ward Leonard

FEUP-LEEC. SAM 1

Controlo de Motoresde Corrente Contínua

Sistemas de Accionamento e Movimentação

FEUP-LEEC. SAM 2

Motores de corrente contínua.Introdução (histórica)

• Historicamente, o motor CC, foi utilizado de modo universal no controlo de velocidade, até ao aparecimento, em força, dos inversores de tensão, baseados em semicondutores de potência (tirístores, inicialmente, e GTOs e IGBTs mais recentemente) associados aos motores CA.

• O sistema conhecido como Ward-Leonard foi utilizado durante largo tempo em accionamentos de elevado desempenho.

• Ainda hoje, uma parte importante dos accionamentos controlados é uma versão electrónica do sistema Ward-Leonard.

FEUP-LEEC. SAM 3

Diagrama de controlo de um sistema Ward-Leonard para um motor CC.

O sistema Ward-Leonard (curiosidade).

Diagrama

Motor CA1

Gerador CC2

Motorcontrolado

4Carga

accionada

3Excitatriz

Controlo de campo dogerador

Controlo de campo domotor

5

6

Conjunto Ward-Leonard

+

-

-

+

FEUP-LEEC. SAM 4

1. No arranque, a excitação do gerador é aproximadamente nula, garantindo uma tensão no induzido perto de zero. Esta tensão é aplicada ao motor controlado. A tensão de excitação do motor é colocada no seu valor máximo (o nominal).

2. O aumento da tensão de excitação aumenta a tensão aplicada ao motor, garantindo-se, também, controlo da polaridade.

3. O controlo de velocidade do motor é obtido a partir do controlo da excitação do gerador.

4. O sistema possibilita a frenagem regenerativa bastando, para isso, diminuir a tensão no induzido do motor. A corrente inverte-se e o gerador passa a funcionar como motor. O motor CA, por seu lado, passa a funcionar como gerador devolvendo energia à rede.

O sistema Ward-Leonard.Descrição

FEUP-LEEC. SAM 5

• A manutenção do campo indutor do motor constante, no seu valor máximo, permite obter o máximo binário em função da corrente. Noentanto, a máxima velocidade possível é atingida com a máxima tensão na armadura, que é função do valor máximo do campo do gerador. Esta velocidade máxima toma a designação de velocidade base do motor.

• No entanto, os motores são projectados para operar a velocidadessuperiores a esta velocidade base, até 2 a 3 vezes.

• A redução da tensão de excitação aplicada ao motor (designada por enfraquecimento de campo), diminui a f.e.m., permitindo que a velocidade suba.

• Nesta zona de operação, o binário disponível diminui, já que é proporcional quer à corrente na armadura quer ao fluxo. Trata-se de uma operação a potência constante.

O sistema Ward-Leonard.Descrição

FEUP-LEEC. SAM 6

• A utilização de conversores estáticos de potência substituíu o sistema Ward-Leonard rotativo que, tendo um bom comportamento dinâmico, apresenta algumas desvantagens.

• O custo do sistema (com diversas máquinas rotativas), a manutenção, e o dimensionamento são as principais.

• O motor e o gerador do sistema devem ter um dimensionamento em potência superior ao do motor; o espaço ocupado e a manutenção (especialmente do gerador CC - colector e escovas), são desvantagens importantes.

• O ruído e a vibração gerados por este sistema são desvantagens que não existem no sistema estático.

O sistema Ward-Leonard.Características

FEUP-LEEC. SAM 7

• O motor de corrente contínua contém dois circuitos: o do campo e o do induzido. O do campo situa-se na parte fixa do motor e consiste em enrolamentos colocados à volta dos polos magnéticos do estator.

Estrutura (corte) e circuitos de um motor de corrente contínua.

O motor de corrente contínua (revisão).

