BR102020024064A2

BR102020024064A2 - Métodos de frenagem

Info

Publication number: BR102020024064A2
Application number: BR102020024064-1A
Authority: BR
Inventors: Claudio Eduardo Soares
Original assignee: Embraco Indústria De Compressores E Soluções Em Refrigeração Ltda.
Priority date: 2020-11-25
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2022-05-31
Also published as: CN116670997A; US20240039433A1; WO2022109702A1; EP4252344A1; JP2023550388A

Abstract

A presente invenção se refere a um método de frenagem reostática, aplicado em um motor BLDC (10) utilizado em compressores herméticos, compreendendo:
selecionar uma primeira fase e uma segunda fase, conectadas ao motor BLDC (10), que serão curto-circuitadas, em uma determinada posição elétrica do motor BLDC (10), sendo que a primeira fase e a segunda fase selecionadas são as fases com a maior tensão induzida e a menor tensão induzida em uma determinada posição elétrica do motor BLDC (10);
manter uma terceira fase aberta para monitorar a posição elétrica do motor BLDC (10) por meio do monitoramento da tensão induzida nessa terceira fase aberta; e
separar a frenagem reostática em seis posições elétricas, sendo que cada posição elétrica está associada a duas seções elétricas: uma primeira seção antes do cruzamento por zero da tensão induzida da terceira fase aberta; e uma segunda seção depois do cruzamento por zero.

Description

MÉTODOS DE FRENAGEM

Campo Técnico

[0001] A presente invenção se refere à frenagem de motores BLDC.

[0002] Mais especificamente, a presente invenção se refere a métodos de frenagem para a parada de motores BLDC utilizados em compressores herméticos que são aplicados, por exemplo, em sistemas de refrigeração.

Antecedentes da Invenção

[0003] O procedimento típico de acionamento de um motor BLDC trifásico, que ocorre via uma ponte inversora trifásica, é conhecido como “seis passos”, sendo dividido em seis posições elétricas. Nesse tipo de acionamento, apenas duas fases do motor BLDC são acionadas em cada posição elétrica, fases estas pelas quais circulará corrente que irá gerar o torque de acionamento do motor BLDC. Assim, a terceira fase fica aberta, sendo utilizada para realizar o monitoramento de uma tensão induzida nas bobinas do motor BLDC e, consequentemente, a identificação da posição elétrica, possibilitando o acionamento síncrono do dito motor BLDC.

[0004] A Figura 1 da técnica anterior ilustra, esquematicamente, um conjunto eletrônico típico utilizado para o acionamento de um motor BLDC trifásico.

[0005] Conforme pode ser observado a partir da Figura 1, o conjunto eletrônico compreende uma fonte de alimentação contínua Vcc que está associada a uma ponte inversora 20 típica utilizada para o acionamento de um motor BLDC 10. A fonte de alimentação contínua Vcc pode ser fornecida por um estágio conversor na entrada, tal como um retificador com filtro capacitivo ou um conversor CC-CC alimentado por uma bateria. Assim, a fonte de alimentação Vcc é configurada para prover uma tensão de barramento Vbar contínua, de valor igual a Vcc, a partir da definição de uma tensão de referência Vref na parte inferior da ponte inversora 20.

[0006] A ponte inversora 20 está associada à fonte de alimentação contínua e ao motor BLDC 10. Além disso, a ponte inversora 20 consiste em três pares de chaves S1-S6, cada par tendo uma chave superior e uma chave inferior, e sendo que cada uma das chaves S1-S6 está associada em paralelo a um diodo de roda-livre D1-D6. Os diodos de rodalivre D1-D6 têm como função fornecer um caminho para a corrente do motor BLDC 10 durante as operações das chaves S1-S6.

[0007] Ainda de acordo com a Figura 1, os pares de chaves S1-S6 são associados operativamente às fases Fa, Fb e Fc do motor BLDC 10. Assim, conforme pode ser observado na Figura 1, um primeiro par de chaves S1-S2 está associado à fase Fa do motor BLDC 10, um segundo par de chaves S3-S4 está associado à fase Fb do motor BLDC 10 e um terceiro par de chaves S5-S6 está associado à fase FC do motor BLDC 10.

[0008] Naturalmente, o primeiro par de chaves S1-S2 é utilizado para controlar a corrente Ia no motor BLDC 10, o segundo par de chaves S3-S4 é utilizado para controlar a corrente Ib e o terceiro par de chaves S5-S6 é utilizado para controlar a corrente Ic.

[0009] De acordo com a Figura 1, o motor BLDC 10 é um motor em estrela trifásico, modelado por uma resistência R em série com uma indutância L e uma fonte de tensão induzida em cada fase, em que ea, eb e ec são as tensões induzidas nas fases Fa, Fb e Fc, respectivamente. Naturalmente, o motor BLDC 10 compreende um ponto neutro com tensão central Vn.

[00010] O conjunto eletrônico de acordo com a Figura 1 também compreende um observador de tensão 30, responsável pela medição das três tensões Va, Vb e Vc relativas as fases Fa, Fb e Fc do motor BLDC 10 e a tensão do barramento Vbar. Ainda, o circuito compreende uma unidade de controle 40, operativamente associada ao observador de tensão 30, responsável por interpretar os sinais de tensão, identificar a posição elétrica atual do motor BLDC 10 e realizar o acionamento correto da ponte inversora 20. Adicionalmente, o circuito eletrônico também utiliza um único sensor de corrente 50 no barramento para o controle da corrente do motor BLDC 10.

[00011] Conforme mencionado anteriormente, durante o acionamento do motor BLDC apenas duas fases são acionadas em cada posição elétrica. A seleção das fases a serem acionadas depende da posição elétrica atual do motor BLDC. Assim, as fases que devem ser acionadas são as que possuem a maior tensão induzida e a menor tensão induzida em uma determinada posição elétrica. A fase com a maior tensão induzida deve ter a sua chave superior acionada, enquanto a fase com a menor tensão induzida deve ter a sua chave inferior acionada.

