LUIZ HENRIQUE REIS DE CASTILHO STIVAL PROPOSIÇÃO DE UMA PLATAFORMA DE ACIONAMENTO DO MOTOR DE INDUÇÃO MONOFÁSICO PARA APLICAÇÃO EM LAVADORA DE ROUPA

  

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

MESTRADO PROFISSIONAL EM ENGENHARIA ELÉTRICA

LUIZ HENRIQUE REIS DE CASTILHO STIVAL

  

PROPOSIđấO DE UMA PLATAFORMA DE ACIONAMENTO DO

MOTOR DE INDUđấO MONOFÁSICO PARA APLICAđấO EM

LAVADORA DE ROUPA

  LUIZ HENRIQUE REIS DE CASTILHO STIVAL PROPOSIđấO DE UMA PLATAFORMA DE ACIONAMENTO DO MOTOR DE INDUđấO MONOFÁSICO PARA APLICAđấO EM LAVADORA DE ROUPA

  Dissertação apresentada ao curso de Mestrado Profissional como requisito parcial para obtenção do título de Mestre Profissional em Engenharia Elétrica. Orientador: Ademir Nied

  JOINVILLE

  

FICHA CATALOGRÁFICA

S854p

Stival, Luiz Henrique Reis de Castilho.

Proposição de uma plataforma de acionamento do motor de indução monofásico para aplicação em lavadora de roupa / Luiz Henrique Reis de Castilho Stival; orientador: Ademir Nied. – Joinville, 2010. 101 f. : il ; 30 cm. Incluem referências. Dissertação (mestrado) – Universidade do Estado Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Mestrado Profissional em Engenharia Elétrica, Joinville, 2010.

  1. Motor de indução monofásico. 2. Controle Vetorial.

  3. Lavadora de roupa. I. Nied, Ademir. CDD 629.8

  

LUIZ HENRIQUE REIS DE CASTILHO STIVAL

PROPOSIđấO DE UMA PLATAFORMA DE ACIONAMENTO DO

MOTOR DE INDUđấO MONOFÁSICO PARA APLICAđấO EM

LAVADORA DE ROUPA

  Dissertação apresentada ao curso de Mestrado Profissional como requisito parcial para obtenção do título de Mestre Profissional em Engenharia Elétrica.

  Banca Examinadora

  Orientador: __________________________________________________ Prof. Dr. Ademir Nied Universidade do Estado de Santa Catarina

  Coorientador: __________________________________________________ Prof. Dr. José de Oliveira Universidade do Estado de Santa Catarina

  Membros:

  _____________________________ Prof. Dr. Alessandro Fernandes Moreira Universidade Federal de Minas Gerais _____________________________ Prof. Dr. André Bittencourt Leal Universidade do Estado de Santa Catarina

  À minha esposa.

  

AGRADECIMENTOS

  Agradeço ao meu orientador Prof. Ademir Nied por me guiar durante o desenvolvimento deste trabalho, pelo direcionamento sempre objetivo, pelas críticas construtivas e por compreender o desafio em conciliar as atividades na empresa e na Universidade.

  Agradeço ao meu co-orientador Prof. José de Oliveira pelos conselhos dados e pela cobrança constante por resultados. A Whirlpool Latin America por permitir a realização deste curso e fornecer recursos para obtenção dos resultados práticos. Agradeço também aos colegas e amigos seja na empresa ou na Universidade que compartilharam comigo suas experiências e pela cooperação em maior ou menor grau no desenrolar do trabalho.

  Agradeço, especialmente, à minha esposa pelo apoio, incentivo e amor sempre dados nos momentos mais necessários e pela paciência nas ausências. Agradeço ao restante da família por entender meu afastamento em ocasiões importantes.

  “Não tente ser um homem de sucesso; em vez disso, tente ser um homem de valor.”

  Albert Einstein

  

RESUMO

  O motor de indução monofásico, em sua topologia de capacitor permanente, é empregado na maioria das lavadoras de roupas do mercado nacional. Esta configuração apresenta limitações na controlabilidade do motor, e oferece uma limitada eficiência energética do sistema. Este trabalho propõe um método de controle e acionamento do motor de indução monofásico que visa oferecer benefícios em termos da eficiência energética e controlabilidade do motor quando utilizado em lavadoras de roupa. No trabalho, é levantado um modelo matemático do motor para que, através de simulação, possa ser realizado um estudo comparativo da solução proposta com outras soluções. Em seguida, se dá a implementação da proposta para obtenção de resultados práticos. Estes resultados são então comparados aos resultados do controle original utilizado em lavadoras de roupa. São alcançados benefícios na dinâmica e eficiência do sistema, porém com um impacto no custo final da solução.

