inversor de frequência monofásico

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  • FACULDADE ASSIS GURGACZ

    MAIKON LUCIAN LENZ RAFAEL VINICIUS DA SILVA

    ROBSON BARBOSA

    INVERSOR DE FREQUNCIA MONOFSICO

    CASCAVEL 2011

  • FACULDADE ASSIS GURGACZ

    MAIKON LUCIAN LENZ RAFAEL VININCIUS DA SILVA

    ROBSON BARBOSA

    INVERSOR DE FREQUNCIA MONOFSICO

    Trabalho apresentado na disciplina de Eletrnica Industrial e de Potncia, do curso de Bacharelado em Engenharia de Controle e Automao, da FAG, como requisito parcial de concluso da disciplina. Professora: Ederson Zanchet

    CASCAVEL 2011

  • RESUMO

    Discusso e projeto de um circuito inversor de frequncia monofsico com auxlio de um microcontrorlador Arduino. Detalhamento do funcionamento e princpios fundamentais envolvidos, bem como os resultados obtidos com a experincia prtica. Palavras-Chave: Inversor de Frequncia; 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 Field Effect Transistor

    BJT Bipolar Junction Transistor

  • LISTA DE FIGURAS

    Figura 1 - Esquema bsico de um inversor de frequncia ................................................ 9 Figura 2 - Esquema utilizado no trabalho ....................................................................... 10 Figura 3 - Relao Torque/Tenso para controle escalar ...................................... 11 Figura 4 - Comparativo entre os elementos mais comuns de controle de velocidade ..................................................................................................................... 13 Figura 5 - Arduino UNO ................................................................................................. 14 Figura 6 - Circuito IGBT e equivalente .......................................................................... 15 Figura 7 - Circuito Completo ......................................................................................... 18 Figura 8 - Teste de Funcionamento ................................................................................ 19 Figura 9 - Resultado da inverso de frequncia ............................................................. 19

  • Sumrio 1. INTRODUO ........................................................................................................ 8

    2. PRINCPIOS FUNDAMENTAIS ............................................................................. 9

    2.1. Metodologia de Converso .................................................................................... 9

    2.2. Mtodos de Converso ........................................................................................ 10

    2.3. Controle Escalar de Frequncia ............................................................................ 11

    2.4. Controle Vetorial de Frequncia .......................................................................... 12

    2.5. Circuito Chaveador .............................................................................................. 13

    3. Algoritmo ................................................................................................................ 16

    4. RESULTADOS........................................................................................................ 18

    4.1. Circuito Pronto .................................................................................................... 18

    4.2. Testes ................................................................................................................... 19

    5. CONCLUSO ........................................................................................................ 20

    REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ........................................................................... 21

  • 1. INTRODUO

    O desenvolvimento de circuitos capazes de chavear um sinal criando uma

    onda de frequncia diferente daquela que a originou, os denominados

    inversores de frequncia so sem dvida um dos pilares da eletrnica de

    potncia na atualidade, sem os quais o mundo como o conhecemos hoje no

    seria possvel.

    Ao longo do trabalho o tema ser explanado detalhadamente para que

    possamos abranger no somente o projeto mas tambm toda a metodologia e

    os princpios de funcionamento envolvidos no equipamento em questo.

  • 2. PRINCPIOS FUNDAMENTAIS

    2.1. Metodologia de Converso

    Para que possa transformar um sinal de uma frequncia fixa para outra

    comumente utilizado uma converso CA-CC antes de utilizar mtodos de

    chaveamento para refazer uma nova onda em frequncia diferente. O sinal CC

    manipulvel mais facilmente do que uma outra qualquer.

    Neste trabalho entretanto, o inversor de frequncia fora alimentado

    diretamente com uma tenso contnua eliminando o circuito de retificao.

