Universidade Federal de Minas Gerais

Laboratorio de Controle e Automacao I

Sistema Piloto Torneira Eletrica

MANUAL DO SISTEMA PILOTOTORNEIRA ELETRICA

Ultima atualizacao: Outubro, 2010

Participantes Rafael C. NolascoProfa. Patrıcia N. PenaProf. Leonardo A.B. Torres

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Introducao

O Laboratorio de Controle e Automacao possui diversos sistemas piloto didaticos utilizados em aulaspraticas de Laboratorio de Controle e Automacao I e II e Informatica Industrial. O Sistema PilotoTorneira Eletrica foi desenvolvida no Departamento de Engenharia Eletronica da UFMG, com o ob-jetivo de viabilizar o estudo de um processo termico em ambiente de laboratorio.

Neste sistema tem-se como objetivo controlar a temperatura de uma torneira eletrica (na faixa deTambiente ≈ 22oC ate 40oC) atraves do ajuste da potencia eletrica entregue a torneira. Esse ajuste efeito por uma placa de potencia que recebe uma acao de controle em tensao (0-10V). O sinal operacom um set point (0-10V) ajustado por meio de um potenciometro, do qual e subtraıdo o sinal medidousando-se um sensor (Ks = 0, 1V/oC). O sinal de Erro chega a entrada de um controlador PID cujasaıda (0-10V) e enviada a placa de potencia mencionada anteriormente.

Este documento possui informacoes importantes para o uso e operacao do sistema desenvolvido,alem da descricao de cada componente da planta.

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Sumario

1 Descricao dos Componentes da Torneira Eletrica 41.1 Torneira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3 Fonte de Alimentacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.4 Sensor de Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.5 Controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.6 Conformador do Sinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.7 Placa de Disparo dos Tiristores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.8 Conversor Corrente/Tensao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2 Conexao dos componentes 112.1 Circuito de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2 Circuito de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3 Circuito de comando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3 Uso e operacao 133.1 Colocando a Planta em Funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.2 Malha Aberta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.3 Malha Fechada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.4 Visualizacao dos Sinais da Planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

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1 Descricao dos Componentes da Torneira Eletrica

Este sistema e composto por uma torneira eletrica, um transformador, uma planta de controle (quefica sobre a bancada) e uma mangueira. Na saıda da torneira e na extremidade da mangueira foramcolocados sensores de temperatura.

Veja a distribuicao dos componentes na Figura 1:

Figura 1: Visao superior da processo termico completo

1.1 Torneira

A torneira eletrica e um chuveiro de 4500 W (Figura 2), que foi dimensionado para funcionar sobre umatensao eletrica alternada de 127Vrms e 60 Hz (rede eletrica monofasica comum em Belo Horizonte).Essa torneira possui uma pressao de funcionamento que varia de 2 kPa a 400 kPa. Na valvula deacionamento da torneira foi colocada uma escala em graus para se ter uma orientacao de quanto elafoi aberta.

Figura 2: Torneira Eletrica

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1.2 Transformador

Um transformador com relacao de espiras de 1:1 foi acoplado ao sistema para isolar a tensao eletricada rede do laboratorio da tensao que alimenta a torneira (Figura 3). Esse isolamento e necessario umavez que a tensao que alimenta a torneira e chaveada (permitindo assim o controle da potencia quesera entregue a mesma), o que causaria ruıdo na rede, podendo causar o mal funcionamento de outrosequipamentos do laboratorio. Esse transformador foi projetado para ter uma tensao de entrada de127Vrms a uma frequencia de 60Hz, com uma corrente de ate 47 A. Como esse e um transformador1:1, os valores de saıda sao os mesmos dos de entrada.

Figura 3: Circuito de Potencia do sistema com o transformador em destaque

1.3 Fonte de Alimentacao

A placa de disparo de tiristores, a placa do PID, a placa do conversor e a placa do sensor de temperaturasao circuitos eletronicos cuja alimentacao e feita por uma fonte simetrica de ±15V , com corrente desaıda de 0,5 A. Para tal, foi projetada uma fonte linear de baixa potencia e boa regulacao, utilizandoreguladores de tensao da famılia 78XX. O diagrama esquematico da fonte e mostrado na Figura 4.

