Hardware-in-the-Loop para desenvolvimento de Software embarcado em DSPs utilizando ambiente PSCAD/EMTDC

Texto

(1)Universidade Federal do Rio de Janeiro. ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA COM ÊNFASE EM ELETROTÉCNICA PROJETO DE FIM DE CURSO. Autor: Bruno Wanderley França. HARDWARE-IN-THE-LOOP PARA DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE EMBARCADO EM DSPs UTILIZANDO AMBIENTE PSCAD/EMTDC.. Aprovado por:. ___________________________________________. Maurício Aredes. Dr.-Ing. ___________________________________________. Luís Guilherme Barbosa Rolim, Dr.-Ing. ___________________________________________. Mauro Sandro dos Reis, Eng.. Rio de Janeiro Maio de 2009.

(2) FRANÇA, BRUNO WANDERLEY. HARDWARE-IN-THE-LOOP PARA DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE EMBARCADO EM DSPs UTILIZANDO AMBIENTE PSCAD/EMTDC.. [Rio de Janeiro] 2009. (DEE-POLI/UFRJ, Engenharia Elétrica, 2009) p.52. vii. 29,7 cm. Projeto de Formatura – Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Departamento de Engenharia Elétrica, Curso de Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrotécnica. 1 – Hardware-in-the-loop, 2 – Simulador de sistemas elétricos, 3 – Processador digital de sinais, 4 – Eletrônica de Potência, 5 – Buck-Boost, 6 – STATCOM (Static Synchronous Compensator).. i.

(3) Dedicatória. Dedico este trabalho ao meu avô, Carlos Wanderley da Costa. Ele me ensinou que uma boa vida é feita de uma família unida, amigos leais e muito trabalho.. ii.

(4) Agradecimentos. Agradeço a Deus por me permitir realizar este trabalho, assim como permitiu que eu cursasse a Engenharia Elétrica durante esses cinco anos. Aprendi com ele que, mesmo sendo o campo da engenharia extremamente racional, às vezes é indubitável a existência de uma força superior. Agradeço a minha mãe Katia Wanderley da Costa, o suporte, a atenção e todos esses anos de renúncia em prol da minha evolução como cidadão e como profissional. Agradeço a minha tia Darci Rodrigues da Rosa, o carinho e dedicação de uma mãe. Saibam que o esforço de vocês tem como conseqüência não só a formação de um engenheiro eletricista, mas principalmente de uma pessoa com ética e ciência de seu papel dentro da sociedade. Agradeço aos meus familiares e amigos, por compreender minha ausência em muitos momentos importantes, devido aos compromissos acadêmicos, sempre me apoiando e incentivando. Agradeço também a Carolina Silva Brandão, por todos esses anos de companheirismo, amizade e incentivo, que me deu forças para superar muitos momentos difíceis. Agradeço ao meu orientador e amigo Mauricio Aredes, que confiou no meu trabalho desde o início da graduação e me deu a oportunidade de aprender em diversos setores do laboratório. Dentro do LEMT/ELEPOT complementei meu aprendizado e tive a chance de conhecer profissionais de alto nível. Fica também meu agradecimento aos meus amigos que trabalharam comigo em diversos projetos importantes dentro do laboratório. Em especial agradeço ao Leonardo Francisco da Silva, o qual participou de toda minha vida profissional, se tornando um grande amigo, ao Mauro Sandro dos Reis, por toda a ajuda e trabalho conjunto diário, e ao Carlos Fernando Teodósio Soares, por esclarecer minhas dúvidas durante a graduação. Agradeço também ao professor Luís Guilherme Barbosa Rolim, pelos ensinamentos durante o curso de Projeto de Sistemas com Microprocessadores, essencial para a realização deste trabalho. Sendo assim, fica meu agradecimento a todos que diretamente ou indiretamente tenham contribuído na minha caminhada até aqui.. iii.

(5) Resumo do Projeto de Fim de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como um dos requisitos necessários para a obtenção de grau de Engenheiro Eletricista.. HARDWARE-IN-THE-LOOP PARA DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE EMBARCADO EM DSPs UTILIZANDO AMBIENTE PSCAD/EMTDC.. Bruno Wanderley França. Maio /2009. Orientador: Mauricio Aredes. Palavras-chave: Hardware-in-the-loop, Simulador de sistemas elétricos, Processador digital de sinais, Eletrônica de Potência, Buck-Boost, STATCOM (Static Synchronous Compensator).. Resumo O número de equipamentos controlados por microcontroladores cresce à medida que aumenta a disponibilidade do uso desses. Entretanto, durante o desenvolvimento de um código de controle, existe o processo de teste e validação do mesmo, que deve garantir a operação correta do microcontrolador. Deficiências no desenvolvimento de algoritmos ou softwares de implementação podem ser difíceis de detectar. Para solucionar este problema pode ser utilizado um Hardware-in-theloop (HIL), que consiste na simulação, através de um ou mais hardwares, do sistema real onde o microcontrolador atua. Se o microcontrolador atuar de forma adequada no sistema simulado, então ele atuará também de forma adequada no sistema físico real. Este trabalho consiste na concepção de um Hardware-in-the-loop utilizando o programa de simulações de sistemas elétricos PSCAD/EMTDC, para validar códigos embarcados em um DSP. O desenvolvimento da ferramenta HIL se deu em três etapas, onde a primeira utiliza um variador de tensão observável, o segundo um conversor Buck-Boost e o terceiro é um DSTATCOM controlado por correntes de referência.. iv.

(6) Sumário Dedicatória .................................................................................................................................... ii Agradecimentos ........................................................................................................................... iii Resumo..........................................................................................................................................iv Sumário ......................................................................................................................................... v Índice de figuras ............................................................................................................................vi Introdução ..................................................................................................................................... 1 Motivação.................................................................................................................................. 1 Objetivo ..................................................................................................................................... 3 Organização do trabalho ........................................................................................................... 4 Conceitos básicos .......................................................................................................................... 6 Hardware-in-the-loop ............................................................................................................... 6 PSCAD/EMTDC........................................................................................................................... 9 DSP ............................................................................................................................................ 9 Variador de tensão observável ................................................................................................... 11 Proposta do equipamento ...................................................................................................... 11 Execução.................................................................................................................................. 12 Resultados ............................................................................................................................... 15 Conclusão ................................................................................................................................ 16 Simulação HIL para controle de um Buck-Boost. ........................................................................ 17 Proposta do equipamento ...................................................................................................... 17 Introdução teórica ................................................................................................................... 18 Execução.................................................................................................................................. 19 Resultados ............................................................................................................................... 27 Conclusão ................................................................................................................................ 27 D-STATCOM controlado por correntes de referência ................................................................. 29 Proposta do equipamento ...................................................................................................... 29 Introdução teórica ................................................................................................................... 31 Execução.................................................................................................................................. 34 Resultados ............................................................................................................................... 39 Conclusão ................................................................................................................................ 48 Observações finais e trabalhos futuros ....................................................................................... 50. v.

