Motores e Acionamentos Elétrico, Manuais, Projetos, Pesquisas de Tecnologia Industrial
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Motores e Acionamentos Elétrico
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MOTORES E ACIONADORES ELÉTRICOS Volume 2 Prof. Nilson De Lucca od a RO A a e CONTEÚDO Volume 1:' 12 ELETROMAGNETISMO: Revisão dos Conceitos Fundamentais CIRCUITOS ELÉTRICOS: Revisão dos Conceitos Fundamentais SISTEMAS ELÉTRICOS POLIFÁSICOS O MOTOR ELÉTRICO DE INDUÇÃO MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA Volume 2: 6. 10. DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA CONTROLE DE MOTORES C.€, INVERSORES ESTÁTICOS CONTROLE DE MOTORES DE C.A. MOTORES ELÉTRICOS ESPECIAIS SUMÁRIO DA 2º. PARTE 6. Dispositivos Semicondutores de Potência 6.1 Introdução .... 143 6.2 Categoria dos dispositivos de comutaçã 143 6.3 Diodos .. 144 6.4 Tiristotes 146 6.5 Potência dissipada em chaves controladas 150 6.6 Transistores bipolares de junção . 153 6.7 Transistores MOSFETS ....... 154 6.8 GTOs (Gate Tum-Off thyristors) .. 156 6.9 IGBT's' (Insulated Gate Bipolar Transistors) 159 6.10 Comparação entre as principais chaves controladas 161 7. Controle de Motores C.C. 7.1 Introdução «iii ils ieeies 163 7.2 Caracteristicas dos Motores C.C. 163 7.3 Característica Torque x Velocidade 166 7.3.1:Motor de imã permanente 166 7.3.2 Motor €.€. com excitação independente . 167 7:4 Variadores de velocidade de Motores C.C.... 7.4.1 Utilização de conversores CC — EC... 7.4.2 Utilização de Retificação Controlada 7.4.3 Diagrama em blocos de um sistema típico em malha fechada 7.44 Considerações sobre a resposta dinâínica ...........cmm 8. Inversores Estáticos 8.1 Introdução . 182 8.2 Conceitos básicos 183 8.2.1 Considerações iniciais 183 8.2.2 Técnica PWM de operação 184 8.3 Inversores Monofásicos ............... 191 8.3.1 Inversor monofásico de meia ponte (“half-bridge” 191 8.3.2 Inversor monofásico de ponte completa (“full-bridge”) 191 8.3.3 Inversores em topologia PUSH-PULL.. 196 8.4 Inversores Trifásicos ...... 198 8.4.1 Considerações iniciais 198 8.4.2 Modulação PWM em um inversor 34 com uma única ponte 3 200 8.5 Distorção na tensão de saída provocada pela zona morta das chaves ... 204 E 9. Controle de Motores de CA. 10. 9.1 Introdução ............ 9.2 Acionamento de Motores de indução 9.2.] Características básicas dos Motores de indução 9.2.2 Comportamento do Motor de indução acima da velocidade sincrona ...... 9.2.3 Controle da velocidade pela variação conjunta da fregiiência e da tensão 9.2.4 Variação da velocidade do Motor de indução através da regulação da tensão . 9.2.5 Chaves “sofostarter” para redução da corrente de partida de motores 9.2.6 O contróle vetorial do Motor de indução 9.3 Referências Bibliográficas ...............sesesei de indução ..... Motores Elétricos Especiais 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.6.1 Introdução ........ 10.6.2 Motor de Passo bipolar de imã permanente 10.6.3 Motor de Passo de Relutância variável 10.6.4 Motor de Passo com enrolamento bifilar . 10.6.5 Controle de Motores de Passo .. 10.6.6 Interfaceamento do Motor de Passo com microprocessador +0.6.7 Exemplo de Software para Controle de um Motor de Passo .. Introdução ..... Motores de indução monofásicos Motores de indução lineares .... Motores Universais ... Bombas eletromagnéticas de CA. Motores de Passo (“Step-Motors”, 208 209 209 216 27 232 235 236 238 239 239 243 246 247 248 248 249 254 255 258 261 262 sa NE O Ca Sa e ay NÉ Ne ao o 6. Dispositivos Semicondutores de potência 6.1 Introdução Os recentes desenvolvimentos dos dispositivos semicondutores de potência, quer sejam nos novos tipos disponíveis, quer sejam na ampliação das capacidades em tensão e