Circuito de sensoriamento e condicionamento dos sinais

Duas placas de sensores e condicionamento foram desenvolvidas, uma para medida das tens˜oes e outra para medida das correntes, ambas com alimenta¸c˜ao autˆonoma e circuitos de prote¸c˜ao contra sobre-tens˜ao e sobre-corrente.

Uma vez que os sinais medidos devem ser enviados ao DSP, estes s˜ao devidamente limitados entre ±2V (faixa admiss´ıvel ao conversor AD do ADMC401) e disponibilizados atrav´es de cabos do tipo flat para conex˜ao ao DSP. O circuito de prote¸c˜ao tamb´em foi projetado de forma que, quando ocorre qualquer problema em um dos dois sistemas de medi¸c˜ao (tens˜ao ou corrente), ´e gerado um sinal auxiliar de prote¸c˜ao, o qual tamb´em ´e enviado ao DSP para desabilitar o acionamento das chaves (pino PWMTRIP do DSP).

Dois circuitos de tens˜ao CC vari´avel (sempre entre ±2V ) tamb´em foram implementados atrav´es de potenciˆometros de precis˜ao de forma a possibilitarem a aquisi¸c˜ao de dois “ganhos externos vari´aveis” (Kext), os quais podem ser utilizados, por exemplo, para ajuste fino dos

ganhos de um controlador de corrente.

Para medida das correntes, foram utilizados sensores de efeito Hall (LA55-P, do fabricante LEM), os quais possuem uma boa banda passante (200 kHz) e permitem ajuste no valor da tens˜ao de sa´ıda de acordo com as necessidades do projeto.

Para as tens˜oes, foram avaliados circuitos com medida diferencial simples, bem como divi- sores resistivos opto-isolados (HCPL7800a) e sensores de efeito Hall (LV-25P, LEM).

A Figura 5.6(a) mostra a compara¸c˜ao da sa´ıda dos circuitos de sensoriamento com entrada nula, usando sensores Hall LV25-P (Ch1), circuito opto-isolado (Ch2), circuito diferencial (Ch3) e a entrada (Ch4). Observar que a escala de tempo se encontra em 10µs e, assim sendo, o ru´ıdo da entrada ´e de alta freq¨uˆencia, bem como aquele da sa´ıda do circuito com o sensor Hall. A sa´ıda do circuito diferencial apresenta um bom resultado, principalmente porque pelo seu fun- cionamento, j´a exclui um pouco deste ru´ıdo da entrada nula e embora pare¸ca introduzir uma baixa freq¨uˆencia na medida, isto n˜ao ´e verdade dada a escala de tempo utilizada. No caso do circuito opto-isolado, a sa´ıda apresenta um ru´ıdo diferente daquele da entrada, o qual tem sua origem no pr´oprio componente e em seu circuito isolado de alimenta¸c˜ao (bastante sens´ıvel).

Na Figura 5.6(b) temos a mesma compara¸c˜ao, mas agora no cruzamento por zero de uma entrada senoidal para os circuitos. A seq¨uˆencia das figuras de cima para baixo representa a sa´ıda do circuito opto-isolado, o sinal original, a sa´ıda do sensor Hall e a sa´ıda diferencial.

A Figura 5.6(c) mostra que de modo geral, para muitas das aplica¸c˜oes envolvidas, as di- feren¸cas mencionadas anteriormente n˜ao seriam percept´ıveis, ou seja, o resultado usando um ou outro sistema ´e muito semelhante. No entanto, deve-se ter pleno conhecimento da resposta dos circuitos envolvidos, uma vez que, em determinadas aplica¸c˜oes ou estrat´egias de controle, esta pode influenciar tanto na estabilidade quando na dinˆamica do sistema como um todo. No prot´otipo desenvolvido optou-se pela utiliza¸c˜ao do sensor Hall (LV-25P), o qual apresentou boa

resposta em freq¨uˆencia e baixa taxa de ru´ıdo.

(a) Entrada nula. (b) Zoom de entrada senoidal no cruzamento por zero.

(c) Entrada senoidal.