[00012] A Figura 2 da técnica anterior ilustra os padrões de acionamento das chaves S1-S6, as formas de onda das tensões aplicadas Va-Vc, das correntes ia-ib e das tensões induzidas ea-ec durante o acionamento em “seispassos” do motor BLDC. Adicionalmente, o acionamento em “seis-passos” é dividido em seis posições elétricas P1-P6 de 60° elétricos, totalizando 360° elétricos. De acordo com a Figura 2, quando uma das chaves S1-S6 é acionada, a dita chave deve operar por 120° elétricos. Conforme pode ser observado na Figura 2, as áreas em cinza são as regiões onde é possível monitorar a tensão induzida do motor BLDC em cada uma das posições elétricas P1-P6. É importante ressaltar que no início de cada região de monitoramento da tensão induzida existe uma perturbação causada por uma corrente residual da posição elétrica anterior, perturbação essa que acaba assim que a corrente residual se anula.

[00013] Além disso, a definição da posição elétrica por meio da tensão induzida na terceira fase aberta pode ser feita por diversas técnicas, sendo a técnica mais conhecida a técnica do cruzamento por zero.

[00014] A técnica do cruzamento por zero consiste, basicamente, em detectar quando a tensão induzida na terceira fase aberta cruza por zero. Porém, conforme representado na Figura 2, a tensão induzida que aparece na fase aberta é deslocada por Vcc/2, e assim, a detecção do cruzamento da tensão induzida é similar, na prática, ao cruzamento da tensão da fase aberta por Vcc/2. Ao detectar o cruzamento da tensão induzida por zero, o conjunto eletrônico entende que metade de uma determinada posição elétrica foi percorrida e então aguarda o mesmo tempo para realizar a próxima troca de posição.

[00015] O documento de patente PI0004062-2, intitulado “MÉTODO DE CONTROLE DE MOTOR ELÉTRICO, SISTEMA DE CONTROLE DE MOTOR ELÉTRICO E MOTOR ELÉTRICO”, publicado em 2002, apresenta um método de sensoriamento de posição para motores BLDC baseado na comparação das tensões de fase entre si. Outra característica interessante deste documento é a utilização de filtros digitais para a filtragem do ruído introduzido pelo controle da tensão aplicada através da modulação por largura de pulso, filtragem esta que é feita por meio de um filtro digital conhecido por média móvel.

[00016] Como o próprio nome do filtro indica, a média móvel é obtida simplesmente realizando-se a média sobre as últimas M amostras, onde x[n] representa o sinal de entrada do filtro e y[n] representa o sinal de saída do filtro.

[00017] Como já foi destacado por Steven W. Smith em seu livro: The Scientist and Engineer’s Guide to Digital Signal Processing, Steven W. Smith, Second Edition, California Technical Publishing , 1999, ISBN 0-9660176-7-6, ISBN 0-9660176-4-1, ISBN 0-9660176-6-8, publicado em 1999, a média móvel pode ser considerada a melhor solução para certos tipos de problemas, como por exemplo, a eliminação do ruído branco para a suavização da forma de onda dos sinais no domínio do tempo.

[00018] No caso do monitoramento da tensão induzida de motores BLDC, a resposta em frequência deste tipo de filtro resulta numa solução ótima e muito simples para eliminação dos harmônicos introduzidos pela modulação por largura de pulso. Isto porque os vales de atenuação deste tipo de filtro casam exatamente com os harmônicos gerados pela modulação por largura de pulso.

[00019] Segundo esta proposta, a média móvel deve ser realizada numa frequência de amostragem Fs, múltipla da frequência de chaveamento Fsw utilizada na modulação por largura de pulso, e o número de amostras M, nos quais é realizada a média móvel, deve ser igual à relação entre a frequência de amostragem e a frequência de chaveamento.

[00020] Já o documento de patente US6512341 (B2), intitulado “APPARATUS AND METHOD OF DRIVING A BRUSHLESS MOTOR”, publicado em 14 de março de 2002, monitora se a tensão lida está grampeada na tensão do barramento ou na referência da ponte inversora antes de ativar o processamento da tensão induzida BEMF pelo sensoriamento de posição elétrica. Essa perturbação na tensão lida na fase aberta ocorre durante a extinção da corrente residual oriunda da etapa anterior, antes da fase ser aberta, e precisa ser tratada para não atrapalhar o sensoriamento de posição.

[00021] Ademais, existem diversos padrões de chaveamento para o acionamento de motores BLDC, tais como os padrões analisados no documento “Assessment of Pulse-Width Modulation Techniques for Brushless DC Motor Drives” de LAI, Y.-S. e LIN, Y.-K. publicado em 2006 no Conference Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting (artigo publicado em 2006), em que as diferenças entre esses padrões consistem em: possibilidade de circulação da corrente residual pelo barramento CC, duração da corrente residual e restrições do circuito de acionamento das chaves de acionamento. Tais padrões podem ser vistos, por exemplo, na Figura 3 da técnica anterior.

[00022] No entanto, apesar de existirem muitas técnicas para o acionamento de motores BLDC, pouco foi publicado a respeito de técnicas de frenagem.

[00023] Nesse sentido, uma técnica comum nas paradas de motores, não somente no caso de motores BLDC, é realizar um curto-circuito das três fases do motor com o objetivo de dissipar toda a energia cinética armazenada no rotor através das bobinas do estator. No entanto, essa técnica tem como desvantagem o aparecimento de correntes elevadas no motor, correntes estas maiores que as encontradas durante uma operação normal e acima dos limites de operação, o que pode ser um problema, especialmente para os motores BLDC, devido aos limites de correntes definidos para garantir a magnetização de seus imãs.