Figura 4: Circuito da fonte de alimentacao

Os valores dos componentes utilizados foram obtidos a partir dos dados de especificacao da fontee das caracterısticas dos dois reguladores utilizados. Para que a regulacao seja satisfatoria (±15V ),

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precisamos de uma queda de tensao de no mınimo 18V e no maximo 23 V nos terminais de entradados reguladores (valores positivos para o 7815 e negativos para o 7915). Com o capacitor de filtragemigual a 2200µF , e considerando que a corrente de descarga IL = 1A temos:

Vripple =IL

2fC= (2× 60× 2200× 10−6)−1 ⇒ Vripple = 3, 78V

A tensao no secundario do transformador e dada pela expressao

Vsec = (Vripple + 1, 4 + Vreg)× 1, 05

O fator 1,4 corresponde a queda de tensao nos diodos retificadores (ponte de diodos) e o fator1,05 inclui uma correcao de 5% no valor calculado. Desta forma, com o valor Vripple ja calculado eescolhido um valor de tensao na entrada do regulador Vreg equivalente a 20 V, temos:

Vsec = (3, 78 + 1, 4 + 20)× 1, 05⇒ Vsec = 18, 69√

2⇒ V RMSsec = 18, 69V

Pelos valores calculados, a utilizacao de um transformador que rebaixasse a tensao alternada parao valor de 18V seria a mais adequada para garantir uma tensao na entrada do regulador dentro dafaixa desejada. Mas o transformador utilizado e um de 15V, que ainda assim e um valor adequado,pois garante minV in > 18V . Os capacitores conectados a saıda dos reguladores sao necessarios paragarantir a estabilidade do processo de regulacao de tensao, evitando oscilacoes.

1.4 Sensor de Temperatura

Os dois sensores de temperatura sao do tipo LM35, que e um sensor de precisao que apresenta umarelacao entre a tensao de saıda e temperatura em que ele se encontra com boa linearidade, para umafaixa de temperatura entre 0o C a 100o C. Este componente, o LM35, deve ser alimentado por umatensao de 4−20Vdc. O LM35 tem uma sensibilidade de 10mV

oC , nao necessitando de qualquer calibracaoexterna ou ajuste para fornecer valores de temperatura mesmo para pequenas variacoes de 1

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oC.

Figura 5: LM35

Na Figura 6 abaixo se apresenta o circuito amplificador conectado a saıda do sensor LM35.

Figura 6: Circuito do sensor de temperatura

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Nesse circuito, o primeiro amplificador operacional (AMP-OP) esta sendo usado em um circuitobuffer. O sinal V ′s fornecido pelo buffer e amplificado no amplificador inversor, que possui um ganhoigual a -10. Por fim, o sinal e amplificado em outro amplificador inversor, este com ganho -1. Esseultimo amplificador apenas re-inverte o sinal, tornando-o positivo, de modo que:

Vs =−R1

R3× −R5

R4× V ′s → Vs = 10.V ′s

Uma das placas que contem o circuito dos sensores esta dentro da caixa preta junto a torneira.Dessa caixa e possıvel se ver tres fios coloridos que conectam o sensor a placa (um fio azul, um pretoe outro amarelo) e um cabo de rede com 4 pares (cabo azul escuro), que faz a comunicacao da placacom a planta de controle.

A placa do outro sensor esta embaixo da bancada e este sensor esta junto a uma mangueira de5m de comprimento colocada proxima a torneira para tornar possıvel a simulacao da introducao deatraso puro de tempo devido a atraso de transporte. Ligando esta mangueira a torneira eletrica eselecionando o sensor correspondente a mangueira no painel (ver Secao sobre Uso e Operacao), epossıvel fazer o estudo de um sistema com tempo morto.

1.5 Controlador

O controlador que foi implementado para o sistema e um controlador PID, mas nele ha a opcao(uma chave) de se retirar a acao derivativa, tornando-o um PI. O circuito do controlador interno estamostrado na Figura 7:

Figura 7: Circuito do Controlador PID/PI

A chave 1 e responsavel pela selecao PI/PID. Caso seja selecionado o modo PID, o sinal dosensor ira entrar por um amplificador que ira realizar a acao derivativa sobre este sinal, que pode sermodificada atraves do potenciometro Td ligado a realimentacao do amplificador mostrado na Figura7. Caso contrario, o sinal do sensor ira direto para o estagio seguinte.

