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Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010
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Artigo inversor freq

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  1. 1. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 1 INVERSOR DE FREQÜÊNCIA MICROCONTROLADO LUIS FERNANDO PAVINI, MARCIO RIBEIRO DE SOUZA, RUBENS MORAES FILHO, TACIO LUIZ DE SOUZA BARBEIRO Engenharia Elétrica – Habilitação Eletrônica, Centro Universitário de Rio Preto – UNIRP E-mails: aaaa_aaaaaa@hotmail.com, bbb.bbbbbbbbbbbb@gmail.com, ccc.cccccccccccc@gmail.com, ddddd@unirpnet.com.br Resumo – Com o crescente uso de motores de corrente alternada(CA) devido a necessidade de automatização de processos industriais, o inversor de freqüência ganhou destaque neste cenário. Desta forma, este trabalho tem por objetivo projetar e simular um inversor de freqüência alimentado pela rede elétrica monofásica convencional, tendo como saída uma tensão trifásica, para alimentar e controlar a velocidade de rotação de motores CA. O controle é feito através do chaveamento de transistores, comandados por um microcontrolador. A velocidade é variada pela alteração da freqüência da tensão na saída do inversor. Um controle de amplitude da tensão é realizado na entrada, através da técnica PWM(Modulação por Largura de Pulso), possibilitando o controle escalar do processo, mantendo a razão V/F(tensão/freqüência) constante, garantindo que o torque do motor não varie. Além do processo teórico, são mostradas as etapas de uma simulação por software em forma de resultado, e estes são discutidos e analisados, comprovando a eficácia do projeto. Palavras-chave – motor trifásico, inversor de freqüência, microcontrolador, PIC, chaveamento 6 pulsos, PWM. 1 Introdução Motores elétricos trifásicos de corrente alternada (CA) são amplamente utilizados em processos industriais no mundo inteiro. Em muitos casos, a utilização desses motores requer o total controle da sua velocidade de rotação, de forma a otimizar o desempenho ou até mesmo tornar possível a realização de determinado processo. Com a evolução da eletrônica de potência, muitos equipamentos eletrônicos estão hoje disponíveis no mercado para a realização desta tarefa. Dentre eles, se destaca o Inversor de Freqüência, por ser mais eficiente e robusto para este fim. Inversores de freqüência são equipamentos capazes de permitir o controle da freqüência da tensão que é aplicada ao motor CA, possibilitando desta forma, o controle da sua velocidade de rotação. O que o inversor faz é, basicamente, converter a tensão monofásica da rede elétrica convencional (também há inversores com entrada bifásica e trifásica) em uma tensão contínua(CC) e, posteriormente, converter esta tensão contínua em uma nova tensão alternada de freqüência ajustável. Para esta conversão tornar-se possível, utiliza-se o chaveamento de semicondutores (transistores e/ou tiristores). Os principais métodos de chaveamento são o modo 6 pulsos e o PWM. Dentre os semicondutores disponíveis no mercado atualmente para este fim, destaca-se o transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor – Transistor Bipolar de Porta Isolada). Este tipo de transistor é capaz de trabalhar em altas freqüências de chaveamento. Para comandar o processo de chaveamento, temos os microcontroladores e os microprocessadores, que são componentes capazes de permitir que se controle um processo eletrônico, utilizando-se para isso uma lógica de controle. Este trabalho tem por objetivo projetar e simular em software um inversor de freqüência para motores CA trifásicos para aplicações simples, utilizando transistores como elementos chaveados, um microcontrolador como elemento de controle e o método de chaveamento 6 pulsos 3 a 3(será explicado mais adiante). A freqüência da tensão na saída deverá variar entre 2Hz a 100Hz. A figura 1 mostra um diagrama simplificado de um inversor de freqüência. Figura 1. Diagrama simplificado de um inversor de freqüência Circuito Retificador e Filtro Controle de Amplitude (Chopper - PWM) Circuito de Chaveamento (6 pulsos 3 a 3) Motor trifásico CA Microcontrolador (Controle Lógico) Rede elétrica 60Hz Interface Homem - Máquina (IHM)
