BRPI0902347A2

BRPI0902347A2 - método de controle antecipador para motores elétricos aplicados a cargas cìclicas

Info

Publication number: BRPI0902347A2
Application number: BRPI0902347-0A
Authority: BR
Inventors: Claudio Eduardo Soares; Dietmar Erich Bernhard Lilie; Roberto Andrich
Original assignee: Whirlpool Sa
Priority date: 2009-07-22
Filing date: 2009-07-22
Publication date: 2011-04-05
Also published as: WO2011009180A2; SG178085A1; CN102714478B; KR20120041755A; BR112012001541B1; CN102714478A; MX2012000964A; US8796968B2; IN2012DN01022A; EP2498395B1; BR112012001541A2; US20120274250A1; ES2476028T3; WO2011009180A3; JP5749716B2; AR077771A1; EP2498395A2; JP2012533977A

Abstract

MéTODO DE CONTROLE ANTECIPADOR PARA MOTORES ELéTRICOS APLICADOS A CARGAS CíCLICAS. A invenção refere-se a uma técnica para controlar motores de ímãs permanentes, do tipo Brushless DC, cujo objetivo é melhorar a eficiência do consumo de energia elétrica no acionamento de cargas cíclicas. Um exemplo de carga cíclica é encontrado no uso de compressores, os quais possuem um torque muito mais elevado durante o ciclo de compressão quando comparado ao torque existente durante o ciclo de sucção. Para implementar tal solução, são previstos ajustes na forma de onda da corrente aplicada às bobinas do motor, ajustando-as à forma de onda da tensão induzida pelo motor utilizando a informação da velocidade em cada posição.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO DECONTROLE ANTECIPADOR PARA MOTORES ELÉTRICOS APLICADOSA CARGAS CÍCLICAS".

A presente invenção refere-se a uma técnica para controlar mo-tores de ímãs permanentes, do tipo Brushless DC trapezoidal, cujo objetivo émelhorar a eficiência do consumo de energia elétrica no acionamento decargas cíclicas. Um exemplo de carga cíclica é encontrado no uso de com-pressores, os quais possuem um torque muito mais elevado durante o ciclode compressão quando comparado ao torque existente durante o ciclo desucção.

Descrição do Estado da Técnica

Os motores de ímãs permanentes do tipo Brushless DC estão setornando cada vez mais populares em aplicações que exijam baixo custo ealta performance. Os motores do tipo Brushless DC são semelhantes aosmotores DC montados de forma invertida, onde os ímãs permanentes sãomontados no rotor. Enquanto que nos motores DC a inversão de corrente éfeita pelo comutador e as escovas, nos casos dos motores Brushless DC, acorrente é invertida através de inversores de potência que acionam as bobi-nas do estator.

Para obtenção do torque máximo, e da melhor eficiência no con-sumo de energia, é necessário sincronizar a corrente com a tensão induzidanas fases do motor. Isso pode ser feito através do uso de sensores acopla-dos ao eixo do motor ou através da observação das tensões induzidas, oucorrentes, nas fases do motor. Os sensores acoplados ao eixo do motortrazem o inconveniente de adicionar elementos extras ao projeto deste mo-tor, aumentando consideravelmente o custo final da solução. Além disso,limitações de espaço e o próprio ambiente ao qual fica submetido o motor,podem inviabilizar o uso destes tipos de sensores. Por isso, a utilização dosobservadores de tensão ou corrente constituem a melhor escolha na maioriados casos.

Na patente norte-americana US 6838840 é empregada uma téc-nica que utiliza um observador de tensão construído a partir de uma redeformada por comparadores de tensão, capacitores e resistores. As saídasdos comparadores são enviadas a um microprocessador que determina osinstantes de comutação do acionamento do motor. Apesar da solução sermicroprocessada, ela requer a utilização de muitos componentes externos.

Na patente norte-americana US 6922027 é empregada uma téc-nica onde as três fases do motor são amostradas, tratadas matematicamen-te, e então, comparadas entre si para determinação dos instantes de comu-tação do motor. As vantagens desta técnica são a eliminação dos circuitosanalógicos na determinação da posição do motor, a flexibilidade nos ajustesdo observador de acordo com a estrutura mecânica do motor, a menor sen-sibilidade às variações paramétricas dos componentes e a possibilidade decalibração do circuito.

