Utilizando acionamentos multifásicos como sistema de propulsão de elevadores

Em paralelo, está sendo explorado o uso de um motor indutivo de seis fases e um conversor matricial de seis fases, com o objetivo de aumentar a confiabilidade e a eficiência dos acionamentos de elevadores.

por Davoud Karbalaei, Amir Bahram Daraei e Hossein Bakhtiari

Este artigo investiga o desempenho de motores multifásicos para uso como acionamentos em elevadores de tração e demonstra suas vantagens em comparação com motores trifásicos. Diversos conversores podem ser utilizados para controlar os motores, sendo o utilizado neste trabalho denominado “conversor matricial”. Este conversor apresenta muitas vantagens, devido à eliminação dos capacitores do barramento CC, entre as quais a redução das dimensões do conjunto controle/acionamento. Portanto, o uso de um conversor matricial possibilita a integração motor/acionamento, o que reduz o tamanho do sistema de controle, especialmente em projetos sem sala de máquinas.

Introdução

Em aplicações industriais, e considerando o procedimento de partida direta (DOL) do motor sem inversor, o sistema trifásico é bastante lógico, visto que a rede elétrica se baseia nele, e o uso de motores com mais de três fases geralmente não faz sentido. Além disso, devido às vantagens dos motores trifásicos em comparação aos monofásicos, a potência de saída aumenta drasticamente apenas com o aumento do número de fases (dois fios monofásicos em um sistema monofásico e três fios em um sistema trifásico). Em outras palavras, com um aumento de 50% na espessura do cobre, a potência de saída aumenta em 200%. O controle simplificado do motor é possível quando o controle do motor (CM) é realizado utilizando o inversor com o número desejado de fases de saída. Portanto, nessa situação, o uso de motores/inversores com mais de três fases pode ser investigado. Este artigo aborda essa questão, considerando os requisitos padrão para o uso de inversores em elevadores de tração.

Por outro lado, um conversor matricial é considerado um dos tipos de conversores mais recentes, tendo em vista as vantagens que apresenta para o controle de motores de elevadores. Suas dimensões reduzidas, fator de potência e a possibilidade de devolver a energia à rede (em vez de perdê-la no resistor de frenagem) são os principais motivos que tornam esse tipo de conversor atraente. A seguir, serão analisados ​​separadamente um motor indutivo hexafásico e um conversor matricial hexafásico. Por fim, serão descritas as vantagens e desvantagens da utilização desses dois componentes em um pacote integrado.

Motor de indução hexafásico

As máquinas de indução são utilizadas há mais de 100 anos devido às suas vantagens, como simplicidade estrutural, alta potência, boa confiabilidade, baixo custo, volume e peso razoáveis ​​e boa eficiência. Atualmente, mais de 90% das atividades industriais rotativas são realizadas por motores de indução trifásicos.

Motores multifásicos com número de fase n (n> 3) constituem uma nova geração de motores frequentemente utilizados hoje em aplicações de alta potência e alta confiabilidade. O motor hexafásico possui seis bobinas separadas, que podem ser consideradas como duas séries de bobinas trifásicas. A Figura 1 mostra um esquema desse tipo de motor, no qual duas séries de fios de enrolamento formam um ângulo de 30° (cada uma com 3 fases), sendo o ângulo entre as fases de cada grupo de 120°.

Neste esquema, todas as bobinas são comuns em um ponto, assim como o desenho da conexão em estrela. Para analisar e controlar este motor, é necessário analisar seu circuito elétrico. Para controlar o vetor de rotação deste tipo de motor, as equações são escritas e analisadas em dois eixos verticais, q e d. O circuito equivalente das fases do motor nos dois eixos é mostrado na Figura 2. Como seis correntes independentes fluem pelas seis fases de um motor de indução, a máquina hexafásica é essencialmente um sistema hexadimensional. As variáveis ​​de fluxo ao longo do tempo podem ser representadas por um vetor em um espaço hexadimensional (Figura 2).

