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FACULDADE DE E NGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO P ORTO Controlo de Tração em Veículos Elétricos Filipe André Sousa Barbosa P REPARAÇÃO DA DISSERTAÇÃO MESTRADO I NTEGRADO EM ENGENHARIA ELETROTÉCNICA E DE COMPUTADORES MAJOR:AUTOMAÇÃO Orientador: Prof. Doutor Adriano Carvalho 13 de Fevereiro de 2013

Controlo de Tração em Veículos Elétricospaginas.fe.up.pt/~ee08326/wp-content/uploads/2013/03/PDI-Relatorio... · produção. Isto associa-se ao elevado potencial deste tipo de

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FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

Controlo de Trao em VeculosEltricos

Filipe Andr Sousa Barbosa

PREPARAO DA DISSERTAO

MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA ELETROTCNICA E DE COMPUTADORESMAJOR: AUTOMAO

Orientador: Prof. Doutor Adriano Carvalho

13 de Fevereiro de 2013

c Filipe Barbosa, 2013

Contedo

1 Introduo 11.1 Motivao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Estado da Arte 32.1 Viso Geral do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2 Mquinas Eltricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2.1 Motor de Induo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2.2 Mquina de man Permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2.3 Motor de Relutncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.4 Comparao dos principais tipos de motores . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3 Topologias Conversores de Potncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3.1 Conversor de Ponte Assimtrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3.2 Conversor Split-Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.3 Conversor de Miller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.4 Conversor C-Dump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.4 Mtodos e Tcnicas de Controlo dos Conversores . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.4.1 Tcnicas convencionais de controlo binrio . . . . . . . . . . . . . . . . 142.4.2 Tcnicas avanadas de controlo de binrio . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.5 Plataformas de controlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.6 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3 Metodologia e Plano de Trabalho 193.1 Metodologia de Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2 Planeamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.3 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Referncias 21

i

ii CONTEDO

Lista de Figuras

2.1 Conceito Geral do Sistema aplicado ao Veiculo Eltrico [1]. . . . . . . . . . . . 32.2 Curvas Caractersticas da performance das Maquinas Eltricas, aplicadas a trao

[1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3 Curvas caractersticas de binrio, velocidade e potencia do motor de induo [2]. 52.4 Curvas Caractersticas do Fluxo Magntico no Estator e a Fora contraeletromotriz

na maquina BLDC e PMSM [3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.5 Curvas Caractersticas de binrio/velocidade do motor sncrono de man perma-

nente [4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.6 (a) Motor de Relutncia Comutada, 8 polos no estator e 6 polos no rotor, 8/6 SRM,

(b) Curva caracterstica de Binrio-Velocidade, motor SRM. [4] . . . . . . . . . 82.7 Varias topologias de construo do rotor de um motor SynRM [5]; (a) Polos Sali-

entes, (b) Laminagem Axial Anisotrpica, (c) Laminagem Transversal Anisotrpica 92.8 Conversor ponte Assimtrica quadrifasico [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.9 Conversor Split-Capacitor [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.10 Conversor Miller [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.11 (a) C-dump Conversor I, (b) C-dump Conversor II. [6] . . . . . . . . . . . . . . 122.12 Variao da indutncia (a) e do binrio (b) em funo da velocidade [16]. . . . . 132.13 Diagrama de controlo DITC [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.14 Diagrama de controlo ADITC [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.15 Diagrama de controlo indireto de binrio (TSF) [16]. . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1 Diagrama de Gantt, com as principais tarefas do projeto . . . . . . . . . . . . . 20

iii

iv LISTA DE FIGURAS

Lista de Tabelas

2.1 Tabela comparativa entre os principais tipo de motores aplicados a trao eltrica[7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

v

vi LISTA DE TABELAS

Abreviaturas e Smbolos

Abreviaturas (Ordem Alfabtica)

AC Alternate CurrentADITC Advaced Direct Instantaneous Torque ControlALA Laminagem Axial AnisotrpicaBLDC BrushLess Direct CurrentDC Direct CurrentDITC Direct Instantaneous Torque ControlDSP Digital Signal ProcessorCI Combusto InternaEMF Fora EletromotrizFOC Field Orientation ControlFPGA Field-Programmable Gate ArrayPMSM Permanent Magnet Sincronous MachinePWM Pulse With ModulationSRM Switched Reluctance MotorSynRM Synchronous Reluctance MotorTLA Laminagem Transversal AnisotrpicaTSF Torque Sharing Control

Smbolos

Operador Diferencial Posio angular do rotor Velocidade angular do rotorE Fora Eletromotriz induzidai Corrente por faseL Indutncia da faseTe Binrio eletromagntico, por faseTtotal Binrio eletromagntico, total

vii

Captulo 1

Introduo

Este documento apresenta o trabalho desenvolvido na preparao para a dissertao. Esta

dissertao intitulada Controlo de Trao em Veculos Eltricos, ser desenvolvida como projeto

de final de curso no mbito do Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotecnia e de Computadores

da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto.

Numa primeira fase deste documento, ser apresentado a Motivao e os Objetivos deste pro-

jeto. Bem como, o planeamento de todo o trabalho a desenvolver. Posteriormente, apresentado

um estudo do Estado da Arte, dos principais elementos presentes no sistema de controlo de trao.

