PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL

FACULDADE DE ENGENHARIA

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

DISCIPLINA DE TRABALHO DE INTEGRAÇÃO

Adaptação de um Inversor Comercial para Aplicação em Veículos Elétricos ou Fontes

Alternativas de Energia

CRÍSTOFER RITA RODRIGUES VICENTE MARIANO CANALLI

Porto Alegre, Julho de 2006

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Dedicatória

Dedico este trabalho a todos que me ajudaram nesta longa e árdua, porém conclusiva tarefa, as pessoas que me incentivaram principalmente, mas também àquelas que me desanimaram, pois estas de alguma forma me fizeram crescer, dedico também aqueles que sabiamente não faziam crítica alguma, acreditando na minha melhora, e confiando no meu potencial.

3

Agradecimentos

Agradeço a meus pais, pela dedicação, carinho e compreensão que me dispensaram.

Agradeço aos amigos que me incentivaram a estudar tanto quanto incentivaram a fazer

festas.

Agradeço aos amigos que fiz durante a faculdade, tanto dentro dela como fora.

Agradeço aos professores que me orientaram indicando o rumo a seguir.

Agradeço a todos os sábios pesquisadores, pois deles surgiu a tecnologia que torna nossa

vida mais fácil, e que sem esta meu trabalho não seria como é.

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Resumo

Este trabalho tem por objetivo buscar uma solução para o controle de um motor trifásico

a partir de uma fonte de tensão continua para aplicação em um veículo elétrico, usando um

inversor de freqüência comercial da marca Weg modelo CFW-07. Este inversor possui

originalmente alimentação alternada monofásica, sendo próprio para utilização em redes CA.

A grande vantagem de implementação de um veículo com motor trifásico de rotor em

gaiola vai desde o custo do motor até a simplicidade de manutenção do mesmo.

O inversor comercial e suas formas de onda foram estudados para posterior adaptação,

visando proporcionar seu controle remoto e adaptação à tensão de entrada CC.

O resultado incluiu a adaptação para o controle do motor trifásico a partir de uma fonte

de tensão continua, restando a parte onde seriam aplicados conceitos para implementar o

conversor CC-CC elevador, importante na adaptação para uso de um banco de baterias de menor

tensão. Tais realizações geraram novas idéias para complementação, possibilitando uma proposta

mais aprimorada e aprofundada num futuro próximo.

Como conclusão é possível citar o fato de que o experimento serviu como mola

propulsora para diversos outros dispositivos úteis, sendo que as vantagens desta proposta são

inúmeras, entre elas:

1- Custo baixo comparado a outros conversores CC-CA do mercado

2- Aplicação no mercado de veículos elétricos e fontes alternativas.

3- Simplicidade de implementação

4- Emprego de motor de indução trifásico, pelo fato dele ser simples e barato e

facilmente encontrado no mercado.

5- Possibilidade de no futuro usar células a combustível hidrogênio

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Sumário

1. Introdução................................................................................................................................7 2. Tópicos sobre Veículos Elétricos e Motor de Indução Trifásico com Rotor em Gaiola ........9

2.1. Introdução........................................................................................................................9 2.2. O Mercado Brasileiro ......................................................................................................9 2.3. Veículos Elétricos Série e Paralelo ...............................................................................11

2.3.1. Veículos Elétricos Série (VS) ...............................................................................11 2.3.2. Veículos Elétricos Paralelo (VP)...........................................................................12

2.4. Veículos Elétricos Puros e Híbridos..............................................................................13 2.4.1. Veículos Elétricos Puros (VEP) ............................................................................13 2.4.2. Veículos Elétricos Híbridos (VEH).......................................................................13

2.5. Revisão Bibliográfica....................................................................................................13 2.5.1. Células a Combustível de Hidrogênio...................................................................13 2.5.2. Energia Solar .........................................................................................................15

2.6. Motores de Indução Trifásicos em Gaiola ....................................................................15 2.7. Conclusões ....................................................................................................................16

3. Escolha do Motor Empregado e Proposta de Adaptação do Inversor...................................17 3.1. Introdução......................................................................................................................17 3.2. Escolha do Motor ..........................................................................................................18 3.3. Adaptação do Inversor Weg CFW-07...........................................................................18

3.3.1. Análise do Conversor CC-CA e Adaptação do Barramento. ................................19 3.3.2. Controle Remoto ...................................................................................................22

3.4. Proteções Importantes do Inversor ................................................................................23 3.5. Breve Estudo do Conversor CC-CC Elevador ..............................................................23 3.6. Conclusões ....................................................................................................................24

4. Análise Experimental das Formas de Onda e do Inversor PWM..........................................25 4.1. Introdução......................................................................................................................25 4.2. Técnica de Controle do PWM Senoidal........................................................................25 4.3. Análise das formas de Onda do Inversor Comercial.....................................................26 4.4. Resultados .....................................................................................................................29

5. Descrição Suscinta do Protótipo Veícular.............................................................................30 5.1. Introdução......................................................................................................................30 5.2. Adaptação da Estrutura .................................................................................................30 5.3. Adaptação do Motor Elétrico ........................................................................................31

5.3.1. Embreagem............................................................................................................31 5.3.2. Caixa de Mudanças ...............................................................................................31