correntes, vem propiciando a utilização crescente de conversores estáticos em um grande número de aplicações. A utilização em massa destes dispositivos permitem, por sua vez, uma sensível redução dos custos de fabricação, estimulando o desenvolvimento de novos subconjuntos bem como o desenvolvimento de novas topologias de conversores. Para facilitar o entendimento das diferentes topologias -e aplicações é conveniente fazermos uma retróspectiva dos diversos semicondutores de pótência disponíveis. Este capítulo mostrará um resumo das características principais destes dispositivos, bem como das capacidades atualmente disponívéis em termos de tensão, corrente e velocidade de comutação. : 6.2 Categoria dos dispositivos de comutação . ” Conforme o grau de controlabilidade, os dispositivos dé comutação atualmente disponíveis podem ser classificados nas seguintes categorias: a) Diodos - os estados de condução e corte são controlados pelo circuito de potência. b) Tiristores - são “disparados” para o estado dé condução por um sinal . de controle, mas só podem ser levados ao estado de bloqueio pelo circuito de potência. c) Chaves controladas - são levadas à condução ou ao corte pelos sinais de controle Na categoria c temos os transistores bipolares de junção, os transistores de efeito de campo MOSFETSs, os GTOs e os transistores IGBT. É exatamente nesta categoria que tivemos significativos desenvolvimentos nos últimos anos. 143 6.3 DIODOS - Simbolo : ap —— | Rel “Dn - Característica iv ib YBR ) ”D 1 região P de bloqueio Diodo "Real" Diodo "Ideal" - Característica de transição para o estado de bloqueio 144 2 eme! o TE e ie e DA a Ra qa al e ae et A - Tipos de diodos de potência : a) Diodos Schottky : São rápidos, com queda. de tensão muito baixa no sentido direto (da ordem de 0,3 Volts). São indicados para retificação de tensões baixas proporcionando menores perdas. Atualmente são limitados a tensões inversas mã- ximas de 50-150 V. b) Diodos rápides e ultra-rápidos : São indicados para utilização em circui- tos de aita frequência, e sempre que for necessário um tempo de recuperação pequeno (abaixo de 1 microsegundo). São disponíveis com capacidade de bloqueio de várias centenas de volts e em correntes de várias centenas de amperes. c) Diodos para fregtiência dé rede : São fabricados com o objetivo. de apre- sentarem a menof queda possível: no sentido direto, em detrimento do témpo de tecuperação, .o qual cos- tuma ser alto (vários microsegundos)- São disponíveis com capacidade de bloqueio de. vári- os 'Kilovolts e para correntes de vários KiloAmperes, sendo indicados para retificação em circuitos de 50/60 Hz. Obs. : Quando os circuitos exigirem uma capacidade de bloqueio maior do que as tensões máximas disponíveis, é possível conectar-se diodos em série. Deve-se entretanto utilizar resistores em paralelo com estes diodos para equalização das tensões distribuídas no sentido inverso. e [a R1 Quando os circuitos exigirem uma capacidade de corrente maior do que as TETO TES” R2 R3 Rn correntes máximas disponíveis, pode-se recorrer ao paralelismo de diodos. Deve-se entretanto utilizar um bom acoplamento térmico entre os diodos em paralelo (mesmo dissipador), tendo em vista que o coeficiente de temperatura é normalmente negativo, podendo levar a um severo desequilibrio de corrente entre as unidades. 