1.1 Motivao

Milhares de veculos circulam nas estradas diariamente, por todo o Mundo. A grande maioria

desses veculos so movidos a motores de combusto interna, para alm de muito pouco eficien-

tes, estes motores emitem gases poluentes ao meio ambiente, tais como o dixido de carbono e o

dixido de azoto. Apesar de vrios esforos dos fabricantes de automveis movidos com moto-

res de combusto interna, para baixar os consumos e consequentemente tentar baixar tambm as

emisses de gases poluentes, este tipo de veculos tem os dias contados. Em alguns pases este

tipo de veculos paga taxas extra de estacionamento dentro das grandes cidades. A diminuio

da circulao de veculos com motores CI reflete-se numa melhoria da qualidade do ar dentro

das grandes metrpoles. Recentemente a capital Chinesa, Pequim, paralisou devido a poluio

atmosfrica. Fazendo com que varias fbricas fossem temporariamente encerradas e que 30% da

frota automvel governamental fosse retirada das ruas [8]. Em Portugal, os setores do transporte

foram responsveis por 41% do total de emisses de gases com efeito de estufa, em 2010 [9].

Entretanto medidas tm sido tomadas para combater este tipo de poluio, na cidade de Lisboa,

algumas reas j so restritas a veculos sem filtro de partculas [10].

Esta problemtica faz com que cada vez mais seja necessrio tomar medidas preventivas e

baixar as emisses de gases poluentes na atmosfera. A isto se prende a necessidade de encontrar

alternativas, energeticamente e ecologicamente viveis, que garantam a mobilidade de pessoas e

mercadorias.

1

2 Introduo

Isto abre possibilidades entrada no mercado de novas tecnologias. Assim comeam a surgir

veculos baseados em topologias hibridas ou apenas eltricos. Atualmente este tipo de veculos

representam apenas um nicho de mercado mas espera-se que no futuro estes venham a crescer [1].

Destas topologias, a eltrica a que atrai a maior ateno desta dissertao. Os veculos

eltricos apresentam alta eficincia energtica, zero emisses, alta densidade de potencia e binrio

elevado [11, 7]. Varias marcas de automveis j tm veculos de trao eltrica nas suas linhas de

produo. Isto associa-se ao elevado potencial deste tipo de topologia, e o negcio associado ao

desenvolvimento deste tipo de veculos. A motivao desta dissertao prende-se essencialmente

no estudo das topologias de controlo associados a este tipo de trao.

1.2 Objetivos

Neste trabalho pretende-se desenvolver um controlador para um sistema de trao de um ve-

culo eltrico, de acordo com o perfil de trao especificado pela Norma Europeia. Pretende-se que

o acionamento do motor eltrico seja capaz de satisfazer as necessidades de acelerao e veloci-

dade do condutor, bem como, capaz de efetuar recuperao de energia em caso de desacelerao

ou travagem. Esta energia eltrica posteriormente armazenada no barramento DC. O barramento

DC, baseado em baterias de Ies de Ltio/Polmero. Os pontos principais deste trabalho podem

ser divididos:

Estudo do Estado da Arte, metodologia e plano de trabalho;

Modelao do Sistema de Trao;

Analise do comportamento dinmico do sistema;

Construo laboratorial de um prottipo;

Analise do funcionamento do prottipo e testes ao sistema;

No final de todos estes objetivos, a escrita do relatrio final da dissertao, que engloba todo

o trabalho realizado at ento.

1.3 Concluso

Neste capitulo foi introduzido o mbito deste projeto assim como foi feita a descrio da

estrutura deste documento em particular.

O objetivo deste capitulo mostrar a motivao que levou ao desenvolvimento desta disser-

tao, tocando em alguns problemas com que a sociedade atual se depara e dando uma viso

transversal dos problemas. Comeando por uma viso mais global dos problemas e posterior-

mente analisando numa viso mais focalizada. Os objetivos deste projeto tambm se encontram

descritos.

Captulo 2

Estado da Arte

Neste captulo ser apresentada a reviso bibliogrfica e sero estudados os atuais nveis de

desenvolvimento de cada um dos subcomponentes deste projeto. O objetivo deste projeto realizar

o controlo de trao aplicado a veculos eltricos. Como este tema trata um problema complexo,

comeou-se por dividir o tema principal em pequenos subtemas, ou problemas menos complexos,

para tornar a sua resoluo mais simples. Os subsistemas principais a serem estudados neste

captulo classificam-se em tipos de motores eltricos, topologias de conversores de potncia e

mtodos de controlo desses conversores.

2.1 Viso Geral do Sistema

Nos ltimos tempos tm surgido diversas solues, apresentadas por empresas do sector auto-

mvel. No entanto o conceito base do sistema tem permanecido inalterado.

Figura 2.1: Conceito Geral do Sistema aplicado ao Veiculo Eltrico [1].

3

4 Estado da Arte

O motor eltrico fornece toda a potncia de trao as rodas. Este motor, normalmente trifsico,

necessita de um sistema auxiliar de converso de energia, este sistema de converso efetua tambm

o comando e controlo do motor eltrico. Este controlo funciona de acordo com os requisitos

impostos pelo pedal do acelerador e do travo. Neste documento apenas ser analisado o conceito

do lado da propulso eltrica, no sendo relevantes os outros subsistemas do conceito.

2.2 Mquinas Eltricas

A mquina eltrica o principal elemento deste projeto. nela que estar centrado todo o

trabalho da dissertao. Em geral, as mquinas eltricas so caraterizadas pela sua performance,

elevado rendimento e binrio elevado a baixa velocidade. Quando utilizadas no mbito da trao

de veculos eltricos, as mquinas eltricas no s funcionam como motor do veculo. Como em

caso de desaceleraes estas podem funcionar como gerador, aproveitando a energia das trava-

gens ou das descidas. Segundo a literatura [7, 4], os motores eltricos devem obedecer a certos

parmetros mnimos para poderem ser uma boa escolha no mbito da trao eltrica.

Figura 2.2: Curvas Caractersticas da performance das Maquinas Eltricas, aplicadas a trao [1].

