DESENVOLVIMENTO DE UM INVERSOR DE FREQUÊNCIA COM CONTROLE ESCALAR EM MALHA FECHADA DE VELOCIDADE PARA MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS DE PEQUENO PORTE PDF

Preview

Summary

INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PATRICK TRIVILIN RODRIGUES DESENVOLVIMENTO DE UM INVERSOR DE FREQUÊNCIA COM CONTROLE ESCALAR EM MALHA FECHADA DE VELOCIDADE PARA MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS DE PEQUENO PORTE Vitória 2015 PATRICK TRIVILIN RODRIGUES DESENVOLVIMENTO DE ...

Description

INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PATRICK TRIVILIN RODRIGUES

DESENVOLVIMENTO DE UM INVERSOR DE FREQUÊNCIA COM CONTROLE ESCALAR EM MALHA FECHADA DE VELOCIDADE PARA MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS DE PEQUENO PORTE

Vitória 2015

PATRICK TRIVILIN RODRIGUES

DESENVOLVIMENTO DE UM INVERSOR DE FREQUÊNCIA COM CONTROLE ESCALAR EM MALHA FECHADA DE VELOCIDADE PARA MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS DE PEQUENO PORTE

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Coordenadoria do Curso de Engenharia Elétrica do Instituto Federal do Espírito Santo, como requisito parcial para obtenção do título de Graduação em Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. Msc. Samuel Alves Souza

Vitória 2015

1

(Biblioteca Nilo Peçanha do Instituto Federal do Espírito Santo) R696d Rodrigues, Patrick Trivilin. Desenvolvimento de um inversor de frequência com controle escalar em malha fechada de velocidade para motores de indução trifásicos de pequeno porte / Patrick Trivilin Rodrigues. – 2015. 92 f. : il. ; 30 cm Orientador: Samuel Alves de Souza. Monografia (especialização) – Instituto Federal do Espírito Santo, Coordenadoria de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Curso Pós-Graduação Lato Sensu em Engenharia Elétrica com Ênfase em Sistemas Inteligentes Aplicados à Automação, 2015. 1. Motores elétricos de indução. 2. Inversores elétricos. 3. Engenharia elétrica. I. Souza, Samuel Alves. II. Instituto Federal do Espírito Santo. III. Título. CDD 21 – 621.42

4

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus, que me deu a dom da vida; aos meus pais, meu avô e minha namorada, por todo o amor e entrega ao me proporcionarem um estudo e um ambiente formidáveis para minha formação e por todo exercício da paciência e confiança nas minhas ausências; ao meu mestre por abraçar essa causa e fazer de um desafio uma obra concreta; e a todos os amigos que com conselhos, com a doação do seu tempo e energia, não pouparam vida para edificar a minha.

5

RESUMO

O motor elétrico proporcionou largos passos no processo de desenvolvimento da humanidade, substituindo o homem no desempenho de tarefas repetitivas e de intenso esforço. Dentre eles, o motor de indução trifásico possui construção robusta e elevado rendimento, apresentando-se como um dos mais versáteis tipos de motores. Porém, possui a desvantagem de um complexo sistema de controle de velocidade, pouco comum em baixa potência. O desenvolvimento de um inversor que exerça o controle da velocidade para essa faixa de motores é o assunto deste trabalho, baseado no controle escalar em malha fechada de velocidade, operando adequadamente embarcado em uma plataforma de desenvolvimento e um hardware construído.

Palavras-chave: Inversor de frequência. Controle escalar. Motor de indução trifásico. Malha fechada de velocidade.

6

ABSTRACT

The electric motor provided strides in the human development process, replacing the man in the performance of repetitive tasks and intense effort. Among them, the threephase induction motor has a robust construction and high performance, presenting itself as one of the most versatile types of motors. However, it has the disadvantage of need a complex speed control system, unusual at low power. The development of an inverter to take the control of speed for this range of engines is the subject of this paper, based on the scalar control with closed loop speed, operating properly, embarked in a development platform and a built hardware.

Keywords: Frequency Inverter. Scalar control. Three-phase induction motor. Closed loop speed.

