Sistema de controle

A Figura 32 representa esquematicamente o conjunto de sensores do sistema de controle completo, incluindo manômetros, termopares, amperímetros, voltímetros, célula de carga e sonda lambda. Esses dispositivos transmitem vários tipos de sinais ao sistema CompactRIO, modelo NI9082, equipado de módulos capazes de enviar ou receber diferentes tipos de sinais analógicos e digitais. O NI9082 por sua vez comunica via LAN com um computador, que constitui a interface homem/máquina do sistema. A Figura 33 relata em vez os atuadores conectados ao sistema de controle, principalmente relés colocados na linha de alimentação dos diferentes componentes do sistema (eletroválvulas, motor de passo, velas de aquecimento e ignição, soprador e bombas) ou na interface entre empilhamento e conversor CC/CC. No esquema são também representados os sinais analógicos de controle do soprador, das bombas e do conversor CC/CC, além dos sinais digitais de controle do motor de passo. Para utilizar os sinais TTL 0 - 5 VCC gerados pelo NI9082 para operar os relés e controlar o motor de passo, foi necessário desenvolver um quadro eletrônico de interface, mostrado no Anexo 11. Muitas porções do sistema de controle foram projetadas inicialmente para operar o controle e as medições necessárias aos testes dos vários equipamentos, de acordo com os esquemas reportados na seção 3.3. Dessa forma, o sistema de controle evoluiu gradativamente, juntando as partes até alcançar o estágio de controle do sistema integrado. Um procedimento parecido foi aplicado para o desenvolvimento do software de controle, que foi realizado com a linguagem de programação LabVIEW. Grandes vantagens dessa linguagem são a facilidade de uso, a criação automática da interface homem/máquina junto com a lógica de controle e o fato de ser concebido especificadamente para trabalhar com o hardware empregado. O software desenvolvido é semiautomático, dependendo da presença de um operador para ajustar alguns parâmetros de controle. Em desenvolvimentos futuros será possível transformar o programa em uma rotina completamente automática de gerenciamento do protótipo. No Anexo 12 são mostradas algumas abas da interface homem/máquina do sistema de controle do protótipo.

Apesar do software ainda não ter alcançado o estágio de funcionamento completamente automático, nessa tese foi desenvolvida a lógica de funcionamento do sistema de controle, com especial atenção ao funcionamento da eletrônica de potência, componente essencial para atingir os objetivos do sistema de geração. Para definir essa lógica foram utilizados alguns parâmetros relacionados com o banco de baterias, dependentes da tecnologia escolhida para o mesmo. Os parâmetros que é necessário fixar são:

 Carga mínima das baterias 𝑬_𝒎𝒊𝒏. É o valor mínimo de energia armazenada nas baterias 𝐸𝑏𝑎𝑡 que pode ser alcançado no funcionamento do sistema. Com o intuito de evitar problemas de descarga profunda, o valor de 𝐸_𝑚𝑖𝑛 fixado deve ser maior do que o mínimo absoluto permitido da carga das baterias. A margem de segurança entre 𝐸_𝑚𝑖𝑛 e esse mínimo absoluto depende do tipo de acumulador adotado.

 Carga máxima das baterias 𝑬𝒎𝒂𝒙. É o valor máximo de 𝐸𝑏𝑎𝑡 que pode ser alcançado no funcionamento do sistema.

 Carga ótima das baterias (objetivo) 𝑬_𝒐𝒃𝒋. É o valor de energia armazenada nas baterias que o sistema em funcionamento normal tenta manter constante. O valor desse nível depende da tecnologia das baterias, e está fixado de forma a maximizar a relativa vida útil, permitindo ao mesmo tempo um funcionamento adequado do sistema de geração. Com efeito, no funcionamento normal as baterias não podem se aproximar ao estado de carga mínima nem ao estado de carga máxima, porque em caso de falta da rede isso significaria a impossibilidade pelo sistema de absorver efetivamente as flutuações de potência da carga. No primeiro caso, se a carga permanecesse maior que a potência da PaCOS por um longo período de tempo, as baterias descarregariam muito rapidamente. No segundo caso, as baterias alcançariam em pouco tempo o estado de carga máxima no caso em que a carga fosse menor que a potência da PaCOS. A potência da pilha a combustível, que é igual à potência média do sistema de geração, foi escolhida com o intuito de igualar a potência média requerida pela carga. Isso significa que para minimizar a probabilidade dos eventos descritos acima, o valor de 𝐸_𝑜𝑏𝑗 deveria ser aproximadamente igual ao 50 % de 𝐸_𝑚𝑎𝑥, de modo a obter uma margem igual 𝐸_𝑚𝑎𝑥 − 𝐸_𝑜𝑏𝑗 e 𝐸_𝑜𝑏𝑗 − 𝐸_𝑚𝑖𝑛. Todavia, alguns tipos de baterias sofrem de uma considerável redução da vida útil se o relativo estado de carga é mantido por muito tempo em determinados níveis. É então preciso incluir no cálculo de 𝐸𝑜𝑏𝑗 também considerações relativas às necessidades do banco de baterias.

