ESTRATÉGIA DE CONTROLE DE CORRENTE PARA ACIONAMENTO DO GRV OPERANDO NO MODO AUTOEXCITADO
VICTOR R.BERNARDELI*,DARIZON A.ANDRADE**,AUGUSTO W.F.V.SILVEIRA**,LUCIANO C.GOMES**, GHUNTER P.VIAJANTE*,MARCOS A.A.FREITAS*KLEIBER D.RODRIGUES**,JOSEMAR A.SANTOS*
* Instituto Federal de Ciências e Tecnologia de Goiás, Campus Itumbiara
**Lab. de Acionamentos Elétricos, Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Uberlândia Caixa Postal 2160 – CEP 38.400-902 – Uberlândia - MG
E-mails: vrb.ifg@gmail.com, darizon.andrade@gmail.com
Abstract This paper deals with the control of phase current to drive Self- Excited Switched Reluctance Generator (SRG). It is implemented control phase current generator allows operation over a wide range of speed variation. Main objectives of the study are: understand the generator, converter, capacitor and current controller. The work explores the current control strategy based on controlling the switching angles, whose philosophy hysteresis control. Representation by the block diagram of the control system is presented, along with the state space model of the SRG, which includes in its model the saturation of the magnetic cir-cuit. The complete set is simulated and the simulation results are presented and discussed. A bank of experiments, where all con-trol is developed using the TMS320F28335 DSP platform to validate the studies presented is built.
This article deals with the control of phase current to drive the Variable Reluctance Generator (GRV) in order autoexcitado Keywords Self-Excited, Current Control, Switched Reluctance Machine
Resumo Este artigo trata do controle de corrente de fase para acionamento do Gerador a Relutância Variável (GRV) no modo autoexcitado. É implementado controle de corrente de fase do gerador que permite sua operação em ampla faixa de variação de velocidades. Principais objetivos do trabalho são: compreender o gerador propriamente dito, o conversor, capacitor e controlador de corrente. O artigo explora a estratégia de controle de corrente baseado no controle dos ângulos de chaveamento, tendo como filosofia o controle tipo histerese. A representação por diagrama de blocos do sistema de controle é apresentado, juntamente com o modelo em espaço de estados do GRV, que inclui em seu modelo a saturação do circuito magnético. O conjunto completo é simulado e os resultados das simulações são apresentados e discutidos. É construída uma bancada de experimentos, onde todo controle é desenvolvido utilizando a plataforma DSP TMS320F28335 a fim de validar os estudos apresentados.
Palavras-chave Autoexcitado, Controle de corrente, Máquina a Relutância Variável
1 Introdução
Com a crescente demanda por fontes alternativas de energia, a comunidade científica aumentou seu interesse em buscar novos conversores eletromecânicos para produção de energia elétrica mais eficiente.
Dentro desses novos conversores em estudo pode-se citar a máquina a relutância variável (MRV) operando como gerador. Nos últimos anos o número de publicações aumentaram consideravelmente sobre o tópico, devido à facilidade deste tipo de máquina na operação em regime de velocidade variável.
A MRV tem se mostrado uma forte candidata a ser utilizada como gerador devido às suas características intrínsecas, que são: robustez, ausência de enrolamentos e imãs permanentes no rotor, boa relação peso/potência, alto conjugado de partida, capacidade de operar com falta de uma das fases, baixo custo de construção e grande facilidade de projeto (Torrey, 2002), (Henriques, 2003), (Miller, 2001).
Estas características positivas que a MRV possui fizeram com que o número de publicações de caráter científico, relatando contribuições para o avanço de sua tecnologia, aumentasse significantemente do ano 2000 até o presente momento.
A grande maioria das contribuições destina-se a aprimorar o controle da máquina operando como motor. Os trabalhos relacionados com este tipo de máquina operando como gerador estão em fase de crescimento e grande parte envolve a utilização do gerador excitado por fontes externas de energia (Fleury, 2008).
