Controle do Gerador de Indução Trifásico Baseado em Lógica Fuzzy

  • View
    1.569

  • Download
    11

Embed Size (px)

DESCRIPTION

No Brasil o sistema elétrico está operando próximo de sua capacidade máxima. O racionamento de energia elétrica recentemente ocorrido é comprovação deste fato. Uma alternativa à construção de grandes centrais geradoras e longas linhas de transmissão é a construção de diversas pequenas centrais elétricas localizadas próximas aos centros de consumo, sempre que possível. Esse tipo de sistema pode ser instalado em propriedades rurais ou pequenos povoados e pode funcionar de maneira independente do sistema interligado. Este trabalho apresenta estudo, modelagem, simulação e implementação em laboratório de um sistema de geração de energia elétrica que pretende aproveitar a energia disponibilizada por pequenos córregos e rios. A máquina de indução é utilizada como gerador, e o controle de amplitude da tensão gerada é feito através do fornecimento ou absorção de potência reativa da máquina, conforme necessário. A potência reativa é fornecida ou absorvida por um inversor trifásico controlado por um processador digital de sinais (DSP) especialmente programado para executar esta função. No programa do DSP são usados controladores PI clássicos e controladores baseados em lógica “Fuzzy”. O desempenho do sistema operando apenas com controladores PI e operando com controladores “Fuzzy” é comparado, e fica clara a superioridade dos controladores “Fuzzy” nessa aplicação.

Text of Controle do Gerador de Indução Trifásico Baseado em Lógica Fuzzy

  • 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPRITO SANTOCENTRO TECNOLGICO PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA FELIPE NASCIMENTO MARTINS CONTROLE DO GERADOR DE INDUOTRIFSICO BASEADO EM LGICA FUZZYVITRIA2003

