Ward Leonard 5d727

Sistemas de Accionamento e Movimentação

Controlo de Motores de Corrente Contínua

FEUP-LEEC. SAM

1

Motores de corrente contínua. Introdução (histórica) • Historicamente, o motor CC, foi utilizado de modo universal no controlo de velocidade, até ao aparecimento, em força, dos inversores de tensão, baseados em semicondutores de potência (tirístores, inicialmente, e GTOs e IGBTs mais recentemente) associados aos motores CA. • O sistema conhecido como Ward-Leonard foi utilizado durante largo tempo em accionamentos de elevado desempenho. • Ainda hoje, uma parte importante dos accionamentos controlados é uma versão electrónica do sistema Ward-Leonard.

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2

O sistema Ward-Leonard (curiosidade). Diagrama Controlo de campo do gerador 5

+ 1 Motor CA

3 Excitatriz

2 Gerador CC

-

Conjunto Ward-Leonard

Carga accionada

-

4 Motor controlado +

6 Controlo de campo do motor

Diagrama de controlo de um sistema Ward-Leonard para um motor CC. FEUP-LEEC. SAM

3

O sistema Ward-Leonard. Descrição 1. No arranque, a excitação do gerador é aproximadamente nula, garantindo uma tensão no induzido perto de zero. Esta tensão é aplicada ao motor controlado. A tensão de excitação do motor é colocada no seu valor máximo (o nominal). 2. O aumento da tensão de excitação aumenta a tensão aplicada ao motor, garantindo-se, também, controlo da polaridade. 3. O controlo de velocidade do motor é obtido a partir do controlo da excitação do gerador. 4. O sistema possibilita a frenagem regenerativa bastando, para isso, diminuir a tensão no induzido do motor. A corrente inverte-se e o gerador a a funcionar como motor. O motor CA, por seu lado, a a funcionar como gerador devolvendo energia à rede. FEUP-LEEC. SAM

4

O sistema Ward-Leonard. Descrição • A manutenção do campo indutor do motor constante, no seu valor máximo, permite obter o máximo binário em função da corrente. No entanto, a máxima velocidade possível é atingida com a máxima tensão na armadura, que é função do valor máximo do campo do gerador. Esta velocidade máxima toma a designação de velocidade base do motor. • No entanto, os motores são projectados para operar a velocidades superiores a esta velocidade base, até 2 a 3 vezes. • A redução da tensão de excitação aplicada ao motor (designada por enfraquecimento de campo), diminui a f.e.m., permitindo que a velocidade suba. • Nesta zona de operação, o binário disponível diminui, já que é proporcional quer à corrente na armadura quer ao fluxo. Trata-se de uma operação a potência constante. FEUP-LEEC. SAM

5

O sistema Ward-Leonard. Características • A utilização de conversores estáticos de potência substituíu o sistema Ward-Leonard rotativo que, tendo um bom comportamento dinâmico, apresenta algumas desvantagens. • O custo do sistema (com diversas máquinas rotativas), a manutenção, e o dimensionamento são as principais. • O motor e o gerador do sistema devem ter um dimensionamento em potência superior ao do motor; o espaço ocupado e a manutenção (especialmente do gerador CC - colector e escovas), são desvantagens importantes. • O ruído e a vibração gerados por este sistema são desvantagens que não existem no sistema estático.

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6

O motor de corrente contínua (revisão). Estrutura e circuitos 18

1

17

N

ω

1 I 16 2

3 17 16 15 14 13 12

15 14 13

S

2

18 1 2

A1 A2

B1 3 4 I 5 I B2

11 10 9

4

F1

A1

F2

A2

5

6 7

6

8

12

7 11

1 I 2

8 10

9

Estrutura (corte) e circuitos de um motor de corrente contínua.