145 64 —TIRISTORES São também dominados de SCRs ou diodos controlados de silício. - Simbolo : gste : 1 is +a A HW Role “al a) Característica i-v ia, Ee ON OFF para ON quando ia, estado ON no a um pulso iG for aplicado OFF para ON estado OFF estado .OF] YBR / 2 7 AE rd É Vak Ya ' F YDRM região de bloqueio bloqueio no sentido bloqueio no sentido no senticio inverso inverso direto. Tiristor "Regi! Tiristor "deal" 148 F die e a EA a - Exemplo de utilização : retificação controlada . Ys Iyá R Ys (9) “ak ig - wt oo Ya “on 1 iwt $ = ângulo de disparo a 7 ge ia wt io < ayt - Exemplo de utilização Flip-flop dé potência “RL vec|-- t “rm R R Vec L c Tm , lg SON t ioz 147 Obs.: No circuito anterior é importante que o tempo de polarização inversa tg seja maior do que o Toff (“Turn-off time”) do tiristor, caso contrário o mesmo não recupera o seu estado de bloqueio (falha de comutação). Parâmetros importantes de um tiristor : a) Características limites - Vem (Tensão máxima de pico inversa repetitiva) - Vdrm (Tensão máxima repetitiva no sentido direto) - Irrms) (Corrente máxima eficaz ou RMS) - Irave) (Corrente média máxima para uma dada condição de tempe- ratura, forma dé onda e ângulo de condução). -Irsu (Valor máximo de um pico de corrente não repetitivo durante meio ciclo da tensão da rede). “A (parâmetro que exprime a capacidade de sobrecorrente de um tiristor, para uma condição não repetitiva, para um pulso de corrente de curta duração - 8.3.ms ou menos). - Veru(Tensão máxima de pico inversa na junção gate-catodo) - Poem (Potência instantânea dissipada máxima permissível na jun- ção gate-catodo) - Perave) (Potência média máxima permissível, durante um ciclo, na jun- ção gate-catodo) 148 EDNA do b) Características principais adicionais - dvídt = di/dt - tg (Turn-off time) - Ii (corrente de manutenção) - ley (corrente direta de “gate” necessária para disparar o tiristor) - Ti (temperatura máxima de junção) - Ros (resistência térmica invólucro - dissipador) - Rengc (resistência térmica junção - invólucro) - Tipos de Tiristores a) Titistores para retificação controlada (Phase-Control SCRs)' são ihdica- dos principalmente para retificação controlada de tensões com frequên- cia de 50/60 Hz. Apresentam normalmente baixa queda de tensão no sentido direto (ano- do-catodo) e são disponíveis em correntes até vários milhares de ampe- res e para tensões até 7000 volts. A queda de tensão no sentido direto varia entre 1,5v a 3,0v dependendo do dispositivo. b) Tiristores para inversores (Inverter grade SCRs) Estes tiristores são otimizados para apresentarem um baixo tq (turn-off time), em detrimento da queda de tensão no sentido direto, à qual é um pouco maior. Valores típicos de tg estão na faixa de 10us - 100 us. c) Tiristores assimétricos (ASCRs) Apresentam uma construção interna diferenciada, a qual proporciona um tg (turn-off time) muito baixo (da ordem de.3 - 5 microsegundos), em de- trimento da tensão de bloqueio no sentido inverso (< 50 volts). São indi- cados para circuitos inversores que utilizam um diodo de “free - wheeling” em paralelo. 149 /t d) TRIACs e Alternistores São basicamente tiristores bidirecionais, equivalentes à conexão anti-pa- ralela de 2 tiristores convencionais. Apresentam entretanto menor dv/dt admissível. Main Term. 2 ? pr gate Main Term. 1 gate e) LASCR (Light - Activated SCR) São tiristores que podem ser disparados por um pulso de luz, direciona- do normaimente por fibras óticas a uma região foto-sensível dos mes- mos. A utilização mais comum destes tiristores é em aplicações de alta tensão (p.ex. HVDC), onde muitos dispositivos são ligados em série para com- patibilização com as tensões envólvidas. 