O motor deve ter alta potncia instantnea e alta densidade de potncia, elevado binrio a

baixas rotaes, para efetuar arranques, em terreno plano, bem como enfrentar subidas inclinadas.

Assim como elevada potencia para alta velocidade para regimes de velocidade de cruzeiro. Deve

ter uma ampla gama de velocidade incluindo nessa gama, zonas de binrio constante e zonas de

potncia constante. Ter uma resposta de binrio, rpida. Elevada eficincia para gamas altas de

velocidade e de binrio. Elevada eficincia nas travagens regenerativas. Alta fiabilidade e robustez

para as vrias condies de operao do veculo. E acima de tudo, e nos dias de hoje cada vez

mais importante, ter um custo razovel.

2.2.1 Motor de Induo

As mquinas de induo so o tipo de mquinas mais usado ao nvel mundial. Tanto em

aplicaes industriais como domsticas. Isto deve-se sua simples construo, alta densidade de

potncia, fiabilidade, robustez, baixa necessidade de manuteno, baixo custo e capacidade em

2.2 Mquinas Eltricas 5

Figura 2.3: Curvas caractersticas de binrio, velocidade e potencia do motor de induo [2].

operar em ambientes hostis. A sua tecnologia est totalmente maturada, e aplicado em diversas

aplicaes pelas caractersticas apresentadas.

Este motor pode ser facilmente controlado recorrendo a mtodos de controlo escalares ou

vetoriais. O uso deste ultimo mtodo em particular, mais robusto e fivel para aplicaes de

binrio e velocidade varivel. O uso de mtodos de controlo vetorial, mais propriamente o mtodo

de controlo por orientao de campo (FOC) permite controlar independentemente o binrio e o

campo magntico. Isto permite ao motor de induo ter caractersticas semelhantes ao motor DC

de excitao externa [7].

A utilizao de tcnicas de enfraquecimento de campo, proporciona uma extenso da gama

de velocidades do motor de induo, podendo no entanto comprometer a eficincia e o binrio

produzido pelo motor. A existncia de uma quebra significativa de binrio, e eficincia do motor

na zona de potencia constante, bem como aumento das perdas para velocidades elevadas faz deste

tipo de motor um candidato relativamente mais fraco para a aplicao neste projeto face ao PMSM

e ao SRM.

2.2.2 Mquina de man Permanente

Os motores de man permanente so particularmente conhecidos pela sua elevada eficincia e

alta densidade de potncia. Podem ser classificados em 2 tipos:

Motor Sncrono de man Permanente (PMSM);

Motor de Corrente Continua, Sem Escovas (BLDC);

A maior desvantagem dos motores de man permanente o elevado custo do material mag-

ntico de elevada densidade energtica [12]. O custo deste tipo de material tem vindo aumentar

exponencialmente com o aumento da procura. Materiais como o neodmio e o disprsio prove-

nientes das ditas terras raras, conjunto de pases Asiticos onde existem reservas destes mariais.

Nomeadamente a China que a maior reserva mundial de materiais magnticos de elevada densi-

dade energtica.

6 Estado da Arte

Figura 2.4: Curvas Caractersticas do Fluxo Magntico no Estator e a Fora contraeletromotriz namaquina BLDC e PMSM [3].

A segurana uma questo critica, porque o campo gerado pelo material magntico pode

causar graves consequncias durante uma falha por curto-circuito [13]. As mquinas BLDC,

tem baixa capacidade de enfraquecimento de campo, quando o material magntico montado na

superfcie do rotor. Quando utilizada como motor eltrico, este sistema pode necessitar de uma

caixa redutora na transmisso.

Quando o material magntico montado no interior do rotor, PMSM, adicionado ao motor,

um binrio de relutncia adicionado ao binrio de reao. Isto pode resultar numa maior gama

de potncia de operao. Esta topologia aumenta o custo do sistema e pode reduzir a velocidade

mxima [13]. Caracterstica que pode ser observada na curva de binrio/velocidade do motor,

figura 2.5.

Figura 2.5: Curvas Caractersticas de binrio/velocidade do motor sncrono de man permanente[4].

Apesar destes dois tipos de motores apresentarem tambm uma boa soluo e atualmente

serem a escolha de algumas marcas de automveis como sendo a soluo mais adequada para a

trao eltrica. Neste documento, estes dois tipos de motores no sero abordados com muito

2.2 Mquinas Eltricas 7

detalhe, muito pelo facto de utilizarem man permanente. Os manes permanentes tm tido grande

procura nos ltimos tempos, isto reflete-se num aumento significativo do preo deste material

[12]. Por isso, nesta dissertao este tipo de motor no ser abordado.

2.2.3 Motor de Relutncia

Os motores de relutncia baseiam-se no princpio da relutncia magntica, este princpio pode

ser explicado criando uma analogia com os circuitos eltricos. A reatncia magntica funciona

como resistncia passagem do fluxo magntico, variando a relutncia consegue-se controlar

o fluxo magntico e consequentemente o binrio que produzido. Este tipo de motor eltrico

induz polos magnticos no permanentes num rotor ferromagntico, sem qualquer tipo de man

permanente nem enrolamento, por isso no existem perdas de Joule no motor, do lado do rotor.

As mquinas de relutncia magntica podem ser divididas segundo as suas caractersticas.

Motor de relutncia comutada;

Motor de relutncia sncrona;

Motor de passo;

De seguida sero analisados com mais detalhe dois destes tipos de motor, o de relutncia

comutada (SRM), e o motor de relutncia sncrona. Apesar do motor de passo ser tambm um

tipo de motor de relutncia no ser analisado posteriormente com mais detalhe pois est um

pouco fora do mbito deste trabalho.