Estrutura e circuitos

N

S

18 1 23

4

5

6

78

91011

17

1213

14

15

16

A2 B2

A1

B1

I

I

12

3

4

5

6

7

8910

11

12

13

14

15

16

1718

12

Iω 12

I

F1

F2

A1

A2

FEUP-LEEC. SAM 8

• O número de polos é par e os enrolamentos são percorridos pela mesma corrente. Terminam nos pontos F1 e F2.

• O objectivo do circuito indutor é magnetizar os polos do motor, criando um fluxo magnético no entreferro, entre o estator e o rotor.

• O circuito indutor não será necessário se forem utilizados ímanes permanentes no estator.

• O circuito de potência de um motor CC é a armadura, e está situado no rotor. Consiste em enrolamentos colocados em ranhuras.

• Se metade de um enrolamento está sob um polo norte, a outra metade estará sob o polo sul adjacente.

O motor de corrente contínua.Estrutura e circuitos

FEUP-LEEC. SAM 9

• Quando circula corrente num enrolamento, as forças devidas à interacção entre a corrente e o fluxo serão iguais e opostas nos dois lados do enrolamento. Juntas produzem o binário com que o enrolamento contribui para o binário total.

• Os enrolamentos são ligados em série formando um circuito fechado.

• A armadura dispõe, ainda, de um comutador (colector) constituído por um conjunto de lâminas isoladas umas das outras.

• Os terminais final de uma bobina e inicial da bobina adjacente são ligados à mesma lâmina.

• O comutador está fixo ao rotor e roda com ele. A corrente chega às bobinas através de um par de escovas de grafite que contactam com as lâminas do colector. Garante-se, assim, uma corrente constante sob um polo do estator, independentemente do movimento do rotor.


FEUP-LEEC. SAM 10

• O conjunto comutador-escovas permite transformar uma fonte de corrente contínua numa corrente alternada, a que circula nas bobinas. Este conjunto é, no entanto, uma desvantagem dos motores CC aumentando o seu custo e, fundamentalmente, a sua manutenção.

• As escovas e, mais lentamente, as lâminas do colector, deterioram-se com o tempo. Também, a imperfeição da rotação implica a ocorrência de arcos eléctricos, impedindo a utilização deste motor em ambientes perigosos.

• Apesar da excelente regulação e controlabilidade do motor CC, este tem perdido muitos campos de aplicação, nos accionamentos controlados, em detrimento do motor assíncrono.


FEUP-LEEC. SAM 11

• Uma característica fundamental do motor CC, responsável pelo seu bom desempenho dinâmico, é o facto de os circuitos magnéticos do campo indutor e da armadura estarem mutuamente desacoplados. O fluxo criado pelo indutor não liga com os enrolamentos da armadura.


N

S

φA

φF

Orientações espaciais do fluxo indutor e da f.m.m. da armadura num motor CC.

• As orientações espaciais dos fluxos são fixas e não dependem da rotação do motor. Sendo direcções perpendiculares, verifica-se o desacoplamento magnético referido.

• A rápida variação da corrente da armadura, em caso de perturbação dinâmica, pode ser obtida sem haver interacção do fluxo indutor.

FEUP-LEEC. SAM 12

• Sendo as direcções da corrente da armadura e do fluxo indutor perpendiculares, desenvolve-se uma força electromagnética em cada condutor proporcional à corrente e ao fluxo.

• O binário resultante nos diversos condutores soma-se, resultando:

O motor de corrente contínua.Binário e f.e.m.

IKT Ψ= 1

Ψ é o fluxo por polo, I é a corrente na armadura e K1 uma constante de proporcionalidade (dimensões, número de polos, etc).

• A rotação do motor faz induzir uma f.e.m. nos condutores, proporcional à velocidade e ao fluxo por polo:

ωΨ= 2KE

Ψ é o fluxo por polo, ω é a velocidade angular do motor e K2 uma constante de proporcionalidade (dimensões, número de polos, etc).