5.4. Conclusões ....................................................................................................................32 6. Conclusão Geral ....................................................................................................................33 7. Referências Bibliográficas ....................................................................................................34

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Lista de Figuras

Figura 1.1: Bloco Diagrama Simplificado do CFW-07

Figura 2.1: Mapa do Transporte no Brasil

Figura 2.2: Configuração Série de um Veículo Elétrico

Figura 2.3: Configuração Paralela de um Veículo Elétrico

Figura 2.4: Processo de Transformação até uma célula a combustível

Figura 2.5: Célula solar da PUC-RS

Figura 2.6: Logotipo do CENERG

Figura 2.7: Detalhamento de um Motor Trifásico de Rotor em Gaiola

Figura 3.1: Esquema do controle feito no Motor Trifásico

Figura 3.2: Inversor CFW-07 e Motor de Indução Trifásico tipo gaiola usados no experimento

Figura 3.3: Bornes de entrada tensão CC

Figura 3.4: Parte retificadora do inversor de freqüência

Figura 3.5: Fonte CC usada

Figura 3.6 – Diagrama da Implementação da Fonte CC

Figura 3.7: Controle Remoto

Figura 3.8 – Entrada Analógica AI1

Figura 3.9 – Estrutura de potência do conversor elevador

Figura 4.1: Gráfico de um sistema PWM

Figura 4.2 Gráfico da tensão do motor a 10Hz

Figura 4.3: Painel de ligações do motor trifásico

Figura 4.4: Gráfico da tensão com um período de amostragem de 50 us

Figura 4.5: Gráfico da tensão com base nos pontos P1 e P4

Figura 4.6: Gráfico da tensão a 50 us

Figura 4.7: Gráfico da corrente a 500 us

Figura 5.1: Fotografia de um Protótipo Veicular

Figura 5.2: Foto detalhada da estrutura das principais engrenagens do VE

Figura 5.3: Foto detalhada da Estrutura do Bloco contendo Motor e Câmbio Yamaha 50 cc

7

1. Introdução

O estudo da influência de freqüências harmônicas dos inversores sobre os motores em

relação a alimentação tradicional, é um ponto crucial para se ter sucesso na sua utilização,

embora outros fatores possam também contribuir para o controle abaixo do esperado quando se

adapta o inversor. Tais estudos abordam desde o rendimento, ruído, vibração até a elevação de

temperatura que um inversor pode causar no motor. O inversor utilizado neste trabalho possui

um controle escalar com modulação por largura de pulso (PWM) para comando dos transistores

(IGBTs) com freqüência de chaveamento de 2,5kHz e 5kHz [6].

Este trabalho irá efetuar um controle escalar para um motor de indução trifásico com

rotor do tipo gaiola de esquilo usando o inversor CFW-07 da WEG. A tensão de entrada, deverá

ser uma tensão contínua. Sabe-se que o inversor usado é tradicionalmente aplicado de CA para

CA [1]. Estudando um diagrama de blocos do inversor ilustrado na figura 1.1, verifica-se a

presença de um estágio retificador interno responsável pelo barramento CC, de acordo com a

figura 4.3. Com a ajuda de uma função [1] do inversor, foi possível obter o valor da tensão neste

barramento. Desta forma, incluindo um conversor elevador CC-CC a tensão das baterias a serem

usadas para alimentar o protótipo será elevada de 48V para cerca de 270V. A outra característica

interessante é o fato de ser possível controlar remotamente a variação da freqüência do inversor

[1], um ponto necessário na implementação do acelerador de um protótipo veicular.

A intenção é realizar assim um controle simples e preciso de um motor trifásico

permitindo que a sua alimentação seja proporcionada por uma fonte contínua, com isso haverá

necessidade apenas do inversor, conversor e o motor para acionar o veículo.

8

Bloco Diagrama Simplificado do CFW-07

Figura 1.1: Bloco Diagrama Simplificado do CFW-07 [1]

9

2. Tópicos sobre Veículos Elétricos e Motor de Indução Trifásico com Rotor em Gaiola

2.1. Introdução

Neste capítulo será abordado uma revisão da história dos Veículos Elétricos (VEs), desde

seu avanço no mercado brasileiro, o perfil do transporte público em um país em

desenvolvimento, características que levaram os VEs a serem adotados em países desenvolvidos,

bem como características estruturais, seu futuro em relação as fontes de energia, até uma breve

explicação da construção de um motor de indução trifásico com rotor em gaiola que vai ser útil

neste trabalho para se avaliar o sistema de conversão de energia que está sendo adaptado em um

inversor comercial.

2.2. O Mercado Brasileiro

Cada vez mais se percebe a importância do transporte usando veículos que utilizam

algum tipo de fonte de energia para funcionar.

Sem transporte não seria possível, por exemplo, chegar a lua, ou então construir grandes

empreendimentos porque nos faltaria um meio para transportar as diversas matérias que o

compunham.

Com o advento da tecnologia evolui-se cada vez mais na construção de veículos potentes,

leves, e com uma eficiência não imaginada a poucos anos atrás, porém, a fonte energética usada

permanece a mesma, devido a vários motivos que não abordados neste trabalho. O que será

abordado é um meio de modificar essa fonte e com ela a modificação dos veículos, visando não

10

apenas uma eficiência local (eficiência apenas no veículo), mas uma eficiência global (eficiência

no meio onde ele é usado).