2. ii FELIPE NASCIMENTO MARTINS CONTROLE DO GERADOR DE INDUOTRIFSICO BASEADO EM LGICA FUZZYDissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica do CentroTecnolgico da Universidade Federal doEsprito Santo, como requisito parcial para aobteno do Grau de Mestre em EngenhariaEltrica.Orientador: Prof. Dr. Gilberto Costa DrumondSousa.VITRIA2003 3. iii MODELO:Dados Internacionais de Catalogao-na-publicao (CIP)(Biblioteca Central da Universidade Federal do Esprito Santo, ES, Brasil)Martins, Felipe Nascimento, 1975-M663c Controle do gerador de induo trifsico baseado em lgica fuzzy / Felipe Nascimento Martins. 2003.138 f. :il. Orientador: Gilberto Costa Drumond Sousa Dissertao (mestrado) Universidade Federal do Esprito Santo, Centro Tecnolgico. 1. Motores eltricos de induo. 2. Controle vetorial. 3. Lgica difusa. I. Sousa, Gilberto Costa Drumond. II. Universidade Federal do Esprito Santo. Centro Tecnolgico. IV. Ttulo. CDU: 621.3 4. ivFELIPE NASCIMENTO MARTINS CONTROLE DO GERADOR DE INDUOTRIFSICO BASEADO EM LGICA FUZZYDissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica do CentroTecnolgico da Universidade Federal do Esprito Santo, como requisito parcial para aobteno do Grau de Mestre em Engenharia Eltrica na rea de concentrao em Automao. Aprovada em 23 de julho de 2003. COMISSO EXAMINADORA Prof. Dr. Gilberto Costa Drumond Sousa Universidade Federal do Esprito Santo Orientador Prof. Dr. Domingos Svio L. Simonetti Universidade Federal do Esprito Santo Prof. Dr. Mrcio Almeida C Centro Federal de Educao Tecnolgica do Esprito Santo 5. vA meus pais, que sempre deram todo o apoioe incentivo que precisei.A Cynthia, luz do meu caminho, que sempreme apia, suporta, incentiva, anima, ama eescreve minhas dedicatrias. 6. vi AGRADECIMENTOS O desenvolvimento deste trabalho contou com a colaborao de vrias pessoas. Atodas sou muito grato. Agradeo especialmente ao Professor Gilberto por sua dedicada e muito valiosaorientao tcnica e, em certos momentos, espiritual. Agradeo CAPES, que financiou minha bolsa de estudos. Aos professores doPPGEE, que lutam para manter o timo nvel deste programa com limitados recursosfinanceiros. Aos professores e colegas do LEPAC (Laboratrio de Eletrnica de Potncia eAcionamento Eltrico) por sua orientao e apoio nunca negados. Agradeo Automatica Tecnologia S.A. pela liberao de meus horrios de trabalho epelo apoio tcnico oferecido. Devo agradecer nominalmente aos seguintes colegas, por sua expressiva contribuioem diferentes etapas do projeto: Jos Mrio Arajo, Durval Souza, Cristiano Dalvi, Prof.Joost Peter Rey, Gerard Garca, Elthon Lampe, Johannes Bruinsma, Rafael Lacerda Alves,Edson Barbosa da Silva Jr. e Emerson Pereira Trarbach. Meus agradecimentos especiais Cynthia, minha noiva, que me acompanhoumadrugas adentro no LEPAC, e me deu mais suporte, apoio e carinho do que eu mereo.Agradecimentos especiais tambm aos meus pais, irmos e demais familiares, que sempre meapoiaram e souberam compreender minhas faltas e meus momentos de nervosismo eansiedade. Minhas sinceras desculpas queles que deveriam ter sido citados aqui mas, por forade minha excelente e sempre atuante memria, foram injustamente deixados de fora. 7. vii RESUMO No Brasil o sistema eltrico est operando prximo de sua capacidade mxima. Oracionamento de energia eltrica recentemente ocorrido comprovao deste fato. Umaalternativa construo de grandes centrais geradoras e longas linhas de transmisso aconstruo de diversas pequenas centrais eltricas localizadas prximas aos centros deconsumo, sempre que possvel. Esse tipo de sistema pode ser instalado em propriedades ruraisou pequenos povoados e pode funcionar de maneira independente do sistema interligado. Estetrabalho apresenta estudo, modelagem, simulao e implementao em laboratrio de umsistema de gerao de energia eltrica que pretende aproveitar a energia disponibilizada porpequenos crregos e rios. A mquina de induo utilizada como gerador, e o controle deamplitude da tenso gerada feito atravs do fornecimento ou absoro de potncia reativa damquina, conforme necessrio. A potncia reativa fornecida ou absorvida por um inversortrifsico controlado por um processador digital de sinais (DSP) especialmente programadopara executar esta funo. No programa do DSP so usados controladores PI clssicos econtroladores baseados em lgica Fuzzy. O desempenho do sistema operando apenas comcontroladores PI e operando com controladores Fuzzy comparado, e fica clara asuperioridade dos controladores Fuzzy nessa aplicao.Palavras-chave: Motores eltricos de induo, Controle vetorial, Lgica difusa. 