• O motor de corrente contínua contém dois circuitos: o do campo e o do induzido. O do campo situa-se na parte fixa do motor e consiste em enrolamentos colocados à volta dos polos magnéticos do estator. FEUP-LEEC. SAM

7

O motor de corrente contínua. Estrutura e circuitos • O número de polos é par e os enrolamentos são percorridos pela mesma corrente. Terminam nos pontos F1 e F2. • O objectivo do circuito indutor é magnetizar os polos do motor, criando um fluxo magnético no entreferro, entre o estator e o rotor. • O circuito indutor não será necessário se forem utilizados ímanes permanentes no estator. • O circuito de potência de um motor CC é a armadura, e está situado no rotor. Consiste em enrolamentos colocados em ranhuras. • Se metade de um enrolamento está sob um polo norte, a outra metade estará sob o polo sul adjacente.

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8

O motor de corrente contínua. Estrutura e circuitos • Quando circula corrente num enrolamento, as forças devidas à interacção entre a corrente e o fluxo serão iguais e opostas nos dois lados do enrolamento. Juntas produzem o binário com que o enrolamento contribui para o binário total. • Os enrolamentos são ligados em série formando um circuito fechado. • A armadura dispõe, ainda, de um comutador (colector) constituído por um conjunto de lâminas isoladas umas das outras. • Os terminais final de uma bobina e inicial da bobina adjacente são ligados à mesma lâmina. • O comutador está fixo ao rotor e roda com ele. A corrente chega às bobinas através de um par de escovas de grafite que am com as lâminas do colector. Garante-se, assim, uma corrente constante sob um polo do estator, independentemente do movimento do rotor. FEUP-LEEC. SAM

9

O motor de corrente contínua. Estrutura e circuitos • O conjunto comutador-escovas permite transformar uma fonte de corrente contínua numa corrente alternada, a que circula nas bobinas. Este conjunto é, no entanto, uma desvantagem dos motores CC aumentando o seu custo e, fundamentalmente, a sua manutenção. • As escovas e, mais lentamente, as lâminas do colector, deterioram-se com o tempo. Também, a imperfeição da rotação implica a ocorrência de arcos eléctricos, impedindo a utilização deste motor em ambientes perigosos. • Apesar da excelente regulação e controlabilidade do motor CC, este tem perdido muitos campos de aplicação, nos accionamentos controlados, em detrimento do motor assíncrono.

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O motor de corrente contínua. Estrutura e circuitos • Uma característica fundamental do motor CC, responsável pelo seu bom desempenho dinâmico, é o facto de os circuitos magnéticos do campo indutor e da armadura estarem mutuamente desacoplados. O fluxo criado pelo indutor não liga com os enrolamentos da armadura. • As orientações espaciais dos fluxos são fixas e não dependem da rotação do motor. Sendo direcções perpendiculares, verifica-se o desacoplamento magnético referido. • A rápida variação da corrente da armadura, em caso de perturbação dinâmica, pode ser obtida sem haver interacção do fluxo indutor.

N

φA φF S

Orientações espaciais do fluxo indutor e da f.m.m. da armadura num motor CC.

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O motor de corrente contínua. Binário e f.e.m. • Sendo as direcções da corrente da armadura e do fluxo indutor perpendiculares, desenvolve-se uma força electromagnética em cada condutor proporcional à corrente e ao fluxo. • O binário resultante nos diversos condutores soma-se, resultando:

T = K1ΨI Ψ é o fluxo por polo, I é a corrente na armadura e K1 uma constante de proporcionalidade (dimensões, número de polos, etc). • A rotação do motor faz induzir uma f.e.m. nos condutores, proporcional à velocidade e ao fluxo por polo: E = K 2 Ψω Ψ é o fluxo por polo, ω é a velocidade angular do motor e K2 uma constante de proporcionalidade (dimensões, número de polos, etc). FEUP-LEEC. SAM

12

O motor de corrente contínua. Binário e f.e.m. • Se as equações de binário e f.e.m. forem expressas em unidades SI as constantes K1 e K2 são iguais. • A potência eléctrica convertida em mecânica é: P = EI = K 2 ΨωI • A potência mecânica é: P = Tω = K1ΨIω

ou seja:

K 2 ΨωI = K1ΨIω • Assim, em regime permanente: E = KΨ ω T = KΨ I FEUP-LEEC. SAM

13

O motor de corrente contínua. Binário e f.e.m. if

Ra

+

+ Rf

Vf Lf -

i F1

+

If

I

A1

Ra

La + E -

+

Vf

v

Rf

-

F2

-

+ E -

V -

A2

Circuitos do campo e da armadura, em regime dinâmico e em regime permanente.