As correntes do estator com um vetor de seis dimensões são:

Este vetor possui seis vetores de base:

De acordo com essas definições, define-se um espaço de seis dimensões dq-z1-z2-o1-o2. e a equação da tensão do estator é:

As equações de tensão do rotor são:

Na transformação do vetor de tensões de saída do inversor para o sistema de referência dq-z1-z2-o1-o2, com a conexão dos enrolamentos do estator à saída do inversor e sem a conexão dos pontos neutros, apenas as tensões de linha da máquina são conhecidas diretamente. Em outras palavras, a matriz de conversão (Equação 5) converte as variáveis ​​de fase da máquina para o novo sistema de referência dq-z1-z2-o1-o2. Portanto, a conversão da tensão de linha para a tensão de fase é essencial.

Se os pontos neutros de dois conjuntos de fios de enrolamento das três fases do motor forem conectados entre si, após a conversão das tensões de linha para tensões de fase, a conversão das tensões de linha para tensões de fase é obtida pela inversa da matriz de transformação:

As relações acima são fundamentais na análise do motor hexafásico e podem ser usadas para analisar o estado estacionário do motor. As vantagens mais importantes de um motor hexafásico em relação a um motor trifásico são:^[5-9]

• Aumento da confiabilidade. Redução dos harmônicos no barramento CC.
• Redução da corrente harmônica do rotor e das perdas de potência
• Reduzindo as flutuações de torque
• Melhor distribuição de potência nas fases do motor
• Melhorar o perfil de potência
• Aumentando a eficiência

Matriz Conversor

Os inversores elétricos de dois estágios são geralmente usados ​​para controlar o motor do elevador. Como mostrado na Figura 3, a estrutura desses conversores consiste em três partes: retificadores, barramento CC e inversores. A parte do retificador consiste em apenas seis diodos e atua como um retificador não controlado. Portanto, não há controle sobre a quantidade de energia que entra no inversor. A seção do barramento CC contém dois ou mais capacitores. A vida útil dos capacitores e suas dimensões relativamente grandes criam algumas limitações. Além disso, a injeção de energia adicional no resistor de frenagem é feita pelos elementos relevantes, geralmente transistores bipolares de porta isolada (IGBTs). A seção do inversor é responsável por gerar diferentes ondas de tensão em diferentes frequências, de acordo com o estado do motor e a condição ideal.

Um conversor matricial é um conversor de potência com comutação obrigatória. Este conversor, que na verdade é uma matriz de chaves de duas vias, estabelece uma relação direta entre a entrada e a saída. O conversor matricial requer menos espaço devido à relação direta que estabelece entre entradas e saídas e não necessita de elementos volumosos de armazenamento de energia, como capacitores de barramento CC, em comparação com outros conversores de potência convencionais. Além disso, a ausência de capacitores na estrutura do conversor aumenta sua confiabilidade. O conversor matricial é outro tipo de conversor que não possui barramento CC nem capacitores, e combina duas seções de retificador e inversor.

Gyugyi-Pelly apresentou pela primeira vez a estrutura principal do conversor matricial em 1976. No entanto, o verdadeiro desenvolvimento do conversor matricial com o trabalho de Venturini e Alesina começou em 1980. Eles introduziram o circuito conversor como uma matriz de chaves de potência bidirecionais e definiram o nome. Um de seus objetivos mais importantes foi o desenvolvimento de uma análise matemática robusta para descrever o comportamento em baixa frequência do transdutor, denominada "Matriz de Modulação de Baixa Frequência". Nessa modulação, também conhecida como "Função de Transferência Direta", a tensão de saída é obtida multiplicando-se a matriz de modulação pela tensão de entrada.

Um método de controle diferente, baseado na teoria do “Link CC fictício”, foi introduzido por Rodriguez em 1983.[13] Dessa forma, as chaves são posicionadas de modo que cada linha entre as entradas positiva e negativa seja chaveada pela modulação por largura de pulso (PWM), e a fonte de tensão padrão é usada no inversor. Isso também é conhecido como “função de transmissão indireta”. Em 1985 e 1986, Ziogas publicou dois artigos descrevendo o termo “Link CC fictício” e fornecendo uma sólida expansão matemática. Em 1983, Brown e, em 1989, Costner e Rodriguez introduziram o uso de espaços vetoriais na análise e controle de conversores matriciais. Também em 1989, Haber apresentou seu primeiro artigo sobre “Sistemas de Gerenciamento de Espaços Verdes (SPVM)” sobre modulação de conversores matriciais.