  2. 2. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 2 O inversor proposto baseia-se no mesmo princípio da figura anterior, onde a entrada da rede elétrica será monofásica(127V/60Hz) e a saída será convertida em trifásica, e um controle de torque do motor será efetuado através da razão V/F(tensão/freqüência). O controle da amplitude da tensão será realizado pelo chaveamento(PWM) de um transistor antes da etapa de chaveamento 6 pulsos, de forma que esta amplitude se relacione com a freqüência, tornando V/F constante. Além de alterar a freqüência, também será possível configurar um tempo para acelerar e desacelerar o motor, assim como alterar o sentido de rotação deste. O tempo de aceleração/desaceleração poderá variar de 1 a 5 segundos. Todos esses parâmetros serão configurados através de botões de controle e todo o processo será mostrado na tela de um display de LCD. 2 Fundamentação e Projeto 2.1 Motores Trifásicos CA Um motor elétrico é uma máquina capaz de converter energia elétrica em energia mecânica(movimento giratório). O motor mais utilizado atualmente é o motor de indução CA (figura 5). Um motor de indução é composto basicamente de duas partes: estator e rotor. O espaço entre o estator e o rotor é denominado entre-ferro. O estator constitui a parte estática e o rotor a parte móvel. O estator é composto de chapas finas de aço magnético tratadas termicamente para reduzir ao mínimo as perdas por correntes parasitas e histerese. Estas chapas tem o formato de um anel com ranhuras internas (vista frontal) de tal maneira que possam ser alojados enrolamentos, os quais por sua vez, quando em operação, deverão criar um campo magnético no estator. Existem dois tipos de motores de indução em relação ao tipo de rotor:  Motor de indução gaiola de esquilo: no qual o rotor é composto de barras de material condutor que se localizam em volta do conjunto de chapas do rotor, curto-circuitadas por anéis metálicos nas extremidades.  Motor de indução com rotor bobinado: no qual o rotor é composto de um enrolamento distribuído em torno do conjunto de chapas de material magnético. A aplicação de tensão alternada nos enrolamentos do estator, irá produzir neste um campo magnético variante no tempo. O fluxo magnético girante no estator atravessará o entreferro e, por ser variante no tempo, induzirá tensão alternada no enrolamento trifásico do rotor. Como os enrolamentos do rotor estão curto-circuitados, essa tensão induzida fará com que circule uma corrente pelo enrolamento do rotor, que por conseqüência, irá produzir um fluxo magnético que tentará se alinhar com o campo magnético girante do estator. Uma vez que o campo magnético produzido no estator varia de acordo com a freqüência da tensão aplicada, pode-se então variar a velocidade de rotação do motor. (1) N → velocidade do campo girante (rpm) f → freqüência da rede em (Hz) p → número de pólos do motor Como o torque (2) do motor deve se manter constante, ao variar a freqüência, deve ser alterada também a tensão aplicada, mantendo a relação V/F (tensão/freqüência) constante, evitando assim que o torque varie. Dessa forma, o fluxo magnético (3) também se manterá constante, evitando danos ao material magnético do estator e do rotor. (2) (3) T → torque (N.m) F → fluxo magnético (weber/m²) I2 → corrente rotórica (A) p f =N 120 2IT  f V 
  3. 3. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 3 A figura 2 mostra as características do torque quando se varia a tensão do estator sem variar a freqüência. Pode-se verificar mínimas variações de velocidade para uma mesma situação de carga. A figura 3 mostra uma variação da freqüência sem variar a tensão. Observa-se uma variação de velocidade mais eficiente, porém, o torque é reduzido com o acréscimo da freqüência. A figura 4 mostra um controle escalar V/F, onde o torque permanece constante para todas as situações, e o controle de velocidade se mostra eficiente. Figura 2. Variação da tensão do estator com freqüência fixa Figura 3. Variação da freqüência com tensão do estator fixa Figura 4. Controle escalar V/F constante
  4. 4. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 4 Figura 5. Partes construtivas de um motor CA trifásico Uma corrente circulará pelo enrolamento do estator e pela rede elétrica. A corrente que circulará será a corrente nominal do motor caso esteja a plena carga. A corrente nominal é calculada com base na potência nominal do motor(CV ou HP) e na tensão aplicada às fases(motor trifásico). A equação abaixo demonstra esse cálculo para a potência em CV(cavalos): (4) In → corrente nominal Pcv → potência em CV(cavalos) Vl → tensão de linha fp → fator de potência n → rendimento do motor Durante a partida do motor, a corrente pode chegar a um valor de 6 a 8 vezes o valor da corrente nominal. Isto ocorre devido ao momento de inércia e ao escorregamento(s) do rotor em relação ao campo girante do estator. O rotor sempre gira com uma velocidade menor do que o campo do estator, e a esta diferença de velocidade, dá-se o nome de escorregamento. Quando o rotor está parado e o motor é acionado, o escorregamento é máximo, e o rotor tentará se alinhar com a velocidade de rotação do campo do estator, produzindo uma alta corrente de partida. A figura 6 mostra um circuito equivalente para um motor de indução, onde R1 representa a resistência do estator e X1 a indutância. R2 e X2 representam a resistência e a indutância do rotor, e XM representa a reatância de magnetização. Figura 6. Circuito equivalente do motor de indução nfpVl Pcv =In 3 736