[00024] Outra desvantagem da técnica que realiza o curto-circuito das três fases do motor é a perda da informação da posição do motor devido ao mascaramento completo dos sinais da tensão induzida do motor, sinais estes que são utilizados na identificação da posição elétrica quando do acionamento de motores BLDC. No caso da aplicação em compressores herméticos utilizados em sistemas de refrigeração, a posição da parada do motor é muito útil para realizar o posicionamento correto do pistão na próxima partida.

[00025] Outra técnica de frenagem consiste em reduzir a rotação até a mínima possível e só então desligar o motor, deixando que ele pare conforme sua energia de inércia residual é consumida pela carga. No entanto, tal técnica não se mostrou viável para aplicação em compressores herméticos utilizados em sistemas de refrigeração.

[00026] Por fim, é importante destacar que a não utilização de uma técnica de frenagem para a parada de um compressor pode resultar em diversos problemas, como por exemplo, o deslocamento excessivo do kit mecânico, o desgaste ocasionado nas molas devido a esse deslocamento, o choque do kit mecânico com a carcaça e a vibração do compressor em rotações muito baixas.

Sumário

[00027] Um objetivo da presente invenção consiste em proporcionar um método de frenagem reostática que evite os inconvenientes da técnica anterior.

[00028] Este objetivo é alcançado por meio de um método de frenagem reostática, aplicado em um motor BLDC utilizado em compressores herméticos, compreendendo: selecionar uma primeira fase e uma segunda fase, conectadas ao motor BLDC, que serão curto-circuitadas, em uma determinada posição elétrica do motor BLDC, sendo que a primeira fase e a segunda fase selecionadas são as fases com a maior tensão induzida e a menor tensão induzida em uma determinada posição elétrica do motor BLDC; manter uma terceira fase aberta para monitorar a posição elétrica do motor BLDC por meio do monitoramento da tensão induzida nessa terceira fase aberta; e separar a frenagem reostática em seis posições elétricas, sendo que cada posição elétrica está associada a duas seções elétricas: uma primeira seção antes do cruzamento por zero da tensão induzida da terceira fase aberta; e uma segunda seção depois do cruzamento por zero.

[00029] Adicionalmente, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que quando a tensão induzida na terceira fase aberta é positiva, o curtocircuito é realizado através das chaves inferiores da primeira fase e da segunda fase, e quando a tensão induzida na terceira fase aberta é negativa, o curto-circuito é realizado através das chaves superiores da primeira fase e da segunda fase.

[00030] Ademais, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que a troca da primeira seção para segunda seção, em cada posição elétrica, é feita através do monitoramento da tensão induzida na terceira fase aberta e no momento do cruzamento por zero da tensão induzida na terceira fase aberta.

[00031] Além disso, o método de acordo com a presente invenção compreende replicar a mesma configuração de acionamento das chaves da primeira seção na segunda seção, aplicando-se a mesma configuração de acionamento nas chaves durante toda a posição elétrica.

[00032] O método de acordo com a presente invenção também consiste no fato de que a troca de posição é feita após um tempo de espera, sendo que este tempo de espera é igual ao tempo medido entre a última troca de posição e a detecção do cruzamento por zero.

[00033] Adicionalmente, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que a próxima posição elétrica é antecipada em 30° elétricos, sendo que a troca de posição é feita logo após a detecção do cruzamento por zero da tensão induzida na terceira fase aberta, evitandose o surgimento de uma corrente indesejada durante toda a posição elétrica e permitindo um tempo maior para extinção da corrente residual após uma troca de posição.

[00034] Ademais, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que aplica-se uma modulação por largura de pulso, com uma determinada razão cíclica, a uma das chaves, sendo a chave selecionada a que, quando aberta, faz com que a corrente circule pelo barramento.

[00035] Além disso, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que o controle da razão cíclica da modulação por largura de pulso é feito em função da corrente de frenagem desejada, da resistência equivalente entre duas fases, da tensão de barramento e da tensão induzida estimada.

[00036] Adicionalmente, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que a razão cíclica começa com um valor mínimo inicial e aumenta numa determinada taxa de incremento até a razão cíclica igual a 100%

[00037] Ademais, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que a corrente de frenagem desejada é igual ou menor do que o limite de corrente máximo do motor BLDC.

[00038] Além disso, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que a tensão induzida na terceira fase aberta é obtida por meio da tensão média lida na terceira fase aberta e compensada pela subtração da tensão do barramento sobre duas vezes a razão cíclica complementar.

[00039] Adicionalmente, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que a tensão média lida na terceira fase aberta é obtida por meio do processamento da tensão lida na dita terceira fase aberta por meio de um filtro digital do tipo média móvel.

[00040] Adicionalmente, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que o filtro digital do tipo média móvel é realizado por uma frequência de amostragem múltipla da frequência de chaveamento da modulação por largura de pulso e o número de amostras igual a relação entre a frequência de amostragem do filtro e a frequência de chaveamento.

[00041] Ademais, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que o monitoramento da tensão na terceira fase aberta só é realizado após a extinção da corrente residual da dita terceira fase aberta ou após um tempo mínimo.

[00042] Além disso, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que a ocorrência da corrente residual é detectada pela análise da tensão da terceira fase aberta, sendo igual a tensão do barramento (Vbar) quando a corrente na terceira fase aberta estiver saindo e igual a zero quando a corrente na terceira fase aberta estiver entrando.

[00043] Uma vantagem do método de acordo com a presente invenção compreende evitar grandes deslocamentos do kit mecânico, evitando-se que ele bata na carcaça do compressor e evitando-se também o desgaste das molas, o que poderia prejudicar a confiabilidade do compressor.