Ser dada mais nfase ao motor de relutncia comutada pois foi o tipo de motor escolhido

para implementar neste trabalho, essa escolha baseou-se principalmente no facto deste tipo de

motor no necessitar da utilizao de man permanente, e do consequente aumento do preo deste

tipo de material [12]. Pois pretendia-se uma soluo que cumprisse todas as especificaes de

binrio, potencia e velocidade, mas que acima de tudo tivesse um custo acessvel e no estivesse

dependente de nenhum tipo de material extico.

2.2.3.1 Motor de Relutncia Comutada

Este tipo de motor tem vindo a ganhar cada vez mais ateno, ao nvel da trao eltrica, pelo

facto de no usar man permanente, pela sua simplicidade de operao e segurana [13]. Este tipo

de motor apresenta-se como um timo candidato nesta rea, porque apresenta alta performance e

baixo custo, aliado a uma estrutura robusta, apropriada para condies ambientais adversas e apli-

caes de elevada velocidade. Este tipo de motor no utiliza qualquer tipo de man permanente e

tambm no necessita de escovas, dai que no requer muitos cuidados de manuteno. A estrutura

do motor de relutncia comutada similar ao motor de passo [1].

Em regime permanente o SRM funciona numa regio constante da gama de potncia. O bin-

rio deste tipo de motor provm da fora de alinhamento dos polos do rotor com os polos, excitados,

do estator. O facto de ter polos salientes pode causar vibraes inconstantes no veio do motor e

8 Estado da Arte

problemas ao nvel acstico. Isto resulta num elevado ruido e binrio inconstante, comparativa-

mente com outros tipos de motores.

(a) (b)

Figura 2.6: (a) Motor de Relutncia Comutada, 8 polos no estator e 6 polos no rotor, 8/6 SRM,(b) Curva caracterstica de Binrio-Velocidade, motor SRM. [4]

A corrente de comutao de fase a principal responsvel por estas variaes de binrio. Es-

tas vibraes podem ser minimizadas com o uso de mtodos de controlo de orientao de campo.

Se se conseguir fazer o controlo do binrio, inerentemente consegue-se diminuir as variaes no

veio do motor e tambm diminuir o barulho associado ao funcionamento do SRM. Na maioria dos

casos o controlo do binrio permite tambm aumentar a eficincia do motor. Espera-se que num

futuro prximo, com o desenvolvimento dos dispositivos de controlo digital e com o constante au-

mento dos preos dos manes permanentes provenientes das terras raras, os motores de relutncia

comutada atraiam alguma ateno no campo da trao de veculos eltricos [14].

Este tipo de motor j foi utilizado anteriormente na trao de veculos eltricos, nomeadamente

no Chloride Lucas EV e no Holden ECOmmodore, mas devido aos desenvolvimentos tecnolgicos

da poca estes modelos acabaram por ser descontinuados. Testes recentes demonstram melhor

operao e maior densidade de potncia do motor de relutncia comutada, quando comparado

com o motor de induo [13]. Isto deve-se tambm ao facto dos motores SRM terem menos

perdas quando comparados com os motores de induo. Porque como no tm enrolamentos no

rotor, dai que no existam perdas por efeito de Joule do lado do rotor.

2.2.3.2 Motor de relutncia sncrona

Tal como acontece no SRM, no motor de relutncia sncrona, no existe man permanente nem

gaiola de esquilo. Por esse motivo considera-se que no existem perdas de Joule no motor, do lado

do rotor.

O estator deste tipo de motor similar ao estator do motor de induo. O campo magntico do

SynRM produzido pelos enrolamentos do estator, que se liga ao rotor ferromagntico indireta-

mente, atravs do entreferro. Estes enrolamentos esto distribudos sinusoidalmente pelo estator,

isto quer dizer que, estes esto distribudos com um ngulo de 120o entre si [5].

2.2 Mquinas Eltricas 9

Este tipo de motor no tem caracterstica de binrio de arranque, dai ser comum a introduo

de uma gaiola de esquilo convencional, dos motores de induo, do lado do rotor para produzir

o binrio de arranque de forma assncrona [5]. Atualmente, com o uso de inversores eletrnicos

e tcnicas de orientao de campo e PWM, possvel arrancar o motor sem o uso de gaiola de

esquilo do lado do rotor [5]. Existem 3 grandes tipos de construo do rotor deste tipo de motor:

Polos Salientes;

Laminagem Axial Anisotrpica (ALA);

Laminagem Transversal Anisotrpica (TLA);

Figura 2.7: Varias topologias de construo do rotor de um motor SynRM [5]; (a) Polos Salientes,(b) Laminagem Axial Anisotrpica, (c) Laminagem Transversal Anisotrpica

2.2.4 Comparao dos principais tipos de motores

Na literatura esto realizadas varias comparaes entre os vrios tipos de motores aplicados

a trao eltrica [15, 11, 2]. As varias comparaes no esto em concordncia no que toca

ao melhor tipo de motor a aplicar. No entanto o motor PMSM normalmente um candidato de

peso, que tem vindo a perder notoriedade devido ao aumento do preo dos materiais magnticos

permanentes. Isto tem aberto oportunidade para outros tipos de motores poderem aparecer no

mercado da trao eltrica como o caso do SRM, que ser tambm o objetivo de trabalho nesta

dissertao.

Na tentativa de escolher o tipo de motor que melhor se adequa a aplicao deste projeto, foi

realizada a seguinte tabela 2.1, nesta esto representados os principais tipos de motores analisados

Tabela 2.1: Tabela comparativa entre os principais tipo de motores aplicados a trao eltrica [7]

Motor de Induo Motor de man Permanente Motor de Relutncia ComutadaEficincia 4 5 4.5Peso 4 4.5 5Custo 4 3 4Total 12 12.5 13.5

10 Estado da Arte

neste documento, bem como a classificao de cada um deles de acordo com trs parmetros: a

eficincia, o peso e o custo. A classificao realizada de 1 a 5, em que 5 representa a melhor

eficincia, menor peso e menor custo, respetivamente.