  5. 5. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 5 De uma forma geral, a equação (5) mostra a corrente no estator para uma determinada tensão aplicada em função da impedância equivalente do motor. Portanto, podemos verificar que, quanto menor for a tensão aplicada ao estator, menor será a corrente que circulará pelo circuito. (5) I1 → corrente no estator (A) V1 → tensão no estator (V) Zeq → impedância equivalente do motor (Ω) 2.2 Microcontrolador Microcontrolador é um componente eletrônico lógico que permite ser programado para que execute uma determinada tarefa ou um conjunto de tarefas. Um microcontrolador é encapsulado em formato de chip e tem vários terminais de ligação, número este que depende do modelo e das funções disponíveis. Um microcontrolador é equivalente a um microcomputador simplificado, pois possui em sua estrutura interna uma UCP (Unidade Central de Processamento), memória de programa, portas de entrada e saída e circuitos para funções específicas (conversor AD, lógica PWM, comunicação serial, etc). É capaz de executar várias funções, podendo ser utilizado em uma vasta gama de aplicações. Dentre os principais fabricantes de microcontroladores, destaca-se a Microchip, com a família de microcontroladores PIC. Para este projeto, foi adotado um microcontrolador PIC 16F877A (figura 7), por ter todas as funções necessárias ao sistema e possuir muito material bibliográfico disponível e de fácil acesso. O PIC é responsável pelo controle do chaveamento dos transistores, tanto na lógica de chaveamento 6 pulsos 3 a 3 (controle de freqüência) como PWM (controle de amplitude), controle da IHM (interface homem máquina), cujos comandos são introduzidos por botões, e pelos demais cálculos necessários para a realização do processo. Foi utilizada a linguagem C para a criação do programa de controle do microcontrolador, por ser uma linguagem de alto nível e facilitar a criação do código, poupando tempo para a execução das demais etapas do projeto. Figura 7. Pinagem de um microcontrolador PIC 16F877A *Para detalhes sobre a pinagem e o microcontrolador, consultar o datasheet do fabricante. 2.3 Fontes de Alimentação O conjunto de um transformador, um circuito retificador, capacitores e demais componentes que ajustem a tensão ou corrente necessárias ao funcionamento de um equipamento eletrônico ou elétrico é denominado fonte de alimentação. Um circuito retificador converte uma tensão alternada em uma tensão contínua. A retificação é feita por um componente ou conjunto de componentes semicondutores, sendo o diodo o mais utilizado. eqZ V I 1 1 
  6. 6. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 6 A seguir são apresentados dois tipos de circuitos retificadores: Figura 8. Retificador de meia onda Figura 9. Retificador de onda completa Pode-se observar que a corrente contínua na saída é uma corrente contínua pulsante. Portanto, para que esta corrente se torne mais próxima o possível de uma corrente contínua real, é necessário a utilização de filtros. O principal filtro para este propósito é o filtro a capacitor. O capacitor é um componente capaz de armazenar energia elétrica, e é carregado e descarregado de acordo com um determinado período de tempo (tempo de carga e descarga). Este tempo é que determina o quão próximo de uma corrente contínua real a saída irá chegar. Para dimensionar um capacitor de filtro, adota-se a equação (6). Este cálculo é válido para uma freqüência da rede de 60Hz e é feito com base na corrente que fluirá pelo circuito: (6) Vr → tensão de ripple(ondulação na saída) I → corrente (mA) C → capacitância (uF) C I =Vr 2,4
  7. 7. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 7 Além dos componentes anteriormente citados, outros componentes podem ser eventualmente utilizados para otimizar o desempenho de uma fonte de alimentação, sendo estes a bobina ou indutor, o diodo zener, os CI's reguladores de tensão, dentre outros. Duas fontes foram necessárias a este projeto, uma fonte para a etapa inversora (fonte de potência) e uma para a etapa de controle (PIC e demais componentes de baixa tensão). Um exemplo básico de uma fonte com filtro a capacitor é mostrado na figura 10. Figura 10. Fonte de alimentação simplificada 2.4 Chaveamento 6 Pulsos O chaveamento de transistores pelo método 6 pulsos consiste em chavear 6 transistores, dispostos 2 em cada fase de saída do inversor (figura 11), de forma que a tensão na saída seja uma onda quadrada com componente harmônica fundamental senoidal, que pode ser ajustada com a freqüência desejada, através de lógica de programação, pelo microcontrolador. O método 6 pulsos se divide em dois tipos: 2 a 2 e 3 a 3. O chaveamento 6 pulsos 2 a 2 consiste em chavear 2 transistores de cada vez em 6 etapas distintas. O 3 a 3 faz o mesmo, só que chaveando 3 transistores a cada vez. Os transistores a serem acionados deverão estar em fases distintas, caso contrário, um curto-circuito se originará. Figura 11. Diagrama de disposição dos transistores no circuito. Os gráficos das figuras 12 e 13, mostram as tensão de fase e neutro e de fase e fase para os chaveamentos 6 pulsos 2 a 2 e 3 a 3, respectivamente.
