Agradecimentos - intranet.dei.uminho.ptintranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/42996.pdf · à desexcitação do alternador em caso de paragem de produção. No sistema de excitação

iii

Agradecimentos

Ao Professor Doutor Manuel João Sepúlveda Mesquita de Freitas, pela orientação,

apoio e disponibilidade demonstrados ao longo do desenvolvimento deste trabalho.

Aos meus colegas e amigos de laboratório, João Pedro Monteiro, Eduardo Costa,

Marcos Pereira, Daniel Costa e Luís Pacheco pela amizade, pelo apoio, pela companhia

e interesse no desenvolvimento deste trabalho.

Aos sempre amigos André Nogueira e João Pedro Tinoco pela ajuda sempre pronta

que apresentaram em diversos momentos do desenvolvimento da dissertação.

À minha grande amiga Marta Alves pela sua importante ajuda na tradução do

resumo deste trabalho.

Aos técnicos do Departamento de Electrónica pela sua disponibilidade, simpatia e

ajuda.

Às empresas Microchip, Vishay e National Semiconductor pelo envio de amostras

gratuitas imprescindíveis para a implementação do trabalho.

Ao meu irmão, Ricardo Silva, e sua esposa, Paula Martins, por todo o apoio.

À minha namorada, Verónica Mendes pelo incentivo e apoio demonstrados.

Os maiores agradecimentos aos meus Pais, Fernando e Margarida Silva, por tudo

aquilo que me proporcionaram ao longo da minha vida. Pelo esforço feito em

determinados momentos, para que fosse possível frequentar um curso superior. Pelo

amor, pelo carinho e ajuda, Muito Obrigado.

v

Resumo

Na produção de energia eléctrica o uso de alternadores trifásicos está normalmente

presente, onde a conversão de energia mecânica em energia eléctrica faz-se a partir da

interacção entre campos magnéticos existentes no seu funcionamento. Na constituição

do alternador aparecem duas partes distintas, o estator onde é alojado o enrolamento do

induzido e o rotor que acolhe o enrolamento do indutor. O enrolamento do indutor é

percorrido por uma corrente contínua de modo a proceder à excitação do alternador,

criando o campo magnético principal que, quando em movimento, induz forças

electromotrizes no enrolamento do induzido, desenvolvendo desta forma sistemas de

tensões.

Para a excitação do alternador existem diversas topologias, sendo escolhida a mais

conveniente dependendo do tipo de produção e instalação. Dos sistemas de excitação

destacam-se o sistema de excitação rotativo em corrente contínua, o sistema de

excitação rotativo em corrente alternada e o sistema de excitação estático, sendo o

último o mais usado. O sistema de excitação, qualquer que seja a sua topologia, tem por

objectivo proporcionar a excitação do alternador, injectando corrente contínua no

enrolamento do indutor, controlando-a de forma a manter a tensão gerada pelo sistema

com amplitude constante e alcançar a parte da potência reactiva apropriada entre

geradores que funcionem em paralelo. Tem ainda tarefas tais como, prevenir sobrecarga

térmica do gerador, evitar sub-excitação que proporcionaria perda de sincronismo,

acautelar sobre-excitação que poderia danificar os enrolamentos do induzido e proceder

à desexcitação do alternador em caso de paragem de produção.

No sistema de excitação estático, sistema adoptado neste trabalho, as tensões

necessárias para a excitação são obtidas nos terminais do alternador. Para o inicio da

produção, a energia remanescente tem um papel fundamental, pois é a partir desta que

se consegue a pré-excitação do alternador. Na constituição do sistema de excitação

estático proposto destacam-se, o conversor flyback que controla a corrente de excitação

e o microcontrolador, que procede à regulação da tensão através do controlador PI.

Serão apresentados neste trabalho os diversos elementos que constituem o sistema

de excitação, os esquemas dos circuitos de controlo e potência e o algoritmo de controlo

proposto, assim como todos os resultados obtidos.

Palavras-Chave: Alternador, Sistemas de Excitação, Regulador de Tensão

vii

Abstract

In the generation of electric energy, three-phase alternators are a common use,

where the conversion of mechanical energy to electric energy is made from the

interaction between the existing magnetic fields. The alternator is composed of two

distinct parts: the stator, where the winding of the induced is stored and the rotor, that

takes the winding of the inductor. The winding of the inductor is fed by a direct current

to excite the alternator, creating the main magnetic field that, when moving,

electromotive forces are generated on the winding of the induced, therefore creating

system voltages.

There are various ways to excite the alternator and the most convenient one is

chosen for its production and installation form. The main excitation systems are the

direct current and alternating current rotating excitation systems as well as the static

excitation system, which is used the most. Despite its topology, the excitation system

excites the alternator by injecting a direct current in the winding of the inductor,

controlling it as to maintain the voltage generated by the system at a constant level, as

well as to reach the appropriate reactive power between the parallel generators. It also

prevents the thermal overload of the generator, avoids its sub-excitation that can lead to

loss of synchronism, inhibits the super-excitation that can damage the winding of the

induced and it de-excites the alternator in case the production ceases.

In the static excitation system, the system adopted in the present work, the voltage

needed for the excitation is obtained in the alternator’s terminal. The remaining energy

is very important to start the process, since it allows the pre-excitation of the generator.

The proposed static excitation system is based on the flyback converter, which controls

the excitation current and the microcontroller, which regulates the voltage through a PI

controller.

The various constituents of the excitation system, the diagrams of the controller and

power circuits, as well as the proposed control algorithm are presented, along with the

results.

Keywords: Alternator, Excitation Systems, Voltage Regulator

ix

Índice

Agradecimentos ............................................................................................................. iii

Resumo ............................................................................................................................ v

Abstract ......................................................................................................................... vii

Índice .............................................................................................................................. ix

Índice de Figuras ......................................................................................................... xiii

Lista de Símbolos Siglas e Acrónimos ....................................................................... xix

Capítulo 1 - Introdução .................................................................................................. 1

1.1 Descrição do Problema .................................................................................................. 1

1.2 Enquadramento .............................................................................................................. 2

1.3 Motivação do Trabalho .................................................................................................. 2

1.4 Objectivos do Trabalho .................................................................................................. 3

1.5 Organização da Dissertação ........................................................................................... 3

Capítulo 2 - Máquina Síncrona e Sistemas de Excitação ............................................ 5

2.1 Descrição da Máquina Síncrona .................................................................................... 5

2.2 Partes Construtivas da Máquina Síncrona ..................................................................... 6

2.2.1 Estator da Máquina Síncrona .................................................................................... 6

2.2.2 Rotor da Máquina Síncrona ....................................................................................... 7

2.3 Princípio de Funcionamento da Máquina Síncrona ....................................................... 8

2.3.1 Funcionamento como Motor Síncrono ...................................................................... 8

2.3.2 Compensador Síncrono ............................................................................................. 9

2.3.3 Gerador Síncrono ou Alternador ............................................................................. 10

2.4 Potência da Máquina Síncrona .................................................................................... 12

2.5 Excitação do Alternador .............................................................................................. 14

2.5.1 Sistemas de Excitação do Alternador ...................................................................... 14

2.5.2 Sistema de Excitação Estático ................................................................................. 15

2.5.3 Considerações na Escolha do Sistema de Excitação ............................................... 16

Capítulo 3 - Constituição e Controlo do Sistema de Excitação Estático.................. 19

3.1 Divisão do Sistema de Excitação Estático ................................................................... 19

3.1.1 Transformador de Excitação ................................................................................... 19

3.1.2 Pré-Excitação do Alternador ................................................................................... 20

3.1.3 Conversor de Potência ............................................................................................. 20

x

3.1.4 Desexcitação do Alternador .................................................................................... 21

3.1.5 Regulador Automático de Tensão ........................................................................... 22

3.1.5.1 Tipos de Reguladores de Tensão ......................................................................... 22

3.1.5.2 Tipos de Unidade de Medida............................................................................... 23

3.1.5.3 Tipos de Unidade de Regulação .......................................................................... 24

3.1.6 Controlo Protecção e Medida do Sistema de Excitação .......................................... 24

3.1.6.1 Controlo do Sistema de Excitação....................................................................... 24

3.1.6.2 Protecção do Sistema de Excitação ..................................................................... 25

3.1.6.3 Medida do Sistema de Excitação ......................................................................... 25

3.2 Controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) .................................................. 26

3.2.1 Acção Proporcional ................................................................................................. 27

3.2.2 Acção Proporcional-Integral ................................................................................... 28

3.2.3 Acção Proporcional Derivativa ............................................................................... 29

3.2.4 Acção Proporcional-Integral-Derivativa (PID) ....................................................... 29

3.3 Reguladores Automáticos de Tensão no Mercado ....................................................... 30

3.3.1 Regulador R231 da Leroy Somer ............................................................................ 30

3.3.2 Regulador Unitrol 1000 da ABB .............................................................................. 31

3.3.3 Regulador Digureg da Simens ................................................................................. 32

Capítulo 4 - Conversores Electrónicos de Potência ................................................... 35

4.1 Conversores CA/CC .................................................................................................... 35

4.1.1 Rectificador Monofásico Não Controlado em Ponte Completa .............................. 35

4.1.2 Rectificador Monofásico Semi-Controlado ............................................................. 37

4.1.3 Rectificador Monofásico Totalmente Controlado ................................................... 38

4.1.4 Rectificador Trifásico Não Controlado em Ponte Completa ................................... 40

4.1.5 Rectificador Trifásico Semi-Controlado ................................................................. 42

4.1.6 Rectificador Trifásico Totalmente Controlado ........................................................ 44

4.2 Valor Médio da Tensão de Saída dos Rectificadores .................................................. 45

4.3 Topologia dos Conversores de Corrente Contínua ...................................................... 46

4.4 Conversores CC-CC sem isolamento .......................................................................... 46

4.4.1 Conversor Step-Down ............................................................................................. 46

4.4.2 Conversor Step-Up .................................................................................................. 47

4.4.3 Conversor Step-Up/Step-Down ............................................................................... 48

4.5 Conversores CC-CC com Isolamento .......................................................................... 48

4.5.1 Conversor Flyback .................................................................................................. 49

4.5.2 Conversor Forward ................................................................................................. 50

xi

Capítulo 5 - Implementação do Regulador da Corrente de Excitação do Alternador

........................................................................................................................................ 55

5.1 Descrição do Sistema Desenvolvido ............................................................................ 56

5.2 Circuito de Potência do Sistema de Excitação ............................................................. 56

5.2.1 Transformador de Excitação ................................................................................... 57

5.2.2 Rectificador Monofásico ......................................................................................... 58


5.3 Circuito de Comando do Sistema de Excitação ........................................................... 61

5.3.1 Unidade de Medida ................................................................................................. 62

5.3.1.1 Sensor de Tensão de Efeito Hall ......................................................................... 63

5.3.1.2 Sensor de Corrente de Efeito Hall ....................................................................... 63

5.3.1.3 Circuito de Condicionamento de Sinal ................................................................ 64

5.3.2 Unidade de Controlo ............................................................................................... 66

5.3.3 Microcontrolador do Sistema Implementado .......................................................... 67

5.4 Alimentação do Circuito de Comando ......................................................................... 72

5.5 Algoritmo de Controlo do Sistema Implementado ...................................................... 74

5.5.1 Pré-Excitação do Alternador ................................................................................... 75

5.5.2 Controlo em Malha Fechada da Tensão de Saída ................................................... 76

5.6 Descrição do Sistema de Excitação Completo............................................................. 79

Capítulo 6 - Resultados Experimentais do Regulador Implementado..................... 81

6.1 Resultados do Circuito de Potência ............................................................................. 81

6.1.1 Rectificador Monofásico com Filtro Capacitivo ..................................................... 81


6.1.3 Consumos do Circuito de Potência ......................................................................... 83

6.2 Resultados do Circuito de Comando ........................................................................... 84

6.2.1 Unidade de Medida ................................................................................................. 84

6.2.2 Unidade de Controlo ............................................................................................... 85

6.3 Resultados da Alimentação do Circuito de Comando ................................................. 86

6.3.1 Circuito de Medida/Microcontrolador ..................................................................... 87

6.3.2 Circuito de Controlo ................................................................................................ 87

6.4 Resultados do Algoritmo de Controlo ......................................................................... 88

6.5 Resultados da Interface Sistema-Utilizador ................................................................. 89

6.5.1 Inicialização e Finalização do Processo de Geração ............................................... 89

6.5.2 Alteração do Valor de Referência ........................................................................... 91

xii

6.6 Mensagem de Erro do Sistema .................................................................................... 92

Capítulo 7 - Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro ......................................... 93

7.1 Conclusões ................................................................................................................... 93

7.2 Propostas de Trabalho Futuro ...................................................................................... 95

Referências Bibliográficas ........................................................................................... 97

ANEXOS ..................................................................................................................... A-1

ANEXO A - Circuito de Potência ........................................................................................... A-3

ANEXO B - Circuito da Unidade de Medida ......................................................................... A-5

ANEXO C - Circuito da Unidade de Controlo ....................................................................... A-7

ANEXO D - Circuito do Microcontrolador ............................................................................ A-9

ANEXO E - Circuitos de Alimentação da Unidade de Comando ......................................... A-11

ANEXO F - Código Implementado ...................................................................................... A-13

xiii

Índice de Figuras

Figura 2.1 – Aspecto de uma máquina síncrona de baixa potência [3] ............................ 5

Figura 2.2 – Partes constituintes da máquina síncrona [6] ............................................... 6

Figura 2.3 – Estator da máquina síncrona [7] ................................................................... 7

Figura 2.4 - Rotor da máquina síncrona clássica: (a) pólos salientes (b) pólos lisos [5] . 7

Figura 2.5 – Interacção dos campos magnéticos no motor síncrono [4] .......................... 8

Figura 2.6 – Circuito equivalente do motor síncrono [4] ................................................. 9

Figura 2.7 – Representação vectorial do funcionamento do motor síncrono [5] ............. 9

Figura 2.8 – Funcionamento do compensador síncrono (a) motor funcionando como um

sistema com carga capacitiva ideal (b) motor funcionando como um sistema com carga

indutiva ideal [5] ............................................................................................................. 10

Figura 2.9 – Curva de magnetização do alternador funcionando em vazio [11] ............ 11

Figura 2.10 – Circuito equivalente do alternador [4] ..................................................... 12

Figura 2.11 – Diagrama vectorial do alternador: (a) sobreexcitado (b) sub-excitado ... 12

Figura 2.12 – Triângulo de potências num sistema eléctrico sinusoidal ........................ 13

Figura 2.13 - Elementos de excitação de um alternador de baixa potência: (a) Anéis

Colectores (b) Escovas ................................................................................................... 14

Figura 2.14 – Excitatriz principal com controlo do reóstato de campo [13] .................. 15

Figura 2.15 – Sistema de excitação estático [14] ........................................................... 16

Figura 3.1 – Transformador de excitação do sistema de excitação estático ................... 20

Figura 3.2 – Diagrama de bloco de um conversor a tiristores [9] .................................. 21

Figura 3.3 – Diagrama de blocos do sistema de desexcitação [9] .................................. 21

Figura 3.4 – Representação do regulador de tensão aplicado ao sistema de excitação

estático ............................................................................................................................ 22

Figura 3.5 – Curva de capabilidade do alternador [4] .................................................... 26

Figura 3.6 – Diagrama de blocos do controlador PID [16] ............................................ 27

Figura 3.7 – Representação do controlador proporcional (P) [18] ................................. 27

Figura 3.8 – Representação do controlador proporcional-integral (PI) [18] .................. 28

xiv

Figura 3.9 – Representação do controlador proporcional-derivatico (PD) [18] ............. 29

Figura 3.10 – Representação do controlador proporcional-integral-derivativo (PID) ... 29

Figura 3.11 – Resposta esperada do controlador PID [16] ............................................. 30

Figura 3.12 – Regulador R231 da Leroy Somer ............................................................. 30

Figura 3.13 – Regulador Unitrol 1000 da ABB [19] ...................................................... 31

Figura 3.14 – Regulador Digureg da Siemens [20] ........................................................ 33

Figura 4.1 – Rectificador monofásico: (a) sem filtro (b) filtro capacitivo (c) filtro

indutivo ........................................................................................................................... 35

Figura 4.2 – Formas de onda da tensão na entrada e saída do rectificador monofásico

não controlado sem filtro ................................................................................................ 36

Figura 4.3 - Formas de onda da tensão de entrada e saída do rectificador monofásico não

controlado com filtro capacitivo ..................................................................................... 36

Figura 4.4 - Formas de onda da tensão de entrada e saída do rectificador monofásico não

controlado com filtro indutivo ........................................................................................ 36

Figura 4.5 – Ponte rectificadora monofásica semi-controlada: (a) sem filtro (b) filtro

capacitivo (c) filtro indutivo ........................................................................................... 37

Figura 4.6 – Formas de onda da tensão e corrente de entrada e saída do rectificador

monofásico semi-controlado sem filtro para um ângulo de 90º ..................................... 37

Figura 4.7 - Formas de onda da tensão e corrente de entrada e saída do rectificador

monofásico semi-controlado com filtro capacitivo para um ângulo de disparo dos

tiristores de 90º ............................................................................................................... 38


monofásico semi-controlado com filtro indutivo para um ângulo de disparo dos

tiristores de 90º ............................................................................................................... 38

Figura 4.9 – Ponte rectificadora monofásica totalmente controlada: (a) sem filtro (b)

filtro capacitivo (c) filtro indutivo .................................................................................. 39


monofásico totalmente controlado sem carga do lado CC para um ângulo de 120º ...... 39


monofásico totalmente controlado com filtro capacitivo para um ângulo de 120º ........ 39

xv


monofásico totalmente controlado com filtro indutivo para um ângulo de 120º ........... 40

Figura 4.13 - Ponte rectificadora trifásica não controlada: (a) sem filtro (b) filtro



trifásico não controlado sem filtro do lado CC .............................................................. 41


trifásico não controlado com filtro capacitivo ................................................................ 41


trifásico não controlado com filtro indutivo ................................................................... 42

Figura 4.17 - Ponte rectificadora trifásica semi-controlada: (a) sem filtro (b) filtro



trifásico semi-controlado sem filtro para um ângulo de disparo de 120º ....................... 43


trifásico semi-controlado com filtro capacitivo para um ângulo de disparo de 90º ....... 43


trifásico semi-controlado com filtro indutivo para um ângulo de disparo de 120º ........ 44

Figura 4.21 - Rectificador trifásico totalmente controlado com filtro indutivo ............. 44

Figura 4.22 - Formas de onda da tensão e corrente de saída do rectificador totalmente

controlado com filtro indutivo com um ângulo de disparo de 30º ................................. 45

Figura 4.23 - Formas de onda da tensão e corrente de saída do rectificador totalmente

controlado com filtro indutivo para um ângulo de disparo de 60º ................................. 45

Figura 4.24 – Conversor Step-Down .............................................................................. 47

Figura 4.25 – Conversor Step-Up ................................................................................... 47

Figura 4.26 – Conversor Step-Up/Step-Down ................................................................ 48

Figura 4.27 – Conversor flyback nos estados: (a) semicondutor Q1 conduz (b)

semicondutor Q1 não conduz [22].................................................................................. 49

Figura 4.28 – Formas de onda do conversor Flyback [22] ............................................. 50

Figura 4.29 – Conversor Forward ideal [22] ................................................................. 51

Figura 4.30 – Conversor forward (representação prática) [22] ...................................... 52

xvi

Figura 4.31 – Conversor forward representado com o circuito equivalente do

transformador [22] .......................................................................................................... 52

Figura 4.32 – Formas de onda do conversor forward [22] ............................................. 53

Figura 5.1 - Alternador HCM434D da Stamford acoplado ao motor de combustão ...... 55

Figura 5.2 – Diagrama de blocos simplificado do sistema de excitação implementado 56

Figura 5.3 – Circuito de potência com todos os elementos constituintes ....................... 57

Figura 5.4 – Transformador de excitação utilizado ........................................................ 57

Figura 5.5 - Rectificador monofásico implementado ligado a metade do enrolamento do

induzido .......................................................................................................................... 58

Figura 5.6 – Montagem do rectificador monofásico com filtro capacitivo .................... 58

Figura 5.7 – Área da janela ( ) e área da secção transversal ( ) do núcleo de ferrite

do transformador do conversor flyback [24]................................................................... 60

Figura 5.8 – Esquema do circuito do conversor flyback implementado ......................... 61

Figura 5.9 – Circuito do conversor flyback implementado ............................................ 61

Figura 5.10 – Diagrama de blocos do circuito de comando ........................................... 62

Figura 5.11 – Placa da unidade de medida do circuito de comando .............................. 62

Figura 5.12 – Sensor de tensão de efeito Hall LV 25-P da LEM [26] ............................ 63

Figura 5.13 - Sensor de corrente de efeito Hall LA 55-P da LEM [27].......................... 64

Figura 5.14 – Circuito de condicionamento de sinal implementado [28] ...................... 65

Figura 5.15 – Placa do circuito de condicionamento de sinal ........................................ 66

Figura 5.16 – Diagrama funcional do driver HCPL-3120 [29] ...................................... 66

Figura 5.17 – Esquema do circuito de controlo implementado [29] .............................. 67

Figura 5.18 – Circuito de drive entre o circuito de comando e o circuito de potência ... 67

Figura 5.19 – Diagrama de blocos da utilização do microcontrolador ........................... 68

Figura 5.20 – Programador e depurador ICD2 ............................................................... 69

Figura 5.21 – Ambiente da ferramenta de programação MPLAB ................................. 70

Figura 5.22 – Esquema eléctrico da placa do microcontrolador PIC18F4331 ............... 70

Figura 5.23 – Desenho da placa de circuito impresso do microcontrolador PIC18F4331

e respectivas entradas e saídas ........................................................................................ 71

xvii

Figura 5.24 – Circuito do microcontrolador implementado ........................................... 71

Figura 5.25 – Circuito de alimentação do circuito do microcontrolador e pré-

alimentação do circuito de medida ................................................................................. 72

Figura 5.26 – Circuito típico do IC MAX743CPE [32] ................................................. 73

Figura 5.27 – Desenho das placas de circuito impresso: (a) alimentação do circuito de

medida e microcontrolador, (b) alimentação do circuito de controlo ............................ 74

Figura 5.28 – Placas de alimentação do circuito de comando: (a) circuito de medida e

microcontrolador (b) circuito de controlo ...................................................................... 74

Figura 5.29 – Fluxograma da pré-excitação do alternador ............................................. 76

Figura 5.30 – Diagrama de blocos do controlador PI implementado ............................. 76

Figura 5.31 – Fluxograma do controlador PI do sistema de regulação .......................... 77

Figura 5.32 – Fluxograma do funcionamento do interface com o utilizador ................. 78

Figura 5.33 – Diagrama de blocos do sistema completo ................................................ 79

Figura 5.34 – Regulador da corrente de excitação implementado completo.................. 79

Figura 6.1 – Tensão no secundário do transformador e saída do rectificador monofásico

........................................................................................................................................ 82

Figura 6.2 – Tensão na entrada e saída do conversor flyback ........................................ 82

Figura 6.3 – Tensão no semicondutor quando em comutação ( ) ............................ 83

Figura 6.4 – Valores na entrada do regulador da corrente de excitação: (a) Tensão e

corrente (b) Taxa de distorção harmónica ...................................................................... 83

Figura 6.5 – Medição do valor da corrente de excitação para 500 mA .......................... 84