(7) Bibliografia .................................................................................................................................. 52. Índice de figuras Figura 1: Fluxograma dos processos básicos de um projeto......................................................... 2 Figura 2: a) Diagrama de blocos do microcontrolador conectado ao simulador HIL. b) Componentes simplificados de um simulador HIL. ....................................................................... 8 Figura 3: Piloto automático sendo testado pelo simulador HIL. ................................................... 8 Figura 4: Comunicação serial entre o computador e o DSP. ....................................................... 11 Figura 5: Circuito do variador de tensão observável .................................................................. 12 Figura 6: Bean da Comunicação Serial. ....................................................................................... 13 Figura 7: Sistema simulado no PSCAD/EMTDC. .......................................................................... 14 Figura 8: Resultado...................................................................................................................... 15 Figura 9: Circuito Buck-Boost. ..................................................................................................... 18 Figura 10: Fluxograma do protocolo de comunicação do PSCAD/EMTDC.................................. 20 Figura 11: Bloco RS232_1. ........................................................................................................... 21 Figura 12: Bloco de condicionamento de sinais. ......................................................................... 22 Figura 13: Controlador PI. ........................................................................................................... 23 Figura 14: Bloco de disparo do GTO. ........................................................................................... 23 Figura 15: Tensão Ea. .................................................................................................................. 24 Figura 16: Corrente Ia.................................................................................................................. 24 Figura 17: Referência para o disparo do GTO. ............................................................................ 24 Figura 18: Comparação entre as referências geradas pelo PSCAD/EMTDC e pelo DSP. ............ 25 Figura 19: Bloco de disparo do GTO com referência igual a Rx1 (DSP)....................................... 25 Figura 20: Tensão Ea para os novos parâmetros. ....................................................................... 26 Figura 21: Corrente Ia para os novos valores. ............................................................................. 26 Figura 22: Comparação entre as referências geradas pelo PSCAD/EMTDC e pelo DSP para os novos valores. ............................................................................................................................. 26 Figura 23: Diagrama trifilar do D-STATCOM. .............................................................................. 30 Figura 24: Modelo ideal do D-STATCOM conectado ao sistema elétrico. .................................. 32 Figura 25: Controle da potência reativa. ..................................................................................... 32 Figura 26: RS232_1 para utilização no D-STATCOM. .................................................................. 35 Figura 27: Configuração do registrador do AD para o DSP MC56F8323. .................................... 35 Figura 28: Fluxograma do protocolo de comunicação do DSP. .................................................. 36 Figura 29: Sinalizador da interface IO. ........................................................................................ 37 Figura 30: Sistema de potência simulado. .................................................................................. 38 Figura 31: Bloco STATCOM. ......................................................................................................... 38 Figura 32: Tensão Vab sem D-STATCOM e sem carga (220 Vrms) - HIL...................................... 40 Figura 33: Tensão Vab sem D-STATCOM e sem carga (220 Vrms) - Bancada. ............................ 40 Figura 34: Tensão Vab com D-STATCOM regulando tensão e sem carga – HIL. ......................... 41 Figura 35: Tensão Vab com D-STATCOM regulando tensão e sem carga – Bancada. ................ 41 Figura 36: Tensão Vab com carga (10 A indutiva) e sem D-STATCOM (209 Vrms) – HIL ............ 42 Figura 37: Tensão Vab com carga (10 A indutiva) e sem D-STATCOM (209 Vrms) - HIL. ............ 42 Figura 38: Tensão Vab com carga (10 A indutiva) e com D-STATCOM regulando tensão (221 Vrms) - HIL. .................................................................................................................................. 43. vi.

(8) Figura 39: Tensão Vab com carga (10 A indutiva) e com D-STATCOM regulando tensão (221 Vrms) - Bancada. ......................................................................................................................... 43 Figura 40: Tensão Vab e corrente da fonte Ia, com carga e sem D-STATCOM (50,0°) - HIL. ...... 44 Figura 41: Tensão Vab e corrente da fonte Ia, com carga e sem D-STATCOM (50,0°) - Bancada. ..................................................................................................................................................... 44 Figura 42: Tensão Vab e corrente da fonte Ia, com carga e com D-STATCOM (31,6°) – HIL. ..... 45 Figura 43: Tensão Vab e corrente da fonte Ia, com carga e com D-STATCOM (31,6°) – Bancada. ..................................................................................................................................................... 45 Figura 44: Histórico do controle do fator de potência - HIL........................................................ 46 Figura 45: Histórico da tensão no elo cc - HIL.. ........................................................................... 46 Figura 46: Corrente de entrada da barra no carregamento do elo cc - HIL. ............................... 47 Figura 47: Corrente de entrada da barra no carregamento do elo cc - Bancada. ...................... 47. vii.

(9) Capítulo I Introdução A energia elétrica é um dos requisitos primários para a sustentabilidade da civilização. Isso se dá pela sua facilidade de transporte, controle e conversão em outros tipos de energia, o que a torna um dos principais meios de prover e utilizar bens de consumo. Naturalmente, a complexidade destes bens de consumo aumenta de acordo com a evolução dos estudos acerca da eletricidade. Com o surgimento da automação e do controle as cargas passaram a ter, incorporadas em suas funcionalidades, sistemas de controle que determinam como essas devem se comportar. Além disso, a criação e a posterior difusão dos microcontroladores intensificaram a utilização das técnicas de lógica de programação, principalmente após o surgimento da programação digital. Este trabalho tem como finalidade o desenvolvimento de uma ferramenta que valida o código de controle embarcado em microcontroladores (Embedded Systems), garantindo que esses não irão operar de forma indevida nos sistemas reais aos quais se destinam. Para tal, serão utilizados sistemas elétricos constituídos de equipamentos baseados em Eletrônica de Potência conectados à rede elétrica, sendo esses equipamentos controlados por Processadores Digitais de Sinais (DSP).. Motivação. O desenvolvimento de protótipos baseados em Eletrônica de Potência cresce à medida que novas tecnologias relacionadas a esta área surgem com diversos objetivos, tais como solucionar problemas relacionados à qualidade de energia, fazer o controle de máquinas elétricas e de fluxo de potência, dentre outros. Sua característica principal é a utilização de chaves semicondutoras que, na sua grande maioria, necessitam de um controle para determinar o instante que devem entrar em condução. Neste caso são utilizados os microcontroladores, tais como os processadores digitais de sinais (Digital Signal Processor – DSP). Os processos básicos de concepção desses protótipos estão apresentados no fluxograma da Figura 1, e podem ser divididos em duas etapas, conforme destacado na própria figura.. 1.

(10) Figura 1: Fluxograma dos processos básicos de um projeto..

