Palavras-chave Electrónica de Potência, energias renováveis, micro controladores, controlo.
Resumo Esta tese tem como principal objectivo continuar o desenvolvimento de um inversor para torres eólicas de produção doméstica, iniciado em anos anteriores. O interesse por este projecto deve-se ao elevado preço dos inversores, que permitem injecção de energia na rede, existentes no mercado, assim como o crescente interesse das pessoas no aproveitamento das energias renováveis. Iniciou-se o trabalho, com a simulação do inversor já projectado, de modo a detectar possíveis falhas ou melhorias que poderiam ser feitas. Todo este trabalho de simulação é de extrema importância uma vez que nos irá dar garantias que o circuito projectado é capaz de cumprir os seus objectivos, além desta garantia a simulação ajuda bastante a explicar o funcionamento do inversor e prever o seu comportamento.
Uma vez que o inversor existente ainda se encontrava numa forma muito prematura, foi necessário efectuar um processo intensivo de debug do mesmo, que ao nível de montagem quer ao nível do projecto.
Após se ter um hardware livre de problemas partiu-se para o desenvolvimento das camadas mais baixas de software, ou seja, drivers e algoritmos de controlo. Através da análise dos resultados obtidos, pode-se afirmar com garantias que, todo o trabalho efectuado até agora está no bom caminho, necessitando apenas de se melhorar o software.
Keywords Power Electronics, renewable energies, microcontrollers, control.
Abstract
The goal of this thesis is to continue the development of an inverter for wind towers of domestic production, begun in previous years. The interest in this project grow due to the high price of inverters, which allow injection of energy in the network, existing market and the growing interest of people in renewable energy.
The work started with the simulation of the inverter already planned, in order to detect possible flaws or improvements that could be made. All this work of simulation is very important since it will give us assurances that the proposed circuit is able to achieve the proposed objectives, beyond this, the simulation helps to explain the operation of the inverter and predict their behavior.
Since the inverter was at a very early form, it was necessary to make an intensive debug process, this debug was made at the level of assembly and at project level.
After we have a trouble-free hardware, we started the development of the software lower layers, drivers and control algorithms.
Through the analysis of the results, we can say with some assurance that all the work done so far, is on track, needing only to improve the software.
Conteúdo
1 Introdução 3 1.1 Sumário . . . 3 1.2 Enquadramento . . . 3 1.3 Motivação . . . 6 1.4 Objectivos . . . 7 1.5 Estrutura da tese . . . 71.6 Conceitos básicos acerca da produção de energia eólica e seus componentes 10 1.7 Portugal e a energia eólica . . . 11
2 Inversores 19 2.1 Sumário . . . 19
2.2 Introdução . . . 19
2.3 Considerações Importantes . . . 20
2.4 Tipos de inversores . . . 21
2.4.1 Quanto ao tipo de ponte . . . 21
2.4.1.1 Meia Ponte (Half-Bridge) . . . 21
2.4.1.2 Ponte Completa (Full-Bridge) . . . 22
2.4.2 Quanto ao tipo de conexão da saída . . . 23
2.4.2.1 Grid Connected . . . 23
2.4.2.2 Stand Alone . . . 24
2.4.3 Quanto à forma de onda da saída . . . 24
2.4.3.1 Modi ed Sine Wave . . . 24
2.4.3.2 Pure Sine Wave . . . 25
2.5 Inversor deste trabalho . . . 26
3 Controlo 27 3.1 Sumário . . . 27
3.2 Introdução . . . 27 i
3.3 Modos de controlo . . . 28
3.3.1 Duas posições (Two-position) . . . 28
3.3.2 Flutuante (Floating) . . . 29
3.3.3 Proporcional (Proportional) . . . 30
3.3.4 Integrador (Integral) . . . 31
3.3.5 Proporcional Integrador (Proportional plus Integral) . . . 32
3.3.6 Derivador (Derivative) . . . 33
3.3.7 Proporcional Derivador (Proportional plus Derivative) . . . 34
3.3.8 Proporcional Integrador Derivador (Proportional plus Integral plus Derivative) . . . 35
3.4 Algoritmos de Controlo Digital (PID) . . . 36
3.4.1 Termo Proporcional . . . 37
3.4.2 Termo Integral . . . 37
3.4.3 Termo Derivativo . . . 37
3.4.4 Expressão descretizada do PID . . . 38
3.4.5 Diagrama de uxo típico de um algoritmo PID . . . 38
4 Simulação 41 4.1 Sumário . . . 41 4.2 Introdução . . . 41 4.3 Descrição . . . 42 4.4 Sub-circuitos . . . 44 4.5 Resultados . . . 48 5 Hardware 55 5.1 Sumário . . . 55 5.2 Introdução . . . 55
5.3 Correcções e alterações efectuadas . . . 55
5.3.1 PCB de potência . . . 55
5.3.2 PCB de controlo . . . 56
5.3.3 PCB dos micro controladores . . . 57
5.4 Placa de testes . . . 58 5.5 Dispositivo de Isolamento . . . 59 6 Software 63 6.1 Sumário . . . 63 6.2 Introdução . . . 63 6.3 Drivers . . . 63
CONTEÚDO iii
6.4 Onda de corrente de referência . . . 64
6.5 Software de teste . . . 64 6.6 Software de controlo . . . 65 6.6.1 Controlo do Flyback . . . 65 6.6.2 Controlo Principal . . . 67 6.6.2.1 Primeira abordagem . . . 67 6.6.2.2 Segunda abordagem . . . 70
6.6.2.3 Ligação à rede eléctrica . . . 73
7 Resultados e Conclusões 77 7.1 Sumário . . . 77 7.2 Resultados . . . 77 7.3 Conclusão . . . 91 7.4 Trabalho futuro . . . 92 A Hardware 95 A.1 Circuitos eléctricos . . . 96
A.1.1 PCB Potência . . . 96
A.1.2 PCB Controlo . . . 97
A.1.3 PCB Micro Controladores . . . 99
A.1.4 Placa de teste dos drivers . . . 100
A.1.5 Circuito usado na simulação com componentes discretos . . . . 101
A.1.6 Circuito usado na simulação com sub-circuitos . . . 102
A.2 Disposição dos componentes nas PCB's . . . 103
A.2.1 PCB Potência . . . 103
A.2.2 PCB Controlo . . . 104
A.2.3 PCB Micro Controladores . . . 105
B Software 107 B.1 Código MatLAB para gerar a onda de corrente de referência . . . 108
B.2 Drivers . . . 109 B.2.1 Header le . . . 109 B.2.2 Drivers.c . . . 110 B.3 Programa de teste . . . 114 B.4 Software controlo . . . 116 B.4.1 Controlo yback . . . 116
B.4.2 Controlo principal - 1ª Abordagem . . . 118
Lista de Figuras
1.1 Constituição de um aerogerador[1] . . . 10
1.2 Aerogerador eixo vertical (esquerda) e eixo horizontal (direita)[2] . . . 11
1.3 Capacidade instalada na Europa no nal de 2008[3] . . . 13
1.4 Energia eólica - índices de densidade no nal de 2008[3] . . . 13
1.5 Potência e número de aerogeradores dos parques eólicos em Portugal[3] 14 1.6 Capacidade acumulada em Dezembro de 2008[3] . . . 14
1.7 Potência por distritos e regiões autónomas em Dezembro de 2008[3] . . 15
1.8 Localização dos parques eólicos até Dezembro de 2008[3] . . . 15
1.9 Potência ligada e em construção por distritos e regiões autónomas até Dezembro de 2008[3] . . . 16
1.10 Quotas de mercado fabricantes em Dezembro de 2008 (parques ligados à rede + construção + adjudicados)[3] . . . 16
1.11 Quotas de mercado promotores em Dezembro de 2008 (parques ligados à rede + construção + adjudicados)[3] . . . 17
1.12 Número de aerogeradores por classe de potência até Dezembro de 2008[3] 17 2.1 Inversor Half Bridge . . . 22
2.2 Inversor Full Bridge . . . 22
2.3 Forma de onda de um inversor modi ed sine wave[4] . . . 25
2.4 Forma de onda de um inversor pure sine wave[4] . . . 26
3.1 Diagrama de blocos de um sistema de controlo em malha fechada [5] . . 28
3.2 Relação entrada/saída de um controlador de duas posições com zona neutra [5] . . . 29
3.3 Relação entrada/saída de um controlador utuante [5] . . . 30
3.4 Resposta do controlador integrador a um sinal de erro [5] . . . 31
3.5 Resposta de um PI a um degrau [5] . . . 32
3.6 Resposta de um controlador D a um degrau e a uma rampa [5] . . . 34
3.7 Resposta de um controlador PD a um sinal [5] . . . 35 v
3.8 Resposta de um controlador PID a um sinal [5] . . . 36
3.9 Fluxograma de um algoritmo PID . . . 39