FEUP-LEEC. SAM 13


IKEIP ωΨ== 2

• Se as equações de binário e f.e.m. forem expressas em unidades SI as constantes K1 e K2 são iguais.

• A potência eléctrica convertida em mecânica é:

• A potência mecânica é:

ωΨ=ω= IKTP 1ou seja:

ωΨ=ωΨ IKIK 12

IKT

KE

Ψ=ωΨ=

• Assim, em regime permanente:

FEUP-LEEC. SAM 14

Circuitos do campo e da armadura, em regime dinâmico e em regime permanente.


fff

ff

aa

iRdt

diLV

EiRdt

diLv

+=

++=

• Em regime dinâmico devem ser consideradas as indutâncias dos dois circuitos, Lf e La. A evolução das correntes será dada por:

F1

F2

A1

A2

+

-

+

-

+

-

Vf

If

Rf

I

Ra

E

V

fff

a

IRV

EIRV

=+=

• Em regime permanente:

+

-

+

-

+

-

Vf

if

Rf

iRa

E

v

Lf

La

FEUP-LEEC. SAM 15

Curva de magnetização de um motor CC.

O motor de corrente contínua.Saturação do motor

• A relação entre a corrente de campo e o fluxo depende da relutância do circuito magnético. Sendo linear numa zona alargada de corrente, satura para valores mais elevados.

• Em geral, o ponto de funcionamento nominal do motor já se encontra ligeiramente na zona de saturação.

If (A)0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

100

200

300

E (V) Velocidade 1000 rpm

FEUP-LEEC. SAM 16

O motor de corrente contínua.Métodos de excitação do motor

• Os circuitos da armadura e do campo podem ser colocados:

- em paralelo: motor “shunt”;

- em separado: motor de excitação separada;

- em série: motor de excitação série.

• O fluxo no motor depende da f.m.m. criada (NI). O mesmo fluxo pode ser obtido com poucas espiras e corrente elevada (motor série), ou por muitas espiras e corrente pequena (motor “shunt” e de excitação separada).

• Naturalmente, a excitação separada permite uma maior flexibilidade sendo utilizada na maior parte dos accionamentos. Apenas no domínio da tracção eléctrica existem os motores série.

FEUP-LEEC. SAM 17

Conversores electrónicos para um motor de excitação separada.

Controlo de motores CC, de exc. separada.Conversores electrónicos

• Se a fonte disponível é CC, utilizam-se conversores CC/CC (a partir de baterias, em tracção eléctrica de pequena potência);

• Se a fonte disponível é CA, utilizam-se conversores CA/CC (monofásicos ou trifásicos).

• A potência do conversor de campo é muito inferior à do conversor da armadura, podendo ambos ter saída variável.

F1

F2

A1

A2

+

-

+

-

+

-

Vf

If

Rf

IRa

EV

Conversordo campo

Conversorda

armadura

FEUP-LEEC. SAM 18

Controlo de motores CC, de excitação separada.Controlo de velocidade

• Distinguem-se duas zonas de funcionamento em velocidade:

– com fluxo constante, em que a velocidade depende linearmente de V (RaI é uma parcela de perdas, em geral pouco significativa);

– com tensão V constante, em que a velocidade depende inversamente do fluxo. Nesta zona, a um aumento de velocidade corresponde uma redução do binário disponível.

IRVE a−=• Na armadura:

ωΨ=− KIRV a

Ψ−=ωK

IRV a

• A velocidade é expressa por:

Ψ−

Ψ=ω T

K

RV

Ka1ou

FEUP-LEEC. SAM 19

Controlo de motores CC, de excitação separada.Controlo de velocidade

• Na zona de fluxo constante as curvas T-n são rectas paralelas com inclinação negativa.

T

nnn

δ=δ1

δ=δ2

-nn

0 Tn-Tn

Características T-n na zona de fluxo constante para quatro quadrantes e em função do parâmetro de controlo.