(11) A primeira etapa engloba os processos teóricos e de simulação, já a segunda engloba os processos de execução prática. Dentro da etapa 2, o processo crítico se dá na produção do código embarcado no DSP, visto que este tem que reproduzir de forma fiel a malha de controle simulada na etapa 1. Além disso, a produção de um código errado pode causar danos ao equipamento quando este for ensaiado, devido à operação errônea dos componentes ativos do sistema. Outro problema encontrado diz respeito à interface do DSP com o usuário durante os ensaios do equipamento. Alguns DSPs apresentam uma interface amigável ao usuário, podendo este visualizar em tempo real os valores nos registradores desejados, seja numericamente ou através de gráficos. É possível também alterar estes valores diretamente pelo software de programação, chamado de Ambiente integrado de Desenvolvimento (Integrated Development Environment – IDE). Porém, existem DSPs que não possuem tal interface, dificultando a verificação do programa embarcado, pois a possibilidade de visualizar e alterar registradores no momento da operação do microcontorlador é uma forma eficaz de localizar erros no código, caso eles existam. O DSP da Motorola (MC56F8323) utiliza o IDE Metrowerks Code Warrior para embarcar códigos em sua memória de programa. Este software (versão 7.3) não permite a visualização nem a alteração de variáveis em tempo real, porém permite uma fácil configuração de periféricos, através dos chamados beans de periféricos. Sendo assim, este é um exemplo de ambiente que não possui interface amigável com o usuário, apesar de sua fácil configuração.. Objetivo. O objetivo deste trabalho é desenvolver uma ferramenta que auxilie a transição de equipamentos simulados no PSCAD/EMTDC para os equipamentos reais (protótipos), visto que os protótipos utilizam microcontroladores com um código embarcado, o qual deve ser equivalente à malha de controle simulada. Essa ferramenta deve ser capaz de submeter a simulação do sistema à atuação do código embarcado, fazendo com que esse sistema seja controlado pelo microcontrolador. Para tal, será necessário estabelecer uma comunicação entre o DSP e o simulador, para possibilitar a troca de informações entre eles. Deverão então ser criados protocolos de comunicação, os quais permitem um tráfego de informações padronizado que garantem a utilização dos dados corretos entre ambas as partes. Vale lembrar que se o número de componentes ativos for 3.

(12) aumentado, aumentará também o número de variáveis enviadas e recebidas, necessitando assim de um protocolo de comunicação mais complexo. A escolha do programa PSCAD/EMTDC como software de simulação de sistemas elétricos é devido à sua utilização pelos pesquisadores do Laboratório de Eletrônica de Potência e Média Tensão da Universidade Federal do Rio de Janeiro (LEMT/UFRJ), e ainda pelo software permitir a criação de componentes capazes de atuar no sistema simulado, sendo estes compostos de programas em código C, o que é um atributo importante para a realização do trabalho. Com o desenvolvimento desta ferramenta, uma vez que o código embarcado no DSP produz um resultado igual ao da malha de controle previamente simulada, resta apenas configurar os periféricos do microcontrolador, para que o protótipo atue de forma desejada no sistema elétrico real.. Organização do trabalho. Este trabalho irá apresentar a concepção e o desenvolvimento da ferramenta proposta, os quais foram feitos utilizando-se de equipamentos que aumentam seu nível de complexidade em relação ao nível do equipamento anterior. Com isso, ao longo do trabalho, será observado que o HIL poderá atender a uma gama cada vez maior de equipamentos. Sendo assim, primeiramente será feita uma breve explanação a respeito dos principais elementos presentes neste documento, sendo eles: o conceito Hardware-in-the-loop, o programa de simulação de sistemas elétricos PSCAD/EMTDC e o processador digital de sinais (DSP). Esta explanação tem o objetivo de habilitar o leitor a entender o conteúdo deste trabalho. Feito isso, o próximo passo é descrever a criação dos componentes básicos da ferramenta proposta. Para tal, foi utilizado um variador de tensão observável. A escolha deste equipamento é devido a sua simplicidade, exigindo apenas uma comunicação inicial que permita a troca de informações. Com esta comunicação estabelecida, é possível utilizá-la no controle de um equipamento mais complexo. Para isso, foi escolhido o controle de um conversor cc-cc abaixador-elevador (Buck-. Boost). Este conversor possui um controle simples e poucas variáveis, mas exige um protocolo de comunicação, por isso sua escolha. 4.

(13) Com o HIL utilizado no Buck-Boost, agora é necessário utilizar esta ferramenta em equipamentos que possuam uma malha de controle complexa, com diversas variáveis a serem utilizadas. Para isso escolheu-se o D-STATCOM controlado por correntes de referência. A apresentação destes equipamentos será feita como se fossem pequenos experimentos, porém sempre focando as melhorias do HIL. Por fim, serão feitas as conclusões gerais e apresentadas as possibilidades de trabalhos futuros.. 5.

(14) Capítulo 2 Conceitos básicos Neste capítulo serão apresentados os principais conceitos envolvidos no projeto. Além disso, serão descritas as principais características dos componentes utilizados. Sendo assim, as informações apresentadas aqui são necessárias para o entendimento dos próximos capítulos.. Hardware-in-the-loop. A simulação de sistemas utilizando Hardware-in-the-loop (Hardware-in-the-loop Simulator HILS) não é uma ferramenta nova. De acordo com (Maclay, MAY 1997), esta técnica já era utilizada na indústria aeroespacial para desenvolver sistemas de controle de vôo. Porém, o aumento da quantidade de produtos que possuem microcontroladores, associado aos intensos esforços para redução do tempo e custo de desenvolvimento dos mesmos, despertou o interesse dos engenheiros e pesquisadores de diversas áreas pelo HIL. Atualmente, essa ferramenta é utilizada também nas áreas da indústria, sistemas mecânicos e elétricos (como por exemplo, em sistemas de transporte e energias renováveis), dentre outros. Testar equipamentos sem a garantia de que os mesmos estejam sendo controlados de forma correta é perigoso e pode causar danos irreversíveis, além de ser um risco à integridade dos operadores. Esta é uma das razões para a utilização do Hardware-in-the-loop. Outra forma de se testar códigos embarcados é inserir um breakpoint para interromper o processamento do código a cada iteração, comparando as saídas atuais com a saída desejada e as anteriores. Porém, em alguns casos é inviável inserir breakpoints, pois com isso não é possível analisar os efeitos dos atrasos de processamento quando, por exemplo, o tempo é uma variável do sistema. Além disso, pode ser que seu sistema possua algum periférico, sensor, ou atuador que possua um código embarcado em si. Sendo assim, com o uso do breakpoint no microcontrolador principal, os demais processos não irão parar no mesmo instante. Novamente, para estes casos, é interessante o uso do Hardware-in-the-. loop.. 6.

(15) Deficiências no desenvolvimento de algoritmos ou softwares de implementação podem ser difíceis de detectar. Constituído de um ou mais Hardwares, a função do simulador HIL é fazer com que o microcontrolador opere como se estivesse operando com entradas e saídas reais, no tempo real. Deste modo é possível testar os algoritmos embarcados, pois a simulação do sistema real submete o programa principal às condições que serão encontradas na prática. Conjuntos de hardwares podem ser utilizados de forma que cada hardware simule um componente específico do sistema real, para que, em conjunto, possa ser obtida a simulação do sistema completo. No entanto, desenvolver esses hardwares pode ser uma tarefa tão difícil como a de testar os códigos embarcados, principalmente se o sistema real for complexo. Mais recentemente, estes conjuntos de hardwares estão sendo substituídos por softwares de simulação em tempo real baseados em modelos matemáticos, aumentando a viabilidade do uso desta ferramenta. No caso de softwares de simulação em tempo virtual, esses podem ser utilizados desde que o microcontrolador possa operar também no tempo virtual da simulação. Como exemplo de um HILS genérico, será apresentado um simulador de condições de vôo para testar software de piloto automático, de acordo com (Gomez, 2001). Em aviões modernos, os sistemas de piloto automático são implementados em softwares e suas entradas são: a velocidade do ar, a velocidade do avião, o ângulo de pitch (ângulo do bico do avião em relação ao horizonte), a aceleração normal (ou “força g”) e a velocidade em que o bico do avião está subindo ou descendo. A saída é composta da deflexão do flap (uma superfície de controle localizada na asa que é responsável pela subida ou descida da aeronave). O controle deve ser tal que mantenha a velocidade e o ângulo de pitch conforme desejado. Pela complexidade do sistema envolvido é natural que as relações entre entradas e saída, que são todas calcadas pelas leis da física, não sejam triviais. Tratando-se de um controlador que será utilizado em diversas situações de vôo, é necessário garantir sua confiabilidade, principalmente por transportar pessoas. Sendo assim, o simulador HIL será necessário para testar tais situações, conforme ilustrado na Figura 2. O papel do simulador neste caso é fazer com que o piloto automático receba as informações equivalentes às que receberia se estivesse voando. O item a da Figura 2 mostra como são conectados o microprocessador e o simulador. Note que a saída de um é ligada à entrada do outro e vice versa. Esta é a lógica básica de um HILS, realçando a idéia de que ele tem o objetivo de fornecer as entradas do programa principal, e que ainda terá seu comportamento baseado nas respostas do microprocessador frente a essas entradas. O item b mostra que o simulador tem a estrutura básica. 7.