• Em regime dinâmico devem ser consideradas as indutâncias dos dois circuitos, Lf e La. A evolução das correntes será dada por: di v = La + Ra i + E dt di f Vf = Lf + Rf if dt • Em regime permanente: V = Ra I + E Vf = Rf I f FEUP-LEEC. SAM

14

O motor de corrente contínua. Saturação do motor • A relação entre a corrente de campo e o fluxo depende da relutância do circuito magnético. Sendo linear numa zona alargada de corrente, satura para valores mais elevados. • Em geral, o ponto de funcionamento nominal do motor já se encontra ligeiramente na zona de saturação. E (V)

Velocidade 1000 rpm

300

200

100

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

If (A)

Curva de magnetização de um motor CC. FEUP-LEEC. SAM

15

O motor de corrente contínua. Métodos de excitação do motor • Os circuitos da armadura e do campo podem ser colocados: - em paralelo: motor “shunt”; - em separado: motor de excitação separada; - em série: motor de excitação série. • O fluxo no motor depende da f.m.m. criada (NI). O mesmo fluxo pode ser obtido com poucas espiras e corrente elevada (motor série), ou por muitas espiras e corrente pequena (motor “shunt” e de excitação separada). • Naturalmente, a excitação separada permite uma maior flexibilidade sendo utilizada na maior parte dos accionamentos. Apenas no domínio da tracção eléctrica existem os motores série.

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16

Controlo de motores CC, de exc. separada. Conversores electrónicos F1 +

A1

Conversor V do campo f

+

I

If

Ra

Rf

V

+ E -

-

Conversor da armadura

F2

A2

Conversores electrónicos para um motor de excitação separada.

• Se a fonte disponível é CC, utilizam-se conversores CC/CC (a partir de baterias, em tracção eléctrica de pequena potência); • Se a fonte disponível é CA, utilizam-se conversores CA/CC (monofásicos ou trifásicos). • A potência do conversor de campo é muito inferior à do conversor da armadura, podendo ambos ter saída variável. FEUP-LEEC. SAM

17

Controlo de motores CC, de excitação separada. Controlo de velocidade • Na armadura:

E = V − Ra I V − Ra I = KΨω

• A velocidade é expressa por: V − Ra I ω= KΨ

ou

ω=

Ra  1  T V − KΨ  KΨ 

• Distinguem-se duas zonas de funcionamento em velocidade: – com fluxo constante, em que a velocidade depende linearmente de V (RaI é uma parcela de perdas, em geral pouco significativa); – com tensão V constante, em que a velocidade depende inversamente do fluxo. Nesta zona, a um aumento de velocidade corresponde uma redução do binário disponível. FEUP-LEEC. SAM

18

Controlo de motores CC, de excitação separada. Controlo de velocidade • Na zona de fluxo constante as curvas T-n são rectas paralelas com inclinação negativa. n nn

δ=δ1 δ=δ2

0

-Tn

Tn

T

-nn

Características T-n na zona de fluxo constante para quatro quadrantes e em função do parâmetro de controlo. FEUP-LEEC. SAM

19

Controlo de motores CC, de exc. separada. Zonas de funcionamento p.u.

T, I, Φ f, If

V, I

1.0 E T, Φ f, If

V E

0

1.0 Zona de binário constante

Zona de potência constante

ωm (p.u.)

