Controle de tensão e freqüência de um gerador de indução assíncrono auto-excitado para MCH (página 2)

Esse controlador utiliza unicamente a medida da tensão gerada, para efetuar a compensação bem como para alimentar todo o circuito eletrônico; o que resulta num desenvolvimento simples, confiável e de muito baixo custo.

Figura 1. Esquema elétrico simplificado do sistema de controle da geração.

A Figura 1 apresenta o esquema elétrico simplificado do sistema de geração de operação autônoma que utiliza um controle eletrônico automático da tensão gerada. Para a implementação prática do controle proposto utilizou-se um motor de indução assíncrono trifásico (gaiola de esquilo), com o banco de capacitores de excitação conectado para geração monofásica [Chapallaz 1992]. O motor usado como girador, é acionado por outro motor assíncrono trifásico comandado por um regulador de velocidade eletrônico. O controlador por tensão da carga balastro consta de um estágio de medição e acondicionamento da variável de interesse, isto é, a tensão nos terminais do gerador. Este sensor é realizado a partir de um transformador de tensão redutor de baixa potência mais um retificador a diodos com filtro capacitivo. A etapa de controle e do modulador da largura dos pulsos aplicados à chave de potência, está acoplada oticamente à etapa de comando do transistor de potencia; e finalmente uma ponte monofásica de Graetz, conectada à saída do gerador, no qual está conectado o transistor de potencia (IGBT) e a carga balastro.

Na Figura 2 observa-se o circuito esquemático do controlador junto às etapas de medição da tensão gerada, a fonte de alimentação e o modulador de PWM. O controlador está baseado num controle integral, implementado em torno a um dos quatro amplificadores operacionais do circuito integrado IC1. Com este amplificador operacional implementa-se também o detector de erro, isto é, a diferença entre o valor da referência (o valor eficaz ou de pico da tensão desejada) e o valor medido. O valor de referência é um valor de tensão constante, proporcional ao valor de pico desejado da tensão nominal CA (corrente alterna) nos terminais do gerador. Esta grandeza se obtém do divisor resistivo formado por R3, R4 e R5. O amplificador operacional IC1a calcula o erro entre o valor desejado e o valor medido, e este sinal de erro é integrado com una constante de tempo dada por R7 – C7. Essa constante de tempo junto às resistências R8 - R9 determinam a velocidade com a qual o erro vá para zero, o de outra forma, o tempo de resposta da variável controlada; isto é, tempo de estabelecimento e tempo de subida. A amostra instantânea da tensão gerada, ou seja, a variável controlada é tomada através de um divisor resistivo (R1 e R2) conectado á saída de uma ponte retificadora de onda completa; que toma o sinal da tensão alternada do secundário de um transformador redutor conectado aos terminais do gerador. Nos terminais do resistor R10 tem-se a ação de controle, geralmente denominada "u(t)", a qual é comparada por o amplificador operacional IC1d, com um sinal triangular de alta freqüência gerada pelos amplificadores operacionais IC1b e IC1c. Essa comparação gera pulsos de largura variável e freqüência constante que são aplicados ao circuito de comando (driver) que por sua vez adapta o nível de tensão desses pulsos para comandar um transistor de potência, neste caso, um IGBT.

O circuito de comando possui isolação ótica entre o estágio de controle e o estágio de potência. Tal circuito mostra-se na Figura 3. Na mesma figura observa-se a etapa de potência formada pelo atuador (semicondutor de potência) que comuta a tensão de continua aplicada sobre a carga balastro. Esta tensão continua é obtida de uma ponte de Graetz monofásica, conectada aos terminais do gerador de indução.

Utilizou-se como carga balastro um conjunto de lâmpadas incandescentes de valor equivalente em kW ao qual o gerador pode entregar. Esses dados são fornecidos mais adiante.

Figura 2. Diagrama esquemático do sistema de controle com medição, alimentação e gerador de PWM.

Figura 3. Diagrama esquemático do circuito de comando (driver), atuador (IGBT) e carga balastro.