(16) semelhante à estrutura do hardware principal, com conversores A/D e D/A, entradas e saídas de software e um microcontrolador com o programa embarcado que contém a modelagem do sistema físico real.. Figura 2:: a) Diagrama de blocos do microcontrolador conectado ao simulador HIL. b) Componentes simplificados de um simulador HIL.. A Figura 3 mostra com detalhes as entradas e saídas dos dois componentes. A única entrada que não é fornecida pelo simulador é a referência que o piloto automático automático deve seguir.. Figura 3:: Piloto automático sendo testado pelo simulador HIL..

(17) PSCAD/EMTDC. O PSCAD/EMTDC (Power Systems Computer Aided Design) é um simulador computacional de transitórios eletromagnéticos e sistemas elétricos. Possui interface gráfica, possibilidade de configuração dos parâmetros de simulação (como por exemplo, o passo de execução, de amostragem e a duração da simulação), biblioteca de componentes elétricos e de controle, dentre outros atributos. Uma ferramenta importante é a possibilidade de criar componentes novos. Isso possibilita uma mobilidade para criação dos componentes não existentes na biblioteca. Além disso, o componente criado pode ser um programa escrito em linguagem C, onde as entradas e saídas do programa são as entradas e saídas do bloco, respectivamente. Nos capítulos seguintes, onde serão utilizados componentes criados no PSCAD/EMTDC, tais particularidades poderão ser vistas com clareza. É permitido também agrupar um conjunto de elementos em um único bloco, simplificando o esquemático do projeto. A interface gráfica permite traçar gráficos no tempo virtual da simulação. Aliado a isso, existe a possibilidade de alterar os parâmetros de controle durante a simulação, permitindo uma interatividade com o usuário para a obtenção de resultados desejados. Todas as ferramentas descritas serão de suma importância na operação dos diferentes equipamentos utilizados no projeto.. DSP. Um DSP (Digital Signal Processor) é um microcontrolador especializado em processamento digital de sinais. Dentro do âmbito da pesquisa e desenvolvimento de equipamentos em sistemas de potência, sua finalidade é controlar os componentes ativos do sistema de acordo com a lógica de controle embarcada. Na maioria das suas aplicações, o DSP atua no controle da planta em malha fechada da seguinte forma; embarcado no microcontrolador encontra-se o código ou programa que contém a. 9.

(18) lógica de programação, cujas entradas são os sinais necessários para o controle do equipamento e as saídas são os sinais de controle dos componentes ativos (atuadores do sistema). Os parâmetros de entrada são modificados como resultado da operação dos atuadores, fechando assim a malha do sistema. Os DSPs são diferenciáveis em diversos aspectos, tanto internos quanto externos. Os aspectos internos podem ser divididos em arquitetura e organização. A arquitetura diz respeito às características físicas (ou de hardware) do microcontrolador, como por exemplo, o tamanho da memória interna, registradores, modo de endereçamento, dentre outros. A organização pode ser vista como a forma de utilização desta arquitetura, ou seja, como a arquitetura é interconectada. Quanto aos aspectos externos, estes são mais comumente chamados de periféricos do DSP. São circuitos auxiliares conectados ao processador com as funcionalidades utilizadas com mais freqüência, como por exemplo, LEDs, interface de entrada e saída (I\O), botoeira, PWM etc. Para escrever e embarcar o programa no processador é utilizado um software disponibilizado pelo próprio fabricante do DSP. Este pode conter um suporte de desenvolvimento do referido programa, para auxiliar o programador, já que os códigos geralmente são complexos e com nomenclaturas específicas de acordo com a organização interna supracitada. Sendo assim, para uma mesma lógica de controle podem ser necessários códigos diferentes para serem embarcados em DSPs distintos, dependendo dos parâmetros de cada microcontrolador. Portanto, se um código utilizado em um DSP for portado para outro de modelo ou fabricante diferente, o processo de teste e validação deste código deverá ser repetido para garantir que a adequação do código foi feita de forma correta.. 10.

(19) Capítulo 3 Variador de tensão observável Neste capítulo será apresentada a primeira das três etapas experimentais deste trabalho. Sua finalidade é estabelecer uma comunicação serial entre o DSP da Motorola (MC56F8323) e o computador ao qual ele está conectado, utilizando o programa PSCAD/EMTDC.. Proposta do equipamento. Comunicação serial. DSP. Figura 4: Comunicação serial entre o computador e o DSP.. O objetivo é possibilitar uma comunicação bidirecional entre o usuário e o DSP no momento que este estiver atuando em um sistema ao qual está conectado, possibilitando ao usuário, por exemplo, alterar valores de variáveis declaradas no código fonte (comunicação “usuário para DSP”) e visualizar em tempo real valores de variáveis através de gráficos ou numericamente (comunicação “DSP para usuário”). Para realizar este trabalho, será necessário adicionar ao DSP os componentes do circuito de comunicação serial, além de utilizar um cabo que conecte o DSP na porta serial do computador. Deverá ser utilizado no computador um programa que possibilite receber e enviar dados ao DSP de forma correta, através de um método de sincronização que determine os instantes de envio e recebimento de informação de ambas as partes.. 11.

(20) Sendo assim, deseja-se ao final do capítulo embarcar um código no microcontrolador que interaja com o programa utilizado no computador, de forma a possibilitar a visualização e alteração das variáveis declaradas no código. Para tal será montado o circuito da Figura 5.. Comunicação serial. DSP. Vc. PWM R C Figura 5: Circuito do variador de tensão observável. A comunicação “usuário para DSP” será feita pela alteração da referência do PWM (dutycicle) no PSCAD/EMTDC. Conseqüentemente, a tensão do filtro no ponto conectado ao pino Vc (pino do conversor A/D) será afetada. Por fim, a comunicação “DSP para usuário” será feita pela visualização desta tensão no PSCAD/EMTDC. Com isso está estabelecida a comunicação bidirecional citada anteriormente.. Execução. O DSP MC56F8323 foi utilizado em todas as etapas deste projeto. Este possui o IDE Metrowerks Code Warrior, que também foi utilizado para programar o DSP em todo o projeto. Sendo assim, qualquer explicação sobre configurações de DSP daqui por diante será referido a este hardware e software. A programação de um determinado periférico do DSP pode ser feita de duas formas; pela configuração direta dos registradores ligados ao periférico ou pela utilização do Processor Expert, que. 12.