6.5 Potência dissipada em chaves controladas Conforme dito anteriormente, vários dispositivos semi - condutores comportam-se como chaves controladas e podem ser levadas ao es- tado de condução ou ao estado de corte mediante a aplicação de um. sinal de controle (transistores bipolares, MOSFETs, GTOs, IGBTSs). Uma chave ideal deveria apresentar as seguintes caracteristicas: “| a. queda de tensão nula no estado + de condução “7 b. capacidade de bloqueio de |” altas tensões no estado de não condução, com corrente nula neste estado. c. comutação de um estado para outro instantaneamente quando comandada d. energia desprezível para comandar a chave Na prática os dispositivos reais disponíveis não apresentam estas 150 ud aa Pa RE A a a PS A características ideais e em consegiiência dissipam uma certa quantidade de potência durante a operação. Dependendo da quantidade de potência dissipada e dos meios utilizados para remover o calor gerado, a temperatura do dispositivo pode atingir valores proibitivos e levá-lo à destruição. Faremos a seguir algumas considerações genéricas sobre a potência dissipada nos dispositios, tendo em vista as suas características régis de lite! pnamento. : Séja'ô'motêlo de cirtuito apresen ap/esenta cajpcteritiças | Sinal de. comando, on t ii OFF vtd vt + 0 dog — Em virtude dos tempos não nulos de comutação (tcon O e tcoff = 0) temos uma certa energia dissipada na chave em cada comutação de estado. A energia dissipada na chave quando a mesma passa de seu estado de não condução para o estado de condução vale: Wcon = 1/2. Vd. lo. ton 151 3 Analogamente, a energia dissipada na chave quando a mesma passa de seu estado de condução para o corte vale: Wet = 1/2. Vdlo. tcor Portanto se a frequência do sinal de comando for fs, teremos fs comutações completas por segundo, o que acarreta a seguinte potência dissipada na chave devido a estas comutações: Ps=Vd.lo.fs( tcon + tcoff ) Por outro lado, além das perdas de comutação (as quais são proporcionais à frequência de comutação) temos também as. perdas de condução que ocorrem na chave em virtude de sua queda de tensão Von = O no estado de-condução. A energia dissipada na chave durante o intervalo de condução ton vale: Won= Von. Jo. ton Portanto a potência média dissipada na chave, devido às perdas de condução, vale: Pon=Von.lo.ton.fs = Von.lo.ton'Ts A potência dissipada na chave durante o estado de não condução é desprezível (porque a corrente de “fuga” dos dispositivos reais é muito pequena). Portanto a potência total dissipada na chave pode ser expressa por: [Pdiss = % Vdlo.fs (tcon +tcoff). + Von. lotoniTs | Obs.: Na prática o diodo da circulação indicado no circuito anterior não apresenta características ideais, o que provoca perdas adicionais na chave durante o tempo de recuperação trr do diodo. 152 me Na DS a ã o NO y 6.6 Transistores bipolares de junção Simbolo: c ! c ia é —o— Yc Obs. Transistor NPN - Curvas características le Vi O ces CE - Modelo idealizado: ç á i A =, or LL. D| CE Para que o transistor se mantenha no estado de condução e apresente uma queda de tensão pequena neste estado é necessário fornecer ao mesmo uma corrente de base ib tal que: ib > Icthrs onde hre = ganho de corrente DC do transistor 153 Nestas condições podemos dizer que o transistor está saturado ou em regime de saturação, e a tensão coletar-emissor é normaimente designada como V ce sa Esta tensão é da ordem de 1V - 2V para transistores bipolares de silício. O ganho de corrente hre não é muito alto para transistores de alta potência (da ordem de 8 - 12) e por esta razão os fabricantes desenvolveram transistores monolíticos (isto é, na mesma pastilha de silício), nas configurações Darlington e Triple Darlington: he Je | As desvantagens das configurações Darlington são a menor velocidade de comutação (limitando em consequência a frequência máxima de operação) e à queda de tensão vcesar que resulta ligeiramente maior. Os transistores bipolares são disponíveis para tensões até 1200 volts e correntes de até 5DO Amperes. Embora apresentem um coeficiente de temperatura negativo para a tensão Vcesa, é possível paralelá-los desde que certos cuidados sejam tomados nestas aplicações. Os tempos de comutação situam-se na faixa de 0,2 microsegundos - 3 microsegundos. 