  

Palavras-chave: Motor de indução monofásico. Controle vetorial. Lavadora de

roupa.

  

ABSTRACT

  The single-phase induction motor, in permanent split capacitor topology, is utilized on most of the clothes wash machines on Brazilian market. This configuration presents limitations on motor controllability and on energy efficiency of the system. This work suggests a drive control method for the single-phase induction motor, aiming to deliver benefits on energy efficiency and motor controllability. On this work, a mathematical model of the motor is derived to compare, through simulation, this proposal among different solutions. Then, the implementation of the proposal is done to gather experimental results. These results are compared to the results of the current control used on wash machines. The proposal achieved good advantages on dynamics response and system efficiency, although impacts the final cost of the solution.

  Key-words: Single-phase induction motor. Vector control. Clothes wash machine.

  

LISTA DE FIGURAS

  Figura 2.1: Representação espacial dos enrolamentos do motor ........................... 26 Figura 2.2: Sistema de eixos para o referencial dq ................................................. 30 Figura 2.3: Comparação de torque real e simulado ................................................ 36 Figura 2.4: Comparação de eficiência real e simulada............................................ 37 Figura 2.5: Controle indireto de fluxo de rotor ......................................................... 39 Figura 2.6: Diagrama de blocos da malha de controle de velocidade ..................... 40 Figura 2.7: Diagrama de blocos das malhas de controle de corrente ..................... 43 Figura 2.8: Sistema de acionamento do motor de indução bifásico ........................ 45 Figura 2.9: Vetores de espaço gerados pelo sistema de acionamento ................... 45 Figura 2.10: Sequência de chaveamento para o SVPWM ...................................... 47 Figura 3.1: Método de acionamento do PSC tradicional ......................................... 50 Figura 3.2: Método de acionamento do motor bifásico............................................ 51 Figura 3.3: Método de acionamento do PSC com compensação da reatância do capacitor ............................................................................................ 51 Figura 3.4: Inversor monofásico .............................................................................. 52 Figura 3.5: Inversor bifásico com dois capacitores no barramento ......................... 53 Figura 3.6: Inversor trifásico com ponte de seis transistores .................................. 53 Figura 3.7: Inversor trifásico com ponte de seis transistores para alimentar motor

  PSC. ................................................................................................... 54 Figura 3.8: Eficiência do motor ................................................................................ 56 Figura 3.9: Corrente de partida do motor ................................................................ 56 Figura 3.10: Torque de partida do motor ................................................................. 57 Figura 3.11: Escorregamento do motor ................................................................... 58 Figura 3.12: Corrente do motor ............................................................................... 59 Figura 3.13: Torque pulsante do motor ................................................................... 59 Figura 4.1: Lavadora de roupas de eixo vertical ..................................................... 62 Figura 4.2: Principais componentes da lavadora .................................................... 62 Figura 4.3: Acionamento tradicional do motor na lavadora ..................................... 63 Figura 4.4: Tensão e corrente para acionamento com TRIAC ................................ 64 Figura 4.5: Perfil de acionamento do motor para agitação ...................................... 64