No proximo estagio o sinal vindo de A1 (no caso do PID) ou do sensor (no caso do PI) seracomparado ao sinal de referencia, variando de +2 a +4V, que entra atraves de A3. Essa comparacaoocorre em A4, tendo como entrada inversora o sinal do amplificador que recebe o sensor, e comoentrada nao-inversora o sinal de A3. Nesse mesmo estagio e introduzido o ganho proporcional, cujaacao pode ser modificada em R8, que corresponde ao Kp no painel.

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Junto a saıda do controlador tambem e adicionada a acao integral, calculada em A5, e pode sermodificada atraves de R14.

Figura 8: Diagrama em blocos do Controlador PI

1.6 Conformador do Sinal

Como a entrada para controle atraves de tiristores deve ser algo entre 0 e 10V, alem de ser inversa,e necessario modificar o sinal para que o sinal de controle tenha estas caracterısticas. O circuito doconformador esta representado tambem na Figura 7, logo apos a saıda do controlador. Primeiramente,o sinal de controle passa por um diodo para eliminar sua parte negativa. Logo apos, ele passa por umdivisor de tensao calculado para que o valor do sinal esteja ente 0 e 10V. Este sinal entao e somado aum sinal de -10V, resultando assim em um sinal que varia de 0 a -10V. Esse sinal e entao invertido eo sinal resultante possui as caracterısticas desejadas: varia de 0 a 10V e o sinal correspondente a 0Ve aquele em que o controle entrega maxima potencia e em 10V entrega potencia zero a planta.

1.7 Placa de Disparo dos Tiristores

A placa tem como objetivo acionar tiristores de potencia. No caso estudado, esses tiristores estaoligados a torneira eletrica, controlando a potencia entregue a mesma.

Os tiristores (2 SCRs ligados em antiparalelo) sao acionados por um trem de pulsos gerado pelaplaca de potencia. A conexao dos tiristores e mostrada na Figura 9 a seguir. O SCR e um componenteeletronico que nao conduz em nenhuma direcao quando em seu estado normal. Uma vez disparadoatraves da aplicacao de um pulso no gatilho, o SCR conduz em apenas uma direcao, desde que estejapolarizado diretamente. O capacitor e o resistor (que estao em serie entre si e em paralelo aos tiristores)formam um circuito snubber que impede o disparo acidental dos SCRs devido a uma eventual variacaoabrupta de tensao entre seus terminais.

O princıpio de funcionamento da placa de disparo dos tiristores e bastante simples. Um sinalde controle e um sinal de sincronismo sao fornecidos a placa, sendo que o sinal de controle vem docontrolador PID e o sinal de sincronismo e uma onda de 5Vrms que e fornecida por um pequenotransformador (trafo de sincronismo) que serve apenas para fornecer esse sinal a placa de disparo.O sinal de sincronismo e usado para gerar uma rampa sincronizada com a rede, que e comparadacom o sinal de referencia determinando o momento (angulo) de disparo dos tiristores, ressaltando quequanto maior foi o sinal de referencia, maior sera o angulo de disparo. Como apenas um dos tiristoresdeve ser disparado por semi-ciclo (um no semi-ciclo positivo, e o outro no negativo), ha um detetorde semi-ciclo que controla os geradores de pulso de modo que, quando habilitados, geram um trem depulsos de frequencia muito superior a da rede convencional (100kHz), garantindo assim os disparos,alem de diminuir a potencia dissipada nos gatilhos dos tiristores.

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Figura 9: Conexao dos tiristores

O componente principal da placa de disparo e o circuito integrado TCA-785, que le os sinais decontrole e de sincronismo gerando o sinal de habilitacao para os geradores de pulso. Os geradores depulso foram feitos com circuitos integrados 555(usados em circuitos osciladores), e na saıda destes haum estagio transistorizado de amplificacao que aplica os pulsos em transformadores de pulsos. Estes,por sua vez, geram o sinal final que e aplicado aos gatilhos dos tiristores.

Figura 10: Circuito da placa de disparo dos tiristores

Tem-se, portanto, que o controle de potencia e feito disparando-se os tiristores em um determinadoangulo (Θ), controlando assim a potencia ativa (RMS) entregue a torneira. Angulos proximos de 0 e2π correspondem a potencia maxima (Figura 11) e angulos proximos de π correspondem a potenciamınima (Figura 12). Ou seja, quanto maior o sinal de referencia (mais proximo de 10V), menor seraa potencia entregue a torneira. E quanto menor o sinal de referencia (mais proximo de 0V), maior apotencia.