Do ponto de vista de aplicação, o Gerador a Relu-tância Variável (GRV) tem ganhado interesse na área de geração de eletricidade de aeronaves (Radun, 1998), automotiva (Fahimi, 2013), parques eólicos (Kioskeridis, 2006) e Flywheel (Rolim, 2007). Nas aplicações automotivas e aeroespaciais, a máquina opera em velocidades elevadas, o que não é problema para este tipo de máquina, em aplicações eólicas a característica de operação é diferente, a máquina opera em baixa velocidade com alto conjugado no eixo.
Com relação à energia eólica, por exemplo, a ope-ração do GRV autoexcitado, principalmente em bai-xas rotações leva a picos de corrente nas fases que vão além dos valores tolerados pelo conversor estáti-co inviabilizando a utilização deste tipo de gerador. Entretanto, com o controle de corrente de fase, a ope-ração do gerador no modo autoexcitado é possível.
O presente trabalho apresenta um controle de corrente de fase aplicado ao GRV operando no modo autoexcitado. O controlador utilizado no trabalho é do tipo histerese, tal controlador já é muito usado em
outros sistemas de acionamento. A aplicação do controlador permite a operação do gerador para uma ampla faixa de velocidade. O objetivo principal do trabalho é no estudo do comportamento do gerador controlado, a estratégia consiste na variação dos ângulos de magnetização do gerador.
2 Modelagem da máquina levando em considera-ção a saturaconsidera-ção do circuito magnético Do ponto de vista de acionamento, a MRV é possível trabalhar como motor ou gerador, alterando apenas o ângulo de chaveamento.
A operação do gerador no modo autoexcitado, do ponto de vista do conversor, é a mesma usada para motor, e será mostrada na próxima seção. Também existe a necessidade de utilizar dispositivos armaze-nadores de energia para excitação da máquina. No trabalho será usado um capacitor ligado em paralelo com a fase e carga.
O circuito elétrico de uma fase do GRV pode ser equacionado como: dt i d Ri v
(,
) (1)A equação da tensão na fase pode ser escrita como:
e
dt
di
i
L
ri
v
(
,
)
(2)onde v é a tensão aplicada, i é a corrente da fase, R é a resistência da fase, L é a indutância incremental (dinâmica) da fase e θ é a posição do rotor.
A indutância incremental é dada pela seguinte equação:
() ()
cos( ) ) , ( ) , ( 1 ) , ( 1 1 )) , ( ) , ( ) 1 ( 1 ) 1 ( ) 1 (
r n m j n j j n j j m j j j j j j j nP B i l A i l i l i l G i L
(3) Onde RP
G
2
eP
R número de polos do rotor O terceiro termo do lado direito da igualdade da equação 2 é a força contraeletromotriz e, que isoladamente pode ser escrita como:
d i dL i e (, ) (4)Onde, ω=dθ/dt é a velocidade angular do rotor.
Durante a operação do gerador em malha aberta, após a excitação o fluxo começa a subir até atingir seu valor máximo (saturação). Chegando nesta região, o fluxo não sobe mais, consequentemente, a tensão do gerador estabiliza-se.
Para a operação do GRV no modo autoexcitado em malha aberta, é de suma importância que a simulação contemple a saturação do circuito magnético.
A operação deste tipo de gerador na região linear da curva também é possível, basta fazer o controle adequado do gerador nesta região.
Mesmo que o modelo matemático do gerador seja linear, não representará as características das relações entre fluxo e corrente. Essa situação não condiz com os resultados práticos.
A Figura 1 mostra a base de desenvolvimento do modelo proposto pela equação. 3.
A Figura 2 mostra o fluxo concatenado para dife-rentes valores de corrente e posição usando o modelo da equação 3. Os dados mostrados são obtidos atra-vés dos parâmetros da máquina, Tabela 1.
O conjugado mecânico produzido pelo GRV pode ser expresso por (5).
) ( ) , ( '
W i Te (5)onde W'(i,) é a co-energia dada por,
i i di i W 0 ' ) , ( ) , (
(6)Onde, λ é o fluxo concatenado [Wb] Para realização da modelagem matemática usada no programa de simulação, o conjugado mecânico produzido pela máquina foi calculado levando em consideração as perdas por atrito viscoso D e momento de inércia J, conforme apresentado pela equação (7). D dt d J T Tm emag (7)
Designando por [V], [R], [I], [L] e [I] as matrizes na ordem em que aparecem em (Bernardeli, 2011), a matriz de estados do GRV tem a seguinte forma:
] ][ [ ] [ ] [ ] [ ] [I L1V L 1 R I (8) i1 i2 i3 L (j+1) j l(j+1) lj
0 5 10 15 20 25 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Corrente [A] F lu xo Co n ca te n a d o [ W b ]
Fig 2. Fluxo concatenado para diferentes valores de corrente e posição usando o modelo dado pela equação 3.