  8. 8. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 8 Figura 12. Chaveamento 6 pulso 2 a 2. Figura 13. Chaveamento 6 pulsos 3 a 3.
  9. 9. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 9 O ciclo de chaveamento é equivalente à freqüência ajustada, e cada etapa do chaveamento se dá a 1/6 do período. Cada etapa de chaveamento se dá a 60°. No chaveamento 6 pulsos 2 a 2, cada transistor conduz por 120°. Já no chaveamento 6 pulsos 3 a 3, cada transistor conduz por 180°. Dessa forma, ocorre a defasagem de 120° entre as fases. Tanto no método 2 a 2 como no 3 a 3, não é possível o acionamento conjunto dos transistores que estão dispostos no mesmo barramento, ou seja, no barramento positivo ou negativo, uma vez que sem a diferença de potencial não será gerado o resultado esperado. Sendo assim, no método 2 a 2, um transistor deverá estar no barramento negativo e outro no positivo, e no 3 a 3, um deverá estar no negativo e os outros dois no positivo, e vice-versa. As equações (7) e (8) mostram os valores das tensões de fase (fase-neutro) e linha (fase-fase) na saída do inversor para o chaveamento 6 pulsos 2 a 2, e as equações (9) e (10) mostram estes valores para o chaveamento 6 pulsos 3 a 3. (7) (8) (9) (10) Analisando as equações, observa-se que o chaveamento 6 pulsos 3 a 3 é mais eficiente que o 2 a 2, portanto, este método foi escolhido. Figura 14. Circuito de chaveamento 6 pulsos VccUan  3  VccUab  3  VccUan  2  VccUab  32 
  10. 10. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 10 2.5 PWM(Modulação por Largura de Pulso) A Modulação por Largura de Pulso ou PWM (Pulse Width Modulation), consiste em gerar uma onda quadrada com a largura dos pulsos variável, permitindo desta forma, controlar a amplitude de uma tensão contínua. Para a geração desta onda, transistores são chaveados com um sinal PWM e a lógica de chaveamento é feita através do microcontrolador. Alguns microcontroladores possuem uma função pronta para a geração de PWM (PIC 16F877A, por exemplo), facilitando o processo, uma vez que não é necessário criar um bloco de código de programa específico para este fim. Figura 15. PWM(Modulação Por Largura de Pulso) A figura acima mostra uma onda quadrada com largura de pulso de 50% para t1 (ligado) e 50% para t2 (desligado). Para este exemplo, a tensão na saída (valor médio) será de 50% do valor da tensão total. Variando-se então o tempo t1 (ligado) ou t2 (desligado), podemos controlar a amplitude da tensão na saída, ou seja, quanto maior o tempo ligado, maior o valor da tensão, e quanto maior o tempo desligado, menor o valor. A equação (11) mostra o valor médio da tensão através de T1 (ligado) e do período (T) do sinal de PWM. (11) Este método de chaveamento foi utilizado na fonte de potência que alimenta a etapa de chaveamento de 6 pulsos, através do chaveamento de um transistor conectado ao barramento CC, podendo-se assim controlar o valor da amplitude da tensão de acordo com a freqüência, de modo a manter V/F e o torque do motor constantes. A figura 16 mostra um gráfico equivalente a um controle V/F. Podemos observar que para freqüências acima da nominal (motores 60HZ), o controle escalar não é mais possível, devido a tensão já estar em seu valor máximo de amplitude. Figura 16. Controle escalar V/F T T VVm 1 
  11. 11. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 11 2.6 Rampa(Aceleração/Desaceleração Gradual) Como descrito no item 2.1, durante sua partida, a corrente de um motor se eleva a picos muito altos, podendo acarretar danos na rede elétrica. Devido a este fato, o inversor de freqüência conta com a função “rampa”, ou seja, no caso de aceleração, o motor parte em uma determinada velocidade e vai aumentando-a sucessivamente durante um determinado tempo até atingir a freqüência pré-estabelecida. O valor da corrente de partida dependerá do tempo que for programado para a rampa, ou seja, quanto maior o tempo, menor será a corrente de partida, uma vez que a freqüência inicial terá um pequeno valor, e será incrementada gradativamente em conjunto com a tensão (controle V/F), reduzindo a corrente proporcionalmente – equação (5). Para este trabalho, adotou-se uma variação no tempo de rampa de 1 a 5 segundos, sendo uma faixa de tempo satisfatória para aplicações simples. Para freqüências abaixo de 20Hz, o tempo de rampa é travado em 1 