle do gate, para garantir o isolamento entre o circuito de potência e controle, além da operação exata nos pontos de comutação, condução e bloqueio do transistor. O circuito chaveador foi alimentado por uma fonte de tensão de 12V, enquanto o circuito de potência foi alimentado por outra fonte de tensão com testes por volta de 10V aplicados ao circuito.
3.
Algoritmo O algoritmo é simples, apenas intercala o acionamento entre os pinos 12
(quadrante 0) e 13 (quadrante ( quadrante 1) do arduino que estão ligados em cada um dos ICDrivers, que são os semi -ciclos negativo e positivo respectivamente. Dentro desses semi -ciclos é a ajustada a frequência para 2khz, ou seja, um período de 500 μs.
const int Pin13 = 13; // pino utilizado const int Pin12 = 12;
// Variáveis int Quadrante = 0; // ledState used to set the LED
void setup() { // set the digital pin as output: pinMode(Pin13, pinMode(Pin13, OUTPUT); pinMode(Pin12, pinMode(Pin12, OUTPUT); digitalWrite(Pin13, digitalWrite(Pin13, 0); digitalWrite(Pin12, digitalWrite(Pin12, 0); }
void loop() { if (Quadrante)
Quadrante=0; else Quadrante = 1 ; } if (Quadrante) { digitalWrite(Pin13, digitalWrite(Pin13, 1); delayMicroseconds delayMicroseconds (100); digitalWrite(Pin13, digitalWrite(Pin13, 0); delayMicroseconds delayMicroseconds (400); } else { digitalWrite(Pin12, digitalWrite(Pin12, 1); delayMicroseconds delayMicroseconds (100); digitalWrite(Pin12, digitalWrite(Pin12, 0); delayMicroseconds delayMicroseconds (400); } }
4.
RESULTADOS 4.1.
Circuito Pronto
Figura 7 - Circuito Completo
4.2.
Testes
Teste de Funcionamento Fu ncionamento Figura 8 - Teste
Figura 9 - Resultado da inversão de frequência
5.
CONCLUSÃO Os inversores de frequência são de grande serventia nas plantas atuais, para não
dizer indispensáveis. indispensáveis. Com eles pudemos evoluir tanto em termos de controle de velocidade, quanto em economia de energia. Com o advento dos inversores de frequência de controle vetorial em detrimento dos escalares, está necessidade ficou ainda mais evidente, já que houve uma grande evolução na compensação de torque que era ainda um dos obstáculos enfrentados por este tipo de controle.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Faculdade de Tecnologia Alvarez de Azevedo. Inversores de Frequência – Descrição do Funcionamento. Disponível em: . Acesso em: 30 nov. de 2011. [2] EJM. CONVERSORES DE FREQÜÊNCIA E SOFT STARTERS. Disponível em: Acesso em: 30 de nov. de 2011. [3] BIM, E. MÁQUINAS ELÉTRICAS E ACIONAMENTOS. Rio de Janeiro: Campus, 2009.