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Figura 11: P → max quando Θ→ 0

Figura 12: P → min quando Θ→ π

1.8 Conversor Corrente/Tensao

Apesar da planta ja possuir um controlador proprio, e possıvel controla-la a partir de um controladorexterno. Apesar do controlador instalado ter saıda em tensao, e possıvel controlar a torneira utilizandovalores de corrente, pois foi instalado um conversor corrente/tensao. O controle em corrente utilizavalores de corrente comumente utilizadas em ambientes industriais (ate 20mA). Foi instalada tambemuma chave seletora para permitir escolha ao usuario quanto a forma de atuacao. Na Figura 13apresenta-se o circuito do conversor corrente/tensao. Nesse circuito, um sinal em corrente i0 (quevaria de 4mA a 20mA) e convertido em um sinal Vf em tensao que varia de 2 a 10V. A Tabela 1mostra a funcao de cada ponto de contato encontrado no circuito conversor presente na torneira.

Figura 13: Circuito do conversor corrente/tensao

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Ent 1 Saıda do conversor

Ent 2 Entrada do buffer

Ent 3 Entrada do conversor

Ent 4 Saıda do buffer

Ent 5 -

Ent 6 -Vcc

Ent 7 GND

Ent 8 +Vcc

Tabela 1: Tabela de contatos do conversor

O sinal i0 logo que chega ao conversor, e convertido em um sinal V0 em tensao, onde V0 e a quedade tensao sobre os resistores de 100Ω e 150Ω:

V0 = i0.(150 + 100)→ V0 = 250.i0

V0max = 5VV0min = 1V

No calculo de V0 podemos considerar que a corrente i0 passa apenas pelos resistores de 100Ω e150Ω, uma vez que eles possuem valores de resistencia muito inferiores ao resto do circuito. O errocausado por essa aproximacao e inferior ao erro dos proprios resistores, podendo ser desprezado.

O sinal V0 e aplicado em um amplificador inversor de ganho K igual a -2, ou seja:

V ′0 =12, 1k + 12, 1k

12, 1k.V0 → V ′0 = −2.V0

V ′0max = −10VV ′0min = −2V

Por fim, como se precisa de um sinal positivo, o sinal e reinvertido, aplicando-o em outro amplifi-cador inversor, so que este ultimo com ganho K igual a -1.

Vf =12, 1k

12, 1k.V ′0 → Vf = −1.V ′0

Vfmax = +10VVfmin = +2V

Na Figura 13, montado na mesma placa que o conversor, ha um outro amplificador operacionalutilizado como um buffer. No entanto, ate o presente momento este circuito nao e utilizado pelaplanta.

2 Conexao dos componentes

Para o estudo do funcionamento do sistema piloto Torneira Eletrica, podemos dividi-lo em tres cir-cuitos, um de potencia, outro de controle e um terceito de comando. O circuito de potencia englobaa rede eletrica, o transformador, os tiristores e a propria torneira. Ja o circuito de controle englobao controlador e o sensor. O circuito de comando e composto pela placa de disparo dos tiristores, oconversor e o transformador usado para se obter o sinal de sincronismo com a rede. As conexoes entreos componentes do sistema sao feitas por uma parte da regua de bornes que se encontra no meio daplanta de controle, e por conexoes que o usuario faz no painel na frente da planta.

2.1 Circuito de potencia

O circuito de potencia do sistema tem como funcao fornecer a energia a torneira. Ele pode ser vistona Figura 14, adiante.

Como pode ser visto no circuito, a rede eletrica do laboratorio chega ao quadro (Q1), onde umdisjuntor de 50A foi acoplado a uma das fases da rede para protecao. Saindo do quadro, a fase e ligadaao transformador 1:1 para isolamento, e a saıda deste e ligada ao par de tiristores para o chaveamento

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Figura 14: Circuito de potencia

e depois a torneira. Uma chave foi colocada antes do tranformador para se poder desenergizar atorneira mesmo se ainda houver fluxo de agua passando por ela.

2.2 Circuito de controle

O circuito de controle, por sua vez, tem como funcao fazer o controle da temperatura da agua. Ovalor da temperatura e definido por um sinal de referencia (0 a 10V) em tensao contınua (setpoint),que e definido por um divisor de tensao ajustado por um potenciometro. Alem disso, o sinal de umdos sensores tambem chega ao controlador, permitindo assim que ele calcule o sinal controle, a partirdos dois sinais citados. A selecao de qual sensor e usado e definida por um chave que esta no painel.