[00044] Outra vantagem do método de acordo com a presente invenção compreende controlar a corrente no motor durante o procedimento de frenagem, garantindo assim a proteção dos imãs do motor contra desmagnetização.

[00045] Outra vantagem do método de acordo com a presente invenção compreende saber em qual posição o motor BLDC parou, garantido o posicionamento correto do motor BLDC antes da próxima partida sem a necessidade de técnicas especiais para descobrir o posicionamento do pistão antes do procedimento de partida.

Breve Descrição dos Desenhos

[00046] Os objetivos e vantagens da presente invenção irão se tornar mais claros através da seguinte descrição detalhada dos exemplos e desenhos não-limitativos apresentados no final deste documento:

[00047] A Figura 1 ilustra, esquematicamente, um conjunto eletrônico típico utilizado para o acionamento de um motor BLDC;

[00048] A Figura 2 ilustra as formas de onda resultantes quando do acionamento de um motor BLDC;

[00049] A Figura 3 ilustra diversas técnicas de modulação de largura de pulso conhecidas do estado da técnica;

[00050] A Figura 4 ilustra uma possível aplicação do método de frenagem reostática de acordo com a presente invenção;

[00051] A Figura 5 ilustra uma possível aplicação não recomendada do método de frenagem reostática de acordo com a presente invenção;

[00052] A Figura 6 ilustra uma possível aplicação do método de frenagem reostática de acordo com a presente invenção;

[00053] A Figura 7 ilustra uma possível aplicação não recomendada do método de frenagem reostática de acordo com a presente invenção;

[00054] A Figura 8 ilustra formas de onda resultantes de uma divisão das seis posições do motor BLDC em doze seções elétricas e um monitoramento aprimorado de uma tensão induzida na fase aberta de um motor BLDC com a frenagem reostática de acordo com a presente invenção;

[00055] A Figura 9 ilustra formas de onda resultantes de uma aplicação comum das seis posições elétricas de um motor BLDC e um monitoramento aprimorado de uma tensão induzida na fase aberta de um motor BLDC com a frenagem reostática de acordo com a presente invenção;

[00056] A Figura 10 ilustra formas de onda resultantes de uma aplicação comum das seis posições elétricas de um motor BLDC e uma antecipação em trinta graus elétricos quando de uma troca de posição do referido motor BLDC com a frenagem reostática de acordo com a presente invenção;

[00057] A Figura 11 ilustra uma possível aplicação recomendada do método de frenagem reostática com modulação por largura de pulso de acordo com a presente invenção, quando da aplicação de um curto-circuito através das chaves inferiores;

[00058] A Figura 12 ilustra uma possível aplicação não recomendada do método de frenagem reostática com modulação por largura de pulso de acordo com a presente invenção, quando da aplicação de um curto-circuito através das chaves inferiores;

[00059] A Figura 13 ilustra uma possível aplicação do método de frenagem reostática com modulação por largura de pulso de acordo com a presente invenção, quando da aplicação de um curto-circuito através das chaves superiores;

[00060] A Figura 14 ilustra uma possível aplicação não recomendada do método de frenagem reostática com modulação por largura de pulso de acordo com a presente invenção, quando da aplicação de um curto-circuito através das chaves superiores;

[00061] A Figura 15 ilustra um modelo simplificado do motor BLDC durante o acionamento das fases A e B;

[00062] As Figura 16 e 17 ilustram os padrões de modulação de largura de pulso que podem ser associados ao método de frenagem reostática de acordo com a presente invenção;

[00063] A Figura 18 ilustra um dos padrões de modulação de largura pulso e as formas de onda resultantes do método de frenagem reostática com modulação por largura de pulso de acordo com a presente invenção.

Descrição Detalhada [Frenagem Reostática]

[00064] O método de frenagem reostática, aplicado em um motor BLDC 10 utilizado em compressores herméticos com aplicação, por exemplo, em sistemas de refrigeração, objeto da presente invenção, compreende dissipar a energia cinética em forma de calor nas resistências R do motor BLDC 10.

[00065] Nesse tipo de frenagem, as duas fases selecionadas para o curto-circuito bifásico são as fases com a maior e a menor tensão induzida em uma determinada posição elétrica do motor BLDC 10. É importante destacar que a escolha do curto-circuito bifásico ser realizado nas chaves de acionamento superiores ou inferiores, das duas fases de interesse, é fundamental para evitar o surgimento de uma corrente indesejada na terceira fase aberta. O surgimento dessa corrente indesejada na terceira fase aberta pode mascarar a tensão induzida do motor BLDC 10 e, consequentemente, a perda da informação da posição elétrica do referido motor BLDC 10 via sensoriamento através da tensão induzida.

[00066] Nesse sentido, a escolha das chaves, para a realização do curto-circuito bifásico, dependerá da tensão induzida na terceira fase aberta.

[00067] Assim, tomando como exemplo a Figura 4, se a tensão induzida ec na terceira fase aberta Fc for positiva, seleciona-se as chaves inferiores S2 e S4 para a realização do curto-circuito bifásico nas duas fases de interesse Fa e Fb. Com isso, uma tensão central Vn vai para 0 V (tensão de referência), e o valor da tensão Vc na terceira fase aberta Fc fica entre 0 V e uma tensão do barramento Vbar, tensão do barramento Vbar esta possuindo o mesmo valor de tensão que a fonte de alimentação Vcc. Dessa forma, a tensão induzida ec na terceira fase aberta Fc não é capaz de polarizar nenhum dos dois diodos de roda-livre D5 e D6 associados e, assim, não gera corrente indesejada.