segundo, uma vez que freqüências menores terão uma tensão de menor amplitude, produzindo correntes de partida menores. Para 2Hz, não será executada a rampa, devido ao valor muito baixo da freqüência. Para realizar a rampa, a freqüência configurada na parametrização do inversor antes da partida, será dividida pelo tempo selecionado em segundos e multiplicado por 4. A primeira parte da divisão será a freqüência inicial de chaveamento. Sendo assim, a cada ¼ de segundo, o valor da freqüência vai sendo incrementado, realizando uma rampa contínua. Como a tensão será reduzida proporcionalmente a freqüência, a corrente de partida também será reduzida na mesma proporção, ou seja, em pelo menos 4 vezes. Este processo pode ser melhor entendido através do fluxograma de rampa mostrado na figura 22, no item 3.2. 2.7 Sentido de Rotação do Motor Em determinadas aplicações, é exigido que se inverta o sentido de rotação do motor, para que isso ocorra em um motor CA trifásico, é necessário inverter uma das fases. Na figura 17 basta trocar L1 com L2, por exemplo. Essa função foi incorporada ao projeto, e a inversão é feita por lógica de programação, onde o microcontrolador inverte a seqüência de chaveamento, de forma que uma das fases seja invertida com qualquer uma das outras duas. Essa inversão pode ser ativada na parametrização ou com o inversor em funcionamento, pressionando o botão “INVERT”. Quando em funcionamento, a inversão ocorrerá em conjunto com a rampa, desacelerando o motor e posteriormente acelerando-o no sentido inverso. Figura 17. Ligação simplificada de um motor trifásico
  12. 12. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 12 2.8 Interface Homem-Máquina (IHM) Para permitir ajustar os valores de freqüência, tempo de aceleração e desaceleração (rampa) e sentido de rotação do motor, foram inseridos ao circuito botões de comando. Um display LCD também foi incorporado, permitindo assim a visualização dos comandos na tela. Abaixo estão descritos os botões e suas funções, e a figura 18 mostra o circuito simplificado da IHM: PROG → entrar e navegar no menu de programação do inversor I/O → ativar e desativar o inversor +FREQ → aumentar a freqüência ou o tempo de aceleração/desaceleração -FREQ → diminuir a freqüência ou o tempo de aceleração/desaceleração INVERT → inverter o sentido de rotação do motor Figura 18. Circuito Simplificado da IHM Durante o funcionamento do inversor, somente é possível alterar a freqüência ou o sentido de rotação, não sendo possível alterar o tempo de rampa. A figura 19 mostra as etapas de parametrização, sendo a freqüência variando de 2 – 100hz em múltiplos de 2, a rampa variando de 1 – 5s e o sentido definido por 0 – horário ou 1 – anti-horário Figura 19. Etapas de programação através do menu do inversor
  13. 13. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 13 3 Desenvolvimento Após o estudo da fundamentação teórica, o conteúdo foi reunido e estruturado em um circuito único de simulação, podendo assim simular e validar o sistema proposto. Os componentes utilizados no circuito de simulação, são, em sua maioria, componentes genéricos. Na seqüência, o circuito final de simulação e os fluxogramas do programa do microcontrolador serão apresentados. 3.1 Circuito de Simulação Após definidos os padrões do circuito e todos os componentes necessários, foi realizada a sua estruturação, unindo as informações mostradas na seção 2. Para a simulação, foi utilizado o software Proteus, da Labcenter Eletronics, que é uma ferramenta útil para estudantes e profissionais que desejam acelerar e melhorar suas habilidades no desenvolvimento de aplicações analógicas e digitais. Após a criação do circuito através do software, várias etapas de simulação foram realizadas, como por exemplo, a simulação das fontes de alimentação, a eficiência dos filtros a capacitor, a interface homem-máquina e o programa de controle, a fim de eliminar qualquer falha que pudesse resultar em uma simulação final errônea. A figura 20 mostra o circuito completo de simulação. A fonte de alimentação de 5V é responsável por alimentar o microcontrolador e o display de LCD. A entrada é da rede elétrica convencional e foi estabelecida com valor de 18V, como se estivesse passando por um transformador abaixador de 127V para 18V, transformador este que foi omitido para aliviar a carga de simulação. A tensão alternada passa por uma ponte retificadora que faz uma retificação de onda completa. A tensão retificada é filtrada no capacitor de 2200uF, de forma a deixar a tensão o mais próximo possível de uma tensão contínua, uma vez que o microcontrolador é muito sensível a ruídos. Por fim, o CI LM7805 regula a tensão em 5V fixo, evitando qualquer variação. Figura 20. Circuito de simulação completo