Os motores Brushless DC podem ser utilizados no acionamentode compressores aplicados em sistemas de refrigeração. Este tipo de apli-cação satisfaz as condições de carga cíclicas definidas no escopo desta in-venção. O objetivo da aplicação deste tipo de motor em sistemas de refrige-ração é a variação da capacidade de refrigeração do sistema, que pode sercontrolada pela variação do fluxo refrigerante. A quantidade de fluxo refrige-rante, por sua vez, é diretamente proporcional à velocidade média do motor.Sendo assim, a principal especificação do controlador deve ser o controle davelocidade média de rotação.

O funcionamento do compressor pode ser dividido em duas eta-pas de operação: a etapa de sucção e a etapa de compressão. A sucçãoacontece no início de cada ciclo e é caraterizada pelo recuo do pistão dentrodo cilindro. Durante este processo, o cilindro é preenchido com o fluido refri-gerante. O ciclo de compressão, por sua vez, inicia quando o pistão inverte oseu sentido de deslocamento. Durante esta etapa, o fluido é comprimidodentro do cilindro. A compressão do fluido gera um torque muito maior que otorque médio resultante de uma volta mecânica completa. Tendo em vistaque este comportamento se repete a cada volta mecânica, percebe-se umcomportamento cíclico na variação de torque durante o funcionamento domotor.A variação do torque dentro de uma volta mecânica causa umavariação da velocidade do motor, diminuindo a velocidade do motor duranteo ciclo de compressão. Geralmente, não existe nenhuma compensação naação de controle para ajustar a velocidade instantânea do motor dentro deuma volta mecânica, de forma a compensar a perda de velocidade durante ociclo de compressão. Os controladores desenvolvidos para o acionamentode compressores assumem que o importante para o sistema de refrigeraçãoé o controle do fluxo médio do refrigerante, o qual é definido basicamentepela velocidade média de rotação.

Entretanto, o simples controle da velocidade média do motor po-de apresentar distorções na forma de onda da corrente devido à variação darotação durante os ciclos de sucção e compressão. Esta deformação naforma de onda da corrente não é desejada pois diminui a eficiência no con-sumo de energia elétrica devido à redução do fator de potência do motor.

Levando em consideração o ciclo de compressão, por exemplo,observa-se que a tensão induzida no motor sofre uma redução de amplitudedevido à redução de velocidade causada pelo aumento do torque. Os contro-ladores convencionais não atuam de modo a modificar a tensão média apli-cada ao motor e, por isso, ocorre um aumento na diferença de potencial a-plicado às bobinas do motor, a qual é definida como sendo a diferença entrea tensão aplicada pelo inversor e a tensão induzida do motor. O aumento nadiferença de potencial aplicado às bobinas do motor causa então um au-mento na corrente durante o ciclo de compressão. Do mesmo modo, no ciclode sucção a corrente diminui devido à redução da amplitude da tensão indu-zida no motor.

Assim, a corrente aplicada ao motor aumenta durante o ciclo decompressão e diminui durante o ciclo de sucção. Este comportamento é exa-tamente o oposto do comportamento da tensão induzida, a qual diminui du-rante o ciclo de compressão e aumenta durante o ciclo de sucção. O impactodeste comportamento inverso entre a tensão e a corrente está no fator depotência do motor, fator que diminui conforme a forma de onda da correntetorna-se mais diferente da forma de onda da tensão induzida.Breve Descrição e Objetivos da Invenção

A técnica de controle, objeto da presente invenção, tem por obje-tivo melhorar o fator de potência do motor Brushless DC aplicado no acio-namento de cargas cíclicas, através do ajuste da forma de onda da correnteaplicada ao motor. Este ajuste na forma de onda da corrente deve ser reali-zado devido às variações na tensão induzida do motor decorrentes das vari-ações de velocidade dentro de uma volta mecânica.