Binário disponibilizado por um motor de excitação separada.

• Naturalmente, em regime transitório, o motor poderá desenvolver um binário superior ao nominal, de acordo com a capacidade de corrente associada. FEUP-LEEC. SAM

20

Controlo de motores CC, de excitação separada. Zonas de funcionamento • A característica de um accionamento deve estender-se por quatro quadrantes. • Acima de nn, a velocidade depende inversamente do fluxo. A um aumento de velocidade corresponde uma redução do binário disponível. T Tn

0

nn

nmáx n

Envolvente da zona de funcionamento de um motor CC. FEUP-LEEC. SAM

21

Controlo de motores CC, de exc. separada. Comportamento dinâmico do motor • Para o motor CC, com fluxo constante, tem-se: v = La T=J

di + Ra i + E dt

dω + Bω + TWL dt

• Aplicando a transformada de Laplace: V ( s ) = E ( s ) + ( Ra + sLa ) I ( s ) T ( s ) = TWL ( s ) + ( B + sJ )ω( s ) sendo E ( s ) = Kω( s ); FEUP-LEEC. SAM

T ( s ) = KI ( s ); ω( s ) = sθ( s ) 22

Controlo de motores CC, de excitação separada. Comportamento dinâmico do motor • Associando as duas equações anteriores: ω( s ) =

Ra + sLa K V ( s ) T ( s) − 2 2 WL ( Ra + sLa )( sJ + B) + K ( Ra + sLa )( sJ + B ) + K TWL(s) V(s) +

-

I(s) 1 Ra+sLa

T(s) KT

+

-

1 B+sJ

ω (s)

1 s

θ (s)

E(s) KE

Diagrama de blocos de um motor de excitação separada.

KT e KE são iguais. FEUP-LEEC. SAM

23

Controlo de motores CC, de excitação separada. Comportamento dinâmico do motor • Considerando o motor um sistema linear (apenas dependente do circuito de campo) a equação geral anterior resulta em duas funções de transferência: G1 ( s ) =

ω( s ) V (s) T

G2 ( s ) =

Ra + sLa ω( s ) =− TWL ( s ) V ( s )=0 ( Ra + sLa )( sJ + B) + K 2

WL ( s ) =0

=

K ( Ra + sLa )( sJ + B) + K 2

• A velocidade depende de duas variáveis actuantes no motor: a tensão da armadura e o binário resistente.

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24

Controlo de motores CC, de excitação separada. Comportamento dinâmico do motor • Considerando B=0 (habitualmente pequeno e desprezável): K 1 = sJ ( Ra + sLa ) + K 2 K  s 2 La J + s Ra J + 1    K2  K2 • Definindo as constantes de tempo mecânica e eléctrica: R J L τ m = a 2 ; τe = a Ra K 1 G1 ( s ) = K s 2 τ m τ e + sτ m + 1 • itindo τm>>τe obtém-se: ω( s ) 1 ≅ G1 ( s ) = V ( s ) K (sτ m + 1)(sτe + 1) G1 ( s ) =

(

)

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25

Controlo de motores CC, de exc. separada. Controlo de velocidade em malha fechada ω ref

Ia(ref) +

Vc +

-

-

Sa

Conversor da armadura

Ca Ia

ωf

Malha de corrente

Limitação de corrente

Malha de velocidade

Motor SS

Enfraquecimento de campo

If If(ref)

+

-

Conversor do campo

FW

Controlo em malha fechada para um motor de excitação separada.

• O sistema apresenta duas malhas de controlo para a corrente da armadura: a malha interior, de corrente, e a malha exterior, de velocidade. FEUP-LEEC. SAM

26

Controlo de motores CC, de excitação separada. Controlo de velocidade em malha fechada • O controlo em cascata pode ser aplicado a uma malha exterior de controlo de posição em servo-accionamentos. A posição de referência é comparada com a posição actual (obtida a partir de um sensor apropriado). A saída do controlador de posição corresponde a um valor de referência para a velocidade.