Os métodos de modulação baseados na teoria de Ventorini são conhecidos como métodos diretos, enquanto os métodos baseados em um "link CC fictício" são conhecidos como métodos indiretos. Kastner e Rodriguez, em 1985, assim como Schauder e Neft, em 1992, realizaram experimentos práticos que comprovaram a eficácia de um conversor matricial de nove teclas.

poderia ser usado eficientemente para controlar o vetor de um motor de indução trifásico com fluxo de saída e entrada de alta qualidade.[15]

É importante notar que, neste caso, a unidade retificadora é totalmente controlada e é possível devolver energia à rede por meio de chaves bidirecionais. A combinação das duas partes, retificadora e inversora, e seu controle, resultam em um fator de potência igual a um. A Figura 4 mostra um esquema simplificado de um conversor matricial trifásico, composto por nove chaves bidirecionais. O conversor matricial é conectado aos terminais a, b e c através da rede elétrica trifásica e ao motor através dos terminais A, B e C, após as transformações necessárias. Cada fase de entrada pode ser conectada a qualquer momento a qualquer uma das fases utilizando as chaves (Figura 4).

Para analisar esses tipos de conversores, é melhor simular com conversores convencionais e, em seguida, analisá-los. O modelo equivalente é mostrado na Figura 5. A função de um conversor matricial hexafásico neste artigo é a transformação da tensão trifásica para alimentar um motor hexafásico. Isso significa converter a entrada trifásica em saída hexafásica. Portanto, neste caso, em vez de nove chaves bidirecionais, são necessárias 18 chaves. A Figura 6 mostra um projeto simplificado de tal modelo. Como mostrado, cada chave será responsável por conectar cada uma das três fases de entrada a cada uma das seis fases de saída. As próprias chaves bidirecionais podem ter estruturas diferentes. Duas das estruturas dessas chaves são mostradas na Figura 6.

Em um conversor matricial de seis fases, um total de 18 chaves do conversor matricial produzem 729 modos de comutação diferentes, dos quais 64 são permitidos. As tensões do conversor matricial estão de acordo com seus 64 modos de comutação. As Figuras 7-9 mostram vetores transmitidos para três telas dq, O1-O2, Z1-Z2.[16] Deve-se notar que os vetores colocados na placa O1-O2 estão dispostos em linha reta. Assim, na verdade, o sistema será reduzido a um sistema de cinco dimensões. Quando o número é convertido em um número binário de seis dígitos, os números em cada vetor determinam o estado de comutação.

Um modelo desenvolvido para uma máquina hexafásica afirma que apenas as tensões e correntes dq estão relacionadas à conversão de energia eletromecânica. Portanto, o objetivo do método de modulação por largura de pulso vetorial espacial (SVPWM) é extrair o vetor de tensões dq para que o torque seja fornecido. A média da relação tensão-tempo nas placas Z1-Z2 e O1-O2 também deve ser zero durante o período de amostragem. A estratégia de PWM vetorial é aplicada considerando:

onde é o ka imagem do vetor de tensão no eixo x, e T_k é o tempo de aplicação desse vetor ao longo do tempo. T_sValores e As tensões de referência estão na página dq. Durante cada período de amostragem. T_s, um conjunto de cinco vetores de tensão deve ser selecionado de forma que cada T_k possui um valor positivo e único. Existem diversas maneiras de selecionar tal conjunto. A Equação 7 é utilizada para analisar e aplicar o método SVPWM a um conversor matricial de seis fases.