Os ajustes na forma de onda da corrente são baseados nas in-formações das voltas anteriores, tendo em vista que o padrão da forma deonda do torque, da velocidade e da tensão induzida no motor devem variarpouco de uma volta mecânica para outra na operação com cargas cíclicas. Atécnica de controle proposta aproveita esta característica cíclica da cargapara antecipar os ajustes na tensão aplicada ao motor. Seria como se a téc-nica de controle antecipasse a carga do motor e conseguisse prever o im-pacto desta variação sobre o motor. O controlador pode então antecipar osajustes necessários na tensão aplicada ao motor com base neste compor-tamento previsto.

A fim de implementar o ajuste no formato de onda da corrente, ométodo de controle monitora e armazena as velocidades instantâneas emcada posição do motor. O método de controle então modifica a tensão a seraplicada ao motor multiplicando a tensão média previamente definida pelocontrole de velocidade pela divisão entre a velocidade instantânea e a velo-cidade média. As informações da velocidade instantânea utilizadas nestecálculo são provenientes da volta anterior do motor, de forma que o contro-lador consiga antecipar o comportamento do motor. A correção realizada natensão aplicada ao motor, de acordo com a forma descrita, consegue ajustara forma de onda da corrente para que esta seja semelhante à forma de ondada tensão induzida.

Este trabalho também ressalta que a imposição de qualquer mo-dificação na corrente dar-se-á através da alteração da tensão instantâneaentregue ao motor, sem alterar a tensão média calculada pela malha de con-trole de velocidade.Descrição Resumida dos Desenhos

A invenção será descrita com referência aos desenhos em ane-xo, dados a título explicativo e nos quais:

Figura 1: (a) Representa um diagrama de blocos de um sistemade acionamento de motor de ímãs permanentes, do tipo Brushless DC, trifá-sico de 4 pólos, com tensões trapezoidais de patamar 120° elétricos. O dia-grama é composto por um retificador, um filtro capacitivo, um inversor trifási-co, caracterizado pelo conjunto de chaves de potência, um motor de ímãspermanentes, um observador de tensão e uma unidade de controle. Em (b),as formas de onda características do acionamento do motor elétrico;

Figura 2: Apresenta o diagrama DE blocos para o acionamentodo motor elétrico utilizando um controlador de velocidade média. O controledesta solução se dá pelo monitoramento da velocidade média do motor;

Figura 3: (a) Formas de onda da tensão induzida EA e a tensãomédia aplicada FA em uma das fases do motor, para uma carga constanteaplicada ao eixo do motor. Neste mesmo caso, em (b) é apresentada a for-ma de onda de corrente do motor;

Figura 4: (a) e (c) Detalhe da diferença entre a tensão aplicadaao motor FA e a tensão induzida EA em instantes diferentes, dentro de umperíodo mecânico. Além disso, (b) e (d) mostram as respectivas correntesresultantes no motor;

Figura 5: Corrente nas três fases do motor resultante do métodode controle da velocidade média aplicado a uma carga constante. As corren-tes das três fases apresentam um formato de onda idêntico dentro de umavolta mecânica;

Figura 6: Curva característica de uma carga cíclica aplicada aum motor acionado por um controlador de velocidade média;

Figura 7: (a) Apresenta as formas de onda da tensão induzidaEA e da tensão aplicada ao motor FA. (b) Apresenta a forma de onda da cor-rente resultante no motor. A variação da tensão induzida EA é conseqüênciadireta da variação da velocidade do motor dentro de uma volta mecânica;

Figura 8: (a) Detalhe da diferença entre a tensão aplicada aomotor FA e a tensão induzida EA durante o instante de velocidade máxima,(b) Corrente resultante durante o instante de velocidade máxima, (c) Detalheda diferença entre a tensão aplicada ao motor FA e a tensão induzida EAdurante o instante de velocidade mínima, (d) Corrente resultante durante oinstante de velocidade mínima;

Figura 9: Apresenta a corrente nas três fases do motor resultan-te do método de controle da velocidade média aplicado à carga cíclica;

Figura 10: Diagrama de blocos do método de controle propostopara a melhoria do fator de potência do motor. O bloco responsável pelo a-juste da forma de onda da corrente está em destaque na figura;

