O motor a ser contro com abertura superior par acoplamento entre o eixo correia de borracha, existi relação direta.
Figura 4.1: Lavadora de roupas
A Figura 4.2 mostra lavadora que estão relacion são mostrados sistemas d gabinete da lavadora, nem nível de água.
Figura 4.2: Principais compone
Tanque Cesto
Engre
R CONTROLADO
apresentados os componentes do sistema e
trolado pertence a uma lavadora de roupas d ara adição de tecidos, conforme mostra a o do motor e o eixo do agitador é feito at stindo uma relação entre suas polias, isto
as de eixo vertical
tra de maneira simplificada os principais co ionados diretamente ao comportamento do m de suspensão e amortecimento do tanque,
m outros sistemas, como bombas, válvulas
nentes da lavadora ue sto Tecidos renagens Correia Motor Agitador em que o motor de eixo vertical, Figura 4.1. O através de uma o é, não é uma componentes da motor. Aqui não e, que o liga ao as e medidor de
O motor em estudo em sua configuração original opera com capacitor permanente de 45 …_ e os enrolamentos são simétricos e defasados de 90° entre si. Esta simetria permite o acionamento com torque equivalente em ambas as direções de operação. Isto é necessário, pois durante a agitação, que é o processo de lavagem das roupas, o movimento do agitador deve ser simétrico nos dois sentidos. Caso este movimento não seja simétrico, as roupas podem embolar e afetar negativamente o desempenho de lavagem.
4.2.2 Acionamento Tradicional
O acionamento do motor em sua aplicação tradicional é apresentado na Figura 4.3. O capacitor fica permanentemente conectado a um terminal de cada um dos dois enrolamentos. Os outros dois terminais dos enrolamentos são conectados entre si e à fonte de alimentação. Este é um diagrama simplificado, onde não são mostradas proteções do motor relacionadas à temperatura e a abertura da porta da lavadora. O circuito dispõe de dois TRIACs (TRIAC – tiristor para corrente alternada) para o acionamento do motor, onde cada um deles é acionado independente do outro, sendo apenas um acionado de cada vez. O disparo de cada um deles segue a necessidade de acionamento do motor em cada sentido de operação, horário e anti- horário.
Figura 4.3: Acionamento tradicional do motor na lavadora
Para um acionamento com velocidade variável altera-se o ângulo de disparo dos TRIACs. Este método de controle além de gerar componentes harmônicas de tensão indesejadas na rede de alimentação, contribui para o sobreaquecimento do motor e para a geração de ruído audível. Outro ponto negativo desta solução é que há uma limitação na velocidade mínima que pode ser obtida em regime permanente. A grande vantagem deste tipo de acionamento está em seu custo de produção, já
P rin cip al A ux ilia r CA
que poucos componentes são necessários, se comparado ao uso de um inversor de frequência.
A Figura 4.4 mostra um esboço do comportamento da tensão e da corrente do motor quando é realizada a variação do ângulo de disparo do TRIAC.
Figura 4.4: Tensão e corrente para acionamento com TRIAC
4.2.3 Perfis de Acionamento
As lavadoras de roupa de eixo vertical operam basicamente em duas condições durante o ciclo de lavagem, sendo uma delas a agitação, onde é exigido grande torque do motor. A Figura 4.5 mostra como o acionamento do motor é realizado durante a agitação, sendo que o nível alto do sinal representa o TRIAC do sentido de rotação correspondente acionado. Neste processo o motor é acionado durante 220 ms em um sentido, a seguir permanece 400 ms desligado, então é novamente acionado durante 220 ms, porém em sentido oposto e mais uma vez fica 400 ms desligado. O sentido de rotação do motor é revertido seguidamente, necessitando que ele trabalhe sempre em condição de partida. Isso faz com que a eficiência do motor neste período seja reduzida, e consequentemente, a temperatura do motor se eleve consideravelmente.