De acordo com a pesquisa,^{[11] e 13-15]} As vantagens mais importantes de um conversor matricial em relação aos conversores comuns de dois estágios são:

• Entradas e saídas de onda senoidal
• Não há necessidade de elementos volumosos reativos.
• A possibilidade de um coeficiente de deslocamento unitário para cada tipo de carga
• Desempenho em quatro áreas
• Design simples e compacto
• A capacidade de regenerar energia
• Resposta rápida
• Maior controlabilidade
• Independência do número de fases, da forma de onda e da frequência tanto na entrada quanto na saída.
• Remover o capacitor e, consequentemente, a capacidade de operar em temperaturas mais altas.
• Sem necessidade de manutenção ou reparos.

Sistema de controle de seis fases

Ao combinar um conversor matricial trifásico com seis fases e utilizar um motor hexafásico, obtêm-se todas as vantagens de cada um. Considerando que o uso de um inversor de frequência é necessário nos sistemas de controle de elevadores, não há, portanto, nenhuma limitação específica nesse sentido. Uma das características mais valiosas deste projeto é o aumento da confiabilidade e do controle do sistema de propulsão.

Em sistemas trifásicos convencionais, se um IGBT ou uma fase do motor queimar ou desconectar, é impossível controlar o motor. Se, em sistemas hexafásicos, uma das fases for interrompida, o sistema ainda pode operar em cinco fases (com torque reduzido, obviamente). Como um elevador geralmente opera abaixo da capacidade nominal, é possível utilizar o sistema. Em caso de erro e com detecção de falha, o algoritmo de controle pode controlar o motor com um algoritmo modificado para cinco fases. Deve-se notar que existem vários algoritmos e métodos para controlar tal sistema e lidar com a ocorrência de um determinado erro. Em um desses projetos, adicionando uma chave bidirecional ao conversor, o torque de saída pode ser aumentado. O sistema pode sofrer pequenas flutuações de torque, mas ainda assim pode operar de forma confiável.[16-20]

Por outro lado, sabendo que o motor atua como um gerador, sua energia é transmitida ao inversor em aproximadamente metade dos movimentos. A energia devolvida ao inversor se manifesta como um aumento no nível de tensão do barramento CC e, se esse nível de tensão exceder um determinado limite, causará danos ao inversor. Para evitar isso, os inversores devem ser equipados com um circuito chopper e um resistor de frenagem para transferir e dissipar o excesso de energia. Entretanto, utilizando conversores com partes retificadoras controláveis, a energia do motor pode ser devolvida à rede elétrica. O conversor matricial também possibilita isso, devido à sua estrutura e à conexão direta entre as fases de entrada e saída, além do uso de chaves bidirecionais. Isso é especialmente importante para elevadores de alta velocidade e de grande altura.

A remoção dos capacitores do barramento CC pode ser analisada sob duas perspectivas: aumentar a vida útil do inversor e reduzir suas dimensões. A redução de dimensões, especialmente em elevadores sem casa de máquinas, é um fator decisivo. Por outro lado, com o aumento do número de fases do motor, a corrente em cada fase de um motor hexafásico se reduz à de um motor trifásico com a mesma potência. Reduzir a corrente do motor dessa forma diminui a potência e, consequentemente, as dimensões dos disjuntores e contatores, bem como a seção transversal dos cabos e terminais. Além disso, um motor hexafásico possui dimensões menores do que um motor trifásico com potência idêntica. Assim como com o aumento do número de fases do motor, ambos os motores apresentam menores flutuações de torque do que um motor monofásico.

A redução das flutuações de torque e, consequentemente, a melhoria da qualidade da curva de sustentação podem ser justificadas economicamente para os consumidores com base no conforto de condução. Outra vantagem deste sistema é o aumento do fator de potência de todo o sistema de acionamento em comparação com um acionamento convencional. Através de cálculos precisos e algoritmos de controle avançados, é possível obter um fator de potência unitário. Além disso, a redução da amplitude do fluxo nos enrolamentos do motor e no caminho de acionamento até o motor reduz a amplitude dos harmônicos produzidos e minimiza os danos aos cabos de transmissão de sinal de baixa potência.