[00068] No entanto, tomando como exemplo a Figura 5, se a tensão induzida ec na terceira fase aberta Fc for positiva, e as chaves de acionamento superiores S1 e S3 forem escolhidas para a realização do curto-circuito bifásico, a tensão central Vn será igual a tensão do barramento Vbar. Dessa forma, a tensão Vc na terceira fase aberta Fc será maior que a tensão do barramento Vbar, polarizando diretamente o diodo de roda-livre D5 superior, da referida terceira fase aberta Fc, e fazendo com que circule uma corrente indesejada no motor BLDC 10, impossibilitando a identificação da posição elétrica do motor BLDC 10 uma vez que esta corrente mascara a tensão induzida na terceira fase aberta Fc.

[00069] Alternativamente, tomando como exemplo a Figura 6, se a tensão induzida ec na terceira fase aberta Fc for negativa, seleciona-se as chaves superiores S1 e S3 para a realização do curto-circuito bifásico nas duas fases de interesse Fa e Fb. Com isso a tensão central Vn fica igual a tensão do barramento Vbar, e o valor da tensão Vc na terceira aberta Fc fica entre a tensão do barramento Vbar e 0 V (tensão de referência). Dessa forma, a tensão induzida ec na terceira fase aberta Fc não é capaz de polarizar nenhum dos dois diodos de roda-livre associados e, assim, não gera corrente indesejada.

[00070] No entanto, conforme pode ser observado na Figura 7, se a tensão induzida na terceira fase aberta for negativa, e as chaves inferiores S2 e S4 forem escolhidas para a realização do curto-circuito bifásico, a tensão central Vn será igual à tensão de referência. Dessa forma, a tensão Vc na terceira fase aberta Fc será menor que zero, polarizando diretamente o diodo de roda-livre inferior D6 e fazendo com que circule uma corrente indesejada no motor BLDC 10, impossibilitando a identificação da posição elétrica do motor BLDC 10 uma vez que esta corrente mascara a tensão induzida ec na terceira fase aberta Fc.

[00071] Dentro desse contexto, é possível alterar o método de frenagem reostática acima descrito para aprimorar o monitoramento de uma tensão induzida em uma terceira fase aberta. Basicamente, essa alteração compreende dividir as seis posições elétricas comumente utilizadas em doze seções elétricas, sendo que cada posição elétrica está associada a duas seções elétricas. Dessa forma, cada posição elétrica é divida em duas seções, uma primeira seção antes do cruzamento por zero da tensão induzida da terceira fase aberta, e uma segunda seção depois do cruzamento por zero. Com isso, é possível prevenir o mascaramento da tensão induzida na fase aberta, tal como demonstrado nas Figuras 4 e 6, permitindo assim o sensoriamento adequado da posição do motor por meio da tensão induzida na fase aberta.

[00072] O resultado obtido com essa primeira forma de monitoramento aprimorado de uma tensão induzida em uma terceira fase aberta pode ser observado na Figura 8, onde as áreas cinzentas são as regiões em que é possível monitorar a referida tensão induzida durante a frenagem. De acordo com a Figura 8, as posições elétricas P1-P6 são divididas em doze seções elétricas SE1-SE12.

[00073] Adicionalmente, uma segunda forma de alterar o método de frenagem reostática para aprimorar o monitoramento de uma tensão induzida em uma terceira fase aberta compreende manter as seis posições elétricas e replicar a configuração de acionamento das chaves da primeira seção elétrica na segunda seção elétrica, ou seja, a configuração de acionamento das chaves definida para a primeira seção é aplicada durante toda a posição elétrica, evitando-se o surgimento de uma corrente indesejada na terceira fase aberta até a detecção de um cruzamento por zero.

[00074] Assim, com base na detecção do cruzamento por zero, a próxima comutação de posição elétrica é programada para trinta graus elétricos após a dita detecção. O resultado obtido com essa segunda forma de monitoramento aprimorado de uma tensão induzida em uma terceira fase aberta pode ser observado na Figura 9, onde as áreas cinzentas são as regiões em que é possível monitorar a referida tensão induzida durante a frenagem. De acordo com a Figura 9, é possível observar, por exemplo, na posição elétrica P1, que as chaves S2 e S4 possuem a mesma configuração de acionamento do início ao fim dessa posição. Adicionalmente, também é possível observar, por exemplo, que a frenagem muda para a posição elétrica P2 trinta graus elétricos após a detecção do cruzamento por zero na posição elétrica P1.

[00075] A diferença entre a primeira forma e a segunda forma é o fato de que a segunda forma permite o surgimento da corrente indesejada após o cruzamento por zero. No entanto, como já foi feita a identificação da posição por meio cruzamento por zero, o mascaramento da tensão induzida da fase aberta na segunda metade da posição não é um problema.

[00076] Além disso, uma terceira forma de alterar o método de frenagem reostática para aprimorar o monitoramento de uma tensão induzida em uma terceira fase aberta compreende manter as seis posições elétricas e antecipar a próxima posição em trinta graus elétricos, evitando-se a ocorrência de corrente indesejada durante toda a posição.

[00077] O resultado obtido com essa terceira forma de alterar o método de frenagem reostática pode ser observado na Figura 10, onde as áreas cinzentas são as regiões em que é possível monitorar a referida tensão induzida durante a frenagem. De acordo com a Figura 10, é possível observar a antecipação da comutação das posições elétricas em 30° elétricos.

[00078] A diferença entre a segunda forma e a terceira forma é o fato de que a terceira forma permite um tempo maior para extinção da corrente residual da fase aberta logo após uma troca de posição. O tempo disponível para extinção da corrente residual vai do momento da troca de posição até o cruzamento por zero. Enquanto na segunda forma é preciso que a corrente residual seja extinta antes de 30° elétricos, na terceira forma esta corrente pode ser extinta em até 60° elétricos, sem prejudicar a detecção do cruzamento por zero pelo sensoriamento de posição.