(21) é uma ferramenta que realiza a configuração automática dos registradores de acordo com os parâmetros exigidos pelo usuário. Neste capítulo, os periféricos utilizados serão: •. Comunicação Serial;. •. PWM;. •. Conversor A/D.. A fim de explicar de forma breve a programação de um periférico através do Processor Expert, forma escolhida para a programação dos periféricos, será descrita a seguir, como exemplo, a configuração da comunicação serial para atender aos requisitos desta etapa.. Figura 6: Bean da Comunicação Serial..

(22) A configuração feita neste auxiliar utiliza os chamados beans de periféricos, ou apenas beans. A configuração do bean da Comunicação Serial é feita conforme a Figura 6. Note que a interrupção foi permitida. Assim sendo, o corpo do programa principal pode ficar dentro da função de interrupção de recebimento da porta serial. Para que o PSCAD/EMTDC utilize a porta serial do computador é necessário que haja um programa que, por conveniência, foi escrito em linguagem C (arquivo duda1.C ilustrado na Figura 7). Este programa habilita a porta serial de acordo com a função API do Windows. Sendo assim, utilizando (Messias, 1999-2006), foi possível criar o bloco (RS232_1) que recebe do sistema simulado no PSCAD/EMTDC um valor inteiro em Tx1, exportando para porta serial, e envia para o mesmo sistema um sinal Rx1 vindo desta porta, conforme a Figura 7. Devido ao RS232_1 enviar os dados pela porta serial, o programa principal do DSP precisa ser escrito na interrupção de recebimento da serial, para poder receber e processar os dados vindos do PSCAD/EMTDC a cada recebimento. Esta é a razão pela qual a configuração do bean da comunicação serial foi feita de forma a permitir a interrupção de recebimento da porta serial.. Figura 7: Sistema simulado no PSCAD/EMTDC..

(23) Note que na entrada Tx1 foi posto um conector ligado a um Slider (cursor para variação de valores), onde este é capaz de excursionar de 0 até 70. Este valor é enviado para a porta serial e representa o tempo em microssegundos que o PWM estará em nível alto. O limite máximo foi posto em 70, pois acima deste valor a tensão na entrada A/D pode estar acima do valor de operação máximo permitido.. Resultados. Executando simultaneamente a simulação do PSCAD/EMTDC e o programa embarcado no DSP observou-se que, ao alterar o valor no Slider do PSCAD/EMTDC alterava proporcionalmente o valor da tensão no capacitor, mostrado através do gráfico de Rx1. Com o intuito de obter uma escala em Rx1 proporcional à escala real de tensão, foi ajustado no PSCAD/EMTDC o ganho de Rx1 de acordo com o sinal de tensão do pino Vc aferido em um osciloscópio. Sendo assim, foi possível obter uma relação onde 10 kV no gráfico de Rx1 é equivalente a 1 V aferido no osciloscópio. Como ilustração, variou-se o valor do Slider e observou-se o gráfico de Rx1 na Figura 8.. Figura 8: Resultado..

(24) Conclusão. A partir dos resultados obtidos é possível concluir que a comunicação entre o programa PSCAD/EMTDC e o DSP se deu de forma satisfatória. Com isso é possível utilizar esta comunicação criada como ferramenta em simulações de sistemas que possuem microprocessadores com programa embarcado. É possível ainda utilizá-lo como comunicação em tempo real do usuário com o microprocessador, mesmo se esse estiver atuando em um sistema, podendo modificar assim suas variáveis internas. Porém esta comunicação pode apresentar um atraso devido ao tempo de processamento e da comunicação serial, conforme verificado durante a execução. Tratando-se do tempo da comunicação, este poderia ser diminuído se a taxa de transferência de dados fosse aumentada (nesta etapa foi usada a taxa de 9600 bps). Quanto à monitoração de variáveis dinâmicas recebidas pelo DSP, é difícil afirmar se seria possível uma monitoração em tempo real de um sinal de alta freqüência, pois observou-se que havia certa lentidão na constituição da imagem no gráfico de Rx1, se comparado o dinamismo da imagem do osciloscópio. Isto se deve ao intervalo de amostragem do A/D do DSP (tempo necessário para a atualização da variável dinâmica monitorada), ao tempo de processamento da simulação do PSCAD/EMTDC e principalmente à velocidade da comunicação serial (estes últimos já citados anteriormente). Assim, para estudar tal possibilidade seria necessário um programa de monitoração específico, onde o arquivo de simulação do PSCAD/EMTDC fosse o mais simples possível (poucos comandos a serem executados), a velocidade de comunicação fosse a maior possível e o intervalo de amostragem do A/D do DSP fosse o menor possível, para que o sistema tenha um dinamismo adequado. Feito isso, deveria ser variada a freqüência da forma de onda monitorada para saber qual é a máxima freqüência observável possível, sem que haja a deformação desta forma de onda causada pela aquisição de um número insuficiente de pontos. Outra alternativa é a de armazenar em vetores no DSP o sinal que se deseja analisar, em um período de tempo determinado. Assim, após o período de aquisição dos dados, esses seriam enviados em pacotes para o PSCAD/EMTDC. Nesse caso, a precisão do sinal observado é limitada pelo tempo da iteração do DSP e o a forma de onda apresentada no PSCAD/EMTDC é a que foi aquisitada em instantes anteriores (instantes do armazenamento das variáveis no vetor).. 16.

(25) Capítulo 4 Simulação HIL para controle de um Buck-Boost. Com a comunicação serial entre DSP e PSCAD/EMTDC estabelecida é possível realizar uma simulação HIL para testar códigos que fazem o controle de equipamentos conectados a sistemas de potência. Como primeira tentativa será realizada a simulação de um conversor de corrente contínua abaixador-elevador (Buck-Boost). Note que foi escolhido este conversor pela simplicidade do algoritmo de controle e pelo reduzido número de variáveis utilizadas na comunicação. Neste capítulo será apresentada com detalhes a lógica do protocolo de comunicação presente no PSCAD/EMTDC, a partir de um diagrama de blocos. Ainda descreve a criação de um bloco de apoio ao HIL, chamado de bloco de condicionamento de sinais, além dos demais blocos utilizados para controle e disparo do GTO (atuador).. Proposta do equipamento. De acordo com o circuito do conversor Buck-Boost apresentado na Figura 9, pretende-se inicialmente realizar o controle da tensão de saída (Ea) com a malha de controle simulada no PSCAD/EMTDC. Esta malha consiste de um controlador proporcional-integral (controlador PI) que deverá seguir a referência de tensão desejada. Perceba que o valor da capacitância é elevado para garantir baixo valor de ripple e apenas será utilizado para fins teóricos experimentais, ou seja, o valor do capacitor não condiz com valores reais utilizados neste tipo de equipamento. Após realizar o controle no PSCAD/EMTDC, o mesmo deve ser implementado através de um código embarcado no DSP, fazendo com que ambos os controladores recebam as variáveis de entrada do equipamento (tensão Ea e referência do controlador PI). Posteriormente, as saídas das duas malhas devem ser comparadas. Se elas forem iguais, significa que os controles são similares, e então o código embarcado no DSP é capaz de controlar o Buck-Boost simulado no PSCAD/EMTDC. Sendo assim, a saída do controlador embarcado no DSP deve ser conectada no atuador do sistema. 17.