  Figura 4.8: PWM e instante de leitura das correntes .............................................. 69 Figura 4.9: Sensor de velocidade ............................................................................ 70 Figura 4.10: Bancada para ensaios ........................................................................ 71 Figura 4.11: Diagrama de blocos da configuração da bancada .............................. 72 Figura 4.12: Perfil de velocidade em agitação com TRIAC ..................................... 74 Figura 4.13: Perfil de velocidade em agitação com inversor ................................... 75 Figura 4.14: Correntes de estator em agitação com TRIAC .................................... 75 Figura 4.15: Detalhe das correntes de estator em agitação com TRIAC, sentido horário ................................................................................................ 76 Figura 4.16: Detalhe das correntes de estator em agitação com TRIAC, sentido anti-horário ......................................................................................... 76 Figura 4.17: Correntes de estator em agitação com inversor .................................. 77 Figura 4.18: Detalhe das correntes de estator em agitação com inversor, sentido horário ................................................................................................ 77 Figura 4.19: Detalhe das correntes de estator em agitação com inversor, sentido anti-horário ......................................................................................... 78 Figura 4.20: Temperatura em agitação com TRIAC ................................................ 78 Figura 4.21: Temperatura em agitação com inversor .............................................. 79 Figura 4.22: Detalhe do instante de desligamento do TRIAC ................................. 79 Figura 4.23: Detalhe do instante de desligamento do inversor ............................... 80 Figura 4.24: Perfil de velocidade em centrifugação com TRIAC ............................. 81 Figura 4.25: Perfil de velocidade em centrifugação com inversor a 1600 rpm ........ 81 Figura 4.26: Perfil de velocidade em centrifugação com inversor a 1800 rpm ........ 82 Figura 4.27: Correntes em centrifugação com TRIAC ............................................ 82 Figura 4.28: Correntes em centrifugação com inversor a 1600 rpm ....................... 83 Figura 4.29: Correntes em centrifugação com inversor a 1800 rpm ....................... 83 Figura 4.30: Temperatura em centrifugação com TRIAC ........................................ 84 Figura 4.31: Temperatura em centrifugação com inversor a 1600 rpm ................... 84 Figura 4.32: Temperatura em centrifugação com inversor a 1800 rpm ................... 85

  

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Dados nominais do motor...................................................................... 33Tabela 2.2 Medidas das resistências do estator ..................................................... 34Tabela 2.3 Dados do ensaio de curto-circuito ......................................................... 34Tabela 2.4 Dados do ensaio a vazio ....................................................................... 35Tabela 2.5 Parâmetros do motor de indução monofásico ....................................... 35Tabela 2.6 Tensões geradas pelo inversor ............................................................. 46Tabela 4.1 Resultados em agitação ........................................................................ 80Tabela 4.2 Resultados em centrifugação ................................................................ 85Tabela 5.1 Avaliação de desempenho das soluções .............................................. 92Tabela 5.2 Custos das soluções referenciadas a solução com TRIAC ................... 95

LISTA DE ABREVIATURAS

  A/D – Conversor Analógico para Digital CC – Corrente Contínua DSP – Digital Signal Processing DTC – Direct Torque Control FOC – Field Oriented Control

  I2C – Inter Integrated Circuit

  IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor PSC – Permanent Split Capacitor PWM – Pulse Width Modulation SPI – Serial Peripheral Interface SPIM – Single Phase Induction Motor SVPWM – Space Vector Pulse Width Modulation TRIAC – Triode for Alternating Current USART – Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter

  LISTA DE SÍMBOLOS

  grandezas do enrolamento principal do estator grandezas do enrolamento auxiliar do estator grandezas do enrolamento principal do rotor grandezas do enrolamento auxiliar do rotor controlador de corrente controlador de velocidade tensão de barramento

  V coeficiente de atrito viscoso corrente do enrolamento de estator

  A corrente do enrolamento de estator A corrente do enrolamento de rotor A corrente do enrolamento de rotor A corrente do enrolamento de estator no referencial estacionário A corrente do enrolamento de estator no referencial estacionário A corrente do enrolamento de rotor no referencial estacionário

  A corrente do enrolamento de rotor no referencial estacionário A corrente de referência A corrente de referência A coeficiente de inércia do rotor kg.m

  2

  ganho proporcional do controlador de velocidade ganho integral ganho proporcional ganho proporcional do controlador de velocidade indutância própria do enrolamento de estator

  H indutância própria do enrolamento de estator H indutância própria dos enrolamentos do rotor e H indutância própria do enrolamento de estator H indutância própria do enrolamento de estator H indutância própria do enrolamento de rotor H indutância própria do enrolamento de rotor H indutância mútua entre os enrolamentos e H indutância mútua entre os enrolamentos e H indutância mútua entre os enrolamentos e H indutância mútua entre os enrolamentos e

  H indutância mútua entre os enrolamentos e H indutância mútua entre os enrolamentos e H indutância mútua entre os enrolamentos e H indutância mútua entre os enrolamentos e

  H indutância de dispersão do enrolamento de estator H indutância de dispersão do enrolamento de estator H indutância de magnetização do enrolamento de estator