2.3 Circuito de comando

O circuito de comando e o circuito que gera os sinais de gatilho para os tiristores. Para tal, o circuitorecebe um sinal de controle e, a partir dele, gera o sinal de gatilho dos tiristores. Esse sinal de controlepode vir tanto do controlador interno ou de um controlador externo, havendo um chave de selecao nopainel para definir qual.

Ha outra chave no painel que especifica se o sinal do controlador externo e em tensao ou emcorrente. Se o sinal for em tensao, ele e entregue diretamente a placa de disparo. Se nao, o sinal eenviado ao conversor, e a saıda deste e entregue a placa de disparo.

Figura 15: Esquema de selecao da planta

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3 Uso e operacao

Para o melhor funcionamento e protecao do sistema, alguns passos devem ser seguidos na hora de ligaro sistema. Tambem se deve estar atento ao fato de que cada maneira de se operar a planta necessitade uma selecao diferente no painel.

3.1 Colocando a Planta em Funcionamento

Os seguintes passos devem ser seguidos para se ligar a planta:

• Confira se o disjuntor da torneira e o disjuntor das bancadas estao ligados. Eles estao no quadrode energia da sala, localizado atras da bancada da torneira.

• Energize a planta, usando uma tomada que esta na parte de tras da base em que esta a planta.

• Ligue a torneira, garantindo um fluxo mınimo de agua.

• Por fim, acione a chave ‘LIGA’ que esta acima do transformador, energizando a torneira.

A torneira deve ser ligada na posicao ’Quente’, que e a posicao onde o chuveiro fornece mais potencia.Outra recomendacao e em relacao ao fluxo de agua que passa pela torneira. Se for utilizado umfluxo muito baixo (abertura da torneira abaixo de 18o), a torneira nao liga devido a um sistema deprotecao interno a ela. E se for utilizado um fluxo muito grande, o sistema nao conseguira fornecerpotencia suficiente, mesmo sendo maxima, para elevar satisfatoriamente a temperatura desejada. Erecomendado girar a valvula da torneira entre 18o e 36o, sendo 200 um valor adequado.

Ha dois modos de funcionamento para a Torneira, funcionamento em malha aberta e em malhafechada.

3.2 Malha Aberta

Para colocar o sistema em malha aberta, deve-se colocar as chaves de selecao do painel como sefosse usar um controlador externo em tensao, ou seja, a chave EXTERNO/INTERNO deve estarem EXTERNO e a chave CORRENTE/TENSAO, em TENSAO. Depois conecta-se o sinal do po-tenciometro de Malha Aberta (cabo branco com pino banana) no terminal positivo do par identificadocomo TENSAO. A conexao em malha aberta e util para testes, pois permite a aplicacao de sinaldiretamente na entrada da planta.

Para o teste em malha aberta, e interessante interpretar a saıda como uma variacao de 0 a 100%da potencia entregue a torneira. E importante lembrar que este sinal e usado para acionar o comandode um tiristor, existindo portanto a correspondencia entre 0V de saıda como sendo a potencia totalentregue a planta, e a saıda de 10V como nenhuma potencia sendo entregue.

3.3 Malha Fechada

Para colocar o sistema em malha fechada basta colocar a chave EXTERNO/INTERNO em INTERNOe a chave CORRENTE/TENSAO em TENSAO.

Um bom valor de referencia para a verificacao da medicao adequada de temperatura se encontra nafaixa de 3 a 3,5V, que corresponde a uma faixa de temperatura de 30 a 35oC. Um valor de referenciamuito elevado pode levar o sistema a saturacao, que ocorre por volta de 42oC.

3.4 Visualizacao dos Sinais da Planta

E muito importante que as variacoes do sinal de referencia, do sensor e o sinal de controle possam seracompanhadas atraves de um osciloscopio. A saıda do controlador pode ser vista usando o borne azulligado a um fio verde que esta preso ao quarto parafuso contando a partir da parte inferior da regua debornes. Ja os sinais de sensores podem ser acompanhados atraves das entradas na extremidade direita

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do painel abaixo de onde esta escrito SENSOR. O primeiro sensor corresponde aquele instalado juntoa torneira, enquanto o ultimo ao instalado no final da mangueira. O borne do meio corresponde aoterra. A chave ao lado dessas saıdas seleciona qual sinal sera enviado ao controlador interno.

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