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Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012.

ISBN: 978-85-8001-069-5

CONTROLE BASEADO EM MICROCONTROLADOR PARA CONVERSOR CA/CC DE 12 PULSOS

DEILTON G. GOMES*, SEBASTIÃO E. M. DE OLIVEIRA**, RAFAEL J. F. DE SÁ*, LUIS C. G. LOPES*

*Coord. de Eletrotécnica/Controle e Automação, Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais

Rua José Peres, 558, 36700-000, Leopoldina, MG, Brasil

E-mails:deilton@leopoldina.cefetmg.br,faeljfsa@yahoo.com.br,

gamboa@leopoldina.cefetmg.br

** DEE / POLI e Programa de Engenharia Elétrica da COPPE / Universidade Federal do Rio de Janeiro

UFRJ - Centro de Tecnologia - Bloco H - Sala 236-A

Ilha do Fundão – Rio de Janeiro - RJ

E-mail:oliveira@dee.ufrj.br

Abstract This paper introduces the design of hardware and software of a microcontroller based low cost control circuit for twelve pulses AC/DC three-phase converters. To easily understand the circuit, it has been divided into three blocks: zero crossing detector block, the PIC block which has the software responsible for pulse generation and shifting followed by the isolation and signal amplification block. First of all the control circuits are evaluated through MatLab/Simulink, showing operation results in order to analyze control response. Finally, the laboratorial tests of the proposed digital control are presented and evaluated through experimental results on the control of a 12 pulses AC/DC three-phase converter.

Keywords AC-DC converter design, Digital Control, Microcontrollers and Measurement of Harmonic Distortion.

Resumo1 Este trabalho apresenta o projeto de hardware e software de um circuito de controle de baixo custo baseado em mi-crocontrolador, para conversor trifásico CA/CC de 12 pulsos. Para facilidade do entendimento do circuito, este foi dividido em três blocos, sendo eles: o bloco de sincronismo, o bloco do PIC dotado do software responsável pela geração e deslocamento dos pulsos e o bloco de isolação e amplificação do sinal. Primeiramente são apresentados os resultados da simulação do circuito de controle implementado computacionalmente utilizando o pacote SimPowerSystems para uso com o Matlab/Simulink e, posteri-ormente, são apresentados os resultados de medições elétricas realizadas nas montagens práticas desse circuito controlando um conversor CA/CC de 12 pulsos .

Palavras-chave Projeto de conversores CA-CC, Controle Digital, Microcontroladores, Medição de Distorções Harmônicas.

1 Introdução

As últimas décadas foram marcadas pelo cres-cente desenvolvimento tecnológico em que a eletrô-nica de potência teve destaque fundamental. Os mé-todos empregados em eletrônica de potência basei-am-se no chaveamento de dispositivos semiconduto-res de potência que comutam entre os estados ligado e desligado, transferindo energia de forma controlada de uma fonte de alimentação para uma carga (Bose, 1992; Mohan et alli, 1995; Barbi, 2006).

O alto desempenho no acionamento de máquinas elétricas, de locomotivas e o bom funcionamento de estações retificadoras para alimentação de redes de transmissão CC, dependem largamente da tecnologia de controle utilizada para os conversores de potência. Um controle rápido e eficiente é realizado através de métodos diferentes de chaveamento. Os conversores de potência podem ser tipicamente controlados por circuitos analógicos ou por circuitos digitais. Os cir-cuitos analógicos são facilmente encontrados no mer-cado e têm como principais vantagens o seu baixo custo e a facilidade de uso. Com a crescente utiliza-ção de circuitos digitais a necessidade de se obter circuitos mistos que utilizam tanto a tecnologia ana-lógica como a tecnologia digital vem se tornando cada vez mais pertinente (Simard e Rajagopalan, 1975; Mirbod e Ahmed, 1986; El-Bolok, H.M., 1990;

Song, E.-H. e Kwon, B.-H., 1991; De Castro et alli, 1999).

Com o auxílio das ferramentas computacionais modernas, a simulação e a validação de projetos que utilizam eletrônica digital e analógica em conjunto podem ser feitas de forma mais natural, num mesmo ambiente de simulação e com uma chance maior de êxito. Os circuitos digitais vêm diminuindo seu custo em relação aos circuitos analógicos, bem como aper-feiçoando seu desempenho. Em virtude dessas condi-ções, os controles de estruturas de potência vêm migrando para a tecnologia digital que traz alguns benefícios para o controle, tais como: 1) facilidade de expansão, permitindo sua reconfiguração para imple-mentação de mais funções, 2) melhoria no desempe-nho, de forma que algumas características podem ser melhoradas devido à alta velocidade de processa-mento dos atuais dispositivos digitais, em especiais àquelas que necessitam de rápida realimentação, 3) objetivos múltiplos em sistemas mais complexos, de forma que um mesmo circuito digital pode ser utilza-do para realizar diversos processamentos (De Castro et alli, 1999; Canesin et alli, 2010).