Figura 6.6 – Medição do valor da corrente de excitação para 200 mA .......................... 84

Figura 6.7 – Medição do valor da tensão gerada (metade do enrolamento do induzido-

190 V) ............................................................................................................................. 85

Figura 6.8 – Medição do valor da tensão gerada (metade do enrolamento do induzido-

116 V) ............................................................................................................................. 85

Figura 6.9 – Sinal de PWM na saída do microcontrolador e aplicado ao MOSFET...... 86

Figura 6.10 – Tensão obtida para alimentação do circuito de medida/microcontrolador

........................................................................................................................................ 87

Figura 6.11 – Tensão obtida para alimentação do circuito de controlo .......................... 88

xviii

Figura 6.12 – Resposta do sistema ao controlador PI (colocação da corrente no valor de

referência) ....................................................................................................................... 89

Figura 6.13 - Resposta do sistema ao controlador PI a alterações da carga (a)Carga

aumenta (b) Carga diminui ............................................................................................. 89

Figura 6.14 – Valor da tensão retirada dos terminais do alternador antes do inicio do

processo .......................................................................................................................... 90

Figura 6.15 – Mensagem de inicio do processo ............................................................. 90

Figura 6.16 – Mensagem de fim de processo ................................................................. 91

Figura 6.17 – Mensagem de inicio de alteração do valor de referência ......................... 91

Figura 6.18 – Mensagem de fim de alteração do valor de referência ............................. 92

Figura 6.19 – Aviso de erro do sistema: (a) Sobreexcitação (b) Excesso de tensão nos

terminais do alternador ................................................................................................... 92

Figura A1 – Esquema eléctrico do circuito de potência ............................................... A-3

Figura B1 – Esquema eléctrico do circuito do sensor de tensão efeito Hall ................ A-5

Figura B2 – Esquema eléctrico do circuito somador .................................................... A-5

Figura B3 – Esquema eléctrico do circuito do sensor de corrente efeito Hall ............. A-6

Figura D1 – Esquema eléctrico do circuito do microcontrolador ................................ A-9

Figura E1 – Esquema eléctrico do circuito de alimentação unidade de

medida/microcontrolador............................................................................................ A-11

Figura E2 – Esquema eléctrico do circuito de alimentação da unidade de controlo .. A-12

xix

Lista de Símbolos Siglas e Acrónimos

Resistência

Indutância

Capacidade

Tensão

Tensão do lado de corrente

contínua

Tensão eficaz

Tensão de pico

Tensão composta

Corrente

I Corrente eficaz

Corrente de pico

Corrente de excitação

Corrente na linha

GND Graduated neutral density

(ground)

f Frequência

rms Root mean square

Potência activa

Potência reactiva

Potência aparente

cos(ø) Cosseno do desfasamento

entre a tensão e a corrente

THD Total Harmonic Distortion

Transformador de Corrente

Transformador de Potencial

Transformador de Excitação

Corrente Contínua

Corrente Alternada

f.e.m. Força electromotriz

MS Motor síncrono

CS Compensador Síncrono

GS Gerador Síncrono

CPU Central Processing Unit

MOSFET Metal Oxide Semiconductor

Field Effect Transistor

AmpOp Amplificador Operacional

PWM Pulse Width Modulation

CAD Conversor Analógico

Digital

LCD Liquid Crystal Display

PID Proporcional Integral

Derivativo

PI Proporcional Integral

Unidades:

Volt

Ampere

Watt

Volt Ampere

Volt Ampere Reactivo

segundos

º Graus

Rotações por minuto

Tesla

Ω Ohm

Henry

Farad

http://pt.wikipedia.org/wiki/Root_mean_square

xx

Cavalo

Horse Power

mili ( )

micro( )

nano ( )

pico ( )

kilo ( )

Regulador da Corrente de Excitação de um Alternador

Universidade do Minho 1

Capítulo 1

Introdução

Neste capítulo será feita uma abordagem à utilização da máquina síncrona na

geração de energia e a sua aplicação no trabalho proposto. Também conhecido como

alternador, no funcionamento como gerador, a máquina síncrona deve apresentar

valores de tensão constantes aos seus terminais ao longo do tempo. Para tal o uso de

reguladores de tensão torna-se indispensável para o ajuste e regulação da tensão gerada.

Pretende-se assim, perceber quais as motivações e importância da implementação de um

sistema de excitação e respectivo regulador de tensão para ajuste da corrente de

excitação do alternador. Serão ainda apresentados os principais objectivos e estrutura da

dissertação.

1.1 Descrição do Problema

A necessidade da obtenção de valores de tensão constantes na produção de energia,

mesmo quando o número de cargas oscila, envolve o uso de métodos capazes de o fazer

de forma eficaz. O uso de reguladores de tensão, que controlam a corrente de excitação

automaticamente, torna o uso de alternadores para pequenas produções mais fiáveis e

capazes de fornecer tensões dentro dos valores pretendidos, de acordo com a capacidade

de produção.

Neste trabalho está inerente a necessidade de controlar a tensão de saída de um

alternador, para valores fixos, garantindo assim o funcionamento dos dispositivos que se

pretende alimentar (Sistemas de Ar Condicionado). A não utilização de todos os

mecanismos de ar condicionado ao mesmo tempo, faz com que, a tensão não se

mantenha nos mesmos valores, ou seja, sempre que aumenta ou diminui o número de

cargas ligadas no sistema, a corrente necessária aumenta ou diminui, fazendo a tensão

diminuir ou aumentar respectivamente. Este aumento ou diminuição da tensão tem um

efeito não desejado nas cargas levando ao seu mau funcionamento e até mesmo a

avarias, daí a necessidade de manter a tensão dentro dos valores nominais das cargas.

O sistema de regulação de tensão deve ser independente de qualquer fonte externa.

Tanto o campo como todo o sistema de controlo deve ser alimentado a partir dos

terminais do alternador. Para tal, torna-se necessário o aproveitamento da energia

remanescente do alternador que fará o inicio da produção de energia conseguindo

alimentar todo o sistema, onde a partir do momento que a tensão gerada fica dentro dos

valores nominais, o sistema inicia a regulação da corrente de excitação.

Introdução

2 Departamento de Electrónica Industrial

1.2 Enquadramento

Os alternadores representam o grupo de máquinas eléctricas mais usadas para

produção de energia eléctrica em todo o mundo. Desde as grandes centrais

hidroeléctricas, térmicas e nucleares até pequenas produções como, mini hídricas e

accionamento a partir de motores de combustão, o seu uso está associado. Os sistemas

de excitação são parte integrante nas instalações de produção de energia, eles alimentam

o enrolamento do indutor, alojado no rotor, surgindo daqui um campo magnético

constante. Quando em movimento, o campo do rotor induz forças electromotrizes no

enrolamento do induzido, acolhido pelo estator, criando desta forma sistemas de

tensões. A intensidade do campo magnético do indutor determina, para uma

determinada carga e velocidade, a tensão aos terminais do alternador. A corrente de

excitação criadora do campo do indutor, antes dos sistemas actualmente empregues, era

feita a partir de fontes de corrente contínua externas e controlada por um reóstato,

necessitando que um operador ajustasse o valor deste para alterações na tensão de

geração.

Na produção de energia, independentemente da potência, a tensão deve apresentar

valores constantes ao longo do tempo, ou seja, se o número de cargas, por algum

motivo, aumenta ou diminui, a tensão a elas aplicada deve permanecer inalterada. Os

reguladores de tensão controlam a corrente de excitação do alternador actuando sobre o

sistema de excitação empregue conseguindo desta forma, o valor da tensão pretendida

aos seus terminais. O surgimento de reguladores de tensão automáticos deveu-se à

evolução da electrónica de potência que proporcionou novos métodos de controlo da

corrente de excitação das máquinas síncronas.

1.3 Motivação do Trabalho

A principal motivação deste trabalho baseia-se no desenvolvimento do

conhecimento adquirido ao longo dos últimos anos no curso de Electrónica Industrial e

Computadores. O interesse e especialização na área de Electrónica de Potência levaram

à elaboração deste trabalho, onde foram aplicadas experimentalmente várias soluções

estudadas nas diferentes unidades curriculares. O controlo da corrente de excitação de

um alternador, com o intuito de regular a tensão de saída, necessita de vários elementos

de forma a criar o campo do alternador e controla-lo. A qualidade da geração de

energia, tanto em grande como em pequena escala, depende da qualidade e precisão dos

sistemas de excitação empregues. Como tal, o estudo acerca da melhor forma de

excitação e funcionamento tornou-se uma motivação, assim como perceber o



funcionamento da máquina síncrona, principal elemento na produção de energia

eléctrica.

1.4 Objectivos do Trabalho

Com este trabalho pretende-se desenvolver e implementar um regulador electrónico

capaz de manter a tensão aos terminais de um alternador trifásico de 200 kVA

380/220 V, alimentado a partir do induzido do próprio alternador. O regulador deverá

ser o mais fiável possível, e no caso de falha deve desligar a alimentação da excitatriz.

De modo a implementar o regulador são seguidos os seguintes passos:

Desenvolvimento de um rectificador trifásico alimentado a 190 V (tensão obtida

de meio enrolamento do estator) para alimentar o regulador;

Desenvolvimento de um conversor electrónico de potência para controlar a

corrente contínua aplicada à excitatriz do alternador (35 W, 51 V, máximo);

Desenvolvimento de um sistema de aquisição de dados das tensões do gerador e

de todas as protecções adequadas ao sistema;

Implementação de um sistema de controlo e respectivas interfaces;

Testes experimentais ao sistema completo.

1.5 Organização da Dissertação

Esta dissertação divide-se em sete capítulos. Pretende-se, em cada capítulo,

demonstrar cada etapa efectuada ao longo da realização deste trabalho sendo este divido

num primeiro estudo teórico e seguidamente a implementação prática do sistema

pretendido. Assim, a dissertação encontra-se organizada da seguinte forma:

No capítulo um faz-se uma pequena introdução do trabalho mostrando onde ele se

enquadra e quais as motivações que levaram à proposta deste trabalho. São ainda

apresentados os objectivos propostos para a realização do mesmo.

No segundo capítulo apresentam-se a máquina síncrona, a sua constituição e

princípio de funcionamento. Ainda neste capítulo faz-se um estudo teórico dos sistemas

de excitação existentes assim como a melhor aplicação para cada um deles, onde serão

apresentadas as diferentes características e princípios de funcionamento

No capítulo três obtém-se uma descrição do sistema de excitação estático, as partes

constituintes, o controlo e funcionamento. Para o controlo descreve-se neste capítulo o

controlador padrão nos sistemas de excitação (controlador PID). No final deste capítulo

faz-se um pequeno estado da arte de alguns reguladores de tensão existentes no

mercado.

Introdução


Seguidamente, no capítulo quatro, é feito um resumo sobre os conversores de

electrónica de potência quer de corrente alternada quer de corrente contínua, mostrando

a sua constituição e princípio de funcionamento.

O quinto capítulo apresenta a implementação prática do trabalho realizado,

descrevendo cada bloco que compõe o regulador de tensão proposto.

No capítulo seis apresentam-se os resultados obtidos para a excitação do alternador.

No sétimo capítulo, são feitas as conclusões finais de todo o trabalho e apresentado

o que mais se poderá fazer como trabalho futuro.



Capítulo 2

Máquina Síncrona e Sistemas de Excitação

Neste capítulo pretende-se mostrar a constituição da máquina síncrona assim como o

seu funcionamento para os diferentes modos de operação, sendo dada maior importância

ao funcionamento como gerador (alternador). Será ainda abordado o modo de excitação

a partir do sistema de excitação estático como forma de criar o campo do alternador

possibilitando a produção de energia eléctrica. Desta forma espera-se provar a

necessidade do uso de reguladores de tensão na produção de energia como forma de

obter níveis de tensão constantes ao longo do tempo, quer em grande como em pequena

escala.

2.1 Descrição da Máquina Síncrona

A máquina síncrona (Figura 2.1) pela sua versatilidade pode ser considerada, das

famílias de máquinas eléctricas, a mais importante. Esta versatilidade prende-se com o

facto de ser possível a sua utilização como Motor Síncrono (MS), Compensador

Síncrono (CS) e Gerador Síncrono (GS), este último também conhecido como

alternador.

Figura 2.1 – Aspecto de uma máquina síncrona de baixa potência [1]

Devido a aspectos construtivos, à falta de binário de arranque e ao seu maior custo,

quando comparadas com outras máquinas eléctricas, são actualmente mais utilizadas

como geradores. Como motores as máquinas síncronas são geralmente utilizadas para

altas potências (acima dos 600 CV) devido à característica de apresentar velocidade

garantida em função da frequência como se pode verificar a partir da equação 2.1, em

que é a frequência de funcionamento e o número de pólos da máquina [2].

(2.1)



Ao apresentar factor de potência regulável, a máquina síncrona tem a possibilidade

de funcionar como compensador síncrono, capaz de corrigir o factor de potência de uma

instalação em substituição de bancos de condensadores. A utilização da máquina

síncrona como gerador é patente nas centrais eléctricas independentemente do seu tipo

(hidroeléctrica, térmica, etc.). A energia eléctrica disponível na rede pública é na sua

maioria produzida por geradores síncronos, em que energia mecânica é convertida em

energia eléctrica. São ainda utilizados na geração de energia nas centrais de pequeno

porte, aqui o GS não está ligado a um grande sistema mas funciona de forma isolada.

2.2 Partes Construtivas da Máquina Síncrona

A máquina síncrona apresenta na sua constituição mecânica duas partes distintas. O

estator [Figura 2.2 (a)], constituído basicamente por uma “carcaça”, suporta um núcleo

de material ferro-magnético no qual se encontra distribuído os enrolamentos do

induzido [3]. A Figura 2.2 (b) mostra o rotor da máquina síncrona onde está alojado o

enrolamento do indutor.

Figura 2.2 – Partes constituintes da máquina síncrona [4]

2.2.1 Estator da Máquina Síncrona

O estator da máquina síncrona é composto por chapas laminadas dotadas de

ranhuras axiais onde é acolhido o enrolamento do induzido (Figura 2.3) [3]. As chapas

oferecem características magnéticas de alta permeabilidade o que proporciona um

caminho de baixa relutância para o fluxo, diminuindo assim o fluxo disperso,

concentrando-o no entreferro (espaço físico entre o rotor e o estator). A construção do

estator a partir de chapas laminadas tem como finalidade diminuir as correntes parasitas

(correntes de Foucault), que estariam presentes em maior número caso a construção

fosse maciça.

Os enrolamentos do induzido são distribuídos espacialmente com um desfasamento

de 120º eléctricos entre fases. O número de enrolamentos por fase no estator depende do



número de pares de pólos do rotor, assim quando existem, por exemplo, dois pares de

pólos no rotor deverão existir dois enrolamentos por fase no estator da máquina

síncrona.

Figura 2.3 – Estator da máquina síncrona [5]

2.2.2 Rotor da Máquina Síncrona

O rotor pode também ser formado por chapas laminadas, geralmente do mesmo

material que o estator, nas quais é colocado o enrolamento do indutor. Dependendo da

sua aplicação o rotor da máquina síncrona pode ser de dois tipos diferentes, pólos

salientes (Figura 2.4(a)) ou pólos lisos (Figura 2.4(b)).

O rotor de pólos salientes é usado principalmente nas centrais hidroeléctricas, onde a

velocidade de rotação é baixa. Para se obter tensões a 50 Hz o número de pólos é

elevado (equação 2.1). Por sua vez, o rotor de pólos lisos é usado quando a máquina

opera com velocidades elevadas, ou seja, o número de pólos é pequeno. A sua utilização

está associada aos turbogeradores usados principalmente nas centrais térmicas [6].

Figura 2.4 - Rotor da máquina síncrona clássica:

(a) pólos salientes (b) pólos lisos [3]

Carcaça

Enrolamento do

Estator (Induzido)

Núcleo do Estator

(Material Ferro-Magnético)



2.3 Princípio de Funcionamento da Máquina Síncrona

Independentemente do seu modo de operação (MS, CS ou GS) o funcionamento da

máquina síncrona baseia-se na interacção entre campos magnéticos. O princípio de

funcionamento para cada um dos modos possíveis da máquina síncrona é explicado nos

itens seguintes com maior ênfase, como já referido, sobre o Alternador.

2.3.1 Funcionamento como Motor Síncrono

Um campo magnético rotativo está na base do funcionamento do motor síncrono.

Como se viu em 2.2.1, um conjunto de bobinas independentes, desfasadas de 120º

eléctricos, é colocado nas ranhuras do estator. Fazendo-se circular por estas, correntes

trifásicas desfasadas de período no tempo, surge no estator um campo magnético

rotativo, onde a sua velocidade depende do valor da frequência aplicada às bobinas.

A Figura 2.5 esquematiza um motor síncrono com dois pólos. O campo do rotor,

criado a partir da passagem de uma corrente contínua ( ) pelo enrolamento indutor,

tende a alinhar com o campo rotativo , criado a partir do sistema trifásico de tensões

aplicado aos enrolamentos do induzido. Embora os dois campos não fiquem

perfeitamente alinhados a velocidade do campo é igual à velocidade do campo .

a

'b

c

'a

b

'c

Figura 2.5 – Interacção dos campos magnéticos no motor síncrono [2]

O esquema equivalente do motor síncrono, apenas para uma das fases do estator,

está representado na Figura 2.6. O enrolamento do rotor, alimentado com tensão

contínua ( ), cria o campo magnético principal. Assim, para cada fase do estator,

corresponde a equação 2.2 no qual não são consideradas as perdas magnéticas e as

perdas por atrito e ventilação.

(2.2)



Na equação 2.2:

Amplitude da f.e.m.

Reactância do enrolamento do induzido

Resistência do induzido

Corrente de uma fase do induzido

Tensão aplicada ao enrolamento do induzido

fR

fI

fVfE

sL AR

AI faseV

fL

+

-

Figura 2.6 – Circuito equivalente do motor síncrono [2]

A equação 2.2 pode ser vista vectorialmente na Figura 2.7. O campo magnético

criado no rotor corresponde a enquanto o campo magnético do estator corresponde à

queda de tensão no enrolamento . O ângulo de carga é representado por

que corresponde ao ângulo entre e , sendo a velocidade angular do motor.

Assim, o campo magnético total resulta da soma vectorial do campo rotórico com o

campo estatórico, ou seja,

Figura 2.7 – Representação vectorial do funcionamento do motor síncrono [3]

2.3.2 Compensador Síncrono

Uma das vantagens da utilização da máquina síncrona prende-se com o facto de

poder funcionar com um factor de potência dependente apenas das condições de

excitação ( ). Desta forma, é possível regular a potência reactiva trocada com a rede

sendo nula a potência trocada entre veio e o exterior da máquina.



O funcionamento do compensador síncrono é o mesmo que o do motor ou gerador

síncrono funcionando em vazio, sendo que, a corrente contínua aplicada no enrolamento

indutor ( ) ajusta o valor de potência reactiva trocada com a rede. A Figura 2.8 mostra

o diagrama vectorial do funcionamento do compensador síncrono funcionando como

motor sem carga mecânica acoplada em que, corresponde à corrente trocada com a

rede e a tensão da rede, onde são desprezadas as perdas da máquina síncrona.

Figura 2.8 – Funcionamento do compensador síncrono

(a) motor funcionando como um sistema com carga capacitiva ideal (b) motor funcionando como um sistema

com carga indutiva ideal [3]

2.3.3 Gerador Síncrono ou Alternador

O GS ou alternador representa um subconjunto das máquinas rotativas capazes de

transformar energia mecânica, conseguida através de vários modos (Água, Vento,

Vapor, etc.), em energia eléctrica sob forças electromotrizes (f.e.m.) variáveis no tempo,

que por sua vez produzem sistemas de tensões e correntes [7].

A equação 2.3 mostra como se consegue obter o valor das f.e.m. no induzido do

alternador, em que, e representa a força electromotriz, v a velocidade de rotação, B a

densidade do fluxo magnético e l o comprimento do condutor.

(2.3)

A passagem de corrente contínua no enrolamento do indutor, como se viu em 2.3.1,

cria um campo magnético constante no rotor do alternador. Fazendo-se girar o rotor a

uma velocidade constante, são induzidas f.e.m nos enrolamentos do induzido. A tensão

induzida apresenta uma frequência directamente proporcional à velocidade e número de

pólos do rotor. A equação 2.4 mostra como se obtém a amplitude da f.e.m. induzida nas

fases do induzido [8].

(2.4)

Na equação 2.4:



Amplitude da f.e.m.

Constantes resultantes da montagem dos enrolamentos da máquina

Número de espiras do enrolamento de uma fase

Frequência

Fluxo magnético

A amplitude da f.e.m. é proporcional ao fluxo magnético produzido pela corrente de

excitação e à velocidade de rotação. A Figura 2.9 representa a curva de magnetização do

alternador funcionando em vazio, ou seja, sem que lhe seja ligada qualquer carga

eléctrica [9].

Figura 2.9 – Curva de magnetização do alternador funcionando em vazio [9]

O circuito equivalente do alternador está representado na Figura 2.10. A excitação

da máquina síncrona faz-se a partir da corrente eléctrica indutora aplicada no rotor,

denominada corrente de campo. Pelo enrolamento do indutor ( faz-se passar uma

corrente contínua ( ), provida de uma fonte auxiliar. Esta corrente cria um campo

magnético principal que dá origem a um fluxo magnético, resultando daqui um campo

magnético variável no estator, quando o rotor gira. Desta forma, e para o funcionamento

como gerador obtém-se a equação 2.5.

(2.5)

Na equação 2.5:

Amplitude da f.e.m.

Reactância do enrolamento do induzido

Resistência do induzido



Corrente gerada

Tensão gerada

fR

fIfV

fE

sL AR

AI

faseV

fL

+

-

Figura 2.10 – Circuito equivalente do alternador [2]

Como >> (especialmente para máquinas de alta potência), para efeitos de

cálculo, pode desprezar-se a resistência do induzido, sendo que, na necessidade de se

saber qual o rendimento e perdas da máquina isto já não se poderá aplicar. Assim, a

equação 2.5 pode ser representada pela equação 2.6.

(2.6)

Da mesma forma que no MS, a equação 2.4 pode ser expressa vectorialmente. A

Figura 2.11 mostra o digrama vectorial do alternador desprezando a resistência do

induzido.

(a) (b)

Figura 2.11 – Diagrama vectorial do alternador:

(a) sobreexcitado (b) sub-excitado

2.4 Potência da Máquina Síncrona

Um sistema eléctrico apresenta três tipos de potências, nomeadamente a potência

activa (W), a potência aparente (VA) e a potência reactiva (VAr). Estas potências

podem ser representadas vectorialmente a partir do triângulo de potências. A Figura

2.12 mostra o triângulo de potências num sistema eléctrico sinusoidal.



Figura 2.12 – Triângulo de potências num sistema eléctrico sinusoidal

Num alternador, a potência máxima capaz de ser fornecida depende da sua

construção, onde, a potência mecânica estabelece o máximo esforço capaz de ser

fornecido pela máquina. Conhecendo-se as características de fabrico do alternador é

possível determinar o seu binário, velocidade e corrente nos enrolamentos do induzido

nominais. A potência mecânica no alternador é dada pela equação 2.7.

(2.7)

Onde:

Potência mecânica (CV)

Binário nominal (N.m)

Velocidade nominal (rpm)

Como se viu em 2.1 a velocidade do alternador depende do número de pólos da

máquina assim como da frequência de funcionamento. Sendo assim, a frequência de

geração será dada pela equação 2.8.