7

LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Diagrama de blocos primário do trabalho. ................................................ 17 Figura 2 - Conversão Eletromecânica de Energia ..................................................... 19 Figura 3 - Transferência de Energia num Motor Elétrico ........................................... 19 Figura 4 - Classificação dos motores de indução ...................................................... 21 Figura 5 - Circuito equivalente monofásico do motor de indução .............................. 22 Figura 6 - Curva Torque-Velocidade de uma máquina de indução ........................... 25 Figura 7 - Curva Torque x Velocidade para controle escalar V/Hz............................ 27 Figura 8 - Característica torque-velocidade do controle escalar até a velocidade nominal ..................................................................................................... 29 Figura 9 - Controle escalar com tensão de compensação ........................................ 30 Figura 10 - Controle escalar Volts/Hz em malha aberta ............................................ 31 Figura 11 - Diagrama de blocos ilustrativo do controle Volts/Hz em malha fechada de um MIT ..................................................................................................... 32 Figura 12 - Configuração básica de um inversor VSI ................................................ 33 Figura 13 - Formas de onda de tensão de um inversor VSI de seis etapas. ............. 34 Figura 14 - Formação do PWM senoidal ................................................................... 36 Figura 15 - SPWM trifásico........................................................................................ 36 Figura 16 - Sinal SPWM resultante que alimenta o MIT ............................................ 37 Figura 17 - Controle PI .............................................................................................. 38 Figura 18 - Rampas de Aceleração e Desaceleração de um Soft-starter ................. 39 Figura 19 - Etapas do controle .................................................................................. 41 Figura 20 - Plataforma de desenvolvimento STM32F401RET6 ................................ 43 Figura 21 – Módulo inversor de potência IRAMS10UP60B ....................................... 43 Figura 22 - Acionamento IGBT .................................................................................. 44 Figura 23 - Esquema interno do IRAMS10UP60B .................................................... 45 Figura 24 - Capacitor Bootstrap recomendado para cada Frequência de PWM ....... 46 Figura 25 - Proteção externa contra sobrecorrente ................................................... 47 Figura 26 - Circuito interno HCPL 2531 .................................................................... 49 Figura 27 - Circuito de isolamento dos sinais ............................................................ 50 Figura 28 - Esquema e resposta de um Encoder rotativo em quadratura ................. 51 Figura 29 - Fluxograma básico de organização do programa ................................... 52 Figura 30 - Exemplo de condicionamento de senóide PWM ..................................... 54

8

Figura 31 - Fluxograma de condicionamento da frequência de saída ....................... 55 Figura 32 - Acoplamento MIT/Encoder: vista lateral.................................................. 58 Figura 33 - Acoplamento MIT/Encoder: vista frontal. ................................................ 58 Figura 34 - Esquema final do hardware desenvolvido ............................................... 62 Figura 35 - Projeto da PCI no Kicad: as duas faces .................................................. 63 Figura 36 - Placa produzida e divisão das funções do Projeto .................................. 64 Figura 37 - Placa do projeto finalizada ...................................................................... 65 Figura 38 - Acoplamento PCI e Plataforma: vista lateral ........................................... 66 Figura 39 - Acoplamento PCI e Plataforma: vista superior. ....................................... 66 Figura 40 - Montagem completa: vista frontal. ......................................................... 67 Figura 41 - Montagem completa: vista oposta........................................................... 67 Figura 42 - Sinal SPWM a 10Hz para controle do módulo inversor .......................... 68 Figura 43 - Sinal SPWM a 30Hz para controle do módulo inversor .......................... 68 Figura 44 - Sinal SPWM a 60Hz para controle do módulo inversor .......................... 69 Figura 45 - Defasagem entre os sinais SPWM de controle das fases 1 e 2 .............. 69 Figura 46 - Defasagem entre os sinais SPWM de controle das fases 1 e 3 .............. 69 Figura 47 - Complementariedade dos sinais SPWM de controle da fase 1 .............. 70 Figura 48 - Tensão SPWM de alimentação do motor: fases U e W .......................... 70 Figura 49 - Erro por sobrecorrente do módulo inversor ............................................. 71 Figura 50 - Parâmetros Filtro Digital .......................................................................... 72 Figura 51 - Gráfico da filtragem de corrente .............................................................. 72 Figura 52 - As duas fases monitoradas com valores filtrados ................................... 73 Figura 53 - Gráfico de atraso da filtragem de corrente. ............................................. 73 Figura 54 - Filtragem de velocidade para uma partida direta com parada ................ 74 Figura 55 - Filtragem da velocidade. ......................................................................... 74 Figura 56 - Controle PI .............................................................................................. 75 Figura 57 - Teste final ............................................................................................... 76 Figura 58 - Tensão SPWM de 30 Hz que alimenta o MIT ......................................... 76 Figura 59 - Tensão SPWM de 45 Hz que alimenta o MIT ......................................... 77 Figura 60 - Tensão SPWM de 50 Hz que alimenta o MIT ......................................... 77 Figura 61 - Tensão SPWM de 60 Hz que alimenta o MIT ......................................... 77 Figura 62 - Tensão SPWM expandida de 60 Hz que alimenta o MIT ........................ 78 Figura 63 - Curva V/Hz obtida no teste final .............................................................. 78 Figura 64 - Custo de processamento do Software .................................................... 79

9

Figura 65 - Vetor Seno de 128 posições. .................................................................. 84

10

LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Tabela de Sintonia em malha aberta de Ziegler e Nichols ....................... 38 Tabela 2 - Dados da placa de identificação do motor ............................................... 40 Tabela 3 - Temperatura IGBT x Resistência Termistor x Tensão de terminal Vth .... 48 Tabela 4 - Ações do controle de corrente via sensores Hall ..................................... 57 Tabela 5 - Relação dos erros e status dos LED's ..................................................... 61 Tabela 6 - Precisão do controle de velocidade.......................................................... 79

