Astăzi, motoarele electrice şi în particular motoarele cu inducţie de curent alternativ (ACIM – AC induction motor) sunt larg folosite în bunurile casnice începând de la frigidere şi cuptoare cu microunde până la maşini de spălat şi uscătoare. Schema electrică tipică a unui sistem ACIM monofazat este prezentată în figura 1.
Demarajul cu faza auxiliară a motorului din figura 1 are un condensator în serie cu înfăşurarea de demarare pentru a se realiza pornirea “boost”. Un comutator centrifug deconectează acest condensator şi înfăşurarea de demarare o dată ce motorul ajunge la aproximativ 75% din valoarea vitezei sale de lucru. Adesea, aceste motoare vor avea multiple înfăşurări pentru a se putea adapta la diferite viteze de operare.
În acest tip de circuit, motorul este conectat direct la intrarea principală astfel încât tensiunea şi frecvenţa vor fi constante. Acest lucru înseamnă că în multe cazuri motorul va fi “supra-proiectat” pentru a obţine performanţe de vârf. Rezultatul este un sistem de comandă ineficient care va genera adesea un cuplu mai mare decât este cerut de sarcină.
O problemă care apare în asemenea sisteme este aceea că factorul de putere (PF) este foarte mic atunci când motorul operează la sarcini uşoare. Aceasta scade calitatea puterii sursei principale şi poate afecta performanţa altor echipamente conectate la aceeaşi linie. Firmele de distribuţie a puterii au început să fixeze limite ale valorii factorului de putere pentru clienţii care pot fixa puterea şi au impus penalităţi pentru aceia care nu respectă cerinţele astfel încât factorul de putere este astăzi un parametru foarte important în aplicaţiile domestice. Opţiunile utilizatorului sunt să folosească echipamente care controlează factorul de putere, să menţină condiţia de încărcare completă pe echipament chiar şi atunci când nu este necesar sau să plătească penalizări pentru condiţii de încărcare uşoară.
O altă problemă ce poate fi experimentată este posibilitatea supraîncărcării sursei aparatului cauzată de un alt echipament care lucrează pe aceeaşi linie. Dacă motorul nu este protejat împotriva acestor condiţii, el va fi supus unui stres mai mare decât cel necesar ducând astfel la o deteriorare/defectare a sa mult mai rapidă.
Soluţia la aceste probleme impune un control inteligent al motorului. Dezvoltările recente în tehnologia microcontrolerelor (MCU) au produs dispozitive care permit motoarelor să fie controlate mai eficient în acelaşi timp reducându-se zgomotul şi costurile la fiecare nivel de componentă. Microchip Technology Inc. a introdus recent patru noi microcontrolere PICmicro de 8 biţi cunoscute sub numele de familia PIC18Fxx31. Această familie încorporează noi funcţii specializate de control ale motorului precum modulul PWM de control al puterii, un convertor analog/digital de 200ksps ce poate fi sincronizat cu modulul PWM şi un modul “motion feedback”. Aceste caracteristici nu numai că pot face posibil un control inteligent-electronic al motorului, dar de asemenea simplifică procesul de proiectare al sistemului. Următorul exemplu prezintă un sistem ACIM trifazat tipic ce utilizează unul din aceste noi microcontrolere.
Circuitul de comandă cu frecvenţă variabilă (VFD – variable-frequency drive) prezentat în figura 2 este cel mai popular sistem electronic de control pentru motoarele ACIM. Un beneficiu suplimentar este acela că permite utilizatorilor să comande un motor ACIM trifazat utilizând a sursă de putere monofazată.
Circuitul VFD acţionează ca un generator de frecvenţă variabilă permiţănd utilizatorului să fixeze viteza motorului. Mai întâi redresorul şi filtrul convertesc intrarea alternativă într-una continuă cu un zgomot foarte mic. Apoi invertorul, sub controlul microcontrolerului PICmicro, sintetizează tensiunea continuă într-o tensiune trifazată variabilă cu o frecvenţă variabilă. Pot fi implementate caracteristici suplimentare precum un bus DC de tensiune de detecţie, supra şi sub-tensiune, protecţie supra-curent, controlul vitezei/poziţiei, controlul temperaturii, setări simple de control, conectivitate la PC pentru monitorizare în timp real şi corecţia factorului de putere.
Un singur sistem VFD poate controla motoare multiple şi se poate adapta la aproape orice condiţii de operare şi elimină nevoia de preîncălzire a motorului. Pentru un nivel de putere dat, controlul şi comanda realizate de sistemul VFD depind doar de algoritmul scris în microcontroler. Aceasta înseamnă că acelaşi sistem VFD poate fi utilizat pentru o gamă largă de nivele de puteri. Problemele asociate cu circuitele de control ale motoarelor convenţionale sunt eliminate.
Un circuit PIC18Fxx31 integrează toate funcţiile de control necesare unui asemenea sistem VFD şi poate oferi o îmbunătăţire a funcţionării motorului, reduce zgomotul şi extinde durata de viaţă. Cel mai important beneficiu este îmbunătăţirea eficienţei cu până la 30% în multe aplicaţii domestice.
Informaţii suplimentare privind controlul electronic al motoarelor pot fi găsite pe situl Microchip de la adresa:
www.microchip.com/motor
Note de aplicaţii:
Notele de aplicaţii AN887 şi AN900 descriu complet fundamentele ACIM şi respectiv, implementarea unei aplicaţii ACIM utilizând familia PIC18Fxx31.
Unelte de dezvoltare:
Placa de dezvoltare PICDEM MC (DM183011) este un produs “low-cost” destinată evaluării familiei PIC18Fxx31.
de Cheri Keller şi Gaurang Kavaiya
Surse:
1 Motion Tech Trends