Diante do exposto, neste artigo será apresentado o projeto de hardware e software de um circuito de controle de baixo custo baseado em microcontrola-dor, a ser utilizado no controle de conversores CA/CC de 12 pulsos. Serão apresentados resultados de simulação computacional utilizando o pacote

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SimPowerSystems para uso com o Matlab/Simulink e, posteriormente, os resultados experimentais medi-dos a partir da montagem prática desse circuito de controle aplicado a um conversor CA/CC de 12 pul-sos.

2 Descrição do Hardware

A figura 1 apresenta o diagrama de blocos do sistema de controle proposto. Para a facilidade do entendimento do circuito de controle, a seguir serão detalhados os principais blocos, sendo eles: bloco de sincronismo, bloco do PIC dotado do software res-ponsável pela geração e deslocamento dos pulsos e o bloco de isolação e amplificação do sinal.

Figura 1. Diagrama de blocos do circuito de controle.

2.1 Detector de Passagem pelo Zero (Bloco de Sin-

cronismo)

O bloco de sincronismo mostrado na figura 2 é composto por um transformador abaixador de tensão, dois resistores em série para divisão do potencial, elétrico que alimenta um amplificador operacional LM741, responsável pela detecção de passagem pelo zero da tensão da rede. Ainda, são utilizados 01 dio-do, 01 amplificador operacional LM741 e 02 resisto-res de 22kΩ e 10kΩ, permitido assim pulsos no semi-ciclo positivo que variam de 0 a 5 Volts. Este circuito permite também o aumento da impedância de saída deste bloco que, por sua vez, é conectado ao pino RB0 do PIC.

Figura 2 – Circuito detector de passagem pelo zero.

2.2 Bloco do Microcontrolador

A geração e deslocamento dos pulsos foram alcançados através do microcontrolador PIC18F452. Um display tipo Liquid Crystal Display (LCD) foi interfaceado ao microcontrolador. A escolha do con-trolador PIC18F452 deve-se, principalmente, a seu baixo custo e a seus vários recursos que permitem reconfiguração para implementação de mais funções. A programação do circuito de controle foi realizada a partir da utilização do pulse width modulation (PWM) ou Modulação de Largura de Pulso. O PIC utilizado contém 02 PWMs internos, o que conduz, naturalmente, à utilização de 06 PICs para a imple-mentação do projeto. Entretanto, este número de componentes aumenta sobremaneira o custo de todo o projeto. Por isso foi decidido programar o PWM através de códigos, o que reduziu bastante os custos.

2.3 Bloco de Isolação e Amplificação do Sinal

Para proteção dos circuitos de comando, em muitas aplicações é necessário à separação do circui-to de comando do circuito de potência, pois o circui-to de potência é submetido a tensões elevadas, en-quanto o circuito de comando é alimentado a baixas tensões. O acoplamento óptico possui como maior vantagem à imunidade a interferências eletromagné-ticas e a alta isolação de potência. No caso proposto, a isolação dos pulsos foi realizada com o a utilização do optoacoplador 4N25 e, em seguida, a amplifica-ção dos pulsos foi realizada pelo transistor BD135. A figura 3 apresenta o circuito de isolação e amplifica-ção de sinal utilizado para cada tiristor.

Figura 3. Circuito de isolação e amplificação de sinal.

3 Descrição do Software

Um firmware utilizando a linguagem C foi ela-borado conforme algoritmo representado no fluxo-grama da figura 4. Seguem o detalhamento das fun-ções.

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Figura 4. Fluxograma que resume o algoritmo implementado.

3.1 FunçãoPrincipal

1) Inicializa o PORTA como entrada, TRISA =

0xFF. 2) Inicializa o PORTB como saída, com exce-

ção do RB0 que é configurado como entra-da, TRISA = 0x01.

3) Inicializa o PORTC como saída, TRISA = 0x00.

4) Inicializa o PORTD como saída, TRISA = 0x00.

5) Inicializa o PORTE como saída, TRISA = 0x00.