11

LISTA DE SIGLAS CA – Corrente alternada CC – Corrente contínua CSI – Current Stiff Inverter (Inversor por Fonte de Corrente) FCEM - Força Contra-eletromotriz FEM – Força Eletromotriz FMM – Força Magnetomotriz IHM – Interface Homem-máquina LED – Light Emitting Diode (Diodo Emissor de Luz) MIT – Motor de Indução Trifásico PCI – Placa de Circuito Impresso PI – Proporcional Integral PWM – Pulse Width Modulation (Modulação por Largura de Pulso) RPM – Rotações por minuto SPWM – Sinusoidal PWM (PWM Senoidal) VSI – Voltage Stiff Inverter (Inversor por Fonte de Tensão)

12

SUMÁRIO

1

INTRODUÇÃO ........................................................................................... 15

1.1

IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO ................................................................ 15

1.2

JUSTIFICATIVA ......................................................................................... 16

1.3

OBJETIVOS ............................................................................................... 17

1.3.1

Objetivo Geral ........................................................................................... 17

1.3.2

Objetivos Específicos .............................................................................. 17

1.4

METODOLOGIA ......................................................................................... 18

1.5

ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO .............................................................. 18

2

REVISÃO DA LITERATURA ..................................................................... 19

2.1

MOTORES ELÉTRICOS ............................................................................ 19

2.2

Motores de Indução Trifásicos.................................................................... 20

2.2.1

Estrutura básica do MIT e princípio de funcionamento ........................ 20

2.2.2

Circuito Equivalente ................................................................................. 22

2.2.3

Parâmetros de velocidade do MIT ........................................................... 23

2.2.4

Curva Torque x Velocidade ..................................................................... 24

2.3

CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES DE INDUÇÃO ................. 26

2.4

TÉCNICAS DE CONTROLE DE VELOCIDADE ......................................... 27

2.4.1

Controle Escalar ou Volt/Hertz ................................................................ 27

2.4.2

Controle Vetorial....................................................................................... 28

3

PRINCÍPIO DO CONTROLE ESCALAR.................................................... 29

3.1

CONTROLE EM MALHA ABERTA ............................................................. 29

3.2

CONTROLE EM MALHA FECHADA .......................................................... 31

4

ASPECTOS GERAIS DE INVERSORES ................................................... 33

4.1

VSI com PWM ............................................................................................ 35

4.1.1

Bloco de Modulação ................................................................................. 35

13

4.1.2

SPWM ........................................................................................................ 35

4.1.3

Controle PI ................................................................................................ 37

4.1.4

Rampa de Aceleração/Desaceleração .................................................... 38

5

METODOLOGIA E IMPLEMENTAÇÃO..................................................... 40

5.1

O MOTOR .................................................................................................. 40

5.2

HARDWARE............................................................................................... 41

5.2.1

O controle.................................................................................................. 41

5.2.2

Plataforma de desenvolvimento .............................................................. 42

5.2.3

Módulo Inversor ........................................................................................ 43

5.2.3.1

Conjunto de acionamento IGBT ................................................................. 44

5.2.3.2

Alimentação de Bootstrap .......................................................................... 45

5.2.3.3

Proteção contra sobrecorrente ................................................................... 46

5.2.4

Sensor Hall ................................................................................................ 48

5.2.5

Isolamento de sinais com optoacoplador .............................................. 49

5.3

ENCODER.................................................................................................. 50

5.4

SOFTWARE ............................................................................................... 51

5.4.1

Geração de pulsos – PWM Senoidal ....................................................... 52

5.4.2

Controle de corrente ................................................................................ 56

5.4.2.1

Controle via feedback do módulo inversor ................................................. 56

5.4.2.2

Controle por leitura das correntes de fase .................................................. 56

5.4.3

Feedback de velocidade .......................................................................... 57

5.4.4

Controle Volt/Hertz ................................................................................... 58

5.4.5

Controle PI ................................................................................................ 59

5.4.5.1

Controle Final ............................................................................................. 60

5.4.6

Informações de falhas .............................................................................. 61

5.4.7

Confecção da Placa de Circuito Impresso ............................................. 62

6

RESULTADOS ........................................................................................... 64

14

6.1

A PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO ........................................................ 64

6.2

SINAIS SPWM............................................................................................ 67

6.2.1

Controle de Sobrecorrente ...................................................................... 70

6.2.2

Feedback de velocidade .......................................................................... 74

6.2.3

Controle PI ................................................................................................ 75

6.3

TESTE FINAL ............................................................................................. 75

7

CONCLUSÃO ............................................................................................ 80

7.1

PROPOSTA DE TRABALHOS FUTUROS ................................................. 80 REFERÊNCIAS .......................................................................................... 81 ANEXO I – Vetor Seno ............................................................................... 84 ANEXO II – Software desenvolvido ............................................................ 85

15

1 INTRODUÇÃO 1.1 IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO O motor elétrico configura-se como um dos mais importantes inventos no processo de desenvolvimento da humanidade. Ele veio substituir o homem no desempenho de tarefas repetitivas e que exigem grande esforço, transformando energia elétrica em energia mecânica...