Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de São Carlos Departamento de Engenharia Elétrica
Projeto de uma S o f t - S t a r t para acionamento de um motor de indução trifásico
Laboratório de Eletrônica de Potência – SEL 402 Professor : Jerson Barbosa de Vargas Alunos: Fernando Fermino
NºUSP:
Lucas da Costa Gazzola
Dezembro de 2013
7279842 7152931
Sumário
1.
Introdução .................................................................................................................4
2.
Procedimento Experimental ...................................................................................5
3.
4.
2.1
Escolha do módulo de potência .....................................................................5
2.2
Sensor Hall ........................................................................................................5
2.3
Acionamento através de um potenciômetro ( S o f t - S t a r t e r desligado) .......5
2.4
Acionamento com rampa de tensão com proteção dos tiristores .............7
2.5
Acionamento com limitação de corrente .......................................................9
Resultados: Análise e Discussão ........................................................................10 3.1
Escolha do módulo de potência ...................................................................10
3.2
Caracterização do Sensor Hall ...................................................................... 11
3.3
Acionamento através de um potenciômetro ( S o f t - S t a r t e r desligado) ..... 12
3.4
Acionamento com rampa de tensão com proteção dos tiristores ........... 13
3.5
Acionamento com limitação de corrente ..................................................... 14
Conclusão ............................................................................................................... 15
2
Índice de Figuras Figura 1: Diagrama do sistema de partida do MIT ........................................................................ 4 Figura 2: Conexão TCA 785............................................................................................................ 6 Figura 3: Circuito conformador de pulsos ..................................................................................... 6 Figura 4: Rampa de tensão - tensão de controle .......................................................................... 7 Figura 5: Diagrama de blocos - Rampa de tensão ......................................................................... 7 Figura 6: Circuito para obtenção da rampa de tensão.................................................................. 8 Figura 7: Diagrama de blocos - Proteção do controlador CA ........................................................ 8 Figura 8: Circuito para a proteção dos tiristores ........................................................................... 9 Figura 9: Diagrama de blocos - Limitação de Corrente ................................................................. 9 Figura 10: Circuito - Acionamento com limitação de corrente ................................................... 10 Figura 11: Relação Tensão de Saída x Corrente de Entrada - Sensor Hall .................................. 12 Figura 12: Circuito do Sensor Hall ............................................................................................... 12 Figura 13: Amplitude da Rampa obtida ...................................................................................... 13 Figura 14: Tempo da Rampa obtida ............................................................................................ 13 Figura 15: Saída do comparador - Sinal de inibição .................................................................... 14 Figura 16: Saída do comparador - Limitação de corrente ........................................................... 14 Figura 17: Saída do Somador - Limitação de corrente ................................................................ 15
3
1.
Introdução
O presente projeto visa a construção de uma
Soft-Starter
para o acionamento
de um motor de indução trifásico (MIT). O caráter multidisciplinar é destaque pois a elaboração da
Soft-Starter
pode ser realizado de maneira analógica com o auxílio de
amplificadores operacionais, como projetado neste relatório, ou de modo digital com o uso de microcontroladores. Os MITs são o tipo de motores mais empregados industrialmente, como sua corrente na partida é muito superior a sua corrente nominal, para motores com potência maior do que 5 HP a partida direta não é recomendada, portanto, é necessário o desenvolvimento de um dispositivo para reduzir esta corrente. Existem várias filosofias para a redução da corrente de partida do MIT com todas tendo uma característica comum, reduzir a tensão aplicada no estator do motor na partida. O
Soft-Starter
projetado possui como circuito de potência um controlador CA
trifásico ligado em Y. Na partida o ângulo de disparo é de 180º e a tensão nula, gradativamente o ângulo é diminuído e a tensão é aumentada, até o ponto em que obtém-se tensão nominal nos terminais do estator do MIT, neste momento o ângulo de disparo é zero.
Figura 1: Diagrama do sistema de partida do MIT
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2.
