Sistemas de Accionamento e Movimentação

(1)

S S i i s s t t e e m m a a d d e e A A v v a a l l i i a a ç ç ã ã o o d d o o e e s s t t a a d d o o d d e e u u m m b b a a n n c c o o d d e e f f i i l l t t r r a a g g e e m m

André Carvalhosa - 000503011 Tiago Leite - 990503206

22000044//22000055 DoDocceentnteess::

PrProoff.. DDrr.. Rui Manuel Esteves Araújo

(2)

1. OBJECTIVO

4

2. CONCEPÇÃO TEÓRICA

4

3. MONTAGEM DE POTÊNCIA

5

4. SIMULAÇÃO EM PSIM

5

5. MODELO E DETERMINAÇÃO DE PARÂMETROS DO CONDENSADOR

7

5.1.

T

ESTES LABORATÓRIO 8

5.2. M

ODELO OBTIDO 8

6. MONTAGEM DE SINAL

9

6.1. C

IRCUITO DE CONDICIONAMENTO DE SINAL 9

6.1.1. CIRCUITO DE SINAL 10

7. ANÁLISE EM LABVIEW 10

7.1. F

UNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA DO BANCO DE FILTRAGEM 10

7.2. I

MPLEMENTAÇÃO DO PROCESSO DE AVALIAÇÃO 11

7.2.1. EXPLICAÇÃO DA FUNÇÃO DE CADA BLOCO 12

7.3. I

NTERFACE COM O UTILIZADOR 12

8. VALIDAÇÃO DO SISTEMA DE ANÁLISE E REGISTO DOS RESULTADOS OBTIDOS 12

8.1. A

NÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS 13

9. RESUMO

15

10. TRABALHO FUTURO 15

(3)

Índice de figuras

Ilustração 1 (Método de medição de corrente e tensão) 4

Ilustração 2 (Diagrama de blocos) 4

Ilustração 3 (Montagem de potência) 5

Ilustração 4 (Modelo de simulação) 6

Ilustração 5 (Forma de onda de Tensão) 6

Ilustração 6 (Forma de onda de corrente) 7

Ilustração 7 ( Modelo do Condensador) 8

Ilustração 8 ( Modelo obtido) 8

Ilustração 9 (Circuito de sinal) 10

Ilustração 10 (Diagrama LabVIEW) 11

Ilustração 11 ( Condensador em bom estado) 13

Ilustração 12 (Condensador médio estado) 14

Ilustração 13 (Condensador em mau estado) 14

(4)

1. Objectivo

O objectivo deste trabalho consiste em implementar um sistema para determinar o estado de um banco de filtragem em pleno funcionamento.

Actualmente, o circuito de rectificação é largamente utilizado nas fontes de alimentação DC e nos inversores. Por este facto e pelo banco de filtragem ser a principal causa de avarias, a avaliação do estado dos condensadores é uma ferramenta importante que permite a actuação atempada e com custos mais reduzidos do que simplesmente substituir todo um bloco de alimentação ou ter que proceder à reparação de todo o sistema que ficou afectado por uma eventual avaria.

2. Concepção teórica

A deterioração do estado de um condensador afecta a forma de onda de tensão e corrente que o percorre. Logo sendo possível monitoriza-las, é possível inferir sobre o estado do mesmo.

Para a monitorização das formas de onda utilizou-se LEM´s de tensão e corrente, pois estes proporcionam isolamento galvânico e possuem uma resposta em frequência adequada ás grandezas a medir.

Ilustração 1 (Método de medição de corrente e tensão)

Este sinais (Vo,Io) são adquiridos numa placa de aquisição, processados de forma a avaliar e mostrar, por uma interface gráfica, o estados dos condensadores.

Ilustração 2 (Diagrama de blocos)

(5)

3. Montagem de potência

Como se pretende que a avaliação seja feita em funcionamento, teve-se que simular a comutação de uma carga admitindo apenas o funcionamento em regime permanente.

Ilustração 3 (Montagem de potência)

A rectificação da tensão da rede é feita recorrendo a uma ponte rectificadora.