Apesar de todas as vantagens mencionadas, existem limitações no uso deste projeto. A primeira limitação é o custo deste sistema de controle. Dado que os módulos IGBT para inversores produzidos em massa são fabricados por diversos fabricantes, o custo dos inversores utilizados por esses IGBTs é baixo. Embora relativamente novos, os conversores matriciais têm poucos fabricantes, o que os torna mais caros do que os IGBTs convencionais. Além disso, poucos fabricantes foram introduzidos para motores hexafásicos, e os projetos desses motores são personalizados, o que também aumenta seu custo. Devido à dupla face do conversor matricial, às chaves e à injeção de energia na rede elétrica, o uso de filtros na entrada do inversor é obrigatório.

Projeto proposto

Considerando os materiais apresentados e a crescente necessidade de maior qualidade, redução de falhas, diminuição de dimensões e aumento da confiabilidade dos sistemas de controle, este artigo propõe um projeto que se espera ser bem recebido por fabricantes e projetistas de sistemas de controle e motores elétricos. O projeto inclui um sistema integrado de motor/acionamento. O sistema de controle do motor/acionamento pode ser posicionado no próprio corpo do motor devido à remoção do capacitor do sistema conversor eletrônico e à redução da área da seção transversal, do fluxo de fios do motor e das dimensões do motor elétrico. Isso reduzirá os caminhos de energia e sinal (como em um encoder) e criará menos interferência eletromagnética no ambiente circundante. Também reduz a influência de ruídos e interferências do ambiente externo nos fios que transmitem o sinal.

As conexões do sistema de controle do elevador ao conjunto integrado motor/acionamento incluem três acionamentos de motor com fonte de alimentação e um sinal de controle de comunicação, como o protocolo CANopen. Muitos comandos e feedbacks podem ser trocados no contexto dessa comunicação serial e certamente não exigirão uma fiação significativa. Há necessidade de fiação separada para controlar o freio mecânico do motor e outros itens importantes, mas, em geral, a fiação do painel de controle e do controlador do elevador até o conjunto motor/acionamento é bastante reduzida (Figura 10). Além disso, o uso crescente da função de desligamento seguro de torque (STO) leva à remoção dos contatores do motor, reduzindo a fiação e o custo do produto. Também reduz as dimensões do conjunto motor/acionamento. Tudo isso resulta em uma redução significativa no sistema de controle do elevador e abre caminho para projetos com restrições de espaço, especialmente aqueles sem casa de máquinas.

Conclusão

A utilização de sistemas de controle hexafásicos apresenta muitas vantagens em relação aos sistemas trifásicos convencionais, e pesquisas sobre o desempenho e a confiabilidade desses sistemas vêm sendo realizadas há vários anos. O sistema de controle hexafásico também utiliza um conversor matricial mais moderno. Ao instalar um sistema MC que permite a eliminação de capacitores de acionamento e a redução do consumo de energia de seus componentes principais, além da atenção a tecnologias como a função STO e protocolos de comunicação confiáveis ​​como o CANopen Lift, os projetistas obtêm recursos exclusivos para sistemas de elevadores.

A redução das dimensões do inversor e do motor devido à diminuição da corrente nominal e da seção transversal das bobinas, a redução das dimensões do inversor, a remoção do resistor de frenagem (que economiza energia e gera impactos ambientais positivos), a menor quantidade de cabos de alimentação e de sinal e, principalmente, o aumento da confiabilidade do sistema de controle (que, mesmo com a interrupção de uma das fases do motor, pode funcionar corretamente) são as principais características do projeto proposto. Além disso, a melhoria da curva de sustentação se deve à redução das flutuações de torque, resultante do aumento do número de fases do motor, bem como à redução de harmônicos indesejáveis. O aumento do fator de potência e a redução do consumo de energia, em geral, estão entre os outros pontos fortes do projeto. No entanto, restrições como o aumento dos preços devido à limitação de equipamentos e ao pequeno número de empresas capazes de implementar tal projeto resultarão em um custo mais elevado do que os projetos convencionais no início dos trabalhos. Esta proposta se aplica a caixas de engrenagens e compressores.

Referências
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