2.3 Topologias Conversores de Potncia

Os conversores de potncia so uma pea fundamental neste projeto, estes sero responsveis

por transferir a potncia desde a fonte de energia at ao motor. A fonte de energia ser partida

representada por uma bateria de ies de Ltio/ polmero. Como se pretende passar uma energia

baseada em corrente continua para corrente alternada. A topologia adequada para esta funo ser

uma topologia DC/AC, ou seja, uma topologia inversora.

O conversor tambm responsvel por fazer o controlo do motor, realizando a troca de energia

entre o motor e a fonte de energia, quando este realiza travagem regenerativa. Portanto tambm se

pode concluir que neste projeto devem ser utilizadas topologias de conversores bidirecionais.

No motor de relutncia comutada o binrio independente da direo do fluxo da corrente

[6]. Portanto, ao contrario do que se passa noutros tipo de motores, como o caso do motor de

induo e do PMSM, em que necessrio um conversor com modulao bipolar. No caso do

motor de relutncia o conversor pode ser modelado de forma unipolar.

Na literatura existem varias topologias de conversores DC/AC dedicados os motores de re-

lutncia comutada. Estas topologias variam consoante a aplicao do motor. Dependendo do

nmero de fases do motor (metade do numero de polos do estator), e do nmero de semicondu-

tores que utilizam. Neste documento apenas sero analisadas algumas dessas topologias, outras

topologias para os conversores de potncia podero ser analisadas em [6, 16].

Conversor de Ponte Assimtrica;

Conversor de Ponte Completa, Split-Capacitor;

Conversor de Miller;

Conversor C-Dump ou de Eficincia Energtica;

2.3.1 Conversor de Ponte Assimtrica

De todos os conversores DC/AC dedicados ao SRM, o conversor de ponte assimtrica o mais

flexvel e mais verstil [6]. Este tambm o inversor de potncia mais utilizado nos drives dos

motores de relutncia magntica [14]. Apresenta uma topologia baseada no conversor de ponte

completa comum, usa dois interruptores e dois diodos de roda livre por cada fase do motor, como

apresentado da figura 2.8. Cada fase do motor representada por uma indutncia.

Durante o perodo de magnetizao os dois interruptores esto ligados e a energia transferida

da fonte para a devida fase do motor. Na desmagnetizao, os dois interruptores so desligados

e a fase do motor rapidamente desmagnetizada pelos diodos de roda livre. A grande vantagem

deste tipo de conversor o facto de controlar independentemente cada uma das fases do motor.

2.3 Topologias Conversores de Potncia 11

Figura 2.8: Conversor ponte Assimtrica quadrifasico [6].

A nica desvantagem deste tipo de conversor, est no facto deste tipo conversor usar dois

interruptores por fase, aumentando o tamanho do dispositivo, o preo e consequentemente as

perdas. Esta topologia usada para implementar mtodos de controlo baseadas em PWM ou

Histerese.

2.3.2 Conversor Split-Capacitor

A principal vantagem desta topologia baseia-se na utilizao de apenas um interruptor por

fase, isto implica a utilizao de apenas metade da tenso de entrada, que est dividida pelos dois

condensadores, figura 2.9. Estes condensadores tm de ter capacidade de suportar essa tenso,

assim como todos os semicondutores.

As desvantagens desta topologia baseiam-se na produo do binrio, apenas metade da tenso

de entrada pode ser aplicada no motor. De modo a manter o equilbrio do fluxo de energia entre os

dois condensadores da fonte, os interruptores e diodos de roda livre, estes esto transpostos para

cada enrolamento da fase. O que significa que este conversor s pode ser usado em motores cujo

numero de fases seja par.

Figura 2.9: Conversor Split-Capacitor [6].

12 Estado da Arte

2.3.3 Conversor de Miller

Este conversor uma variante para aplicaes de baixa velocidade do conversor 2.3.2 Split-

Capacitor [6]. A principal caracterstica desta topologia de conversor a utilizao de um inter-

ruptor comum a todas as fases do motor, figura 2.10.

Figura 2.10: Conversor Miller [6].

A principal limitao desta topologia est no funcionamento com velocidades mais elevadas,

porque o perodo de comutao do interruptor comum demasiado pequeno e no garante que cada

uma das fases consiga desmagnetizar completamente pelo diodo de roda livre correspondente.

2.3.4 Conversor C-Dump

Numa tentativa de reduzir o numero de interruptores por fase e consequentemente minimizar as

perdas, surgem dois conversores energeticamente mais eficientes, com possibilidade regenerativa

completa [6]. Estes dois conversores C-Dump podem ser facilmente controlados usando tcnicas

PWM. Estas duas topologias de conversores de potncia permitem uma rpida desmagnetizao

da fase, mesmo com altas frequncias de comutao.

No caso do conversor I, a magnetizao de cada fase realizada por via do interruptor em cada

fase, auxiliado do interruptor comum. No conversor II, a magnetizao realizada por via, no s

do interruptor existente em cada uma das fases e o interruptor comum, mas tambm, imposto o

fluxo da corrente por via de um diodo.

(a) (b)

Figura 2.11: (a) C-dump Conversor I, (b) C-dump Conversor II. [6]

2.4 Mtodos e Tcnicas de Controlo dos Conversores 13

2.4 Mtodos e Tcnicas de Controlo dos Conversores

Os principais problemas ao nvel do motor de relutncia comutada, so o seu elevado rudo

acstico e as vibraes inconstantes no veio, que se refletem em flutuaes no binrio produzido

pelo motor. Estas duas grandes desvantagens deste tipo de motor, podem ser minimizadas pela

utilizao acertada de alguns mtodos e tcnicas de controlo. Estes mtodos e tcnicas de controlo

tem vindo a ser desenvolvidos em paralelo com o desenvolvimento do prprio motor de relutncia.

