Controle coordenado de conversor PWM duplo para acionamentos de elevadores

São examinadas análises teóricas e resultados experimentais de conversores PWM duplos.

por Han Shuang, Zheng Jiong, Luo Zhiqun e Wan Jianru

Os acionamentos CA com modulação por largura de pulso (PWM) dupla são uma das tecnologias de elevadores mais eficientes em termos energéticos. Neste trabalho, focaremos no controle coordenado de conversores PWM duplos integrados a acionamentos de elevadores com realimentação de energia. Análises teóricas e resultados experimentais demonstram que o sistema apresentado, com estrutura de circuito simples, permite: operação simultânea dos quatro quadrantes do motor, fluxo de energia bidirecional, baixa distorção harmônica total (THD) e alto fator de potência na rede elétrica. Em suma, o sistema possibilita economia de energia para o elevador e redução da poluição energética causada pelos conversores na rede.

As Os elevadores representam aproximadamente 20% do consumo total de energia de edifícios altos modernos, e tecnologias de elevadores com foco em economia de energia têm recebido cada vez mais atenção. O método de economia de energia adotado pela maioria dos fabricantes é o motor síncrono de ímã permanente (PMSM) sem engrenagens, que apresenta um certo efeito de economia de energia, mas ainda desperdiça energia regenerativa. Em alguns elevadores, um dispositivo de realimentação de energia é adicionado ao sistema de acionamento CA/CC/CA tradicional. A economia de energia pode parecer óbvia, mas a confiabilidade do sistema é baixa e a energia de realimentação interfere na rede elétrica e em outros equipamentos elétricos. Ao utilizar conversores PWM duplos, a energia de frenagem regenerativa pode ser realimentada para a rede. Além disso, a poluição energética na rede elétrica causada pelos conversores do elevador pode ser reduzida, ou seja, obtendo-se baixa distorção harmônica total (THD) na corrente de entrada e alto fator de potência.

Conversores PWM duplos para acionamentos de elevadores

Circuitos retificadores de diodo não controlados são amplamente utilizados em conversores de elevadores. Embora a estrutura do circuito seja simples, a energia de frenagem regenerativa do motor é desperdiçada pela resistência de frenagem, em vez de ser devolvida à rede elétrica. Outras desvantagens dos retificadores de diodo incluem altos níveis de harmônicos na corrente de entrada e baixo fator de potência, ambos poluindo a energia da rede.

O modo de frenagem tradicional desperdiça energia e limita o desempenho da frenagem. Como resultado, algumas empresas e instituições de pesquisa propuseram adicionar um dispositivo de realimentação de energia ao retificador tradicional (Figura 1). Este dispositivo adota técnicas de inversão ativa, que convertem a energia regenerativa em energia CA na mesma frequência e fase da rede, devolvendo-a à rede. Dessa forma, é possível o fluxo bidirecional de energia entre o barramento CC e a fonte, e a energia de frenagem regenerativa pode ser reciclada. No entanto, a energia de realimentação interfere na rede e em outros equipamentos elétricos. Além disso, o sistema de realimentação de energia aumenta o custo, amplia o volume do dispositivo e diminui a confiabilidade e a velocidade de resposta dinâmica.

Um conversor PWM duplo (Figura 2) é composto por um indutor de filtro no lado da linha, um retificador PWM trifásico constituído por um transdutor bipolar de porta isolada (IGBT) e diodos antiparalelos, um capacitor de filtro no barramento CC e um inversor PWM trifásico constituído por um IGBT e um diodo antiparalelo. Elevadores que utilizam conversores PWM duplos melhoram significativamente a qualidade da energia CA, devido às vantagens de tensão constante no barramento CC, baixa corrente harmônica de entrada, alto fator de potência e fluxo de energia bidirecional. Assim, é possível realizar a realimentação da energia de frenagem regenerativa para a rede, resultando em economia de energia. Além disso, o motor pode operar em quatro quadrantes, o que é importante para o elevador.

Princípio de funcionamento e estratégia de controle

Princípio de funcionamento

Quando o motor do elevador está em funcionamento, as indutâncias do filtro do lado da linha e o retificador PWM trifásico atuam em conjunto como um retificador do tipo boost, com uma tensão CC de saída igual ou superior à tensão de pico de uma fonte CA. A energia flui do lado da linha para o barramento CC controlando o estado da chave do IGBT.

O capacitor de filtro do lado CC, como conexão entre o retificador e o inversor, funciona como carga do retificador e fonte do inversor. As características de filtragem do capacitor podem suavizar a forma de onda e diminuir as ondulações da tensão CC. O inversor transforma a tensão CC em uma onda modulada por largura de pulso (PWM) equivalente à tensão senoidal do motor do elevador. A rotação direta e inversa do motor pode ser ajustada controlando-se a ordem da sequência de fases do inversor.

