Arduino Lab 11 – Controle de
ângulo de fase para uma carga
indutiva e resistiva – Parte
1
Neste Lab iremos discutir o método de controle de ângulo de fase para cargas indutivas e resistivas em Corrente Alternada (AC). Falaremos também das características e dificuldades no trabalho em cargas indutivas quando trabalhando neste tipo de controle.
Montagem completa
Controle de ângulo de fase
O método de controle denominado “controle de ângulo de fase” pode ser descrito como sendo o controle do fluxo de potência, neste caso através da variação do valor eficaz de tensão CA, aplicada a uma carga seja ela indutiva, resistiva ou de outra natureza.
Como exemplo de aplicações, podemos citar o controle de aquecimento em fornos e estufa, mudança de derivação de transformadores sob carga, controle de iluminação, controle de velocidade de maquinas de indução (motores), controle de eletroímãs CA entre outros.
Um circuito típico para este tipo de controle é indicado na figura abaixo. De uma forma simples, após a detecção do ponto de cruzamento de zero da onda de tensão, o microcontrolador aguarda um tempo para estabelecer um pulso no gate do Triac que entrará em condução e deixará a corrente fluir através da carga. O pulso no gate será retirado e, quando a onda de tensão cruzar o zero novamente, o tiristor para de conduzir e o fluxo de corrente é interrompido.
Circuito típico de controle
Esse ciclo de funcionamento se repetirá enquanto o circuito estiver energizado.
Detecção de passagem por zero (Zero
Crossing)
O primeiro passo no controle de cargas por ângulo de fase é estabelecer o sincronismo entre a tensão de alimentação e o circuito de controle. O circuito utilizado para o Zero
Circuito de Zero Crossing
O nível de tensão é reduzido de 127Vrms para 12Vrms. Uma ponte retificadora em onda completa gera o nível DC necessário ao Led interno ao foto-acoplador 4N25. O dobramento na frequência nas pontes em onda completa é essencial pois precisamos detectar o zero inclusive no meio do ciclo (Transição do semiciclo positivo para o negativo). A simulação abaixo ilustra em Amarelo a tensão de entrada do circuito e em Azul a tensão na saída da ponte retificadora.
Simulação senoide e saida da ponte retificadora
A saída do 4N25 está conectada a entrada não inversora do amplificador operacional LM358N configurado como um comparador que, quando o foto transistor interno ao 4N25 não conduz, recebe 5 volts direto da alimentação. Já na condução, a tesão fornecida a não inversora do acoplador é proporcional à vista na entrada do acoplador. A entrada não inversora possui um divisor de tensão, configurado para uma razão de ½, recebendo
2,5V.
Quando o nível de tensão na porta não inversora ultrapassa os 2,5V presentes na entrada inversora como referência, o amplificador satura positivamente gerando o pulso de cruzamento de zero. Quando abaixo, o amplificador satura “negativamente” assumindo o nível mais baixo presente no amplificador, que no caso, é 0V.
A imagem abaixo ilustra a dinâmica das formas de onda no circuito onde em Amarelo a forma de onda na entrada do acoplador 4N25, em Azul a saída do 4N25 e em Rosa os pulsos de
Zero Crossing presentes na saída do amplificador operacional.
Simulação do Zero Crossing no Proteus
Controle de cargas resistivas
Controlar cargas de caraterística resistiva se torna menos complexo comparado a cargas indutivas. Isto se dá devido a corrente estar sempre em fase com a tensão. O circuito típico para o controle de cargas resistivas foi ilustrado acima e produz uma forma de onda igual a indicada abaixo.
Diagrama de forma de onda para cargas resistivas
Em Azul temos os pulsos no gate do Triac e em rosa temos a tensão de alimentação da carga. Já na cor verde temos a forma de onda da tensão entregue a carga, sofrendo os cortes e diminuindo a tensão média. Em vermelho a corrente na carga que no caso dos circuitos resistivos, fica em fase com a tensão. Por último, em roxo, temos a forma de onda presente sobre o Triac.
Matematicamente, sendo a tensão de entrada e o ângulo de disparo, tanto para o semiciclo positivo quanto para o negativo, for , a tensão eficaz de saída poderá ser encontrada a partir da equação:
Equação circuito Resistivo
Onde, se variarmos de 0 a , poderá variar de a 0, nesta ordem.
Uma imagem da tela do osciloscópio das formas de onda de tensão e corrente no controle do circuito resistivo está
indicada abaixo. Em branco, temos a onda de referência da tensão de entrada da rede em 127V. Já em amarelo a forma de onda da tensão entregue a carga e em azul a da corrente – ambos em fase.
Imagem Controle carga resistiva
Controle de cargas indutivas
O circuito utilizado para o controle de uma carga de característica indutiva está ilustrado abaixo.
Circuito de disparo cargas indutivas
No nosso dia a dia, a maioria das cargas apresentam uma característica indutiva, por mínima que seja, e quanto maior esta característica, maiores são as dificuldades de controle. Como mostrado no diagrama abaixo, a corrente entregue a carga ilustrada na cor vermelha, não cruza o ponto zero no mesmo instante em que a tensão. Há uma defasagem onde a corrente é atrasada em relação a tensão. O ângulo mínimo de disparo do Triac depende exclusivamente da indutância característica da carga.