4.1 Circuito simulado simpli cado . . . 43
4.2 Circuito de detecção de passagem por zero . . . 45
4.3 Transformador . . . 45
4.4 Bloco Non Overlapp clocks . . . 46
4.5 Conversão nível lógico para tensão . . . 47
4.6 Bloco de controlo . . . 48
4.7 Sinais de entrada e saída do bloco NON_OVERLAPP_CLOCKS . . . 49
4.8 Sinais de ataque às gates dos transístores da primeira ponte . . . 49
4.9 Sinais de ataque às gates dos transístores da segunda ponte . . . 50
4.10 Forma de onda antes e depois da segunda ponte . . . 50
4.11 Forma de onda antes e depois do primeiro ltro . . . 51
4.12 Forma de onda da corrente na saída do inversor . . . 52
4.13 Forma de onda de potência na entrada e saída do inversor . . . 52
4.14 Variação do rendimento em função da potência de saída . . . 53
5.1 Aspecto nal da PCB de potência . . . 56
5.2 Aspecto nal da PCB de controlo . . . 57
5.3 Aspecto nal da PCB dos micro controladores . . . 58
5.4 Aspecto nal da placa de testes . . . 59
5.5 Circuito do dispositivo de isolamento . . . 60
5.6 Dispositivo de Isolamento . . . 60
5.7 Formas de onda de corrente e tensão no interior do módulo de isolamento 61 6.1 Fluxograma do algoritmo de controlo do yback . . . 66
6.2 Fluxograma do algoritmo de controlo principal (1ª abordagem) . . . 69
6.3 Fluxograma do algoritmo de controlo principal passo a passo(1ª abor-dagem) . . . 70
6.4 Fluxograma do algoritmo de controlo principal (2ª abordagem) . . . 72
6.5 Fluxograma do algoritmo de controlo principal passo a passo(2ª abor-dagem) . . . 73
6.6 Fluxograma da RSI do algoritmo de ligação do inversor à rede eléctrica 75 7.1 Pontos de medida na PCB de potência . . . 78
7.2 Pontos de medida na PCB de controlo . . . 79
LISTA DE FIGURAS vii
7.4 1-Vcc12; 2-Vcc7; 3-Vcc5_IN (4) . . . 81
7.5 Sinal de ataque do yback à saída do MC (7) . . . 82
7.6 Sinal de ataque do yback na gate do transístor de ataque ao yback (5) 82 7.7 1-Vcc12; 2-Vcc7; 3-Vcc5_IN (4) . . . 83
7.8 1-PWM1 (6c), 2-PWM2 (6a), 3-PWM_IN (6a) . . . 84
7.9 Sinal PWM de ataque às gates dos transístores inferiores da 1ª ponte nas gates dos transístores (1) . . . 85
7.10 Sinal PWM de ataque às gates dos transístores inferiores da 2ª ponte na saída do PIC1 (8) . . . 86
7.11 Sinal PWM de ataque às gates dos transístores inferiores da 2ª ponte na gate dos transístores (2) . . . 86
7.12 Variação do sinal PWM ao longo do tempo (9) . . . 87
7.13 Forma de onda na saída do inversor (3) . . . 88
7.14 Variação do PWM com o tempo e forma de onda na saída do inversor (6a) e (3) . . . 88
7.15 Variação do PWM com o tempo e forma de onda na saída do inversor (controlador proporcional) (6a) e (3) . . . 89
7.16 Forma de onda na saída do inversor e detector de passagem por zero (3) (9) . . . 90
7.17 Aspecto nal do inversor . . . 90
A.1 Circuito da PCB de potência . . . 96
A.2 Circuito da PCB de controlo parte 1 . . . 97
A.3 Circuito da PCB de controlo parte 2 . . . 98
A.4 Circuito da PCB dos micro controladores . . . 99
A.5 Circuito da placa de teste dos drivers . . . 100
A.6 Circuito simulado com componentes discretos . . . 101
A.7 Circuito simulado com sub-circuitos . . . 102
A.8 Disposição dos componentes na PCB de Potência . . . 103
A.9 Disposição dos componentes na PCB de Controlo . . . 104
A.10 Disposição dos componentes na PCB dos Micro Controladores . . . 105
B.1 Código MatLAB para gerar a onda de corrente de referência . . . 108
B.2 Drivers.h . . . 109
B.3 Divers.c . . . 113
B.4 Algoritmo de teste dos drivers . . . 115
B.6 Algoritmo de controlo das pontes de transístores 1ª abordagem . . . 121 B.7 Algoritmo de controlo das pontes de transístores 2ª abordagem . . . 125 B.8 Algoritmo de controlo das pontes de transístores - ligação à rede eléctrica128
Abreviaturas
AC - Alternated Corrent BNC - Bayonet Neill-Concelman CI - Circuito Integrado D - Derivador DC - Direct Corrent I - IntegradorIGBT - Isolated Gate Bipolar Transistor MC - Micro Controlador
MOSFET - Metal Oxide Semiconductor Field Eect Transistor P - Proporcional
PCB - Printed Circuit Board PD - Proporcional Derivador PI - Proporcional Integrador
PIC - Proporcional Integrador Derivador RSI - Rotina de Serviço à Interrupção SP - Set Point (Condição inicial) UPS - Uninterruptable Power Supplie
Capítulo 1
Introdução
1.1 Sumário
No início deste capítulo, são apresentadas as principais razões que levaram ao desen-volvimento deste projecto. De seguida mostra-se de uma forma bastante simpli cada o funcionamento de uma torre eólica, assim como os principais componentes que cons-tituem um aerogerador.
Como conclusão do capítulo, temos uma panorâmica real do aproveitamento da energia eólica em Portugal, assim como uma comparação com alguns países da Europa.
1.2 Enquadramento
O projecto que se vai apresentar é a continuação de um trabalho iniciado em anos anteriores, e trata-se do projecto e construção de um inversor 36V / 230V, 50Hz e potência até 1000W, para sistemas de micro geração. Apesar de no estado actual do projecto, o inversor poder ser conectado a qualquer tipo de fonte DC e converter a mesma numa onda sinusoidal de 50Hz, no futuro pretende-se que este inversor incorpore algumas funcionalidades de modo a torna-lo mais adaptado às características de um gerador eólico.
Nos anos anteriores foi efectuado o desenvolvimento de todo o hardware, assim como o desenho e montagem das placas de circuito impresso (PCB's).
O hardware encontra-se dividido em três PCB's. De seguida vai-se descrever em pormenor a constituição e função de cada uma destas PCB´s.
Para melhor se perceber de que PCB se está a falar vamos chamá-las: PCB de potência, PCB de controlo e PCB dos micro controladores.
Na PCB de potência, como o próprio nome indica, encontram-se todos os elementos 3
de potência do sistema, ou seja, as duas pontes de transístores (na con guração ponte completa) e respectivos snubbers [6], o transformador, o recti cador e os ltros.
É nesta PCB que se dá a transformação do sinal DC em AC. O sinal DC entra na primeira ponte, que irá activar uma das suas pernas, dependendo do sinal na gate dos transístores. Esse sinal de ataque à gate dos transístores é um sinal PWM com frequência 133KHz e duty cycle variável. O sinal PWM que ataca uma perna da ponte é o inverso do sinal que ataca a outra perna da ponte e em nenhum instante de tempo, mesmo que ín mo, os dois sinais se encontram no nível lógico um (o sinal que se encontra no nível lógico um comuta primeiro para zero, e só após este estar no nível lógico zero é que o outro sinal comuta para o nível lógico um). Esta condição é muito importante, pois mesmo que por um curto período de tempo, todos os transístores da ponte se encontrassem no estado activo, iríamos ter pequenos (em questões de tempo) curto circuitos, o que daria origem a picos de corrente bastantes elevados, que poderiam dani car os transístores da ponte,ou mesmo outros componentes do inversor.
Para reduzir as perturbações eléctricas causadas pelo switching dos transístores, colocaram-se snubbers.
A saída da ponte de transístores encontra-se ligada ao transformador, que vai elevar o valor da tensão para os valores pretendidos. No secundário deste colocou-se um recti cador de onda completa, uma ver que a forma de onda na saída do transformador possuí algumas deformações, na saída do recti cador colocou-se um ltro passa-baixo que irá eliminar grande parte do ruído (componentes de alta frequência), presente no sinal.
Uma vez que neste ponto temos um sinal típico de um recti cador de onda completo, ou seja, apenas arcadas positivas, e o que se pretende é uma onda sinusoidal, torna-se imprescindível a colocação de uma torna-segunda ponte de transístores, para inverter as arcadas pares (ou ímpares).