(26) (chave controlada simulada no PSCAD/EMTDC), observando o mesmo comportamento de Ea que foi obtido com o controlador simulado no PSCAD/EMTDC.. Vd. Ia 1.0 [ohm]. 1000000.0 [uF]. 5.0e-005 [H]. R=0. g 2. Ea. Figura 9: Circuito Buck-Boost.. Para concretizar esta tarefa será necessário adicionar ao bloco RS232_1 mais um canal de transmissão de dados (Tx), pois agora serão enviados ao DSP os valores da tensão controlada e da referência. Como o sinal de saída continua singular, devido à utilização de apenas uma chave, não será necessário adicionar canais de recebimento. A freqüência de chaveamento, assim como a freqüência de cálculo do programa principal, será de 10 kHz. Desta forma, para incluir na simulação os efeitos causados pelo atraso de resposta do controlador, o PSCAD/EMTDC deve simular este tempo necessário para a atualização dos resultados do cálculo, utilizando um bloco que armazena a última informação recebida e a atualiza na freqüência de amostrgem (sampler).. Introdução teórica. Conforme (Mohan, Undeland, & Robbins, 2003), o conversor Buck-Boost é uma combinação do conversor abaixador (Buck) com o elevador (Boost) e difere destes na disposição do atuador (chave), do indutor e do diodo. De acordo com as tensões indicadas na Figura 9, o Buck-Boost operando em regime permanente contínuo tem a seguinte relação:.

(27) 1 Onde D é a razão entre o tempo que a chave permanece fechada (ton) e o período de chaveamento (Ts): .

(28) . Sendo assim, para 0 0,5 o módulo da tensão de saída do conversor é igual a 0 e para 0,5 1 o módulo da tensão de saída fica igual a ∞. Para operar com segurança, o conversor Buck-Boost deve ter um limite para o valor máximo de D, com o intuito de não obter valores elevados do módulo da tensão de saída Ea.. Execução. As configurações dos beans do DSP, assim como o programa em código C que permite a comunicação serial do computador com o DSP, continuam as mesmas do variador de tensão observável. Apenas será acrescida ao protocolo de comunicação do PSCAD/EMTDC uma variável de transmissão de dados. Para melhor compreensão deste protocolo de comunicação foi montado um diagrama de blocos, mostrado na Figura 10. Quando H é verdadeiro significa que o DSP tem que processar o algoritmo de controle, sendo assim, H será verdadeiro na freqüência de cálculo desejada. Portanto, a abertura da porta serial e o tratamento das variáveis enviadas e recebidas só serão executados quando necessário, reduzindo o tempo de simulação. A escolha da freqüência de cálculo é feita a partir de um gerador de impulsos conectado ao bloco RS232_1. Esse bloco teve que ser ampliado para esta funcionalidade e para receber mais um sinal (Tx2). O gerador de impulsos irá disparar os impulsos na freqüência de cálculo, permitindo a habilitação de H, conforme a Figura 11. A adequação das variáveis Tx e Rx é necessária para normalizá-las de acordo com o padrão utilizado em comunicação serial (palavras de 8 bits). Assim é preciso fazer um desmembramento das variáveis TX, para enviá-las em pacotes de 8 bits, e uma recombinação das variáveis Rx para utilização no PSCAD/EMTDC.. 19.

(29) Figura 10:: Fluxograma do protocolo de comunicação do PSCAD/EMTDC..

(30) Figura 11: Bloco RS232_1.. Outro comentário importante é sobre o envio e recebimento de confirmações de recebimento. Este procedimento foi criado para aumentar a confiabilidade do protocolo de comunicação. Sendo assim, o PSCAD/EMTDC só prossegue com a simulação se e somente se o DSP recebeu a variável corretamente e vice versa. Em contrapartida, as confirmações de recebimento aumentam o tempo de processamento do protocolo. Portanto, é recomendado que posteriormente estas confirmações sejam eliminadas de tal forma que se mantenha a confiabilidade do protocolo e se reduza o tempo de simulação. Com o intuito de simplificar a adequação das variáveis Tx e Rx foi criado um bloco de condicionamento de sinais. Esse bloco, apresentado na Figura 12, recebe sinais do sistema simulado nas entradas In1 e In2 e também envia sinais para o mesmo pela variável Out3. A conexão das saídas Out1 e Out 2 e da entrada In3 é feita com o bloco RS232_1 e são as conexões Tx e a conexão Rx, respectivamente. O bloco de condicionamento difere os sinais alternados e contínuos, acrescentando um nível cc aos sinais alternados para que sejam transmitidos, já que os sinais transmitidos na comunicação serial são todos positivos (unsigned). Ele também possui um fundo de escala que determina a máxima amplitude admissível dos sinais e consegue, com isso, manter a precisão destes sinais para diferentes amplitudes, ou seja, se dois sinais com ordens de grandeza distintas serão enviados, cada um deve ser conectado em um bloco de condicionamento com seu respectivo fundo de escala..

(31) Figura 12: Bloco de condicionamento de sinais.. Em suma, o bloco de condicionamento de sinais executa um algoritmo utilizando a variável recebida. Por exemplo, esse algoritmo para a variável In1 tem como saída Out1 e está apresentado na equação a seguir:. Onde In1 e Out1 são a entrada e a saída do bloco, respectivamente, FE é o fundo de escala e ACDC é a variável responsável pelo nível cc do sinal, caso seja alternado. A partir da equação acima fica clara a normalização de qualquer variável em um sinal positivo de amplitude máxima igual a 3000 pu. Essa amplitude foi escolhida pela semelhança com a faixa de tensão do A/D do DSP (de 0 a 3,3V) e é utilizada no tratamento das variáveis já explicitadas no fluxograma do protocolo de comunicação. Assim, na adequação das variáveis Tx, será necessária apenas uma conversão, que é padronizada, para que um valor de amplitude 3000 seja convertido em um valor de 256 (estrutura 8 bits). Vale lembrar que sinais com amplitude maior que 3000 pu serão perdidos, pois na adequação das variáveis ocorrerá o estouro da palavra de 8 bits a ser enviada. Conforme desejado na proposta do capítulo, primeiramente o Buck-Boost foi controlado pelo PSCAD/EMTDC. Este controle é composto de um PI com uma referência igual a 15 volts, conforme a Figura 13..

(32) Figura 13: Controlador PI.. Para disparar o GTO foi utilizada uma ferramenta de disparo disponível pelo PSCAD/EMTDC, mostrada na Figura 14,, onde é comparada uma referência (saída do controlador PI após passar por um Sampler)) com uma triangular de freqüência f 10 kHz e amplitude 1 V.. Figura 14: Bloco de disparo do GTO.. O primeiro passo foi simular o sistema apenas com o uso do PI do PSCAD/EMTDC, PSCAD/EMTDC para encontrar os valores dos ganhos proporcional (Kp) e integral (Ki) adequados ao controle da tensão Ea, ou seja, valores que proporcionem um tempo de acomodação e um máximo sobre-sinal sobre adequados. Após o ajuste destes valores (Kp = 5, Ki = 560), foram obtidos os sinais de Ea, Ia e Ref mostrados nas figuras seguintes..