  H indutância de magnetização do enrolamento de estator H indutância de dispersão dos enrolamentos de rotor H

  H indutância mútua entre o enrolamento de rotor e H indutância mútua entre o enrolamento de rotor e número de pólos do motor resistência do enrolamento de estator Ω

  Ω resistência do enrolamento de estator Ω resistência do enrolamento no referencial estacionário Ω resistência do enrolamento no referencial estacionário resistência do enrolamento de rotor no referencial estacionário Ω resistência do enrolamento de rotor no referencial estacionário Ω

  Ω resistência dos enrolamentos de rotor

  IGBT do primeiro braço do inversor

  IGBT do segundo braço do inversor

  IGBT do terceiro braço do inversor s duração que o vetor é aplicado s duração que o vetor é aplicado s duração que o vetor nulo é aplicado

  Nm torque mecânico torque eletromagnético

  Nm torque resultante Nm s período do PWM

  !

  pólo do controlador de corrente pólo do controlador de velocidade

  V " tensão do enrolamento de estator

  V " tensão do enrolamento de estator

  V " tensão do enrolamento de rotor

  V " tensão do enrolamento de rotor " tensão do enrolamento de estator no referencial estacionário " tensão do enrolamento de estator no referencial estacionário " tensão do enrolamento de rotor no referencial estacionário " tensão do enrolamento de rotor no referencial estacionário vetor de tensão de referência no SVPWM vetor de tensão do enrolamento vetor de tensão do enrolamento energia de campo

  # rad

  $ ângulo que gira com velocidade síncrona rad $ ângulo de escorregamento deslocamento elétrico do rotor rad

  $ deslocamento angular do rotor rad $

  Wb % fluxo concatenado no enrolamento de estator

  Wb % fluxo concatenado no enrolamento de estator

  Wb % fluxo concatenado no enrolamento de rotor

  Wb % fluxo concatenado no enrolamento de rotor

  Wb % fluxo do enrolamento de estator no referencial estacionário

  Wb % fluxo do enrolamento de estator no referencial estacionário

  Wb % fluxo do enrolamento de rotor no referencial estacionário

  Wb % fluxo do enrolamento de rotor no referencial estacionário

  & constante de tempo do controlador de corrente & contante de tempo do controlador de velocidade frequência síncrona rad/s frequência de escorregamento rad/s frequência do rotor rad/s frequência de referência do rotor rad/s

  

SUMÁRIO

  

1 INTRODUđấO GERAL.......................................................................................... 19

  1.1 OBJETIVO DO TRABALHO ................................................................................ 19

  1.2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................ 19

  1.3 ORGANIZAđấO DO TRABALHO ....................................................................... 22

  

2 MOTOR DE INDUđấO MONOFÁSICO ................................................................. 23

  2.1 INTRODUđấO .................................................................................................... 23

  2.2 MODELO DINÂMICO DO MOTOR DE INDUđấO MONOFÁSICO .................... 24

  2.2.1 Modelo dinâmico do motor no referencial estacionário .................................... 25

  2.2.2 Transformação das equações do motor para um referencial arbitrário ............ 30

  2.3 PARAMETRIZAđấO DO MOTOR DE INDUđấO MONOFÁSICO ...................... 33

  2.3.1 Medida das resistências do estator .................................................................. 33

  2.3.2 Ensaio de curto-circuito .................................................................................... 34

  2.3.3 Ensaio a vazio .................................................................................................. 34

  2.3.4 Cálculo dos parâmetros do motor .................................................................... 35

  2.3.5 Validação do modelo matemático .................................................................... 36

  2.4 CONTROLE VETORIAL INDIRETO POR FLUXO DE ROTOR .......................... 37

  2.4.1 Controlador de velocidade ................................................................................ 39

  2.4.2 Controladores de corrente ................................................................................ 42

  2.4.3 Modulação por vetores de espaço ................................................................... 44

  2.5 CONCLUSÃO ...................................................................................................... 47

  