O sinal de ataque desta segunda ponte é um pouco diferente do anterior, pois apesar de também ser um sinal PWM, este tem um duty cyle xo e uma frequência de 50H, mais uma vez os sinais de ataque a cada uma das pernas da ponte são o inverso um da outra e sem sobreposição, se bem que neste caso a ocorrência de uma sobreposição durante um período de tempo in nitesimal (tempo de comutação dos transístores) não seria tão crítico como no caso anterior. Para nalizar este PCB temos um último ltro passa-baixo para eliminar algumas perturbações do sinal, provocadas pela inversão de arcadas.
A PCB de controlo é uma placa bastante importante pois é nesta que se encontram todos os sensores e respectivo acondicionamento de sinal, necessário para a interacção com o MC, toda a lógica necessária para a produção dos dois sinais independentes e
1.2. ENQUADRAMENTO 5 sem sobreposição de PWM, que iram atacar a primeira ponte de transístores, todos os drivers e opto acopladores de ataque aos transístores de ambas as pontes de transístores e o yback[7] e reguladores que geram todas as alimentações DC necessárias no sistema. Uma vez que era necessário um número considerável de alimentações DC, decidiu-se que a melhor maneira de gerar estas alimentações seria através de um yback. Com a adopção desta solução além de serem necessários menos reguladores, todos os compo-nentes que não sejam de potência, à excepção do yback deixam de estar a consumir potência directamente da entrada, o que melhora o rendimento nal do sistema.
Para o funcionamento do yback, apenas é necessário um regulador que irá alimen-tar os MC's o tempo necessário para que estes gerem um sinal PWM (de frequência 133KHz), que irá controlar o yback. Assim que o yback entre em funcionamento o re-gulador deixa de fornecer potência, passando todas as alimentações a vir directamente do yback.
Uma vez que os MC's são alimentados a 3,3V, a maioria da lógica a 5V e os tran-sístores necessitam de um sinal de ataque à gate de 10V-20V, tornou-se necessário a colocação de drivers para o ataque às gates dos transístores.
Por uma questão de necessidade e segurança usou-se opto acopladores para efectuar esse ataque, pois o sinal à saída do MC e o sinal de ataque às gates tem massas distintas e ao mesmo tempo a colocação de um acoplamento óptico previne a passagem de altas tensões para as PCB's de controlo e dos micro controladores, isolando assim a zona perigosa de todo o sistema no PCB de potência.
É na PCB dos micro controladores que se efectua a gestão de todo o sistema. Nesta PCB apenas se encontram os dois MC's PIC24FJ64GA002 da Microchip [8], que efectuam o controlo de todo o sistema, respectivas saídas RS232 e um regulador para gerar a alimentação do MC. Este regulador tornou-se necessário devido a estes MC's serem alimentados a 3,3V ao passo que todos os outros componentes activos usam 5V.
Após esta breve explicação sobre a constituição e funcionamento de todo o sistema proposto, vai-se apresentar todo o trabalho realizado.
Dado que o todo o sistema se encontrava projectado e montado, mas não testado, decidiu-se efectuar uma simulação exaustiva deste, de modo a detectar possíveis ano-malias de projecção, ou erros de montagem.
Devido à complexidade do circuito em questão, a simulação teve um papel impor-tante para ajudar a perceber todo o funcionamento do mesmo.
Terminada a etapa de simulação, passou-se para uma das mais importantes e moro-sas tarefas, o teste de hardware e correcção dos erros encontrados, assim como proceder a algumas alterações necessárias devido a falhas de concepção (sendo o número destas
muito menor que os erros de montagem).
Com o protótipo sem falhas de hardware, pôde pensar-se em passar ao desenvolvi-mento de todo o software necessário para controlar o sistema.
Esta fase dividiu-se em duas partes, uma vez que o controlo é dividido por dois MC's, em que um é responsável pelo controlo do yback, sensores de temperatura e outros extras, ao qual vamos chamar PIC2, enquanto que o outro MC é responsável pelo controlo de toda a electrónica de potência, ao qual vamos chamar de PIC1.
Numa primeira fase foi preciso desenvolver todos os drivers que nos possibilitam interagir com o MC, e testar o seu bom funcionamento, assim como optimiza-los de modo a cumprirem os restritos requisitos temporais, exigidos neste projecto.
Visto que o bom funcionamento do yback é essencial para o bom funcionamento do restante sistema, decidiu-se começar pelo desenvolvimento do software de controlo deste.
Após o funcionamento sem falhas do yback partiu-se para o desenvolvimento do algoritmo que irá gerar a onda sinusoidal de amplitude 230V e frequência 50Hz.
1.3 Motivação
Com a diminuição das reservas de petróleo a nível mundial, e a crescente preocupação ambiental, torna-se inevitável pensar em formas alternativas de produção energética.
De modo a garantir o futuro energético e ambiental do planeta, o investimento em energias renováveis, logo amigas do ambiente, terá que se tornar uma prioridade.
Se ao nível da produção de energia em larga escala, a tecnologia eólica já se encontra num bom patamar de desenvolvimento, o mesmo não acontece com a micro-geração que apenas começa agora a dar os primeiros passos.
Um dos elementos mais importantes, quer na micro-geração, quer na geração em larga escala, é o inversor, pois é este dispositivo que converte a energia produzida pelo aerogerador em energia passível de ser consumida pelo utilizador comum.
No que toca à micro-geração a qualidade do inversor é muito importante, pois é deste que depende um bom, ou mau rendimento do aerogerador, assim como a quanti-dade de energia injectada na rede. Este projecto surge então como forma de colmatar alguns dos grandes problemas dos inversores que se encontram no mercado, ou seja, o seu rendimento e o seu elevado preço. Além destas melhorias, também se pretende obter um produto que seja o mais informativo possível para o utilizador, podendo este monitorizar todo o funcionamento do seu inversor/aerogerador.
1.4. OBJECTIVOS 7
1.4 Objectivos
Este trabalho tem como principal objectivo a continuação do desenvolvimento de um inversor de 36V DC para 230V AC, 50Hz true sine wave, que permita a injecção de energia na rede eléctrica nacional (grid connected). Este inversor foi especialmente desenhado para micro aerogeradores, e para disponibilizar uma potência máxima de 1000W.
Nesta fase do desenvolvimento do inversor os principais objectivos a cumprir são os seguintes:
Simulação de todo o circuito, fazendo o controlo da forma de onda de saída através da corrente;
Correcção de possíveis falhas de montagem das PCB's;
Efectuar possíveis melhorias ao nível do hardware do inversor;
Desenvolver todos os drivers necessários para a interacção com os micro contro-ladores;
Desenvolver todo o software de controlo do inversor.
1.5 Estrutura da tese
Esta tese encontra-se dividida em 7 capítulos, incluindo o presente capítulo.
A organização desses capítulos está de acordo com a ordem de trabalhos seguida no desenvolvimento do projecto.
Capítulo 1 - Introdução: Neste capítulo é feito um enquadramento geral de todo o trabalho, de seguida apresenta-se a motivação que levou ao desenvolvi-mento do mesmo. Pode-se ainda encontrar neste capítulo uma breve descrição da constituição de um aerogerador e dos diferentes tipos existentes, assim como o estado de Portugal no que ao aproveitamento da energia eólica diz respeito. Capítulo 2 - Inversores: Neste capítulo é apresentada uma visão geral das
funções, características e tipos de inversores. Este capítulo começa com uma introdução que descreve em traços gerais as funções, características e tipos de in-versores, a seguir a esta introdução são apresentados alguns aspectos importantes a ter em conta quando se projecta um inversor. Concluída esta apresentação mais
geral é efectuada uma descrição mais aprofundada dos diferentes tipos de inver-sores. Esta secção encontra-se dividida em três parâmetros de caracterização do tipo de inversor (tipo de ponte usada, tipo de conexão da saída e tipo de onda à saída do inversor). Para nalizar este capítulo são apresentadas, de uma forma bastante objectiva, as características do inversor projectado.
Capítulo 3 - Controlo: Neste capítulo são apresentados os principais contro-ladores existentes. No início deste capítulo apresenta-se um diagrama de blocos de um sistema de controlo em malha fechada, e os respectivos passos necessá-rios para se conseguir controlar um sistema (medição, decisão e manipulação). De seguida apresenta-se uma possível implementação de um controlar PID num computador (ou micro controlador).
Capítulo 4 - Simulação: Neste capítulo é apresentada a simulação o inversor. Este começa por mostrar todo o circuito a simular em componentes discretos, mostrando de seguida o circuito de simulação nal, onde já se encontram imple-mentados os diferentes blocos lógicos criados. De seguida são apresentados em detalhe todos os blocos lógico criados, assim como a sua função. Para nalizar este capítulo são apresentados alguns dos sinais da simulação, que nos permitem veri car o bom funcionamento do inversor.