  14. 14. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 14 A fonte de potência alimenta o barramento CC do circuito de chaveamento. A entrada é equivalente a da rede elétrica convencional (127V/60Hz), e também passa por uma ponte retificadora. A tensão é filtrada no capacitor de 2700uF, e saí com valor contínuo de aproximadamente 180V (tensão de pico). Posteriormente, a tensão passa por um transistor, que é chaveado com um sinal PWM a 2kHz, para ajustar o valor médio da tensão na saída da fonte, permitindo que esta tensão se relacione com a freqüência do chaveamento 6 pulsos e garantindo que a razão V/F seja uma constante. O sinal de PWM aplicado ao transistor é controlado pelo microcontrolador através do programa lógico de controle. No circuito de chaveamento 6 pulsos, o sinal de chaveamento também é controlado pelo microcontrolador, da mesma forma que o sinal de PWM. Do centro de cada junção entre dois transistores, sai uma fase, formando a saída trifásica (A, B, C) do inversor de freqüência. Os botões de comando e o display de LCD formam a interface homem-máquina, ou IHM. Através dela torna-se possível controlar os parâmetros do inversor e visualizá-los na tela de LCD. A função de cada botão já foi explicada no item 2.8. Da mesma forma que os sinais de chaveamento, a IHM também é totalmente controlada pelo microcontrolador. 3.2 Programação do Microcontrolador A programação do PIC foi realizada em linguagem C. O compilador utilizado foi o CCS. Este compilador é bem simples de ser utilizado e possui bibliotecas para a programação dos mais variados modelos de microcontroladores da Microchip. O programa foi desenvolvido em etapas. Primeiramente foi feito uma rotina para testar a comunicação com o display de LCD. Posteriormente foi adicionado um botão ao circuito, permitindo a entrada de dados. As etapas se seguiram de forma a adicionar funcionalidades ao programa, como por exemplo: realizar o chaveamento dos transistores, permitir a parametrização do inversor por botões (IHM), permitir a execução da rampa, etc. Todas as etapas foram simuladas e testadas no software, permitindo realizar ajustes e correções antes de incorporá-las ao programa final. A figura 21 mostra um fluxograma simplificado que representa o programa de controle do inversor. De uma forma geral, a variável Prog controla a etapa de programação do inversor, onde os parâmetros são armazenados nas variáveis Freq (freqüência), Rampa (tempo aceleração/desaceleração) e Sentido (sentido de rotação), também controla o acionamento e desacionamento do chaveamento. A variável Rampa indica se ocorrerá ou não uma aceleração ou desaceleração do motor (essa variável sempre trabalhará em conjunto com a inversão de sentido e o chaveamento 6 pulsos). A figura 22 apresenta de forma simplificada a execução da rotina de rampa de aceleração e/ou desaceleração. A variável Tempo_AD armazena o fator de divisão para a freqüência e também para o controle de contagem de tempo. O valor da Rampa, que é escolhido na parametrização do inversor, é multiplicado por 4 devido ao estouro de tempo do TIMER_1 (diretiva interna do microcontrolador responsável por contagem de tempo) estar configurado para 250ms, ou seja, ¼ de segundo. Desta forma, o incremento de freqüência será feito de forma suave. A freqüência é então dividida pelo fator de divisão e repassada à variável Soma, onde esta última será utilizada para incrementar o novo valor de freqüência que foi calculado para inicializar a rampa. A cada “estouro” do TIMER_1, ou seja, a cada 250 milissegundos, ocorre a soma do incremento de freqüência na variável Freq, e isso se dá em conjunto com o chaveamento 6 pulsos e o PWM, realizando então a rampa de aceleração/desaceleração. O processo termina quando a variável de controle Conta atinge o mesmo valor da variável Tempo_AD, então o chaveamento prossegue de forma normal e com o valor inicial da freqüência antes de realizar a rampa.