Avaliando a figura 2.1 pode-se verificar que o transporte público é o que mais se

desenvolve no Brasil, e desses 29%, uma grande percentagem está concentrada nos ônibus, quer

dizer, os ônibus são o principal alvo do mercado brasileiro, são eles que vão comandar uma

mudança maciça nos transportes do Brasil [10].

Figura 2.1: Mapa do Transporte no Brasil [10]

É para esse nicho de mercado que será adotado o Veículo Elétrico, tais veículos são

caracterizados por serem bastante atrativos ambientalmente em relação aos veículos a combustão

interna. Abaixo algumas características que podem enfatizar a afirmação [13]:

1- Veículos elétricos (VEs) possuem muito menos peças que veículos convencionais

(VCs).

2- 70% das partes de um VE podem ser diferentes de um VC.

3- VE possui basicamente uma parte móvel no sistema de propulsão: o motor elétrico.

4- VCs possuem centenas de partes móveis no sistema de propulsão.

5- VEs de pequeno porte em geral não possuem câmbio, sistema de escapamento de

gases, sistema de partida, bomba de gasolina e outros.

De acordo com a EPRI (Electric Power Research Institute), os VE são cerca de 97% mais

limpos em termos de poluição que os seus homólogos a gasolina. Este número já inclui a

poluição das centrais elétricas.

TRANSPORTE URBANO - BRASIL / 2000

44,0%

19,0%

29,0%

1,0% 7,0%

A pé Automóveis Transporte Público Motos Bicicleta

11

Os VEs emitem durante um ano de uso, menos cerca de 8 kg de hidrocarbonetos, 6 kg de

óxidos de nitrogênio e 90 kg de monóxido de carbono que um VC[13].

Existem diversos motivos para se mudar para os VEs, mas a utilização dos veículos tem

várias barreiras ainda, e uma delas, talvez a mais significativa, seja o uso das baterias, o tempo

de duração, vida útil e o tempo de carga.

Mesmo assim não são elas que irão impedir o avanço, isso devido ao fato de que 90%

dos motoristas urbanos guiam menos de 75 km/dia [13].

Outra barreira, um pouco menos abaladora seria o custo dos VEs. Um veículo elétrico

pode ser comprado hoje em dia por aproximadamente o dobro do preço de um veículo

convencional, levando-se em consideração os custos com troca de baterias, a manutenção

facilitada e o consumo do combustível. [13]

2.3. Veículos Elétricos Série e Paralelo

Os VEs evoluíram para dois tipos de mecanismos. Estes mecanismos trouxeram maior

flexibilidade e destreza a esses veículos, fazendo com que sejam adotados mais rapidamente pelo

mercado.

2.3.1. Veículos Elétricos Série (VS)

Tais veículos são caracterizados por terem sua parte mecânica ligada apenas ao motor

elétrico, por sua vez um motor a combustão interna vai gerar energia mecânica que será

direcionada ao gerador, este por sua vez fornecerá energia elétrica para o motor que estará ligado

ao sistema de tração do veículo e para as baterias, que serão usadas para alimentar o motor

elétrico, quando o motor a combustão interna se desligar. Deve-se lembrar que o motor a

combustão interna não estará ligado em tempo integral [9].

Estes veículos podem ter ainda uma divisão quanto a sua fonte de energia, podendo ser

Puros ou Híbridos.

12

Figura 2.2: Configuração Série de um Veículo Elétrico [5]

2.3.2. Veículos Elétricos Paralelo (VP)

Por sua vez estes veículos tem uma estrutura um pouco diferenciada, possibilitando que

tanto o motor elétrico, quanto o motor a combustão tracionem o veículo.

Estes veículos podem ter ainda uma divisão quanto a sua fonte de energia, podem ser

puros ou híbridos [9].

Figura 2.3: Configuração Paralela de um Veículo Elétrico [5]

13

2.4. Veículos Elétricos Puros e Híbridos

Nessa concepção tem-se veículos alimentados por fontes renováveis e fontes não

renováveis, ou ambas no mesmo sistema, interagindo para buscar o melhor das duas tecnologias.

2.4.1. Veículos Elétricos Puros (VEP)

Esses veículos são alimentados por fontes renováveis, tais como baterias, que possuem

grau de reciclagem chegando a 94% [5], ou fontes alternativas como energia solar ou eólica, ou

mesmo fontes como o álcool porem com um tratamento dos resíduos expelidos, fazendo com que

a poluição diminua cerca de 85% em relação à mesma fonte sem tratamento, podem usar ligação

em série ou paralelo [13].

2.4.2. Veículos Elétricos Híbridos (VEH)

São aqueles em que, a fonte de energia é composta tanto por fontes renováveis e não

renováveis, tais veículos podem ter ligações paralela ou série.

Os VEs híbridos reúnem os benefícios dos VEs – menor poluição sonora, aceleração

suave e direção fácil – e o conforto dos veículos convencionais – autonomia e facilidade de

abastecimento. Além das vantagens como veículo, o VEH quando estacionado, é um gerador

sobre rodas, que conectado ao consumidor atende as necessidades locais de energia.