Capítulo 5 - Hardware: Neste capítulo são apresentados todos os desenvol-vimentos efectuados ao nível do hardware. Todas as alterações de concepção e correcções de erros existentes são apresentados separadamente para cada uma das PCB's que constituem o inversor. A nalizar a secção dedicada a cada PCB encontra-se uma imagem com o aspecto nal da mesma.
Capítulo 6 - Software: Neste capítulo é apresentado todo o software desenvol-vido. Inicialmente são apresentados os drivers criados, de seguida apresentam-se o algoritmo desenvolvido em MatLAB que tem como função gerar a onda de corrente de referência e o algoritmo criado para testar o bom funcionamento dos drivers. Para nalizar o capítulo apresentam-se os algoritmos de maior interesse neste projecto, ou seja, o algoritmo de controlo do yback e o algoritmo principal de controlo, que irá controlar as pontes de transístores de modo a que o sinal DC na entrada do inversor seja convertida para um sinal AC de amplitude 230V e frequência 50Hz, na saída do inversor. Em relação ao algoritmo principal de controlo são apresentadas três versões, uma inicial mais simples, que tem como principal objectivo testar o bom funcionamento de todo o hardware, uma segunda versão com um controlo mais complexo e uma terceira que mais não é que uma
1.5. ESTRUTURA DA TESE 9 adaptação da segunda versão mas desta vez contemplando a hipótese de ligação do inversor à rede eléctrica.
Capítulo 7- Resultados e Conclusões: Este capítulo é dedicado à apre-sentação dos resultados obtidos, das conclusões e do trabalho proposto para o futuro. Inicialmente são apresentados os sinais mais relevantes na veri cação do bom funcionamento do inversor (muitos dos sinais apresentados neste capítulo correspondem aos apresentados no capítulo 4 - Simulação). De seguida são apre-sentadas as conclusões retiradas após a elaboração deste projecto. A nalizar o capítulo são feitas algumas propostas de trabalho a desenvolver no futuro. Apêndice A- Hardware: Neste apêndice encontram-se os esquemas eléctricos
de todas as PCB desenvolvidas, assim como o esquema eléctrico da placa de teste dos drivers e dos circuitos usados nas simulações. Encontram-se ainda neste anexo os esquemas da disposição dos componentes nas diversas PCB's e dos circuitos usados nas simulações.
Apêndice B - Software: Neste apêndice pode-se consultar todos os algoritmos desenvolvidos no âmbito deste projecto. Inicialmente é apresentado o código MatLAB que gera a onda de corrente de referência, de seguida os drivers e o programa de teste dos drivers e por m os diferentes algoritmos de controlo.
1.6 Conceitos básicos acerca da produção de energia
eólica e seus componentes
O aerogerador tem com função transformar a energia cinética do vento em energia mecânica, que por sua vez se irá transformar em energia eléctrica.
Um aerogerador e constituído pelos seguintes blocos fundamentais:
Torre: estrutura metálica que permite posicionar o aerogerador a uma maior altitude, onde as massas de ar são mais constantes e fortes;
Pás : elemento que absorve a energia cinética do vento, e em conjunto com o veio a transforma em energia mecânica;
Nave: local onde se encontra todo o equipamento eléctrico e mecânico necessário à conversão da energia mecânica em eléctrica;
Figura 1.1: Constituição de um aerogerador[1] Os aerogeradores podem dividir-se em duas categorias:
Eixo horizontal : tipo de aerogeradores mais comum, normalmente constituídos por 2 ou 3 pás. No entanto ao contrário do que seria suposto o rendimento energético não depende do número de pás do aerogeradores mas sim da superfície varrida por estas. Este tipo de aerogeradores necessita de um sistema de detecção da direcção do vento para que as pás sejam correctamente direccionadas.
1.7. PORTUGAL E A ENERGIA EÓLICA 11 Eixo vertical: tipo de aerogerador menos usual, no entanto possuí a vantagem de não necessitar de qualquer dispositivo de orientação para uma correcta cap-tação do vento. Outra das vantagens deste tipo de aerogerador é que todos os mecanismos necessários para a transformação da energia mecânica das pás em energia eléctrica se encontra na base do aerogerador, cando assim facilitado o acesso ao mesmo em caso de reparações ou inspecções periódicas;
Figura 1.2: Aerogerador eixo vertical (esquerda) e eixo horizontal (direita)[2]
1.7 Portugal e a energia eólica
A produção de energia eólica em Portugal, apenas passou a ter algum peso na produção total de energia em solo nacional a partir de meados de 2004, tendo crescido a bom ritmo desde essa altura.
Apesar desse bom ritmo de crescimento existem alguns impedimentos à construção de mais parques eólicos. Pois existem algumas condições que é necessário cumprir para que se torne viável a sua construção.
Inicialmente há que efectuar um estudo do potencial eólico da zona, ou seja, veri car se são cumpridas todas as condições meteorológicas, de relevo do terreno, etc. Segundo a ENERSIS[9], devido a legislação em vigor no nosso país, é necessário um velocidade de vento mínima de 25Km\h para que o parque eólico seja economicamente rentável.
Mas nem só as condições meteorológicas são importantes, aspectos como a distância à rede e a qualidade dos acessos, podem também ser factores decisivos, uma vez que os encargos da ligação do parque eólico à rede nacional de distribuição é responsabilidade das empresas promotoras.
Para nalizar os estudos básicos para o avanço da construção de um parque eólico, tem que se efectuar o estudo de impacto ambiental. Pode-se dizer que este é um dos
mais importantes, tendo em conta que estamos a falar de energias renováveis, logo amigas do ambiente. Pois não seria aceitável que a construção de um parque eólico fosse afectar ou mesmo destruir toda a ora e fauna local.
Apesar de Portugal apenas recentemente ter começado a apostar na produção de energia eólica, já se encontra ao nível da maioria dos países mais desenvolvidos da Europa, cando apenas bastante longe da Alemanha e da Espanha, ver gura 1.3.
Em relação ao rácio kW/habitante, que é provavelmente a melhor medida compa-rativa da aposta por parte dos países na energia eólica, pode-se veri car que Portugal mais uma vez se encontra acima da média europeia, ver gura 1.4.
Na gura 1.5 encontra-se o número de turbinas e potência produzida em solo naci-onal, assim como as que se encontram em construção em Dezembro de 2008.
Analisando a gura 1.6 pode-se ver a evolução da potência produzida por aeroge-radores ao longo dos anos.
A gura 1.7 ilustra a potência produzida em Dezembro de 2008 por distritos. Por intuição, o local ideal para a construção de um parque eólico seria junto ao mar ou então em locais com elevada altitude (serras). E na realidade é isso que acontece, como mostra a gura 1.8.
A gura 1.9 contém a mesma informação da gura 1.7, no entanto ajuda a ter uma melhor perspectiva da distribuição da energia eólica produzida em Portugal.
Apenas a título de curiosidade é também apresentado na gura 1.10 e na gura 1.11 as quotas de mercado por fabricantes de aerogeradores e por promotores de parques eólicos, respectivamente.
Por m a gura 1.12 mostra o número de aerogeradores montados por classes de potência. De notar que a grande maioria destes tem potência superior a 1999 kW, ou seja muito alta potência, sendo mínimo o número de aerogeradores com potência inferior a 1999 kW.
1.7. PORTUGAL E A ENERGIA EÓLICA 13
Figura 1.3: Capacidade instalada na Europa no nal de 2008[3]
Figura 1.5: Potência e número de aerogeradores dos parques eólicos em Portugal[3]
1.7. PORTUGAL E A ENERGIA EÓLICA 15
Figura 1.7: Potência por distritos e regiões autónomas em Dezembro de 2008[3]
Figura 1.9: Potência ligada e em construção por distritos e regiões autónomas até Dezembro de 2008[3]
Figura 1.10: Quotas de mercado fabricantes em Dezembro de 2008 (parques ligados à rede + construção + adjudicados)[3]
1.7. PORTUGAL E A ENERGIA EÓLICA 17
Figura 1.11: Quotas de mercado promotores em Dezembro de 2008 (parques ligados à rede + construção + adjudicados)[3]
Capítulo 2
Inversores
2.1 Sumário
Ao longo deste capítulo irá ser realizada uma pequena introdução ao funcionamento de um inversor assim como aos seus principais componentes.
Posteriormente vai-se descrever os diferentes tipo de inversores, consoante o tipo de ponte usada, o tipo de ligação da sua saída e a forma de onda de saída.
Para nalizar o capitulo, são apresentadas as principais características do inversor projectado.
