Motores de Onda Trapezoidal

(Motores Brushless DC, BLDC ou

Motores CC sem escovas)

Máquinas Elétricas Especiais

Prof. Sebastião Lauro Nau, Dr. Eng.

Set 2017

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)

Configurações típicas dos Motores Brushless DC

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.

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.

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

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).

Motor ligado em estrela.

Duas fases/duas linhas ligadas

simultaneamente, conduzindo

em série.

Circuito em ponte (drive) para o

acionamento do motor BLDC.

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.

Motor ligado em triângulo.

Três fases/duas linhas

conduzindo simultaneamente.

Circuito em ponte (drive) para o

acionamento do motor BLDC.

Grandezas de fase, motor em Y, arco polar do ímã = 180°,

corrente idealmente trapezoidal

Grandezas de fase, motor em Y, arco polar do ímã = 180°,

corrente não-trapezoidal

Grandezas de fase, motor em Y, arco polar do ímã = 180°,

corrente mostrando efeito do chaveamento dos

transistores

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.

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.

Característica de Torque x Rotação

A característica de torque x rotação semelhante à de um motor DC

com comutador

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

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

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.