FEUP-LEEC. SAM 20

Controlo de motores CC, de exc. separada.Zonas de funcionamento

• Naturalmente, em regime transitório, o motor poderá desenvolver um binário superior ao nominal, de acordo com a capacidade de corrente associada.

ωm(p.u.)

0 1.0

1.0

p.u.T, I, Φ f, If V, I

VE

T, Φ f, If

E

Zona de binárioconstante

Zona de potênciaconstante

Binário disponibilizado por um motor de excitação separada.

FEUP-LEEC. SAM 21

Controlo de motores CC, de excitação separada.Zonas de funcionamento

• A característica de um accionamento deve estender-se por quatro quadrantes.

• Acima de nn, a velocidade depende inversamente do fluxo. A um aumento de velocidade corresponde uma redução do binário disponível.

Envolvente da zona de funcionamento de um motor CC.

T

0 n

Tn

nn nmáx

FEUP-LEEC. SAM 22

Controlo de motores CC, de exc. separada.Comportamento dinâmico do motor

EiRdt

diLv aa ++=

WLTBdt

dJT +ω+ω=

• Aplicando a transformada de Laplace:

)()()()( sIsLRsEsV aa ++=

)()()()( ssJBsTsT WL ω++=

• Para o motor CC, com fluxo constante, tem-se:

sendo

);()( sKsE ω= );()( sKIsT = )()( sss θ=ω

FEUP-LEEC. SAM 23

Controlo de motores CC, de excitação separada.Comportamento dinâmico do motor

)())((

)())((

)(22

sTKBsJsLR

sLRsV

KBsJsLR

Ks WL

aa

aa

aa ++++−

+++=ω

• Associando as duas equações anteriores:

Diagrama de blocos de um motor de excitação separada.

-+

V(s)KT

I(s) T(s) ω(s)

TWL(s)

KE

E(s)

1s

θ(s)

+

-1

Ra+sLa

1B+sJ

KT e KE são iguais.

FEUP-LEEC. SAM 24


20)(

1))(()(

)()(

KBsJsLR

K

sV

ssG

aasTWL+++

=ω==

20)(

2))(()(

)()(

KBsJsLR

sLR

sT

ssG

aa

aa

sVWL ++++−=ω=

=

• Considerando o motor um sistema linear (apenas dependente do circuito de campo) a equação geral anterior resulta em duas funções de transferência:

• A velocidade depende de duas variáveis actuantes no motor: a tensão da armadura e o binário resistente.

FEUP-LEEC. SAM 25


• Definindo as constantes de tempo mecânica e eléctrica:

• Considerando B=0 (habitualmente pequeno e desprezável):

++=

++=

1

1

)()(

22221

K

JRs

K

JLsKKsLRsJ

KsG

aaaa

;2K

JRam =τ

a

ae R

L=τ

( ) 1

1)(

21 +τ+ττ=

mem ssKsG

• Admitindo τm>>τe obtém-se:

( )( )111

)()(

)(1 +τ+τ≅ω=

em ssKsV

ssG

FEUP-LEEC. SAM 26

Controlo em malha fechada para um motor de excitação separada.

Controlo de motores CC, de exc. separada.Controlo de velocidade em malha fechada

• O sistema apresenta duas malhas de controlo para a corrente da armadura: a malha interior, de corrente, e a malha exterior, de velocidade.

Sa

ωref Conversor daarmadura+ - + -

+ -

Ia(ref)

Ca

Vc

Motor

Malha de corrente

SS

Malha de velocidade

Conversordo campo

If Enfraquecimento de campo

FW

If(ref)

ωf

Ia

Limitaçãode corrente

FEUP-LEEC. SAM 27

Controlo de motores CC, de excitação separada.Controlo de velocidade em malha fechada

• O controlo em cascata pode ser aplicado a uma malha exterior de controlo de posição em servo-accionamentos. A posição de referência é comparada com a posição actual (obtida a partir de um sensor apropriado). A saída do controlador de posição corresponde a um valor de referência para a velocidade.