    Figura 1 - Esquema bsico de um inversor de frequncia

  • Figura 2 - Esquema utilizado no trabalho

    2.2. Mtodos de Converso

    Existem basicamente dois tipos inversores de frequncia:

    Inversores de Controle Escalar

    Inversores de Controle Vetorial

    A diferena fundamental entre estes que o primeiro capaz de

    controlar apenas a velocidade do motor de forma linear, o que pode ser um

    problema quando se tem grandes variaes na carga utilizada e no torque

    necessrio, tornando-se um mtodo de controle bastante impreciso nestas

    situaes.

    A curva que relaciona torque e tenso difere entre os dois tipos, sendo o

    escalar algo mais prximo de um controle linear.

  • 2.3. Controle Escalar de Frequncia

    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 tenso e frequncia, tentando

    manter a relao entre estes constante, o que resulta em pouco torque em

    baixas rotaes j que o torque relao direta da corrente de alimentao e a

    alta resistividade do motor em baixas frequncias faz com que em certo este

    no consiga mais recuperar o torque, um limite de aproximadamente 3 Hz.

    De qualquer forma, este tipo de inversor pode ser utilizado muito bem

    para partidas suaves e/ou operaes acima da velocidade nominal do motor.

    Figura 3 - Relao Torque/Tenso para controle escalar

    Caso o motor necessite de grande torque na partida, devido a grande

    inrcia do sistema, pode-se utilizar um procedimento para aumentar o torque

    aumentando a tenso de sada do inversor, denominado compensao de

    boost.

    O aumento da tenso pode compensar ainda as perdas na parcela

    resistiva em baixas frequncia em at 30% da frequncia nominal

  • (compensao IxR).

    2.4. Controle Vetorial de Frequncia

    O inversor de frequncia vetorial trabalha de acordo com a demanda de

    torque do motor, e variando constantemente a curva que relaciona torque e

    tenso.

    Isto possvel monitorando as variveis de:

    Corrente de magnetizao (Im)

    Corrente do rotor (Ir)

    Para aplicaes que exijam torque elevado e preciso em baixas

    rotaes, com regulao precisa de velocidade, sem dvidas este o mtodo

    adequado.

    comum tambm utilizar de um encoder acoplado ao eixo do motor

    para se ter um referncia real da velocidade que o motor est trabalhando

    corrigindo o erro do controle.

  • Figura 4 - Comparativo entre os elementos mais comuns de controle de velocidade

    2.5. Circuito Chaveador

    A converso de frequncia feita atravs de interruptores eletrnicos,

    comumente transistores, j que os tiristores so mais difceis de serem

    controlados e trabalham com frequncias no satisfatrias em muitos casos.

    Destes transistores comum lidarmos com BJT, MOSFET ou IGBT, esse

    ltimo o utilizado em nosso projeto. Eles podem ser usados tambm para

    regulagem de potncia conforme o nvel de corrente da base, no entanto, nesta

    situao nos interessa apenas a circulao ou no de corrente.

    Desta forma, podemos operar com os transistores nos pontos de corte e

    saturao, aonde o mnimo de potncia ser dissipada.

    Com o sinal em corrente contnua, o restante do procedimento

    realizado por transistores (mais rpidos no chaveamento que tiristores, e sem a

    necessidade de elementos de comutao para desligar estes) acionados a

  • partir de um sistema microcontrolado, no projeto em questo um Arduino UNO.

    Figura 5 - Arduino UNO

    O Arduino ser responsvel por intercalar o acionamento dos pontos T1-T4

    e T2-T3, e entre eles os pontos de alta e baixa (ligado, desligado) conforme a

    frequncia desejada.

    O transistor utilizado do tipo IGBT, ideal para circuitos de potncia j que

    ele mistura caractersticas de transistores MOSFET e bipolares. A principal

    vantagem deste tipo de transistor se deve a seu acionamento ser realizado

    aplicando-se uma tenso entre a porta e o emissor, assim o IGBT, com grande

    impedncia de entrada e baixssimas perdas por conduo, o IGBT se torna

    uma pea fundamental no controle de potncia 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 pot

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