2.5. Revisão Bibliográfica

A título de revisão será discutido o que está se fazendo, para solucionar o problema de

armazenamento de fontes de energia, enfocando a solução das células a combustível de

hidrogênio e a energia solar como fonte alternativa, ambos recursos estão ao alcance da PUC-

RS, visto que estas são algumas das aplicações para qual, o laboratório CENERG (Centro de

Estudos em Energia e Aplicação de Gás) está sendo desenvolvido.

2.5.1. Células a Combustível de Hidrogênio

Com a precária autonomia das baterias, surgiram novos elementos para serem utilizados

como fonte aos Veículos Elétricos, tais como as células a combustível.

14

Uma célula combustível é uma célula eletroquímica, basicamente uma bateria em que é

consumido um combustível e é liberada energia. As baterias comuns têm que ser recarregadas de

tempos em tempos porque os reagentes esgotam-se. As células combustíveis estacionárias não

portáteis, pelo contrário, não necessitam serem recarregadas, uma vez que os reagentes são

fornecidos continuadamente [14].

Da forma tradicional utilizando catalisadores metálicos em temperaturas acima de 800º

C, para produção de hidrogênio a partir de hidrocarbonetos como o metano se torna inviável para

processos não industriais, por isso uma nova técnica está surgindo, trata-se de um grupo único de

óxidos que incorpora ou expulsa espontaneamente átomos de oxigênio, dependendo da

temperatura ambiente, isto é, sabe-se há muito tempo que óxidos de terras raras, dos elementos

cério (Ce), térbio (Tb) e praseodímio (Pr), podem produzir hidrogênio a partir de vapor d'água e

metano, em ciclos contínuos de "inalação" e "exalação". Agora, dopando átomos de ferro com os

óxidos de terras raras, pesquisadores do Georgia Institute of Technology (Estados Unidos)

conseguiram baixar as temperaturas nas quais essas "bombas de oxigênio" produzem hidrogênio,

potencialmente viabilizando que o processo se dê abastecido com energia solar. Esta técnica

poderá ser a base para um sistema de produção de hidrogênio em pequena escala, permitindo o

abastecimento de células de combustível a hidrogênio em residências e até mesmo em veículos

[14]. A figura 2.4 permite ilustrar a transformação realizada em uma célula a combustível de

hidrogênio, onde o hidrogênio é inserido no lado do anodo e dissociado em prótons e elétrons, os

prótons são conduzidos através da membrana para o lado do catodo e os elétrons são forçados a

seguir por um caminho externo (gerando energia). No lado do catodo as moléculas de oxigênio

reagem com os elétrons que estão chegando pelo circuito externo, formando água.

Figura 2.4: Processo de transformação até uma célula a combustível [11]

15

2.5.2. Energia Solar

O laboratório CENERG está sendo preparado para suprir as necessidades que se tem

quanto ao estudo e prática com fontes de energia, na figura 2.5 mostra-se a instalação das células

solares no terraço do prédio 30 da PUC-RS, responsáveis pela captação de grande parte da luz

solar incidente, mesmo sendo de implementação com um custo relativamente alto se comparado

as demais fontes de energia, este tipo de fonte possui características que fazem com que ela seja

bastante difundida comercialmente.

Figura 2.5: Célula solar da PUC-RS [15] Figura 2.6: Logotipo do CENERG [15]

2.6. Motores de Indução Trifásicos em Gaiola

A vazio este motor opera normalmente com velocidade constante, que varia ligeiramente

com a carga mecânica aplicada ao eixo, de acordo com o escorregamento. Devido a sua grande

simplicidade, robustez e baixo custo é o motor mais utilizado de todos, sendo adequado para

quase todos os tipos de máquinas acionadas, encontradas na indústria. Atualmente é possível

controlar a velocidade dos motores de indução com o auxílio de inversores de freqüência. O

motor de indução trifásico apresenta vantagens em relação ao similar monofásico, como o

arranque mais fácil, menor nível de ruído e menor preço para potências superiores a 2 kW. A

vantagem do rotor em gaiola relativamente ao rotor bobinado é que resulta numa construção do

16

induzido mais rápida, mais prática e barata. A principal desvantagem refere-se ao fato de o

torque de arranque ser reduzido em relação à corrente absorvida pelo estator , porém quando

controlado por um inversor é possível programar o arranque em rampa, melhorando esta relação

[12].

A figura 2.7 permite ilustrar a vista explodida de um motor trifásico de rotor em gaiola,

identificando suas partes principais.

Figura 2.7: Detalhamento de um Motor Trifásico de Rotor em Gaiola [12]

2.7. Conclusões

A conclusão que se pode chegar é de que a tecnologia empregada nos veículos elétricos,

tanto em sua estrutura como em sua fonte de energia, não é uma tecnologia que está

simplesmente na moda, se trata do futuro dos automóveis, da conservação ambiental e da

evolução dos materiais como um todo. Por isso é tamanha a importância que esta tecnologia em

fase primária terá nas próximas décadas. É dever e direito dos estudantes de engenharia e da

universidade católica transmitir todo esse potencial para o restante da população, fazendo com

que ela seja cada vez mais adotada, possibilitando com isso uma atualização próxima do maior

interessado, o usuário.

