Os fornecedores de dispositivos de feedback de energia lembram que, devido às características complexas da transmissão de energia elétrica, os motores elétricos operam frequentemente em ambas as direções (direta e inversa), muitas vezes em estado de sobrecarga e com alternância contínua entre os modos elétrico e de frenagem; sua segurança e confiabilidade são cruciais. A tecnologia de conversão de frequência para motores CA tornou-se cada vez mais sofisticada, e o uso de conversores de frequência para a regulação da velocidade de motores CA assíncronos tornou-se a tecnologia de economia de energia mais importante para a regulação da velocidade desses motores.
A regulação da velocidade em comunicações evoluiu da regulação por tensão do estator, passando pela regulação por rotor bobinado com polos em série, até a regulação por embreagem deslizante eletromagnética na década de 1970, chegando à regulação por frequência variável na década de 1980. Diversas tecnologias atingiram o estágio prático. Com o aumento da confiabilidade e a redução do custo da regulação de velocidade em corrente alternada (CA), a substituição da regulação em corrente contínua (CC) tornou-se uma tendência inevitável.
1. Conversor de frequência e conservação de energia
Ao regular a velocidade abaixo da frequência fundamental de motores assíncronos, geralmente adota-se um método de controle com relação tensão-frequência constante e compensação da queda de tensão no estator; se a velocidade for ajustada acima da frequência fundamental, geralmente se adota o método de controle com tensão constante e frequência variável. Combinando as duas situações acima, obtêm-se as características de controle de velocidade com tensão e frequência variáveis para motores assíncronos. Correspondendo ao algoritmo DIT, de acordo com o princípio da simetria, se x(n) for decomposto em dois grupos no domínio do tempo, então, no domínio da frequência, X(k) formará grupos de amostragem par-ímpar, formando outra estrutura FFT comumente usada, chamada algoritmo FFT de amostragem no domínio da frequência (DIF-FFT). Como foi proposto inicialmente por Sande e Turky, também é conhecido como algoritmo de Sande-Turky.
O circuito de frenagem em um conversor de frequência universal é projetado para atender às necessidades de frenagem de motores assíncronos. Em um sistema de acionamento de frequência variável, para reduzir a velocidade e parar o motor assíncrono, o método de redução gradual da frequência de saída do conversor de frequência universal pode ser usado para diminuir a velocidade síncrona do motor, atingindo assim o objetivo de desacelerá-lo. Durante o processo de desaceleração do motor assíncrono, como a velocidade síncrona é menor que a velocidade real do motor, a fase da corrente do rotor se inverte, fazendo com que o motor gere torque de frenagem, ou seja, entre em um estado de frenagem regenerativa. Para conversores de frequência universais de grande e média capacidade, a fim de economizar energia, uma unidade de regeneração de energia é geralmente usada para realimentar a energia excedente à rede elétrica. Para conversores de frequência universais de pequena capacidade, um circuito de frenagem é normalmente usado para consumir a energia de realimentação do motor assíncrono no circuito de frenagem. Na engenharia, o tratamento da energia de frenagem regenerativa geralmente inclui métodos como armazenamento, realimentação para a rede elétrica e descarga resistiva, dependendo da capacidade e dos cenários de aplicação dos conversores de frequência em geral.
2. Aplicação da tecnologia de controle de velocidade por frequência variável no controle de automação elétrica
2.1. Características do Controle de Velocidade por Frequência Variável
Todos os dispositivos Cyclone II utilizam wafers de 300 mm e são fabricados com base nos processos TSMC de 90 nm e baixa constante dielétrica (low-K) para garantir alta velocidade e baixo custo. Devido ao uso de regiões de silício minimizadas, os dispositivos da série Cyclone II podem suportar sistemas digitais complexos com apenas um chip, a um custo equivalente ao de um circuito integrado dedicado. Conversores de frequência universais de alto desempenho possuem diversas estruturas de hardware para atender a diferentes necessidades de engenharia: conversores de frequência independentes, conversores de frequência com barramento CC comum e conversores de frequência com unidades de realimentação de energia. O conversor de frequência independente é um tipo de conversor de frequência que integra a unidade retificadora e a unidade inversora em um único invólucro. Atualmente, é o conversor de frequência mais utilizado e geralmente aciona apenas um motor elétrico, sendo empregado em cargas industriais comuns. O método de configuração utilizado é uma combinação de JTAG e AS, portanto, o circuito de configuração deve atender aos requisitos de configuração de ambos os protocolos. O chip de configuração adota o padrão EPCS1. A configuração deve ser feita de acordo com o método de conexão específico e as características dos pinos do método de configuração mencionado acima. Ao acionar cargas como elevadores, monta-cargas e laminadores reversíveis com conversores universais de frequência de alto desempenho, é necessária a operação em quatro quadrantes, o que exige a configuração de uma unidade de realimentação de energia. A função dessa unidade é devolver à rede elétrica a energia regenerativa gerada durante a frenagem do motor elétrico.
2.2. Aplicação da tecnologia de controle de velocidade por frequência variável no controle de automação elétrica industrial
(1) Unidade de modelo de motor adaptativo. A função da unidade de modelo de motor adaptativo é identificar automaticamente os parâmetros básicos do motor, detectando a tensão e a corrente de entrada. Este modelo de motor é uma unidade fundamental para o controle direto de torque. Para a maioria das aplicações industriais, se a precisão do controle de velocidade for superior a 0,5%, pode-se utilizar o feedback de velocidade em malha fechada.
(2) Comparador de torque e comparador de fluxo magnético. A função deste tipo de comparador é comparar o valor de feedback com seu valor de referência a cada 20 ms e emitir o estado do torque ou do campo magnético usando um regulador de histerese de dois pontos.
(3) Seletor de otimização de pulso. Selecionamos o chip Cyclone II EP2C5Q208C8 para processar as informações e, em seguida, projetamos a implementação em FPGA da fonte de sinal para modulação OFDM. Desenvolvemos um circuito composto por cinco módulos, implementando principalmente FFT de mapeamento de constelação, inserção de prefixo cíclico, módulo buffer e funções D/A. Uma fonte de sinal OFDM foi projetada e as funções de cada módulo foram simuladas e verificadas. Finalmente, a fonte de sinal OFDM foi concluída, incluindo simulação de software e verificação de hardware em FPGA. Devido à significativa variabilidade na capacitância dos capacitores eletrolíticos, eles apresentarão tensões desiguais. Portanto, um resistor de equalização de tensão com o mesmo valor de resistência é conectado em paralelo a cada capacitor para eliminar a influência da variabilidade. Para evitar que a corrente de carga (corrente de surto) que flui pelo capacitor queime o circuito retificador e cause outros impactos quando a alimentação for ligada, medidas para suprimir a corrente de surto também são adicionadas ao circuito de armazenamento.
A conservação de energia e a redução do consumo são meios importantes para diminuir os custos de produção, e a redução de custos é uma forma eficaz de aumentar a competitividade do produto. Além de adicionar esses módulos funcionais, é necessário otimizar continuamente o projeto final durante o processo de desenvolvimento, aprimorando ainda mais o desempenho e economizando recursos, a fim de integrar todo o sistema em um único chip FPGA, alcançar economias de energia significativas e melhorar as condições do processo.