Com base no esquema da Figura 4, podem obter-se as seguintes equações principais do sistema: Considerando que e pode-se chegar a que a relação entre o sinal de erro e(t) e a ação de controle u(t) é dada pela equação (1):

Essa equação mostra que a ação de controle está determinada principalmente pela ação integral sobre o sinal de erro mais um pequeno ganho proporcional dado pela relação entre e Aplicando-se a transformada de Laplace com condições iniciais nulas à equação (1), é possível achar a transferência de tensões entre a saída e a entrada desse controlador:

e finalmente,

É possível observar na equação (2), que devido a que o primeiro termo da soma do lado direito desta equação pode ser considerado desprezível. Essa afirmação confirma que a ação de controle está praticamente determinada, a cada instante de tempo, pela integral do erro e(t). Por outro lado, o termo que multiplica a u(t) na equação (1) introduz um valor de offset na variável de saída, fazendo com que o erro não seja nulo, más permite amortecer as oscilações próprias do integrador puro, isto é, do pólo em s = 0. Este valor de offset será menor quanto maior seja o valor de

Essa implementação, faz com que o sinal de erro seja reduzido, mas, não precisamente nulo. É necessário então, que para que o erro seja o menor possível, seja o suficientemente grande respeito à Por outro lado, se o valor de resulta muito elevado, isso fará com que no sinal controlado apareçam oscilações e aumente o tempo de estabelecimento da resposta do sistema controlado. Portanto, a seleção do valor de é um compromisso entre o tempo de estabelecimento, mínimo sobreimpulso e erro reduzido de regime permanente.

É importante mencionar, que essa implementação resulta muito simples, dada a possibilidade de utilizar um só amplificador operacional para obter o sinal de erro e efetuar a compensação, além de apresentar um desempenho transitório satisfatório.

Figura 4. Esquema do controle integral.

A seguir apresentam-se os resultados experimentais obtidos com o controlador aqui proposto. Os dados do protótipo com o qual se realizaram esses ensaios são os seguintes: Motor impulsor de indução assíncrono trifásico de 1HP, motor que opera como gerador, também de indução assíncrono trifásico de 1HP. Este último conectado como gerador monofásico, segundo se apresenta em [Chapallaz 1992]. A potência nominal que é possível extrair deste conjunto motor-gerador operando como gerador monofásico é de uns 600W para carga resistiva e até 500W para carga não linear comutada ou não linear indutiva. Todos os ensaios sejam em regime permanente bem como em regime transitório, foram realizados com carga nominal. A Figura 5 apresenta a variação do sinal de controle gerada pelo controlador integral, quando entra e sai carga nominal resistiva. Observa-se a boa resposta em amplitude, sendo que apenas supera os 2V, valor muito menor que o valor de saturação do sistema de controle.

A Figura 6 mostra a variação de amplitude muito pequena da variável controlada quando se conecta a carga nominal resistiva.

Nas figuras 7 e 8 se apresentam os transitórios de partida do sistema de geração, mostrando como este controlador se auto-regula, tanto para una carga balastro de valor equivalente à metade do valor da carga nominal e de valor equivalente ao total do valor da nominal. Esses gráficos mostram os sinais r(t) e vo(t).

A Figura 9 apresenta em regime permanente a tensão gerada e a corrente que toma a carga. Neste caso, carga resistiva nominal. Também na Figura 10, apresentam-se a tensão gerada e a corrente na carga, mas neste caso, a carga é não linear indutiva mais una parcela resistiva. Inclusive nesta condição desfavorável para o gerador, e a pesar de que a distorção harmônica total (THD) da tensão gerada aumenta um pouco, (se comparada com a THD com carga resistiva pura); o valor eficaz da tensão se mantém regulado no valor desejado.

As figuras 11 e 12 apresentam o transitório de entrada de carga, desde a condição de vazio a plena carga. No primeiro caso, se realiza com carga linear resistiva e no segundo caso, com carga não linear indutiva-resistiva. Em ambos os casos, o sistema permanece no valor eficaz desejado logo de alguns períodos da tensão gerada. É importante aclarar que a queda de tensão no caso da figura 12 é maior, devido à importante quantidade de potência reativa que toma a carga. Pero mesmo assim, o gerador continua gerando e o controlador garante rapidamente o valor nominal desejado.

No presente trabalho propôs-se e implementou-se no laboratório um controlador de carga balastro para o controle do valor eficaz e da freqüência da tensão gerada por um gerador de indução auto-excitado trifásico em configuração monofásica. Este controlador resulta muito simples de realizar em torno a um único amplificador operacional, de um circuito integrado que possui quatro amplificadores, de custo reduzido e muito fácil de conseguir no mercado eletrônico comum. Os restantes três amplificadores operacionais são utilizados para efetuar a modulação por largura de pulsos. É importante destacar que precisa unicamente da medida da tensão gerada para cumprir com o objetivo de regular o valor eficaz e a freqüência da geração.

