ACIONAMENTO DO GERADOR A RELUTÂNCIA VARIÁVEL COM MALHA DE CONTROLE DE TENSÃO NA CARGA

Transcrição

1 ACIONAMENTO DO GERADOR A RELUTÂNCIA VARIÁVEL COM MALHA DE CONTROLE DE TENSÃO NA CARGA Aunção, A.C., Silveira, A.W.F.V., Andrade, A.A., Gome, L.C., Fleury, A*. Univeridade Federal de Uberlândia, Fauldade de Engenharia Elétria, Laboratório de Aionamento Elétrio (LAE) *Intituto Federal de Eduação, Ciênia e Tenologia de Goiá amanda.eelt@gmail.om, augutoleury@eletria.uu.br, darizon@uu.br, lgome@uu.br, aleury@terra.om.br Reumo - Ete artigo tem omo objetivo apreentar uma etratégia de ontrole de tenão apliada à arga para um gerador a relutânia variável triáio 6x4. A etratégia deenvolvida é baeada na utilização um ontrolador do tipo proporional integral, que gera um inal de reerênia para um ontrolador do tipo hiteree, utilizado no ontrole da orrente de magnetização. Ee inal é proporional ao erro entre a reerênia de tenão na arga e o valor reerido da mema. Ea etratégia utiliza uma malha interna de ontrole de orrente que tem omo prinipal vantagem, a poibilidade de adiionar à etratégia de ontrole rotina de proteção. A etratégia oi implementada e tetada atravé de imulação omputaional e experimentalmente utilizando a plataorma DSP. Palavra-Chave - Gerador a relutânia variável, onveror meia ponte, ontrole de tenão na arga. DRIVE THE SWITCHED RELUCTANCE GENERATOR WITH MESH LOAD VOLTAGE CONTROL Abtrat - Thi paper will preent a voltage ontrol trategy applied to the load or a triphai variable relutane generator 6x4. The developed trategy i baed on the ue o a proportional integral ontroller whih generate a reerene ignal or a hyterei ontroller, ued to ontrol the magnetization urrent. Thi ignal i proportional to the dierene between the voltage applied to the load and it reerene value. Thi trategy ue an internal urrent ontrol loop whih ha a it main advantage the poibility to aggregate protetion routine to the ontrol trategy. The trategy wa implemented and teted through omputational imulation and empirially uing the DSP platorm. Keyword - Swithed relutane generator, hal-bridge onverter, load voltage ontrol. I. INTRODUÇÃO Conheida dede o éulo XIX, a máquina a relutânia variável (MRV) apreentou um lento deenvolvimento etando entre a máquina que, apó a déada de noventa, mai e avoreeram om o avanço da eletrônia de potênia, do enoriamento, do miroproeamento e do proeamento digital de inai. O que de ato a tornaram mai viávei, oniávei e eiiente []. Com o avanço tenológio da eletrônia, a máquina a relutânia variável e tornou ompetitiva om relação a outro tipo de máquina [], além de utentar a uperioridade em alguma apliaçõe epeíia. Apliaçõe eta em que, normalmente, a operação e dá om veloidade variável [3] e onde a bua por máquina elétria trabalhando om melhore rendimento ainda é preente [4]. A máquina a relutânia variável opera egundo o prinípio da máxima energia armazenada no iruito magnétio, ou eja, mínima relutânia. De maneira impliiada, o itema de aionamento para máquina a relutânia variável, ompõem-e de um onveror de energia, um itema de ontrole e um itema de medição de grandeza elétria e/ou meânia. Como itado anteriormente, a máquina a relutânia variável, poui um bom deempenho em veloidade variávei, araterítia eta que tornou o etudo da máquina promiora para apliaçõe na geração eólia. O gerador a relutânia variável tem e tornado ada vez mai ompetitivo, devido ao ato da máquina de indução utilizada atualmente neta apliação preiar de um onveror eletrônio de potênia para eu aionamento e uma aixa de âmbio para realizar regulagen na veloidade [5]. Por meio do levantamento bibliográio, ontatou-e que o onveror que melhor e adequa ao itema de aionamento da MRV operando omo gerador eria o hal-bridge, que arateriza-e por pouir dua have ontrolada em érie om a ae da máquina e doi diodo, utilizado para demagnetização da bobina da ae apó o período de magnetização da mema. O ontrole de orrente durante a operação omo gerador é uma tarea diíil, uma vez que, a orça ontra eletromotriz, na operação geradora, é uma onte de tenão que age de orma a aumentar a irulação de orrente na ae. Memo durante a etapa de demagnetização a orrente ontinua reendo, endo neeária uma etratégia de ontrole de tenão na arga dierente da operação motora. Uma vez que a etratégia de ontrole para o gerador a relutânia variável (GRV) oram pouo explorada e tendo em vita a diiuldade do ontrole, o preente artigo,