(2.8)

A potência activa do alternador obtém-se a partir da equação 2.9 em que é a

tensão composta aos terminais dos enrolamentos do induzido, a corrente na linha e

representa o ângulo entre a corrente na linha e a tensão simples.

(2.9)

A equação 2.10 representa a potência aparente nominal enquanto a equação 2.11

exprime a potência reactiva no alternador.

(2.10)

(2.11)



No alternador a potência activa gerada depende apenas das condições de excitação,

partindo do princípio que este gira à velocidade de sincronismo respeitando os valores

fixados pelo fabricante. O valor da corrente de excitação ( ) ajusta os valores da tensão

gerada alterando o valor das f.e.m. aplicadas ao enrolamento do induzido. Assim, o

valor da potência de saída do alternador é determinado a partir da equação 2.12, onde ,

como já referido, representa o ângulo entre e , sendo conhecido como ângulo de

carga.

(2.12)

2.5 Excitação do Alternador

A excitação do alternador faz-se a partir da injecção de corrente contínua no

enrolamento do indutor através de escovas e anéis colectores (Figura 2.13). A utilização

destes elementos possibilita que a corrente flua no enrolamento do indutor com o

alternador em movimento possibilitando desta forma a geração de energia.

Figura 2.13 - Elementos de excitação de um alternador de baixa potência:

(a) Anéis Colectores (b) Escovas

2.5.1 Sistemas de Excitação do Alternador

Antes da utilização dos sistemas de excitação empregues actualmente esta era feita a

partir de um gerador de corrente contínua, acoplado ao eixo do alternador. Este tipo de

excitação é conhecida como excitatriz de corrente contínua e apresenta inconvenientes,

tais como:

Elevada quantidade de escovas;

Arcos eléctricos nos comutadores durante as variações de carga;

Dificuldade em acoplar a máquina de corrente contínua ao eixo do alternador.



Para além dos inconvenientes citados, existe ainda necessidade de manutenções

periódicas nas escovas, obrigando à interrupção da geração de energia eléctrica durante

o período de manutenção. A Figura 2.14 mostra a configuração clássica de um sistema

de excitação com excitatriz de corrente contínua, onde a corrente de excitação é ajustada

a partir do reóstato, a fim de se obter a tensão de saída desejada. A excitatriz CC é

alimentada a partir de uma fonte externa.

Comutador

Exc. CC

Disjuntor

de Campo

Anéis

Deslizantes

Gerador

Tensão

de Saída

Regulador de Tensão

Controlo

Manual

Reóstato de

Campo Transformador de

Potêncial

Figura 2.14 – Excitatriz principal com controlo do reóstato de campo [10]

Actualmente, o uso de excitatrizes de corrente contínua é desinteressante. Posto isto,

a utilização de outro tipo de excitação torna-se mais rentável, robusta, eficaz e precisa.

Os diversos tipos de sistemas de excitação consideram três grupos fundamentais: o

sistema de excitação rotativo em corrente contínua, o sistema de excitação rotativo em

corrente alternada e o sistema de excitação estático [7]. Contudo, pelo facto do seu

baixo custo e bom desempenho, o sistema de excitação estático aparece praticamente

em todas as novas instalações [7] [11]. O sistema de excitação estático foi também o

utilizado na implementação deste trabalho

2.5.2 Sistema de Excitação Estático

O desenvolvimento da tecnologia dos semicondutores durante a década de sessenta

proporcionou o desenvolvimento dos sistemas de excitação. O uso de semicondutores

reduziu significativamente o tempo de resposta do sistema, assim como melhorou a

qualidade e intensidade do campo (“field forcing”) [10].

A Figura 2.15 apresenta o diagrama de blocos do sistema de excitação estático.

Aqui, a corrente necessária para alimentar o campo indutor deriva da própria tensão

gerada do alternador. A energia necessária à excitação é retirada dos enrolamentos do

induzido a partir de um transformador de excitação, sendo posteriormente rectificada e

aplicada ao enrolamento indutor através de duas escovas instaladas sobre os anéis

colectores do rotor [7]. O alternador, mesmo não sendo excitado, apresenta aos seus

terminais um certo valor de tensão, resultante da indução remanescente do alternador.



Como o sistema de excitação é alimentado a partir do próprio alternador, esta energia

remanescente proporciona o inicio de excitação do campo.

Alternador

TERegulador Automático de

Tensão

TC - Transformador de Corrente

TP - Transformador de Potencial

TE - Transformador de Excitação

TC

TP

Figura 2.15 – Sistema de excitação estático [11]

O sistema de excitação estático apresenta vantagens relativamente aos sistemas de

excitação rotativa. Em relação ao tempo de resposta na regulação esta diminui, pois, a

actuação do sistema é feita directamente no campo do alternador, reduzindo o

comprimento total da unidade isto porque, os elementos intermediários deste tipo de

excitação deixam de ser necessárias. Apesar de tudo, a excitação estática também

apresenta algumas desvantagens. O facto do fluxo de corrente ser controlado por

semicondutores introduz deformações nesta, distorcendo a tensão gerada no alternador.

Outra desvantagem da utilização deste sistema, prende-se com o facto de, tal como na

excitação contínua, serem necessárias escovas e anéis colectores para a alimentação do

campo do alternador [11].

2.5.3 Considerações na Escolha do Sistema de Excitação

A escolha adequada do sistema de excitação depende do tipo de instalação. Para

diferentes formas de geração de energia o alternador difere, quer na construção quer na

potência nominal.

O sistema de excitação rotativa em corrente contínua é cada vez menos utilizado

devido às constantes paragens para manutenção e ao desgaste mecânico, especialmente

nas escovas. Nas novas instalações este tipo de excitação é desaconselhável, quer se

trate de uma central térmica quer de uma central hidroeléctrica. A utilização deste

sistema faz-se notar em sistemas antigos. Na necessidade de aumentar a potência do

alternador pode tornar-se viável a continuidade da excitação rotativa CC, trocando-se

apenas alguns dos componentes essenciais, como por exemplo, trocar o regulador de

tensão por um microprocessador com uma excitatriz estática de pequena potência

(excitatriz piloto) para alimentar o campo da excitatriz rotativa de corrente contínua.



Por outro lado, o sistema de excitação rotativa CA (brushless) é muito utilizado,

principalmente em alternadores que apresentam velocidades de rotação elevadas

(turbogeradores). Quando se trata de alternadores hidráulicos o uso desta topologia deve

ser repensada, isto porque, pode tornar-se dispendioso e demasiado pesado todo o

conjunto: sistema de excitação e rotor. Apesar de tudo, a excitação brushless apresenta

algumas características interessantes:

Ausência de escovas e anéis colectores;

Anulação de interferências criadas a partir de mau contacto;

Forma de onda de saída sinusoidal (ausência de deformações);

Manutenção reduzida: apenas cuidados de lubrificação;

Nos sistemas de excitação estático, a corrente do enrolamento do indutor é

controlada através de componentes semicondutores accionados por um Regulador

Automático de Tensão (AVR). Os mecanismos intermediários, tais como, excitatrizes

de corrente contínua ou de corrente alternada são suprimidos. O sistema de excitação

estático poderá ser utilizado em qualquer instalação, quer hidráulica quer térmica. As

vantagens deste tipo de sistema são:

Possibilidade de reduzir o tempo de resposta de recuperação da tensão do

conjunto alternador e sistema de excitação, dado que não existe um componente

de atraso na malha de excitação (excitatriz brushless);

Permite a medição da temperatura do rotor através da variação da resistência de

campo, pois o sistema de excitação contém informações em tempo real da

corrente e também da tensão do rotor. Assim sendo, é possível supervisionar a

resistência do enrolamento do campo que é directamente proporcional à

temperatura do rotor;

Implementação da protecção de falha à terra do rotor, que apenas é possível com o

acesso do enrolamento do rotor, como acontece neste tipo de excitação;

Aumento da capacidade de controlo de oscilações (tensão e potência);

Em caso de manutenção, esta pode ser efectuada com a máquina em

funcionamento;

Permite a modificação dos parâmetros que influenciam a resposta do sistema com

o gerador em serviço, no caso de conter um regulador micro processado;

Proporciona um incremento na facilidade de aquisição de dados para o sistema de

protecção e supervisão, como por exemplo, a detecção de falha à terra no sistema

indutor.



Depois de vistas as características de cada um dos sistemas de excitação conclui-se

que, a escolha de um sistema de excitação recai sobre apenas duas: o sistema de

excitação rotativa CA com rectificadores rotativos (brushless) e o sistema de excitação

estática. Contudo, pelo facto do seu baixo custo e bom desempenho, o sistema de

excitação estática aparece praticamente em todas as novas instalações [7] [11].



Capítulo 3

Constituição e Controlo do Sistema de

Excitação Estático

O sistema de excitação estático apresentado no capítulo anterior é constituído por

equipamentos electrónicos, que em conjunto, fazem a regulação da tensão de saída do

alternador. Neste capítulo será demonstrada a constituição deste sistema de excitação

uma vez que este foi o tipo de excitação escolhida para este trabalho. Ainda neste

capítulo serão abordados alguns equipamentos de regulação existentes no mercado.

3.1 Divisão do Sistema de Excitação Estático

O sistema de excitação estático apresenta na sua constituição básica seis elementos

distintos:

1. Transformador de excitação

2. Pré-Excitação do alternador

3. Conversor de Potência

4. Desexcitação do alternador

5. Regulador de Tensão

6. Controlo, protecção e medição

3.1.1 Transformador de Excitação

O transformador de excitação (TE), conectado aos terminais da máquina síncrona,

tem como finalidade a alimentação do conversor de potência que fará a respectiva

excitação do alternador. No caso do funcionamento como motor ou compensador, o

sistema de excitação é alimentado por uma fonte independente.

A tensão de saída do transformador é determinada de acordo com o valor da tensão

de pico exigida pelo conversor de potência. No caso da corrente, esta define-se de

acordo com a corrente de excitação (campo) máxima do alternador.

O TE pode ser construído em líquido isolante ou seco dependendo das condições da

instalação. Podem ainda, ser utilizados três transformadores monofásicos, quando os

condutores de saída do gerador forem individualmente blindados. No que diz respeito à

ligação, esta deve ser feita em estrela-triângulo, sendo em triângulo no secundário

(Figura 3.1). Desta forma consegue-se confinar os harmónicos de terceira ordem ao

triângulo, não havendo propagação para o lado primário.

Constituição e Controlo do Sistema de Excitação Estático


A utilização de um transformador trifásico, em detrimento de três monofásicos, é

preferível. O menor custo e a facilidade na montagem das interligações eléctricas são as

vantagens da sua utilização [11].

Alternador

F1

F2

F3

Transformador

Figura 3.1 – Transformador de excitação do sistema de excitação estático

3.1.2 Pré-Excitação do Alternador

Para o inicio do processo de geração de energia é necessário criar uma corrente de

excitação, independente da tensão nos terminais do alternador, por um período entre dez

a trinta segundos. A fonte auxiliar, para o arranque da produção, pode ser obtida tanto

pelos serviços auxiliares de corrente alternada como a partir de baterias. Dependendo da

qualidade das fontes, podem ser usadas ambas de uma forma redundante. A corrente de

pré-excitação deve garantir o disparo dos semicondutores do conversor de potência.

A partir do momento em que a tensão terminal da máquina seja suficiente, inicia-se

o processo de disparo do ou dos semicondutores (dependendo do conversor a usar)

colocando a tensão terminal nos valores nominais em vazio.

Quando o alternador a usar for de pequeno/médio porte é mais rentável obter a

corrente inicial de excitação a partir da tensão obtida a partir da indução remanescente.

Esta forma de pré-excitação pode apresentar algumas deficiências, nomeadamente a

perda da indução remanescente, devendo ser previstos meios para o seu

restabelecimento [11].

3.1.3 Conversor de Potência

A corrente de campo necessária à excitação do alternador é fornecida pelo conversor

de potência. Este ajusta o valor da corrente de campo a partir do controlo dos

semicondutores existentes. Os diferentes tipos de conversores de potência serão

estudados no capítulo seguinte. Apesar de se poderem usar diferentes conversores de

potência, a configuração com mais ampla faixa de operação e padrão para a maioria das



aplicações é a ponte rectificadora trifásica totalmente controlada, isto porque, em caso

de desexcitação a tensão da ponte pode ser invertida de maneira a reduzir rapidamente a

corrente de excitação e impedir o surgimento de sobretensões no campo. A utilização da

ponte transistorizada apenas é possível para corrente de campo até cerca de 50 A por

razões tecnológicas [11].

Equipamento do impulso de

disparo

Ponte de

Tiristores

Unidade de

Supervisão

Figura 3.2 – Diagrama de bloco de um conversor a tiristores [7]

3.1.4 Desexcitação do Alternador

O equipamento de desexcitação é composto basicamente pelo disjuntor de campo e

por uma resistência de descarga do campo (Figura 3.3). A utilização de um disjuntor

trifásico no lado CA pode apresentar algumas vantagens, relativamente ao disjuntor de

campo CC, tais como, menor manutenção devido ao menor desgaste dos pólos do

disjuntor CA, este disjuntor é encontrado mais facilmente no mercado e oferece mais

garantias quanto à segurança operacional porque o circuito de potência fica totalmente

separado após a abertura do disjuntor CA [11].

A desexcitação do enrolamento de campo é ainda mais importante para alternadores

de elevada potência. A energia armazenada no rotor tem que ser descarregada sempre

que se interrompe a corrente de excitação, caso contrário, aparecerão tensões elevadas

que podem danificar o equipamento de excitação e o enrolamento indutor.

DC

TD

RD

EI

DC - Disjuntor de Campo

TD - Tiristor de Descarga

TSC - Tiristor sobre tensão de campo

RD - Resistência de Descarga

EI - Enrolamento indutor (Campo)

TSC

+

-

Figura 3.3 – Diagrama de blocos do sistema de desexcitação [7]



3.1.5 Regulador Automático de Tensão

O regulador automático de tensão consiste em duas unidades distintas: a unidade de

medida e a unidade de regulação. A função da unidade de medida consiste em detectar

variações na tensão de saída do alternador e produzir um sinal que opere sobre a

unidade de regulação. A unidade de regulação recebe o sinal medido e actua sobre o

conversor de potência de maneira a colocar os valores da tensão do alternador dentro

dos limites previamente definidos [12]. A Figura 3.4 mostra o diagrama do

funcionamento do regulador automático de tensão, onde, a tensão gerada pelo alternador

é medida pelo transformador de potencial (TP), o seu valor é enviado para o regulador

de tensão. Aqui, as unidades de medida e controlo reagem de maneira a enviar para o

conversor de potência o sinal adequado à regulação da tensão de saída do alternador.

Posto isto, a corrente de campo é ajustada dentro dos limites impostos por todo o

sistema de geração de energia.

Alternador

Regulador de

Tensão

U

#

Transformador de

Excitação

Equipamento de

disparo dos

Tiristores

Figura 3.4 – Representação do regulador de tensão aplicado ao sistema de excitação estático

3.1.5.1 Tipos de Reguladores de Tensão

Os reguladores de tensão podem ainda ser divididos em dois tipos: analógicos e

digitais. Ambos apresentam características próprias que devem ser tomadas em conta na

escolha da melhor solução.

No caso dos reguladores analógicos pode-se esperar maior confiabilidade sempre

que não haja redundância total no canal de controlo. Em sistemas multi-processados,

onde o controlo automático e manual estão no mesmo CPU, se não houver redundância

de CPU, perde-se todo o sistema de excitação no caso de falha. Nos sistemas

analógicos, como o controlo automático é fisicamente independente do manual, isto não

acontece. Em sistemas de grande potência (em torno de 5 MVA), a escolha de



reguladores analógicos pode se tornar economicamente vantajosa, a sua escolha deverá

ser decidida tendo em atenção uma análise de custos de todo o equipamento [11].

Nos mais recentes sistemas de excitação, os reguladores digitais ou

micro-processados, são a escolha mais óbvia. Estes reguladores apresentam diversas

vantagens relativamente aos anteriores, sendo elas:

Possibilidade de ajustes idênticos nas várias unidades que compõe uma central de

produção de energia;

Maior precisão nos ajustes;

Maior facilidade no projecto, pois a lógica do sistema de regulação é efectuado

em software amigável;

Menor quantidade de componentes activos, diminuindo desta forma a

possibilidade de falhas e necessidade de ajustes, tais como, potenciómetros,

botões de comando, medidores, reóstatos, etc;

Menor tempo de fabrico, devido à montagem do sistema de excitação ser

facilitada pela menor quantidade de fios e componentes;

Menor tempo de teste, comissionamento e start-up devido ao software de

detecção de defeitos e a não necessidade de trocas de componentes para ajuste dos

parâmetros.

3.1.5.2 Tipos de Unidade de Medida

Todas as unidades de medida, usadas nos reguladores automáticos de tensão, devem

apresentar uma referência para comparação com a tensão de saída do alternador. A

diferença entre as duas será recebida a partir do sinal de saída da unidade de medida,

sendo que, a sua precisão depende directamente da precisão da referência. Sendo assim,

este torna-se o critério mais importante na escolha da referência [12].

A unidade de medida pode ser dividida em dois tipos distintos: unidade de medida

descontínua e unidade de medida contínua.

Unidade de Medida Descontínua - Neste tipo de unidade de medida, existe uma

variação constante no sinal de saída sempre que a tensão se encontra fora dos

limites pré-estabelecidos. Por outro lado, se a tensão se mantiver dentro desses

limites, não é produzido qualquer sinal na unidade.

Unidade de Medida Contínua - A alteração da tensão de saída, para fora dos

valores pretendidos, provoca uma variação proporcional no sinal de saída da

unidade.



3.1.5.3 Tipos de Unidade de Regulação

Em qualquer sistema a unidade de regulação é usada para controlar ou sub-controlar

outras unidades. Assim como na unidade de medida, também a unidade de regulação

pode ser dividida em dois tipos distintos: Unidade de regulação descontínua e Unidade

de Regulação Contínua.

Unidade de Regulação Descontínua - Neste tipo, a taxa de variação da tensão de

saída é muitas vezes constante durante o funcionamento da unidade de medição.

Quando a unidade de medição termina a sua tarefa, a unidade de regulação

permanece na sua nova configuração independentemente de qualquer sinal.

Unidade de Regulação Contínua - A alteração do sinal proveniente da unidade

de medição deve originar proporcionalmente uma variação na tensão de saída da

unidade de regulação.

3.1.6 Controlo Protecção e Medida do Sistema de Excitação

De maneira a que seja possível o ajuste da tensão sem problemas quer para o

alternador quer para todo o sistema é necessário ter em atenção tanto o controlo, como a

medida e principalmente a protecção de todo o sistema.

3.1.6.1 Controlo do Sistema de Excitação

O controlo do sistema de excitação pode ser feito de dois modos distintos,

automático e manual.

No modo automático a tensão de saída do alternador é regulada sempre que saia dos

valores pré-definidos. Este controlo é efectuado a partir da realimentação da tensão

vinda do estator do alternador. Quando surgirem variações de carga o ajuste é efectuado

por uma malha de regulação PID. Onde P é a componente proporcional que corresponde

à amplitude do sinal de controlo, I é a componente integral que corresponde às

variações lentas da tensão e D corresponde a componente diferencial e responde às

variações rápidas da tensão. O comportamento do controlador PID será descrito ainda

neste capítulo [11].

Quanto ao modo manual este ajuste é feito por um operador. A finalidade deste

modo de operação prende-se com o facto de dar continuidade a toda a operação caso

exista algum defeito no controlo automático. O controlo manual é feito através de um

controlo em malha aberta para o valor desejável de referência da tensão aos terminais do

alternador, feita a partir da realimentação da corrente ou tensão do campo. Desta forma

apenas se consegue manter a corrente ou tensão de campo constantes. No caso de



alterações na carga é necessário o ajuste manual para correcção dos desvios

relativamente ao valor desejado. O controlo manual não é utilizado em alternadores que

estejam sujeitos a frequentes variações de carga, pois isso levaria a constantes ajustes da

corrente de excitação [11].

3.1.6.2 Protecção do Sistema de Excitação

O sistema de excitação deve incluir protecções contra curto circuitos, quer na

excitação quer aos terminais do alternador. Também os semicondutores devem ser

salvaguardados com protecção contra picos de tensão provenientes das comutações.

A protecção contra curto circuitos é efectuada a partir de fusíveis ultra-rápidos

capazes de fechar o circuito sempre que haja situação de defeito, protegendo desta

forma, todos os elementos do sistema. Contudo, a protecção contra curto-circuitos no

estator da máquina, para além do uso de fusíveis, deve ser efectuada por software

parando rapidamente a alimentação do campo do indutor e, em caso de alternadores de

grande potência, passando à desexcitação do mesmo.

3.1.6.3 Medida do Sistema de Excitação

Na regulação da tensão gerada no alternador é necessário, como visto anteriormente,

a obtenção do valor da tensão aos terminais da máquina. O valor desta tensão pode ser

obtido directamente a partir de um sensor de tensão de efeito Hall ou ainda a partir de

um transformador de potencial ligados em paralelo com os terminais do alternador. Para

além da tensão é importante a medição de outros valores de todo o sistema de geração

de energia. A corrente de excitação e a corrente gerada devem ser adquiridas,

conseguindo-se daqui, quer proteger todos os elementos contra curto-circuitos, como

calcular potências quer de excitação quer de produção. A medição das correntes pode

ser obtida também, a partir de sensores de corrente de efeito Hall assim como por

transformadores de corrente ligados em série com o circuito onde se pretende obter os

valores de corrente.

Todo o sistema de protecção deve ter em conta a curva de capabilidade do

alternador, esta delimita a região de operação do gerador síncrono definindo até que

ponto pode funcionar sem destruição dos seus enrolamentos, relacionando a potência

activa (P) com a potência reactiva do alternador (Q). A Figura 3.5 mostra a

representação simplificada de uma curva de capabilidade de um alternador, onde, AB

representa a limitação da corrente de campo, BC e DE a limitação da corrente no

estator, CD representa a limitação da fonte de energia mecânica e por último EF e FG a

limitação de sub-excitação. No desenho do sistema de excitação, a curva de



capabilidade é extremamente importante. A partir do conhecimento dos limites do

alternador, é possível proceder à excitação e obter a tensão de saída sem que haja

qualquer problema tanto no circuito de excitação como no circuito de geração.

Figura 3.5 – Curva de capabilidade do alternador [2]

3.2 Controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID)

O controlador PID é provavelmente o controlador mais utilizado actualmente em

processos industriais. A sua simplicidade e confiabilidade são características que fazem

deste controlador o mais empregado em sistemas onde, o controlo rigoroso de uma

grandeza se torna essencial [13].

A função de transferência que define o controlador PID é representada pela

equação 3.1.

(3.1)

Onde:

Ganho proporcional

Tempo integral

Tempo derivativo

Considerando como a entrada do controlador PID e sendo a saída , obtém-

se a equação 3.2 [14].

(3.2)

O controlador PID engloba três dos mais importantes controladores numa única

estrutura. A estrutura paralela do controlador PID é representada na Figura 3.6, onde

representa o erro entre a variável a controlar e a variável de referência e é a

saída do controlador PID [13].



)(sE

1

isT

1

dsT

pK)(sU

Figura 3.6 – Diagrama de blocos do controlador PID [13]

A resposta do controlador depende da acção de cada um dos seus componentes. Nos

tópicos seguintes serão apresentadas as contribuições para o sistema de cada elemento

do controlador PID. Antes da apresentação de cada uma das acções, é importante definir

algumas siglas que ajudam à interpretação deste controlador, sendo dado exemplos no

contexto deste trabalho.

