Choppers: Conversores CC/CC para Acionamento de Máquinas de Corrente Contínua

Os choppers são uma classe de conversores CC/CC que desempenham um papel fundamental no acionamento de máquinas de corrente contínua, permitindo o controle preciso da velocidade, torque e direção dessas máquinas. Neste blog post, exploraremos os diferentes tipos de choppers, suas estruturas, funcionamento e aplicações.

Antes de mergulharmos nos detalhes dos choppers, vamos revisar as noções básicas de uma máquina de corrente contínua, para podermos entender como que esses conversores eletrônicos enxergam as máquinas:

Estrutura e Funcionamento Básico

A estrutura de uma máquina CC é apresentada na Fig. 1. Grosso modo, essa máquina consiste em um estator (campo), bobinado ou feito com ímãs permanentes, e um rotor (armadura) que possui suas bobinas conectadas a uma estrutura metálica chamada de comutador. O comutador, por outro lado, é uma estrutura composta por chapas que se conectam aos terminais das bobinas de armadura, como ilustra a Fig. 2. O acesso dessas bobinas aos terminais externos se faz por meio de escovas, as quais fecham um contato com as chapas do comutador.

Funcionamento do Motor

Para podermos entender o funcionamento do motor, vamos usar um diagrama simplificado com apenas uma bobina de armadura e um campo formado por ímãs permanentes, como ilustrado na Fig. 3. Note que a fonte externa se conecta à bobina de armadura por meio das escovas e do anel do comutador, assim, forma-se um caminho fechado para a circulação da corrente de armadura. O ímã do estator produz um campo magnético no interior da armadura que interage com a corrente da bobina produzindo um torque que gira o eixo do motor, seguindo a lei de Biot-Savart. Contudo, ao girar 180°, o comutador promove uma inversão da polaridade da tensão externa aplicada à bobina de armadura. Assim, ocorre uma reversão no sentido da corrente, fazendo com que ela não se torne negativa e mantenha o torque, assim como o sentido de giro do eixo do motor na mesma direção.

Torque e Velocidade no Motor CC

Conforme elucidado acima, a conexão de uma fonte externa aos terminais do motor faz aparecer um torque no seu eixo. Esse torque vai não só girar, mas também acelerar o motor até que ele entre em equilíbrio com a força exercida pela carga sobre o seu eixo. Nesse sentido, podemos imaginar que existe alguma relação entre a tensão externa aplicada e o torque exercido pelo motor e também com a sua velocidade. De fato, podemos usar as leis do eletromagnetismo para nos auxiliar na modelagem do motor e equacionar essas relações. Entretanto, essa dedução toda foge do objetivo desse post que são os choppers. Portanto, vamos direto ao ponto. A velocidade do eixo do motor pode ser descrita como:

onde K é um parâmetro construtivo do motor, que depende do número de espiras da armadura, da geometria da armadura e da intensidade do campo magnético, já Ea é a força eletromotriz (f.e.m) induzida nos terminais da armadura durante o movimento da bobina. Por outro lado, o torque no eixo é

onde K é o mesmo parâmetro vista na equação acima e Ia é a corrente na armadura.

Modelo Elétrico de um Motor CC

Conforme descrição acima, o funcionamento da máquina de corrente contínua pode ser modelado para um circuito elétrico equivalente, como o ilustrado na Fig. 4. A bobina de armadura é modelada como indutor e uma resistência, a f.e.m é simbolizada por uma fonte de tensão e o circuito de campo é independente. No caso de um circuito de campo bobinado (sem ser com ímãs permanentes), podemos conectar a bobina de campo de formas diferentes, por exemplo, de forma independente, em série com a armadura ou em paralelo com a armadura. Cada conexão vai trazer comportamentos de torque diferentes. Porém para nosso objetivo aqui, basta saber que a interação entre a fonte externa e o f.e.m vai determinar a corrente de armadura, já que:

Por outro lado, como a corrente de armadura também define o torque, quando o motor atinge o equilíbrio, isto é, torque eletromagnético igual ao torque de carga, isto também define um equilíbrio de velocidade para o motor. Além disso, para controlar a velocidade do motor, basta ajustar o valor de Vcc, e para controlar o torque, basta ajustar o valor de Ia. Obviamente, esses dois parâmetros não são independentes, mas é possível fazer esse controle com uma fonte CC ajustável, como o que choppers entregam.