Figura 4.5: Perfil de acionamento do motor para agitação
A outra condição de operação da lavadora durante um ciclo de lavagem é a centrifugação. Nesta etapa do ciclo é exigido que o motor opere em alta rotação, porém com um torque mais baixo em sua ponta de eixo. No caso do acionamento
Circuito eletrônico TRIAC Fonte de corrente aternada Tensão aplicada 60 Hz 60 Hz Motor PSC
tradicional do motor PSC, a velocidade fica limitada pela frequência de alimentação da rede. Não se consegue atingir velocidades maiores que a nominal do motor.
Visando contribuir nestas duas diferentes condições de operação, duas diferentes relações entre a polia movida, no eixo do agitador, e a polia motora, no eixo do motor, são utilizadas. Quando se está em agitação a relação da lavadora utilizada fica em 11,1:1 e o cesto onde as roupas estão distribuídas não é acoplado a este eixo. Durante a centrifugação, o cesto é acoplado ao eixo do agitador e a relação entre a polia movida e a polia motora passa a ser 2,14:1. Assim, conseguem-se velocidades mais elevadas durante a centrifugação e torques mais altos para a agitação.
A carga de roupas que está sendo lavada também possui características particulares sobre o comportamento do motor. No período de agitação, o tanque da lavadora é cheio com água e sabão, e com o movimento do agitador as roupas se movimentam de maneira irregular, o que provoca uma grande variação do torque no eixo do agitador. Já durante a centrifugação, devem-se considerar possíveis desbalanceamentos na distribuição do peso da carga dentro do cesto. Caso haja desbalanceamento a lavadora irá vibrar provocando ruídos desagradáveis, além de poder comprometer suas partes mecânicas.
Nos ensaios realizados não foi considerada a presença de sabão na lavadora, ou seja, o tanque foi cheio para a lavagem somente com água. O excesso de sabão pode provocar efeitos de aumento do torque em determinadas condições, devido ao atrito da espuma com as laterais do cesto e do tanque, então esta simplificação foi adotada. Durante os ensaios em alta rotação, para centrifugação, a roupa foi distribuída de maneira uniforme no cesto, não necessitando de algoritmos para detecção de desbalanceamento, nem sua compensação. Esta foi outra simplificação adotada em comparação à aplicação real no produto.
4.3 ACIONAMENTO ADOTADO
A plataforma de acionamento do motor utilizada segue o diagrama de blocos apresentado na Figura 4.6, e é composta de um inversor de frequência com saída em tensão, sendo sua alimentação de entrada senoidal monofásica e sua saída com três braços. Nesta seção é feita a descrição deste inversor e seus principais componentes.
Figura 4.6: Diagrama de blocos do inversor
O sistema consiste basicamente de duas partes, uma de potência elevada, onde está o inversor em si, e outra de baixa potência, onde se encontram os componentes de controle do inversor.
4.3.1 Circuito de Retificação
Logo na entrada de alimentação do circuito está um filtro para evitar problemas de compatibilidade eletromagnética, que pode surgir ao chavear em frequência elevada os transistores de potência para acionar a carga indutiva que é o motor. Em seguida, se encontra o retificador para retificação da tensão de alimentação monofásica senoidal da rede elétrica. O retificador é composto por uma ponte de diodos de potência que estão em um módulo integrado.
Com a tensão de alimentação retificada, o próximo componente do sistema é um capacitor para manter a tensão de barramento aproximadamente constante durante a operação do motor. Quanto maior a corrente demandada na saída do inversor, maior será o ripple na tensão do barramento. Outro fator que pode influenciar na tensão de barramento é a variação da tensão de alimentação do inversor, o que provoca aumento ou diminuição desta tensão de barramento.
Para que se possa compensar esta variação da tensão de barramento, é feita sua medição durante todo o acionamento do motor. Com o objetivo de os controladores de corrente e velocidade do controle vetorial não terem sua dinâmica afetada por este efeito, a compensação desta variação é feita diretamente no SVPWM. Porém, tensões de barramento muito baixas não permitem uma
IGBTs Sensores de corrente Circuito de Retificação Micro-controlador Sensor de velocidade E i ia,b , a b i i r ω 1, 2, 3 S S S E Shunt
compensação suficiente na saída do inversor, quando a demanda de potência elétrica do motor é elevada. Assim, o sistema deve identificar uma condição de sub- tensão e tomar as devidas precauções, como aumentar o tempo em que o motor fica ligado, para que o consumidor final não sinta este efeito na qualidade de lavagem das roupas.