3 TOPOLOGIAS DE ACIONAMENTO E RESULTADOS DE SIMULAđấO ............ 49

  3.1 INTRODUđấO .................................................................................................... 49

  3.2 TOPOLOGIAS PARA ACIONAMENTO DO MOTOR SPIM ................................ 50

  3.2.1 Topologias adotadas do motor em estudo ....................................................... 50

  3.2.2 Topologias de acionamento do motor adotadas ............................................... 52

  3.3 SIMULAđỏES E RESULTADOS ........................................................................ 54

  3.4 CONCLUSÃO ...................................................................................................... 60

  4 PLATAFORMA DE ACIONAMENTO PROPOSTA E RESULTADOS

EXPERIMENTAIS ................................................................................................... 61

  4.1 INTRODUđấO .................................................................................................... 61

  4.2 SISTEMA A SER CONTROLADO ....................................................................... 62

  4.2.1 A Lavadora ....................................................................................................... 62

  4.2.2 Acionamento Tradicional .................................................................................. 63

  4.2.3 Perfis de Acionamento ..................................................................................... 64

  4.3 ACIONAMENTO ADOTADO ............................................................................... 65

  4.3.1 Circuito de Retificação...................................................................................... 66

  4.3.2 Microcontrolador ............................................................................................... 67

  4.3.3 Sensores de Corrente ...................................................................................... 68

  4.3.4 Transistores de Potência .................................................................................. 69

  4.3.5 Sensor de Velocidade ...................................................................................... 70

  4.4 ENSAIOS REALIZADOS ..................................................................................... 71

  4.4.1 Agitação ........................................................................................................... 72

  4.4.2 Centrifugação ................................................................................................... 73

  4.5 RESULTADOS DOS ENSAIOS .......................................................................... 74

  4.5.1 Resultados em agitação ................................................................................... 74

  4.5.2 Resultados em centrifugação ........................................................................... 81

  4.6 CONCLUSÃO ...................................................................................................... 86

  5 COMPARATIVO ENTRE A PLATAFORMA DE ACIONAMENTO ATUAL E A

PLATAFORMA DE ACIONAMENTO PROPOSTA ................................................ 87

  5.1 INTRODUđấO .................................................................................................... 87

  5.2 AVALIAđấO DE DESEMPENHO DAS SOLUđỏES .......................................... 88

  5.2.1 Complexidade de hardware .............................................................................. 89

  5.2.2 Faixa de velocidades de operação ................................................................... 89

  5.2.3 Ruídos e temperatura do motor ........................................................................ 90

  5.2.4 Motor como sensor ........................................................................................... 91

  5.2.5 Comparativo Geral de Desempenho ................................................................ 91

  5.3 AVALIAđấO DE CUSTO DAS SOLUđỏES ....................................................... 92

  5.3.1 Fonte de Alimentação....................................................................................... 93

  5.3.4 Circuito de Potência ......................................................................................... 95

  5.3.5 Comparativo Geral de Custo ............................................................................ 95

  5.4 CONCLUSÃO ...................................................................................................... 96

  

6 CONCLUSÃO GERAL ........................................................................................... 97

  6.1 CONSIDERAđỏES FINAIS ................................................................................ 97

  6.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .................................................. 99

1 INTRODUđấO GERAL

  1.1 OBJETIVO DO TRABALHO O motor de indução monofásico é empregado na maioria das lavadoras de roupas do mercado nacional. Neste tipo de aplicação o motor é geralmente utilizado em sua configuração com capacitor permanente (PSC – Permanent Split Capacitor). Esta configuração apresenta limitações na controlabilidade do motor, e oferece uma limitada eficiência energética do sistema. Por isso, o motor passa a sofrer fortes elevações de temperatura em determinadas condições de operação.

  Este trabalho traz uma proposta de controle do motor de indução monofásico que visa oferecer benefícios em termos de eficiência energética e controlabilidade do motor quando aplicado em lavadoras de roupa.

  O trabalho realiza um comparativo da solução proposta com outras soluções e mostra seus benefícios e desvantagens. Uma análise de custos foi realizada para dar mais subsídios a este estudo comparativo.

  A implementação da proposta e avaliação dos resultados práticos também fazem parte do escopo do trabalho.

  1.2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Este trabalho tem como principal objetivo a proposta de uma plataforma de acionamento de motores de indução monofásicos em lavadoras de roupa. Para alcançar este objetivo, foi realizada a modelagem matemática do motor, simularam- se diferentes formas de acionamento e implementou-se um destes acionamentos. Portanto, esta breve revisão bibliográfica se concentra nos modelos analíticos de motor e métodos para seu controle. girantes, Punchenstein (1942) com a teoria dos campos cruzados e, mais tarde, Fitzgerald (1961) através da teoria dos campos simétricos. Em Veinott (1959), o funcionamento do motor de indução monofásico é explicado combinando-se a teoria dos campos girantes com a teoria dos campos cruzados.

