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Motores de Onda Trapezoidal
(Motores Brushless DC, BLDC ou
Motores CC sem escovas)
Máquinas Elétricas Especiais
Prof. Sebastião Lauro Nau, Dr. Eng.
Set 2017
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Introdução
Brushless sem escovas, sem comutador e sem anéis
- evita resíduos devido ao desgaste das escovas
- ruído reduzido
- menos manutenção
Tecnologias que permitiram o desenvolvimento dos
motores brushless DC:
- transistores de potência (IGBTs)
- microeletrônica de controle
- sensores (mais recentemente, técnicas sensorless)
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Configurações típicas dos Motores Brushless DC
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Características
- é equivalente ao motor CC, porém com comutação eletrônica
- a corrente é regulada por chaveamento dos transistores (PWM)
- o motor deve ter uma FEM trapezoidal e enrolamentos
concentrados
- não pode utilizar rotor com polos salientes – elevado ripple de
torque!
- utiliza número fracionário de ranhuras por polo para permitir uso
de enrolamentos concentrados e reduzir o cogging torque.
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Princípio de Funcionamento do Motor Brushless DC
Arco polar dos ímãs = 180°E.
Passo da bobina = 180°E.
Enlace de fluxo forma de onda
triangular.
O enlace de fluxo da bobina 1 está
no valor máximo negativo.
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O enlace de fluxo de cada bobina
varia de acordo com uma onda
triangular à medida que o rotor gira.
A bobina 2 está deslocada de um
ângulo gama em relação à bobina 1.
As FEMs das bobinas 1 e 2 se
somam se elas estiverem em série. A
FEM de fase é a soma das FEMs de
cada bobina, e apresenta degraus,
devido à defasagem entre cada
bobina.
A linha tracejada representa o
formato da FEM de fase na prática,
devido ao franjeameto do fluxo, que
faz a forma de onda ficar mais
trapezoidal.
Ímãs com arco polar <180°E causam
um estreitamento do platô da forma
de onda da FEM.
platô
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Um motor brushless DC trifásico deve idealmente ter a forma de onda da FEM
de fase com um platô de 120°E. Deste modo, se cada fase for alimentada
com uma corrente constante durante 120°E, a conversão de potência é dada
por: e1i1 = Teωm . Se a FEM e a corrente forem constantes neste intervalo,
então o torque também será constante.
Para o motor ligado em estrela, em cada intervalo de 60°E há duas fases
conduzindo a mesma corrente em série, e as FEMs de cada fase se
somam.
Modo de condução em duas fases simultaneamente comportamento
semelhante a um motor de ímãs com comutador mecânico: o número de
fases do motor brushless DC é equivalente ao número de bobinas ligadas
ao comutador de um motor DC.
Cada fase produz torque durante dois intervalos de 120°E (semi-ciclos
positivo e negativo da FEM e da corrente). O torque total é a soma dos
torques produzidos por duas fases, que se somam a cada 60°E, existindo
seis blocos de torque em cada ciclo elétrico.
Há assim uma comutação de fase a cada 60°E, totalizando seis
comutações por ciclo controle do tipo six-step (seis passos).
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Motor ligado em estrela.
Duas fases/duas linhas ligadas
simultaneamente, conduzindo
em série.
Circuito em ponte (drive) para o
acionamento do motor BLDC.
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Quando duas fases estão conduzindo, a
terceira está aberta, ou seja, não há
circulação de corrente, porém há uma FEM
de linha entre seus terminais e os terminais
da outras fases.
A comutação entre duas fases se dá
quando a FEM de linha entre as fases que
serão comutadas passa por zero.
Por exemplo, quando as fases 1 e 3 estão
conduzindo, a comutação da fase 1 para a
fase 2 ocorre quando a FEM de linha entre
as fases 1 e 2 passa por zero.
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Motor ligado em triângulo.
Três fases/duas linhas
conduzindo simultaneamente.
Circuito em ponte (drive) para o
acionamento do motor BLDC.
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Grandezas de fase, motor em Y, arco polar do ímã = 180°,
corrente idealmente trapezoidal
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Grandezas de fase, motor em Y, arco polar do ímã = 180°,
corrente não-trapezoidal
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Grandezas de fase, motor em Y, arco polar do ímã = 180°,
corrente mostrando efeito do chaveamento dos
transistores
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Tanto para a ligação estrela como para a ligação delta, a tabela de
comutação dos transistores é a mesma, conforme abaixo:
O drive necessita da informação da posição do rotor para a correta
comutação das fases !
O sinal para a comutação das fases vem de sensor de posição (sensor efeito
Hall, sensor óptico).
Atualmente, técnicas sensorless permitem a determinação da posição do
rotor a partir da detecção da passagem da FEM por zero na fase que não está
energizada.
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Laços de condução dos transistores
Fases 1 e 3 ligadas,
transistores Q1 e
Q2 conduzindo.
Fases 1 e 3 ligadas,
transistor Q1 aberto
e transistor Q2
conduzindo. A
corrente fecha-se
pelo diodo D4
(funcionamento em
roda-livre).
Fases 2 e 3 ligadas,
transistores Q3 e
Q2 conduzindo.
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Característica de Torque x Rotação
A característica de torque x rotação semelhante à de um motor DC
com comutador
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Para operação com duas fases conduzindo, durante qualquer período de
60°E temos:
Sendo:
Vs tensão aplicada ao motor
E FEM de linha
R resistência de duas fases em série
Rotação em vazio
Torque de rotor bloqueado
Corrente de rotor bloqueado
Quando T = 0, I = 0 wm = wo : motor em vazio
Quando wm = 0 eLL = 0 : motor bloqueado
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Controle de Torque e Velocidade
Controle de velocidade realimentação da velocidade (tacogerador)
Controle de torque realimentação de corrente (sensor de corrente em
duas fases ou no link DC)
Mantendo Vs cte: Torque , rotação
Mantendo rotação cte: Vs , torque
Mantendo torque cte: Vs , rotação
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A tensão aplicada ao motor é variada pelo chaveamento dos transistores de
potência com uma certa razão cíclica (duty-cycle) d.
d = ton/(ton + toff)
ton intervalo de tempo no qual o transistor conduz.
toff intervalo de tempo no qual o transistor não conduz.
ton + toff período de comutação das fases.
A tensão eficaz é proporcional ao duty-cycle:
Vs = Vpk.d
A modulação por largura de pulso (PWM) é utilizada para controlar o duty-
cycle, em uma frequência de chaveamento entre 5 e 10kHz.