Uma fonte de baixa tensão está presente no circuito para que se tenham as tensões para alimentação da parte de baixa potência da placa. Neste circuito é utilizada uma tensão de 15 V para alimentação de amplificadores operacionais e do módulo de IGBT do inversor. Outra tensão usada é de 3,3 V, principalmente para alimentação do microcontrolador.
4.3.2 Microcontrolador
O microcontrolador utilizado tem arquitetura ARM Cortex-M3 (ARM, 2010) e opera a 72 MHz usando 32 bits. Seus conversores A/D (analógico para digital) convertem os sinais com 12 bits. Além disso, o microcontrolador possui portas para comunicações I2C (Inter Integrated Circuit), SPI (Serial Peripheral Interface) e USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter). Durante o desenvolvimento desta aplicação foi utilizada a porta para comunicação serial USART. Um aplicativo para envio de comandos através da porta serial de um computador foi utilizado. Os comandos transmitidos do computador para o microcontrolador do inversor eram basicamente para envio de informações para operação do motor. Isto é, comandos de velocidade alvo e taxa de aceleração desejada. O próprio software no microcontrolador se encarrega da geração da curva de referência de velocidade a ser seguida, de acordo com as informações recebidas. Outra funcionalidade deste aplicativo que é executado no computador é receber dados do microcontrolador através da interface serial de comunicação entre eles. Estes dados são bastante úteis para depuração do software embarcado no microcontrolador e para ajustes do controlador do motor.
O software embarcado foi desenvolvido em linguagem C, sendo que a execução de suas rotinas baseou-se em duas frequências básicas. Uma delas sendo executada a 4 kHz, ou seja, a cada 250 µs. Com esta taxa de execução são processadas as rotinas do controlador de velocidade do controle vetorial indireto utilizado. A outra frequência de execução utilizada é de 16 kHz que corresponde à
frequência de operação do PWM. Com isso, o período para execução das demais rotinas do controle vetorial é de 62,5 µs. A operação do PWM a 16 kHz foi definida em outros projetos e não será discutida neste trabalho.
Com a taxa de execução de 62,5 µs são executadas as leituras dos sensores de velocidade, a transformada de Park, a integração da informação de velocidade para obtenção da posição do rotor, os controladores de corrente, a transformada inversa de Park e os cálculos dos tempos de chaveamento dos IGBTs. A execução a 4 kHz foi adotada pois a dinâmica da velocidade é mais lenta que a dinâmica das correntes e esta frequência menor demanda menos tempo de processamento do microcontrolador.
4.3.3 Sensores de Corrente
A leitura das correntes do motor é feita através de sensores shunt em série com cada um dos transistores de potência da parte inferior dos braços do inversor, como mostrado na Figura 4.7. Eles estão posicionados na parte inferior dos braços, pois assim assumem a mesma referência do microcontrolador. Este circuito foi desenvolvido para aplicação também com motores trifásicos, por isso a existência dos sensores de corrente nos três braços. Nesta aplicação apenas dois deles são utilizados, pois já é suficiente para se ter a informação da corrente em cada enrolamento do motor.
Figura 4.7: Posição dos sensores de corrente
A interrupção para a leitura das correntes ocorre centralizada no período de acionamento do PWM, pois neste momento todos os transistores inferiores estão fechados e há corrente circulando em todos os sensores de corrente. Assim, garante-se que a oscilação das correntes no motor já tenha ocorrido após o chaveamento dos transistores. Porém, é necessário garantir que os transistores permaneçam um período mínimo neste estado. Com isso há uma limitação máxima
1 S S2 S3 1 S S2 S3 E 2 Shunt Shunt3 1 Shunt
do fator de funcionamento do PWM, para garantir que a conversão A/D ocorra com todos os transistores inferiores fechados e fora do período em que ocorre a oscilação de corrente devido ao chaveamento destes transistores.