[Frenagem Reostática com Modulação por Largura de Pulso]

[00079] O método de frenagem reostática pode ser associado a uma modulação por largura de pulso e utilizado em um motor BLDC 10 aplicado em compressores herméticos que são aplicados, por exemplo, em sistemas de refrigeração, objeto da presente invenção.

[00080] Nesse caso, aplica-se um sinal de modulação por largura de pulso a uma das duas chaves acionadas em uma determinada posição elétrica para o curto-circuito da frenagem reostática, sendo a chave selecionada a que, quando aberta, faz com que a corrente circule pelo barramento, fazendo com que parte da energia retorne para o barramento durante o tempo de abertura da referida chave, atuando momentaneamente de forma similar a uma frenagem regenerativa. De acordo com a Figura 11 da presente invenção, quando o curto-circuito é aplicado nas chaves inferiores S2 e S4, se a modulação por largura de pulso for aplicada na chave S2, quando a chave S2 abrir a corrente retornará pelo diodo de roda-livre D1 e circulará pelo barramento. No entanto, quando o curto-circuito é aplicado nas chaves S2 e S4, se a modulação por largura de pulso for aplicada na chave S4, quando a chave S4 abrir não haverá diferença no caminho da corrente, conforme pode ser observado na Figura 12. Opcionalmente, de acordo com a Figura 13 da presente invenção, quando o curto-circuito é aplicado nas chaves superiores S1 e S3, se a modulação por largura de pulso for aplicada na chave S3, quando a chave S3 abrir a corrente retornará pelo diodo de roda-livre D4 e circulará pelo barramento. No entanto, quando o curtocircuito é aplicado nas chaves S1 e S3, se a modulação por largura de pulso for aplicada na chave S1, quando a chave S1 abrir não haverá diferença no caminho da corrente, conforme pode ser observado na Figura 14.

[00081] Assim, o método de frenagem reostática com modulação por largura de pulso permite que a corrente que circula pelo motor BLDC 10 seja controlada. Isso porque, em uma determinada posição elétrica, quando as duas chaves estão fechadas a corrente aumenta e quando somente uma chave está fechada a corrente diminui. A corrente aumenta quando as duas chaves estão fechadas porque a tensão sobre as bobinas do motor é a tensão induzida. A corrente diminui quando somente uma chave está fechada porque a tensão sobre as bobinas do motor é a tensão induzida menos à tensão do barramento, sendo que a tensão do barramento é maior que a tensão induzida durante a frenagem.

[00082] Com isso, é possível controlar a corrente que circula pelo motor BLDC 10 por meio da definição da razão cíclica da modulação por largura de pulso aplicada a uma das chaves, fazendo com que essa chave opere ora fechada e ora aberta na mesma posição elétrica.

[00083] A Figura 15 ilustra um modelo simplificado do motor BLDC 10, em que Leq é a indutância equivalente das fases A e B, Req é a resistência equivalente das fases A e B, e Eeq é a tensão induzida equivalente entre as fases A e B.

[00084] Considerando-se que a resposta das grandezas elétricas é muito mais rápida que a resposta das grandezas mecânicas, é possível desprezar o efeito da indutância Leq e realizar o controle da corrente em malha aberta através da tensão aplicada ao motor BLDC 10 conforme a equação a seguir:

[00085] onde vm é a tensão média sobre as bobinas do motor BLDC 10 e Ides é a corrente de frenagem desejada.

[00086] Por sua vez, a tensão média vm pode ser calculada dentro de um período de modulação por largura de pulso, conforme as equações a seguir:

[00087] onde ton é o tempo em que as duas chaves são acionadas em uma determinada posição elétrica para o curtocircuito da frenagem reostática, toff é o tempo em que uma das chaves é aberta pela modulação por largura de pulso e TPWM é o período completo de um ciclo da modulação por largura de pulso.

[00088] Seja ainda, a razão cíclica dc definida em função do tempo ton, do tempo toff e do período de modulação TPWM conforme a equação a seguir:

e a razão cíclica complementar igual a equação abaixo:

[00089] Dessa forma, fazendo as devidas substituições nas equações acima, é possível realizar o controle da corrente de frenagem desejada Ides por meio da razão cíclica dc, conforme a equação a seguir:

[00090] A tensão induzida equivalente Eeq pode ser substituída por uma tensão estimada Em, a qual é a tensão de pico-a-pico da tensão induzida e, e função de uma constante de fluxo kφ, dependente dos parâmetros construtivos do motor, e da velocidade do motor ωm.

[00091] Por sua vez, a velocidade do motor ωm pode ser calculada em função do tempo medido entre cada troca de posição elétrica.

[00092] Além disso, à medida que o motor BLDC 10 vai desacelerando, o tempo em que a chave precisa ficar aberta para o controle da corrente diminuí, pois a tensão induzida no motor BLDC 10 também cai, até não haver mais a necessidade do controle da corrente. O controle da corrente não é mais necessário quando a tensão induzida é tão baixa que não apresenta mais um risco de gerar altas correntes capazes de desmagnetizar o motor BLDC 10. Neste ponto, quando a tensão induzida é muito baixa, ou mais especificamente quando a razão cíclica dc calculada é maior do que 100%, devido à velocidade reduzida, aplica-se somente a frenagem reostática pura, sem modulação por largura de pulso, até a parada do motor BLDC 10. Adicionalmente, o valor mínimo inicial da razão cíclica dc e a taxa de incremento utilizada para que a dita razão cíclica alcance 100% são definidos empiricamente, de modo que a corrente no motor BLDC 10 seja igual ou menor do que a corrente de frenagem desejada Ides.

[00093] Ademais, o método de frenagem reostática com modulação por largura de pulso pode ser associado às três formas de alteração do método de frenagem reostática para promover o monitoramento aprimorado de uma tensão induzida em uma terceira fase aberta.