Procedimento Experimental
2.1
Escolha do módulo de potência
O laboratório dispõe para o utilização no projeto de kits com tiristores (SCRs) e TRIACs. Para a escolha de um destes é necessário a observação da corrente e da tensão no motor para que não ultrapasse os valores especificados para estes equipamentos. O procedimento para a determinação do kit é feita ligando o MIT em partida direta e observando a tensão e, principalmente, a corrente durante a partida. Conectase um canal do osciloscópio em um sensor de cor rente (R = 1 Ω) para monitorar a forma de onda da corrente durante a partida. Deve-se registrar estes valores e comparar com os presentes nos fusíveis dos kits e nos 2.2
datasheets.
Sensor Hall
Para o monitoramento da corrente no MIT é utilizado um Sensor de efeito Hall, para a sua utilização no sistema, primeiramente é necessário realizar a caracterização do mesmo. Para o conhecimento do sensor, deve-se levantar uma curva com a corrente de entrada e tensão de saída do mesmo. Considerando que as fases são equilibradas, foi monitorada apenas a corrente de uma fase do motor. 2.3
Acionamento através de um potenciômetro (Soft-Starter desligado)
Neste acionamento o controle da velocidade do motor é realizada de forma manual com o auxílio de um potenciômetro, o qual excursionará a tensão de controle, controlando o ângulo de disparo desde 180º até 0º. A geração dos pulsos é feita a partir do circuito integrado (CI) TCA 785, a conexão do potenciômetro neste CI é mostrada na figura 2.
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Figura 2: Conexão TCA 785
Como o motor utilizado no projeto é trifásico é necessário a montagem de três circuitos como o da figura 2. Após, é realizada a conformação dos pulsos, utilizando os CIs LM555 e CD4081, o circuito presente na figura 3.
Figura 3: Circuito conformador de p ulsos
Variando-se a resistência do potenciômetro, muda-se a tensão nos pinos 11 dos TCAs, esta tensão será a tensão de controle que excursionando na onda dente de 6
serra gerada nos pinos 10 gerará os pulsos nos pinos 14 e 15, os quais após sofrerem conformação, porta AND entre os pinos 14 e 15 e um sinal de alta frequência proveniente do circuito integrado LM555, serão os sinais de disparo do controlador . 2.4
Acionamento com rampa de tensão com proteção dos tiristores
O objetivo de fazer o acionamento com rampa é controlar os ângulos de disparos dos tiristores de forma a obter-se partida suave. A rampa projetada é decrescente, uma vez que quanto maior é o seu valor, maior é o ângulo de disparo e, como consequência, menor é a tensão aplicada nos terminais do estator do MIT. Portanto, o motor na partida é alimentado com tensão reduzida e com o passar do tempo esta aumenta, concomitantemente com a diminuição do ângulo de disparo. A forma de onda da rampa desejada possui período de 8 segundos, esta é disposta na figura 4.
Figura 4: Rampa de tensão - tensão de controle
O processo para a obtenção da rampa é mostrado no diagrama de blocos da figura 5.
Figura 5: Diagrama de blocos - Rampa de tensão
Os parâmetros do circuito integrador foram obtidos a partir da seguinte expressão:
7
∫ A tensão de saída desejada é de 5V, a amplitude do sinal de entrada para o projeto é de -5V e o período de integração é de 8 segundos. Assim, escolhendo o valor de capacitância igual a 10μF, o valor a ser ajustado no potenciômetro é de 800kΩ. Para limitar a tensão de saída foi colocado um diodo zener de 5,1 V na saída
deste estágio. Como a rampa para o projeto é decrescente, é necessário a utilização de um somador na saída do integrador, como deseja-se ganho unitário, escolhe-se os valores de resistências iguais. O circuito com os dois estágios é apresentado na figura 6.
Figura 6: Circuito para obtenção da rampa de tensão
Devido as correntes com picos elevado durante o acionamento, é necessário um circuito de proteção que consiga extinguir estas correntes. O diagrama de blocos para a proteção dos tiristores está na figura 7.