Tabela 1: Características do protótipo GRV 6/4 . Características Valores Potência nominal 1 HP Velocidade nominal 1800 rpm Número de fases 3 Ângulo de condução 30o Resistência de fase 0.32 Ω Indutância máxima 36 mH Indutância mínima 3.3 mH Coeficiente atrito viscoso 0.026 N.m.s
Inercia 0,0028 kg.m2
3 Descrição geral do sistema de controle Nesta seção é dada ênfase na estratégia de chaveamento para operação e controle do gerador. É apresentado modelo do conversor e controle de corrente.
a. Modelo do conversor
A Figura 3 mostra o conversor trifásico do tipo half-bridge (HB). As etapas do conversor são divididas em duas para cada fase do gerador: excitação e geração.
O capacitor tem papel fundamental para acionamento da máquina no modo autoexcitado (Bernardeli, 2011). Sua função é reduzir a oscilação de tensão gerada, e também fornecer a corrente necessária para excitação do gerador.
C 1 S 2 S 1 D 2 D 4 S 3 D 5 S 6 S 5 D 4 D D6 ea eb ec I1 Vo Carga Icarga If S3 +
-Fig. 3. Diagrama esquemático do conversor HB.
. . . . . . Iref Vfase Indutância
Fig. 4. Formas de ondas corrente, tensão de fase e indutância, idealizando o controle.
A figura 4 mostra de forma idealizada as formas de onda de corrente, tensão de fase e indutância para o controle proposto. Durante o período de excitação onde as chaves S1 e S2 estão fechas, conforme mostra figura 5a, a energia armazenada no capacitor excita o gerador. Após o instante em que a corrente é maior que a referência estabelecida o controle desliga as chaves S1 e S2, o circuito é mostrado pela figura 5b, compreendendo o período de geração, a corrente gerada é divida em duas, uma parcela vai pra carga e outra parcela carrega o capacitor.
Para manter a corrente na referência estabelecida, quando a corrente começa a cair, o controle liga as chaves S1 e S2, neste instante a corrente cresce novamente até atingir o valor de referência e o processo inicia novamente. A ação do controle termina quando a variação da indutância chega à zero. Esse processo é realizado para as outras fases do gerador. C 1 S 2 S 1 D 2 D 4 S 3 D 5 S 6 S 5 D 4 D D6 ea eb ec I1 Vo Ifase 3 S + -Icarga carga (a) C 1 S 2 S 1 D 2 D 4 S 3 D 5 S 6 S 5 D 4 D D6 ea eb ec I1 Ifase S3 Vo + -Carga Icarga (b)
Fig. 5. Região de excitação (a), Região de geração (b). Posição alinhamento
GRV autoexcitado Corrente Fase Sensor Hall -+ e e I* Controlador Histerese Conversor HB Pulsos chaves Tensão gerada Estratégia de chaveamento I*
Fig. 6. Representação em diagrama de blocos do sistema completo
b. Controle de corrente
O sistema de controle de corrente proposto é composto por um controlador do tipo histerese, o sinal de corrente de referência I* é comparado com o sinal de corrente de fase ligado nos terminais do gerador por um sensor de efeito Hall. A saída do controlador é inserida num bloco, denominado estratégia de chaveamento que é responsável pela geração dos pulsos do conversor HB que aciona o gerador. A representação em diagrama de blocos do sistema completo é mostrada na fig. 6.
A Figura 7 mostra o fluxograma do código implementado, cujo inicio ocorre na execução do programa e imediatamente é feita a leitura da corrente de fase. Esta corrente é comparada com a referência de corrente Iref. Se a corrente for maior do que a corrente de referência o programa desabilita os pulsos das chaves, se for menor o programa habilita os pulsos das chaves retornando para a leitura da corrente de fase.