8. viii ABSTRACT In Brazil, the electric power system is operating close to its maximum capacity.Blackouts and electricity rationing recently occurred are evidences of this fact. Instead ofbuilding big generating plants and long power lines, an alternative is to build a bigger numberof small generating plants located close to consumers. This type of plant can be built in ruralareas or small villages, and doesnt need to be connected to the utility grid to generate power.This work presents study, modeling, simulation, and laboratory implementation of aninduction generator based system that is intended to use power available from smallwatercourses and rivers. An induction machine is used as a generator, and the control of thegenerated voltage amplitude is done by supplying or absorbing reactive power to or from theinduction machine, as needed. Reactive power is generated or absorbed by a static VARcompensator, actually a three-phase PWM inverter controlled by a Digital Signal Processor(DSP). Classic PI controllers and fuzzy logic based controllers are implemented on the DSPprogram. Overall performance of the system operating with only PI controllers and withfuzzy logic based controllers is compared. Laboratory results have shown that this systemoperating with fuzzy logic based controllers can achieve a much better performance.Keywords: Induction Machine, Vector Control, Fuzzy Logic. 9. ixLISTA DE SMBOLOS E ABREVIATURASe ngulo entre os referenciais sncrono e estacionrioe velocidade sncrona do campo giranteEd variao da componente direta da tenso nos terminais do inversor no ref. sncronoEq variao da comp. em quadratura da tenso nos terminais do inversor no ref. sncronom velocidade mecnica do rotor da MIr velocidade eltrica do rotor da MIsl escorregamento da MIB coeficiente de atrito viscoso do sistemaCA Corrente AlternadaCC Corrente ContnuaCDC capacitncia do capacitor do elo CCEa tenso na fase A no terminal do inversorEa* referncia de tenso na fase A no terminal do inversorEb tenso na fase B no terminal do inversorEb* referncia de tenso na fase B no terminal do inversorEc tenso na fase C no terminal do inversorEc* referncia de tenso na fase C no terminal do inversorEd componente direta da tenso nos terminais do inversor no ref. sncronoEd* referncia da componente direta da tenso nos terminais do inversor no ref. sncronoEq componente em quadratura da tenso nos terminais do inversor no ref. sncronoEq* referncia da comp. em quadratura da tenso nos terminais do inversor no ref. sncronofc freqncia de cortefp fator de potnciaGI Gerador de Induoia corrente na fase Aib corrente na fase Bic corrente na fase Cid componente direta da corrente no ref. sncronoid* valor de referncia da componente direta da corrente no ref. sncronoima corrente de magnetizao da MIiq componente em quadratura da corrente no ref. sncrono 10. xiq* valor de referncia da componente em quadratura da corrente no ref. sncronoJ momento de inrcia do sistemaLi indutncia dos indutores em srie com o inversorLlr indutncia de disperso do rotor da MILls indutncia de disperso do estator da MILm indutncia de magnetizao da MIMI Mquina de InduoP nmero de plos da MIPe potncia ativa eltricaPI controlador Proporcional-IntegralPWM Pulse Width Modulation, ou Modulao por Largura de PulsoQ potncia reativa eltricaRAUX resistncia do resistor auxiliar de partidaRi resistncia dos indutores em srie com o inversorRP resistor auxiliar de descarga de CDCRPM rotaes por minutoRr resistncia de rotor da MIRs resistncia de estator da MIS chave do resistor auxiliar de descarga de CDCSAUX chave auxiliar do resistor de partidaTe torque eletromagnticoTl torque de cargava tenso eficaz na fase A no terminal do GIvac tenso eficaz entre as fases A e C nos terminais do GIvb tenso eficaz na fase B no terminal do GIvc tenso eficaz na fase C no terminal do GIvcb tenso eficaz entre as fases C e B nos terminais do GIvd componente direta da tenso nos terminais do GI no ref. sncronoVDC tenso no elo CCvdss componente direta da tenso de estator no ref. estacionriovq componente em quadratura da tenso nos terminais do GI no ref. sncronovqss componente em quadratura da tenso de estator no ref. estacionrioVS amplitude da tenso gerada pelo GI 11. xiLISTA DE FIGURASFig. 2.1 Gerador de Induo Auto-Excitado ____________________________________ 20Fig. 2.2 Variao da caracterstica Torque x Velocidade da Mquina de Induo ______ 21Fig. 2.3 Caracterstica de Magnetizao do Gerador de Induo Auto-Excitado _______ 22Fig. 2.4 Gerador de Induo diretamente conectado rede eltrica _________________ 23Fig. 2.5 Conexes paralelo-longa (a) e paralelo-curta (b) do GI auto-excitado ________ 24Fig. 2.6 GI auto-excitado conectado a inversor PWM trifsico _____________________ 25Fig. 3.1 Diagrama geral do sistema proposto___________________________________ 28Fig. 3.2 Relao entre os referenciais as-bs-cs (ABC) e ds-qs (d-q estacionrio) _______ 29Fig. 3.3 Relao entre os referenciais d-q estacionrio (ds-qs) e sncrono (de-qe) _______ 30Fig. 3.4 Diagrama de blocos do sistema de controle _____________________________ 32Fig. 3.5 Repr