[00094] A Figura 16 ilustra os padrões de modulação por largura de pulso aplicados nas chaves de acionamento S1-S6 com as doze seções elétricas SE1-SE12, ou seja, a primeira alteração do método de frenagem reostática para o monitoramento aprimorado de uma tensão induzida em uma terceira fase aberta.

[00095] Além disso, a Figura 17 ilustra os padrões de modulação por largura de pulso aplicados nas chaves de acionamento S1-S6 com seis posições elétricas, ou seja, a segunda alteração do método de frenagem reostática.

[00096] Ainda, a Figura 18 ilustra os padrões de modulação por largura de pulso aplicados nas chaves de acionamento S1-S6 com seis posições elétricas P1-P6 e com a comutação adiantada em 30° elétricos, ou seja, a terceira alteração do método de frenagem reostática. Adicionalmente, a Figura 18 também ilustra o resultado obtido nas grandezas elétricas do motor BLDC 10 com a aplicação dessa terceira alteração.

[00097] A associação do método de frenagem reostática com modulação por largura de pulso também é útil na frenagem do motor BLDC 10 em queda de energia, pois, neste caso, a energia necessária para manter o inversor em funcionamento viria da própria inércia do referido motor BLDC 10.

[Monitoramento de uma Tensão Induzida em uma Terceira Fase Aberta]

[00098] Por fim, as condições de contorno relativas ao monitoramento de uma tensão induzida em uma terceira fase aberta devem ser consideradas para cada um dos métodos de frenagem acima descritos.

[00099] De maneira geral, quando apenas duas fases são acionadas, podemos aplicar a lei das tensões de Kirchhoff para definir qual é a tensão central Vn de um motor BLDC 10 trifásico conectado em estrela:

em que Vn é a tensão central, Va é a tensão aplicada na fase Fa, Vb é a tensão aplicada na fase Fb, R é a resistência de fase do motor BLDC 10, L é a indutância de fase do motor BLDC 10, ia é a corrente que circula na fase Fa, ib é a corrente que circula na fase Fb, ea é a tensão induzida na fase Fa; e eb é a tensão induzida na fase Fb.

[000100] Assim, tomando como exemplo a fase Fc como a terceira fase aberta, e as fases Fa e Fb como as fases acionadas, em que uma das fases acionadas é a fase com a maior tensão e a outra fase a fase de menor tensão, é possível definir as seguintes condições de contorno:

onde a corrente ia que entra na fase Fa é igual a corrente ib que sai da fase Fb, visto que apenas duas fases estão conduzindo, o mesmo vale para a derivada da corrente ia’ e a derivada da corrente ib’, e a tensão induzida ea na fase Fa é igual a tensão induzida eb na fase Fb, porém com sinal invertido, visto que se trata de um motor BLDC com formato de onda trapezoidal.

[000101] Substituindo-se as condições de contorno definidas acima na equação da tensão central Vn, temos:

[000102] A tensão aplicada Vc na terceira fase aberta Fc pode então ser definida como:

[000103] E a tensão induzida ec na terceira fase aberta Fc pode então ser calculada como:

[000104] No caso da frenagem reostática, o curtocircuito pode ser realizado por meio das chaves de acionamento superiores ou inferiores das fases Fa e Fb. Neste caso, tem-se duas situações:

quando as chaves de acionamento inferiores estiverem sendo acionadas; e

quando as chaves de acionamento superiores estiverem sendo acionadas.

[000105] Assim, quando as chaves de acionamento inferiores estiverem sendo acionadas, o cruzamento da tensão induzida ec por zero equivale ao cruzamento da tensão Vc lida na fase aberta Fc por zero; e quando as chaves de acionamento superiores estiverem sendo acionadas, o cruzamento da tensão induzida ec por zero equivale ao cruzamento da tensão Vc lida na fase aberta Fc por Vbar, conforme pode ser observado nas Figuras 8, 9 e 10.

[000106] No caso da frenagem reostática com modulação por largura de pulso, quando uma das chaves for aberta, tem-se a seguinte situação:

quando uma fase Fa ou Fb estiver ligada ao barramento e a outra fase Fa ou Fb estiver ligada à referência.

[000107] Sendo assim, é possível extrair a informação da tensão induzida ec na terceira fase aberta Fc a partir da tensão lida Vc na terceira fase aberta Fc e, assim, realizar as ações necessárias.

[000108] No caso da tensão de fase Vc ser monitorada por meio de um filtro digital do tipo média móvel, a fim de extrair os harmônicos da modulação por largura de pulso, a obtenção da tensão induzida ec pode ser facilmente feita através da compensação da tensão lida Vc em função da razão cíclica dc e da tensão de barramento Vbar.

[000109] Por exemplo, seja o caso da associação da frenagem reostática com modulação por largura de pulso, onde ton é o tempo em que as duas chaves são acionadas em uma determinada posição elétrica para o curto-circuito da frenagem reostática, toff é o tempo em que uma das chaves é aberta pela modulação por largura de pulso e TPWM é o período completo de um ciclo da modulação por largura de pulso composto por ton + toff”.

[000110] Neste caso, a tensão induzida ec na terceira fase aberta Fc pode ser extraída por meio da média num período da modulação conforme abaixo:

[000111] Ou seja, a tensão induzida ec na terceira fase aberta Fc poderia ser deduzida a partir da tensão medida Vc da fase aberta Fc, da razão cíclica complementar dc-, e da tensão do barramento Vbar, conforme a equação abaixo:

[000112] Na prática, a tensão média da fase aberta Vc é obtida por meio da leitura da tensão Vc através de filtro digital do tipo média móvel, a razão cíclica complementar dc- é obtida da razão cíclica dc aplicada na frenagem e Vbar através de um sensor de tensão conectado ao barramento.