Enfraquecimento de campo• O enfraquecimento de campo é obtido automaticamente a partir do bloco

FW. Do ponto de vista do controlador, o sistema torna-se não linear.

Limitação de corrente• A limitação de corrente no conversor obtém-se a partir da limitação da

saída do amplificador de erro de velocidade.

FEUP-LEEC. SAM 28

Conversor CC/CC de um quadrante no modo motor e em frenagem.

Controlo de motores CC, de exc. separada.Conversores CC/CC

• No conversor de um quadrante, pode ocorrer condução descontínua.

• Não permite efectuar frenagem directamente.

Vcc

D ω

ia

A

B

C

S

Vcc

D

ω

ia

A

B

C

S

• Os conversores CC/CC podem ser de um, dois ou quatro quadrantes.

• Permitem impôr uma frequência de comutação elevada, diminuindo aondulação de corrente no motor.

FEUP-LEEC. SAM 29

Controlo de motores CC, de excitação separada.Conversores CC/CC

• O conversor CC/CC de dois quadrantes apenas funciona em conduçãocontínua, o que facilita a regulação do sistema.

• Em qualquer conversor CC/CC, no modo de frenagem torna-se necessário que a fonte de alimentação CC tenha capacidade de receber a energia recuperada.

Conversor CC/CC de 2 quadrantes.

Vt

IaVcc

Φ

T, ω

+

-

Vf

If

FEUP-LEEC. SAM 30

Conversor CC/CC de um quadrante. Inversão aos terminais da armadura.


• A inversão do sentido de rotação de um motor pode ser obtida a partir da inversão da polaridade aos terminais da armadura ou invertendo ocampo. A inversão do campo é mais lenta (circuito muito indutivo).

• A inversão da tensão aos terminais da armadura pode ser realizada de duas formas: utilizando dois pares de contactos electromecânicos ou utilizando um conversor de quatro quadrantes.

Vcc

S

D

F

F

R

R

A1

A2

F1

F2

Conversordo campo

Vcc

FEUP-LEEC. SAM 31

Conversor CC/CC de quatro quadrantes.


• O conversor de quatro quadrantes permite uma dinâmica muito superior.

• Há diferentes métodos de controlo para este conversor:

– S2 e S3 off, S4 on. S1 controla a tensão aplicada.

– S3 off, S4 on. S1 e S2 controlam a tensão aplicada.

– S1, S2, S3 e S4 controlam a tensão aplicada.

Vcc

D1

ω

S1

S2 D2

D3

D4

S3

S4

A1 A2

F1

F2

Conversordo campoVcc

FEUP-LEEC. SAM 32

Controlo de motores CC, de exc. separada.Conversores CC/CC - ondulação da corrente

• A tensão de saída dos conversores electrónicos não é constante, apresenta ondulação que, por sua vez provoca ondulação de corrente.

• Admitindo a f.e.m. constante, a tensão e a corrente na armadura são:

)()( tvVtv r+=

)()( tiIti r+=

[ ]dt

tdiLtiIREtvV r

araar)(

)()( +++=+

• Substituindo na expressão instantânea da tensão na armadura:

• Resulta para o valor médio e a ondulação:

IREV aa +=

dt

tdiLtiRtv r

arar)(

)()( +=

FEUP-LEEC. SAM 33

Controlo de motores CC, de excitação separada.Conversores CC/CC - ondulação da corrente

• Admitindo que a resistência tem um efeito desprezável:

dt

tdiLtv r

ar)(

)( ≈

Ondulação de corrente num conversor CC/CC de quatro quadrantes, com métodos de controlo distintos.

v

0

V

t

i

Ts=1/fs

∆ i=V

8Lafsv

0

V

t

-V

i

Ts=1/fs

∆ i=V

2Lafs

• O mesmo valor médio está associado a valores eficazes diferentes, aumentando as perdas em Ra, no primeiro caso.