Enfraquecimento de campo • O enfraquecimento de campo é obtido automaticamente a partir do bloco FW. Do ponto de vista do controlador, o sistema torna-se não linear.

Limitação de corrente • A limitação de corrente no conversor obtém-se a partir da limitação da saída do amplificador de erro de velocidade. FEUP-LEEC. SAM

27

Controlo de motores CC, de exc. separada. Conversores CC/CC • Os conversores CC/CC podem ser de um, dois ou quatro quadrantes. • Permitem impôr uma frequência de comutação elevada, diminuindo a ondulação de corrente no motor. A

A S ia

Vcc

D ia Vcc

B D C

B S

ω

ω

C

Conversor CC/CC de um quadrante no modo motor e em frenagem.

• No conversor de um quadrante, pode ocorrer condução descontínua. • Não permite efectuar frenagem directamente. FEUP-LEEC. SAM

28

Controlo de motores CC, de excitação separada. Conversores CC/CC Ia

Vcc

If

+ Φ

Vt

Vf

T, ω

Conversor CC/CC de 2 quadrantes.

• O conversor CC/CC de dois quadrantes apenas funciona em condução contínua, o que facilita a regulação do sistema. • Em qualquer conversor CC/CC, no modo de frenagem torna-se necessário que a fonte de alimentação CC tenha capacidade de receber a energia recuperada. FEUP-LEEC. SAM

29

Controlo de motores CC, de excitação separada. Conversores CC/CC • A inversão do sentido de rotação de um motor pode ser obtida a partir da inversão da polaridade aos terminais da armadura ou invertendo o campo. A inversão do campo é mais lenta (circuito muito indutivo). • A inversão da tensão aos terminais da armadura pode ser realizada de duas formas: utilizando dois pares de os electromecânicos ou utilizando um conversor de quatro quadrantes. F

R

S

F1

A1 Conversor Vcc do campo

Vcc A2

D R

F

F2

Conversor CC/CC de um quadrante. Inversão aos terminais da armadura. FEUP-LEEC. SAM

30

Controlo de motores CC, de excitação separada. Conversores CC/CC • O conversor de quatro quadrantes permite uma dinâmica muito superior. S1

A1

Vcc S2

D2

F1

S3

D1

ω

D3

A2 S4

Conversor do campo

Vcc

D4 F2

Conversor CC/CC de quatro quadrantes.

• Há diferentes métodos de controlo para este conversor: – S2 e S3 off, S4 on. S1 controla a tensão aplicada. – S3 off, S4 on. S1 e S2 controlam a tensão aplicada. – S1, S2, S3 e S4 controlam a tensão aplicada. FEUP-LEEC. SAM

31

Controlo de motores CC, de exc. separada. Conversores CC/CC - ondulação da corrente • A tensão de saída dos conversores electrónicos não é constante, apresenta ondulação que, por sua vez provoca ondulação de corrente. • itindo a f.e.m. constante, a tensão e a corrente na armadura são: v(t ) = V + vr (t ) i (t ) = I + ir (t ) • Substituindo na expressão instantânea da tensão na armadura: di (t ) V + vr (t ) = Ea + Ra [I + ir (t )] + La r dt • Resulta para o valor médio e a ondulação: V = Ea + Ra I vr (t ) = Ra ir (t ) + La FEUP-LEEC. SAM

dir (t ) dt 32

Controlo de motores CC, de excitação separada. Conversores CC/CC - ondulação da corrente • itindo que a resistência tem um efeito desprezável: vr (t ) ≈ La v

∆ i=

V

V 2Lafs

dir (t ) dt v

∆ i=

V 8Lafs

V

i

0

t

i

0

t Ts=1/fs

-V Ts=1/fs

Ondulação de corrente num conversor CC/CC de quatro quadrantes, com métodos de controlo distintos.