Atualmente o desenvolvimento computacional permite a utilizao de tcnicas de controlo mais

avanadas e consequentemente melhoria significativa do comportamento do SRM.

Dependendo da aplicao que se pretende, na literatura so abordados vrios mtodos e tc-

nicas de controlo para o motor de relutncia comutada, podem ser estudadas com mais detalhe

em [16, 14, 6]. As aplicaes de trao eltrica, requerem da parte do motor de relutncia, uma

responta de binrio e potncia constantes, e larga gama de velocidades de operao. Assim foram

selecionados os mtodos de controlo que melhor se enquadram com estas especificaes. Neste

documento no so especificados com muito detalhe as variantes de cada um dos mtodos.

Figura 2.12: Variao da indutncia (a) e do binrio (b) em funo da velocidade [16].

No motor de relutncia comutada, o binrio proporcional ao quadrado da corrente da fase, e

da variao da indutncia. Uma vez que o binrio proporcional ao quadrado da corrente, pode

ser gerado independentemente da direo do fluxo da corrente. E tambm porque a polaridade do

binrio alterada de acordo com a variao da indutncia, figura 2.12. Para se exercer controlo

sobre o binrio do motor SRM, a comutao da excitao das indutncias tem de estar sncrona

com o ngulo de posio do rotor.

A fora eletromotriz induzida e o binrio eletromagntico gerado pelo motor de relutncia

comutada podem ser expressos segundo a variao da co-energia magntica, Wc, sob as condies

de saturao:

E = 2Wc i

dL()d

i; (2.1)

14 Estado da Arte

Te = 2Wc

12

dL()d

i2; (2.2)

onde , , L e i, representam a posio do rotor, a velocidade angular, a indutncia e a correntepor fase. Pode-se conclui que o binrio produzido por um motor de relutncia comutada, pode ser

calculado:

Ttotal( , i) = no f ases

Te( , i); (2.3)

Neste documento no definido nenhum modelo equivalente para o SRM, apenas so apre-

sentadas as principais equaes para realizar o controlo do motor e perceber o seu principio de

funcionamento. Posteriormente no relatrio final da dissertao, haver um capitulo inteiramente

dedicado ao modelo equivalente do motor de relutncia comutada, que descrito por trs equaes

diferenciais, a equao de tenso, equao de movimento, e a equao de binrio eletromagntico,

esta ultima apresentada na equao 2.2.

2.4.1 Tcnicas convencionais de controlo binrio

Mtodo de controlo do ngulo;

Mtodo de controlo de Corrente;

2.4.1.1 Controlo do ngulo

O motor de relutncia comutada uma maquina com boas caractersticas de regulao de velo-

cidade, e elevada eficincia energtica. Contudo existem problemas relacionados com as elevadas

flutuaes do binrio produzido pelo motor, aliadas a imprecises no controlo da velocidade. Es-

tes problemas residem no facto do circuito de comando do motor de relutncia no ter em conta

a corrente especifica, gerada pela fora magnetomotriz, no processamento da posio do rotor e

da tenso de entrada [16]. Para se conseguir alta preciso na velocidade de rotao e elevada

eficincia, necessrio que o circuito de comando controle instantaneamente a posio do rotor e

a tenso de entrada [16].

Dentro do mtodo de controlo do ngulo existem trs tcnicas principais de controlo, tcnica

de controlo dinmico do ngulo, tcnica de controlo de impulso e tcnica de controlo do ngulo

de comutao. Dentro desta existem ainda trs variantes, fixao do ngulo de comutao, avano

do ngulo de comutao e Switching-off do ngulo de comutao.

2.4.1.2 Controlo de Corrente

O motor de relutncia magntica pode ser controlado de diversas formas [16]. Uma dessas

formas, consiste no mtodo de controlo da corrente na fase. Este mtodo normalmente utilizado

quando se pretende controlar de forma eficiente o binrio produzido pelo motor.

2.4 Mtodos e Tcnicas de Controlo dos Conversores 15

O principal objetivo deste mtodo controlar o tempo e a largura dos impulsos de tenso.

Exitem duas variantes de controlo dentro do mtodo de controlo de corrente, a tcnica controlo de

histerese e a tcnica de controlo da tenso de corte.

A tcnica de tenso de corte no tem qualquer limitao de corrente, a utilizao do sensor de

corrente desnecessria, quando se aplica esta tcnica. O que faz com que normalmente possa ser

aplicado em sistemas de baixo custo [16].

Com o desenvolvimento dos microcontroladores, os mtodos de controlo tm-se adaptado, e

tm vindo a alterar as suas plataformas de implementao analgica para plataformas de imple-

mentao digitais.

2.4.2 Tcnicas avanadas de controlo de binrio

Mtodo de Controlo Direto de Binrio Instantneo (DITC);

Mtodo Avanado de Controlo Direto de Binrio Instantneo (ADITC);

Mtodo de Controlo Indireto de Binrio;

2.4.2.1 Mtodo de Controlo Direto de Binrio Instantneo

O Mtodo de Controlo Direto de Binrio Instantneo usa um simples esquema de controlo

aliado a um controlador de histerese, com o intuito de reduzir as variaes do binrio produzido

pelo motor.

O mtodo DITC convencional, usa apenas um simples controlo de histerese, a comutao de

estados depende da banda de histerese definida no controlador. Apenas o estado de uma das fases

aplicado, em cada perodo, para determinar o erro associado ao binrio produzido.