  Para motores com capacitor permanente, o motor é composto por dois enrolamentos (um principal e outro auxiliar) em quadratura com tensões defasadas no tempo, sendo alimentados por uma fonte de tensão monofásica. Isso ocorre porque a tensão defasada do enrolamento auxiliar é produzida por um circuito constituído por um indutor em série com um capacitor. Além da defasagem das tensões, o capacitor entra em ressonância durante a operação do motor e faz com que a amplitude da tensão do enrolamento auxiliar se eleve.

  As equações que descrevem o comportamento do motor possuem parâmetros que são dependentes da posição relativa entre estator e rotor, como é o caso da indutância mútua entre os enrolamentos. A fim de se eliminar esta dependência são utilizadas as transformadas de Clarke e Park (CLARKE, 1943), (PARK, 1929), (KRAUSE, WASYNCZUK e SUDHOFF, 2002). A partir deste conjunto de equações transformadas é possível simular o comportamento do motor, como mostrado em Faiz (1999) e Correa (1998).

  Tendo obtido o modelo do motor, atenção maior é dada ao seu controle. No caso do motor PSC, ao se remover seu capacitor ele passa a ser tratado como um motor bifásico e para seu controle são utilizados inversores que controlam independentemente as tensões sobre seus enrolamentos, como mostram Chomat (2003), Correa (2002), Blaabjerg (2004), Tomaselli (2004) e Campos (2008).

  As topologias de inversores propostas para acionamento dos motores monofásicos em configuração bifásica se resumem basicamente em três tipos: inversor de tensão em ponte-H, inversor de tensão com três braços e inversor de tensão com quatro braços, como apresentado em Tomaselli (2005).

  Ainda em Tomaselli (2005), o inversor em ponte-H tem as desvantagens de não utilizar toda a tensão de barramento e apresentar desequilíbrio das tensões em baixas frequências. Além disso, necessita do uso de dois capacitores de barramento para criar um ponto médio entre os enrolamentos. Na topologia de inversor com três braços, o ponto médio é obtido através de um braço comum do inversor para os dois casos, mas o maior número de chaves representa maiores perdas no inversor e maior custo.

  O controle das chaves dos inversores se dá através de uma modulação que depende do tipo de inversor utilizado. Para o inversor trifásico que foi implementado neste trabalho foi usada a modulação por vetores espaciais (SVPWM – Space

  

Vector Pulse Width Modulation ), como mostrado em Tomaselli (2004) e Correa

  (2002) Os métodos de controle do motor podem ser divididos em escalar e vetorial,

  Buja (2004). Em ambos os casos, pode-se utilizar o SVPWM para comando do inversor. O método escalar apresenta relações entre magnitude e frequência válidas no estado estacionário, sendo controladas somente estas duas variáveis nas tensões de alimentação do motor.

  Já o controle vetorial é baseado em relações válidas para os estados dinâmicos, como a amplitude e a fase instantâneas dos vetores espaciais de tensão e corrente. O controle vetorial da excitação do motor resulta no controle da orientação espacial dos campos eletromagnéticos da máquina, levando ao termo

  

controle por orientação de campo (FOC – Field Oriented Control). Existem dois

  métodos de orientação de campo: o controle por orientação direta, apresentado por Blaschke (1972) e o controle por orientação indireta, apresentado por Hasse (1971).

  A orientação direta usa informações de tensão e corrente do motor juntamente com parâmetros conhecidos do motor para determinar a orientação do campo do rotor. No método de orientação indireta, a orientação do campo do rotor é obtida através da medição da posição do rotor e de uma relação de escorregamento entre o campo girante do estator e a velocidade do rotor. Uma desvantagem do controle indireto é a necessidade do uso de um sensor de velocidade. Já a desvantagem do controle por orientação direta é que se torna mais suscetível a variações paramétricas do motor além de ser mais lento para respostas a distúrbios (NOVOTNY e LIPO, 1996).