6.7 Transistores MOSFETs - Simbolo : “F + o]; “Ds - - “os -68 Obs. FET canal N 154 - Características: - Modelo idealizado: ip On O transistor MOSFET comporta-se como uma chave controlada por tensão. Acima de um certo valor (Vgsm) o dispositivo começa a condizir, apresentando uma região de resistência. dreno-fonte. (Rason) praticamente constante, e outra região de corrente de dreno (Id) praticamente constante. A queda de tensão dreno-fonte (voson) no estado de condução pode ser expressa por Voson = Roson . Ip E será tanto menor quanto menor for o valor de Roson O valor de Roson depende do dispositivo em consideração, mas aumenta rapidamente para dispositivos de tensão mais elevada. Voss Rbson Ip Ex. MOSFET IRF 3205 55 V 8 mo 98 A IRF 2807 75V 13 mo TIA IRF 3710 100 V 28 mo 46 A IRF 3415 150 V 42 mO 37 A 155 O valor de Roson depende da área do semicondutor e de sua geometria, podendo ser expresso por: Roson =. BVoss ** onde BVoss é a tensão máxima de bloqueio do MOSFET. Em consequência, dispositivos MOSFETs de alta capacidade de corrente, os quais exigem um baixo Roson , normalmente só são disponíveis para aplicações de baixa tensão (menor ou igual a 200 volts). Dispositivos MOSFETs de alta tensão (até 1000volts) são também disponíveis no mercado, porém limitadas a baixas correntes, pois exibem um alto Roson - Os tempos de comutação proporcionados pelos MOSFETs são muito baixos, da ordem de 50 ns - 200 ns, tornando-os indicados para aplicações de chaveamento em alta frequência (acima de 20 kHz). A corrente drenada pelo “gate” no estado de condução é desprezível em virtude da altíssima impedância “gate-source”. Entretanto, devido à capacidade “gate-source”. bem como ao efeito Miller da capacitância “gate- dreno” os MOSFETs requerem uma córrente de “gate” razoável durante as transições, a fim de que a capacitância de entrada dos mesmos possa ser rapidamente carregada (na transição corte - condução).e descarregadas (na transição condução - corte). Por causa deste fato, os circuitos excitadores utilizados para comandar os MOSFETs normalmente apresentam uma capacidade de corrente de pico da ordem de 0,5. A - 2A. Uma característica interessante dos MOSFETs é o coeficiente positivo de temperatura da resistência Roson . Isto facilita bastante o paralelismo de dispositivos pois proporciona um efeito de auto - compensação na distribuição de corrente entre os mesmos. 6.8 GTOs (Gate Turn -Off thyristors) Ie — 6 io - Simbolo : “ak 156 Característica i- v ia iu ; Turp-otf on ei Y Tuma Or BR , ; A 1 o “ak ak Po característica idealizacde O GTO pode ser “disparado”, isto é lévado ao seu estado de condução, por-um puiso de corrente aplicado 20: “gate”, da: mesmia forma como em um tiristor convencional. Entretanto, difere deste último porque pode set “apagado”, isto é, levado ao seu- estado de bloqueio, por um pulso negativo de corrente aplicado ao “gate”. A duração do pulso de corrente negativo necessário para “apagar” o GTO pode ser pequena (da ordem de 10 microsegundos), entretanto a magnitude desta corrente deve ser grande (da ordem de 0,2 la a 0,35 1a) caso contrário oGTO não passa ao seu estado de bloqueio. Geralmente os GTOs são rázoavelmente rápidos, permitindo à sua operação em frequências até 10 KHz. São disponíveis em alta tensões e aitas correntes (4.500 voits/2000A). sendo indicados para inversores estáticos de potências basiante elevadas (acima de 300 KVA). 