2.2 Introdução
Um inversor tem como principal função transformar uma tensão DC numa tensão AC. A amplitude e frequência da onda AC podem ser variáveis, ou constantes no tempo, consoante a sua aplicação. A fonte de tensão DC pode ser xa ou variável, podendo esta ser obtida através de uma bateria ou de uma máquina AC rotativa seguida de um recti cador e de um ltro.
A saída do inversor tem a possibilidade de ser monofásica ou multifásica e pode tomar as seguintes formas: onda quadrada, onda sinusoidal, onda de PWM, onda stepped (degrau), ou onda quasi-square (quase quadrada).
Uma das aplicações mais comuns dos inversores monofásicos, e as UPS para com-putadores. Nestes aparelhos a saída varia entre onda quadrada e onda sinusoidal quase perfeita.
As UPS podem ser classi cadas como o ine ou online. Uma UPS o ine liga a carga directamente á rede a maior parte do tempo, apenas mudando para a alimentação proveniente do inversor quando a rede falha. Na UPS online o inversor alimenta sempre
a carga, mudando apenas a alimentação do inversor para uma fonte DC (ex: bateria), caso a rede falhe.
Os inversores actuais usam por norma IGBTs como principais elementos de potência de controlo. Além dos IGBTs também são usados power MOSFETs, especialmente para tensões e potências mais baixas, assim como para aplicações que necessitem de uma frequência de comutação elevada.
Os inversores podem apresentar dois ou quatro interruptores (IGBTs ou Power MOSFETs) nas con gurações Half-Bridge (Meia Ponte) ou Full-Bridge (ponte com-pleta), respectivamente. A topologia Half-Bridge tem a tensão AC máxima limitada a metade do valor da mesma numa con guração Full-Bridge.
2.3 Considerações Importantes
Um dos aspectos mais importantes a ter em conta num circuito de electrónica de potência, como é o caso do inversor é a sua e ciência de conversão de energia. Uma das razões que leva a que seja exigida alta e ciência é o problema da remoção do calor provocado pelas perdas. Como é óbvio o desperdício de energia também não é desejável em nenhum caso, muito menos quando o equipamento é alimentado por baterias, ou serve como fonte de alimentação de uma determinada carga, o que é o caso dos inversores.
Devido a essas restrições nas perdas energéticas do inversor, os dispositivos de potência usados para o controlo do uxo de corrente, trabalham como interruptores. Idealmente um interruptor não têm perdas, pois quando se encontra aberto não há corrente a passar por ele, e quando está fechado não existe qualquer queda de tensão entre os seus terminais. Como a potência é o produto entre a corrente que atravessa um dispositivo e a queda de tensão aos terminais do mesmo, temos que em qualquer dos casos (interruptor aberto ou interruptor fechado) a potência consumida é nula.
No entanto na realidade um interruptor não têm um comportamento ideal, apre-sentando perdas de switching (comutação) e on-state (estado activo) [10].
As perdas por on-state, devem-se ao facto de quando o interruptor está ligado, a queda de tensão ao terminais deste não ser propriamente zero. No caso dos IGBTs é tipicamente na ordem dos 1V a 2V, no caso dos Power MOSFETs, normalmente também são da mesma ordem dos IGBTs, no entanto em alguns casos podem ter perdas de apenas 0,5V ou menores, devido a estes dispositivos possuírem um canal de condução puramente resistivo, e não possuírem um mínimo de tensão de saturação como é o caso dos IGBTs [11]
2.4. TIPOS DE INVERSORES 21 As perdas de switching devem-se ao facto de durante as transições On-O e O-On a corrente que ui pelo interruptor e a tensão aos seus terminais, não ser nula. Para minimizar estas perdas, as transições devem ser rápidas, no entanto deve-se ter sempre em conta a frequência máxima de comutação dos dispositivos [11].
2.4 Tipos de inversores
Os inversores são por norma caracterizados tendo em conta três parâmetros. Estes parâmetros são: o tipo de ponte que usam para fazer a conversão DC-AC, o tipo de conexão da sua saída, ou seja, se liga directamente à rede eléctrica ou se alimenta uma determinada carga e a forma de onda de saída do inversor, onda sinusoidal ou sinusoidal aproximada.
De seguida estes três parâmetros de caracterização vão ser detalhadamente apre-sentados.
2.4.1 Quanto ao tipo de ponte
2.4.1.1 Meia Ponte (Half-Bridge)Na gura2.1 pode-se ver o circuito de um inversor de meia ponte. Dois condensadores iguais encontram-se conectados em serie entre a alimentação DC e o ponto entre ambos (ponto 2) tem um potencial médio, com uma queda de tensão de 1/2 Vd, aos terminais de cada condensador.
Devem ser usados condensadores su cientemente grandes para que seja razoável dizer-se que a tensão no ponto 2 é constante.
Quando Q1 se encontra no estado activo, conduzem Q1 ou D1 consoante a direcção da corrente de saída, e IL divide-se igualmente pelos dois condensadores.
Quando Q2 está no estado activo, Q2 ou D2 conduz, dependendo da direcção da corrente de saída , e IL divide-se igualmente pelos condensadores Ca e Cb.
Analisando as a rmações anteriores, pode-se concluir que efectivamente Ca e Cb estão ligados em paralelo no caminho de IL. Este facto também ajuda a explicar o
porque do ponto 2 estar a um potencial médio.
Uma vez que o IL uí através do paralelo entre Ca e Cb, no estado estacionário
não pode haver componente DC, logo os condensadores servem de acoplamento DC e assim eliminam o problema de saturação do primário do transformador, no caso de o transformador ser usado como saída eléctrica isolada[6].
Figura 2.1: Inversor Half Bridge
2.4.1.2 Ponte Completa (Full-Bridge)
Na gura 2.2 é apresentada a con guração de um inversor de ponte completa. Este inversor consiste na junção de dois inversores de meia ponte e para gamas elevadas de potência este tipo de con guração é o mais aconselhável.
Com o mesmo valor de tensão DC de entrada, a tensão máxima de saída é o dobro da conseguida com um inversor de meia ponte. Isto quer dizer que para a mesma potência a corrente de saída e as correntes dos transístores, são metade das mesmas correntes num inversor de meia ponte. Para valores de potência elevados, esta característica torna-se uma vantagem considerável, uma vez que requer menos transístores em paralelo para efectuar o switch[6].
2.4. TIPOS DE INVERSORES 23
2.4.2 Quanto ao tipo de conexão da saída
2.4.2.1 Grid Connected
O inversor grid-connected é um inversor que possui a capacidade de injectar energia na rede eléctrica.
Para se conseguir injectar energia na rede é necessário que a forma de onda pro-duzida pelo inversor seja uma sinusóide pura, pois é necessário um valor de potência considerável, algo que é muito difícil de atingir com uma sinusóide aproximada por uma onda quadrada.
Além da saída do inversor ser uma sinusóide pura, também é preciso que esta se encontre sincronizada com a rede, ou seja, com a mesma frequência e fase. Para tal é imprescindível o controlo da tensão e da corrente produzidas, assim como da rede eléctrica.
O aparecimento deste tipo de inversores veio resolver o problema causado pela fraca longevidade das baterias, assim quando é produzida energia em excesso, esta é injectada na rede. Com a legislação actual até é mais rentável do ponto de vista económico vender a energia produzida e comprar a necessária.
O inversor grid-connected pode funcionar em cinco modos distintos:
Stand-by: o inversor encontra-se neste modo quando a energia produzida pelo aerogerador não é su ciente para injectar na rede. O inversor mantém-se neste modo até ter energia su ciente para se poder ligar à rede.
Connecting: o inversor irá veri car se todos os sistemas estão prontos para pas-sar para o modo de ligação à rede, em caso a rmativo, este muda para do modo stand-by para o modo connecting. Existe no entanto um determinado período de tempo, estipulado pelo fabricante, ou pelo utilizador caso este seja con gurá-vel, em que o inversor veri ca continuamente se todos os sistemas continuam a satisfazer as condições necessárias para se ligar à rede. Caso isso se veri que, o inversor irá mudar para o modo Grid, ou seja ca nalmente ligado à rede. Grid-connected: neste momento o inversor já se encontra ligado à rede e a
injectar corrente na mesma. Este é o modo normal de funcionamento do inversor, e apenas sairá deste modo caso ocorra algum problema na rede, ou caso o vento seja insu ciente para produzir a energia necessária para o inversor se manter neste modo. Enquanto se encontra neste modo, o inversor irá injectar sempre na rede o máximo de potência possível.