• O mesmo valor médio está associado a valores eficazes diferentes, aumentando as perdas em Ra, no primeiro caso. FEUP-LEEC. SAM

33

Conversores CC/CC. Recuperação de energia para a fonte CA. • Se o barramento CC não permite o trânsito bidireccional de potência torna-se necessário dissipar a energia devolvida ao barramento CC. Lf Rb Vs

Uf Cf

Controlo

Tb

Conversor CC/CC de 1, 2, ou 4 quadrantes

Motor CC

Φ

Circuito de frenagem para conversores CC/CC.

• Em geral, o transístor Tb faz parte dos módulos integrados de semicondutores de potência aplicáveis em controlo de motores. FEUP-LEEC. SAM

34

Conversores CC/CC. Recuperação de energia para a fonte CA. • A bidireccionalidade de potência no barramento CC (por inversão da corrente) é feita por um inversor de tensão (monofásico ou trifásico) a funcionar como rectificador. icc + T1

Ls

is vs

T3

vinv

Uf C

vcc

Conversor CC/CC de 1, 2, ou 4 quadrantes

Motor CC

Φ

T2

T4

-

Interface para a rede CA com possibilidade de recuperação de energia.

• A topologia garante, ainda, factor de potência unitário e corrente de entrada sinusoidal. FEUP-LEEC. SAM

35

Conversores CC/CC. Filtro do barramento CC • O filtro do barramento CC é utilizado para duas funções: – Filtrar a tensão de saída de um rectificador (se existir) garantindo uma ondulação especificada; – Filtrar a corrente de entrada pedida pelo conversor CC/CC à fonte CC (bateria, por exemplo). Lf

ii

+

icc

Motor CC

+

Uf

is vs

Conversor CA/CC (díodos)

vi

-

Cf

Conversor CC/CC

vcc

Φ

-

Filtro LC na entrada de um conversor CC/CC. FEUP-LEEC. SAM

36

Controlo de motores CC, de exc. separada. Conversores CA/CC • Uma parte importante dos accionamentos industriais é baseada em rectificadores tiristorizados, devido à disponibilidade da rede CA. • O circuito do campo poderá ser não controlado (ponte de díodos) ou controlado (ponte tiristorizada, em geral mista), permitindo velocidades superiores à nominal. • A possibilidade de frenagem ou de inversão do sentido de rotação depende das configurações implementadas. A inversão de sentido obtémse por inversão do campo ou por inversão da tensão na armadura. • A inversão do campo indutor é um processo lento, comparado com a inversão da tensão na armadura. A inversão da tensão na armadura pode ser obtida por processos electromecânicos ou por processos estáticos.

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37

Controlo de motores CC, de excitação separada. Conversores CA/CC - inversão da rotação L F

R

F1

A2

A1

R

F F2

Inversão da tensão na armadura a partir de ores.

• Aumentando o ângulo de disparo, a corrente anula-se. De seguida, é aberto o or F. O ângulo de disparo é aumentado para valores superiores a 90º, permitindo tensões negativas superiores à f.e.m. É fechado o or R, iniciando-se a condução no circuito (frenagem). • Diminuindo α, a tensão inverte-se e o motor inicia a rotação no sentido inverso. FEUP-LEEC. SAM

38

Controlo de motores CC, de excitação separada. Conversores CA/CC - inversão da rotação 1

2

Inversão do campo indutor a partir de rectificadores em anti-paralelo.

• Aumentando o α da armadura, a corrente anula-se. • No indutor, α é aumentado para valores superiores a 90º, anulando a corrente de campo e a f.e.m. Após um intervalo de segurança, a ponte 2 é disparada, invertendo-se a corrente de campo e a f.e.m. (frenagem). • Controlando o conversor da armadura o motor inicia a rotação no sentido inverso. FEUP-LEEC. SAM