Na próxima seção são apresentados os resultados de simulação obtidos com o controle desenvolvido, nestes resultados o conversor foi montado utilizando as chaves, diodos e capacitor do ambiente Simpowersystem, o modelo do gerador foi montado através de equações de estados utilizando a função S-Function do MatLab. Inicio Leitura da corrente de fase I < Iref Não sim
Habilita pulso das chaves
Desabilita pulso das chaves
Fig. 7. Fluxograma do código implementado
4 Resultado de Simulação
Os resultados mostrados foram obtidos através do programa Matlab/Simulink®. A simulação foi baseada em um protótipo real, com seis saliências no estator e quatro no rotor (6/4), construído para testes em bancada experimental. Portanto os parâmetros, perfil de indutância, limites de corrente, foram ajustados para representar a máquina. Os principais parâmetros relacionados com a máquina são observados pela tabela 1.
a) Operação em malha aberta
A fim de verificar a praticidade da estratégia de controle de corrente, foi realizada uma simulação com o gerador operando em malha aberta. A situação simulada foi a operação do gerador com uma veloci-dade fixa em 1800 rpm, on (ângulo de fechamento
das chaves) fixo em -3o em relação a posição de ali-nhamento e off (ângulo de abertura das chaves) fixo
em 30o, a necessidade da magnetização antes do pe-ríodo de alinhamento é devido ao aproveitamento da máxima potência no instante de alinhamento do rotor com o estator. A carga ligada nos terminais do gera-dor foi de 60 Ω, puramente resistiva.
A figura 8 mostra o perfil de corrente da fase A do gerador operando sem controle de corrente. A Figura também apresenta o instante de abertura das chaves S1 e S2 mostrando que não existe controle nenhum do sistema. Para o caso analisado o pico da corrente de fase chega próxima a 90 A. Devido a este fato é de suma importância, para operação do GRV no modo autoexcitado, a necessidade do controle de corrente.
O trabalho de (Torrey, 2002), mostra a possibili-dade de operação do GRV e seu controle. O autor cita o controle de corrente e de potência, mais não apresenta resultados experimentais. O presente traba-lho traz uma contribuição significativa para operação do GRV em malha fechada. O que diferencia de tra-balhos anteriores.
b) Operação em malha fechada
Com o objetivo de comprovar o controle desenvolvido na seção anterior. Foram feitos testes com o gerador em malha fechada.
Os testes de simulação em malha fechada foram realizados com os seguintes critérios: o gerador operou em malha fechada utilizando a estratégia descrita na seção 3, tensão inicial do capacitor para inicio da operação no modo autoexcitado foi de 10V, e velocidade da máquina primária fixa em 1800 rpm e carga 60 Ω.
Para um primeiro teste foi feito uma simulação com o gerador operando com referência de corrente 20A, a Figura 9 mostra a corrente de fase, tensão de fase e pulsos das chaves. Para esta situação o contro-le conseguiu atuar mantendo a corrente próxima ao valor estabelecido.
0.783 0.784 0.785 0.786 0.787 0.788 0.789 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Tempo [s]
Fig. 8. Operação em malha aberta. Corrente da Fase A [A] e Pul-sos S1 e S2. 0.986 0.987 0.988 0.989 0.99 0.991 0.992 0.993 0.994 0.995 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Tempo (s) Corrente Fase A Tens'ao Fase A Pulso chaves
Fig. 9. Operação em malha fechada. Corrente e tensão da Fase A e Pulsos S1 e S2. 0.80 0.85 0.9 100 200 Tempo [s] T e n sã o n a ca rg a a) 0.8 0.805 0.81 -20 0 20 40 Tempo [s] C o rr e n te s n a s f a se s b) 0.5 0.51 0.52 -50 0 50 Tempo [s] C o rr e n te n o ca p a ci to r c) 0.8 0.805 0.81 0.815 0.82 -500 0 500 Tempo [s] T e n sã o n a F a se A d)
Fig. 10. Tensão na carga a), correntes nas fases b), corrente no banco de capacitores c) e tensão na fase A.