Error: o inversor muda para este modo caso ocorra alguma falha no sistema, desligando-se de seguida para evitar estragos. Decorrido um determinado período de tempo o inversor volta a ligar-se sozinho, inicializando de novo o modo Stand-by e fazendo de novo todas as veri cações necessárias para a mudança entre modos.
Dumping load: este modo é bastante parecido com o anterior, no entanto o inversor apenas muda para ele, quando a velocidade do vento é tal que a potência produzida é superior à suportada pelo inversor. Quando tal acontece todo o sistema de controlo do inversor é desligado e a energia produzida pelo aerogerador e dissipada sobe a forma de calor.
2.4.2.2 Stand Alone
Os inversores do tipo stand-alone são, como se pode perceber através do nome, projec-tados para trabalharem sozinhos. Este tipo de inversor é ligado a baterias e converte a energia DC destas, em energia AC pronta a ser consumida.
O grande problema adjacente a este tipo de tecnologia prende-se com a sua forma de onda à saída, que normalmente é uma sinusóide aproximada por uma onda quadrada. Esta solução apenas é viável para aparelhos de baixo consumo, uma vez que para se ter grandes potências é necessário uma forma de onda muito próxima da sinusóide pura.
Apesar de a maioria dos inversores existentes no mercado que usam esta tecnologia serem da ordem das centenas de Watt, também é possível encontrar inversores stand alone até cerca de 5kW.
De notar que o valor da soma da potência de todas as cargas que pretendemos ligar ao inversor deve ser sempre inferior a potência descrita nas especi cações do inversor. Outra das desvantagens deste tipo de inversor é que este por norma desliga-se assim que o valor da tensão nas baterias baixa de um certo nível, implicando assim que a energia utilizada seja sempre inferior à armazenada anteriormente.
A forma de onda de saída deste tipo de inversores impossibilita a ligação destes a rede eléctrica, uma vez que esta tem uma forma sinusoidal muito próximo do ideal.
2.4.3 Quanto à forma de onda da saída
2.4.3.1 Modi ed Sine Wave
Este é o tipo de tecnologia normalmente presente nos inversores do tipo stand alone, e consiste da aproximação de uma forma de onda sinusoidal através de uma onda quadrada, ver gura 2.3.
2.4. TIPOS DE INVERSORES 25 A grande vantagem neste tipo de solução prende-se com a simplicidade da mesma, devido a essa simplicidade o custo nal do produto também sai bene ciado. No entanto esta tecnologia enfrenta uma grande desvantagem, que é o problema de não ser possível alimentar qualquer tipo de carga, principalmente cargas que necessitem de elevadas potências.
Uma vez que a forma de onda da rede eléctrica é muito próxima de uma sinusóide pura, este tipo de inversores também cam impossibilitados de injectar corrente na rede.
Por norma este tipo de tecnologia apenas é utilizado para baixas potências, na ordem das centenas de Watt.
Figura 2.3: Forma de onda de um inversor modi ed sine wave[4] 2.4.3.2 Pure Sine Wave
Os inversor pure sine wave, também chamados true sine wave, produzem na sua saída uma forma de onda bastante próxima da sinusóide ideal, ver gura 2.4.
Essa característica é indispensável nos inversores do tipo grid connected e para alimentar cargas de potência elevada.
Como seria de esperar o tipo de tecnologia necessário para obter este tipo de saída em nada se compara com a utilizada no caso dos inversores modi ed sine wave. O aumento da complexidade quer do algoritmo de controlo, quer de todo o hardware, pois é necessário efectuar o controlo e muitos mais parâmetros, inclusive da rede eléctrica, tornam esta tecnologia bastante mais dispendiosa que a anterior.
Apesar de até a bem pouco tempo os inversores modi ed sine wave dominarem as vendas, é esperado que futuramente o mercado seja dominado por inversores pure sine wave, algo que irá ser altamente ajudado pela micro geração, tanto para consumo
próprio como para venda.
Esta é a tecnologia presente nos actuais aerogeradores de grande potência.
Figura 2.4: Forma de onda de um inversor pure sine wave[4]
2.5 Inversor deste trabalho
Atendendo às caracterizações feitas anteriormente, pode-se a rmar que o inversor pro-jectado se trata de um inversor do tipo grid connected, com uma con guração de ponte completa, e saída true sine wave , com todo o controlo efectuado por corrente.
No entanto este inversor pretende ir mais longe, pois em vez de se limitar a converter um sinal DC de 36V num sinal AC de 230V 50Hz sinusóide pura, este inversor irá também possuir as seguintes características:
Retirar sempre o máximo rendimento possível, independentemente das condições atmosféricas;
Efectuar a contagem da corrente injectada na rede;
Disponibilizar uma plataforma que torne possível visualizar o comportamento do inversor em qualquer momento.
Estas últimas características, no entanto não fazem parte dos objectivos desta tese, cando o seu desenvolvimento para o futuro.
Capítulo 3
Controlo
3.1 Sumário
Ao longo deste capítulo, vão ser apresentadas as principais características dos contro-ladores mais comuns, tais como: duas posições, utuante, proporcional, integrador, derivador e as diferentes combinações entre eles.
3.2 Introdução
Na gura 3.1 encontra-se o diagrama de blocos de um sistema de controlo em malha fechada.
O controlo é alcançado através da execução de três passos: Medição: medida do valor da variável a controlar;
Decisão: cálculo do erro ( diferença entre o valor lido e o valor pretendido), uso dessa informação para decidir que acção tomar;
Manipulação: usa a decisão tomada no passo anterior para manipular as variá-veis necessárias para que o valor do erro diminua.
Figura 3.1: Diagrama de blocos de um sistema de controlo em malha fechada [5] Durante este capítulo irá ser dada especial importância ao passo da decisão. O controlador é constituído por um detector de erro e por uma unidade de controlo. A unidade de erro efectua a subtracção entre o valor esperado e o valor actual da variável a controlar, de seguida a unidade de controlo usa essa informação para tomar uma decisão que reduza o valor do erro.
Após o cálculo do erro, existem diferentes maneiras de actuar sobre o sistema de modo a diminuir esse valor, os chamados modos de controlo.
O inicio deste capitulo será dedicado a descrição dos cinco principais modos de controlo. Esses modos de controlo são: duas posições (two-position), utuante ( oa-ting), proporcional (proporcional), integral (integral), derivativo (derivative) e as várias combinações entre os três últimos tipos.
Uma vez que todo o controlo efectuado no âmbito desta tese é baseado em micro controladores, apenas será feita referência a algoritmos de controlo, deixando de fora o controlo por hardware.
3.3 Modos de controlo
3.3.1 Duas posições (Two-position)
O controlador de duas posições é o mais simples e barato de todos os tipos de controla-dores. A saída do controlador apenas pode ter um de dois valores distintos, dependendo do sinal do do erro. Caso o limite de decisão seja um valor o controlador e apelidado de controlador On-O. No entanto a maioria dos controlador de duas posições possuem um intervalo em torno do valor de decisão para evitar mudanças de estado constantes,
3.3. MODOS DE CONTROLO 29 que poderiam dani car os componentes do sistema. A esse intervalo dá-se o nome de zona neutra e nesta zona o controlador mantém a posição em que se encontrava anteriormente [5].
A gura 3.2 mostra a relação entre a entrada e a saída de um controlador deste tipo.
Figura 3.2: Relação entrada/saída de um controlador de duas posições com zona neutra [5]
O uso deste tipo de controladores apenas é aconselhado em sistemas em que a varia-ção do valor do erro é lenta e que tenham apenas duas acções possíveis para contrariar o erro. Uma das possíveis aplicações deste tipo de controlador, seria no controlo da tem-peratura de uma divisão, pois uma vez atingida a temtem-peratura desejada esta não muda instantaneamente, para além de a margem do erro (zona neutra) poder ser grande, uma vez que não será um ou dois graus que causarão desconforto aos ocupantes da sala. Este cenário também se adapta facilmente ao problema de o controlador apenas poder tomar duas decisões, pois para o controlo da temperatura de uma sala basta a opção injectar calor na sala ou injectar frio (com temperaturas constantes) [5].
3.3.2 Flutuante (Floating)
O controlador utuante é uma aplicação especial do controlador de duas posições, em que o controlador não efectua qualquer tipo de acção enquanto o erro se encontra na zona neutra. Fora da zona neutra o controlador comporta-se como um controlador On-O, ou seja, apenas toma um de dois valores possíveis.
Figura 3.3: Relação entrada/saída de um controlador utuante [5]
Este tipo de controlador pode ser útil em sistemas em que existe um certo atraso entre a actuação por parte do controlador e a variação da saída [5].
3.3.3 Proporcional (Proportional)
O controlador proporcional produz uma alteração na variável a controlar, ou de saída, proporcional ao valor do erro multiplicado por um factor de ganho Kp. O valor deste ganho é xo para qualquer que seja o valor do erro.