PV – Variável de processo. Variável que é controlada no processo;

Exemplo: Tensão de saída do alternador.

SV ou SP – Variável de referência. Valor desejado para saída do processo;

Exemplo: Valor da tensão desejado aos terminais do alternador.

MV – Variável manipulada. Variável sobre a qual o controlador actua para

controlo do processo;

Exemplo: Valor da corrente de excitação do alternador.

Erro ou Desvio – Diferença entre o valor de referência e a variável de

processo;

Exemplo: Diferença entre a tensão desejada aos terminais do alternador e o valor

instantâneo medido.

3.2.1 Acção Proporcional

Neste tipo de controlador, a relação entre o sinal de saída e o sinal de entrada está

representada na Figura 3.7. O controlador proporcional não representa mais que um

amplificador com ganho ajustável, onde, representa o ganho proporcional.

SP

)(sE

pK)(sU

pG

Figura 3.7 – Representação do controlador proporcional (P)



Pela transformada inversa de Laplace do diagrama da Figura 3.7 obtém-se a

equação 3.3.

(3.3)

No controlador proporcional existe um erro residual permanente sempre que ocorre

uma modificação dos parâmetros do sistema a controlar. Este erro, dependente de e

dos parâmetros do sistema, pode ser minimizado com o aumento do ganho, contudo,

este aumento conduz ao aumento do tempo de estabelecimento de PV e até mesmo à

instabilidade do sistema.

3.2.2 Acção Proporcional-Integral

Enquanto no controlador proporcional, a saída apenas era dada em função do erro,

no controlador proporcional-integral a saída é função do erro mas também do integral

do erro. Por integral do erro entende-se o somatório da diferença entre SV e PV (Erro)

desde o instante inicial do processo. O diagrama de blocos deste controlador encontra-se

na Figura 3.8.

SP

)(sE

sT

KK

i

p

p )(sU

pG

Figura 3.8 – Representação do controlador proporcional-integral (PI)

Da mesma forma que no controlador proporcional, pela transformada inversa de

Laplace resulta a equação 3.4, em que (tempo integral), representa o tempo

necessário para que a contribuição da acção integral iguale a da acção proporcional.

(3.4)

Ao adicionar um pólo na origem da função de transferência do controlador

proporcional-integral, elimina-se o erro estacionário, independentemente do sistema a

controlar. Por outro lado, o tempo de estabelecimento aumenta e a estabilidade relativa

piora. O ganho da acção proporcional deve ser reduzido sempre que esta seja combinada

com a acção integral.

O controlador PI é muito utilizado quando existem frequentes variações dos

parâmetros do sistema, contudo, estas alterações devem ser lentas para evitar oscilações

produzidas pela acção integral.



3.2.3 Acção Proporcional Derivativa

No controlador PD, o sinal de controlo ( ) é proporcional ao erro e à taxa com

que o erro se altera. O facto do sinal de controlo ser proporcional à taxa de variação do

erro, implica que o modo derivativo nunca possa ser usado sozinho, uma vez que só

responde a regimes transitórios. A Figura 3.9 mostra a representação deste controlador.

SP

)(sE sTK dp 1

)(sU

pG

Figura 3.9 – Representação do controlador proporcional-derivatico (PD)

Pela transformada inversa de Laplace tem-se a equação 3.5.

(3.5)

Com a inclusão do modo derivativo ao proporcional obtém-se um controlador muito

sensível, uma vez que, ao responder à taxa de variação do erro, efectua correcções

mesmo antes de este ser elevado. Apesar de este controlador não afectar directamente o

erro estacionário, adiciona amortecimento ao sistema (melhora a estabilidade)

permitindo assim o uso de valores de mais elevados, o que por sua vez, implica um

menor erro estacionário.

3.2.4 Acção Proporcional-Integral-Derivativa (PID)

Este controlador, muito utilizado em vários processos, resulta da combinação das

várias acções descritas. Pode dizer-se que resulta num compromisso entre as vantagens

e desvantagens do controlador PI e do controlador PD.

Desta forma, pode concluir-se que, o modo integral é usado na eliminação do erro

estacionário causado por grandes variações dos parâmetros do sistema, enquanto, o

modo derivativo permite o aumento do ganho ( ) e diminui as oscilações do sistema

aumentando desta forma a sua velocidade de resposta. A Figura 3.10 mostra o diagrama

de blocos do controlador PID.

SP

)(sE

sT

sTK d

i

p

11

)(sUpG

Figura 3.10 – Representação do controlador proporcional-integral-derivativo (PID)



Pela transformada inversa de Laplace tem-se a equação 3.6.

(3.6)

Para o controlador PID é esperada a resposta apresentada na Figura 3.11, onde a

variável manipulada é ajustada para o valor da variável de referência através das acções

dos diferentes elementos que compõem o controlador. Assim, a partir do controlador

PID consegue-se uma resposta precisa e suave na saída do processo onde este é

aplicado.

Figura 3.11 – Resposta esperada do controlador PID [13]

3.3 Reguladores Automáticos de Tensão no Mercado

Existem no mercado várias soluções que possibilitam a regulação da tensão aos

terminais de alternadores, quer de grande como pequena potência. Neste tópico será

feito um estado da arte onde serão apresentados alguns equipamentos existentes no

mercado.

3.3.1 Regulador R231 da Leroy Somer

A empresa Leroy Somer apresenta vários reguladores de tensão, entre eles, o

regulador R231 (Figura 3.12) para excitatrizes rotativas CC.

Figura 3.12 – Regulador R231 da Leroy Somer



As principais características deste regulador automático de tensão são:

Regulação de tensão da ordem dos ;

Gama de detecção/alimentação de 85 a 139 V (50/60 Hz);

Tempo de resposta rápida (500 ms) para uma amplitude de variação de tensão

transitória de ;

Regulação da tensão de saída;

Regulação da estabilidade de saída;

Protecção da alimentação por fusível de 8 A, acção lenta (tolerância de 10 A

durante 10 s);

Frequência: 50/60 Hz

Protecção contra baixa velocidade do alternador;

Permite regulação à distância.

3.3.2 Regulador Unitrol 1000 da ABB

A ABB também se dedica à produção de reguladores de tensão para máquinas

síncronas. O Unitrol 1000 representa uma proposta da empresa para alternadores de

pequeno porte para excitatrizes estáticas. Trata-se de um equipamento pequeno mas

muito eficaz na regulação da tensão. A Figura 3.13 mostra o aspecto deste regulador.

Figura 3.13 – Regulador Unitrol 1000 da ABB [15]

O regulador Unitrol 1000 apresenta as seguintes características:

Regulador de tensão com algoritmo PID;

Regulador de factor de potência com algoritmo PID;

Regulador de potência reactiva com algoritmo PID;

Regulador de corrente de excitação (controlo manual) com algoritmo PI;

Valores digitais de referência internos;

Transferência entre todos os modos de operação;



Função soft-start;

Compensador de corrente reactiva, para operação de linha;

Distribuição de potência reactiva entre as máquinas em paralelo através do RS

485;

Comunicação série Modbus;

Limitador Volts/Hertz;

Limitador de corrente de excitação mínima;

Limitador de corrente máxima de excitação em três níveis temporizados

(dependente da temperatura);

Limitador de corrente reactiva em função da potência activa (P/Q);

Limitador da tensão do estator;

Limitador de corrente do estator (dependente da temperatura);

Distribuição de potência reactiva Mestre/Escravo;

Detecção de subtensão para disparar uma corrente externa e suportar

curto-circuitos;

Controle da tensão de saída em circuito aberto, para fins de teste;

Função teste em degrau integrada;

Modo Stand-by para o sistema de canal redundante;

Sinais de Alarmes e Trip;

3.3.3 Regulador Digureg da Simens

A Siemens desenvolveu um regulador de tensão para geradores de pequeno porte

com excitatrizes rotativas CA (brushless). O regulador Digureg compreende na sua

constituição um regulador de tensão integrado e uma secção de potência formando uma

unidade compacta.

O regulador digureg apresentado na Figura 3.14 apresenta os seguintes limitadores

necessários para a regulação da tensão [16]:

Sobreexcitação;

Subexcitação;

Corrente de Field Forcing Limiter;

Corrente estática;

Tensão/Frequência (V/Hz).

Para além dos limitadores descritos, o regulador Dirureg apresenta as seguintes

características [16]:

Monitorização dos diodos rotativos de excitatrizes sem escovas;



Estabilizador do sistema de potência (PSS);

Sincronizador automático (substitui um relé de sincronismo).

O regulador possui as seguintes formas de interface:

Contactos livres de potencial;

Comunicação serial PROFIBUS DP ou ModBUS;

Figura 3.14 – Regulador Digureg da Siemens [16]



Capítulo 4

Conversores Electrónicos de Potência

Os conversores electrónicos de potência são parte integrante dos sistemas de

excitação, estes modelam a corrente criadora do campo do indutor. Dependendo do tipo

de excitatriz, a alimentação dos conversores pode ser feita a partir de corrente alternada

ou corrente contínua. Como a corrente criadora do campo do alternador é contínua

torna-se necessário rectificar e/ou ajustar essa corrente.

Assim, neste capítulo apresentar-se-ão os diferentes conversores electrónicos de

potência capazes de converter corrente alternada em corrente contínua (CA/CC) e

conversores que possibilitam o ajuste da corrente contínua (CC/CC).

4.1 Conversores CA/CC

Os conversores CA/CC convertem a corrente proveniente de sistemas alternados em

corrente contínua a partir de pontes rectificadoras que podem ser não controladas ou

controladas (rectificadores). Os rectificadores podem ser monofásicos ou trifásicos

dependendo da aplicação.

4.1.1 Rectificador Monofásico Não Controlado em Ponte

Completa

O rectificador monofásico não controlado utiliza diodos como elementos de

rectificação. A Figura 4.1 apresenta o esquema eléctrico do rectificador não controlado.

AC AC AC

(a) (b) (c)

Figura 4.1 – Rectificador monofásico:

(a) sem filtro (b) filtro capacitivo (c) filtro indutivo

Dependendo do tipo de filtro do lado CC do rectificador, este apresenta diferentes

tipos de forma de onda, tanto à entrada como à saída. Compreende-se como filtro,

capacitivo e indutivo. A Figura 4.2 mostra as formas de onda do rectificador

monofásico não controlado sem filtro do lado CC.



V

A

V

A

Tensão de Entrada Corrente de Entrada

Tensão de Saída Corrente de Saída

Figura 4.2 – Formas de onda da tensão na entrada e saída do rectificador monofásico não controlado sem

filtro

Caso o filtro do lado CC do rectificador seja capacitivo, este apresenta na entrada e

na saída as formas de onda da tensão e corrente da Figura 4.3

V

A

V

A



Figura 4.3 - Formas de onda da tensão de entrada e saída do rectificador monofásico não controlado com filtro

capacitivo

No caso do filtro do lado CC ser indutivo, o rectificador apresenta as formas de onda da

Figura 4.4.



V

A

V

A

Figura 4.4 - Formas de onda da tensão de entrada e saída do rectificador monofásico não controlado com filtro

indutivo



4.1.2 Rectificador Monofásico Semi-Controlado

O rectificador monofásico semi-controlado comporta diodos e tiristores como

elementos de rectificação. Da mesma forma que os rectificadores não controlados, a

saída dos rectificadores depende do tipo de filtro a utilizar. A principal vantagem do uso

de rectificadores semi-controlados é o facto de ser possível o ajuste do valor médio da

tensão de saída a partir do controlo do ângulo de disparo dos tiristores, apenas da parte

positiva da tensão de entrada. A parte negativa da tensão de entrada continuará a ser

rectificada a partir dos diodos que compõe o rectificador. A Figura 4.5 mostra o

esquema eléctrico do rectificador semi-controlado para os diferentes tipos de carga.

AC AC AC

(a) (b) (c)

Figura 4.5 – Ponte rectificadora monofásica semi-controlada:


Da mesma forma que no rectificador não controlado, o rectificador semi-controlado

apresenta diferentes formas de onda de acordo com o filtro do lado CC. A

Figura 4.6 apresenta as formas de onda da tensão e corrente na entrada e saída do

rectificador quando este não apresenta qualquer filtro na sua saída.

V

A

V

A

Corrente de EntradaTensão de Entrada


Figura 4.6 – Formas de onda da tensão e corrente de entrada e saída do rectificador monofásico

semi-controlado sem filtro para um ângulo de 90º

Para um rectificador semi-controlado com filtro capacitivo obtém-se as formas de

onda das tensões e correntes da Figura 4.7.



V

A

V

A

Corrente de EntradaTensão de Entrada

Corrente de SaídaTensão de Saída

Figura 4.7 - Formas de onda da tensão e corrente de entrada e saída do rectificador monofásico

semi-controlado com filtro capacitivo para um ângulo de disparo dos tiristores de 90º

Para um rectificador monofásico semi-controlado com filtro indutivo resulta as

formas de onda da Figura 4.8.

V

A

V

A


Corrente de SaídaTensão de Saída

Figura 4.8 - Formas de onda da tensão e corrente de entrada e saída do rectificador monofásico

semi-controlado com filtro indutivo para um ângulo de disparo dos tiristores de 90º

4.1.3 Rectificador Monofásico Totalmente Controlado

O rectificador monofásico totalmente controlado, ao contrário do semi-controlado,

utiliza apenas tiristores como elementos de rectificação. A utilização de apenas estes

elementos possibilita o ajuste do valor médio da tensão de saída do rectificador,

podendo ser controlado quer a parte positiva quer a parte negativa da tensão de entrada.

Desta forma, consegue-se obter uma variação do valor médio da parte CC do

rectificador, desde zero até ao valor máximo da tensão de entrada. A Figura 4.9

apresenta a topologia do rectificador monofásico totalmente controlado para os

diferentes tipos de filtros.



AC AC AC

(a) (b) (c)

Figura 4.9 – Ponte rectificadora monofásica totalmente controlada:


Para o funcionamento do rectificador sem filtro do lado CC, resultam as formas de

onda da Figura 4.10.

V

A

V

A



Figura 4.10 – Formas de onda da tensão e corrente de entrada e saída do rectificador monofásico totalmente

controlado sem carga do lado CC para um ângulo de 120º

Da mesma forma que os rectificadores apresentados anteriormente, também aqui, o

tipo de filtro do lado CC pode variar. O resultado da rectificação totalmente controlada

para uma saída com filtro capacitivo está representado na Figura 4.11.

V

A

V

A



Figura 4.11 - Formas de onda da tensão e corrente de entrada e saída do rectificador monofásico totalmente

controlado com filtro capacitivo para um ângulo de 120º



Quando o rectificador passa a ter filtro indutivo, este apresenta as formas de onda da

tensão e corrente de entrada e saída da Figura 4.12.

V

A

V

A



Figura 4.12 - Formas de onda da tensão e corrente de entrada e saída do rectificador monofásico totalmente

controlado com filtro indutivo para um ângulo de 120º

Como se pôde verificar, em qualquer dos rectificadores, as formas de onda variam

consoante o filtro que é aplicada ao rectificador. No caso de uma saída apenas com

carga resistiva, as formas de onda na saída mantêm-se iguais às da tensão de entrada,

quer para o rectificador não controlado quer a partir do momento de abertura dos

tiristores no rectificador controlado. Quando o filtro é capacitivo ou indutivo, as formas

de onda da tensão ou corrente diminuem o ripple. No caso de um filtro capacitivo é o

ripple da tensão que diminui, diminuindo o ripple da corrente quando o filtro for

indutivo.

4.1.4 Rectificador Trifásico Não Controlado em Ponte

Completa

O rectificador trifásico não controlado apresenta um funcionamento semelhante ao

rectificador monofásico. A Figura 4.13 mostra a topologia do rectificador trifásico não

controlado com ligação a diferentes tipos de filtros do lado CC.

(a) (b) (c)

Figura 4.13 - Ponte rectificadora trifásica não controlada:




Ao acrescentar-se um braço no rectificador torna-se possível a rectificação da tensão

vinda de alimentações trifásicas, apresentando um menor ripple na corrente ou tensão,

quando utilizados filtros indutivos ou capacitivos, que os rectificadores monofásicos. As

formas de onda da entrada e saída da corrente e tensão do rectificador trifásico não

controlado estão representadas na Figura 4.14.

V

V

V

V

A


Vab Vbc Vca Ia Ib Ic

A

A

A

Figura 4.14 – Formas de onda da tensão e corrente de entrada e saída do rectificador trifásico não controlado

sem filtro do lado CC

As formas de onda das tensões e correntes para um filtro capacitivo apresentam a

forma representada na Figura 4.15.

V

V

V

V

A


A

A

A


Figura 4.15 - Formas de onda da tensão e corrente de entrada e saída do rectificador trifásico não controlado

com filtro capacitivo

No caso de o filtro do lado CC do rectificador ser indutivo, ao contrário de um

alisamento da tensão, tem-se uma diminuição do ripple da corrente na saída do

rectificador. Para um rectificador trifásico não controlado com filtro indutivo, as formas

de onda são apresentadas na Figura 4.16.



V

V

V

V

A

A

A

A



Figura 4.16 – Formas de onda da tensão e corrente de entrada e saída do rectificador trifásico não controlado

com filtro indutivo

4.1.5 Rectificador Trifásico Semi-Controlado

Da mesma forma que o rectificador monofásico semi-controlado, o rectificador

trifásico semi-controlado apresenta tiristores e diodos como elementos de rectificação.

O valor médio da tensão pode variar, dentro da parte positiva da tensão de entrada, de

acordo com o ângulo de disparo dos tiristores. A rectificação da parte negativa da tensão

de entrada, tal como no monofásico, fica a cargo dos diodos. A Figura 4.17 apresenta a

topologia do rectificador trifásico semi-controlado para diferentes tipos de filtro.

(a) (b) (c)

Figura 4.17 - Ponte rectificadora trifásica semi-controlada:


Na inexistência de qualquer filtro do lado CC, o rectificador apresenta as formas de

onda da Figura 4.18.



V

V

V

V

A

A

A

A

IcVab Vbc Vca Ia Ib


Figura 4.18 - Formas de onda da tensão e corrente de entrada e saída do rectificador trifásico semi-controlado

sem filtro para um ângulo de disparo de 120º

No caso dos rectificadores trifásico semi-controlado é importante salientar que entre

0º e 30º, tendo como referência o ciclo da tensão de linha ao qual está conectado, o

tiristor não pode entrar em condução, pois, durante esse intervalo de tempo o mesmo

está inversamente polarizado. No entanto, é possível efectuar um controlo no

accionamento entre 30º e 210º, resultando daqui uma faixa de controlo de 180º.

As formas de onda da entrada e saída do rectificador trifásico semi-controlado para

um filtro capacitivo estão representadas na Figura 4.19.

V

V

V

V

A

A

A

A

IcVbc Vca IbVab Ia



com filtro capacitivo para um ângulo de disparo de 90º

Para além do filtro referido, tal como nos outros rectificadores, há ainda a

possibilidade de o rectificador trifásico semi-controlado apresentar filtro indutivo. Na

Figura 4.20 são apresentadas as formas de onda das tensões e correntes na entrada e na

saída do rectificador apresentado.



V

V

V

V

A

A

A

A

VcaVab Vbc Ia Ib Ic



com filtro indutivo para um ângulo de disparo de 120º

4.1.6 Rectificador Trifásico Totalmente Controlado

Como visto no Capítulo 3, o rectificador trifásico totalmente controlado é o

conversor de potência padrão em quase todos os sistemas de excitação. Até aqui

descreveu-se o comportamento das diferentes topologias de rectificadores quando

utilizados diferentes filtros. No estudo do rectificador trifásico totalmente controlado

mostrar-se-á o comportamento do rectificador com filtro indutivo, uma vez que, o

enrolamento do indutor, onde será aplicada corrente contínua, apresenta comportamento

indutivo. Serão apresentadas formas de onda para diferentes ângulos de disparo dos

tiristores que compõe exclusivamente o rectificador trifásico totalmente controlado. O

valor da corrente criadora do campo do alternador vai depender do ângulo definido para

o disparo dos tiristores, ou seja, ao alterar-se o valor médio da tensão de saída do

rectificador consegue-se aumentar ou diminuir o valor da corrente de excitação,

necessária para criar o campo, e assim manter o valor da tensão gerada dentro dos

valores pretendidos. A Figura 4.21 mostra o rectificador em questão alimentando uma

carga indutiva.

Sistema

Trifásico

Figura 4.21 - Rectificador trifásico totalmente controlado com filtro indutivo



O valor médio da corrente de saída para diferentes ângulos de disparo será mostrado

nas seguintes figuras. Assim, a Figura 4.22 apresenta os valores da tensão e corrente de

saída para um ângulo de 30º.

V

V

V

V

A

Corrente de Saída

Vab Vbc Vca Tensão de Saída

Figura 4.22 - Formas de onda da tensão e corrente de saída do rectificador totalmente controlado com filtro

indutivo com um ângulo de disparo de 30º

Para um ângulo de disparo de 60º tem-se as formas de onda da Figura 4.23.

V

V

V

V

A

VcaVbcVab Tensão de Saída

Corrente de Saída

Figura 4.23 - Formas de onda da tensão e corrente de saída do rectificador totalmente controlado com filtro

indutivo para um ângulo de disparo de 60º

Ao alterar-se o valor do ângulo de disparo dos tiristores verifica-se que o valor

médio da corrente de saída do rectificador altera-se. O valor da corrente de saída pode

alterar entre 0 e o valor máximo fornecido pela fonte, esta característica faz do

rectificador trifásico totalmente controlado o mais usado em sistemas de excitação.

4.2 Valor Médio da Tensão de Saída dos Rectificadores

O valor médio da tensão na saída do rectificador monofásico não controlado é

calculado a partir da equação 4.1 onde é o valor máximo da tensão de entrada,



o valor médio da tensão de saída, o número de pulsos da tensão de saída do

rectificador e .e os limites de integração da tensão de entrada.

(4.1)

4.3 Topologia dos Conversores de Corrente Contínua

Diversas aplicações exigem o ajuste da tensão contínua para o seu normal e correcto

funcionamento. Existem circuitos electrónicos capazes de aumentar ou diminuir a

tensão contínua aplicada às cargas, a esses circuitos dá-se o nome de conversores CC-

CC, podendo ser de dois tipos diferentes:

Conversores CC-CC sem Isolamento

Conversores CC-CC com Isolamento

A principal diferença entre os dois tipos de conversores está no isolamento entre a

entrada e saída. Nos conversores sem isolamento não existe qualquer isolamento o que,

em caso de avaria dos componentes que os constituem poderá a afectar e danificar as

cargas onde estes são empregues. No caso de conversores CC-CC isolados existe

isolamento entre a entrada e a saída, feito através de um transformador de frequência

[17].

4.4 Conversores CC-CC sem isolamento

Sempre que não seja necessário o isolamento entre a entrada e a saída do conversor,

pode-se utilizar este tipo de topologia pois apresenta uma construção relativamente

simples e um bom desempenho. As principais montagens dos conversores sem

isolamento são:

Conversor Step-Down (diminui a tensão de entrada)

Conversor Step-Up (aumenta a tensão de entrada)

Conversor Step-Up/Step Down (aumenta ou diminui a tensão de entrada)

4.4.1 Conversor Step-Down

A utilização deste conversor está associado a aplicações onde seja necessário o

ajuste da tensão de uma fonte de corrente contínua, para valores menores que os

fornecidos. O circuito da Figura 4.24 ilustra o esquema eléctrico deste tipo de

conversor.