2 apreenta um etudo eito om o GRV, operando em malha ehada de tenão gerada na arga. A etratégia deenvolvida é apreentada, e validada atravé de imulação e experimento II. CARACTERÍSTICAS DO GRV Podendo er oniderado imple, o prinípio de unionamento da máquina a relutânia variável parte do undamento da máxima energia armazenada no iruito magnétio, ou eja, mínima relutânia, aim, quando uma determinada ae da máquina é energizada, o rotor tende a e deloar para uma poição onde a relutânia é mínima a qual orreponde, à poição onde a indutânia da bobina exitada do etator é máxima [6]. A máquina a relutânia variável é araterizada baiamente por um rotor e um etator, laminado, om polo aliente e bobina retrita ao polo do etator. Exite uma érie de oniguraçõe em que a MRV pode er etudada. A igura apreenta a etrutura de uma máquina triáia om ei polo no etator e quatro polo no rotor. enrolamento da máquina a relutânia variável pode er erita omo: (, v R i () onde: e ão repetivamente a tenão da máquina e a orrente que irula no enrolamento da máquina, é a reitênia do enrolamento e é o luxo enlaçado pelo enrolamento. Ete parâmetro ão reerente a uma ae e variam de aordo om a poição do rotor em relação ao tempo, om exeção da reitênia A orrente no iruito relaiona-e om o luxo magnétio atravé da indutânia própria, omo pode er veriiado em: (, i ) L(, i () Subtituindo a equação () na equação () e levando em onideração que é uma unção da poição angular do rotor e da orrente, no domínio do tempo temo que a tenão pode er erita omo endo: i L(, v R i L(, (3) Coniderando que a variação angular do rotor em relação ao tempo é a veloidade angular, a equação (3) pode er erita omo: i L(, v R i L(, (4) Figura. Deenho da eção tranveral de uma MRV 6X4 motrando o enrolamento de uma da trê ae. A máquina a relutânia variável é um onveror eletromeânio de etrutura imple que pode unionar tanto omo gerador quanto motor, mudando apena o ângulo de aionamento da have do onveror eletrônio onorme repreentado na igura [7]. O trê termo do lado direito da equação (4) repreentam, repetivamente, a queda de tenão exitente na reitênia do enrolamento, a queda de tenão indutiva e a orça ontra eletromotriz que depende da variação da indutânia em relação à poição angular da veloidade e da orrente, por io o aionamento da MRV omo gerador é um tanto omplexo [4]. Subtituindo então a equaçõe aima na equação da potênia de entrada, tem e: i L(, pe vi R L(, i ² (5) Coloando em termo já onheido a equação aima ia: pe R L( L(,, ² (6) Figura. Variação da indutânia de uma ae da MRV. A. Modelagem Matemátia Partindo para o equaionamento, um iruito equivalente elementar pode er obtido negligeniando-e a indutânia mútua entre a ae. Aim, a tenão no terminai de um O último termo da expreão repreenta a potênia no entreerro, expreando o tempo em termo de poição do rotor e veloidade, temo que a potênia no entreerro pode er erita omo: L(, pent ² n (7) Uma vez que a potênia no entreerro é o produto do onjugado eletromagnétio pela veloidade do rotor, obtemo que o onjugado é dado por:

3 L(, ) i emag (8) Aim a expreão geral do onjugado da ae erá: emag a La b Lb L O modelo matemátio da MRV, oniderando a trê ae é apreentado por (0): Onde: r La ( ) ; r Lb ( ) ; r a b 3 (9) (0) L ( ) Deignado por a matrize na ordem em que apareem em (0), a matriz de etado da MRV tem a eguinte orma: () Tabela. Parâmetro da máquina a relutânia variável. Parâmetro Ângulo de Condução Atrito Vioo Culatra do Etator Culatra Rotor Comprimento da pilha laminada Dente do Etator Dente do Rotor Diâmetro do Etator Diâmetro do Rotor Gap de Ar Indutânia (poição alinhada) Indutânia (poição dealinhada) Largura do dente do Etator Largura do dente do Rotor Valor 30 grau 0.06 N.m. mm,4 mm 07 mm,5 mm,7 mm 40 mm 70 mm 0,4 mm 36 mh 3 mh 9 mm 0 mm Momento de Inéria 0,008 kg.m Número de epira por ae 00 volta/ae O gerador a relutânia variável aim omo qualquer máquina elétria, é um onveror eletromeânio de energia. Para que a MRV opere omo gerador é neeário magnetizar a ae da máquina durante a diminuição do valor da indutânia em relação a variação da poição rotória. A igura 4, apreenta o diagrama de bloo do onveror hal-bridge adaptado para a MRV operar omo gerador. A igura 5 repreenta repetivamente o iruito de magnetização, roda livre e demagnetização da ae da MRV operando omo gerador. B. Modelagem Computaional Para azer a imulação da máquina a relutânia variável 6x4 operando omo gerador, oi uado o programa Matlab/Simulink. O dado relaionado ao dimenionamento da máquina imulada etão na tabela e ão de uma máquina projetada para o enaio experimentai (Fig. 3). Maiore detalhe relaionado a modelagem podem er enontrado em [4]. Figura 4. Diagrama de bloo da imulação omputaional do onveror hal-bridge. Figura 5. Ciruito demagnetização, roda livre e de demagnetização da bobina. Figura 3. Máquina a relutânia variável uada para obtenção do parâmetro para a imulação. C. Controle do GRV O ontrole de orrente da máquina a relutânia variável durante a operação omo gerador é uma tarea diíil, uma 3