O desempenho conseguido com essa estratégia de controle resulta elevado, tendo em conta a pobre regulação deste tipo de geradores. Ainda mais, os resultados dos ensaios com entrada de carga nas piores condições para o gerador, (isto é, de vazio a plena carga) resultaram plenamente satisfatórios; inclusive com solicitação de carga reativa não linear.

É importante salientar a capacidade que tem o sistema com o controlador proposto para se auto-regular no valor nominal desejado, inclusive com valores diferentes de carga balastro. Isto faz com que esta estratégia resulte robusta às variações na carga lastre, caso alguma das resistências ou lâmpadas incandescentes utilizadas como tal, seja danificada.

Essa configuração apresentou também um desempenho aceitável para os alternadores síncronos sem escovas, (do tipo empregado em grupos geradores compactos acionados por motores de combustão interna) disponíveis hoje no mercado Argentino, particularmente para potências menores a 8kW, os quais são os mais aptos para a utilização em MCH.

Esse equipamento se ensaiou satisfatoriamente no Laboratório de Máquinas Hidráulicas (LA.M.HI) da Universidad Nacional del Comahue, Província de Neuquén, Argentina assim como também com o grupo motor-gerador do laboratório de eletrônica da Facultad de Ingeniería, em Oberá, Província de Misiones, Argentina.

Marchegiani, Ariel R. y Audisio, Orlando A.; "Informe Final Sobre Provisión De Energía Eléctrica Mediante Turbina Hidráulica Refugio de Montaña Neumeyer", abril 2006, pp. 1–16.

Audisio, Orlando A.; "Marco legal para el desarrollo sostenible de pequeñas centrales hidráulicas: Una propuesta de la Universidad Nacional del Comahue", Revista Hidrored, 2002, pp. 6–12.

Henderson, Douglas; "An advanced Electronic Load Governor for Control of Micro Hydroelectric Generation"; IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 13, No. 3, September 1998.

Sandeep, Kumar Goel and Ajay, Srivastava; "Single-Phase Power Through Three-Phase Self-Excited Induction Generator Utilizing Renewable Energy Resources"; Proceedings on Control and Applications, CA 2007, May 30 – June 1, Montreal, QC, Canadá, 2007.

Kurtz, Victor H., Audisio, Orlando A.; Marchegiani Ariel R., y Botterón, Fernando; "Ensayo de una Picoturbina Pelton Compacta de Fabricación Local", XIII Encuentro Latinoamericano en Pequeños Aprovechamientos Hidroenergéticos, XIII ELPAH, Cajamarca, Perú, 20 al 24 de julio, 2009.

Chapallaz J.M. et al, "Manual on Induction Motors Used as Generators", GATE –GTZ – Vol,. 10 Germany Vieweg 1992.

Kurtz, Victor H. y Botterón, Fernando; "Alternativa para el Control de Cargas Balasto", Anales del XI encuentro latinoamericano en pequeños aprovechamientos hidroenergéticos, XI ELPAH, noviembre 2005, http://www.mec.utfsm.cl/elpahchile/es/index.php.

Autores:

Víctor Hugo Kurtz

kurtzvh[arroba]fiobera.unam.edu.ar

Universidad Nacional De Misiones - Facultad de Ingeniería - Dpto. de Electrónica

Fernando Botterón

Universidad Nacional De Misiones - Facultad de Ingeniería - Dpto. de Electrónica

Consejo Nacional De Investigaciones Científicas Y Técnicas CONICET - Argentina

Aldo Dose

Universidad Nacional De Misiones - Facultad de Ingeniería - Dpto. de Electrónica

Orlando A. Audisio

Universidad Nacional Del Comahue - Facultad de Ingeniería - Dpto. de Mecánica Aplicada y Laboratorio de Máquinas Hidráulicas (LA.M.HI.)

Ariel R. Marchegiani

Universidad Nacional Del Comahue - Facultad de Ingeniería - Dpto. de Mecánica Aplicada y Laboratorio de Máquinas Hidráulicas (LA.M.HI.)