Figura 11: (a) Apresenta as formas de onda da tensão induzidaEA e da tensão aplicada ao motor FA corrigida pelo método de controle pro-posto. (b) Apresenta a forma de onda da corrente resultante no motor;

Figura 12: (a) Detalhe da tensão aplicada ao motor FA corrigidapelo método de controle proposto e a tensão induzida EA durante o instantede velocidade máxima, (b) Corrente resultante durante o instante de veloci-dade máxima, (c) Detalhe da tensão aplicada ao motor FA corrigida pelo mé-todo de controle proposto e a tensão induzida EA durante o instante de velo-cidade mínima, (d) Corrente resultante durante o instante de velocidade mí-nima;

Figura 13: Apresenta a corrente nas três fases do motor corrigi-da pelo método de controle proposto nesta invenção;

Figura 14: Apresenta a velocidade média em cada posição ad-quirida por um observador de velocidade, juntamente com a velocidade realdo motor;

Figura 15: Mostra o atraso existente na medição de velocidade,caracterizado pela diferença entre a velocidade real e a velocidade medidapelos instantes de comutação; e

Figura 16: Mostra o armazenamento da velocidade instantâneaem cada posição do motor, conforme disposto no diagrama de blocos decontrole desta invenção.

Descrição Detalhada das figurasA figura 1 (a) traz a configuração básica de um diagrama de con-trole e (b) as formas de ondas ideais existentes no acionamento de um mo-tor de ímãs permanentes do tipo Brushless DC trifásico de quatro pólos, on-da trapezoidal. A título de exemplificação, doravante, este motor será utiliza-do para análise dos demais gráficos. Contudo, a invenção também é válidapara qualquer motor de ímãs permanentes do tipo Brushless DC. Em funcio-namento normal, o controle analisa a entrada do observador de tensão e/oucorrente e aciona as chaves SW1,..,SW6 na seqüência indicada na figura 1(b) conforme a posição detectada.

Além disso, sabe-se que através da utilização de sensores aco-plados ao eixo do motor, observadores de tensões induzidas ou correntes épossível mensurar a velocidade do motor. Na configuração proposta, utili-zou-se um observador de tensão figura 1 (a), embora qualquer outro disposi-tivo de medição de velocidade possa ser aplicado à invenção apresentada.Na figura 2, pode ser visto um diagrama de blocos de um controle por velo-cidade média de um motor. Nesta configuração, representa o motor e o in-versor, é um sensor que possa efetuar o monitoramento da velocidade, e é ocontrolador responsável por processar as informações de velocidade provin-das do sensor juntamente com a referência definida pelo sistema.

A figura 3 apresenta a resposta do motor acionado por um con-trolador convencional de velocidade média para o caso da imposição de umacarga constante sobre o eixo . A condição de carga constante é favorável aeste tipo de controle, visto que a velocidade real de rotação permanececonstante durante um ciclo mecânico. Esse comportamento constante davelocidade se reflete na forma de onda de tensão induzida no motor. Con-forme a figura 3 (a), a tensão induzida mantém um formato uniforme, ou se-ja, não se altera durante um ciclo mecânico. Como conseqüência, a formade onda resultante da corrente no motor também adquire um comportamentouniforme, não se alterando durante a volta mecânica, conforme apresentadona figura 3 (b).

As figuras 4 (a) e (c) detalham a diferença entre a tensão induzi-da EA e a tensão FA aplicada ao motor, a qual permanece aproximadamen-te constante dentro de uma volta mecânica. As figuras 4 (b) e (d) mostramque a forma de onda da corrente de fase resultante no motor também é idên-tica dentro de uma volta mecânica, devido à manutenção da diferença entrea tensão induzida EA e a tensão FA aplicada ao motor.

Por conseguinte, como pode ser observado na figura 5, as for-mas de onda das correntes resultantes nas três fases do motor são idênti-cas, não demonstrando qualquer tipo de distorção durante o ciclo mecânico.