  A grande vantagem dos controles por orientação de campo é que o fluxo e torque do motor são controlados de maneira independente como em motores de corrente contínua (CC). Com as mudanças de referencial de Clarke e Park, as correntes de estator passam a ser representadas por duas componentes:

  ' (eixo Outra técnica de controle foi apresentada por Takahashi (1986), e ficou conhecida como controle direto do torque (DTC – Direct Torque Control). A proposta deste método de controle é manter o vetor de fluxo de estator e o vetor de torque dentro de um limite estabelecido por dois controladores por histerese. Para isso, uma lógica de chaveamento é determinada para a escolha dos vetores de tensão que serão aplicados ao motor. A aplicação desta técnica no controle de motores de indução monofásicos é apresentada em Neves (2002).

  A aplicação das técnicas de controle utilizando inversores de tensão em lavadoras de roupas está associada ao uso de motores trifásicos. Este trabalho porém, propõe o uso de inversores de tensão para acionamento de motores monofásicos já usados em lavadoras de roupas do mercado nacional.

  1.3 ORGANIZAđấO DO TRABALHO Este documento está organizado em seis capítulos, sendo o primeiro deles o presente capítulo.

  O segundo capítulo compreende a modelagem matemática do motor de indução monofásico, sua parametrização e a validação do modelo, além do controle vetorial por fluxo de rotor empregado no estudo.

  No terceiro capítulo são apresentadas topologias de controle do motor de indução monofásico e é feito um estudo comparativo destas topologias através de simulação.

  Detalhes da implementação do controle, do sistema a ser controlado e dos ensaios realizados são apresentados no quarto capítulo. Também no quarto capítulo são mostrados os resultados práticos do trabalho.

  No quinto capítulo é realizado um estudo comparativo da solução atual utilizada em lavadoras de roupa e do controle proposto neste trabalho. O último capítulo traz as considerações finais sobre este trabalho e sugestões para trabalhos futuros.

2 MOTOR DE INDUđấO MONOFÁSICO

  2.1 INTRODUđấO Motor de indução monofásico é um dos tipos de motores mais utilizados em aplicações comerciais e domésticas. Muitos eletrodomésticos utilizam estes motores, como é o caso de refrigeradores, ventiladores, lavadoras de roupas e secadoras.

  A constante evolução da eletrônica de potência propicia o desenvolvimento de acionamentos cada vez mais eficientes para os motores de indução monofásicos. Esta evolução da eletrônica de potência aliada à busca por sistemas de controle mais precisos e sofisticados, permite com que se consiga maior aceitação deste tipo de motor em aplicações residenciais.

  Outro fator que alavanca o uso dos motores de indução monofásicos é a possibilidade de melhoria de sua eficiência energética através das novas técnicas de controle e acionamentos utilizados.

  Porém, a maioria dos estudos dos motores, acionamentos e controle dos motores de indução é direcionada aos motores trifásicos. Isso é justificado por estes motores apresentarem melhor desempenho se comparado a motores monofásicos. Como os motores trifásicos requerem alimentação trifásica, os motores monofásicos ainda são muito utilizados em residências.

  A simplicidade de acionamento de motores monofásicos não proporciona uma boa controlabilidade do motor, principalmente no que se refere a sua eficiência e comportamento em regimes transitórios. Visando melhorar estes pontos deficientes no controle dos motores monofásicos, pode-se utilizar técnicas de controle e acionamento de motores trifásicos.

  Entretanto, algumas compensações devem ser realizadas para se empregar as técnicas de controle e acionamento desenvolvidas para os motores trifásicos em características construtivas, desempenho e eficiência entre os dois tipos de motores citados.

  Portanto, buscam-se soluções de controle e acionamento dos motores de indução monofásicos que satisfaçam requisitos de desempenho, eficiência energética, fator de potência, custo e ruídos. (CAMPOS, 2008)

  Para o desenvolvimento de sistemas de controle para os motores e a realização dos testes de avaliação de seu desempenho utilizam-se técnicas de simulação numérica dos sistemas. Estas técnicas reduzem o tempo de desenvolvimento e o custo do projeto dos controladores e acionamentos, já que não há a necessidade de implementação de inúmeros protótipos para cada solução proposta. Assim, a fabricação destes protótipos se torna muito mais assertiva e interessante para o projeto como um todo.