Figura 5.6: Compara¸c˜ao dos circuitos de sensoriamento de tens˜ao (LEM x Diferencial x Opto- isolado).

Os diagramas esquem´aticos das duas placas desenvolvidas para o prot´otipo se encontram no Apˆendice 02. No entanto, para o projeto e implementa¸c˜ao dos controladores digitais de tens˜ao e corrente, ´e importante que se tenha um bom conhecimento sobre o sistema implementado, principalmente no que se refere aos fatores de escala empregados nos circuitos de condiciona- mento dos sinais. Assim, o ganho do sistema de medi¸c˜ao de corrente pode ser definido como a seguir.

A) Ganho do sensor de corrente (KSI)

Apesar do valor nominal do sensor de corrente (LA-55P) ser de 50A, o prot´otipo foi proje- tado para correntes nominais de 12,2A, o que significa que este ´e o valor real das correntes no lado do circuito de potˆencia. Entretanto, para n˜ao perder precis˜ao em rela¸c˜ao `a escala nominal do sensor, trabalhou-se com 4 espiras de medi¸c˜ao sobre o sensor, o que fazem com que o mesmo interprete uma corrente de aproximadamente 48,8A.

O fator de escala ou de transforma¸c˜ao do LA-55P ´e de 2000:1, o que significa que sua sa´ıda em corrente tem uma amplitude 2000 vezes menor do que a corrente medida. Tal corrente de sa´ıda ´e ent˜ao convertida em tens˜ao atrav´es de um resistor de medida (Rm), a qual vai para

um circuito de condicionamento de ganho unit´ario (TL084) e, finalmente, ´e limitado dentro da faixa de interesse de ±2V (detalhes no Apˆendice 02).

KSI = 4 . KLA−55P. Rm. KT L084 = 4 .

1

2000. 82 . 1 = 0, 164 (5.1)

o que significa que com uma corrente de ±12, 2A no circuito de potˆencia, teremos um sinal da placa de condicionamento para o DSP com ±2V :

±12, 2A . KSI = ±2V (12, 2A −→ 2V ) . (5.2)

B) Ganho do sensor de tens˜ao (KSV)

Usando abordagem similar, tamb´em pode-se definir o ganho dos sensores de tens˜ao, entre- tanto, neste caso, os ganhos dos sensores das tens˜oes de fase s˜ao diferentes daqueles da tens˜ao do elo CC.

Assim, o ganho dos sensores de fase (KSV abc) foram definidos de forma que com ±200V de

tens˜ao, a sa´ıda para o DSP ficasse entre ±2V , o que equivale a KSV abc =

2V

200V = 0, 01 . (5.3)

J´a no caso do sensor da tens˜ao do elo CC, o qual deve atingir valores superiores aos 450V mencionados, o valor definido como fundo de escala foi 628V, portanto:

KSV cc =

2V

628V = 0, 00318 . (5.4)

C) Quanto ao n´umero de sensores

Em rela¸c˜ao ao controle de corrente, optou-se por medir as correntes das cargas, para c´alculo das referˆencias de corrente para o inversor, bem como as correntes de sa´ıda deste, para reali- menta¸c˜ao dos controladores de corrente, como ser´a detalhado no pr´oximo cap´ıtulo. Uma vez que o prot´otipo foi desenvolvido para sistemas trif´asicos sem condutor de retorno, pode-se usar da estrat´egia de medir duas correntes em cada ponto (carga ou indutor de sa´ıda) e calcular a terceira digitalmente. Isto porque a soma das trˆes deve ser sempre nula (Leis de Kirchhoff )

[182].

A mesma estrat´egia foi adotada na medida das tens˜oes, uma vez que a medida foi realizada como descrito no Cap´ıtulo 3, em rela¸c˜ao a um ponto de referˆencia virtual e portanto, tamb´em devem somar zero instantaneamente. Al´em disto, ainda foi realizada a medida da tens˜ao do elo CC.

Portanto, foram utilizados 4 sensores para as correntes, 2 sensores para as tens˜oes de fase e um sensor para a tens˜ao CC, como descrito na Figura 5.5.