Figura 7: Diagrama de blocos - Proteção do controlador CA
A saída do sensor Hall é um sinal de tensão, equivalente da corrente de uma fase do motor, este sinal é senoidal, logo é necessário realizar a retificação do sinal, para isto é projetado um retificador de precisão de onda completa. O sinal a ser comparado no estágio comparador também é uma tensão que representa um valor de corrente, a amplitude desta tensão é o valor de corrente especificado nos fusíveis dos
8
tiristores (8A) incluindo o ganho do sensor Hall. O circuito projetado para este bloco está na figura 8.
Figura 8: Circuito para a proteção dos tiristores
Entretanto para este valor de tensão não pode-se verificar se o circuito de proteção está funcionando corretamente pois as correntes com o
soft-starter
são
menores do que o valor de comparação. Para a verificação do funcionamento, ajustouse uma tensão de 1,7 V e diminui- se a resistência do integrador para 200kΩ, com isso o tempo de integração é de 2 segundos e correntes elevadas surgem durante a partida. Para a montagem no protoboard deve-se retirar o controle potenciométrico da figura 1 e conectar o sinal de saída do somador nos pinos 11 dos TCAs e a saída do comparador deve ser ligada nos pinos 6 dos TCAs.
2.5
Acionamento com limitação de corrente
Neste acionamento deseja-se limitar a corrente do motor em 1,5 vezes a corrente nominal do mesmo, não importando o tempo do acionamento. O bloco de proteção dos tiristores utilizado no acionamento anterior, é aqui também utilizado com diferenças no circuito comparador e a adição de um estágio inversor. O diagrama está na figura 9.
Figura 9: Diagrama de blocos - Limitação de Corrente
9
O circuito é disposto na figura 10.
Figura 10: Circuito - Acionamento com limitação de corrente
O circuito para a geração da rampa é o mesmo do segundo acionamento com exceção da resistência do integrador, a qual é diminuída para 150 kΩ objetivando uma rampa mais íngreme, com isso geram-se correntes elevadas e portanto pode-se comprovar o funcionamento do circuito de proteção.
3.
Resultados: Análise e Discussão
3.1
Escolha do módulo de potência
O desejo nesta fase do projeto é utilizar o kit com SCRs, para tanto, é analisado se este kit pode ser empregado neste projeto em específico. Ao analisar a forma de onda da corrente durante a partida direta do MIT, observa-se um período de transitório durante os primeiros ciclos da forma de onda, atingindo aproximadamente 7A de pico e após estabilizando em 1,4ARMS no regime permanente. A tensão aplicada é de 220 V, tensão máxima que será utilizada no projeto, já que quando a rampa está em 5 V a tensão é mínima e quando está em 0 V a tensão é máxima e igual a 220 V. Os fusíveis aplicados na proteção dos SCRs são de 8 A, logo, verifica-se que mesmo na pior situação de corrente seria possível utilizar o kit. É necessário avaliar também os dados do
datasheet do
SCR utilizado no kit, o
qual é o BT151. Os dados encontram-se na tabela 1. Tabela 1: Dados de referência rápida - BT151
Symbol
Parameter
Max
Max
Max
BT151- 500R 650R 800R VDRM,VRRM Repetitive peak off-state voltages 500 650 800 IT(AV) Average on-state current 7,5 7,5 7,5 IT(RMS) RMS on-state current 12 12 12 ITSM Non-repetitive peak on-state current 100 100 100
Unit
V A A A
10
Da tabela 1 observa-se que o tiristor pode suportar tensões de pico de no mínimo 500 V, considerando que a senóide de 220 VRMS possui pico de aproximadamente 311 V. Analisando a corrente nota-se que a corrente RMS em funcionamento máxima é de 12 A, enquanto em regime permanente a corrente do motor é de 1,4 A, levando em consideração este dado verifica-se que a corrente de pico máxima é de aproximadamente 17 A e quando o motor foi ligado de forma direta a rede elétrica o pico de corrente ocorreu em 6 A. Portanto, conclui-se que o kit com SCRs pode ser utilizado neste projeto com segurança, pois os limites de tensão e corrente não foram ultrapassados e assim garante-se o funcionamento sem danos aos dispositivos. 3.2
Caracterização do Sensor Hall
A curva com a corrente de entrada e tensão de saída do Sensor Hall foi obtida através dos dados coletados na tabela abaixo. Trata-se de uma reta cujo ganho é dado pelo seu coeficiente angular. Tabela 2: Dados de referência rápida - BT151
Corrente de entrada [A] Tensão de Saída [V] 0,35 0,33 0,53 0,51 0,89 0,84 1,24 1,18 1,80 1,69 2,16 2,04 2,71 2,55 3,09 2,92 3,26 3,07 3,63 3,41
A curva característica do sensor Hall utilizado encontra-se na figura 11.