  Este capítulo apresenta três temas principais que são tratados na seguinte sequência: modelagem do motor de indução monofásico, parametrização e validação do modelo do motor em estudo e o controle vetorial indireto por fluxo de rotor.

  2.2 MODELO DINÂMICO DO MOTOR DE INDUđấO MONOFÁSICO Os motores de indução monofásicos possuem 0 estator constituído de um enrolamento principal e um enrolamento auxiliar defasados de 90 graus entre si. Em geral, elementos elétricos externos, como capacitores, são adicionados para realizar a partida dos motores de indução monofásicos. Diferentes configurações podem ser empregadas para tal acionamento com alimentação monofásica, como fase dividida, capacitor de partida, capacitor permanente e capacitor de partida e permanente. Em algumas destas topologias é necessário o uso de chaves elétricas para que se faça o acoplamento ou desacoplamento dos capacitores em determinados momentos.

  (KRAUSE, WASYNCZUK e SUDHOFF, 2002) Grande parte dos motores de indução monofásicos apresenta assimetria entre os enrolamentos principal e auxiliar. No caso do motor utilizado neste estudo, o enrolamento principal é similar ao enrolamento auxiliar, existindo um ângulo de 90 graus entre eles. Este tipo de motor é empregado em lavadoras de roupa de eixo agitação da roupa que está sendo lavada. Esta simetria contribui no desempenho de lavagem das roupas.

  Nesta aplicação cada enrolamento opera como enrolamento principal ou auxiliar, dependendo do sentido de rotação adotado. Diferente das topologias de motores em que chaves mecânicas precisam ser utilizadas para acoplar e desacoplar os capacitores quando certa velocidade é atingida, nos motores simétricos de lavadoras de roupa a configuração utilizada é de capacitor permanente. Ou seja, o capacitor permanece durante toda a operação do motor conectado entre os terminais dos enrolamentos do estator.

  O capacitor proporciona uma defasagem entre a alimentação senoidal do enrolamento principal e a alimentação do enrolamento auxiliar. Este efeito permite partir o motor através de uma alimentação monofásica. Em altas rotações, o efeito do capacitor passa a comprometer o rendimento do motor. Para eliminar este efeito indesejado pode-se remover o capacitor, porém outras técnicas de acionamento devem ser empregadas.

  Com a remoção destas chaves e capacitores, o motor de indução monofásico pode ser tratado como um motor bifásico. Assim, as tensões aplicadas aos terminais dos enrolamentos podem ser controladas independentemente. Para se conseguir este controle de tensão na forma bifásica, podem ser utilizados inversores de tensão com alimentação monofásica, que é mais facilmente encontrada em ambientes comerciais e domésticos.

  Outra característica destes motores de indução é a construção de seu rotor por barras condutoras encaixadas em ranhuras no ferro do rotor e curto-circuitadas em cada lado por anéis condutores. Este tipo de rotor é chamado de gaiola de esquilo e apresenta baixa resistência. O material utilizado para confecção destas barras e anéis do rotor é alumínio e eles podem ser fundidos diretamente em canais formados pelo ferro do rotor.

  2.2.1 Modelo dinâmico do motor no referencial estacionário Para a análise matemática do motor de indução é utilizada a teoria dos eixos de referência

  ' ) (, (KRAUSE, WASYNCZUK e SUDHOFF, 2002). Porém, algumas

  • os enrolamentos de estator são energizados através de uma fonte de tensão senoidal;
  • os enrolamentos de estator são eletricamente ortogonais entre si;
  • os enrolamentos de rotor são eletricamente ortogonais e simétricos entre si;
  • efeitos de saturação magnética e perdas no núcleo são desprezados;
  • os enrolamentos de estator e de rotor possuem dependência da posição relativa entre eles.

  Para motores trifásicos, o primeiro passo para se chegar ao seu modelo matemático é a realização da transformada de Clarke (CLARKE, 1943). Esta transformada consiste em passar as grandezas do motor a serem consideradas da forma trifásica para bifásica. Este trabalho não abrange esta transformada uma vez que o motor em estudo já se encontra em forma bifásica ortogonal.

  A Figura 2.1 apresenta a composição espacial dos enrolamentos de estator e

  • de rotor em sua configuração bifásica, onde e referem-se aos enrolamentos do

  ,

    • circuito de estator e e referem-se aos enrolamentos do circuito de rotor. Esta é

  ,

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