Figura 2.13: Diagrama de controlo DITC [16].

16 Estado da Arte

2.4.2.2 Mtodo Avanado de Controlo Direto de Binrio Instantneo

O mtodo avanado de controlo direto de binrio instantneo (ADITC) apresenta caractersti-

cas do mtodo convencional DITC e do mtodo PWM.

A relao de conduo dos interruptores de cada fase regulada de acordo com o erro de

binrio e regras de controle simples do controlo direto de binrio instantneo (DITC). Isto permite

que o tempo de amostragem do controlador possa ser prolongado, e consequentemente permite

a aplicao deste mtodo em microcontroladores de baixo custo. Tornando possvel aplicar este

mtodo em aplicaes de baixo custo, onde se pretenda um controlo preciso no binrio do motor.

Figura 2.14: Diagrama de controlo ADITC [16].

O mtodo ADITC permite ajustar a tenso mdia por fase para controlar a variao da corrente

na fase num tempo de amostragem fixo. Esse tempo de amostragem pode ser aumentado de modo

a obter uma variao de binrio inferior que se obteria usando o mtodo de controlo DITC

convencional [16].

O gerador PWM adicionado de modo a que a frequncia de comutao do mtodo ADITC

seja o dobro do mtodo DITC, com um tempo de amostragem uniforme no pior dos casos [16].

Assim, aumentam as perdas por comutao e o ruido eletromagntico (EMC). Representando

deste modo duas desvantagens utilizao do mtodo de controlo ADITC.

2.4.2.3 Mtodo de Controlo Indireto de Binrio

Outro mtodo de controlo que permite produzir um binrio continuo e constante no veio do

motor o mtodo de controlo indireto de binrio, este baseia-se na utilizao de algoritmos com-

plexos ou funes de distribuio para distribuir o binrio pelas fases e obter o sinal de corrente

de comando respetivo. Ento introduzido um controlador de corrente para controlar o binrio

por fase atravs da corrente na fase. ento introduzida uma funo de partilha de binrio (TSF),

linear, cosseno e de logica no linear [16].

2.5 Plataformas de controlo 17

Alm dos mtodos de controlo direto de binrio, tambm existem outros mtodos, de controlo

indireto de binrio. O mtodo TSF um desses mtodos. Apresenta-se como um mtodo simples

e eficaz de controlo de binrio, muito popular entre os mtodos de controlo indireto [16].

Simplesmente divide a curva de binrio partilhado entre as fases e usa essa diviso para gerar

binrio constante. O binrio de cada fase pode ser atribudo corrente dessa mesma fase, de modo

a fazer com que o binrio produzido seja constante. O binrio de cada fase proporcional ao

quadrado da corrente na fase. Assim, as variaes de corrente devem ser pequenas o suficiente

para gerar binrio constante no motor [16]. A frequncia do controlador de corrente deve ser

elevada para garantir que isso acontea.

Figura 2.15: Diagrama de controlo indireto de binrio (TSF) [16].

2.5 Plataformas de controlo

A melhoria da performance do motor de relutncia comutada, ao nvel das variaes de binrio

e do ruido acstico, deve-se, no so s evoluo dos mtodos e tcnicas de controlo, por si s,

mas tambm evoluo inerente das plataformas de controlo. Realizar controlo do motor, com

elevada preciso, complexo e requer elevada capacidade de processamento. Isto prende-se

necessidade de ter processamento digital, multitarefa com elevada velocidade.

Atualmente existem varias tipos de plataformas para realizar este tipo de controlo. Entre as so-

lues disponveis no mercado, as solues mais comuns so baseadas na utilizao de DPSs (Di-

gital Signal Processor), FPGAs (Field-Programmable Gate Array) e Microprocessadores, estes j

so bastante utilizados em sistema de controlo do motor a combusto dos automveis comuns.

18 Estado da Arte

2.6 Concluso

Neste capitulo foi realizada uma reviso bibliogrfica dos contedos a serem abordados nesta

dissertao. Comeou por ser apresentado o conceito geral do sistema. De seguida, passaram a ser

analisadas as possveis solues para a maquina eltrica. Por razoes que j foram apresentadas, o

motor de relutncia comutada acabou por ser a escolha, a ser implementada neste trabalho.

Posteriormente foram apresentados algumas topologias de conversores de potencia. A escolha

do tipo da topologia do conversor depende quase exclusivamente da aplicao do sistema. Como

se pretende aplicar o SRM em trao, numa primeira fase, o mais indicado ser o conversor de

ponte assimtrica pela sua simplicidade e versatilidade.

Foram apresentados tambm os mtodos e tcnicas de controlo dos conversores. Este um

fator decisivo neste trabalho, mas para j ainda no foi tomada nenhuma deciso concreta sobre o

melhor mtodo ou tcnica de controlo a usar neste projeto. Foi apenas realizado um estudo sobre

os principais mtodos e tcnicas de controlo para motor de relutncia comutada.

Por ultimo foram referidas as principais plataformas de controlo utilizadas na implementao

do controlo dos motores eltricos. A utilizao de mtodos de controlo avanado prendem-se tam-

bm utilizao de plataformas de controlo avanadas. Neste capitulo foram apenas referidas trs

solues, no sendo realizada nenhuma escolha nesta primeira fase de trabalhos sobre a utilizao

da plataforma de controlo a utilizar nesta aplicao.

Captulo 3

Metodologia e Plano de Trabalho

Neste captulo apresentada a metodologia e o planeamento dos trabalhos a serem realizados

nesta dissertao. Numa fase introdutria, definida a metodologia associada a realizao dos

diversos objetivos do trabalho. Posteriormente, numa primeira fase, de arranque dos trabalhos, o

planeamento ainda no muito detalhado, e apenas esto definidas as principais tarefas do projeto.