6) Configura o AN0 como entrada analógica. 7) Configura a interrupção para detectar a bor-

da de subida. 8) Configura o timer da interrupção para ocor-

rer a cada 46,296 µs. 9) Habilita interrupções. 10) Inicializa display. 11) Lê o sinal de referencia através do RA0

(ADC). 12) Converte o valor de 0 a 5V (0 a 1024) para

um ângulo de 0 a 180. 13) Mostra valor do ângulo no display. 14) Retorna no item 11.

3.2 Função Interrupção da Passagem pelo Zero

(Início do Ciclo a Cada 16,66ms)

1) Executa a sincronização dos contadores ini-cializando seus valores de acordo com a sa-ída de pulso.

//disparo em Y cnt1=30; cnt2=30; cnt3=150; cnt4=150; cnt5=270; cnt6=270;

//disparo em delta cntd1=0; cntd2=0; cntd3=240; cntd4=240; cntd5=120; cntd6=120;

3.3 Função Interrupção do Timer (360 Vezes por

Ciclo)

1) Compara o valor do nível, sinal de referen-cia, com o valor do contador de cada dispa-ro. Se o valor do nível for maior que o valor do contador, ele retorna um trem de pulso iniciando com o nível logico alto. Já se o va-lor for menor, ele retorna com nível logico baixo.

2) Incrementa o contador.

//disparo da saída 1 if((cnt1 < nivel) || (cnt1 >= 180)) saida1=0; else saida1^=1; cnt1=cnt1+1;

4 Conversor Trifásico Controlado

A configuração para conversores de 12 pulsos é formada por dois grupos de 6 pulsos alimentados por dois transformadores trifásicos em paralelo do lado CA, com suas tensões fundamentais iguais e defasa-das por 30º. Além disso, para manter a operação de 12 pulsos, os 2 grupos de 6 pulsos devem trabalhar com mesmo controle de ângulo e, portanto, as cor-rentes na frequência fundamental nos primários dos dois transformadores estarão em fase. Considerando

wt=θ , a corrente de linha total para conversores de 12 pulsos, quando o ângulo de comutação é despre-zado, pode ser decomposta em:

....)25cos25

1

23cos23

113cos.

13

1

.11cos11

1(cos

34

θ

θθ

θθπ

+

+−+

+−= dIF

(1)

A série contém somente harmônicos de ordens p.q ±1, onde p=12 é o número de pulsos) e q é um número inteiro. A tabela 1 resume as características dos retificadores de 12 pulsos (Mohan et alli, 1995).

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Tabela 1 - Características dos retificadores de 12 pulsos.

5 Simulação Computacional

5.1 Circuito de Controle

Na figura 5 tem-se o diagrama esquemático do circuito de controle projetado e implementado no Matlab/Simulink. Este circuito gera 12 pulsos a partir de uma única tensão de referência.

Figura 5. Diagrama esquemático do circuito de controle baseado

em microcontrolador.

A figura 6 apresenta o sinal de saída do bloco de sincronismo em relação à tensão de referência.

Já as figuras 7 e 8 apresentam, respectivamente, os pulsos gerados para os conversores conectados aos transformadores Y-Y e Y-∆.

Figura 6. Formas de ondas da tensão de entrada do bloco de sin-

cronismo e sinal de saída deste bloco.

Assim, têm-se os 12 pulsos para o conversor CA /CC. A defasagem entre os pulsos foi implemen-tada através de códigos programados em C.

Figura 7. Pulsos para o conversor ligado ao transformador Y-Y.

Figura 8. Pulsos para o conversor ligado ao transformador Y-∆.

5.2 Circuito de Controle e Conversor de 12 pulsos

A figura 9 apresenta os sistemas de controle e conversor de 12 pulsos implementados no Matlab. Observando da esquerda para direita, tem-se 02 trans-formadores trifásicos de 1,5 kVA, um ligado em Y-Y e o outro em Y-∆, sendo este último responsável pela defasagem de 30º da tensão que alimenta o conver-sor. Estes, por sua vez, estão conectados a 02 con-versores tiristorizados de 6 pulsos, com seus respec-tivos circuitos snubbers. Os tiristores são comanda-dos a partir do controle proposto neste trabalho. Fi-nalmente, tem-se o reator de alisamento na saída do conversor, conectado em série com a carga e antes dela.

Figura 9. Sistema implementado no Matlab/Simulink.

Os resultados da simulação são apresentados na figura 10.