157 Exemplo de aplicação; - Gerador de alta tensão bob. iemição de automóvel saida de alta Lensão (3 - 5 XV) 220 n7/400V Gec - Chopper de alta frequência +z8V -LagagF o Ri 47R ' 500: k 158 a e RS o a a ves NO NS a 69 IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) - Símbolo : co ou = o F s. 1GBT canal N - Características | - v On Off 159 Os IGBTs comportam-se como chaves controladas por tensão, apresentando caracteristicas de entrada (“gate - emissor”) semelhantes às caracteristicas de entrada (“gate - source) de um MOSFET. As características de saída, entretanto, assemelham-se às de um transistor bipolar, apresentando baixa queda de tensão no estado de saturação, mesmo para dispositivos de alta tensão (da ordem de 2 - 3 volts). São disponíveis para tensões até 1400 volts (no momento) e para correntes até 1000 A. Os tempos de comutação (tcon e tcorr) são da ordem de 1 microsegundo, mas variam conforme a categoria do IGBT (standard, rápido, ultra-rápido), bem como em função da capacidade do dispositivo. Tipicamente os IGBTs são indicados para aplicações de média/alta corrente, altás tensões e com frequência de comutação até 20 KHz. Dependendo do tipo, bem como do fabricante, o IGBT pode vir com um diodo anti-paralélo interno, como indicado a seguir. Exemplo: CM 1000 HA-28H (10004/1400V) Po co CM 300 HA-12H (3004/600V) (Mitsubishi) É também muito comum a disponibilidade de módulos IGBT com 2 ou até 6 IGBTs internos: 109 54 [má Too” TAP" : Ex, CM 200DY- 12H (2008/600V) | A a ; (Mitsubishi) ! ZA i ZA i ' 1, 12qu ta —— A E 41,2 1 1 1 1 1 D2 l D1 Í A e am ao mm mo e am A 67 160 3 eo ma e da NO NE a a Ex. CM 100 TF-24H (1004/12004) (Mitsubishi) 6.10 Comparação entre as principais chaves controladas Dispositivo Capacidade de Potência | Velocidade de comutação Transistor bipolar média Média MOSFET baixa alta STO alta baixa IGBT média média. Obs.: A tabela anterior fornece apenas uma idéia grosseira das carac- terísticas relativas destes dispositivos. É importante enfatizar que além dos aperfeiçoamentos destes semicondutores, novos dispositivos estão-sendo pesquisados. 181 Por outro lado, à medida que novos semicondutores tornam-se definidamente mais vantajosos para uma dada aplicação, é co- mum que outros fiquem rapidamente obsoletos, correndo o ris- co de terem a sua fabricação descontinuada. IDOGA 15004 — Z000A 3009A Fregúência 162 DS a a 7. CONTROLE DE MOTORES C.C. 7.14 INTRODUÇÃO Os motores de corrente contínua, normalmente designados como motores C.€., possuem características elétricas e funções de transferência que os tomam atraentes em muitas aplicações onde se requer uma variação e/ou controle da velocidade rotórica. Este fato decorre, principalmente, em virtude da simplicidade do equipamento necessário para proporcionar esta variação e/ou controle da velocidade, em contraste com a complexidade maior dos acionamentos de frequência variável utilizados com motores de CA, Por esta razão, embora a utilização de motores de C.A. em sistemas de velocidade variável venha crescendo nos últimos. anos, os motores €.C. continuam a ser utilizados, principalmente em aplicações onde não for requérida uma extremamente baixa manutenção. 7.2. CARACTERÍSTICAS DOS MOTORES C.C. Os motores C.C. podém ser basicamente de dois tipos: * motores C.C. de imã permanente * motores C.€. com enrolamento de campo No primeiro casó (normalmente utilizados em pequenos motores €.C.), o fiuxo magnético é produzido por um estator de imã permanente (br constante). No segundo casó o fluxo magnético é produzido por um enrolamento de campo no estator, o qual é percorrido por uma corrente contínua É a qual determina a magnitude do referido fluxo: dr= Er. Ir O rotor é constituido por um núcleo, normalmente construído a partir de chapas de aço-silício, nas ranhuras do qual é realizado o enrolamento da “armadura”. Este enrolamento receberá a tensão continua principal, através dos segmentos de um comutador (coletor) de cobre, solidário ao próprio 163
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