FEUP-LEEC. SAM 34

Conversores CC/CC.Recuperação de energia para a fonte CA.

• Se o barramento CC não permite o trânsito bidireccional de potência torna-se necessário dissipar a energia devolvida ao barramento CC.

Circuito de frenagem para conversores CC/CC.

ConversorCC/CC de 1,

2, ou 4quadrantes

MotorCC

Lf

Cf

Rb

Tb

Vs

Uf

ΦControlo

• Em geral, o transístor Tb faz parte dos módulos integrados de semicondutores de potência aplicáveis em controlo de motores.

FEUP-LEEC. SAM 35

Conversores CC/CC.Recuperação de energia para a fonte CA.

• A bidireccionalidade de potência no barramento CC (por inversão da corrente) é feita por um inversor de tensão (monofásico ou trifásico) a funcionar como rectificador.

Interface para a rede CA com possibilidade de recuperação de energia.

C

Ls

vs vcc

+

-

is

T1

T2

T3

T4

vinv

icc

ConversorCC/CC de 1,

2, ou 4quadrantes

MotorCC

Uf

Φ

• A topologia garante, ainda, factor de potência unitário e corrente de entrada sinusoidal.

FEUP-LEEC. SAM 36

Conversores CC/CC.Filtro do barramento CC

• O filtro do barramento CC é utilizado para duas funções:

– Filtrar a tensão de saída de um rectificador (se existir) garantindo uma ondulação especificada;

– Filtrar a corrente de entrada pedida pelo conversor CC/CC à fonte CC (bateria, por exemplo).

Filtro LC na entrada de um conversor CC/CC.

ConversorCC/CC

MotorCC

Lf

Cf

vs

Uf

Φ

ConversorCA/CC(díodos)

vi vcc

icc

+ +

- -

is

ii

FEUP-LEEC. SAM 37

Controlo de motores CC, de exc. separada.Conversores CA/CC

• Uma parte importante dos accionamentos industriais é baseada em rectificadores tiristorizados, devido à disponibilidade da rede CA.

• O circuito do campo poderá ser não controlado (ponte de díodos) ou controlado (ponte tiristorizada, em geral mista), permitindo velocidades superiores à nominal.

• A possibilidade de frenagem ou de inversão do sentido de rotaçãodepende das configurações implementadas. A inversão de sentido obtém-se por inversão do campo ou por inversão da tensão na armadura.

• A inversão do campo indutor é um processo lento, comparado com ainversão da tensão na armadura. A inversão da tensão na armadura pode ser obtida por processos electromecânicos ou por processos estáticos.

FEUP-LEEC. SAM 38

Inversão da tensão na armadura a partir de contactores.

Controlo de motores CC, de excitação separada.Conversores CA/CC - inversão da rotação

• Aumentando o ângulo de disparo, a corrente anula-se. De seguida, é aberto o contactor F. O ângulo de disparo é aumentado para valores superiores a 90º, permitindo tensões negativas superiores à f.e.m. É fechado o contactor R, iniciando-se a condução no circuito (frenagem).

• Diminuindo α, a tensão inverte-se e o motor inicia a rotação no sentido inverso.

F

F

R

R

A1 A2

F1

F2

L

FEUP-LEEC. SAM 39

Inversão do campo indutor a partir de rectificadores em anti-paralelo.

Controlo de motores CC, de excitação separada.Conversores CA/CC - inversão da rotação

• Aumentando o α da armadura, a corrente anula-se.• No indutor, α é aumentado para valores superiores a 90º, anulando a

corrente de campo e a f.e.m. Após um intervalo de segurança, a ponte 2 é disparada, invertendo-se a corrente de campo e a f.e.m. (frenagem).

• Controlando o conversor da armadura o motor inicia a rotação no sentido inverso.