11
Figura 11: Relação Tensão de Saída x Corrente de Entrada - Sensor Hall
Calculando, tem-se um aproximadamente um ganho de 0.927. Este dado é importante para a correta utilização de valores de correntes de comparação dos circuitos de proteção.
Figura 12: Circuito do Sensor Hall
3.3
Acionamento desligado)
através
de
um
potenciômetro
(Soft-Starter
Neste acionamento verificou-se a correta ligação dos CIs presentes no protoboard, o sincronismo desejado foi alcançado e o motor foi ligado de maneira que a tensão nos enrolamentos do estator foi controlada pela tensão de controle através de um potenciômetro. Como neste teste a tensão de controle é constante, esta não foi monitorada no osciloscópio. 12
3.4
Acionamento com rampa de tensão com proteção dos tiristores
A rampa obtida através do circuito da figura 6 pode ser visualizada através do osciloscópio. Na saída do somador pode-se observar uma rampa decrescente partindo de aproximadamente 5.2 V até 0V em um tempo de aproximadamente 9.5 segundos.
Figura 13: Amplitude da Rampa obtida
Figura 14: Tempo da Rampa obtida
Nessa etapa a saída do comparador foi ligada ao pino 6 dos TCAs afim de gerar o sinal de inibição quando necessário. Simulou-se uma partida com alto nível de corrente ao diminuir-se o nível de tensão do sinal de proteção. Também através do osciloscópio monitorou-se este sinal. Como nota-se pela figura 15, obteve-se uma correta atuação do sinal de proteção.
13
Figura 15: Saída do comparador - Sinal de inibição
3.5
Acionamento com limitação de corrente
Nessa etapa, na entrada do pino 3 do circuito comparador temos uma tensão de 2,2 V. Na figura 16 pode-se ver claramente o momento em que ocorre a inibição por parte do comparador, impedindo que a corrente de partida ultrapassasse 2,2A.
Figura 16: Saída do comparador - Limitação de corrente
Na figura 17 é visto o momento em que a rampa tende a tornar-se constante. Isso ocorre devido a ação do controle que impede uma tensão maior que a de referência, impedindo o carregamento do capacitor e o crescimento da rampa do integrador.
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Figura 17: Saída do Somador - Limitação de corrente
4. Conclusão
A realização desse projeto nos proporcionou a aplicação prática dos conceitos estudados na disciplina teórica de eletrônica de potência. Pudemos estudar a fundo os controladores CA trifásicos e a geração de pulsos de disparo, passando por cada detalhe de sua montagem e aplicação, sempre nos embasando na teoria. Podemos concluir que os diferentes circuitos analógicos montados e, por fim, a Soft-Start funcionaram
corretamente nas diversas formas de atuação. Após um intenso
trabalho de sincronização da rede, o motor funcionou sem grandes vibrações, permitindo a correta análise do sistema montado. No acionamento com rampa de tensão com proteção dos tiristores t ivemos uma correta atuação da proteção, em que foi possível observar a saída do comparador atuando no pino de inibição do TCA. Para o caso com alta demanda de corrente também foi possível observar a correta proteção através da atuação do sinal de saída do comparador, impedindo o crescimento da rampa de tensão e consequentemente protegendo o motor.
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