Porém, quais são os impactos se ao invés de uma carga cons-tante for aplicada uma carga cíclica sobre o eixo do motor? A figura 6 apre-senta um exemplo de carga cíclica, a qual é composta de uma oscilação emtorno de um ponto médio TM de operação. Uma carga com característicatipicamente cíclica é a carga gerada por um compressor alternativo. O im-pacto sobre a velocidade do motor, operando através do controlador con-vencional de velocidade média, é uma oscilação em torno da velocidademédia RPMM.

A oscilação da velocidade causa uma variação na amplitude datensão induzida EA, a qual é mostrada na figura 7. Como a tensão aplicadaao motor FA pelo controlador de velocidade é constante durante uma voltamecânica, quanto maior a tensão induzida EA menor será a corrente IA re-sultante do motor.

Assim, durante o instante de velocidade máxima, destacado nasfiguras 8 (a) e (b), a tensão induzida EA se aproxima muito da tensão aplica-da ao motor FA. Como conseqüência, ocorre uma diminuição da amplitudeda corrente IA. Durante o instante de velocidade mínima, destacado nas fi-guras 8 (c) e (d), ocorre o fenômeno inverso.

O impacto da variação de velocidade sobre as correntes do mo-tor é resumido na figura 9, onde é visível a distorção das correntes de faseIA, IB e IC dentro de uma volta mecânica. A diminuição da corrente resultan-te no motor durante o aumento da tensão induzida, ou o aumento da corren-te durante a diminuição da tensão induzida, tem impacto direto na reduçãodo fator de potência do motor.

Para melhorar o fator de potência do motor, a corrente deveriapossuir o mesmo formato da tensão induzida. Assim, quando ocorresse umadiminuição da tensão induzida dever-se-ia ter uma redução da corrente evice-versa. Mas o fenômeno que ocorre utilizando o controlador de velocida-de convencional é justamente o oposto. Esta variação de corrente despro-porcional à tensão induzida durante uma volta mecânica do motor prejudicao fator de potência do motor e consequentemente diminui a eficiência dosistema.

O método de controle proposto nesta invenção tem por objetivomelhorar o fator de potência do motor aplicado no acionamento de cargascíclicas ajustando a forma de onda da corrente. O método de controle pro-posto está representado na forma de diagramas de blocos na figura 10. Obloco responsável pelo ajuste da forma de onda da corrente está em desta-que na figura.

A fim de implementar o ajuste no formato de onda da corrente, ométodo de controle monitora a velocidade instantânea e a velocidade médiado motor. O método de controle então modifica a tensão a ser aplicada aomotor Vcontrole multiplicando a tensão média VM1 previamente definida pelocontrole de velocidade, pela divisão entre a velocidade instantânea RPMreaI ea velocidade média RPMmédio-

<formula>formula see original document page 10</formula>

A correção realizada na tensão aplicada ao motor, de acordocom a forma descrita, consegue ajustar a forma de onda da corrente paraque esta seja semelhante à forma de onda da tensão induzida. A figura 11(a) apresenta as formas de onda da tensão induzida EA e da tensão aplica-da ao motor FA. A amplitude da corrente corrigida IA, mostrada na figura 11(b), passa então a ser diretamente proporcional à tensão induzida EA.

Assim, durante o instante de velocidade máxima, destacado nasfiguras 12 (a) e 12 (b), a tensão aplicada FA aplicada sobre o motor é au-mentada, proporcionando um aumento da amplitude da corrente IA. Duranteo instante de velocidade mínima, destacado nas figuras 12 (c) e 12 (d), ocor-re o fenômeno inverso.O resultado do ajuste das correntes de fase IA1 IB e IC é apre-sentado na figura 13. Apesar de parecer estranho, as oscilações agora apre-sentadas pela corrente são favoráveis à melhoria do fator de potência, poisestão em fase com as mesmas variações apresentadas pela tensão induzida.

Porém, é possível utilizar um observador de velocidade muitosimples, com base apenas nos instantes de comutação. Neste tipo de ob-servador de velocidade, a velocidade em cada posição é definida com baseno tempo de permanência em cada posição. A saída deste tipo de observa-dor é um sinal amostrado com o valor da velocidade média em cada posi-ção, conforme é mostrado na figura 14.