 Tempo máximo de inatividade 𝒕_𝒐𝒇𝒇. É o intervalo de tempo máximo para o qual a PaCOS pode permanecer na temperatura de operação sem produzir eletricidade (modo de espera).

Uma vez atribuído o valor apropriado aos parâmetros listados acima, a lógica de funcionamento definida prevê vários estados do sistema possíveis:

1. Estado normal (rede ligada, 𝐸_𝑏𝑎𝑡 = 𝐸_𝑜𝑏𝑗).

Toda a potência da pilha a combustível (500 W) passa pelo inversor, sendo fornecida às cargas e/ou à rede. É preciso fixar a saída do inversor ao valor de 500 W, de forma a manter o nível de carga das baterias constante. Em caso de falta da rede, o sistema passa a funcionar no estado de emergência 2. Para não danificar as baterias, um ciclo de carga/descarga 5 tem que ser aplicado a intervalos regulares, cuja duração é dependente da tecnologia das baterias utilizadas.

2. Emergência (rede desligada, 𝐸_𝑚𝑖𝑛 < 𝐸_𝑏𝑎𝑡 < 𝐸_𝑚𝑎𝑥).

O inversor fornece a potência requerida às cargas. Nesse caso a potência transmitida pelo inversor segue as necessidades das cargas. Todavia, as cargas conectadas ao inversor não podem ter potência total superior à potência máxima do inversor. Se as baterias são completamente carregadas ou descarregadas, o sistema entra em funcionamento anormal 4. Se a rede volta a ser novamente disponível, o sistema entra no estado de pós-emergência 3.

3. Pós-emergência (rede ligada, 𝐸_𝑏𝑎𝑡 ≠ 𝐸_𝑜𝑏𝑗).

Nesse caso a lógica de funcionamento tem duas opções:

 𝐸_𝑏𝑎𝑡 < 𝐸_𝑜𝑏𝑗. A transferência de potência através do inversor é parada e as baterias são carregadas até o 𝐸_𝑜𝑏𝑗 aproveitando da potência produzida pela PaCOS;

 𝐸_𝑏𝑎𝑡 > 𝐸_𝑜𝑏𝑗. O inversor é ativado à máxima potência, fornecendo potência à rede e às cargas, até as baterias alcançarem a carga 𝐸𝑜𝑏𝑗.

Uma vez que as baterias alcançam 𝐸𝑜𝑏𝑗, o sistema passa ao estado normal 1. 4. Estado anormal (rede desligada, 𝐸_𝑏𝑎𝑡 = 𝐸_𝑚𝑖𝑛 ou 𝐸_𝑏𝑎𝑡 = 𝐸_𝑚𝑎𝑥).

Nesse caso a lógica de funcionamento tem duas opções:

 𝐸𝑏𝑎𝑡 = 𝐸𝑚𝑖𝑛, a transferência de potência através do inversor é parada, desatendendo às necessidades das cargas, e as baterias são carregadas até 20 % aproveitando da potência produzida pela PaCOS. Se, no entanto, a rede permanece indisponível, ao final da carga o sistema passa ao estado de

emergência 2. Se ao contrário a rede volta a ser presente, o sistema passa imediatamente ao funcionamento de pós-emergência 3;

 𝐸_𝑏𝑎𝑡 = 𝐸_𝑚𝑎𝑥, a produção de potência da PaCOS é suspensa, enquanto o inversor continua a satisfazer as cargas, absorvendo energia das baterias. Quando a carga das baterias desce abaixo de 80 % do total, a PaCOS é novamente ativada. No caso em que o tempo de inatividade da pilha a combustível supere 𝑡𝑜𝑓𝑓, a transferência de potência através do inversor é interrompida e é operada sequência de desligamento do sistema.

5. Ciclo de manutenção das baterias.

Como indicado na descrição do estado normal 1, é preciso operar periodicamente um ciclo de manutenção das baterias que compreende as seguintes etapas:

 a transferência de potência através do inversor é parada e as baterias são carregadas até 𝐸_𝑚𝑎𝑥 aproveitando da potência produzida pela PaCOS;

 o inversor é ativado à máxima potência, fornecendo potência à rede e às cargas, até as baterias serem completamente descarregadas (até 𝐸_𝑚𝑖𝑛);

 a transferência de potência através do inversor é novamente parada e as baterias são carregadas até o 𝐸_𝑚𝑎𝑥 aproveitando da potência produzida pela PaCOS;  o inversor é de novo ativado à máxima potência, fornecendo potência à rede e às

cargas, até as baterias alcançar o estado de carga 𝐸_𝑜𝑏𝑗.

Na Figura 34 é apresentado um esquema da lógica de controle descrita.

4.3. TESTES DOS COMPONENTES