  15. 15. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 15 Figura 21. Fluxograma simplificado do processo Freq = 60; Rampa = 3; Sentido = 0; FreqOld = 60; RampaOld = 3; SentidoOld = 0; 1 Prog Prog =1 SN Prog =1 S N Rampa Prog =1 S Sentido N Executa Cálculos S N Executa Cálculos FreqOld<- FreqSentido INÍCIO 2 3 Exec. Rampa deAceleração e Chaveamento 6P Freq Freq S N Prog Sentido = SentidoOld Executa Cálculos SentidoOld <- Sentido N Prog = 1 Exec. Rampa de Desaceleração e Chaveamento 6P S Exec. Rampa de Desaceleração e Chaveamento 6P 2 1 3 Freq = FreqOld S
  16. 16. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 16 Figura 22. Fluxograma de execução da rampa de aceleração/desaceleração Tempo_AD  Rampa x 4 1 Freq  Freq / Tempo_AD Soma  Freq Conta  1 Configura Interrupções do TIMER_1 (estouro a cada 250ms) TIMER_1 (ESTOURO) S N Freq  Freq + Soma Conta  Conta + 1 1 Executa Chaveamento 6P com o Valor da Freq Conta = Tempo_AD NSDesativa as Interrupções TIMER_1 Continua a Execução Normal do Programa Chaveamento 6 Pulsos c/ a Freqüência Parametrizada
  17. 17. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 17 4 Resultados e Validação A simulação para validação do projeto foi efetuada com sucesso, e os resultados foram colhidos através do osciloscópio do software de simulação. 4.1 Sinais do Chaveamento 6 Pulsos 3 a 3 A figura 23 mostra os sinais de tensão obtidos na saída do inversor pelo chaveamento 6 pulsos 3 a 3 para cada fase. As divisões da imagem, neste caso, são de 50V na vertical e 2 ms na horizontal e a freqüência de chaveamento é de 60Hz. A cada 120° o chaveamento é deslocado para a próxima fase. Figura 23. Chaveamento 6 pulsos 3 a 3 em cada fase(A, B e C, respectivamente) 4.2 Tensões de Fase e Linha Os sinais das tensões de fase (fase-neutro) e de linha (fase-fase), obtidos da saída trifásica do inversor para valores de freqüência de 100, 60 e 20Hz, são mostradas nas figuras 24, 25 e 26 respectivamente. Devido a limitações do software de simulação e a interferências causadas pelo sinal de chaveamento 6 pulsos na saída do circuito de controle de amplitude, que estão ligados no mesmo barramento, não foi possível simular o chaveamento PWM em conjunto com o chaveamento 6 pulsos, ou seja, mostrar o controle V/F em um único sinal. Portanto a imagens que seguem apresentam- se com tensões constantes mesmo com a variação da freqüência. As divisões das figuras apresentadas são de 50V na vertical e de 2ms na horizontal.
  18. 18. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 18 Figura 24. Tensão fase(fase-neutro) e linha(fase-fase) a 100Hz Figura 25. Tensão fase(fase-neutro) e linha(fase-fase) a 60Hz
  19. 19. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 19 Figura 26. Tensão fase(fase-neutro) e linha(fase-fase) a 20Hz Analisando as figuras 24, 25 e 26, é possível observar os valores dos períodos do sinal para cada situação, comprovando as freqüências em questão. 4.3 Controle de Amplitude Devido ao problema citado no item anterior, foi efetuada uma simulação da fonte de potência separada do chaveamento 6 pulsos. Os sinais mostrados nas figuras 27, 28, 29 e 30, foram obtidos através do barramento V- da fonte de potência. Uma vez que o barramento V+ sempre estará com tensão de 180V, pode-se observar que a ddp entre V+ e V- (ver figura 20) será maior quando o transistor Q7 estiver a maior parte do tempo em condução, ou seja, aterrando o resistor de carga (R13). A ddp entre V+ e V- irá diminuindo conforme o transistor Q7 permanecer menos tempo em condução, diminuindo assim o tempo em que a carga fica aterrada. Analisando as figuras e os níveis de tensão, é possível obter o valor médio de V- para cada situação através da equação (11). Desta forma, efetuando a subtração entre V+ e V-, será obtida a ddp na saída da fonte de potência. Assim, a relação V/F constante pode ser comprovada. Figura 27. Sinal V- para freqüência de 60Hz A figura 27 também é válida para freqüências acima de 60Hz, uma vez que, como a ddp entre V+ e V- estará no seu valor máximo, não é possível modificá-la. Portanto, nestes casos não é possível efetuar o controle do torque do motor pela constante V/F.
