Os inversores de freqüência são cada vez mais usados para controle e variação da velocidade de motores elétricos de indução. Este projeto nasceu da necessidade de desenvolver robôs para competição. Os robôs são alimentados por baterias de 12V seladas e rádio-controladas. Todas as equipes utilizam motores CC pela facilidade de projeto da parte eletrônica, porém estes, para uma mesma potência, comparados com os motores CA, possuem maior tamanho, maior peso e maior índice de manutenção. Como na competição há limite de peso em 55 Kg optamos pela utilização de motores CA, pois podemos empregar motores de maior potência e mesmo peso de um motor CC. Para ser possível tal utilização, inversores de freqüência para o controle dos motores tiveram que ser projetados e construídos. No robô “Sentinela” há três motores: dois para locomoção e um para a arma rotativa, requerendo a construção de três inversores de freqüência senoidais. Criamos também uma placa de controle, microcontrolada, que recebe e decodifica os sinais do controle remoto e comanda independentemente os três inversores do robô. A equipe inovou com a utilização de motores de indução monofásicos.

Projetamos e construímos três inversores de freqüência senoidais, controlados por uma central eletrônica baseada no microcontrolador MSP430F149 da Texas Instruments. Este possui tamanho reduzido, boa capacidade de processamento, 6 I/Os de 8 bits, dois timers de 16 bits, sendo que um pode ser utilizado como modulador PWM de 7 canais. A central de comando decodifica os pulsos de quatro canais PCM recebidos do rádio-controle e comanda independentemente os três inversores senoidais PWM, sendo que cada senóide é composta por vinte pontos (o dobro do que atualmente é utilizado pela maioria dos fabricantes de inversores do mercado). Toda programação foi feita em Linguagem C. A parte de potência do inversor tem topologia “Push-Pull” e um transformador de saída que eleva a tensão das baterias até a tensão nominal dos motores. Foram utilizados Mosfets de baixa resistência interna, alta corrente e alta freqüência de chaveamento para uma menor dissipação de potência nas chaves. Este objeto faz parte de uma série de projetos desenvolvidos no Laboratório Aberto de Ciência, Tecnologia, Educação e Arte (LACTEA) do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET-MG), onde um trabalho de investigação sobre pedagogia de projetos vem servindo de base à proposição de novos processos de ensino-aprendizagem, voltados para o desenvolvimento científico, tecnológico e humanístico de estudantes de Engenharia, bem como para o incentivo às inovações de materiais, equipamentos e tecnologias.

Resultados A placa-mãe e as placas de potência dos inversores foram construídas e testadas, assim como os transformadores de saída. O software foi criado e transferido para a central de processamento. Testamos várias freqüências de chaveamento (freqüência da portadora do sinal PWM) e optamos por 6,8kHz, pelo conjunto inversor-motor apresentar melhor desempenho nesta freqüência. Também foi ajustado o índice de modulação em 80% para uma correta tensão de saída e limitada a faixa de freqüência da senóide de 20Hz a 90Hz, com uma resolução de 1Hz. A potência de saída dos inversores é de 1kVA. A resolução do sinal PCM capturado é de 1us. O microcontrolador mescla dois dos canais PCM para controlar os dois inversores das rodas, permitindo uma maior agilidade nas manobras. O terceiro canal comanda o motor da arma rotativa e o quarto habilita ou não o robô. Por segurança, caso haja perda do sinal de rádio, ou sinal inválido, os inversores são desligados.

Os inversores apresentaram um baixo custo de construção, cerca de R$300,00 cada, viabilizando a construção. Pelo fato de gerarmos a senóide com uma alta resolução, vinte pontos, tivemos um baixo índice de distorção harmônica (2%). Encontramos um pouco de dificuldade no projeto do filtro de harmônicos e no transformador. A equipe inovou com a utilização de motores de indução monofásicos. A competição “Guerra de Robôs” também é realizada no exterior e recebemos a notícia de que o nosso robô é o único do mundo, nessa competição, que utiliza motores CA e inversores de freqüência senoidais, o que provocou admiração, principalmente, dos professores e engenheiros presentes no evento. Para este ano de 2006 a equipe está projetando novos inversores senoidais. Já iniciamos o projeto e construção de protótipos para utilização em motores de indução de maior potência (até 3CV), com uma nova topologia, onde será possível reduzir ainda mais o peso e aumentar a eficiência na conversão CC-CA. Com este novo inversor será possível controlar tanto motores monofásicos quanto trifásicos. Outra vantagem do novo robô será o processamento distribuído: cada inversor terá o seu microcontrolador e o seu “endereço”, e comunicará com a central através de um barramento serial bidirecional comum.

Instituição de fomento: LACTEA/CEFET-MG - Laboratório Aberto de Ciência, Tecnologia, Educação e Arte.

Trabalho de Iniciação Científica