(33) Figura 15: Tensão Ea.. Figura 16: Corrente Ia.. Figura 17: Referência para o disparo do GTO..

(34) Com a implementação do controle PI através do código embarcado no DSP, espera espera-se que as respostas destes parâmetros (Ea, Ia e Ref ) sejam iguais às apresentadas acima,, que servirão como o caso base. Após definido o caso base, agora é necessário incluir os blocoss de condicionamento e da comunicação serial já descritos anteriormente, anteriormente, estabelecendo a comunicação entre o DSP e o PSCAD/EMTDC.. Deste modo é possível comparar o sinal de referência gerado pelos dois controladores. A Figura 18 mostra esta comparação. comparação Neste caso, apesar de ser obtido o sinal Rx1 vindo do DSP, o Buck-Boost continua sendo controlado pelo PI do PSCAD/EMTDC.. Figura 18:: Comparação entre as referências geradas pelo PSCAD/EMTDC e pelo DSP SP.. Para fins ilustrativos, foram alterados os valores da referência (igual a 35 V), do capacitor (igual a 100 µF) e da resistência (igual a 50 Ω). Agora o controle do Buck-Boost será feito pelo DSP. Para tal, basta alterar o sinal que vai para o bloco de disparo do GTO, GTO ou seja, substituir substitui o Ref pelo Rx1, conforme a Figura 19. Nas figuras que seguem são mostrados os resultados resultados pertencentes a esta simulação.. Figura 19:: Bloco de disparo do GTO com referência igual a Rx1 (DSP)..

(35) Figura 20: Tensão Ea para os novos parâmetros.. Figura 21: Corrente Ia para os novos valores.. Figura 22: Comparação entre as referências geradas pelo PSCAD/EMTDC e pelo DSP para os novos valores. valores.

(36) Resultados. A Figura 15 mostra que a tensão Ea rastreou a o valor desejado, que era de 15 volts, com um máximo sobre-sinal de 8,3% e com um tempo de acomodação de aproximadamente 0,27 segundos. Os sinais de Ia e Ref apresentados nas figuras subseqüentes obtiveram o mesmo comportamento devido à carga resistiva ligada ao conversor. Na Figura 18, os sinais de referência do PSCAD/EMTDC (Ref) e do DSP (Rx1) estão sobrepostos. Uma análise detalhada destes sinais mostra uma pequena diferença entre eles, devido à precisão inferior do sinal Rx1 (32 bits), mas macroscopicamente eles podem ser considerados equivalentes. Com a alteração do capacitor, do resistor e da referência o sistema continuou controlado, pois a tensão de saída continuou sendo igual à desejada (Figura 20). O resultado pode ser considerado ainda melhor, pois não há sobre-sinal e o tempo de acomodação caiu para aproximadamente 0,1 segundos. Neste trabalho não foi realizado nenhum estudo de perturbações ou alterações elaboradas nos sistemas estudados. Isto se deve ao fato do foco do trabalho ser o desenvolvimento da ferramenta Hardware-in-the-loop e não dos controles aqui aplicados. Estes servem apenas para validar a correspondência entre o código embarcado no DSP e os blocos de controle utilizados no PSCAD/EMTDC, através das formas de onda das referências geradas pelos dois controladores.. Conclusão. Observando os gráficos do conversor Buck-Boost verifica-se que o controle da tensão de saída se deu de forma satisfatória. Além disso, fica claro que os valores dos ganhos proporcional e integral estão satisfatórios para cargas e níveis de tensão da mesma ordem de grandeza que os simulados. Porém, o resultado mais importante para esse estudo é observado na Figura 18, onde percebe-se que é possível realizar o controle de simulações de sistemas elétricos com componentes. 27.

(37) ativos através de um programa embarcado em um DSP, utilizando a comunicação serial. Em outras palavras, o controlador PI programado no DSP está correto e pronto para ser utilizado em um conversor real, desde que este tenha as mesmas características do simulado. A precisão das palavras enviadas e recebidas na comunicação serial é um fator determinante para a correta utilização do HIL. Esta será responsável pela diferença entre os sinais de referência do DSP e do PSCAD/EMTDC. A comunicação serial é feita com palavras de 8 bits, e assim, no processo de adequação das variáveis Tx e Rx (apresentadas no fluxograma do protocolo de comunicação - Figura 10) é necessário o desmembramento e recombinação da palavra tratada, respectivamente, para que se possa trabalhar com palavras de maior precisão, conforme a necessidade do nível de precisão a ser utilizado. Durante os testes foi constatado que quando os valores das variáveis conectadas em In1 e In2 (entrada do bloco de condicionamento) ultrapassavam o valor do fundo de escala (variável conectada em FE do mesmo bloco), o controlador do DSP não atuava corretamente. Isso acontece, pois estas variáveis ultrapassavam o valor máximo permitido pelo registrador do DSP, ocorrendo um estouro (overflow) da variável e decorrente perda do controle. Fica aqui então salientada a necessidade de conhecer os limites das variáveis utilizadas no HIL, para determinar corretamente o fundo de escala do condicionamento do sinal enviado ou recebido. Se utilizado um valor insuficiente em FE, pode-se imaginar que há um erro no código embarcado no DSP, quando na verdade isso pode não ocorrer, apenas existindo valores incorretos chegando ao controlador. Da mesma forma, se utilizados valores demasiadamente elevados em FE, os sinais que chegam ao controlador embarcado no DSP podem ter precisão insuficiente para serem processados adequadamente, prejudicando o desempenho do controlador. Com o último exemplo, onde se utilizou a variável Rx no bloco de disparo do GTO, ficou comprovado que este bloco consegue trabalhar com Rx da mesma forma que trabalhava com Ref. Assim não é necessária nenhuma adaptação para disparo de chaves controladas por variáveis recebidas do DSP através da comunicação serial. Para validar completamente esta ferramenta de auxílio no processo de criação do código fonte do DSP, resta executar o último processo da etapa II apresentado na Figura 1, ou seja, resta obter sucesso nos ensaios dos protótipos que tenham utilizado o Hardware-in-the-loop. O próximo capítulo tratará deste ponto.. 28.