  20. 20. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 20 Figura 28. Sinal V- para freqüência de 50Hz Figura 29. Sinal V- para freqüência de 30Hz Figura 30. Sinal V- para freqüência de 2Hz
  21. 21. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 21 4.4 Defasagem Nas figuras 31 e 32, são mostradas as defasagens das tensões de fase (fase-neutro) entre a fase A e as fases B e C em 60Hz, comprovando que um sistema de tensões trifásicas é fornecido na saída do inversor de freqüência. Os sinais apresentados nas imagens 31 e 32 foram obtidos através de simulação com carga resistiva, devido ao fato dos ruídos apresentados pela carga indutiva dificultarem a visualização da defasagem. Figura 31. Defasagem de 120° - fase A e fase B Figura 32. Defasagem de 240° - fase A e fase C
  22. 22. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 22 4.5 Rampa de Aceleração e Desaceleração Apesar de incluída uma função de rampa no projeto, não foi possível mostrar com fotos de tela a execução da simulação de aceleração e/ou desaceleração, devido ser um processo de mudança contínua no sinal de saída em um curto espaço de tempo. Ainda sim, podemos dizer que as simulações efetuadas mostraram que a execução da rampa no sistema proposto foi satisfatória e uma análise do fluxograma da figura 22 pode comprovar como o processo é realizado. 4.6 Inversão do Sentido de Rotação do Motor A inversão do sentido de rotação do motor foi efetuada através da inversão da fase B com a fase C. Esta troca é efetuada através da modificação da ordem dos transistores a serem acionados pelo chaveamento 6 pulsos. A seqüência de chaveamento utilizada no programa para o sentido horário de rotação foi a mesma apresentada no item 2.4. Para a rotação do motor ser efetuada no sentido anti-horário, a seqüência de chaveamento dos transistores ficou da seguinte forma: 1-2-3, 1-2-6, 1-5-6, 4-5-6, 4-5-3 e 4-2-3. Dessa maneira, as fases B e C são invertidas, possibilitando a inversão no sentido de rotação do motor. Conclusão Através da análise de todos os resultados demonstrados neste trabalho, é possível concluir que o objetivo desejado com o sistema proposto foi alcançado. Um sistema trifásico foi obtido na simulação do inversor de freqüência, possibilitando a variação da freqüência através da faixa de valores pré-estabelecida. Não foi possível mostrar a execução da rampa de aceleração e desaceleração, pois como é um processo contínuo, fica inviável mostrá-lo através de imagens. Mesmo assim, podemos afirmar que a rampa foi executada com eficácia. A inversão no sentido de rotação do motor também foi efetuada com sucesso, mostrando que o chaveamento 6 pulsos é extremamente eficiente para o controle de motores trifásicos CA. Os sinais de tensão apresentados, apesar de serem ondas quadradas, possuem harmônica fundamental senoidal. Ainda sim, estes, possuem além da harmônica fundamental, outras harmônicas de ordem ímpar, que podem causar interferência em outros equipamentos e um pequeno aquecimento no próprio motor que se utiliza deste tipo de inversor como elemento de comando. Utilizando o circuito de simulação apresentado e efetuando o correto dimensionamento dos componentes eletrônicos e adaptações necessárias, o sistema pode ser implementado em um protótipo, permitindo uma análise mais detalhada dos aspectos funcionais do inversor de freqüência. Agradecimentos Agradecemos ao professor e orientador Msc. Tácio Luiz de Souza Barbeiro e ao professor co-orientador Marcos Vinícius Pinto e Silva, que além de contribuírem grandiosamente nas aulas ministradas em algumas disciplinas do curso, orientaram com eficácia a realização deste trabalho. Agradecemos também aos familiares, amigos e demais professores que participaram direta ou indiretamente.
  23. 23. Inversor de Freqüência Microcontrolado | 2010 © UNIRP – Centro Universitário de Rio Preto 23 Bibliografia BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. São Paulo: Prentice Hall, 2004. FITZGERALD, Arthur E.; KINGSLEY, Charles, Jr.; ESTEPHEN, D. Umans. Eletric Manchinery. 6.ed. New York: McGraw-Hill, 2003. PEREIRA, Fábio. Microcontroladores PIC: Programação em C. São Paulo: Érica, 2003. RASHID, Muhammad H. Eletrônica de Potência: Circuitos, Dispositivos e Aplicações. São Paulo: Makron Books, 1999. SERANTOLA, Leonardo P., et al. Inversor CC - CA Trifásico Microcontrolado. Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Elétrica, Centro Universitário de Rio Preto, São José do Rio Preto, 2008. CAPELLI, Alexandre. Dimensionado e Escolhendo o Melhor Motor Segundo a NBR 7094. Mecatrônica Atual, São Paulo, ano 3, n. 15, p. 29-34, abr./mai. 2004.

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