Diagrama para cargas Indutivas
Se o Triac for disparado antes da corrente acabar, formas de onda distorcidas com altos harmônicos aparecerão sobre a carga e, dependendo do tipo de equipamento, poderá queimar o mesmo por excesso de temperatura e outros fatores.
Neste Lab, utilizamos um micromotor, de 20mhp de potência, como carga indutiva. Algumas imagens ilustrativas do enrolamento interno e montagem da carcaça do mesmo estão indicadas abaixo.
imagem 2 dos componentes motor de indução
Na imagem acima observamos em detalhe a construção das 4 bobinas do enrolamento do motor. Na imagem abaixo podemos observar os dados do motor.
Detalhe placa de dados do motor
encontrada por:
Onde, é o ângulo de disparo, é o ângulo de extinção da corrente.
Um detalhe importante no controle deste tipo de carga é a montagem de uma rede de proteção RC denominada Snubber.
Um circuito Snubber é normalmente conectado em paralelo ao semicondutor como observado no diagrama de controle para cargas indutivas acima e tem a função de limitar a rápida variação de tensão em relação ao tempo dv/dt, dentro da especificação do tiristor, evitando assim falsos pulsos de controle. No caso deste Lab, como estamos utilizando um tiristor que conduz em ambos os lados, o Snubber escolhido deve ser do tipo não polarizado.
Um valor comum para esta aplicação é 100 Ohms para o resistor e 0,22uF a 100nF para o capacitor de poliéster. Note que o resistor nunca deve ser omitido desta montagem pois nenhum outro dispositivo irá prevenir que o capacitor descarregue sob o Triac criando uma alta di/dt em condições desfavoráveis.
A imagem abaixo, retirada da tela do osciloscópio no momento do teste do controle para o circuito indutivo, mostra a entrega de 100% da potência a carga. Em amarelo temos a forma de onda da tensão e em azul a da corrente. Detalhe para alta defasagem entre tensão e corrente.
Imagem controle carga indutiva 1
A imagem abaixo já mostra o comportamento da tensão e corrente quando sob o controle do ângulo de fase. Novamente, em amarelo a tensão entregue a carga, que não cessa seu valor até que a corrente, ilustrada na cor azul, alcance o valor zero.
Forma de onda do controle para carga indutiva
Dinâmica de controle
O controle por ângulo de fase exige que a rede seja sincronizada com a lógica de controle. Esse sincronismo diz respeito ao momento exato no qual o tiristor deve receber um pulso em seu gate. Quando queremos entregar 100% da potência a carga, esse pulso deve ser enviado ao gate o mais próximo possível do cruzamento da tensão por zero. Já no caso contrário, a entrega de pouca potência se dará com o pulso o mais distante do ponto zero. A imagem abaixo simula a onda de entrada (amarelo) da rede, o pulso de cruzamento pelo zero (azul) e os dois pulsos de controle dos Triac’s (rosa e verde).
Simulação dos pulsos
Observe que a carga controlada pelo pulso na cor rosa receberá uma maior porção de potência, por estar mais próximo do pulso de cruzamento, do que a carga controlada pelo pulso na cor verde que está um pouco mais distante do zero.
Um estudo detalhado sobre o funcionamento do módulo timer do ATMEGA 328 foi feito com o intuito de trabalhar com dois timers ao mesmo tempo, em um nível de abstração menor, para um melhor aproveitamento e domínio das funções destes módulos. No corpo do algoritmo há uma explicação detalhada da configuração e funcionamento.
Um diagrama detalhado do fluxo de funcionamento pode ser observado abaixo.
Fluxo de funcionamento
Algoritmo e testes
O diagrama de ligação para este teste está indicado na figura abaixo. Nela podemos observar os blocos, com suas respectivas funções, destacados para um melhor entendimento. Os Triac’s utilizados foram os do modelo TIC426D que pode trabalhar com até 400 V de pico e 16 A (rms).
Os resistores Shunt são de potência, pois toda a corrente da carga passa por eles, e servem apenas para medição da corrente
(forma de onda e valor eficaz)
Os foto acopladores garantem uma completa isolação do circuito de potência com o de controle.
Diagrama de ligação
O algoritmo aplicado ao Arduino Nano está indicado abaixo. Seu entendimento se torna simples visto que há muitos comentários e referências de leitura no datasheet para as configurações dos timers.
Os valores dos comparadores devem ser enviados via serial para o Arduino. No próximo Lab, um aplicativo para Android será desenvolvido afim de simplificar o controle das cargas. Outras funções também serão implementadas.
[crayon-597b472ee6c47133033921/]
Um vídeo que mostra em detalhes o funcionamento dos circuitos individualmente, inclusive mostrando o comportamento da corrente e tensão em tempo real foi elaborado e está exposto
abaixo.
Conclusão
Neste Lab discutimos a implementação e o funcionamento do controle de cargas em AC utilizando o método do controle de ângulo de fase. Vimos também as diferenças no controle de cargas de natureza resistiva e indutiva.
A aplicação e entendimento de dois timers trabalhando simultaneamente foi o maior legado deste trabalho, visto que a utilização de módulos externos a CPU permite que outras funções possam ser executadas, como por exemplo a monitoração dos dados via serial, enquanto os outros periféricos trabalhem independentemente.
No próximo Lab, um aplicativo para Android será desenvolvido no intuito de melhorar e tornar ainda mais interessante o controle das cargas e a comunicação com o protótipo.