O inversor utilizado foi desenvolvido para acionamento de motores de maior potência, e dessa forma está sobredimensionado para a aplicação em estudo. Assim, o limite máximo do fator de funcionamento do PWM não se mostrou uma preocupação durante a implementação do controle.
As saídas PWM do microcontrolador foram configuradas para operação centralizada, e com frequência de 16 kHz, conforme mostrado na Figura 4.8. Também na Figura 4.8, pode-se observar o instante em que ocorre a interrupção para início da conversão A/D para leitura de corrente. As amplitudes das curvas de saída dos PWM são apenas ilustrativas, pois a intenção é mostrar os momentos em que ocorrem os chaveamentos.
t 62, 5 sµ Interrupção 1 S 2 S 3 S / A D
Figura 4.8: PWM e instante de leitura das correntes
4.3.4 Transistores de Potência
No hardware utilizado, os braços de saída do inversor são integrados em um único circuito integrado. Este módulo já engloba também os drivers dos transistores e um sensor para medição de sua temperatura.
O uso do inversor para o acionamento do motor de indução monofásico com capacitor permanente permite a remoção de seu capacitor, tornando-o um motor bifásico. Isso pode trazer benefício de custo para a aplicação a fim de compensar o custo adicionado pelo uso do inversor.
Outro benefício deste tipo de aplicação é a flexibilidade para acionamento do motor em ambos os sentidos de rotação.
4.3.5 Sensor de Velocidade
Para a medição de rotação, pode ser usado um taco-gerador e um circuito simples para condicionamento de sinal, o que proporciona uma solução relativamente simples, se comparada à solução em que se usa um encoder para determinar a posição do rotor.
Nesta implementação específica, foi adotada uma solução que simplificou as adaptações mecânicas do sensor ao motor. Foi conectado ao eixo do rotor um ímã circular com cinco pares de pólos. Próximo a ele, porém fixo ao estator, foi instalado um sensor de efeito Hall e um circuito para condicionamento de sinal. Assim, obtém- se um sinal quadrado onde cinco pulsos são gerados a cada volta completa do motor. A Figura 4.9 mostra o esquema de ligação do sensor de velocidade.
Figura 4.9: Sensor de velocidade
O sinal quadrado gerado pelo sensor de velocidade é lido através de uma entrada digital do microcontrolador. A informação de velocidade é então calculada com base no período entre duas bordas de subida do sinal. Isso vale para velocidades baixas, pois em velocidades mais altas a oscilação deste período provoca variação significativa nas leituras de velocidade. A solução adotada foi que a partir de 300 rpm do motor a leitura não mais é calculada através do período dos pulsos, mas sim através do período médio de 5 pulsos do sinal do sensor. A informação de velocidade ficou então estável nas duas faixas de operação do sensor.
Vale ressaltar que não é adequado utilizar uma velocidade de referência próxima a este valor onde ocorre a transição entre métodos de cálculo da velocidade, pois pode gerar algum comportamento indesejado. Esta situação não foi analisada em profundidade, pois depende da aplicação final no ciclo da lavadora. Caso haja a necessidade de operação com velocidade próxima a esta transição, outro valor de velocidade em que a transição ocorre pode ser definido.
Motor Ímã Sensor de efeito Hall Circuito de condicionamento de sinal Inversor
4.4 ENSAIOS REALIZADOS
Os ensaios para avaliação de desempenho do controle proposto foram realizados nas duas condições básicas de operação da lavadora, a agitação e a centrifugação.
O desempenho desta proposta foi comparado com o controle atualmente utilizado nas lavadoras. Para a execução dos ensaios foi utilizada a bancada apresentada na Figura 4.10. Além do driver de acionamento, a plataforma possui um microcomputador para envio de comandos e programação do microcontrolador do inversor. A Figura 4.10 mostra também um osciloscópio utilizado para aquisição das formas de onda das correntes do motor.