2 - Tipos de Choppers

Agora que entendemos como que as máquinas de corrente contínua funcionam, podemos nos debruçar sobre os tipos de choppers encontrados no mercado. Existem basicamente três topologias de choppers, dependendo das funções de acionamento que elas proporcionam:

• Chopper de 1 quadrante - Possibilita o acionamento de um motor, mas sem possibilidade de reversão de rotação ou frenagem;
• Chopper de 2 quadrantes - Possibilita o acionamento de um motor e sua frenagem, mas não permite reversão de rotação;
• Chopper de 4 quadrantes - Possibilita o acionamento de um motor, sua frenagem e reversão de rotação.

A seguir, vamos discutir cada um dessas topologias.

Chopper de 1 Quadrante

O Chopper mais simples é o chopper de 1 quadrante, ilustrado na Fig. 5. Ele possui uma chave eletrônica (transistor) e um diodo de roda-livre, formando um braço de semicondutores. O comando da chave irá definir o momento em que ela abre e fecha, impondo sobre o motor uma tensão E ou zero (desprezando a tensão de condução do diodo). O ajuste desse liga/desliga é feito usando uma modulação por largura de pulso (PWM), desse modo a chave comuta muito mais rápido do que a constante de tempo do motor com uma tensão média definida pelo duty cycle (D) do PWM. Assim, mesmo a tensão de saída do chopper sendo uma onda quadrada, o motor não consegue perceber a oscilação é responde apenas ao valor médio (Vcc = ExD). Ajustando então o duty cycle, a tensão de armadura é controlada, assim como a velocidade do motor.

Uma desvantagem do Chopper de 1 quadrante é que para frenar o motor, o máximo que podemos fazer é desligar o comando da chave. Porém, como o diodo de roda-livre não deixa a corrente na armadura ficar negativa, a frenagem ocorre pelas perdas do motor (atrito, aquecimento, etc). Isto, no entanto, demora bastante tempo, já que motores tem bastante inércia.

Choppers de Dois Quadrantes

Os choppers de dois quadrantes são construídos ao substituirmos o diodo de roda-livre por outra chave comandada de forma complementar à primeira. Em questão de tensões aplicadas na armadura, o chopper de 2 quadrantes é idêntico ao chopper de 1 quadrante. Contudo, ao cortarmos os pulsos de comando, a chave inferior se mantém ligada e fornece um caminho para a corrente de armadura circular. Esta corrente, portanto, fica negativa e "rouba" energia do motor, fazendo com que a frenagem ocorra mais rápido, isso é útil para aplicações que exigem frenagem regenerativa, como elevadores e trens. Assim, o chopper de dois quadrantes permite uma conversão bidirecional de energia e possibilita tanto acionamento do motor, quanto a sua frenagem, mas, a reversão de sentido não é possível.

Choppers de Quatro Quadrantes (Ponte H)

Os choppers de quatro quadrantes, também conhecidos como ponte H, são os mais versáteis. Constituídos por dois braços de transistores com a carga em ponte, eles podem aplicar tanto tensões de armadura positivas, quanto negativas. Com isso, eles permitem a inversão da corrente e a frenagem regenerativa. Essa configuração é muito comum em circuitos usados em pequenos robôs e motores de passo.

3 - Conclusão

Os choppers desempenham um papel crucial no controle de máquinas de corrente contínua. Eles oferecem flexibilidade e eficiência na conversão de energia, permitindo o ajuste preciso da velocidade, torque e direção. À medida que a automação industrial avança, os choppers continuam a ser uma tecnologia essencial para otimizar o desempenho das máquinas elétricas e têm tido cada vez mais espaço no avanço da robótica e pequenos acionamentos com IOT.

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