Entretanto, o valor da velocidade média calculado neste métodoé obtido ao final de cada posição, o que implica num atraso de uma posiçãona leitura da velocidade em cada posição. A figura 15 mostra a diferençaentre a velocidade real e a velocidade medida através dos instantes de co-mutação. O método de controle proposto nesta invenção consegue contor-nar as limitações impostas por este atraso na medição da velocidade.

Para isso, os ajustes na forma de onda da corrente são basea-dos nas informações das voltas anteriores, tendo em vista que o padrão daforma de onda do torque, da velocidade e da tensão induzida no motor de-vem variar pouco de uma volta mecânica para outra na operação com car-gas cíclicas. A técnica de controle proposta aproveita esta característica cí-clica da carga para antecipar os ajustes na tensão aplicada ao motor. Seriacomo se a técnica de controle antecipasse a carga do motor e conseguisseprever o impacto desta variação sobre o motor. O controlador pode entãoantecipar os ajustes necessários na tensão aplicada ao motor com base nes-te comportamento previsto.

A fim de implementar o ajuste no formato de onda da corrente, ométodo de controle monitora e armazena a velocidade instantânea em cadaposição do motor, conforme apresentado pelo diagrama de blocos da figura16. O método de controle então modifica a tensão a ser aplicada ao motormultiplicando a tensão média previamente definida pelo controle de veloci-dade pela divisão entre a velocidade instantânea e a velocidade média. Asinformações da velocidade instantânea utilizadas neste cálculo são proveni-entes da volta anterior do motor, de forma que o controlador consiga anteci-par o comportamento do motor. A correção realizada na tensão aplicada aomotor, de acordo com a forma descrita, consegue ajustar a forma de ondada corrente para que esta seja semelhante à forma de onda da tensão indu-zida.

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, de-ve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possí-veis variações, sendo limitado tão-somente pelo teor das reivindicações a-penas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims

1. Método de controle antecipador para motores elétricos aplica-dos a cargas cíclicas compreendendo:um motor elétrico do tipo Brushless DC;um microcontrolador;um conjunto de chaves (SW2N) de potência, que controlam atensão aplicada a cada fase do motor, energizadas pela tensão de barra-mento (VBARR) e comandadas pelo microcontrolador;um observador de posição, para monitorar a posição do motor, eesteja associado ao microcontrolador;um controlador de velocidade, para controlar a velocidade médiado motor;caracterizado pelo fato do microcontrolador comandar as chavesde potência, recebendo informações do observador de posição para acionaro motor elétrico; o microcontrolador monitora e armazena a velocidade ins-tantânea de cada posição do motor; o microcontrolador calcular a tensãomédia de acordo com um controlador de velocidade; o microcontrolador a-justar a tensão aplicada ao motor através da multiplicação da tensão médiapelo resultado da divisão entre a velocidade instantânea e a velocidade mé-dia para que o formato de onda da corrente seja semelhante ao formato deonda da tensão induzida; a velocidade instantânea utilizada é uma amostrada volta anterior de forma que o controlador se antecipe às característicasda carga cíclica.

2. Método de controle antecipador para motores elétricos aplica-dos a cargas cíclicas, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o observador de velocidade é baseado na resposta do observa-dor de posição.

3. Método de controle antecipador para motores elétricos aplica-dos a cargas cíclicas, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelofato de que o observador de velocidade é simplesmente um temporizadormonitorando a resposta do sensor de posição.

4. Método de controle antecipador para motores elétricos aplica-dos a cargas cíclicas, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de aplicar uma tensão constante durante cada uma das posições decomutação.

5. Método de controle antecipador para motores elétricos aplica-dos a cargas cíclicas, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato da tensão aplicada em cada posição ser uma função das rotações me-didas em cada posição.

6. Método de controle antecipador para motores elétricos aplica-dos a cargas cíclicas, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de utilizar um filtro no intuito de melhorar a leitura de velocidade do mo-tor.

7. Método de controle antecipador para motores elétricos aplica-dos a cargas cíclicas, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelofato de utilizar uma média como filtro no intuito de melhorar a leitura de velo-cidade do motor.