Quando o elevador está subindo com pouca carga, descendo com muita carga ou em frenagem, ele gera energia renovável devido ao efeito de inércia da carga. Por outro lado, o retificador PWM funciona como um inversor, e o inversor funciona como um retificador. Portanto, a energia pode fluir do lado do motor do elevador para a rede elétrica, revertendo o retorno da energia regenerativa para a rede.

Controle coordenado de conversores PWM duplos

O conversor PWM duplo tradicional, que possui um inversor e um retificador com seus próprios circuitos de controle independentes, resulta em um aumento do volume do dispositivo e em recursos adicionais de hardware e software para o sistema de controle de comunicação dos controladores. Manter o fluxo de potência do lado do retificador igual ao do lado do inversor permite que a diferença de energia entre o retificador e o inversor por unidade de tempo diminua. Isso, por sua vez, reduz a flutuação de tensão e a capacitância do barramento CC.

Com conversores PWM duplos com motores, a energia regenerativa é acumulada na capacitância do lado CC, levando a um aumento na tensão do barramento CC, o que afeta a operação segura do sistema. O método de realimentação de potência da carga pode restringir a flutuação de tensão do barramento CC. A estratégia de controle de potência direta é usada para retificadores PWM. A mudança abrupta no estado do motor é realimentada, alterando diretamente o valor de referência do laço de potência interno do retificador. A pressão de regulação do laço de tensão CC é aliviada, permitindo que a tensão do lado CC seja mantida constante com uma capacitância menor.

Note que a instrução de potência de carga feedforward é calculada de acordo com as instruções de tensão e corrente; assim, o atraso do controlador causado pela detecção direta é reduzido. O controle vetorial orientado ao campo do rotor é adotado para um PMSM. A Figura 3 mostra o diagrama do princípio de controle do circuito de software.

A Figura 4 mostra o diagrama de blocos do controle de software do processador de sinal digital (DSP). O sistema é controlado por dois DSPs. O retificador do lado da linha é controlado com a estratégia de controle de potência direta pelo DSP1. Na rotina de interrupção do conversor analógico-digital do DSP1, a potência da carga é adicionada ao sinal de instrução de potência ativa como uma entrada de feedforward. O inversor e o motor síncrono de ímãs permanentes (PMSM) são controlados pelo método de controle vetorial pelo DSP2. O DSP2 também calcula a instrução de potência da carga de acordo com as instruções de tensão e corrente e a envia para o DSP1. Os dois DSPs comunicam-se entre si através do chip IDT70V261LPF, que possui dois barramentos de endereço e dois barramentos de dados conectados aos barramentos de endereço e dados periféricos dos DSPs, respectivamente. Os dois DSPs trocam dados configurando o registrador de interface externa (XINTF), o que permite que o DSP acesse o espaço externo periodicamente.

Experiência

Um sistema de hardware experimental, de acordo com o circuito mostrado na Figura 2, foi construído, incluindo principalmente o circuito principal do lado do retificador, os lados CC e inversor, o PMSM e a placa de controle DSP dupla (Figura 5). Observe que o DSP é o TMS320F2812 da Texas Instruments Co.

Análises de Resultados

Os parâmetros experimentais foram definidos da seguinte forma: entrada de 25 V, indutância de 4 mH, capacitância do barramento CC de 660 µF e valor de entrada de 60 V. A potência nominal do motor síncrono de ímã permanente (PMSM) era de 0.55 kW, a corrente nominal era de 1.5 A, a velocidade nominal era de 1,500 rpm, o número de pares de polos era dois e o fluxo do ímã permanente era de 0.66 Wb. As formas de onda experimentais são mostradas nas Figuras 6 e 7. Observe que as formas de onda são geradas pelo conversor digital-analógico (DVC) do DSP.

A Figura 6 mostra as formas de onda da tensão e da corrente de fase do lado da rede durante o funcionamento do motor. Ela também ilustra o conversor PWM duplo que realiza a retificação com alto fator de potência no lado da rede. A Figura 7 mostra as formas de onda da tensão e da corrente de fase do lado da rede durante a simulação de energia regenerativa utilizando uma carga de força contraeletromotriz (FCEM). Pode-se observar que a tensão e a corrente de fase do lado da rede são quase opostas, o que significa que o retificador PWM está em paralelo com a rede, apresentando alto fator de potência e permitindo o fluxo bidirecional de energia.

Conclusão      

Análises de simulação e resultados experimentais demonstram que o sistema apresentado permite economizar recursos de hardware e software, além de solucionar o problema de gerenciamento da energia regenerativa. A energia regenerativa pode ser injetada na rede elétrica quando o motor está em frenagem regenerativa, economizando energia para o elevador. Ademais, o sistema reduz a poluição energética da rede elétrica causada pelos conversores do elevador, alcançando baixa distorção harmônica total (THD) da corrente de entrada e alto fator de potência.

Referências
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