Em seguida dimensionou-se o banco de filtragem que passou por escolher um conjunto de condensadores a avaliar e as resistências para equilibrar a tensão aos terminais dos

condensadores e efectuar a descarga dos mesmos.

Para simular o funcionamento em regime permanente usou-se um transístor de potência a funcionar como comutador de uma carga resistiva, à frequência de 1Khz.

4. Simulação em PSIM

Para se ter uma base de comparação com os resultados obtidos experimentalmente

simulou-se o circuito de potência em PSIM, obtendo-se os seguintes resultados:

(6)

Ilustração 4 (Modelo de simulação)

4.1. Registo dos resultados obtidos

Ilustração 5 (Forma de onda de Tensão)

O valor máximo de tensão é aproximadamente 110 Volt com ripple de 5 volt.

(7)

Ilustração 6 (Forma de onda de corrente)

Os picos de corrente aparecem à frequência da rede (50Hz) e são devidos ao processo de carga do condensador. A restante forma de onda apresenta uma frequência de 1Khz imposta pela frequência de comutação da carga.

5. Modelo e determinação de parâmetros do condensador

Esta fase de projecto é crucial para uma boa estimativa do estado do condensador.

Diríamos até, que em termos de percentagem, é mais do que 50% do trabalho. Tudo o resto é electrónica de condicionamento e processamento computacional. Porém é a fase mais dificil e que exige mais cuidado.

Sendo esta a primeira vez que nos foi lançado este desafio, e devido ao curto espaço de tempo, não nos foi possível pesquisar com profundidade como são efectuados os testes para determinar estes parâmetros.

Baseados no modelo de um condensador e por pesquisa bibliográfica, chegou-se à conclusão que o principal parâmetro que afecta o estado do condensador é a resistência denominada ESR.

Por este facto, pelo tempo disponível para a realização do trabalho e por ser a primeira

abordagem a este tipo de problema optou-se por se considerar que este é o único parâmetro

cuja variação traduz o estado do condensador.

(8)

Ilustração 7 ( Modelo do Condensador)

5.1. Testes laboratório

Para determinar o valor as resistências ESR e R aplicou-se uma tensão continua aos terminais do condensador e pela corrente medida obteve-se o valor da resistência total:

Vdc 60

Rtotal = ESR+ R = = = 12 M

Idc 5u Ω

Como R>>ESR então podemos considerar que R=12MΩ

O valor de L=10uH foi obtido por simulação e ajustado de modo a que a forma de onda fosse semelhante à forma de onda medida experimentalmente com um osciloscópio.

5.2. Modelo obtido

(9)

6. Montagem de sinal

6.1. Circuito de condicionamento de sinal

Este circuito consiste em condicionar o sinal de saída dos LEM´s para a placa de aquisição de dados.

Para rejeitar frequências superiores à frequência máxima de aquisição da placa de dados (100Khz) , e evitar fenómenos de allising, projectou-se um pequeno filtro de 1ª ordem:

( )

-1 -1

-1

1 R2 + S.C2

Vb Z2 R2

=- = = Freq.corte=100Khz R2=R1=100KΩ,C2=1uF

Va Z1 R1 R1 R2.C2.S+1

   

   

   

  ⇒ ⇒

(10)

6.1.1. Circuito de sinal

Ilustração 9 (Circuito de sinal)

7. Análise em Labview

7.1. Função de transferência do banco de filtragem

Admitindo então que ESR é o único parâmetro que varia e determinados os restantes parâmetros, esta fase consistiu em resolver a função de transferência do banco de filtragem em ordem a ESR.

Z = j2 .f .L

L

π Z = j2 .1E .10 E

_L

π

³ ^-6

-1

-1 -1 R//C

Z = 1 +R

j.2π.f.C

   

   

   

 

R//C 3 -6 ^-1

(

⁶

)

^-1 ^-1

Z = 1 + 12E

j.2π.1E .680E

   

   

   

 

Total L R//C

Z =Z +ESR+Z

_Total

V

^RMS

Z =

I

(11)

Resultando na seguinte equação:

2 -9

total

ESR= Z -0,029-4,57E

Conhecendo então a equação que nos permite determinar ESR, falta um valor de referência para que possamos ter uma base de comparação assim como um mecanismo de medição de Ztotal.