17

3. Escolha do Motor Empregado e Proposta de Adaptação do Inversor

3.1. Introdução

A poucos anos atrás, o controle de um motor CA, era uma tarefa complicada,

principalmente sendo um motor trifásico de indução tipo gaiola. Atualmente existem diversas

técnicas para esse controle, e uma delas será empregada no inversor adaptado para este trabalho.

A princípio o que se fez foi, dispondo de um motor, adaptar um inversor comercial para

realizar a função de converter uma tensão contínua em tensão alternada, uma vez que, o

conversor pronto é pouco encontrado no mercado, e geralmente a um custo superior a uma

adaptação. Após será definida a ferramenta utilizada pra se chegar a adaptação, e em seguida

iniciar-se a modificação do inversor comercial. De posse de um inversor próprio e de um motor

disponível no laboratório, buscou-se um meio de adaptar o inversor de uma forma econômica e

fácil de implantar. O inversor usado possibilitou efetuar de forma simples grande parte do

propósito. Em suas entradas analógicas foi utilizado e estudado um controle remoto da

freqüência do motor. Com acesso ao retificador, foi injetada uma tensão de entrada CC, e

fazendo uso de uma fonte e alguns capacitores para estabilizar a tensão foi possível aplicar essa

tensão tendo como resultado a operação do motor. Um conversor elevador é proposto, uma vez

que o objetivo do experimento é movimentar um protótipo veicular, cuja fonte serão quatro

baterias de 48V, tendo que transformar esses 48V em 270V, com algumas variações de tensão

quando o motor é muito carregado.

A figura 3.1 permite ilustrar o esquema elétrico do controle de um motor trifásico, desde

a inserção das baterias até a saída da tensão alternada para o motor.

18

Figura 3.1: Esquema do controle feito no Motor Trifásico [4].

3.2. Escolha do Motor

O motor escolhido para a aplicação é um motor de indução rotor em gaiola, cujo

fabricante é a Weg. Este motor tem uma rotação de 1100 rpm com uma tensão de entrada de

220V (ligação em triângulo) e 380 V (ligação em estrela), possui uma potência de 1 CV, que por

definição é a potência de um cavalo robusto para levantar 75 kgf à altura de um metro no tempo

de um segundo [17], e freqüência nominal de 60Hz.

A escolha por ele foi pela facilidade do uso e disponibilidade no laboratório, abaixo é

relacionado algumas vantagens encontradas para usar este motor:

Vantagens:

É barato, simples e fácil de Construir. Devido a categoria de motor de corrente

alternada sem escovas tem uma necessidade de manutenção baixa em relação aos de corrente

contínua. Está disponível no laboratório de conversão. Permite regeneração, proporcionando um

melhor aproveitamento da energia.

3.3. Adaptação do Inversor Weg CFW-07

A princípio o que se fez foi um estudo de ambos sistemas (inversor, motor), na tentativa

de encontrar uma possibilidade para realizar a mudança do inversor. Mesmo existindo outros

modelos, optou-se por este, por ser mais simples e por possibilitar uma melhor adaptação.

270 V M

Inversor Trifásico

Motor Trifásico

Conversor Elevador

48 V

Banco de Baterias

19

Figura 3.2: Inversor CFW-07 e Motor de Indução Trifásico tipo gaiola usados no experimento

[15].

3.3.1. Análise do Conversor CC-CA e Adaptação do Barramento.

Inicialmente não se sabia se a supressão do sinal CA de entrada poderia gerar problemas

de operação no inversor. Também não se tinha idéia do ponto a ser aplicada a tensão CC no

circuito e nem do seu valor aproximado. Mas com uma análise da documentação do inversor foi

descoberto uma função para a leitura do barramento CC, bem como efetuada a medição direta

sobre os terminais do retificador mostrado na figura 3.3. Foi possível assim verificar o ponto

exato de inserção da tensão CC constante. A estrutura de potência formada pelos IGBTS do

inversor proporciona uma tensão CA com freqüência variável a ser aplicada no motor. Três

capacitores foram colocados em paralelo com o inversor, similares aos mostrados na figura 3.3,

com o objetivo de manter a tensão do barramento estável, uma vez que a fonte do laboratório

utiliza uma ponte trifásica, todavia sem qualquer circuito de filtragem da tensão.

20

Figura 3.3: Bornes de entrada da tensão CC [15]

Na figura 3.4 pode-se ver o retificador como especificado no manual do inversor [1], a

possibilidade de inclusão de filtros e uma pré-carga no barramento de entrada, antes da

retificação, e uma pré-carga para proteção do banco de capacitores.

Figura 3.4: Parte retificadora do inversor de freqüência [1].

A grande vantagem de se utilizar um inversor comercial é o fato de que ele foi

amplamente testado e possui inúmeras funções. Considera-se que este equipamento seja

competitivo economicamente, especialmente se for empregado um inversor usado. Uma das

Tensão CC +

Tensão CA +

Tensão CC -

Tensão CA -

Capacitores utilizados para estabilizar a Tensão CC

Entradas do Retificador

21

principais funções do inversor permite a programação de uma rampa de aceleração e

desaceleração no arranque e frenagem, permitindo um deslocamento suave do protótipo.