Posteriormente foi realizado outro teste, mais com uma referência de 30 A. A Figura 10 mostra a tensão na carga (a), correntes nas fases A, B e C (b), corrente no banco de capacitores (c) e tensão na fase A (d). O sistema de controle atuou de forma integra atingindo o nível estabelecido de 30 A de referência.
5 Resultados Experimentais
Esta seção apresenta os resultados experimentais obtidos com o protótipo para comprovação com o estudo abordado anteriormente por meio de simulação. Foi montada uma bancada experimental conforme indicado na figura 11. O GRV foi acoplado a um motor de indução 2 cv, 4 pólos, acionado por
um inversor comercial com controle vetorial. O conversor HB foi construído através de chaves IGBT (600V/100A), a estratégia de acionamento foi programada para ser executada em um DSP TMS320F28335, utilizado no sistema. A posição do rotor, necessária para aplicação dos sinais de gatilho durante o período de magnetização das fases, foi obtida utilizando sensores ópticos associados a um disco, que representa o instante exato em que cada fase deve ser magnetizada.
A Figura 12 foi obtida realizando um ensaio com o gerador submetido a uma velocidade de 1800 RPM com uma carga de 60 Ω, a figura mostra a corrente na fase A (canal 2), corrente no banco de capacitores (canal 4), tensão na carga (canal 3) e tensão na fase A (canal 1). A referência foi fixada em 20 amperes e o controle atua de forma a manter a corrente constante no valor de referência estabelecido. Para essa mesma situação obtida pela simulação, figura 10b, pode-se observar que os resultados estão próximos. A diferença é devida a frequência de interrupção do DSP (10KHz) e medição de corrente
A Figura 13 a referência foi modificada para 30 amperes e o controle também conseguiu fixar no valor de referência estabelecido (canal 2). A tensão gerada, conforme a Figura 12, foi de 216 volts, enquanto que pela figura 13, a tensão foi de 272 volts. Do mesmo modo na Figura 14 foi modificada a referência para 40 amperes e o controle conseguiu fixar a corrente no valor estabelecido (canal 2) e a tensão subiu para 312 volts. As Figuras 12, 13 e 14 mostram a corrente no banco de capacitores. Essa corrente corresponde a três ciclos, devido ao fato que o banco é compartilhado pelas três fases.
Fig. 11. Foto da Bancada de testes experimentais.
Fig. 12. Forma de onda corrente (canal 2 e 4) e tensão (canal 1 e 3) obtida para velocidade 1800 RPM e carga de 60Ω (20 A)
on – S1 e S2
off – S1 e S2
Fig. 13. Forma de onda corrente (canal 2 e 4) e tensão (canal 1 e 3) obtida para velocidade 1800 RPM e carga de 60Ω (30 A)
Fig. 14. Forma de onda corrente (canal 2 e 4) e tensão (canal 1 e 3) obtida para velocidade 1800 RPM e carga de 60Ω (40 A)
12000 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 50 100 150 200 250 300 350 Velocidade [RPM] T e n sã o [ V ] 20A 30A 40A
Fig. 14. Curva de tensão gerada por velocidade.
Finalmente, foi levantada a curva de tensão gerada para diferentes velocidades do gerador e também para diferentes correntes de referência a fim de testar o controle e também familiarizar com a estratégia de controle desenvolvida.
6 CONCLUSÕES
Neste trabalho é apresentada uma estratégia de controle de corrente de fase aplicado ao gerador a relutância variável operando no modo autoexcitado. A estratégia adotada utiliza a variação dos ângulos de
magnetização. Um sistema de controle foi apresentado e simulado a fim de verificar o funcionamento da estratégia utilizada. O sistema de controle foi testado para diferentes referências e o sistema de controle conseguiu manter a corrente de fase fixa. Resultados de simulação em ambiente MatLab em malha aberta e malha fechada são apresentados e discutidos. Finalmente resultados experimentais são apresentados e discutidos e estes são próximos com os obtidos em simulação.
Agradecimentos
Os autores agradecem a UFU, pela estrutura disponibilizada, à FAPEMIG (APQ-01176-13) pelo apoio financeiro e à CAPES, pela concessão de bolsa de estudos.
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