Vd

Q1

C1C2

L1

R1D1 V0

+

-

Figura 4.24 – Conversor Step-Down

A tensão de saída é controlada a partir do interruptor Q1 colocado em série com a

fonte. A relação entre a tensão de entrada ( ) e a tensão de saída ( ) é dada em função

da razão cíclica (D) de acordo com a equação 4.2 [18].

(4.2)

A saída do conversor é pulsada, daí estes conversores serem conhecidos como fontes

comutadas. Por este facto, este tipo de conversores pode tornar-se impróprio para

dispositivos sensíveis, este problema é ultrapassado usando um filtro LC de modo a

filtrar a corrente vinda do conversor, conseguindo-se desta forma uma saída constante

[17] [18].

4.4.2 Conversor Step-Up

A alteração da disposição dos elementos, que compõe o conversor não isolado, faz

com que outras topologias sejam possíveis de realizar. O conversor Step-Up possibilita

o ajuste da tensão de saída para valores superiores à tensão de entrada. O esquema

eléctrico simplificado deste conversor é apresentado na Figura 4.25.

VdQ1

C1C2

L1

R1

D1

V0

+

-

Figura 4.25 – Conversor Step-Up

Com esta disposição dos elementos é possível, a partir da razão cíclica ( ), ajustar a

tensão de saída. A relação entre a tensão de entrada e saída do conversor é dado pela

equação 4.3 [18].

(4.3)



4.4.3 Conversor Step-Up/Step-Down

Quando se pretende obter uma tensão estável, necessário para cargas sensíveis a

alterações da fonte de alimentação, este conversor apresenta-se como a melhor escolha.

Sempre que a fonte de tensão contínua não se apresenta constante o conversor

step-up/step-down mantém a tensão de saída no valor pretendido para uma tensão de

entrada variável. A Figura 4.26 mostra a configuração deste conversor.

Vd

Q1

C1C2L1 R1

D1

V0

+

-

Figura 4.26 – Conversor Step-Up/Step-Down

A tensão de saída depende do valor da razão cíclica ( ) onde, para valores inferiores

a 0,5 , em que é período da onda quadrada aplicada ao semicondutor, coloca na

saída valores inferiores à tensão de entrada. Para valores de razão cíclica superiores a

0,5 , a saída é superior à entrada. A relação da tensão de saída com a tensão de entrada

é expressa a partir da equação 4.4 [17].

(4.4)

O conversor Step-Up/Step-Down é construído usando um Step-Up e um Step-Down

em cascata [17].

4.5 Conversores CC-CC com Isolamento

Os conversores CC-CC com isolamento são muito utilizados em situações onde o

isolamento galvânico entre a entrada e saída seja importante. O isolamento é conseguido

a partir de um transformador em modo de comutação com uma frequência superior à de

alimentação. Ao utilizar um transformador de alta frequência, este pode apresentar

dimensões reduzidas, tanto mais reduzidas quanto maior for a frequência de comutação.

Existem diversos conversores isolados sendo que os dois principais são o conversor

Flyback e o conversor Forward. Existem ainda outros conversores, sendo que qualquer

um deles deriva destes dois sendo eles:

Double-Ended;

Push-Pull;

Full Bridge;

Half Bridge



4.5.1 Conversor Flyback

O conversor flyback deriva do conversor step-up/step-down visto em 4.4.3, onde o

elemento indutor é substituído por um transformador de alta frequência proporcionando

desta forma o isolamento entre a entrada e a saída do conversor CC-CC. A Figura 4.27

mostra o conversor flyback onde os dois enrolamentos que constituem o transformador

estão representados pelo circuito equivalente [18].

mL

21 : NN

+

-

dV

+

-

0V+

-

mL

21 : NN

+

-

dV

+

-

0V+

- +

-

1v

1v 2v

(a)

(b)

Q1

Q1

D1

D1

+

-2v

Figura 4.27 – Conversor flyback nos estados:

(a) semicondutor Q1 conduz (b) semicondutor Q1 não conduz [18]

Quando o interruptor Q1 conduz, pela polaridade dos enrolamentos do

transformador, o diodo D1 encontra-se inversamente polarizado. A corrente contínua

faz aumentar o fluxo magnético na indutância do primário, magnetizando o núcleo do

transformador que aumenta linearmente desde o valor inicial . A equação 4.5

define o fluxo armazenado no núcleo desde o instante inicial 0 até o interruptor Q1 abrir

( ), define o número de espiras do primário do transformador [18].

(4.5)

O pico de fluxo no final de é dado pela equação 4.6.

(4.6)

Quando acaba o interruptor Q1 deixa de conduzir interrompendo a corrente

contínua de magnetização. A energia armazenada no núcleo do transformador flui agora

no enrolamento secundário através do diodo D1. A tensão no enrolamento secundário é



inversa à tensão de saída ( ) fazendo com que o fluxo diminuía também de

forma linear durante o tempo que o interruptor Q1 não conduz. A equação 4.7 define

como o fluxo diminui no secundário, onde representa o período de comutação do

interruptor [18].

(4.7)

A Figura 4.28 mostra as formas de onda do comportamento do conversor flyback.

Figura 4.28 – Formas de onda do conversor Flyback [18]

Da mesma forma que nos conversores CC-CC não isolados, a tensão de saída é

ajustada de acordo com a razão cíclica ( ) aplicada ao interruptor. No conversor

flyback, para além da razão cíclica também a relação de transformação do transformador

(

) vai definir o valor da tensão de saída do conversor. Assim, a equação 4.8 mostra a

relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada.

(4.8)

4.5.2 Conversor Forward

O conversor forward deriva do conversor step-down apresentado em 4.4.1. Também

este conversor proporciona isolamento galvânico entre a entrada e saída do conversor

através de um transformador de frequência. A Figura 4.29 apresenta uma idealização

deste tipo de conversor.



L21 : NN

+

-

dV

+

-

0V

+ -Lv

Q1

D1

D2

Figura 4.29 – Conversor Forward ideal [18]

Quando o interruptor Q1 conduz, D1 fica directamente polarizado e D2

inversamente polarizado. A tensão na indutância será, em função da relação de

transformação (

), dada pela equação 4.9. A tensão é positiva ou seja a corrente na

bobina ( ) aumenta.

(4.9)

Quando o interruptor passa para o estado de não condução, a corrente na bobina ( )

circula através do diodo e a tensão aos terminais da indutância altera o sinal. A

equação 4.10 mostra isso mesmo.

(4.10)

Com a troca de sinal da tensão , a corrente diminui linearmente. A equação 4.11

mostra o rácio da tensão de saída num conversor forward que é proporcional à razão

cíclica , similarmente ao conversor Step-Down [18].

(4.11)

Na implementação prática do conversor forward, a corrente de magnetização deve

ser tomada em consideração de maneira a proporcionar o correcto funcionamento do

conversor. Caso contrário, a energia armazenada no núcleo do transformador pode levar

à falha do conversor forward. Para uma aproximação prática deste conversor supõe-se

que a energia magnética armazenada no transformador é recuperada e volta para a

entrada do conversor. A Figura 4.30 mostra uma aproximação ao comportamento real

do transformador no conversor forward [18].



+

-

dV

+

-

0V

+ -Lv

D1

D2

Li

2N3N

D3

1N

Figura 4.30 – Conversor forward (representação prática) [18]

Para o estudo do conversor forward, nos diferentes estados do seu funcionamento,

torna-se necessário perceber o seu comportamento nesses mesmos estados. Para tal usa-

se o circuito da Figura 4.31 onde o transformador é representado pelo seu circuito

equivalente, onde, as indutâncias parasitas são desprezadas para o estudo.

+

-

dV

+

-

0V

+ -Lv

D1

D2

Li

2N

3N

D3

1N

3i

1i

+

-

+

-

swv

swi

1vmL

mi

Ideal

2i +

-

oiv

Figura 4.31 – Conversor forward representado com o circuito equivalente do transformador [18]

Quando o interruptor se encontra no estado de condução tem-se a equação 4.12.

(4.12)

A corrente aumenta linearmente desde zero até que o interruptor passe para o

estado de não condução, nesse instante apresenta o seu valor máximo. A partir daqui

, onde todas as correntes do circuito apresentam as direcções representadas na

Figura 4.31 e onde . Pelo facto de nesse instante se encontrar

inversamente polarizado, e por esse motivo obtém-se a corrente (equação

4.13) que é a corrente que flui pelo diodo para a fonte que alimenta o conversor.

(4.13)

Durante o intervalo da Figura 4.32, quando a corrente flui, a tensão no

primário do transformador bem como da indutância de magnetização é dada pela

equação 4.15.



(4.15)

Uma vez concluída a desmagnetização do núcleo do transformador, a corrente de

magnetização fica com o valor de zero assim como a tensão no enrolamento do primário

do transformador. O intervalo de tempo pode ser obtido a partir da equação 4.16,

onde é o período da onda quadrada aplicada ao semicondutor utilizado no conversor

forward e D a razão cíclica dessa mesma onda quadrada.

(4.16)

Para ser garantida a total desmagnetização do transformador do conversor, a

definição do valor máximo da razão cíclica torna-se indispensável. A equação 4.17

mostra como se calcula o valor máximo admitido pelo conversor.

(4.17)

A Figura 4.32 apresenta as formas de onda para o funcionamento do conversor

forward.

t

1v

dV

dVN

N

3

1

mt

offtont

sT

t

0

swi

1i mi

mii 1

t

Li

Figura 4.32 – Formas de onda do conversor forward [18]



Capítulo 5

Implementação do Regulador da Corrente de

Excitação do Alternador

Neste capítulo serão descritos os passos que conduziram à implementação do

regulador da corrente de excitação de um alternador, nomeadamente o circuito de

potência e o circuito de comando e regulação. O alternador para o qual se pretende o

controlo da tensão de saída é o HCM434D da Stamford accionado por um motor de

combustão rodando à velocidade nominal de sincronismo do alternador. Este alternador

apresenta na ficha técnica 200 kVA 380/190 V e está representado na Figura 5.1 Apesar

da tensão nominal do alternador ser de 380 V pretende-se que o sistema implementado

seja capaz de proporcionar uma variação da tensão de saída do alternador entre 360 e

400 V.

Alternador

Motor de

Combustão

Figura 5.1 - Alternador HCM434D da Stamford acoplado ao motor de combustão

O circuito de potência consiste basicamente no transformador de excitação, no

rectificador monofásico e no conversor flyback que alimentará o enrolamento do

indutor. O circuito de comando engloba a unidade medida e a unidade de controlo. Na

Implementação do Regulador da Corrente de Excitação do Alternador


unidade de medida constam sensores de tensão e corrente de efeito Hall para a medição

dos valores da tensão de saída do alternador e da corrente de excitação, enquanto a

unidade de controlo apresenta o drive do semicondutor (MOSFET). Todos os sinais

recebidos da unidade de medida, assim como os sinais enviados para a unidade de

controlo provêm do microcontrolador que é o centro de todo o sistema. Tanto o circuito

de potência como o circuito de comando foram previamente montados e testados em

breadboard com todo o sistema em funcionamento, excepto a ligação ao enrolamento

indutor. Posteriormente, foram projectados os esquemáticos dos circuitos da unidade de

controlo e da unidade de medida com as respectivas alimentações e desenvolvidas as

placas de circuito impresso. A placa do circuito de potência foi desenvolvida numa

placa perfurada standard.

5.1 Descrição do Sistema Desenvolvido

Para a construção do regulador foram seguidos vários passos até à implementação

do mesmo. O diagrama simplificado do regulador proposto é apresentado na Figura 5.2,

onde a cada bloco corresponde um elemento constituinte do sistema de excitação.

Apesar de inicialmente ter sido proposto a utilização de um rectificador trifásico

optou-se pela utilização de um monofásico por motivos que se prendem com o material

e inexistência de alimentação trifásica no laboratório para testes.

Induzido do

Alternador

Conversor

Flyback

Enrolamento

Indutor do

Alternador

Rectificador

Monofásico

Transformador

de Excitação

(monofásico)

Figura 5.2 – Diagrama de blocos simplificado do sistema de excitação implementado

5.2 Circuito de Potência do Sistema de Excitação

Neste item é apresentado e descrito o circuito de potência, nomeadamente, o

transformador de excitação, o rectificador monofásico e respectivo filtro assim como o

conversor flyback. Todos estes elementos constituem o circuito que irá criar o campo do

alternador, através da injecção de corrente contínua no enrolamento do indutor. Na

Figura 5.3 está apresentado o circuito de potência com todos os elementos que o

constituem.



Conversor

Flyback

Transformador

de Excitação

Rectificador

Monofásico

Figura 5.3 – Circuito de potência com todos os elementos constituintes

5.2.1 Transformador de Excitação

O transformador de excitação é ligado entre duas fases do alternador, obtendo-se a

tensão necessária para a alimentação do campo. A Figura 5.4 mostra o transformador

utilizado para alimentar o sistema de excitação.

Figura 5.4 – Transformador de excitação utilizado

Como a ligação do transformador faz-se no ponto médio do enrolamento do

induzido consegue-se obter uma tensão de alimentação de 190 V. A potência máxima

admissível para a excitação é de 35 W logo, o transformador deve ser dimensionado

para conseguir fornecer esta potência sem danificar os enrolamentos. O transformador

apresenta uma relação de transformação de·

com uma potência de 50 VA.



5.2.2 Rectificador Monofásico

Como a corrente criadora do campo do alternador é contínua, sendo a tensão aos

terminais do gerador alternada, torna-se necessário a sua rectificação a fim de poder ser

aplicada ao conversor flyback para posterior injecção no enrolamento do indutor. Como

dito em 5.1 substitui-se o rectificador trifásico, definido inicialmente, por um

rectificador monofásico não controlado com filtro capacitivo capaz de colocar na saída

uma tensão contínua com o menor ripple possível. A Figura 5.5 mostra o esquema

eléctrico do rectificador monofásico implementado.

+

-

V0 (Conversor Flyback)

Transformador de

Excitação

Rectificador Monofásico não

Controlador com Filtro Capacitivo

Metade do

Enrolamento do

Induzido

Figura 5.5 - Rectificador monofásico implementado ligado a metade do enrolamento do induzido

Pretende-se desta forma rectificar a tensão proveniente do secundário do TE (32 V),

isto porque a tensão de alimentação do circuito de potência é retirada de metade do

enrolamento do induzido onde haverá uma variação na tensão entre 180 e 200 V.

Utilizou-se a ponte rectificadora TS4B05G da Taiwan Semiconductor Company, Ltd

(TSA) de 600 V/4 A para a rectificação. A Figura 5.6 mostra a montagem do

rectificador monofásico [19]. A tensão de saída do rectificador em vazio é igual ao pico

da tensão de entrada e calcula-se a partir da equação 5.1.

(5.1)

Filtro do

Rectificador

Rectificador

TSB05G

Figura 5.6 – Montagem do rectificador monofásico com filtro capacitivo




A tensão aplicada ao enrolamento indutor resulta da razão cíclica ( ) na gate do

semicondutor utilizado no conversor flyback. O projecto do conversor resulta

essencialmente do dimensionamento do transformador, pois é a partir deste que a

energia proveniente do rectificador monofásico será transferida para a saída do

conversor. O conversor flyback, visto em 4.5.1, apresenta isolamento galvânico entre a

entrada e saída, o que fornece ao sistema mais uma protecção. Em caso de avaria do

interruptor, a alimentação do campo do alternador é cessada não havendo sobre

excitação.

O transformador do conversor flyback, como se viu em 4.5.1, armazena energia

durante o estado a on do semicondutor, transferindo a energia armazenada no núcleo

para a saída durante o estado a off. O transformador deve ser capaz de suportar a energia

aplicada sem destruir os enrolamentos que o constituem. Para tal tornou-se necessário o

cálculo da indutância de magnetização do primário do transformador para a carga

máxima e tensão mínima da entrada. A equação 5.2 mostra como se conseguiu obter o

valor da indutância do primário do transformador [20].

(5.2)

Onde:

Tensão mínima da entrada: devido ao campo magnético remanescente do

entreferro ( 90 V)

Razão cíclica máxima admissível pelo conversor (60%)

Frequência de comutação (50 kHz)

Potência de entrada ( )

Factor de ripple (0,4-0,8 para a Europa)

Para o desenho do transformador, as características do núcleo de ferrite usado, foram

aspectos importantes a ter em conta. O conhecimento destas características possibilitou

o cálculo do número mínimo de espiras para o primário do transformador, que se obtém

a partir da equação 5.3 [20].

(5.3)

Onde:

Indutância de magnetização do primário (equação 5.2)



Corrente máxima pulsada admitida pelo semicondutor (datasheet do

MOSFET)

Saturação da densidade de fluxo do núcleo de ferrite (obtida a partir do

datasheet do núcleo de ferrite)

Área da secção transversal do núcleo (obtido a partir do datasheet)

O número de espiras do secundário depende do valor da relação de transformação

pretendida. Neste trabalho optou-se por uma relação de transformação de 1:1, logo o

número de espiras do secundário é igual ao número de espiras obtidas para o primário.

A Figura 5.7 mostra a área de janela ( ) e a área da secção transversal ( ) do núcleo

de ferrite para um transformador flyback.

Figura 5.7 – Área da janela ( ) e área da secção transversal ( ) do núcleo de ferrite do transformador do

conversor flyback [20]

O conversor flyback recebe a tensão do rectificador transferindo-a para a saída

(enrolamento do indutor), sendo o seu valor definido pela razão cíclica do PWM (pulse-

width modulation). Como a relação de transformação do transformador flyback é de 1:1,

para uma razão cíclica de 50%, surgirá na saída do conversor uma tensão igual à tensão

de entrada. Ao diminuir a razão cíclica do valor de PWM na gate do semicondutor, a

tensão de saída diminui, se por outro lado o valor da razão cíclica aumenta, o valor da

tensão de saída aumenta, de acordo com a equação 4.12 vista no capítulo anterior. De

notar que, para este trabalho, por razões que se prendem com a construção do

transformador, a razão cíclica máxima admitida pelo conversor é de 60%. Desta forma

consegue-se uma tensão máxima na saída de 51 V para uma tensão de entrada de 42 V,

que é a tensão à saída do rectificador para a tensão de geração nominal.

Na Figura 5.8 pode-se observar o esquema do circuito do conversor flyback. A

bobina L1 tem como função evitar as variações bruscas da corrente, fornecendo na saída

do conversor uma corrente com um ripple pequeno. O circuito constituído por Cs, Rs e

Ds protege o MOSFET contra picos de tensão resultantes da comutação deste devido às

indutâncias (incluindo as parasitas) existentes no circuito, este tem o nome de circuito

Snubber.



Q1

1:1

RsCs

Ds

T1

D1

C1

L1

V0

PWM

Vrect

+

-

Figura 5.8 – Esquema do circuito do conversor flyback implementado

Características do MOSFET utilizado [21]:

Referência – IRFPE40

Tensão máxima drain-source – 800V

Corrente máxima pulsada na drain – 22A

– 2Ω

A Figura 5.9 mostra o circuito implementado do conversor flyback numa placa

perfurada, onde se pode verificar todos os elementos constituintes do mesmo.

Transformador

Flyback

IRFPE40

Circuito

Snubber

Figura 5.9 – Circuito do conversor flyback implementado

5.3 Circuito de Comando do Sistema de Excitação

O circuito de comando, composto por diferentes circuitos individuais, é responsável

pela aquisição da tensão aos terminais do alternador e da corrente de excitação assim

como do comando do MOSFET, tudo isto, feito a partir de uma unidade central, o



microcontrolador. O diagrama de blocos da Figura 5.10 apresenta a constituição do

circuito de comando.

Sensor de

Tensão

Sensor de

Corrente

Microcontrolador

Circuito de

Drive do

MOSFET

Gate do

Mosfet

Unidade de ControloUnidade de Medida

Figura 5.10 – Diagrama de blocos do circuito de comando

O circuito de comando pode ser dividido em duas unidades distintas: a unidade de

medida e a unidade de controlo. A conjugação das duas unidades proporciona o

funcionamento do regulador da corrente de excitação conforme o pretendido.

5.3.1 Unidade de Medida

A unidade de medida consiste basicamente na medição e processamento do valor da

tensão aos terminais do alternador e da corrente contínua de excitação do mesmo. É a

partir das medições destes valores que o sistema de controlo actualiza constantemente o

valor da tensão de saída do alternador, precavendo qualquer mau funcionamento com a

medição da corrente de excitação. Para tal utilizaram-se sensores de efeito Hall para as

respectivas medições. Uma das mais-valias destes sensores é a possibilidade de

permitirem medições de valores em CA e CC. A Figura 5.11 mostra a placa da unidade

de medida do circuito de comando.

Sensor de tensão

Entrada da tensão aos

terminais do alternador

Sensor de Corrente

Leitura e alimentação

do sensor de corrente

Figura 5.11 – Placa da unidade de medida do circuito de comando



5.3.1.1 Sensor de Tensão de Efeito Hall

O sensor de tensão de efeito Hall utilizado para a medição da tensão do alternador

foi o LV 25-P da LEM, cuja representação está na Figura 5.12 (a). A Figura 5.12 (b)

mostra o esquemático das ligações externas do sensor. A tensão e corrente nominais

são, respectivamente, 500 V e 10 mA e apresenta uma razão de conversão de

2500:1000. A alimentação pode ser: -15 V, GND e +15 V ou -12 V,GND, e +12 V. A

resistência deve ser dimensionada de modo que a corrente que nela passe não exceda

o valor nominal do sensor (10 mA). Da mesma forma, a resistência , deve ser

calculada para que a sua tensão esteja dentro dos valores especificados no datasheet

[22].

(a) (b)

Figura 5.12 – Sensor de tensão de efeito Hall LV 25-P da LEM [22]

Os valores das resistências e podem ser calculados de acordo com as

equações 5.4 e 5.5.

(5.4)

(5.5)

O valor máximo de tensão que o sensor consegue ler está representado por ,

sendo a corrente nominal no primário do sensor. A resistência deve ser

projectada para o nível de tensão desejado no terminal M. Como o microcontrolador

utilizado compreende nas suas entradas valores de tensão entre 0 e 5 V, o valor máximo

admitido no terminal M é de 5 V.

5.3.1.2 Sensor de Corrente de Efeito Hall

Para a medição da corrente de excitação do alternador utilizou-se o sensor de

corrente de efeito Hall LA 55-P da LEM, cuja representação está na Figura 5.13 (a).



Como o valor máximo da corrente de excitação é de 690 mA e o sensor tem capacidade

de leitura até 50 A (rms), para uma medição mais precisa de valores baixos de corrente,

tornou-se necessário adicionar enrolamentos no primário do sensor (50 voltas). O sensor

de corrente apresenta uma razão de conversão de 1:1000. Da mesma forma que o sensor

de tensão, o sensor de corrente pode ser alimentado: -15 V, GND e +15 V ou

-12 V,GND, e +12 V. A Figura 5.13 (b) mostra o esquema das ligações do sensor [23].

(a) (b)

Figura 5.13 - Sensor de corrente de efeito Hall LA 55-P da LEM [23]

A resistência deve ser projectada para o nível de tensão desejado no terminal M,

da mesma forma que no sensor de tensão. A equação 5.6 mostra como se calcula a

resistência , onde, corresponde à máxima tensão desejada no terminal M e à

corrente nominal no secundário do sensor.