Primeiramente para se ter acesso a todos os comandos que o inversor disponibiliza ele

deve estar alimentado, porém não pode estar ligado. O próximo passo para ajustar o tempo de

aceleração e desaceleração é navegar pela IHM (Interface Homem Máquina) até o comando

P100, que identifica o tempo de aceleração, ajustando um tempo entre 0,2 a 999 segundos. Vale

lembrar que o ajuste de fábrica é de 5 segundos, isso quer dizer que o motor vai levar 5 segundos

para sair de 0Hz e linearmente chegar na freqüência nominal da rede. A configuração do tempo

de desaceleração, utiliza o comando P101, ajustável para tempos entre 0,2 e 999 segundos. O

padrão de fábrica é 10 segundos, indica o tempo que o motor vai levar para sair da velocidade

nominal e linearmente chegar a 0Hz.

Na figura 3.5 é mostrada a foto da fonte usada para alimentar o inversor. A fonte permite

obter uma tensão contínua de até 290V.

Figura 3.5 – Fonte CC usada [15]

A tensão medida originalmente no barramento CC do inversor tem o valor de 270V, que

pouco se altera. Uma tensão menor ou maior poderá surtir efeitos indesejados. Por isso foi

ajustado o valor correto com um multímetro e somente após o ajuste foi aplicada a fonte no

inversor, observou-se um faiscamento nos bornes do barramento do inversor, resultado da rápida

alteração da tensão nos capacitores. Uma estratégia adotada para evitar este efeito é elevar a

22

tensão linearmente até a tensão requerida. Na figura 3.6 é mostrado um diagrama da inserção da

fonte CC no circuito, juntamente com o acoplamento dos capacitores em paralelo com o

inversor.

Figura 3.6 – Diagrama da Implementação da Fonte CC [15]

3.3.2. Controle Remoto

O controle remoto foi implementado a partir de entradas analógicas disponíveis no

inversor [1], com a possibilidade de desabilitar a IHM no formato da fábrica. Com isso foi

possível realizar o controle, que será no futuro o acelerador do veículo, incluindo também o

ligamento/desligamento do inversor de forma remota.

Na figura 3.8 é mostrado o esquema elétrico da ligação de um potenciômetro em uma das

entradas analógicas do inversor (AI1), para o controle remoto da freqüência do motor [1]. Em

um dos terminais externos do potenciômetro se tem 10V na outra 0V. Variando essa tensão de

entrada, será obtida a tensão de controle necessária para o PWM.

A figura 3.7 é uma foto da adaptação realizada, empregando um potenciômetro de 10 k

Ω, escolhido por ser o dobro da resistência mínima indicana no manual, visto na figura 3.8,

possibilitando uma variação mais suave da freqüência.

Fonte CC

Inversor de Freqüência

Banco de Capacitores

Motor Elétrico

23

Figura 3.7 - Controle Remoto [15] Figura 3.8 – Entrada Analógica AI1 [1]

3.4. Proteções Importantes do Inversor

Em termos de proteções referentes a corrente do motor existem dois tipos de funções

implementadas no inversor:

- Proteção para a corrente de Sobrecarga do motor: A função P156 ajusta a corrente de

sobrecarga que o motor poderá suportar, limitando no valor desejado, em um intervalo de (0.2 x

Inominal) até (1.3 x I nominal)

- Proteção para a corrente máxima de saída:: A função P169 ajusta a a corrente máxima

para evitar o travamento do motor durante uma sobrecarga, se a corrente do motor ultrapassar o

valor estipulado no ajuste do inversor sua rotação irá diminuir, fazendo com que a corrente não

aumente mais ainda, quando a sobrecarga desaparecer a rotação do motor voltará ao normal. O

intervalo para ajuste é de (0.2 x Inominal) até (1.3 x I nominal).

3.5. Breve Estudo do Conversor CC-CC

Elevador

Para atingir os 270 V do barramento do inversor a partir de um banco de baterias será

necessário a implementação de um conversor do tipo elevador, caracterizado pela elevação da

tensão de entrada. Neste caso poderá ser proporcionada uma elevação máxima de 10 vezes da

tensão de saída em relação a tensão de entrada. O conversor elevador é caracterizado por ter

entrada em corrente e saída em tensão. Na

24

Figura 3.3.9 ilustra-se o diagrama elétrico da estrutura de potência do conversor elevador

[16].

L

Co

D

Vi Ro

S

+

-

Vo

Figura 3.9 – Estrutura de potência do conversor elevador [16].

As etapas de funcionamento do conversor elevador são descritas a seguir.

1a Etapa (0, DTs): S está conduzindo. O indutor L é magnetizado. A fonte Vi fornece

energia ao indutor.

2a Etapa (DTs, (1-D)Ts): S está bloqueado. O diodo D entra em condução. A fonte Vi e o

indutor L fornecem energia à saída. A tensão na carga aumenta [16].

3.6. Conclusões

Neste capítulo foi possível avaliar o funcionamento do inversor, parte crucial para o

sistema, e ilustrar as diversas adaptações que foram feitas para que ele pudesse funcionar de

modo satisfatório no protótipo veicular. Salienta-se que o inversor é dotado de diversas funções

adequadas a aplicação proposta neste trabalho. As principais funções foram abordadas, sendo

importantes para o funcionamento básico e controle do motor.

Também foi abordado o motivo da escolha do motor em questão, este motor por mais

simples que seja é extremamente funcional, e permite um controle eletrônico.