39

Controlo com conversores CA/CC. Ondulação da corrente e corrente descontínua • A ondulação de tensão de saída dos conversores CA/CC, associada à respectiva frequência, é mais importante que nos conversores CC/CC. Tal como nestes, provoca ondulação na corrente com os efeitos já descritos. • A ondulação da corrente na saída de rectificadores pode ser calculada a partir do método do primeiro harmónico. Consiste em aproximar a corrente de saída pela soma do seu valor médio com o primeiro termo harmónico. Este termo depende, naturalmente, do topologia do conversor e do respectivo ângulo de disparo. • Também para este método (aproximado) se pode itir que a resistência da armadura não contribui para a impedância do circuito que limita a ondulação da corrente. • O método do primeiro harmónico só é válido em condução contínua. FEUP-LEEC. SAM

40

Controlo com conversores CA/CC. Ondulação da corrente e corrente descontínua • Com binários/cargas baixas, o valor médio da corrente é baixo. • Se a ondulação da corrente for significativa, esta pode tornar-se descontínua, introduzindo uma dependência entre o valor médio da tensão de saída e o valor médio da corrente (considerando a f.e.m. constante). É uma característica de não linearidade. n rpm 1500

Corrente descontínua

Binário nominal α =0º

1000 Corrente contínua

500 0 -500

α =45º α =75º T α =90º N.m α =105º

-1000

α =135º

-1500

α =180º

Exemplo (trifásico) de característica velocidadebinário.

FEUP-LEEC. SAM

41

Controlo com conversores CA/CC. Ondulação da corrente e corrente descontínua n rpm 1500 1000

Corrente descontínua Corrente contínua

Binário nominal α=0º

α=45º

500 0 -500 -1000

α=75º T α=90º N.m α=105º α=135º

-1500 α=180º

Exemplo (monofásico) de característica velocidade-binário.

• Naturalmente, a condução descontínua também ocorre nos conversores CC/CC de um quadrante. FEUP-LEEC. SAM

42

Controlo de motores CC, de exc. separada. Conversores CA/CC em anti-paralelo (introdução) K

A

Va

Vb

Vc N

Conversores CA/CC em anti-paralelo.

• O conversor da esquerda fornece tensão positiva e negativa (em função de αΚ) e corrente positiva a uma carga ligada entre K e N; • O conversor da direita fornece tensão positiva e negativa (em função de αΝ) e corrente negativa a uma carga ligada entre A e N. • Se os conversores forem ligados em anti-paralelo obtém-se um sistema de quatro quadrantes. FEUP-LEEC. SAM

43

Controlo de motores CC, de excitação separada. Conversores CA/CC em anti-paralelo K

A

• Para o conversor da esquerda: VKN = Vd 0 cos α p

• Para o conversor da direita: V AN = −Vd 0 cos α n

Va

Vb

Vc N

Conversores CA/CC em anti-paralelo.

• Para a colocação em anti-paralelo as tensões de saída devem ser iguais, o que se obtém fazendo: α p + α n = 1800 • Resultando: FEUP-LEEC. SAM

V AN = −Vd 0 (− cos(−α p ) ) = Vd 0 cos(α p ) 44

Controlo de motores CC, de excitação separada. Conversores CA/CC em anti-paralelo vKN

• Embora as tensões médias sejam iguais, as tensões instantâneas não são, impedindo a colocação directa em anti-paralelo. • Existem diversos métodos de colocação em anti-paralelo de dois rectificadores: – com bobinas de ligação; – sem bobinas de ligação, com banda morta ou com lógica de inversão

vcN

vaN vAN

vbN

vcN

vaN

vbN

vKA

Exemplo de conversores CA/CC em anti-paralelo. FEUP-LEEC. SAM

45

Controlo de motores CC, de excitação separada. Conversores CA/CC em anti-paralelo P c t2 P a t4 P b t6 P c t8

L

K

A

Na

M Pa

Pb

t1 Na

Pc

Nb

va

Nc

a b c

Saída vKN Carga CC N

Conversores CA/CC em antiparalelo, com corrente de circulação.