(5.6)

5.3.1.3 Circuito de Condicionamento de Sinal

Para que os valores da tensão medidos nos terminais do alternador possam ser

interpretados e convertidos para o microcontrolador, é necessário adapta-los para os

níveis de tensão por ele admitidos (0-5 V). O conversor analógico digital (CAD) apenas

converte valores positivos, sendo indispensável a deslocação do sinal, uma vez que na

saída do sensor, os valores podem ser positivos ou negativos, pois trata-se de uma

tensão alternada. Para o deslocamento do sinal utilizou-se um circuito muito simples:

trata-se da implementação de um circuito somador. Este circuito é constituído por um

amplificador operacional e resistências dimensionadas para que se consiga obter os

valores de tensão dentro dos níveis desejados. A Figura 5.14 apresenta o esquema do

circuito implementado.



+

-

fR1R

2R

1v

2v

1i

2i

0V

fi+15V

-15V

Figura 5.14 – Circuito de condicionamento de sinal implementado [24]

Como se pode verificar, o circuito apresenta duas entradas ( ). O sinal de

saída ( ) depende das entradas e dos valores das resistências ( ) que são as

responsáveis pelo ganho do somador. Sabendo-se que a entrada inversora é um ponto de

terra virtual, as correntes do circuito ( , e ) podem ser calculas a partir das

equações 5.7, 5.8 e 5.9.

(5.7)

(5.8)

Pela soma das correntes calculadas obtém-se a corrente a partir da equação 5.9.

(5.9)

Sabendo que a tensão de saída ( ) do circuito somador é dada pela equação 5.10,

pode-se obter , em relação a , e , a partir da equação 5.11.

(5.10)

(5.11)

A tensão na saída é a soma pesada das tensões de entrada. O peso de cada parcela

dessa soma pode ser ajustado pelo valor da resistência correspondente. Este método

torna os cálculos de dimensionamento do circuito bastante simples, uma vez que se

pode ajustar o ganho de cada entrada de forma separada [24]. O maior problema na

implementação deste circuito é o facto de este apresentar uma configuração inversora,

tornando a tensão do sinal de saída negativa para valores positivos nas entradas. Como o

sensor tanto funciona para valores negativos como positivos, invertendo-se as ligações,

o problema da inversão do sinal no somador fica resolvido. Para o deslocamento do



sinal, ao contrário de se somar um valor positivo soma-se um valor negativo. Desta

forma consegue-se obter um sinal de saída positivo. A Figura 5.15 mostra o circuito

somador implementado.

AmpOp2v

V15

GND

Figura 5.15 – Placa do circuito de condicionamento de sinal

Para dimensionar o circuito somador teve-se em atenção que o valor máximo da

tensão de saída ( ) deveria ser o máximo admitido pelo microcontrolador (5 V) e que,

para uma tensão de 0 V deveria corresponder metade do valor máximo, ou seja, 2,5 V.

Na escolha dos valores das resistências do circuito começou-se por definir o valor da

resistência . O valor da resistência é dimensionado de forma a ajustar o valor de

tensão que se pretende somar na saída. Na entrada aplicou-se uma tensão igual à

tensão de alimentação negativa do amplificador operacional (AmpOp). Os valores das

resistências a utilizar determinou-se a partir das equações 5.10 e 5.11.

5.3.2 Unidade de Controlo

O valor da corrente injectada no enrolamento do indutor é controlado a partir da

razão cíclica aplicada ao MOSFET, através do PWM gerado no microcontrolador.

Como o PWM não pode ser aplicado directamente ao conversor flyback tornou-se

necessário a implementação de um circuito de interface entre o microcontrolador e o

conversor. O circuito em causa é constituído por um acoplador óptico que oferece

isolamento galvânico entre o circuito de comando e o circuito de potência. O acoplador

utilizado foi o HCPL3120 da Hewlett Packard, este assegura ainda a comutação do

MOSFET, circuito de driver. A Figura 5.16 mostra o digrama funcional do driver

utilizado.

Figura 5.16 – Diagrama funcional do driver HCPL-3120 [25]



Para que o isolamento entre o circuito de comando e o circuito de potência seja

completamente assegurado, as massas de ambos devem ser diferentes, logo é necessário

o uso de diferentes fontes de alimentação nos dois circuitos.

Como mencionado, o HCPL-3120 para além de oferecer isolamento entre os

circuitos de comando e potência, possibilita a obtenção de níveis de tensão adequados

para a comutação eficaz do MOSFET. No funcionamento do MOSFET, é necessário

que a tensão da gate seja superior à tensão da source para abrir um canal no MOSFET,

que proporcione a passagem de corrente. Para que o MOSFET deixe de conduzir é

impreterível que a tensão na gate seja inferior à tensão de threshold ( ), que é a tensão

mínima para que haja canal. Normalmente a comutação dos MOSFET faz-se entre

12 V, pois desta forma, o semicondutor interrompe o circuito mais rapidamente que a

comutação entre (0 e 12 V). A tensão máxima gate-source ( ) é dada pelo datasheet

do fabricante. A Figura 5.17 apresenta o esquema do circuito implementado.

+5V

270

Sinal de

Controlo

(PWM)

100nF

10Conversor

Flyback

+12V

-12V

+5V

Figura 5.17 – Esquema do circuito de controlo implementado [25]

A Figura 5.18 mostra o interface entre o circuito de comando e o circuito de

potência implementado.

Circuito de Drive

Figura 5.18 – Circuito de drive entre o circuito de comando e o circuito de potência

5.3.3 Microcontrolador do Sistema Implementado

O microcontrolador é parte essencial na regulação da corrente de excitação do

alternador. É a partir deste que todos os sinais são processados, tanto os sinais recebidos



da unidade de medida como o sinal enviado para a unidade de controlo. Os sinais

recebidos dos sensores de tensão e corrente são recebidos pelo microcontrolador através

do CAD, este converte os sinais analógicos em digitais de maneira a efectuar o controlo

do sistema, enviando para a unidade de controlo um sinal capaz de regular a tensão de

saída do alternador, assim como evitar sobretenções na geração e sobre excitação. O

diagrama de blocos representativo da utilização do microcontrolador encontra-se na

Figura 5.19.

PIC 18F4331

CAD PWMUnidade de

Medida

Unidade de

Controlo

Figura 5.19 – Diagrama de blocos da utilização do microcontrolador

A escolha do microcontrolador a utilizar na implementação baseou-se sobretudo nas

necessidades do projecto. O microcontrolador PIC18F4331, produzido pela Microchip,

foi a escolha para o controlo do sistema. Este microcontrolador é disponibilizado

gratuitamente pelo fabricante, o que se tornou também, um aspecto importante na sua

escolha. O software necessário na sua programação é também fornecido gratuitamente.

Apenas o programador não foi conseguido gratuitamente, mas o seu custo tornou-se

vantajoso quando comparado com outros do mesmo género. Para além dos aspectos

económicos, outra vantagem da utilização deste microcontrolador é a necessidade de

poucos componentes e um circuito de baixa complexidade para o seu funcionamento e

programação, podendo ainda ser programado no próprio circuito onde opera.

Em termos de características técnicas, o microcontrolador PIC 18F4331 apresenta-se

como uma boa opção para controlo de processos, especialmente para electrónica de

potência, pois apresenta um módulo de PWM especialmente dedicado para esta área da

electrónica. Destaca-se ainda a boa funcionalidade e precisão do CAD que possui.

Para este trabalho utilizou-se uma saída de PWM de maneira a gerar o sinal de

controlo para o MOSFET do conversor flyback, utilizou-se também duas entradas para

conversão analógica digital, estas recebem os sinais provenientes dos sensores de

corrente e tensão. Utilizou-se ainda as entradas para interrupções externas como forma

de se poder fazer o interface entre o utilizador e o sistema, para alterações dos

parâmetros pré-definidos. Ainda para o interface com o utilizador, foram configurados

portos do microcontrolador para ligação de um LCD (Liquid Crystal Display), que para



além do interface, permite a monitorização quer da tensão gerada quer da corrente de

excitação do alternador.

Para a inicialização do módulo PWM deve-se ter em conta a frequência de

funcionamento pretendida. O valor da frequência e razão cíclica do PWM podem ser

actualizadas em tempo real, embora neste trabalho apenas se altere o valor da razão

cíclica. Quanto às saídas de PWM podem ser usadas oito em modo independente ou no

máximo quatro em modo complementar, ou seja, para cada uma das quatro saídas

existem outras quatro invertidas.

O CAD existente no PIC18F4331 apresenta uma resolução de 10 bits e permite

obter 200000 amostras por segundo (apenas num canal), ou seja, uma amostra a cada

. Pode-se ainda efectuar duas leituras simultâneas, pois este microcontrolador

apresenta duas entradas sample and hold, o que se torna bastante útil para a medição da

tensão gerada e corrente de excitação no mesmo instante [26].

Para se proceder à programação do microcontrolador é necessário um circuito de

interface que permite a ligação entre ele e o computador. Para este trabalho utilizou-se o

programador ICD2 In-Circuit Debugger & Programmer da Figura 5.20.

Figura 5.20 – Programador e depurador ICD2

Para se poder desenvolver programas e enviá-los para o microcontrolador é

necessário um software de desenvolvimento. Utilizou-se a ferramenta fornecida

gratuitamente pela Microchip, o MPLAB. Os microcontroladores da família PIC podem

ser programados tanto em linguagem Assembly como em linguagem C, sendo que, no

desenvolvimento do sistema proposto, utilizou-se a linguagem C por se tratar de uma

linguagem de alto nível o que possibilita mais rapidez de implementação, tornando o

código mais perceptível. Para a utilização desta linguagem é necessário um compilador

adequado que funcione a partir da ferramenta de programação MPLAB. Para tal,

utilizou-se o compilador CCS C Compiler que apresenta várias bibliotecas de fácil

utilização para os diferentes módulos do PIC18F4331. A Figura 5.21 mostra um

projecto elaborado no MPLAB.



Figura 5.21 – Ambiente da ferramenta de programação MPLAB

Depois de escolhido o microcontrolador, definidos quais os módulos e entradas

necessárias na elaboração do projecto e de perceber o funcionamento de cada um deles,

procedeu-se à elaboração do circuito do microprocessador. Em primeiro lugar

projectou-se o circuito de maneira a que todos os elementos necessários para o correcto

funcionamento do regulador fossem introduzidos no mesmo esquema sendo depois

desenhada a placa de circuito impresso, através da ferramenta de projecto de circuitos

(Eagle), também esta disponibilizada gratuitamente. A Figura 5.22 mostra o esquema

eléctrico das ligações do microcontrolador, enquanto a Figura 5.23 apresenta a placa de

circuito impresso resultante.

MCRL

K10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

40

39

38

37

36

35

34

33

32

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

PIC

18F

43315V

5V

Valor da Tensão

Valor da Corrente

PGD PGC PGC

PWM

INT2

INT1INT0

18pF

18pF

Reset Manual

LCD_enable

LCD_rs

LCD_B7

LCD_B6

LCD_B5

LCD_B4

LCD_rw

20 MHz

K1

Figura 5.22 – Esquema eléctrico da placa do microcontrolador PIC18F4331

Da Figura 5.22 é de salientar o uso de uma resistência de pull-down na saída PWM

do PIC18F4331. Esta garante que, quando não existir qualquer sinal, o semicondutor do

conversor flyback mantém-se no estado de não condução, precavendo curto-circuitos no



circuito de potência. A inclusão de um reset manual, tem como finalidade reiniciar o

sistema caso se torne necessário. As interrupções externas são utilizadas na interface

com o utilizador, para o inicio e fim do processo e para a alteração do valor de

referência da tensão de geração, estas foram definidas de maneira a actuarem no sistema

sempre que ocorra uma transição descendente no sinal correspondente a cada uma delas,

ou seja, sempre que a tensão na entrada do pino alterar de +5 V para 0 V. As ligações

efectuadas aos pinos MCLR, PGD, PGC e PGM têm como função o interface entre o

computador pessoal e o microcontrolador. É a partir destes pinos que se procede à sua

programação. Para além das ligações efectuadas, foram precavidos pinos do

microcontrolador para qualquer necessidade no desenvolvimento do processo de

geração de energia.

Figura 5.23 – Desenho da placa de circuito impresso do microcontrolador PIC18F4331 e respectivas entradas e

saídas

Todo o circuito do microcontrolador, interface com o utilizador e o LCD para

monitorização podem ser vistos na Figura 5.24.

Circuito do

Microcontrolador

Interrupções

Externas

LCD

Figura 5.24 – Circuito do microcontrolador implementado



5.4 Alimentação do Circuito de Comando

Como referido anteriormente, o sistema implementado deve ser totalmente

autónomo no controlo da corrente de excitação do alternador, retirando todas as

alimentações necessárias ao funcionamento dos terminais do alternador. Para tal

tornou-se necessário o projecto de um método capaz de fornecer ao circuito de comando

as tensões necessárias para o seu funcionamento. Tanto a partir da indução

remanescente, para o inicio do processo, como com o sistema já em operação, o circuito

de comando deve garantir o correcto funcionamento de todo o procedimento.

Desta forma, desenvolveu-se um circuito capaz de aplicar à unidade de medida

tensões de 15 V, e garantir que a tensão no circuito do microcontrolador é de 5 V,

qualquer que seja o valor da tensão de geração. Da mesma forma, deve-se garantir que

ao circuito de controlo são aplicadas tensões entre 12 V, para que seja possível a

comutação do semicondutor presente no conversor flyback. O princípio de

funcionamento dos dois circuitos desenvolvidos, alimentação do circuito de

medida/circuito do microcontrolador e circuito de controlo, é o mesmo. A construção de

duas alimentações diferentes deveu-se ao facto de ser necessário o isolamento entre o

circuito de potência e o circuito de comando. Sendo os dois circuitos de igual

constituição, apenas diferindo a tensão fornecida, mostrar-se-á apenas como se

conseguiu obter a alimentação do circuito de medida/circuito do microcontrolador,

sendo posteriormente apresentados os resultados de ambos os circuitos. Para a

alimentação do circuito de medida desenvolveu-se, em primeiro lugar, um conversor

step-down ajustável capaz de apresentar na sua saída uma tensão constante desde o

inicio do processo, a partir da energia remanescente, até que o alternador forneça a

tensão nominal de funcionamento. O circuito desenvolvido encontra-se na Figura 5.25

LM2592HV-5.0

Feedback

Vin Output

GNDOn/Off

Vout = 5V

D1

L1

68uH

Cout

330uF

Cin

330uF

15,3:1

Vin_min=90V

Vin_max=200V

Figura 5.25 – Circuito de alimentação do circuito do microcontrolador e pré-alimentação do circuito de

medida

O regulador utilizado para o desenvolvimento do circuito anterior foi o LM2592HV-

5.0 da National Semiconductor. Este regulador mantém a tensão de saída constante



(+5 V), para uma variação da tensão de entrada entre 7 e 60 V e consegue-se fornecer à

carga corrente entre 0,2 e 2 A [27].

O circuito da figura anterior permite obter uma tensão fixa dentro da gama de

tensões fornecidas pelo alternador. Com a tensão obtida consegue-se alimentar o

circuito do microcontrolador mas são ainda precisas outras duas tensões para a

alimentação do circuito de medida (+15 V/-15 V). Para se conseguir obter as tensões

pretendidas utilizou-se um IC (Integrate Circuit) da Maxim, o MAX743CPE. Este IC

permite o controlo de uma fonte comutada de maneira a criar duas saídas com tensões

de sinais opostos para uma entrada de tensão de +5 V. Permite a saída de +15/-15 V ou

+12/-12 V, dependendo da ligação feita. A Figura 5.26 mostra o esquema típico do

regulador utilizado.

Figura 5.26 – Circuito típico do IC MAX743CPE [28]

Como referido anteriormente, a alimentação do circuito de medida tem a mesma

constituição que o circuito de controlo. Para o circuito de medida as tensões de saída

pretendidas são +15 V e -15 V, enquanto para o circuito de controlo as tensões

esperadas são -12 V e +12 V. Para se conseguir as tensões para o circuito de medida,

ligou-se o pino onze do IC ( ) à massa, enquanto, que no circuito de controlo esse

mesmo pino foi ligado a +5 V.

Da conjugação dos dois circuitos descritos, resultou a alimentação de todo o sistema

de comando a partir dos enrolamentos do induzido, podendo desta forma iniciar-se o

processo de geração de energia sem o auxílio de fontes externas. A partir destes

circuitos foram desenvolvidas as placas de circuito impresso, tanto para a alimentação

do circuito de medida, como do circuito do microcontrolador e também do circuito de

controlo. O desenho destas placas, tal como na placa do microcontrolador, foi

desenvolvido a partir da ferramenta de desenho de circuitos Eagle. A Figura 5.27

mostra o desenho das placas implementadas.



(a) (b)

Figura 5.27 – Desenho das placas de circuito impresso:

(a) alimentação do circuito de medida e microcontrolador, (b) alimentação do circuito de controlo

As placas de circuito impresso resultantes encontram-se na Figura 5.28.

(a) (b)

LM2592HV-5.0

MAX743CPE

LM2592HV-5.0

MAX743CPE

Figura 5.28 – Placas de alimentação do circuito de comando:

(a) circuito de medida e microcontrolador (b) circuito de controlo

5.5 Algoritmo de Controlo do Sistema Implementado

Para o correcto funcionamento do sistema implementado, quer no inicio do processo

quer na regulação da tensão de saída do alternador, tornou-se necessária a programação

do microcontrolador. Como no inicio do processo é fundamental colocar a tensão aos

terminais da máquina dentro de valores nominais (380 V) e só depois proceder ao

controlo da corrente de excitação, serão apresentados dois algoritmos diferentes um para

cada etapa. Será ainda apresentado o controlador PI implementado para o controlo da

tensão de saída.



5.5.1 Pré-Excitação do Alternador

Antes de se proceder à regulação da tensão de saída do alternador, é necessário

injectar uma corrente contínua no enrolamento do indutor capaz de colocar aos

terminais da máquina a tensão desejada para o funcionamento. Esta etapa do

funcionamento do regulador de tensão é conhecida como pré-excitação. Para se cumprir

esta etapa recorreu-se à indução remanescente existente no entreferro do alternador,

aplicando aos terminais do enrolamento do indutor a máxima tensão possível fornecida

pelo conversor flyback. A máxima tensão possível consegue-se a partir do máximo valor

admissivel de razão cíclica de PWM aplicado à gate do MOSFET. Com o

funcionamento do conversor no seu valor máximo, é injectada uma corrente no

enrolamento do indutor que vai aumentando à medida que a tensão aos terminais do

alternador aumenta. Quando a tensão no enrolamento do induzido atinge o valor

pretendido (380 V) dá-se inicio ao controlo da tensão de saída em malha fechada, ou

seja, inicia-se o controlador PI.

Antes de se iniciar a excitação do alternador, o microcontrolador deve iniciar todos

os valores, variáveis e módulos a utilizar, necessários para o funcionamento e

monitorização do sistema, tanto para a pré-excitação como para posterior controlo da

tensão de saída. Para a medição dos valores da corrente de excitação e tensão gerada é

iniciado o CAD em modo de leitura simultânea de forma que ambas as grandezas

possam ser medidas no mesmo instante. O módulo PWM é iniciado com uma

frequência de 50 kHz e definido qual o valor máximo de razão cíclica. Para posterior

controlo da tensão de saída é iniciado o Timer1 que dará o período de amostragem. O

timer foi definido para um período de contagem de 1 ms. As interrupções externas

existentes no microcontrolador foram também definidas, sendo necessárias para o

interface entre o sistema e o utilizador. Para além disto, foram definidas variáveis

auxiliares necessárias para o correcto funcionamento do programa. A Figura 5.29

apresenta o fluxograma do algoritmo proposto para a pré-excitação do alternador.



Inicio

Inicia ADC

Inicia Timer1

Duty=valor_max

Tensão >= 380VNão

Sim

Inicia Controlador PI

Figura 5.29 – Fluxograma da pré-excitação do alternador

5.5.2 Controlo em Malha Fechada da Tensão de Saída

Para o controlo em malha fechada da tensão de saída do alternador usou-se o

controlador padrão para os sistemas de excitação, o controlador PID. Para este trabalho

usaram-se apenas as acções proporcional-integral. Esta opção deveu-se principalmente à

facilidade de implementação, quando comparado com a inclusão da acção derivativa.

A tensão de saída depende da corrente de excitação, variável manipulada, controlada

a partir do PWM aplicado ao conversor flyback. É a partir da alteração desta variável

que se consegue a tensão de saída (variável de processo) desejada, definida a partir da

variável de referência inicializada para o valor desejado da tensão de saída. É a partir do

erro (diferença entre a variável de referência e variável de manipulada) que a variável

manipulada será alterada. A Figura 5.30 mostra o diagrama de blocos do controlador PI

apresentado.

MVSVE

SP

MV

+ Kp PWM

tE

Tensão de

Saída

Tensão de

Referência

Figura 5.30 – Diagrama de blocos do controlador PI implementado



Após da inicialização do microcontrolador e do alternador apresentar aos seus

terminais a tensão pretendida, obtida a partir da pré-excitação, torna-se necessário a sua

regulação. Esta regulação fez-se a partir do controlador PI, onde para variações da

tensão de saída o valor da corrente de excitação aumenta ou diminui de acordo com a

alteração registada aos terminais do alternador. Da diferença entre a variável de

referência e a variável manipulada, resulta o erro do sistema. É a partir deste erro que se

consegue a acção proporcional para colocar a variável manipulada no valor da variável

de referência. A acção integral proporciona ao sistema uma aproximação ao valor da

tensão desejada de uma maneira mais suave, tornando o sistema mais estável,

diminuindo também o erro residual presente quando se usa apenas a acção proporcional.

O ganho das acções proporcional e integral deve ser definido para que o sistema

apresente uma resposta o mais rápida e estável possivel.

Depois do alternador se encontrar na sua tensão nominal, inicia-se o processo de

regulação da tensão para quando existirem variações na carga ligada ao alternador. A

Figura 5.31 representa o fluxograma resultante do controlo e como proceder a alterações

dos parâmetros do sistema, com regulador de tensão em funcionamento.

Inicio

Pré Excitação do Alternador

Erro>0

?

Leitura dos Valores da

Tensão e Corrente

Aumenta Razão

Ciclica

Diminui Razão

Ciclica

SimNãoErro=0

?

Não

Determinar parâmetros

do controlador

Aguarda Ocorrencia da

Interrupção 0

(INT0)

Sim

Definir Valor de Referência (380V)

Declarar e inicializar temporizadores (Timer’s) e variaveis auxiliares

Inicializar ADC e vector para medição a parir da média deslizante

Configurar PWM

Inicializa Interrupções Externas (INT0,INT1,INT2)

Figura 5.31 – Fluxograma do controlador PI do sistema de regulação



Como dito anteriormente o sistema deve ser capaz de fornecer tensões de geração

entre 380 e 400 V. Para tal e para definir o inicio e final do processo de geração

utilizou-se as interrupções externas permitidas pelo microcontrolador. É a partir destas

que se define quando se inicia a pré-excitação e posterior controlo em malha fechada do

valor da tensão aos terminais do alternador. Ao ser activada a interrupção externa 0

(INT0) pela primeira vez, o sistema é iniciado como referido anteriormente. No caso de

anteriormente ter sido activada a interrupção externa 1 (INT1) é incrementado numa

unidade o valor de referência para a tensão aos terminais do alternador. No caso da

interrupção externa 2 (INT2), o processo é semelhante ao anterior com a diferença que,

ao contrário do anterior, ao ser activada sem a anterior activação da interrupção INT1 o

sistema cessa a excitação do alternador, no caso da anterior activação de INT1 é

incrementado o valor de referência da tensão de geração numa unidade. A interrupção

externa 1 apenas inicia e finaliza a alteração do valor da tensão de referência para a

tensão gerada. O fluxograma da Figura 5.32 mostra como foi feito este interface com o

utilizador.