O conversor CC-CC foi abordado, não fazendo parte do escopo deste trabalho, sendo

todavia necessário para o funcionamento do sistema por completo.

25

4. Análise Experimental das Formas de Onda e do Inversor PWM

4.1. Introdução

Neste capítulo serão ilustradas algumas formas de onda capturadas no osciloscópio, que

foi conectado diretamente sobre os enrolamentos do motor, com o intuito de medir as tensões e

correntes absorvidas. A influência do inversor, freqüências harmônicas e uma breve explicação

da técnica de controle são abordados.

4.2. Técnica de Controle do PWM Senoidal

O funcionamento do PWM se dá pela comparação de dois sinais, chamados de portadora

do sinal (tensão triangular modulante) e sinal de controle(tensão senoidal controlada). Na figura

4.1 é ilustrado o processo de modulação PWM senoidal.

Figura 4.1: Gráfico de um sistema PWM.[7]

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4.3. Análise das formas de Onda do Inversor

Comercial

Na figura 4.2 é mostrada a curva da tensão de linha sobre o motor, retirada com a

medição nos pontos P2 e P3 do painel, ilustrado na figura 4.3. Nesta curva é possível verificar à

freqüências baixas, 10Hz, a tensão sofre influência das freqüências harmônicas do inversor.

Outro provável fator que também contribui para o aparecimento desta característica é o

fato da bobina do estator possuir capacitâncias parasitas, afetando a corrente de alimentação,

com componentes de altas freqüências.

Figura 4.2 Gráfico da tensão do motor a 10Hz.[15]

A figura 4.3 ilustra o esquema de configuração do motor trifásico usado neste trabalho

para conectá-lo ao inversor em uma ligação estrela e os pontos utilizados para retirar as formas

de onda da corrente e tensão deste motor.

27

Figura 4.3: Painel de ligações do motor trifásico[15]

Na figura 4.4 é ilustrada a mesma tensão da figura 4.2, com um período de amostragem

maior, possibilitando uma melhor visualização da ação da modulação por largura de pulso

(PWM). Nela pode-se ver que a freqüência dos espúrios chega a 9kHz, influência que pode ter

origem em defeitos de filtragem.

Figura 4.4: Gráfico da tensão com um período de amostragem de 50 us.[15]

Na figura 4.5 efetua-se a medição da tensão de fase entre os pontos P1 e P4 de acordo

com o painel do motor mostrado na figura 4.3, nela é possível visualizar a forma de onda da

tensão, porém referenciadas a um ponto de medição que está conectado nas chamadas bobinas

comuns.

P 1

P 2 P 4 P 3

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Figura 4.5: Gráfico da tensão com base nos pontos P1 e P4 [15]

Na figura 4.6, é ilustrada uma ampliação paralisada da forma de onda, visto que a

senóide de saída do PWM está em constante movimentação. Nesta figura se verifica um aumento

do período de amostragem.

Figura 4.6: Gráfico da tensão a 50 us[15]

29

Na figura 4.7 é mostrada uma medição feita com a ponteira de corrente configurada para

100mV/A. É possível visualizar a freqüência da corrente em consonância com a freqüência da

tensão. Os picos são resultado da rápida mudança feita pelo PWM no circuito. E provavelmente

está relacionado a presença das capacitâncias parasitas entre enrolamentos.

Figura 4.7: Gráfico da corrente a 500 us[15]

4.4. Resultados

Os resultados experimentais foram ilustrados, e em princípio se apresentaram coerentes

com a teoria. Neste modelo de inversor é possível ajustar corrente máxima e de sobrecarga, visto

no ítem 3.4, evitando danos maiores ao sistema, e também para maiores exigências de carga

mecânica do motor, como por exemplo em aclives.

O estudo teórico do conversor CC-CC permitiu adquirir uma noção de tópicos para o

entendimento de sua operação. Assim o foco principal do trabalho foi a adaptação e estudo do

inversor para a aplicação veicular.

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5. Descrição Suscinta do Protótipo Veícular

5.1. Introdução

Este capítulo tem como objetivo introduzir uma descrição resumida do protótipo veicular

que foi concebido a partir de materiais usados, o protótipo visa complementar o trabalho.

5.2. Adaptação da Estrutura

Com uma estrutura de kart, similar ao mostrado na figura 5.1 , o protótipo se caracteriza

por ser leve e suportar até dois passageiros de porte médio, possuindo também espaço para levar

quatro baterias de 12 V cada, destinadas a alimentar o conversor CC-CC.

Como foi desenvolvido originalmente para um motor a combustão interna, possui

embreagem, acelerador e freio ao alcance do usuário, similares a um carro normal. Necessitará

de adaptações para tornar-se um veículo elétrico, bem como para que se possa implementar um

sistema com motor regenerativo.

Figura 5.1: Fotografia de um Protótipo Veicular[12]

31

5.3. Adaptação do Motor Elétrico

Neste ítem será abordada a adaptação do motor elétrico à estrutura originalmente

desenvolvida para um motor a combustão interna.

5.3.1. Embreagem

A embreagem permaneceu no protótipo, porque dela dependem um arranque suave, a

facilidade de estacionamento e a semelhança com um veículo normal, facilitando a adaptação do

usuário.