Figura 4.10: Bancada para ensaios
Outro dado importante que deve ser monitorado é a temperatura do motor. Para isso é usado um equipamento de aquisição de dados (Data Logger) de temperatura através de termopares. Foram utilizados nos ensaios dois termopares posicionados na superfície dos enrolamentos do estator, sendo considerada a maior temperatura entre os dois na análise dos resultados. Temperaturas mais elevadas do motor poderiam ser medidas em pontos entre os enrolamentos do estator o entreferro, porém a instrumentação do motor para estas medidas é complexa quando já se tem o motor fabricado.
A potência elétrica de entrada do circuito inversor é coletada através de um wattímetro monofásico. Fazendo-se a integração da potência instantânea de entrada é possível obter a quantidade de energia consumida durante cada ensaio. Este valor total de energia consumida é o dado utilizado na comparação dos diferentes acionamentos.
Dois outros itens mostrados na Figura 4.10 são o inversor de frequência onde está embarcado o software de controle do motor e a lavadora em que o motor está montado.
O diagrama de blocos da Figura 4.11 mostra a configuração dos equipamentos na bancada de ensaios e as conexões entre eles.
Figura 4.11: Diagrama de blocos da configuração da bancada
Nas Seções 4.4.1 e 4.4.2 são descritas as condições dos ensaios realizados para coleta dos resultados práticos.
4.4.1 Agitação
O perfil de acionamento utilizado para os testes de agitação é o apresentado na Figura 4.5. Este perfil foi repetido durante 6 minutos em cada teste de agitação.
A temperatura ambiente não foi controlada, porém estava sendo monitorada e todos os testes ocorreram com a temperatura de aproximadamente 20 °C, não sendo observada nenhuma variação significativa.
Inversor Lavadora Wattímetro Data Logger Interface de Desenvolvimento Osciloscópio Computador
Os testes de agitação foram iniciados quando a temperatura do motor encontrava-se próxima a 35 °C.
A lavadora encontrava-se carregada com uma carga de toalhas, com um total de 4,11 kg, o que é considerado uma carga média para a lavadora utilizada. O nível de água foi ajustado para o valor Médio, dentre quatro valores possíveis. Este nível de água foi ajustado automaticamente pelo sistema de controle original da lavadora, que utiliza um pressostato para comando da válvula de entrada de água.
A tensão da rede foi regulada para 120 V tanto para os ensaios com o controle por TRIAC quanto para o controle através do inversor de frequência. A frequência utilizada foi de 60 Hz. Estas condições de alimentação foram adotadas pois são as nominais da maioria das residências no país.
4.4.2 Centrifugação
Nos ensaios de centrifugação, algumas condições foram mantidas as mesmas utilizadas nos ensaios de agitação como: a tensão de alimentação das placas de controle em 120 V a 60 Hz, e a carga da lavadora utilizando toalhas com um total de 4,11 kg.
A temperatura ambiente durante os ensaios de centrifugação estava em torno de 23 °C. Os ensaios de centrifugação foram realizados em um dia e os de agitação em outro.
A temperatura inicial do motor adotada nos ensaios foi de aproximadamente 48 °C. Outra mudança foi referente a inexistência de água no tanque, pois para os ensaios de centrifugação toda a água é drenada do tanque da lavadora.
A duração destes ensaios ficou determinada em 7 minutos, pois é o tempo utilizado no funcionamento normal da lavadora.
Nos ensaios com o inversor foram consideradas duas condições de velocidade de operação. Uma delas a 1600 rpm, pois se aproxima da velocidade de operação do motor PSC de 4 pólos alimentado a 60 Hz. A outra velocidade de operação adotada foi de 1800 rpm, para avaliar o benefício na extração de água das roupas através da centrifugação em velocidades mais elevadas. Não foram utilizadas velocidades ainda mais altas pois seria necessário um algoritmo de enfraquecimento de campo, que não foi abordado neste trabalho, além de limitações
mecânicas da lavadora. Velocidades maiores que as empregadas nos ensaios poderiam provocar danos ao produto, que por medida de segurança foram evitadas.