Interrupção 0

(EXT0)

Interrupção 1

(EXT1)

Interrupção 2

(EXT2)

Ocorreu

INT1

Decrementa

Valor de

Referencia

Inicia

Processo

Sim

Não

Saída da

Interrupção

(EXT0)

Ocorreu

INT1

NãoFinaliza

controlo PI

Sim

Incrementa

Valor de

Referencia

Saída da

Interrupção

(EXT2)

1ª Vez ?SimNão Inicia Alteração

do Valor de

Referencia

Finaliza

Alteração do

Valor de

Referencia

Saída da

Interrupção

(EXT1)

Figura 5.32 – Fluxograma do funcionamento do interface com o utilizador



5.6 Descrição do Sistema de Excitação Completo

Para uma melhor percepção dos vários blocos que compõem o sistema de excitação

desenvolvido veja-se o diagrama de blocos da Figura 5.33. Como se pode verificar, o

rectificador monofásico é alimentado a partir dos terminais do alternador. A tensão

rectificada é aplicada ao conversor flyback, este controla a tensão aplicada ao

enrolamento indutor a partir do sinal recebido do circuito de comando, constituído pela

unidade de medida e pela unidade de controlo, onde, o microcontrolador comanda todo

o processo.

Induzido do

Alternador

Enrolamento Indutor

do Alternador

Rectificador

Monofásico

Filtro

Capacitivo

Conversor

Flyback

Sensor de

Corrente

Circuito

Somador

Sensor de

Tensão

Drive do

MOSFET

Microcontrolador

Figura 5.33 – Diagrama de blocos do sistema completo

A Figura 5.34 apresenta a montagem completa do regulador.

Figura 5.34 – Regulador da corrente de excitação implementado completo



Capítulo 6

Resultados Experimentais do Regulador

Implementado

Neste capítulo são apresentados os resultados obtidos do regulador de tensão

implementado. Depois de finda a implementação prática e respectivos testes era

esperado o teste com o sistema completo, regulador de tensão/alternador e verificar o

funcionamento da geração de tensão em malha fechada. Por razões alheias ao trabalho,

o teste com o sistema completo não foi possível, por esse motivo, todos os resultados

apresentados ao longo deste capítulo foram obtidos apenas de testes laboratoriais onde

se apresentarão os resultados para cada bloco constituinte do regulador apresentado.

6.1 Resultados do Circuito de Potência

O circuito de potência, como visto anteriormente, é composto pelo transformador de

excitação, rectificador monofásico e respectivo filtro, e pelo conversor flyback. Neste

item serão mostrados os resultados obtidos no circuito de potência.

6.1.1 Rectificador Monofásico com Filtro Capacitivo

Com o rectificador monofásico esperava-se a conversão da tensão retirada aos

terminais do alternador para uma tensão contínua, para posterior aplicação no conversor

flyback. A Figura 6.1 mostra a tensão no secundário do TE e a tensão na saída do

rectificador. Como se pode verificar, a tensão de saída do transformador, depois da

passagem pelo rectificador e respectivo filtro, apresenta uma tensão contínua, cujo valor

é aproximadamente o valor de pico da tensão na entrada do rectificador. Com o filtro

capacitivo consegue-se diminuir o ripple fazendo com que a tensão contínua fornecida

apresente uma forma de onda sem grandes oscilações. A medição feita resultou da

aplicação da tensão máxima no primário do TE que não é mais que a tensão máxima

admissível, ou seja 200 V, que corresponde à tensão máxima possível de geração

(400 V), isto porque, como se referiu, a tensão do sistema é retirada de metade do

enrolamento do induzido.

Resultados Experimentais do Regulador Implementado


Tensão

Rectificada

Tensão no

Secundário do TE

Figura 6.1 – Tensão no secundário do transformador e saída do rectificador monofásico


O conversor flyback permite colocar na saída uma tensão superior ou inferior à da

entrada dependendo da razão cíclica aplicada no semicondutor. A Figura 6.2 apresenta

as formas de onda na entrada e na saída do conversor para uma razão cíclica de 45%.

Tensão de

Entrada

Tensão de

Saída

Figura 6.2 – Tensão na entrada e saída do conversor flyback

Ainda no conversor flyback, para a protecção do semicontrolador, desenvolveu-se

um circuito de snubber capaz de evitar excesso de tensão no semicondutor, o que

poderia levar ao seu mau funcionamento e até à avaria. A Figura 6.3 apresenta os

resultados obtidos da tensão no MOSFET utilizado no conversor flyback.



Figura 6.3 – Tensão no semicondutor quando em comutação ( )

Como se pode verificar, na tensão existem picos de tensão de baixo valor,

mostrando-se aqui o bom funcionamento do circuito de snubber utilizado para a sua

extinção.

6.1.3 Consumos do Circuito de Potência

Todo o sistema implementado obtém as tensões de funcionamento dos terminais do

alternador, como tal, torna-se interessante conhecer as tensões e correntes para os

valores nominais. A partir daqui consegue-se obter as potências do sistema, podendo-se

ainda verificar a THD (taxa de distorção harmónica) do sistema implementado medida

no primário do TE. A Figura 6.4 (a) apresenta a tensão e corrente consumidas pelo

regulador da corrente de excitação, a medição foi feita tendo em conta a tensão máxima

possível de ser gerada (400 V), com o conversor a funcionar para fornecer ao

enrolamento do indutor a corrente nominal de funcionamento em vazio ( 400 mA). A

Figura 6.4 mostra o conteúdo harmónico do regulador implementado.

(a) (b)

Figura 6.4 – Valores na entrada do regulador da corrente de excitação:

(a) Tensão e corrente (b) Taxa de distorção harmónica



6.2 Resultados do Circuito de Comando

Como referido anteriormente, o circuito de comando divide-se em duas unidades

distintas, a unidade de medida e a unidade de controlo. Na unidade de medida estão

presentes os elementos capazes de medir e calcular a tensão no enrolamento do induzido

e a corrente de excitação. No circuito de controlo apresenta-se o isolador óptico que

possibilita o isolamento entre o circuito de comando e circuito de potência assim como

o drive que actua sobre o MOSFET do conversor flyback.

6.2.1 Unidade de Medida

Da unidade de medida esperava-se a correcta obtenção dos valores da corrente de

excitação e da tensão aos terminais da máquina. A Figura 6.5 e Figura 6.6 apresentam

os resultado da medição da corrente de excitação do alternador para dois valores

diferentes, o que mostra a medição correcta do valor da corrente.

Figura 6.5 – Medição do valor da corrente de excitação para 500 mA

Figura 6.6 – Medição do valor da corrente de excitação para 200 mA



Para além da corrente de excitação obteve-se o valor da tensão nos terminais do

alternador. É a partir desta tensão que o sistema ajusta a geração para o valor

pretendido, definido pela referência. A Figura 6.7 e a Figura 6.8 mostram os resultados

obtidos para a medição da tensão nos terminais do alternador, também para dois valores

diferentes o que prova o bom resultado do circuito de medida.

Figura 6.7 – Medição do valor da tensão gerada (metade do enrolamento do induzido-190 V)

Figura 6.8 – Medição do valor da tensão gerada (metade do enrolamento do induzido-116 V)

6.2.2 Unidade de Controlo

A unidade de controlo tem como função aplicar ao conversor flyback um sinal de

PWM, com o valor de razão cíclica definido pelo algoritmo de controlo, capaz de

colocar aos terminais do alternador uma tensão constante. No microcontrolador é gerado

esse sinal e enviado para a unidade de controlo, que a partir do drive é aplicado à gate

do MOSFET do conversor flyback.



O sinal gerado no microcontrolador (PWM) apresenta uma tensão de 0 ou 5 V. Ao

ser enviado para o drive (HCPL3120), o sinal é alterado para níveis de tensão

compreendidos entre 12 V de maneira a poder ser aplicado na gate do MOSFET.

Desta forma, quando na saída do microcontrolador o sinal de PWM se encontra no nível

baixo (0 V), a saída do drive do MOSFET acha-se também no nível baixo (-12 V),

mantendo o semicondutor no estado de não condução. Por outro lado, se na saída do

microcontrolador for apresentado um sinal no nível lógico alto (+5 V) é aplicado ao

conversor flyback um sinal no nível lógico alto (+12 V), procedendo à magnetização do

núcleo do transformador a partir da passagem de corrente possibilitada pelo estado de

condução do MOSFET. A Figura 6.9 apresenta o sinal de PWM à saída do

microcontrolador e na gate do semicondutor do conversor.

Saída do

Microcontrolador

Saída do Drive

do Mosfet

Figura 6.9 – Sinal de PWM na saída do microcontrolador e aplicado ao MOSFET

6.3 Resultados da Alimentação do Circuito de Comando

Como referido anteriormente, a tensão do circuito de comando deverá ser obtida a

partir do enrolamento do induzido, obtendo-se os valores de tensão necessários para o

inicio do processo (a partir da indução remanescente) e garantindo o funcionamento de

todo o sistema quando o alternador apresentar a tensão de geração pretendida. Para que

fosse possível o isolamento entre o circuito de potência e o circuito de comando, foi

necessária a obtenção de fontes independentes para o circuito de medida/alimentação do

microcontrolador e para o circuito de controlo. Posto isto, obtiveram-se os seguintes

resultados.



6.3.1 Circuito de Medida/Microcontrolador

Para o circuito de medida resultaram valores de tensão capazes de alimentar tanto o

sensor de tensão como o sensor de corrente ( 15 V), enquanto para a alimentação do

microcontrolador alcançou-se a tensão necessária (+5 V). Estes valores mantêm-se

constantes desde o inicio do processo até à tensão máxima de geração retirada de

metade do enrolamento do induzido. Na Figura 6.10 pode-se verificar que as tensões de

saída do circuito de alimentação mantêm-se constantes desde o valor da tensão obtida

através da indução remanescente até à tensão máxima admitida.

Ponto da tensão

obtida da indução

remanescente

Figura 6.10 – Tensão obtida para alimentação do circuito de medida/microcontrolador

6.3.2 Circuito de Controlo

Da mesma forma que para o circuito de medida/microcontrolador, para o circuito de

controlo obtiveram-se as tensões necessárias para possibilitar a comutação do MOSFET

do conversor flyback ( 12 V). Também aqui, estes valores devem manter-se constantes

em todo o processo de geração de energia. Como já referido, esta alimentação se obtém

a partir dos terminais do alternador. A Figura 6.11 mostra as tensões obtidas a para o

circuito de controlo.



Figura 6.11 – Tensão obtida para alimentação do circuito de controlo

Na figura anterior pode-se verificar que, a partir do momento que, aos terminais do

alternador se consegue obter um valor de tensão de cerca de 98 V (indução

remanescente), tem-se na saída da alimentação do circuito de controlo duas tensões

distintas ( 12 V) que se mantêm no mesmo valor desde esse ponto até ser obtida a

tensão máxima de geração (200 V).

6.4 Resultados do Algoritmo de Controlo

Neste item apresentar-se-á o resultado do controlador PI aplicado ao controlo da

corrente de saída do conversor flyback. Como não foi possível efectuar os testes com o

sistema completo, optou-se apenas por verificar o comportamento do controlador para a

corrente de excitação ao invés da tensão aos terminais do alternador. Desta forma,

definiu-se um valor de corrente de referência (400 mA) para o qual o sistema se deve

manter qualquer que seja a carga na saída. A Figura 6.12 apresenta o resultado do

sistema quando aplicado o controlador PI, para a colocação da corrente de saída no

valor de referência. Por outro lado pretende-se que o sistema mantenha a corrente de

saída dentro dos valores pretendidos mesmo com alterações da carga. A Figura 6.13

apresenta o resultado para variação da carga quer esta diminuía ou aumente, mostrando

o comportamento do sistema para estas alterações. Quando a carga ligada à saída do

conversor flyback aumenta, o valor do erro é positivo. O valor da razão cíclica aumenta

de maneira a aplicar à carga maior tensão, aumentando desta forma a corrente injectada



na carga. Da mesma forma, quando o valor da carga diminui o erro passa a ter valor

negativo diminuindo o valor da razão cíclica do PWM, fazendo com que a tensão

aplicada à carga diminui-a fazendo a corrente voltar ao valor de referência.

Corrente na Carga

Figura 6.12 – Resposta do sistema ao controlador PI (colocação da corrente no valor de referência)

(a) (b)

Figura 6.13 - Resposta do sistema ao controlador PI a alterações da carga

(a)Carga aumenta (b) Carga diminui

6.5 Resultados da Interface Sistema-Utilizador

O interface entre o sistema e utilizador fez-se a partir das interrupções externas, para

inicio e fim do processo e alteração do valor da tensão pretendida aos terminais do

alternador. Para além das interrupções externas, usou-se um LCD para tornar o interface

mais fácil e perceptível. Neste item apresentar-se-ão os diferentes resultados para o

interface.

6.5.1 Inicialização e Finalização do Processo de Geração

Quando a energia remanescente surge nos terminais da máquina, o circuito de

comando inicia as suas funções. A medição dos valores da corrente de excitação e



tensão no enrolamento do induzido são mostradas no LCD. A Figura 6.14 mostra o

LCD antes do inicio do processo de geração de energia.

Figura 6.14 – Valor da tensão retirada dos terminais do alternador antes do inicio do processo

Como se pode verificar, o LCD mostra apenas a tensão obtida aos terminais do

alternador, obtida a partir da energia remanescente do entreferro. Neste momento ainda

não se iniciou o processo de pré-excitação para posterior controlo da tensão de saída. É

a partir da interrupção externa que se envia para o microcontrolador o sinal para o inicio

do processo. Quando a interrupção externa0 (EXT0) é chamada dá-se o inicio do

processo, fazendo-se a pré-excitação e dando inicio ao controlador PI, para que, no final

da pré-excitação o sistema se mantenha nos valores pretendidos. A Figura 6.15 mostra a

mensagem no LCD quando se inicia a regulação da corrente de excitação.

Figura 6.15 – Mensagem de inicio do processo

Da mesma forma, para suspender a corrente de excitação do alternador, recorre-se à

interrupção externa 2 (EXT2), desta forma o sistema termina o processo de regulação de

tensão mostrando a mensagem da Figura 6.16.



Figura 6.16 – Mensagem de fim de processo

6.5.2 Alteração do Valor de Referência

Durante o processo de geração de energia é possível a alteração do valor de

referência para o controlo da tensão de saída. A alteração deste valor fez-se a partir das

interrupções do microcontrolador. A interrupção externa 1 (EXT1) inicia a alteração do

valor, sendo este decrementado ou incrementado, dentro do limite pré-estabelecido

(360-400 V), a partir das interrupções EXT0 e EXT2, respectivamente. A Figura 6.17

mostra a mensagem para o inicio da alteração do valor de referência, enquanto a Figura

6.18 mostra a mensagem que indica a alteração do valor de referência. A partir daqui o

processo de regulação continua normalmente, agora para o novo valor de tensão.

Figura 6.17 – Mensagem de inicio de alteração do valor de referência



Figura 6.18 – Mensagem de fim de alteração do valor de referência

6.6 Mensagem de Erro do Sistema

Sempre que existir excesso de tensão nos terminais do alternador, assim como a

corrente de excitação for superior aos valores admitidos, o processo deve ser parado e

enviado para o LCD uma mensagem de erro. Esta mensagem alerta o utilizador o tipo

do problema existente. Quando existir um excesso de tensão nos terminais do

alternador, depois de parado o processo é envidada para o LCD a mensagem da Figura

6.19 (a). Se surgir uma sobreexcitação do alternador é enviada a mensagem da Figura

6.19 (b).

(a) (b)

Figura 6.19 – Aviso de erro do sistema:

(a) Sobreexcitação (b) Excesso de tensão nos terminais do alternador



Capítulo 7

Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro

7.1 Conclusões

O principal objectivo deste trabalho consistia na implementação de um regulador

capaz de colocar na saída de um alternador trifásico uma tensão alternada constante em

amplitude, independentemente da quantidade de cargas alimentadas. Todo o sistema

implementado deveria funcionar autonomamente sem auxílio de qualquer fonte externa

aproveitando a de indução remanescente do alternador, sendo conseguidas tanto a

corrente de excitação, como todas as alimentações necessárias ao funcionamento a partir

dos enrolamentos do induzido.

Numa fase inicial, fez-se um estudo sobre a máquina síncrona. Este estudo

proporcionou um conhecimento mais aprofundado acerca da construção, funcionamento

e características da máquina síncrona, e como a sua utilização na geração de energia é

patente na grande parte das centrais que convertem energia mecânica em energia

eléctrica. Para além do estudo sobre a máquina síncrona, pesquisou-se acerca das

formas de excitação da mesma. Desta pesquisa resultaram quais os sistemas existentes,

qual o funcionamento de cada, e de que forma devem ser usados consoante as suas

vantagens e desvantagens. Daqui concluiu-se que, para a maioria das novas instalações,

a excitação estática é a mais utilizada, qualquer que seja a construção da máquina

síncrona e o sistema de geração onde será aplicado. Esta escolha resulta da facilidade de

implementação mas mais importante ainda, das suas vantagens a nível económico,

quando comparada com os outros sistemas de excitação.

De maneira a perceber como é constituído o sistema de excitação escolhido para

implementação, foi feito um estudo sobre a constituição do sistema de excitação

estático. A partir daqui, percebeu-se quais os elementos que o constituem assim como a

forma de controlo mais adequada para o sistema em questão. Sendo o controlador PID o

mais usado em sistemas de excitação, tornou-se necessário o seu estudo, onde se

verificou qual a contribuição de cada acção deste, para o correcto funcionamento da

regulação da tensão de saída do alternador. Para além disso, foi feito um pequeno estado

da arte, onde se pôde conhecer alguns equipamentos destinados à excitação e regulação

do alternador.

Para a implementação do regulador, a pesquisa acerca da forma como converter a

tensão alternada, obtida dos terminais do alternador, em tensão e corrente contínua



necessária para a excitação, foi um passo importante. O estudo acerca dos conversores

de potência possibilitou um maior conhecimento das diferentes topologias e controlo

dos conversores, tanto dos CA/CC como dos CC/CC. Para o estudo dos conversores

CA/CC, aliás o conversor padrão na maioria dos sistemas de excitação, percebeu-se o

seu funcionamento, principalmente o rectificador totalmente controlado, como forma de

aplicar corrente contínua no enrolamento do indutor criador do campo de excitação do

alternador. O conversor CA/CC torna-se assim uma excelente escolha, isto porque,

permite alterar o valor médio da tensão de saída desde zero até ao valor máximo da

tensão a rectificar. Quanto aos conversores CC/CC, fez-se um estudo das diferentes

topologias dos conversores, onde se verificou que existem conversores que possibilitam

o isolamento galvânico entre a entrada e a saída. Desta forma, estes conversores

tornam-se também uma boa escolha na implementação do regulador de tensão. Para

além de possibilitar o ajuste da corrente de excitação, proporciona ao sistema maior

protecção, uma vez que, em caso de avaria do semicondutor presente na constituição do

conversor, não surge excesso de corrente no enrolamento do indutor, nem a consequente

sobretensão no induzido, capaz de danificar os equipamentos ligados.

O sistema de excitação implementado permite, com o respectivo controlador, regular

a tensão de saída gerada para qualquer valor de carga. A pré-excitação deste é também

assegurada, tanto a nível de hardware como de software, tornando o sistema apenas

dependente da energia vinda dos terminais do alternador. Para o inicio do processo de

geração de energia, a tensão necessária para colocar o alternador nos valores nominais

em vazio consegue-se a partir da indução remanescente do entreferro do alternador.

Quanto a nível de comando do sistema, este pode-se dividir em duas unidades distintas,

a unidade de medida e a unidade de controlo. O interface entre as duas unidades é feito

a partir do microcontrolador. A partir da unidade de medida são obtidos os valores

instantâneos da corrente de excitação e da tensão no enrolamento do induzido. É a partir

destas leituras que o microcontrolador actua sobre a unidade de controlo, de maneira a

alterar, se necessário, o valor da corrente de excitação. Para a comutação do

semicondutor (circuito de controlo) utilizou-se o módulo PWM existente no

microcontrolador. O envio do sinal de PWM fez-se a partir de um drive especialmente

dedicado para o controlo de MOSFET, proporcionando ainda o isolamento entre o

circuito de comando e o circuito de potência. Em relação ao controlo da tensão de saída

do alternador em malha fechada, este fez-se com o controlador PI. A utilização de

apenas estas duas acções, ao invés do controlador PID, fez-se pelo facto de apresentar

uma fácil implementação e uma boa resposta a alterações da carga a alimentar.



Apesar de não ter sido possível obter os resultados com todo o sistema em

funcionamento, foram efectuados testes para cada bloco constituinte do sistema de

excitação implementado. Os resultados obtidos em cada um deles foram os esperados,

conseguindo-se obter à saída do conversor uma variação de tensão capaz de ser aplicada

ao enrolamento do indutor para criação do campo do alternador. Também para o

circuito de comando foram alcançados os objectivos propostos, conseguindo-se obter os

valores da tensão e corrente correctamente e aplicando ao semicondutor do conversor

flyback os sinais necessários para o seu correcto funcionamento. Para o controlo e

regulação da tensão de saída do alternador, apesar de não ter sido testado nesse sentido,

o controlador PI mostrou-se eficaz no controlo da corrente de saída do conversor,

conseguindo obter-se uma resposta de acordo com o esperado. O interface entre o

utilizador assim como o sistema de protecção e aviso de mau funcionamento do sistema

apresentam um funcionamento eficaz.

Fazendo uma apreciação global de todo o trabalho realizado, pode concluir-se que

foram atingidos todos os objectivos, uma vez que, por falta de disponibilidade dos

serviços técnicos da Universidade do Minho para o teste de todo o sistema em

funcionamento, não foi possível apenas concluir este objectivo. Apesar de tudo, depois

de efectuados testes a todo o sistema implementado, verificou-se que a ligação deste ao

alternador seria possível e apresentaria uma boa resposta de acordo com os resultados

obtidos.

7.2 Propostas de Trabalho Futuro

O trabalho realizado, apesar de ter sido implementado com um TE e um rectificador

monofásico, tornava-se mais vantajoso uso de alimentação trifásica por vários motivos.

A obtenção da tensão aos terminais do alternador a partir das três fases faria com que,

não existissem desequilíbrios e apresentasse menor ripple na tensão de saída, apesar de

o regulador apresentar uma baixa potência de funcionamento. Para além disso, a

utilização de um transformador trifásico com ligação estrela triangulo (triangulo do lado

secundário), em detrimento do monofásico confinaria os harmónicos de terceira ordem

ao secundário do transformador, não havendo propagação para os terminais do

alternador. Para além da substituição de uma alimentação trifásica, poderá se extinguir o

TE.

A utilização de um núcleo de ferrite para o transformador do conversor flyback de

maiores dimensões permite que haja mais espiras, o que possibilitará a obtenção da

tensão para o rectificador directamente dos terminais do alternador. Contudo esta

solução poderá não ser aconselhável, pois com a ligação directamente do rectificador ao



alternador vai existir propagação de harmónicos de terceira ordem, o que não acontecia

com o transformador ligado da forma recomendada.