[Remoção da Perturbação na Tensão induzida na Terceira Fase Aberta]

[000113] Outro ponto importante no monitoramento da tensão induzida ec na terceira fase aberta Fc consiste em respeitar a extinção da corrente residual que circulava nesta fase antes da sua abertura. Durante a extinção da corrente residual, não é possível monitorar a tensão induzida ec na terceira fase aberta Fc, mas é possível detectar a ocorrência dessa corrente.

[000114] Quando uma fase é aberta, ocorre um pico de tensão na tensão de fase monitorada, tensão esta que é igual a tensão do barramento Vbar quando a corrente indesejada está saindo da fase no momento da abertura da chave de acionamento, ou é igual a zero quando a corrente indesejada está entrando na fase no momento da abertura da chave de acionamento. Sendo assim, é possível evitar esta perturbação na tensão induzida monitorando-se estes picos de tensão até sua extinção, ou simplesmente esperando um tempo mínimo para sua extinção, tal como já é feito nas técnicas de acionamento de motores BLDC 10 do estado da técnica.

[000115] Além das concretizações apresentadas anteriormente, o mesmo conceito inventivo poderá ser aplicado a outras alternativas ou possibilidades de utilização da invenção. Por exemplo, em compressores de ar e motores de arranque de veículos.

[000116] Embora a presente invenção tenha sido descrita em relação a certas concretizações preferidas, deve ser entendido que não se pretende limitar a invenção a essas concretizações particulares. Ao contrário, pretendese abranger todas as alternativas, modificações e equivalências possíveis dentro do espírito e escopo da invenção, conforme definido pelas reivindicações anexas.

Claims

Método de frenagem reostática, aplicado em um motor BLDC (10) utilizado em compressores herméticos, caracterizado pelo fato de que compreende: selecionar uma primeira fase e uma segunda fase, conectadas ao motor BLDC (10), que serão curto-circuitadas, em uma determinada posição elétrica do motor BLDC (10), sendo que a primeira fase e a segunda fase selecionadas são as fases com a maior tensão induzida e a menor tensão induzida em uma determinada posição elétrica do motor BLDC (10); manter uma terceira fase aberta para monitorar a posição elétrica do motor BLDC (10) por meio do monitoramento da tensão induzida nessa terceira fase aberta; e separar a frenagem reostática em seis posições elétricas, sendo que cada posição elétrica está associada a duas seções elétricas: uma primeira seção antes do cruzamento por zero da tensão induzida da terceira fase aberta; e uma segunda seção depois do cruzamento por zero.
Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que quando a tensão induzida na terceira fase aberta é positiva, o curto-circuito é realizado através das chaves inferiores da primeira fase e da segunda fase, e quando a tensão induzida na terceira fase aberta é negativa, o curto-circuito é realizado através das chaves superiores da primeira fase e da segunda fase.
Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a troca da primeira seção para segunda seção, em cada posição elétrica, é feita através do monitoramento da tensão induzida na terceira fase aberta e no momento do cruzamento por zero da tensão induzida na terceira fase aberta.
Método, de acordo com a reivindicação3, caracterizado pelo fato de que compreende replicar a mesma configuração de acionamento das chaves da primeira seção na segunda seção, aplicando-se a mesma configuração de acionamento nas chaves durante toda a posição elétrica.
Método, de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que a troca de posição é feita após um tempo de espera, sendo que este tempo de espera é igual ao tempo medido entre a última troca de posição e a detecção do cruzamento por zero.
Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a próxima posição elétrica é antecipada em 30° elétricos, sendo que a troca de posição é feita logo após a detecção do cruzamento por zero da tensão induzida na terceira fase aberta, evitando-se o surgimento de uma corrente indesejada durante toda a posição elétrica e permitindo um tempo maior para extinção da corrente residual após uma troca de posição.
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que aplica-se uma modulação por largura de pulso, com uma determinada razão cíclica (dc), a uma das chaves, sendo a chave selecionada a que, quando aberta, faz com que a corrente circule pelo barramento.
Método, de acordo com reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o controle da razão cíclica (dc) da modulação por largura de pulso é feito em função da corrente de frenagem desejada (Ides), da resistência equivalente (Req) entre duas fases, da tensão de barramento (Vcc) e da tensão induzida estimada (Em).
Método, de acordo com reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a razão cíclica (dc) começa com um valor mínimo inicial e aumente numa determinada taxa de incremento até a razão cíclica (dc) igual a 100%.
Método, de acordo com reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que a corrente de frenagem desejada (Ides)é igual ou menor do que o limite de corrente máximo do motor BLDC (10).
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a tensão induzida na terceira fase aberta é obtida por meio da tensão média lida na terceira fase aberta e compensada pela subtração da tensão do barramento (Vbar) sobre duas vezes a razão cíclica complementar (dc- ).
Método, de acordo com reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a tensão média lida na terceira fase aberta é obtida por meio do processamento da tensão lida na dita terceira fase aberta por meio de um filtro digital do tipo média móvel.
Método, de acordo com reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o filtro digital do tipo média móvel é realizado por uma frequência de amostragem múltipla da frequência de chaveamento da modulação por largura de pulso e o número de amostras igual a relação entre a frequência de amostragem do filtro e a frequência de chaveamento.
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o monitoramento da tensão na terceira fase aberta só é realizado após a extinção da corrente residual da dita terceira fase aberta ou após um tempo mínimo.
Método, de acordo com reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a ocorrência da corrente residual é detectada pela análise da tensão da terceira fase aberta, sendo igual a tensão do barramento (Vbar) quando a corrente na terceira fase aberta estiver saindo e igual a zero quando a corrente na terceira fase aberta estiver entrando.