Um valor elevado de ganho necessita de um valor de erro menor para se obter a saída desejada. Esta a rmação poderia levar a crer que o ganho desejado seria sempre o mais elevado possível, no entanto um aumento do ganho, implica um aumento da frequência de oscilação da variável a controlar. Deste modo o valor do ganho ideal é o maior valor possível que não provoca oscilações inaceitáveis na variável a controlar.
Um dos grandes problemas dos controladores proporcionais é a sua dependência do valor da carga, pois no caso da alteração da carga o valor de ganho calculado anteriormente pode deixar de ser o ideal, tendo que ser novamente calibrado [5].
A resposta do sistema a um controlador proporcional é instantânea.
Um controlador proporcional pode ser descrito através das seguintes equações: Equação no domínio do tempo: u(t) = KPe(t)
Equação no domínio da frequência: U = KPE
Função de transferência: U E = KP
3.3. MODOS DE CONTROLO 31 Em que:
u(t) = variável de saída no domínio do tempo; U = variável de saída no domínio da frequência; e(t) = erro no domínio do tempo;
E = erro no domínio da frequência; Kp = valor do ganho proporcional.
3.3.4 Integrador (Integral)
O controlador integrador provoca uma alteração na variável de saída do controlador proporcional ao integral do sinal do erro. Enquanto houver um sinal de erro o contro-lador irá alterar a saída mantendo uma relação proporcional ao tamanho do erro.
Se analisarmos o sistema no domínio da frequência, o que o controlador integrador faz, não é mais do que colocar um pólo na origem do sistema [12], ou seja, aumentar o tipo do sistema, reduzindo assim o erro em regime estacionário. No entanto a colocação de pólos na origem leva à degradação da resposta em regime transitório do sistema, podendo mesmo torná-lo instável [5].
Na gura 3.4 encontra-se a relação entre o sinal do erro e a saída do controlador. De notar que o ritmo a que a saída é alterada depende directamente do valor do erro.
Um controlador integrador pode ser descrito através das seguintes equações: Equação no domínio do tempo: u(t) = 1
T i
´
e(t)dt Equação no domínio da frequência: U = ( 1
T iS)E Função de transferência: U E = 1 T iS Em que:
Ti = Constante de tempo de integração.
3.3.5 Proporcional Integrador (Proportional plus Integral)
O controlador proporcional integrador (PI), não é mais do que a junção dos controla-dores proporcional (P) e integrador (I).Assim a parte proporcional do controlador provoca uma alteração na saída do sis-tema proporcional ao sinal do erro, ao paço que a parte integradora provoca uma alteração adicional na saída do sistema proporcional ao integral do sinal de erro.
Uma vez que o controlador integrador aumenta a probabilidade de o sistema se tornar instável, torna-se necessário reduzir o ganho do controlador proporcional de modo a compensar este efeito.
Esta alteração reduz a capacidade do controlador responder a variações rápidas da carga [5].
Na gura 3.5 pode-se ver a resposta de controlador PI a um degrau.
3.3. MODOS DE CONTROLO 33 As equações que descrevem o comportamento de um PI são as seguintes:
Equação no domínio do tempo: u(t) = KPe(t) + KPT i1
´
e(t)dt Equação no domínio da frequência: U = KPE + KP(T iS1 )E
Função de transferência: U E = KP 1 T i+S S
3.3.6 Derivador (Derivative)
O controlador derivador (D) altera a saída do sistema proporcionalmente ao rácio da variação do sinal do erro.
Esta variação pode dever-se a uma alteração na variável que se está a controlar, ou a uma alteração na variável com a qual se está a comparar, ou mesmo a uma variação das duas variáveis ao mesmo tempo.
Com o uso de um derivador tenta-se prever o erro do sistema, analisando a sua velocidade de variação e a 'quantidade' de alteração necessária para que o valor do erro diminua.
O controlador D apenas contribui para a alteração da variável de saída quando existe uma variação no sinal de erro. Por este motivo este tipo de controlador não deve ser usado sozinho, mas sim em conjunto com um proporcional ou mesmo com um proporcional e um integrador.
Analisando o controlador D no domínio das frequências pode-se concluir que este introduz um zero na origem, ajudando assim a estabilizar o sistema [12].
Implementar um derivador puro é impossível, pois é necessário conhecer o comporta-mento do sinal no futuro, como tinha sido dito anteriormente. No entanto conseguem-se implementar blocos que têm um comportamento muito próximo dos derivadores puros [5].
Na gura 3.6 encontra-se a resposta de um controlador D a um degrau e a uma rampa.
Figura 3.6: Resposta de um controlador D a um degrau e a uma rampa [5] As equações que descrevem o comportamento de um D são as seguintes: Equação no domínio do tempo: u(t) = T dde(t)
dt
Equação no domínio da frequência: U = T dSE Função de transferência: U
E = T dS
Em que:
Td = constante de tempo de derivação.
3.3.7 Proporcional Derivador (Proportional plus Derivative)
Como se pode perceber pelo nome, o controlador proporcional derivador (PD), é a junção dos controladores proporcional (P) e derivador (D).A parte proporcional do controlador provoca uma alteração na saída do sistema proporcional ao sinal do erro, enquanto que a parte derivativa do controlador provoca um alteração adicional na saída, proporcional ao rácio da variação do sinal de erro.
Normalmente adiciona-se um controlador D a um P, para se reduzir a probabilidade do sistema oscilar, permitindo assim aumentar o ganho do proporcional.
O facto de o controlador D antecipar o valor do sinal de erro e alterar o controlador de modo a corrigir o mesmo, torna-o bastante útil em sistemas que possuem variações repentinas da carga [5].
3.3. MODOS DE CONTROLO 35
Figura 3.7: Resposta de um controlador PD a um sinal [5] As equações que descrevem o comportamento de um PD são as seguintes: Equação no domínio do tempo: u(t) = KPe(t) + KPT dde(t)dt
Equação no domínio da frequência: U = KPE + KPT dSE
Função de transferência: U E = KP 1+T dS 1+aT dS , 0 <a < 1 Em que: a = coe ciente de derivação.
3.3.8 Proporcional Integrador Derivador (Proportional plus
In-tegral plus Derivative)
Para terminar os controladores, temos o proporcional integrador derivador (PID), que é uma junção dos três tipos base de controladores, proporcional, integrador e derivador. Normalmente opta-se por este tipo de controlador quando os controladores de um único modo (P,D,I), ou de dois modos (PD,PI), não são su cientes para manter o erro num valor aceitável em sistemas em que a carga varia repentinamente [5].
Resumindo, os controladores PID, juntam o melhor de cada tipo de controlador, no entanto essa característica também os torna mais complexos e dispendiosos.
Figura 3.8: Resposta de um controlador PID a um sinal [5] As equações que descrevem o comportamento de um PID são as seguintes: Equação no domínio do tempo: u(t) = KPe(t) + KPT i1
´
e(t)dt + KPT ddedt
Equação no domínio da frequência: U = KPE + KP(T i∗S1 )E + KPT dSE
Função de transferência: U E = KP
1+S+T dS2
S+aT dS2
3.4 Algoritmos de Controlo Digital (PID)
Como já foi apresentado na secção anterior, um controlador PID pode ser descrito, no domínio do tempo, pela seguinte expressão:
u(t) = KP
e(t) +T i1 ´ e(t)dt + T dde(t)dt
Pode-se descretizar esta expressão de modo a tornar a sua implementação em PC ou micro controlador mais simples.
Para simpli car essa descretização vai-se dividir a expressão anterior em três partes, p(t), i(t) e d(t) que correspondem aos termos proporcional, integrador e derivador, respectivamente [13]. Assim temos:
3.4. ALGORITMOS DE CONTROLO DIGITAL (PID) 37 p(t) = KPe(t) i(t) = KP T i ´ e(t)dt d(t) = KPT dde(t)dt u(t) = p(t) + i(t) + d(t)
3.4.1 Termo Proporcional
A descretização deste termo é bastante simples, pois apenas temos que substituir e(t) pelo seu equivalente discreto e(k) [13]. Obtêm-se assim:
p(k) = KPe(k)
3.4.2 Termo Integral
Este termo pode ser obtido através da aproximação do integral pelo método dos tra-pézios. De modo a eliminar o integral vamos diferenciar ambos os lados da expressão:
di(t)
dt =
KP
T ie(t)
Aproximando a derivada por diferenciais e substituindo e(t) pelo seu equivalente discreto obtém-se:
i(k)−i(k−1)
h =
KP
T i e(k)
Em que h corresponde ao intervalo de amostragem. Simpli cando a expressão anterior temos:
i(k) = i(k − 1) +KPh
T i e(k)
Esta alteração no aspecto da expressão do termo integral possibilita uma fácil im-plementação utilizando um algoritmo recursivo [13].