Outro aspecto que poderá ser melhorado é o controlo do sistema. A integração da

acção derivativa no controlo proporcionará uma resposta mais rápida e eficaz do sistema

para variações rápidas da tensão de geração.

Por último, sugere-se o desenvolvimento de um sistema de comunicação entre o

sistema e o computador através da comunicação porta série (RS32). O microcontrolador

utilizado apresenta um módulo destinado para tal, sendo a implementação da

comunicação bastante simples e rápida. Depois de conseguida a comunicação, sugere-se

o desenvolvimento de um programa em LabView para monitorização dos valores do

sistema (tensão gerada, corrente fornecida, corrente de excitação, potências e taxa de

distorção harmónica), ou seja, desenvolver um sistema de monitorização de qualidade

da energia gerada. Para além da monitorização, todos os sinais de inicio e fim de

geração, e alteração dos parâmetros do controlador, poderão ser feitos a partir de um

computador pessoal. Para além disso poderá ainda ser desenvolvido um sistema de

comunicação em rádio frequência para o controlo e monitorização do sistema à

distância.



Referências Bibliográficas

[1] “Geradores Para Grupos Geradores - Geração, Transmissão e Distribuição De

Energia,” Disponível Online em 13 Janeiro 2010 em

http://www.weg.net/br/Produtos-e-Servicos/Energia/Geracao-Transmissao-e-

Distribuicao-de-Energia/Geradores-para-Grupos-Geradores.

[2] V.D. Toro, "Basic Electric Machines", Prentice-Hall, 1990.

[3] G. Marques, "Máquinas Síncronas", Foxit Reader, 2001.

[4] Professor Alexandre Ribeiro, "Introdução às Máquinas Girantes", São Paulo:

2005.

[5] “Fujian Yinjia Electromechanical Co., Ltd.,” Disponível Online em 13 Janeiro

2010 em http://www.bombascenters.es/15a-Stator.html.

[6] J.L. Afonso, "Máquinas Síncronas", Apontamentos da UC de Máquinas

Eléctricas,Universidade do Minho, 2007.

[7] T. Moreira, “Estudo e Enquadramento do Sistema de Excitação do Alternador no

Aproveitamento Hidroeléctrico de Caniçada,” Tese de Mestrado Integrado em

Engenharia Electrónica Industrial e Computadores,Universidade do Minho,

2010.

[8] S.J. Chapmann, "Electric Machinery Fundamentals", McGraw-Hill, 1991.

[9] J. Natureza, “Máquina Síncrona, Segunda Parte,” Apontamentos das Aulas de

Máquinas Electricasda Faculdade de Engenharia da FAAP, 2010.

[10] A. Costa and S. Simões, "Sistemas de Excitação de Geradores Síncronos",

Florianópolis: 2000.

[11] Comité Nacional Brasileiro de Produção e Transmissão de Energia Eléctrica,

"Guia para Especificação de Sistemas de Excitação", FT: 1998.

[12] Tan Kok Heng, “Design an Automatic Voltage Regulator for Laboratory

Synchronous Machine,” 2002.

[13] B. Copeland, “The Design of PID Controllers using Ziegler Nichols Tuning,”

Response, 2008.

[14] E. Electrotécnica, “Métodos de Sintonização de Controladores PID Método de

Sintonização de Ziegler-Nichols de Malha Fechada,” Intituto Politécnico de

Tomar, 2005.

[15] U. Unitrol, “Unitrol ® 1000,” 2000.

[16] Siemens, "Boletim informativo sobre sistemas de excitação e regulação de

tensão", São Paulo: 2007.

Referências Bibliográficas


[17] D.W.Hart, "Introdution to Power Electronics", Prentice-Hal, 1997.

[18] N. Mohan, T.M. Underland, and W. Robbins, "Power Electronics Converters,

Applications, and Design", New York: John Wiley & Sons, Inc, 1995.

[19] "TS4B01G THRU TS4B07G", datasheet.

[20] “Application Note AN4137 Design Guidelines for Off-line Flyback Converters,”

2003.

[21] "IRFPE40", datasheet.

[22] "Voltage Transducer LV 25-P", datasheet.

[23] "Current Transducer LA 55-P", datasheet.

[24] J.G. Rocha, "MOSFETS e Amplificadores Operacionais", Porto: Netmove

Comunicação Global, Lda, 2005.

[25] "HCPL-3120", Technical Data.

[26] "PIC 18F4331", datasheet, 2007.

[27] "LM2592HV SIMPLE SWITCHER Power Converter 150 kHz 2A Step-Down

Voltage Regulator", datasheet.

[28] "MAX743CPE", datasheet.


Universidade do Minho A-1

ANEXOS

ANEXO A - Circuito de Potência ................................................................................ A-3

ANEXO B - Circuito da Unidade de Medida ............................................................... A-5

ANEXO C - Circuito da Unidade de Controlo ............................................................. A-7

ANEXO D - Circuito do Microcontrolador .................................................................. A-9

ANEXO E - Circuitos de Alimentação da Unidade de Comando .............................. A-11

ANEXO F - Código Implementado ............................................................................ A-13



ANEXO A

Circuito de Potência

Foi construído o circuito de potência responsável por fornecer ao enrolamento do

indutor a corrente de excitação necessária à criação do campo magnético do alternador.

O circuito em causa divide-se em três elementos distintos, o transformador de excitação,

o rectificador monofásico de onda completa com filtro capacitivo e o conversor flyback.

O esquema eléctrico adoptado encontra-se na Figura A1.

TE

1 : 6,4

Induzido

k20

TS4B05G

2 mH 2,2 mH

IRFPE40

UF5408

UF5404

4700 uF

63V

1:1

T1

PWM

4700 u

F

63V

2,2 nFK10

330 nF

100V

100uH

IndutorF1

3 A

Figura A1 – Esquema eléctrico do circuito de potência

O circuito de potência pode fornecer ao enrolamento do indutor até 51 V / 700 mA.

Como a potência máxima admitida pela excitatriz é de 35 W, estes valores representam

os valores máximos admitidos para proceder à excitação do alternador.



ANEXO B

Circuito da Unidade de Medida

Foi construído um circuito capaz de receber os sinais dos sensores de corrente e

tensão efeito Hall e envia-los para o microcontrolador. No caso do sensor de corrente o

sinal medido é enviado directamente para o CAD para posterior interpretação, enquanto

o sinal do sensor de tensão terá que ser ajustado, a partir do circuito somador, de

maneira a ser admitido pelo microcontrolador. A Figura B1 apresenta o circuito

implementado para o sensor de tensão utilizado.

k420

420 V

(máx) +HT

-HT

LV 25-P

+

-

M

+15 V

-15 V

200

v_medido

22 nF

22 nF

Figura B1 – Esquema eléctrico do circuito do sensor de tensão efeito Hall

Como referido, no caso do sensor de tensão, é necessário o uso de um circuito

somador de maneira que o sinal medido da tensão gerada possa ser recebido pelo

microcontrolador. A Figura B2 mostra o circuito somador implementado.

+

-

CAD

-15 V

v_medido

K10

K10

K62+15 V

-15 V

Figura B2 – Esquema eléctrico do circuito somador

Anexos

A-6 Departamento de Electrónica Industrial

Para o sensor de corrente efeito Hall foi implementado o circuito da Figura B3. A

corrente máxima de leitura corresponde à corrente máxima fornecida pelo circuito de

potência (700 mA).

LA 55-P

+

-

M

+15 V

-15 V

100

CAD

100 nF

100 nF

22 uF

22 uF

mAIMAX 700

N=50 Voltas

Figura B3 – Esquema eléctrico do circuito do sensor de corrente efeito Hall



ANEXO C

Circuito da Unidade de Controlo

Para o correcto funcionamento do semicondutor usado no conversor flyback,

utilizou-se um drive capaz de aplicar à gate do MOSFET as tensões necessárias para a

sua comutação. Para além disso, proporciona o isolamento galvânico entre o circuito de

comando e o circuito de potência. A Figura C1 mostra o esquema eléctrico do circuito

da unidade de controlo.

PWM

+5 V

+5 V

1

2

3

4 5

6

7

8

HC

PL

-31

20

270

100 nF

10MOSFET

+12 V

-12 V

Figura C1 – Esquema eléctrico do circuito de controlo

A alimentação do lado primário do drive é a mesma que do circuito do

microcontrolador, enquanto a alimentação do secundário é obtida de outra fonte

independente, mas referenciada ao circuito de potência de forma a ser possível a

comutação do semicondutor do conversor flyback.



ANEXO D

Circuito do Microcontrolador

O circuito do microcontrolador recebe os sinais provenientes do circuito de medida e

de acordo com esses valores, interage com o circuito de controlo de maneira a ser

possível a correcta e eficaz excitação do alternador. Para além da função de controlo

permite a interface com o utilizador tanto a nível de alteração de parâmetros como

monitorização dos valores da tensão gerada e da corrente de excitação. O esquema

eléctrico utilizado para o circuito do microcontrolador encontra-se na Figura D1.

MCRL

K10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

40

39

38

37

36

35

34

33

32

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

PIC

18

F4

33

15V

5V

Valor da Tensão

Valor da Corrente

PGD PGC PGC

PWM

INT2

INT1INT0

18pF

18pF

Reset Manual

LCD_enable

LCD_rs

LCD_B7

LCD_B6

LCD_B5

LCD_B4

LCD_rw

20 MHz

K1

Figura D1 – Esquema eléctrico do circuito do microcontrolador



ANEXO E

Circuitos de Alimentação da Unidade de

Comando

A alimentação dos diferentes circuitos da unidade de comando é obtida a partir dos

terminais do alternador. O circuito de alimentação deve manter as tensões necessárias

para o correcto funcionamento desde o inicio do processo (tensão obtida da indução

remanescente) até que o alternador produza a tensão nominal de funcionamento.

As alimentações necessárias para os diferentes circuitos que constituem a unidade de

medida são:

Unidade de Medida 15 V

Unidade de Controlo 12 V

Circuito do Microcontrolador +5 V

Para a alimentação da unidade de medida/circuito do microcontrolador

implementou-se o circuito representado na Figura E1.

330 uF

Vout = 5V

330 uF

15,3:1

Vin_min=90V

Vin_max=200VLM2592HV-5.0

Vin

On/Off

FeedbackOutput

GND

68 uF

EGP20A

BU1006

1

2

3

4

5

6

7

8

16

15

14

13

12

11

10

9

MA

X 7

43 C

PE

+5V

0.01uF

0.01uF

0.1uF

10uF

1uF

100uH

IN5817 100uF

+15 V

100uF

IN5817

-15 V

100uF

100uH

Figura E1 – Esquema eléctrico do circuito de alimentação unidade de medida/microcontrolador

A tensão necessária para a alimentação do microcontrolador é retirada da saída do

regulador LM2592HV, enquanto para os sensores a tensão necessária obtém-se da saída

do MAX743CPE.

Para a alimentação do circuito de comando seguiu-se a mesma implementação do

circuito anterior com a diferença que para o circuito de comando, são necessários níveis

Anexos


de tensão de 12 V. A Figura E2 mostra o circuito implementado para a alimentação da

unidade de controlo.

330 uF

330 uF

15,3:1

Vin_min=90V

Vin_max=200VLM2592HV-5.0

Vin

On/Off

FeedbackOutput

GND

68 uF

EGP20A

BU1006

1

2

3

4

5

6

7

8

16

15

14

13

12

11

10

9

MA

X 7

43 C

PE

+5V

0.01uF

0.01uF

0.1uF

10uF

1uF

100uH

IN5817 100uF

+15 V

100uF

IN5817

-15 V

100uF

100uH

Figura E2 – Esquema eléctrico do circuito de alimentação da unidade de controlo



ANEXO F

Código Implementado

O código foi desenvolvido em linguagem C de forma a proceder ao controlo da

corrente de excitação do alternador. A partir dos valores recebidos da unidade de

medida são determinadas as acções proporcional e integral para o controlador. A partir

dos resultados obtidos pelo controlador é enviado para o conversor flyback o sinal de

PWM necessário para o ajuste da corrente de excitação para o valor de referência.

//********************José Miguel Leite da Silva****************************************************

//**********************Controlo Automático da Tensão de Saída de um Alternador*********************

// Utiliza 3 entradas analogicas que vao corresponder a 1 tensão e 1 corrente, outra ainda que corresponde à definição do

valor de referência

//

// A placa a ser utilizada pode ter ganho na entrada ADC..........(verificar)

// A saída utilizada será o power PWM1 pino 34

//

//

//

// ADC-->1024=200V

// ADC-->1024=0.74A

//

//

// A definição dos pinos utilizados para o lcd são os seguintes

// pino

// D0 enable 19

// D1 rs 20

// D2 rw 21

// D4 D4 27

// D5 D5 28

// D6 D6 29

// D7 D7 30

//

//

//200V ==> 1023 ==> 5V

//0.74A ==> 1023 ==> 5V

//PWM1 ira corresponder ao mosfet que força a corrente de excitação

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

#include <18f4331.h>

#device ADC=10

#use delay(clock=20000000)

#fuses HS,NOWDT,PUT,NOLVP

#include <stdio.h>

#include <math.h>

Anexos


#include <lcdd.c>

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

///////////////Definir Pinos do LCD//////////////////////////////////////////////

#define B4 PIN_D4

#define B5 PIN_D5

#define B6 PIN_D6

#define B7 PIN_D7

#define enable PIN_D0

#define rw PIN_D2

#define rs PIN_D1

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

//Definição do modo do ADC

#byte ADCON1 = 0xFC1

#byte ADRESL = 0xFC3

#byte ADRESH = 0xFC4

#byte ADCHS = 0xF99

#bit ADC_FIFOEN = ADCON1.4

#bit ADC_BFEMT = ADCON1.3

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

//////////////DECLARAÇÃO DE VARIAVEIS/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

signed long int duty=0, i=0, pi_i, integral_i, erroIexc;

long Iexc, Vin, result0, result1, aux=0, conta=0, Iref=400;

int ON=0, aux1=0;

float corrente, tensao, media_V, media_I, soma_I=0, soma_V=0;

int32 vector_I[]={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};

int32 vector_V[]={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};

//------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

//------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

#INT_AD

void trata_ADC() //Rotina de Serviço à interrupção AD

{

aux++;

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

//+++++++++++++++++++++++++Inicia Leitura Do conversor

AD++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

// Wait for the first A/D result to become available in the fifo.

// Then read it.

while(ADC_BFEMT);

result0 = make16(ADRESH, ADRESL);

// Wait for the 2nd A/D result to become available in the fifo.

// Then read it.

while(ADC_BFEMT);

result1 = make16(ADRESH, ADRESL);

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

/////Média Deslizante Tensão e Corrente//////////////////////////



//tensao

soma_V=soma_V+result0-vector_V[i]; //soma dos valores do vector

media_V=soma_V/51; //media dos valores medidos

vector_V[i]=result0; //Actualiza o Vector

tensao=((media_V*199.6)/637); //Determinda o Valor da tensão instantanea

Vin=ceil(tensao); //Valor da Tensão a Usar

//Corrente

soma_I=soma_I+result1-vector_I[i];

media_I=(soma_I/51);

vector_I[i]=result1;

corrente=((media_I*0.71)/(973)); //valor da corrente instantânea

Iexc=ceil(corrente*1000); //valor da corrente para usar*/

i=i+1; //quando vector preenchido aponta para a posição 0

if(i>50)

i=0;

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

//+++++++++++++++++Inicia o tratamento dos valores medidos nos sensores+++++++++++++++

if(aux==1000)

{

aux=0;

if(Iexc<=0) //Se por algum motivo o valor da corrente der negativo define-se como sendo 0

Iexc=0;

if(Iexc>700) //Se o valor da corrente de excitação for superio a 700 ma o sitema é desligado

{

setup_timer_1 (T1_DISABLED); //Desativa Controlo PID

set_power_pwm0_duty(0); //Termina conversão de

Energia do Flyback

duty=0; //Coloca o Valor do Duty em 0

disable_interrupts ( INT_EXT | INT_EXT1 | INT_EXT2 | INT_TIMER1); //Desabilita todas as Interrupções

lcd_clean();

lcd_gotoxy(1,1);

printf(lcd_putc,"**Erro - Excitacao**");

lcd_gotoxy(5,3);

printf(lcd_putc,"Prima Off");

do{}while(input(PIN_C5));

reset_cpu();

}

if(Vin>220) //Se o valor da tensão for superio a 220 V o sitema é desligado

{


set_power_pwm0_duty(0); //Termina conversão de

Energia do Flyback


disable_interrupts ( INT_EXT | INT_EXT1 | INT_EXT2 | INT_TIMER1); //Desabilita todas as Interrupções

lcd_clean();

lcd_gotoxy(1,1);

printf(lcd_putc,"****Erro - Tensao***");

lcd_gotoxy(5,3);

printf(lcd_putc,"Prima Off");

do{}while(input(PIN_C5));

Anexos


reset_cpu();

}

//Escreve os Valores da Tensão do Gerador e Corrente de Excitação no LCD

lcd_clean();

lcd_gotoxy(1,1);

printf(lcd_putc,"----Modo Leitura----");

lcd_gotoxy(3,3);

printf(lcd_putc,"V_Gerador = %ld V", Vin);

lcd_gotoxy(3,4);

printf(lcd_putc,"Iexc = %ld mA",Iexc);

}

read_adc(ADC_START_ONLY); // Set the GO bit in ADCON0

}

//----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

//----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

#INT_EXT

void trata_ext0()

{

delay_ms(500);

if(aux1==0&&ON==0)

{

integral_i=0; //coloca o valor do erro integral em zero

ON=1;

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

//+++++++++++++++++++++++++++++++Inicia Timer 1++++++++++++++++++++++++

setup_timer_1(T1_INTERNAL | T1_DIV_BY_1);

set_timer1(65536-50000);

lcd_clean();

lcd_gotoxy(5,2);

printf(lcd_putc"P.I.D. ON");

delay_ms(1000);

}

if(aux1==1)

{

Iref=Iref-1;

if(Iref<=180)

Iref=180;

lcd_gotoxy(2,1);

printf(lcd_putc,"Alterar Referencia");

lcd_gotoxy(5,3);

printf(lcd_putc,"V_Saida = %ld",Iref);

}

}

//-------------------------------------------------------------------------------

//-------------------------------------------------------------------------------

#INT_EXT1 //Rotina de Serviço à interrupção Externa 2

void trata_ext2()



{

delay_ms(500);

if(aux1==0)

{

aux1=1;

lcd_clean();

disable_interrupts ( INT_AD | INT_TIMER1); //Desabilita Interrupções Conversor AD e Timer1

lcd_gotoxy(2,1);

printf(lcd_putc,"Alterar Tensao");

lcd_gotoxy(5,3);

printf(lcd_putc,"V_saida = %ld",Iref);

}

else

{

aux1=0;

integral_i=0; //reinicializa erro integral

lcd_clean();

lcd_gotoxy(2,1);

printf(lcd_putc,"Referencia Alterada");

lcd_gotoxy(2,3);

printf(lcd_putc,"Novo Valor = %ld",Iref);

delay_ms(1500);

enable_interrupts ( INT_AD | INT_TIMER1); //Reabilita todas as Interrupções

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

///Definir Externas como transição alto para baixo///////////////////////////////////////

ext_int_edge ( 0, H_TO_L);



}

}

//-------------------------------------------------------------------------------

//-------------------------------------------------------------------------------

#INT_EXT2 //Rotina de Serviço à interrupção Externa 1

void trata_ext1()

{

delay_ms(500);

if(aux1==0)

{


set_power_pwm0_duty(0); //Termina conversão de Energia do Flyback


lcd_clean(); //Comunica com o utilizador o termino da conversão

lcd_gotoxy(5,2);

printf(lcd_putc,"P.I.D. OFF");

ON=0;

delay_ms(1000);

}

Anexos


if(aux1==1)

{

Iref=Iref+1;

if(Iref>200)

Iref=200;

lcd_gotoxy(2,1);

printf(lcd_putc,"Alterar Referencia");

lcd_gotoxy(5,3);

printf(lcd_putc,"V_saida = %ld",Iref);

}

}

//-------------------------------------------------------------------------------

//-------------------------------------------------------------------------------

#INT_TIMER1

void trata_timer1()

{

//reinicia a contagem do timer 1 em 50000 mais a contagem que já passou desde a entrada na ISR

set_timer1((65536-50000)+get_timer1());

conta++;

if(conta==50) //1 segundo conta==100

{

conta=0;

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

//+++++++++++++++Determinar Parametros Do Controlador PI+++++++++++++++++++++++++

//erro da corrente de Excitação

erroIexc=Iref-Iexc;

//limite erro de excitação

if( erroIexc>=-3 && erroIexc<=3)

erroIexc=0;

//integral do erro

integral_i = integral_i + erroIexc;

//limite do integral

if(integral_i>60) integral_i=60;

if(integral_i<-60) integral_i=-60;

//proporcional integral

pi_i= (0.1*erroIexc) + (0.5*integral_i);

//limite do proporcional integral

if(pi_i>5)

{pi_i=5;}

if(pi_i<-5)

{pi_i=-5;}

//Determinar valor do duty cicle

duty=duty+pi_i;

//Defenir os valor máximo admissivel para duty cicle duty=214

if(duty<=0){duty=0;}



if(duty>=210){duty=210;}

//definir valor POWER PWM

set_power_pwm0_duty(duty);

}

}

//-------------------------------------------------------------------------------

//-------------------------------------------------------------------------------

void main(void)

{

lcd_init();

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

/////////////Definição do PWM e frequencia////////////////////////////////////

// Setup_power_pwm_pins(PWM_ODD_ON,PWM_ODD_ON,PWM_ODD_ON,PWM_ODD_ON);

setup_power_pwm_pins( PWM_ODD_ON, PWM_OFF,PWM_OFF,PWM_OFF);

// PPWM channels 0 and 1 are both on and always opposite values

setup_power_pwm( PWM_CLOCK_DIV_4|PWM_FREE_RUN,1,0,100,0,1,0); //Freq:50Khz

//Coloca PWM em 0

set_power_pwm0_duty(duty);

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

////////Definir Interrupões Necessárias/////////////////////////////////////////

enable_interrupts (GLOBAL); //Global

enable_interrupts (INT_EXT); //Externa 0

enable_interrupts (INT_EXT1); //Externa 1

enable_interrupts (INT_EXT2); //Externa 2

enable_interrupts (INT_AD); //Conversor Analógico Digital

enable_interrupts (INT_TIMER1); //Timer 1

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

///Definir Como transição alto para baixo///////////////////////////////////////




////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

//+++++++++++++++++++++++++++++++Inicia ADC++++++++++++++++++++++++

// Select pins AN0 and AN1, in Groups A and B, respectively.

setup_adc_ports(sAN0 | SAN1);

// Tell ADC to read continuously from input Groups A and B.

setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL | ADC_CONT_AB);

delay_us(10);

// Tell the ADC to put the conversion results in the fifo.

ADC_FIFOEN = 1;

read_adc(ADC_START_ONLY); // Set the GO bit in ADCON0

//******************************************************************************

Anexos


while(1); //Aguarda ocorencia de interrupções

}

Documents

Agradecimentos - intranet.dei.uminho.ptintranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/42996.pdf · à desexcitação do alternador em caso de paragem de produção. No sistema de excitação