Na figura 5.2 é apresentada uma figura detalhando as principais engrenagens que fazem

parte do sistema de câmbio e embreagem, originalmente usados em uma moto yamaha 50 cc.

Figura 5.2: Foto detalhada da estrutura das principais engrenagens do VE [12]

5.3.2. Caixa de Mudanças

Foi utilizada uma caixa de mudanças Yamaha 50 cc, a qual pode ser vista na figura 5.3

em detalhes. A necessidade da caixa foi crucial para o projeto, alguns problemas em não ter a

32

caixa de mudanças seria um arranque difícil, em alguns casos até impossível e a possibilidade de

avarias no banco de baterias e ainda a dificuldade quanto ao desempenho nas subidas. Esta

experiência foi adquirida emprojeto de Iniciação Científica financiado pela PUCRS entitulado

veículo multimotor, posteriormente modificado pelo Departameto de Eng. Mecânica.

Foi isolada a parte contendo o motor e combustão de forma a se aproveitar a caixa de

câmbio.

Figura 5.3: Foto detalhada da Estrutura do Bloco contendo Motor e Câmbio Yamaha 50

cc [12]

5.4. Conclusões

A adaptação do veículo empregando peças usadas está tomando um tempo considerável.

Todavia, estima-se que essas modificações e outras mais seriam necessárias para que se pudesse

fazer um teste mais confiável no sistema elétrico (baterias, inversor e motor). Com isso é

possível se certificar de que a estrutura do protótipo seria a adequada para esse tipo de

experimento. Será necessário para seguir o projeto, a adaptação do potenciômetro de aceleração

pelo Prof. Universitário, bem como a renovação do banco de baterias e sua alocação no veículo.

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6. Conclusão Geral

Como conclusão final é possível ressaltar a grande importância deste trabalho, tanto para

a pesquisa que está se fazendo hoje em dia como para conhecimento próprio. Este sistema irá

servir para ajudar muitos projetos que estão em andamento e necessitam de informações básicas

para a conversão de uma tensão contínua em alternada usando um inversor comercial. Esta

tecnologia também é compatível com o emprego de fontes alternativas, notadamente as que

produzem tensão contínua.

A grande oportunidade deste projeto está na sua simplicidade e custo baixo se comparado

a sistemas similares.

Grande parte do conhecimento adquirido neste trabalho foi obtido na experimentação

com o inversor, parte fundamental para o sistema de conversão do protótipo veicular. A escolha

do motor é outro fator relevante, tendo sido buscado como fator fundamental o fator custo e

simplicidade.

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7. Referências Bibliográficas

[1] Weg Automação Ltda, Manual do Inversor de Frequência CFW-07. Local :Jaraguá do

Sul – SC. Ano 2002.

[2] Weg Automação Ltda., Manual de Instalação e Manutenção de Motores Elétricos de

Indução Trifásico. Edição. Local: Jaraguá do Sul-SC. Editora Weg, ano. 2005.

[3] Pomilio, J.A, Conversores CC-CA Retificadores – Eletrônica de Potência –cap 3

[4] Conversores para Acionamento de Máquinas Elétricas, Faculdade de Engenharia Elétrica

– Unicamp. Local: Campinas – SP, Ano 2002 .

[5] Junior, A.R.P, Salazar,A.L, Fontes, F.A.O, Sistema de Conversão e Gerenciamento de

Energia para um Veículo Elétrico Híbrido. ano.2001.

[6] Mello, Hugo G.G, Motores de Indução alimentados por Inversores de Frequência.

Autorizado pela Weg, Ano. 1999.

[7] Borges, B.V, Electronica de Potência – Conversores CC-CA, Artigo: IST-DEEEC,

ano.2003.

[8] Salazar, A.O, Furtunato, A.F.A, Araújo, A.D, Controlador de Velocidade usando Modos

Deslizantes suaves para um Motor de Indução Trifásico – CEFET-RN e UFRN. Ano.2001

[9] Junior, A.N, Hollanda, J.B, Fórum do Veículo Elétrico Híbrido, Veícuos Elétricos

Híbridos , ano. 2003.

[10] ANTP, Associação Nacional do Transporte Público , Ano: 2000

[11] Site: wikipédia : http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_combust%C3%ADvel

[12] Uliana, Jorge E., Comando e Motores Elétricos, Apostila baixada do Site:

http://my.opera.com/aquarits/homes/blog/apostila_de_comando_e_motores_eletricos.doc

[13]

Tavares, Paulo C.C, Veículos Elétricos – Perspectivas de empresas de Energia Elétrica,

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ano: 2004

[14] Matéria do Site Inovação Tecnológica publicado no dia 16\06\2003 relativo a revista

norte Americana Advanced Materials (15-2003, pp 521-526) especializada no setor.

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010115030616

[15] Desenhos, Gráficos e Fotos foram feitos no Laboratório de Conversão de Energia da

Faculdade de Engenharia da PUC-RS nos dias 15/06/2006 e 16/06/2006 por Crístofer

Rodrigues.

[16] Apostila sobre conversores CC-CC retirado da Internet no site:

http://www.inep.ufsc.br/~petry/ensino/graduacao/eletronica_de_potencia_ii/Introducao_

Conversores_CC_CC.doc

[17] Homa, J.M, Aeronaves e Motores, ano: 1990