• Exemplo de tensões existentes num agrupamento de conversores CA/CC em anti-paralelo, com corrente de circulação. FEUP-LEEC. SAM

Nb t3

t2 va

Nc t5

vb

t4 vb

t7 vc

t6

t8

vc

Saída vAN

t1

Saída vMN

t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10

Tensão na bobina

t3

t2 t1

t5

t4 t3

t7

t6 t5

t9

t8 t7

t10 t9

46

Controlo de motores CC, de excitação separada. Conversores CA/CC em anti-paralelo M L a b c

P

Pontes trifásicas em anti-paralelo, com corrente de circulação.

• Tratando-se de conversores duplos é necessário uma segunda bobina para limitar a corrente de circulação. • Há outras configurações de ligação que podem ser utilizadas, dispensando a segunda bobina. FEUP-LEEC. SAM

47

Conversores CA/CC em anti-paralelo. Exemplo de drive de quatro quadrantes A1

F1 a b c

a b c F2 A2 3

6

7

11

1

ω ref +

2

Iref

D1

+

+ 5

+ +

+

4

-

Ic

10

D2

ω 8

9 If(ref)

Drive de quatro quadrantes com pontes trifásicas em anti-paralelo e corrente de circulação. FEUP-LEEC. SAM

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Controlo de motores CC, de excitação separada. Conversor dual sem corrente de circulação Conversor P

Conversor N

L a b c

Lógica de Q inversão Q

Lógica

Lógica

Circuito de sincronismo e de geração de impulsos

Sistema de quatro quadrantes sem corrente de circulação. FEUP-LEEC. SAM

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Controlo de motores CC, de excitação série. • Num motor série, os enrolamentos do circuito de campo e da armadura são colocados em série. O circuito de campo terá poucas espiras, de secção elevada, e baixa resistência. • Sendo o binário proporcional à corrente da armadura e à corrente de campo, torna-se proporcional ao quadrado da corrente na armadura. • No arranque e às baixas velocidades, com uma f.e.m. baixa, é possível obter um binário muito elevado a partir de uma corrente elevada; às velocidades elevadas, com a f.e.m. a subir, a corrente decresce e o binário também. • É a característica típica de um sistema de tracção eléctrica, o campo de aplicação essencial do motor série. No entanto, apresenta algumas dificuldades a nível de métodos de controlo e do funcionamento em recuperação de energia. FEUP-LEEC. SAM

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Controlo de motores CC, de excitação série. • Com o desenvolvimento da electrónica de potência, o motor série ou a ser controlado por conversores CC/CC.

S ia

L S1

D

A1 A2

S2

ω

Conversor CC/CC no controlo de um motor série.

• Para inverter a velocidade é necessário inverter o campo ou a armadura, mas não ambos. Torna-se necessário a utilização de um or. FEUP-LEEC. SAM

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Controlo de motores CC, de excitação série. • Durante o funcionamento em frenagem, com a configuração do conversor CC/CC em step-up, é mais vantajoso colocar o motor como de excitação separada, aumentando a estabilidade. • Esta configuração permite um controlo mais eficiente de ambas as correntes, de campo e da armadura, optimizando o regime dinâmico. • No entanto, as características de funcionamento do conjunto são não lineares.

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Controlo de motores CC, de excitação série. • O controlo, com realimentação do quadrado da corrente da armadura, permite obter características de funcionamento semelhantes às obtidas com um motor de excitação separada.

nref

-

+ -

PI

∆

+

ia n

L S1

S Vcc

D

A1 A2

S2 ω

Controlo de um motor série com realimentação não linear da corrente. FEUP-LEEC. SAM

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Controlo de motores CC. Referências • “Electric Motor Drives Modeling, Analysis and Control”, R. Krishnan, Prentice-Hall, 2001 • “Power Electronics. Principles and Applications”, J. Vithayathil, McGraw-Hill, 1995 • “Electric Drives. An Integrative Approach”, N. Mohan, MNPERE, Minneapolis, 2001

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