1 2

FEUP-LEEC. SAM 40

• A ondulação de tensão de saída dos conversores CA/CC, associada à respectiva frequência, é mais importante que nos conversores CC/CC. Tal como nestes, provoca ondulação na corrente com os efeitos jádescritos.

• A ondulação da corrente na saída de rectificadores pode ser calculada a partir do método do primeiro harmónico. Consiste em aproximar a corrente de saída pela soma do seu valor médio com o primeiro termo harmónico. Este termo depende, naturalmente, do topologia do conversor e do respectivo ângulo de disparo.

• Também para este método (aproximado) se pode admitir que a resistência da armadura não contribui para a impedância do circuito que limita a ondulação da corrente.

• O método do primeiro harmónico só é válido em condução contínua.

Controlo com conversores CA/CC.Ondulação da corrente e corrente descontínua

FEUP-LEEC. SAM 41

• Com binários/cargas baixas, o valor médio da corrente é baixo.

• Se a ondulação da corrente for significativa, esta pode tornar-se descontínua, introduzindo uma dependência entre o valor médio datensão de saída e o valor médio da corrente (considerando a f.e.m. constante). É uma característica de não linearidade.


T0

n

1500

N.m

1000

500

-1500

-1000

-500

α =0º

Correntedescontínua

Binárionominalrpm

α =45º

α =75ºα =90º

α =105º

α =135º

α =180º

Correntecontínua

Exemplo (trifásico) de característica velocidade-binário.

FEUP-LEEC. SAM 42

• Naturalmente, a condução descontínua também ocorre nos conversores CC/CC de um quadrante.


T0

n

1500

N.m

1000

500

-1500

-1000

-500

α=0º

Correntedescontínua

Binárionominalrpm

α=45º

α=75ºα=90º

α=105º

α=135º

α=180º

Correntecontínua

Exemplo (monofásico) de característica velocidade-binário.

FEUP-LEEC. SAM 43

Conversores CA/CC em anti-paralelo.

Controlo de motores CC, de exc. separada.Conversores CA/CC em anti-paralelo (introdução)

• O conversor da esquerda fornece tensão positiva e negativa (em função de αΚ) e corrente positiva a uma carga ligada entre K e N;

• O conversor da direita fornece tensão positiva e negativa (em função de αΝ) e corrente negativa a uma carga ligada entre A e N.

• Se os conversores forem ligados em anti-paralelo obtém-se um sistema de quatro quadrantes.

N

Va Vc

AK

Vb

FEUP-LEEC. SAM 44

Conversores CA/CC em anti-paralelo.

Controlo de motores CC, de excitação separada.Conversores CA/CC em anti-paralelo

• Para o conversor da esquerda:

N

Va Vc

AK

Vb

pdKN VV α= cos 0

• Para o conversor da direita:

ndAN VV α−= cos 0

• Para a colocação em anti-paralelo as tensões de saída devem ser iguais, o que se obtém fazendo:

0180=α+α np

( ) )cos()cos( 00 pdpdAN VVV α=α−−−=• Resultando:

FEUP-LEEC. SAM 45

Exemplo de conversores CA/CC em anti-paralelo.


• Embora as tensões médias sejam iguais, as tensões instantâneas não são, impedindo a colocação directa em anti-paralelo.

• Existem diversos métodos de colocação em anti-paralelo de dois rectificadores:

– com bobinas de ligação;

– sem bobinas de ligação, com banda morta ou com lógica de inversão

vKN

vaN vbNvcNvAN

vaN vbNvcN

vKA

FEUP-LEEC. SAM 46

Conversores CA/CC em anti-paralelo, com corrente de circulação.