3.4.3 Termo Derivativo
O termo derivativo pode, do mesmo modo que o termo integral, ser aproximado pela seguinte expressão [13]:
3.4.4 Expressão descretizada do PID
Juntando novamente os três termos apresentados anteriormente obtêm-se a expressão descretizada de um controlador PID [13]. Assim:
u(k) = KP
e(k) + i(k−1)Kp + T ihe(k) + T de(k)−e(k−1)h
Simpli cando:
u(k) = KP
e(k)1 + T ih +T dh + i(k−1)Kp − T de(k−1)h
Uma vez que:
i(k − 1) = i(k − 2) + T ihe(k − 1)
Temos nalmente: u(k) = KP
e(k)1 + T ih + T dh +i(k−2)Kp +T iKph e(k − 1) − T de(k−1)h
u(k) = KP
e(k)1 + T ih + T dh +i(k−2)Kp − e(k − 1)T d
h −
h T iKp
3.4.5 Diagrama de uxo típico de um algoritmo PID
Na gura 3.9 é apresentado um uxograma típico de um algoritmo PID.Através da análise deste uxograma pode-se facilmente veri car os passos necessá-rios para se implementar um controlador PID num micro controlador.
Inicialmente lê-se a entrada da ADC na qual está ligado o sinal que pretendemos controlar, de seguida subtrai-se este valor ao valor por nós esperado, ou seja, calcula-se o sinal de erro. Após se ter o valor do erro vai-se calcular as componentes proporcional, integradora e derivadora, usando as expressões apresentadas nas secções 3.4.1, 3.4.2 e 3.4.3. Por m somam-se essas componentes todas e obtém-se o valor de saída do controlador.
Após se ter o valor de saída vamos aplicá-lo no sistema através de um porto de saída do micro controlador, depois de se aplicar a correcção espera-se um determinado período de tempo e volta-se ao ponto da medição da variável a controlar.
3.4. ALGORITMOS DE CONTROLO DIGITAL (PID) 39
Capítulo 4
Simulação
4.1 Sumário
Neste capítulo será apresentado todo o trabalho de simulação. Inicialmente apresenta-se o circuito com componentes discretos, apresenta-seguidamente mostra-apresenta-se o circuito com blocos lógicos, e uma descrição detalhada de cada um dos blocos criados. Para nalizar o ca-pítulo apresentam-se alguns dos sinais mais importantes da simulação, ou seja a forma de onda da corrente de saída, os sinais PWM de ataque aos transístores da primeira ponte (estes sinais são bastante importantes para o teste do bom funcionamento do bloco gerador de dois sinais PWM sem sobreposição), sinais PWM de ataque aos tran-sístores da segunda ponte e forma de onda antes e depois da segunda ponte, forma de onda antes e depois do primeiro ltro e ainda a potência consumida na saída e a potência entregue para uma corrente entregue na saída de 1A.
4.2 Introdução
Uma vez que o desenvolvimento deste projecto se tinha iniciado em anos anteriores, tornou-se bastante importante a realização de uma simulação, o mais aproximada à realidade possível, de modo a se perceber melhor todo o funcionamento do hardware já montado, assim como para detectar possíveis erros ou melhorias que poderiam ser feitas.
A simulação completa do sistema também serve como con rmação da possibilidade de alcançar os objectivos propostos, através da estratégia adoptada. Dada a complexi-dade de todo o sistema electrónico, seria imprudente avançar directamente do projecto no papel, para o projecto nal sem um resultado positivo de uma simulação.
Uma vez que todo o sistema de controlo iria ser efectuado por micro controladores, 41
e estes não são possíveis de simular, projectou-se um sistema de controlo mais simples de modo a se poder simular o melhor possível, todo o hardware.
Para a tarefa de simulação de todo o sistema desenvolvido usou-se o software Or-CAD [14] versão estudante da Or-CADENCE [15].
4.3 Descrição
Na gura 4.1 podemos ver uma representação simpli cada, apenas com os principais blocos, do circuito simulado.
O circuito pode ser dividido em 8 blocos, sendo eles: 1ª ponte de transístores, recti cador, 1º ltro, 2ª ponte de transístores, 2º ltro, saída, sistema de controlo e separador de sinal de relógio sem sobreposições.
A arquitectura usada neste inversor é um pouco diferente da habitual, pois em vez de se aumentar primeiro a tensão de entrada e de seguida se efectuar a respectiva mo-dulação, neste caso o aumento de tensão e a modulação é efectuada de uma única vez. No que ao controlo diz respeito, para efeitos de simulação criou-se um bloco de con-trolo com base em componentes discretos (ampli cadores operacionais, condensadores, resistências e alguns blocos lógicos disponibilizados pelo OrCAD) pois no circuito real o controlo é efectuado usando o recurso a micro controladores.
O circuito completo usado na simulação encontra-se no Apêndice A, em duas ver-sões, uma com os componentes discretos e outra já com a implementação dos sub-circuitos desenvolvidos.
4.3. DESCRIÇÃO 43
Figura 4.1: Circuito simulado simpli cado
De seguida passa-se a explicar, de uma forma simplista, o funcionamento do circuito simulado.
Os transístores M1, M2, M3 e M4 formam uma ponte completa, à qual se decidiu chamar 1ª ponte de transístores. Esta ponte de transístores tem como função inverter o sentido da corrente que percorre o primário do transformador, produzindo assim uma onda sinusoidal no secundário do transformador. Para que tal aconteça é necessário que as pernas da primeira ponte de transístores, constituídas pelos pares de transístores M1/M4 e M2/M3, se encontrem no estado activo alternadamente.
A comutação da primeira ponte de transístores é efectuada através da aplicação de um sinal pwm na gate dos transístores que a constituem. O sinal de pwm que ataca uma das pernas da ponte tem que ser o inverso do sinal pwm que ataca a outra perna da ponte.
Esses dois sinais de pwm são gerados pelo bloco separador de sinais de relógio sem sobreposição, a partir do sinal único de pwm gerado pelo bloco sistema de controlo.
Estes dois blocos são explicados com maior detalhe mais à frente neste capítulo, quando se abordar os sub-circuitos criados. No entanto pode-se já car com a seguinte
ideia, a principal função do bloco separador de sinais de relógio sem sobreposição é criar dois sinais pwm sem sobreposição a partir de um único sinal pwm, ao passo que o bloco sistema de controlo, tem como principal função comparar a onda de corrente na saída do inversor com uma onda de referência e criar um sinal pwm que traduza as correcções necessárias para que a saída se aproxime o mais possível da sua referência.
Após a comutação da primeira ponte de transístores, já se obtém no secundário uma sinusóide bastante distorcida e com muito ruído. Devido às condicionantes enumeradas é necessário recti car e ltrar o sinal presente no secundário do transformador.
Estas tarefas são efectuadas pelos blocos recti cador e primeiro ltro, respectiva-mente.
Na saída do primeiro ltro iremos encontrar uma onda sinusoidal já bastante limpa de ruído e com frequência de 50Hz, no entanto neste ponto a nossa onda sinusoidal apenas possuí arcadas positivas.
Para transformas o sinal presente na saída do primeiro ltro, numa sinusóide, usou-se uma usou-segunda ponte de transístores, constituída pelos transístores M5, M6, M7 e M8. O ataque a esta segunda ponte é idêntico ao usado na primeira ponte, no entanto as pernas da ponte (constituídas pelos pares de transístores M5/M8 e M6/M7) são atacadas por duas ondas quadradas opostas e com uma frequência de 50Hz.
Na saída desta segunda ponte temos nalmente uma onda sinusoidal, que irá passar ainda por um último ltro, bloco segundo ltro, de modo a eliminar algum ruído adicionado pela comutação da segunda ponte de transístores.
A seguir ao segunda ltro temos a nossa saída, que no caso da simulação é cons-tituída por um bloco lógico, disponibilizado pelo OrCAD, que produz na sua saída uma tensão proporcional e equivalente à corrente que passa na entrada deste mesmo bloco. A inclusão deste bloco é necessária, uma vez que queremos efectuar o controlo por corrente e no bloco sistema de controlo temos um ampli cador operacional que vai comparar tensões, que são equivalentes às correntes.
4.4 Sub-circuitos
Nesta secção vão ser apresentados e explicados todos os sub-circuitos criados.
Para garantir a comutação dos transístores da segunda ponte de à frequência pre-tendida e sincronizados com a rede, implementou-se um detector de passagem por zero com a ajuda dos blocos lógicos disponíveis no OrCAD e de uma fonte de referência, como mostra a gura 4.2.