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Figura 10. Formas de ondas das correntes no primário e secundário dos transformadores conectados aos conversores, para carga R=250 Ω, considerando o ângulo de disparo α = 0º. Resultados de simulação computacional.

Já a figura 11 apresenta as formas de ondas da tensão e corrente na carga R=250 Ω, considerando o ângulo de disparo α=45º.

Figura 11. Formas de ondas da tensão e corrente na carga R=250

Ω, considerando ângulo de disparo α=45º.

Para um ângulo de disparo α=45º, as figuras 12 e 13 apresentam respectivamente a forma de onda da corrente total de linha (do conversor de 12 pul-sos), e a magnitude do seu conteúdo harmônico como porcentagem da magnitude da corrente fun-damental. Assim, a distorção harmônica total (THD) que relaciona a magnitude das componentes harmônicas geradas a partir da magnitude da cor-rente fundamental resultou em um valor igual à THD = 14,60 %.

Figura 12. Forma de onda da corrente total de linha (do conver-sor de 12 pulsos).

Figura 13. Amplitude do conteúdo harmônico como porcenta-

gem da magnitude da corrente fundamental, medida no primário dos transformadores, considerando a carga R=250 Ω, com

ângulo α=45º.

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6 Experimentos Práticos

Neste tópico são apresentados os principais re-sultados práticos do conversor de 12 pulsos contro-lado, a partir do circuito de controle baseado em microcontrolador. A figura 15 apresenta o diagrama esquemático da bancada de teste para o conjunto controle/conversor.

Figura 15. Diagrama esquemático da bancada de teste para o

conjunto controle/conversor.

Uma foto do sistema de controle e conversor submetidos ao ensaio experimental é apresentada na figura 16.

Figura 16. Sistema de controle e conversor submetidos ao ensaio

experimental.

A Figura 17 apresenta as formas de ondas das correntes no primário e secundário dos transforma-dores conectados aos conversores, para carga R=250 Ω, considerando o ângulo de disparo α=0º.

Figura 17. Formas de ondas das correntes no primário e secundário dos transformadores conectados aos conversores, para carga R=250 Ω,

considerando o ângulo de disparo α=0º. Resultados dos experimentos práticos.

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A figura 18 apresenta as formas de ondas da tensão e corrente na carga R=250 Ω, considerando o seguinte ângulo de disparo α=45º.

Figura 18. Formas de ondas da tensão e corrente na carga R=250

Ω, considerando ângulo de disparo α=45º.

Para um ângulo de disparo α=45º, as figuras 19 e 20 apresentam respectivamente a forma de onda da corrente total de linha (do conversor de 12 pul-sos), e a amplitude do seu conteúdo harmônico como porcentagem da amplitude da corrente fun-damental. A distorção harmônica total calculada resultou em THD = 14,439 %.

Figura 19. Forma de onda da corrente total de linha (do conver-sor de 12 pulsos), considerando a carga R=250 Ω, com ângulo

α=45º.

Figura 20. Amplitude do conteúdo harmônico como porcenta-

gem da magnitude da corrente fundamental, medida no primário dos transformadores, considerando a carga R=250 Ω, com

ângulo α=45º.

Os resultados experimentais para o exemplo de aplicação aproximaram-se bastante com os resulta-dos obtidos com as simulações computacionais e também com resultados teóricos descritos em bibli-ografias referentes, tais como em (Mohan et alli, 1995; Barbi, 2006).

7 Conclusão

Neste artigo foi apresentado um controle baseado em microprocessador a ser utilizado com converso-res CA/CC de 12 pulsos. Analisando o circuito de controle desenvolvido tem-se como pontos positi-vos, o baixo número de componentes utilizados, grande precisão que se consegue com esse compo-nente e a possível visualização do ângulo de dispa-ro através de um display LCD. Outro ponto impor-tante deste programa foi a possível geração dos 12 pulsos com a correta defasagem com apenas uma entrada de tensão de referencia. Finalmente, os resultados experimentais obtidos, tais como medi-das de tensão, correntes e conteúdos harmônicos, para o exemplo de aplicação, com controle desen-volvido aproximaram-se bastante dos resultados obtidos com as simulações computacionais, bem como resultados teóricos descritos em bibliografias referentes.

Agradecimentos

Agradecemos o suporte financeiro da FAPEMIG (Fundação de Amparo à Pesquisa do estado de Minas Gerais) no desenvolvimento desta pesquisa e ao CEFET-MG.

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