3.1 Metodologia de Trabalho

No mbito desta dissertao ser realizado o estudo, simulao e implementao de um con-

versor DC/AC aplicado a trao eltrica. Mais propriamente aplicado ao controlo do motor de

relutncia comutada, que o principal responsvel por gerar a trao de um veiculo eltrico. Aps

estudadas todas as caractersticas relevantes dos intervenientes deste projeto, o conversor deve ter

capacidade de realizar arranques controlados, em binrio e velocidade, dependendo da referencia

de binrio imposta pelo condutor.

Numa primeira fase do projeto sero realizadas simulaes recorrendo a ferramentas de simu-

lao MATLAB/Simulink R2010b e PSIM 9.1.3 Student Version, de todos os intervenientes do

sistema, estudados no capitulo anterior 2, de modo a validar algumas questes criticas do funcio-

namento do sistema.

Para desenvolvimento de todos os documentos escritos sero utilizadas ferramentas do Micro-

soft Office 2010 (Word, Excel, Project), bem como Latex/MiKTex para desenvolvimento de todos

os relatrios intermdios e escrita do relatrio final da dissertao.

Posteriormente o hardware necessrio para a implementao ser apresentado no documento

final da dissertao aps anlise mais detalhada e implementao do sistema.

3.2 Planeamento

O planeamento das principais tarefas deste projeto foi realizado de modo a que todos os obje-

tivos propostos inicialmente sejam cumpridos. Nesta seco apenas sero mostradas as tarefas a

longo prazo. O detalhe de cada uma das tarefas ser apresentado futuramente.

19

20 Metodologia e Plano de Trabalho

Figura 3.1: Diagrama de Gantt, com as principais tarefas do projeto

Para representar temporalmente cada uma das tarefas e realizar um bom planeamento de pro-

jeto, foi utilizada uma ferramenta muito comum na gesto e planeamento de projetos, o diagrama

de Gantt. Este tipo de diagrama mostra no s a representao temporal e ordem das tarefas, como

tambm, o inicio e fim de cada uma das tarefas, as precedncias que existem entre tarefas e tarefas

que possam ser desenvolvidas em paralelo.

As tarefas apresentadas neste diagrama de Gantt esto organizadas e planeadas de maneira a

que o nmero de horas de trabalho semanal seja, no mnimo, 40 horas semanais. No contando,

numa primeira fase, trabalhar aos Sbados e Domingos, apesar do diagrama apresentado englobar

esses dias como dias de trabalho.

3.3 Concluso

Neste capitulo foi descrita a metodologia e o planeamento geral do projeto, utilizando uma

ferramenta bastante utilizada na gesto e planeamento de projetos, o diagrama de Gantt. Esta

ainda uma primeira fase de planeamento, posteriormente, e com o desenrolar das tarefas, este

ainda pode sofrer alteraes mediante o desenvolvimento dos trabalhos e a possibilidade de haver

uma implementao real do sistema.

Referncias

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[2] N. Hashemnia e B. Asaei. Comparative study of using different electric motors in the electricvehicles. Em Electrical Machines, 2008. ICEM 2008. 18th International Conference on,pginas 1 5, sept. 2008. doi:10.1109/ICELMACH.2008.4800157.

[3] Daniel Torres. Comparing motor-control techniques, October 2009. Acedidoem Janeiro de 2013. URL: http://www.ecnmag.com/articles/2009/10/comparing-motor-control-techniques.

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[6] Timothy L. Skvarenina. The Power Electronics Handbook. CRC Press, 2002.

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[8] Dirio Econmico. Pequim sufocada por nevoeiro venenoso, January 2013. Ace-dido em Janeiro de 2013. URL: http://economico.sapo.pt/noticias/pequim-sufocada-por-nevoeiro-venenoso_161420.html.

[9] I.P Agncia Portuguesa do Ambiente. Relatrio do estado do ambiente 2012. Out 2012.

[10] Correio da manh. Cmara de lisboa pode restringir carros, January 2013. Acedidoem Janeiro de 2013. URL: http://www.cmjornal.xl.pt/detalhe/noticias/nacional/sociedade/camara-de-lisboa-pode-restringir-carros.

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[12] Dr. Eng.; WEG Brasil Sebastio Lauro Nau. Technologies for energy-efficient electric mo-tors. dec. 2011.

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22 REFERNCIAS

[15] C.C. Chan. The state of the art of electric, hybrid, and fuel cell vehicles. Proceedings of theIEEE, 95(4):704 718, april 2007. doi:10.1109/JPROC.2007.892489.

[16] Jin-Woo Ahn. Switched Reluctance Motor, Torque Control. InTech, 2011.

Pgina de RostoContedoLista de FigurasLista de Tabelas1 Introduo1.1 Motivao1.2 Objetivos1.3 Concluso

2 Estado da Arte2.1 Viso Geral do Sistema2.2 Mquinas Eltricas2.2.1 Motor de Induo2.2.2 Mquina de man Permanente2.2.3 Motor de Relutncia2.2.4 Comparao dos principais tipos de motores

2.3 Topologias Conversores de Potncia2.3.1 Conversor de Ponte Assimtrica2.3.2 Conversor Split-Capacitor2.3.3 Conversor de Miller2.3.4 Conversor C-Dump

2.4 Mtodos e Tcnicas de Controlo dos Conversores2.4.1 Tcnicas convencionais de controlo binrio2.4.2 Tcnicas avanadas de controlo de binrio

2.5 Plataformas de controlo2.6 Concluso

3 Metodologia e Plano de Trabalho3.1 Metodologia de Trabalho3.2 Planeamento3.3 Concluso

Referncias