(38) Capítulo 5 D-STATCOM controlado por correntes de referência Para concluir a criação da ferramenta HIL, resta ampliá-la para utilização em equipamentos que necessitem controlar não apenas uma chave, mas um conjunto dessas, como por exemplo, o controle de uma ponte trifásica de IGBTs. Também seria útil a ampliação do RS232_1 para comportar um DSP com periféricos, testando assim a programação dos mesmos. Este capítulo expande o bloco RS232_1, para que seja possível o HIL de equipamentos que utilizam conversores trifásicos em ponte completa e possuam interface IO. Faz ainda uma comparação entre os resultados obtidos na simulação e no ensaio do mesmo em uma bancada, como forma de validação da ferramenta em estudo Por fim, faz uma avaliação de todo o processo, ressaltando os principais pontos da execução deste trabalho e descrevendo as peculiaridades do HIL utilizando o PSCAD/EMTDC.. Proposta do equipamento. O D-STATCOM deve regular a tensão na barra, ou ponto elétrico ao qual está conectado, ou então deve corrigir o fator de potência de uma determinada carga. Para isso, deverá ser simulado um sistema de acordo com o diagrama visualizado na Figura 23, onde se considera a fonte como uma barra infinita, ou seja, com tensão invariante em módulo e fase. O indutor de afundamento será utilizado para causar um afundamento de tensão no ponto de conexão do D-STATCOM e a carga terá configurações indutivas e capacitivas para testar a correção do fator de potência. Basicamente o D-STATCOM é composto de um conversor trifásico em ponte completa a IGBT, de um capacitor ou banco de capacitores (capacitores do elo cc do conversor), de um indutor de comutação e de um filtro, além de um sistema de medição dos parâmetros elétricos e do controlador das chaves. Na Figura 23 o filtro é composto apenas de capacitores conectados em estrela, porém outras configurações podem ser usadas dependendo da aplicação. 29.

(39) A escolha do controle de tensão ou fator de potência deve ser feito por uma chave seletora sinalizada por um dispositivo visual. Além desta sinalização ainda podem ser instaladas lâmpadas de emergência e erro.. Figura 23: Diagrama trifilar do D-STATCOM.. Esta proposta força a ampliação do RS232_1 para que transmita e receba do DSP os sinais descritos na tabela a seguir: Sentido. Sinais. IO Vab. Chave do controle de tensão. Vbc. Chave do controle de fator de potência. Ia. Botão de emergência. Ib. Botão de habilitação do PWM. Vcc. Botão de Stand by. Tensão da carga PSCAD/EMTDC → DSP Corrente da carga Tensão do elo CC. Sinalização do contorle de tensão Rx1 Sinalização do contorle de fator de potência Sinalização de emergência PSCAD/EMTDC ← DSP. Referência do PWM. Rx2 Sinalização PWM Sinalização Stand by Rx3 Sinalização do controle do elo cc. Tabela 1: Entradas e saídas do RS232_1..

(40) Desta vez, as variáveis recebidas no DSP devem ser recombinadas de tal forma que seus formatos fiquem semelhantes aos sinais reais que serão tratados em um protótipo. Significa dizer que as variáveis de tensão e corrente recebidas devem ficar formatadas como se fossem sinais recebidos pelo conversor A/D e as variáveis da IO devem ser formatadas igualmente à configuração da IO do DSP. Quanto ao bloco de condicionamento de sinais, note que serão necessários três blocos para comportar os sinais descritos acima, pois os mesmos são de ordem de grandeza distintas. Sendo assim, espera-se que, ao final da execução, o D-STATCOM tenha controlado a tensão da barra à qual está conectado e fator de potência da carga, com valores de tensão próximos de 127 volts (tensão fase-neutro) e fator de potência próximo à unidade, utilizando para isso o HIL. Por conseguinte, é preciso comparar a simulação HIL com um protótipo de bancada com características semelhantes e mesmo código embarcado.. Introdução teórica. O D-STATCOM é um compensador estático de distribuição. Para entender seu princípio de funcionamento, de acordo com (Cavaliere, 2001), observe a Figura 24, onde se encontra um modelo simplificado do D-STATCOM conectado a uma fonte. Essa simplificação pode ser feita partindo do equivalente Thévenin da fonte, constituído de uma fonte ideal em série com indutor, e do equivalente Thévenin do equipamento, também constituído de uma fonte de tensão em série com um indutor. Então forma-se uma fonte de tensão ideal em série com um indutor equivalente . conectado à fonte de tensão ideal de saída do compensador . Para evitar confusões no entendimento deste princípio de funcionamento atente à convenção adotada para o sentido positivo das tensões e corrente descritas na Figura 24. Esses sentidos irão se manter, independente do sentido real das variáveis, e os fasores relativos às variáveis também terão os mesmos sentidos convencionados.. 31.

(41) Figura 24:: Modelo ideal do D-STATCOM D conectado ao sistema elétrico.. As relações das potências ativa e reativa entre as duas fontes de tensão podem ser descritas conforme as equações que seguem, seguem, onde mostram ser dependentes das amplitudes das tensões, do ângulo de defasagem entre elas e do valor da reatância equivalente.. ;. ;. ;. As equações acima permitem verificar qualitativamente que é possível controlar as potências .. .. entre as fontes com a variação dos módulos e ângulos ângulo das tensões VS e VC . Fixando o ângulo entre as tensões ( θ = 0° ),, a potência reativa é controlada apenas com a variação da amplitude da tensão. VC e pode ser indutiva ou capacitiva, apenas fazendo com que seja menor ou maior que VS . Esse controle é ilustrado na Figura 25. 25. Figura 25: Controle da potência reativa..

(42) Para uma tensão do conversor menor que a tensão da fonte, a tensão é positiva (lembrando da convenção da Figura 24) e a corrente está atrasada de 90° em relação a essa tensão. Sendo assim, o resultado é que para a fonte do sistema existe uma corrente indutiva sendo drenada pelo equipamento (D-STATCOM no modo indutivo). A amplitude desta corrente depende do módulo de , que depende de , ou seja, a amplitude da corrente depende do quanto é menor que . Da mesma forma, quando é feito ser maior que , a tensão fica negativa, mas a corrente continua sendo atrasada de 90° em relação a essa tensão, por se tratar de uma corrente no indutor em relação à tensão deste mesmo indutor. Por isso, para a fonte do sistema existe agora uma corrente capacitiva sendo drenada pelo equipamento (D-STATCOM no modo capacitivo). Novamente a amplitude desta corrente depende da diferença entre e . Fazendo o D-STATCOM comportar-se como um indutor é possível corrigir o fator de potência capacitivo ou reduzir a tensão da barra, dependendo de qual dos dois parâmetros deseja-se controlar. Já com o D-STATCOM comportando-se como um capacitor é possível corrigir o fator de potência indutivo ou elevar a tensão na barra, dependendo também do parâmetro a ser controlado. Existem duas formas distintas de controlar este equipamento, fazendo o controle direto da corrente drenada ou controlando a tensão na saída do conversor. O controle da corrente drenada é menos oscilante, porém utilizando o controle de tensão é possível adicionar às funcionalidades do equipamento a compensação de harmônicos Os parâmetros utilizados no controle de corrente são baseados na teoria de potências ativa e reativa instantânea (Teoria p-q). Neste caso, a potência média ativa é responsável pelo controle da tensão do elo cc e pelo suprimento das perdas, enquanto a parcela média da potência imaginária será responsável pela compensação da tensão ou do fator de potência, dependendo do controle escolhido. De posse dessas potências é possível obter matematicamente as correntes de compensação a serem drenadas pelo D-STATCOM. Após obtidas as correntes de referências resta utilizar uma estratégia de chaveamento conveniente, como por exemplo, o controle por banda de histerese. Já no controle de tensão, os parâmetros utilizados são a defasagem angular das tensões, responsável pelo controle do elo cc, e a amplitude da tensão fundamental de , responsável pela regulação da tensão e correção do fator de potência. Para tal, também é utilizado a Teoria p-q. A partir desses parâmetros é gerada a tensão de referência que será utilizada como comparação com uma portadora triangular, realizando o chaveamento através da técnica PWM.. 33.