Ztotal é determinado pelos sinais adquiridos pela placa de aquisição, que recorrendo a um software especifico (LabView), calcula esse valor baseado no valor RMS da tensão e corrente. Mais à frente irá ser explicado os blocos em que este cálculo é efectuado.

O ESR de referência foi determinado assumindo que os condensadores estavam em perfeito estado, quando nos foram dados, sendo a primeira medida de ESR tomada para valor de referência.

referencia

ESR =14Ω

Este valor de ESR parece-nos elevado, na bibliografia consultada o valor típico era na ordem das centenas dos mΩ.

Esta discrepância de valores está relacionada com o facto de não ter-mos conseguido determinar valores mais realistas para os parâmetros do condensador no tempo disponível.

7.2. Implementação do processo de avaliação

(12)

-O bloco a vermelho faz a aquisição do sinal de tensão e corrente.

-O bloco a verde calcula o valor RMS de tensão e corrente.

-O bloco a amarelo implementa a função que permite calcular ESR.

-O bloco azul é onde o ESR é comparado ao ESRrefencia para avaliação

-O bloco roxo é onde são definidos os ganhos dos sinais amostrados recorrendo aos valores obtidos na simulação.

É ainda possível guardar as amostras de tensão e corrente para um ficheiro recorrendo ao bloco laranja.

7.3. Interface com o utilizador

Para passar ao utilizador o estado do condensador, foi criado um sinóptico que consiste numa barra de percentagem cujo o nível varia proporcionalmente ao estado do condensador.

É ainda importante realçar que o sistema projectado pode ser adaptado a outro banco de filtragem, pois todos o ganhos dos sinais amostrados são gerados em software, permitindo uma maior flexibilidade do hardware.

8. Validação do sistema de análise e registo dos resultados obtidos

Para validar o sistema projectado, simulou-se o aumento do parâmetro ESR, colocando um resistência de potência em série com o condensador, variando o seu valor.

Observou-se que ao aumentar o valor da resistência, o nível que indica o estado do condensador descida e o valor de ESRmedido aumentava.

Apesar do sistema estar não efectuar uma boa estimação deste parâmetro, como todos os resultados são afectados do mesmo erro, em termos relativos

medido referencia

ESR

ESR o erro comum anula-se e a informação passada para o utilizador pela

barra de estados traduz uma informação mais precisa, o que nos permitiu validar o nosso sistema.

(13)

8.1. Análise dos resultados obtidos

Como foi dito anteriormente, efectuamos um conjunto de testes que consistiu em aumentar gradualmente o valor do potenciómetro Rp e registar os resultados obtidos.

Como podemos observar, a informação de ESR (assinalada a vermelho) não traduz de facto uma informação verdadeira, mas a barra de estado indica que o condensador está bom.

Ilustração 11 ( Condensador em bom estado)

Rp=0Ω

(14)

Aumentando o valor de Rp verificamos que o valor de ESR aumentou e o nível da barra de estado desceu, que era a situação esperada.

Ilustração 13 (Condensador em mau estado)

Rp=20Ω

Ilustração 12 (Condensador médio estado)

Rp=10Ω

(15)

9. Resumo

Relativamente ao resultado final, podemos concluir que apesar da informação de ESR não estar totalmente correcta, o sistema tem capacidade satisfatória de avaliar o estado de um banco de filtragem.

Esta discrepância de valores está relacionada com o facto de não se ter conseguido determinar valores mais realistas para os parâmetros do condensador no tempo disponível, sendo esta fase crucial para a obtenção de melhores resultados.

É importante salientar que a deterioração do condensador faz com que ESR aumente. Com o aumento da resistência ESR, aumentam as perdas por efeito de Joule, diminuindo assim o tempo de vida do condensador.

O aumento da temperatura do condensador, é também um parâmetro que permite inferir sobre o seu estado, sendo então um método alternativo e complementar ao presente projecto.