N

a

AL

bc

K

CargaCC

M

Pa Pb Pc

Na Nb Nc

t2

t1 t3

t4

t5

t6

t7

t8

t9

t10

t4 t6 t8t1 t3 t5 t7 t9 t10t2

va vb vc

t1 t3 t7 t9t5

Pc

t1

Pa Pbt2 t4 t6 Pc

t8

Na Nb Nc

t3 t5 t7va vb vc

t2 t4 t6 t8

• Exemplo de tensões existentes num agrupamento de conversores CA/CC em anti-paralelo, com corrente de circulação.

Saída vKN

Saída vAN

Saída vMN

Tensão na bobina

FEUP-LEEC. SAM 47

Pontes trifásicas em anti-paralelo, com corrente de circulação.


• Tratando-se de conversores duplos é necessário uma segunda bobina para limitar a corrente de circulação.

• Há outras configurações de ligação que podem ser utilizadas, dispensando a segunda bobina.

M

P

L

a

b

c

FEUP-LEEC. SAM 48Drive de quatro quadrantes com pontes trifásicas em anti-paralelo e corrente de circulação.

Conversores CA/CC em anti-paralelo.Exemplo de drive de quatro quadrantes

aabc

A1

A2

F1

F2

bc

ωref+ -

+-

Iref

If(ref)

ω

1

+-+

+ -+

Ic

2

3

54

6 7

8 9

10

11

D1

D2

FEUP-LEEC. SAM 49

Sistema de quatro quadrantes sem corrente de circulação.

Controlo de motores CC, de excitação separada.Conversor dual sem corrente de circulação

Conversor P

L

a

b

c

Conversor N

QLógica deinversão Q

Lógica

Circuito de sincronismo e degeração de impulsos

Lógica

FEUP-LEEC. SAM 50

Controlo de motores CC, de excitação série.

• Num motor série, os enrolamentos do circuito de campo e da armadura são colocados em série. O circuito de campo terá poucas espiras, de secção elevada, e baixa resistência.

• Sendo o binário proporcional à corrente da armadura e à corrente de campo, torna-se proporcional ao quadrado da corrente na armadura.

• No arranque e às baixas velocidades, com uma f.e.m. baixa, é possível obter um binário muito elevado a partir de uma corrente elevada; às velocidades elevadas, com a f.e.m. a subir, a corrente decresce e o binário também.

• É a característica típica de um sistema de tracção eléctrica, o campo de aplicação essencial do motor série. No entanto, apresenta algumas dificuldades a nível de métodos de controlo e do funcionamento em recuperação de energia.

FEUP-LEEC. SAM 51

Conversor CC/CC no controlo de um motor série.


• Com o desenvolvimento da electrónica de potência, o motor série passou a ser controlado por conversores CC/CC.

ia

S

D

ω

S1

S2A1

A2

L

• Para inverter a velocidade é necessário inverter o campo ou a armadura, mas não ambos. Torna-se necessário a utilização de um contactor.

FEUP-LEEC. SAM 52


• Durante o funcionamento em frenagem, com a configuração do conversor CC/CC em step-up, é mais vantajoso colocar o motor como de excitação separada, aumentando a estabilidade.

• Esta configuração permite um controlo mais eficiente de ambas ascorrentes, de campo e da armadura, optimizando o regime dinâmico.

• No entanto, as características de funcionamento do conjunto são não lineares.

FEUP-LEEC. SAM 53


• O controlo, com realimentação do quadrado da corrente da armadura, permite obter características de funcionamento semelhantes às obtidas com um motor de excitação separada.

ia

S

D

ω

S1

S2A1

A2

L

Vcc

nref+

-

n

PI ∆+

-

Controlo de um motor série com realimentação não linear da corrente.

FEUP-LEEC. SAM 54

Controlo de motores CC.Referências

• “Electric Motor Drives Modeling, Analysis and Control”, R. Krishnan, Prentice-Hall, 2001

• “Power Electronics. Principles and Applications”, J. Vithayathil, McGraw-Hill, 1995

• “Electric Drives. An Integrative Approach”, N. Mohan, MNPERE, Minneapolis, 2001

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