4 vez que, a orça ontra eletromotriz, na operação geradora, é uma onte de tenão que age de orma a aumentar a irulação de orrente na ae. Memo durante a etapa de demagnetização a orrente ontinua reendo, endo neeária uma etratégia de ontrole de tenão na arga dierente da operação motora. O gerador a relutânia variável pode er ontrolado para produzir uma potênia deejada na arga, omo é o ao de apliaçõe onde é intereante que o GRV opere em eu ponto ótimo de geração [7] ou, pode er ontrolado para produzir na arga uma tenão ontante, variando a potênia om a variação da reitênia de arga. Em apliaçõe embarada, por exemplo, é neeário que a tenão no barramento orrente ontínua () não ora grande variaçõe. Diante deta inormaçõe e om o intuito de averiguar a operaionalidade do GRV operando em malha ehada tenão gerada na arga, uma etratégia para ete tipo de ontrole baeada na utilização de um ontrolador de orrente de magnetização do tipo hiteree, erá apreentada, imulada e tetada experimentalmente. Eta etratégia de ontrole de tenão na arga para o gerador a relutânia variável, utiliza um ontrolador PI para gerar um inal de reerênia para um ontrolador do tipo hiteree, utilizado no ontrole de orrente de magnetização da ae. Ete inal é proporional ao erro entre a reerênia de tenão na arga e o valor aerido na mema omo é repreentado na igura 6. ritério: o gerador a relutânia variável operou em malha ehada, endo ontrolado utilizando a etratégia de ontrole derita nete artigo, a tenão de barramento que alimenta o onveror hal-bridge oi onigurada om 4 V, a veloidade de operação da máquina oi onigurada para er ontante a 350 rpm. A máquina oi imulada durante oito egundo e oi ubmetida a um tranitório de reitênia de arga aoplada ao GRV, onde a reitênia oi reduzida de 0 Ω a 5 Ω om trê egundo de imulação e, quando o tempo atingiu ei egundo, a reitênia de arga retornou para eu valor iniial. Pela igura 7, pode er obervado que para toda a imulação, inluindo tranitório de arga, o ontrole manteve a tenão na arga om o valor em torno da reerênia de 4 V. Figura 7 - Curva de tenão na arga durante o tete de tranitório de reitênia da arga (0 Ω - 5 Ω). Pela igura 8, a amplitude da orrente da ae do GRV durante toda a imulação de oito egundo podem er obervada. Com o GRV operando om eta etratégia de ontrole, a amplitude da orrente de ae oila, porém, pela igura 7, pode er vito que eta oilaçõe não aetam igniiativamente a oilaçõe preente no inal de tenão na arga. Figura 6. Diagrama de bloo do ontrole de tenão na arga. A partir da igura, obervamo que a malha mai externa reponável pelo ontrole de tenão na arga, gera um inal de reerênia para o ontrolador por hiteree da malha interna, que tem omo unção ontrolar a orrente proveniente do barramento, uada na magnetização da ae. Ma para que o ontrolador de orrente unione orretamente, a orrente de magnetização paa por um iltro paa baixa (FPB) introduzindo um pequeno atrao no inal de orrente de entrada. Ee pequeno atrao é neeário porque durante a magnetização da ae do GRV uma tenão haveada é apliada, e aim, a orrente utilizada na magnetização ai a zero intantaneamente no momento em que a have uperior do onveror relaionada a uma ae e abre. Ao introduzir o FPB é permitido utilizar o ontrolador de hiteree de orma eiaz e om requênia de haveamento adequada. III. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO Com a inalidade de validar a etratégia deenvolvida, tete e imulaçõe oram realizado om o eguinte Figura 8. Curva de orrente na ae durante a imulação om tranitório de arga. A igura 9 apreenta a urva da orrente de uma da ae juntamente om o repetivo inal de gatilho, para um ilo de magnetização da ae, onde e vê o inal de gatilho apliado na have uperior do onveror relaionada à ae em quetão para que e tenha a etapa de roda livre, o que melhora a apaidade de geração de energia elétria. Na igura 0, pode e obervar o inal de tenão em uma da trê ae do GRV alimentando a arga reitiva de 0 Ω é apreentado. Pela igura podemo obervar a urva potênia de entrada e aída elétria do GRV. Veriiae que o GRV ontrolado pela etratégia baeada na utilização de um 4

5 ontrolador de orrente de magnetização do tipo hiteree gera 65 W, aproximadamente, alimentando a arga de 0 Ω. magnetizada. A igura apreenta uma oto da banada de tete montada no laboratório. A etratégia de ontrole utiliza um ontrolador PI, endo neeário onverter a equação dete ontrolador para o domínio do tempo direto, para que o memo pudee er exeutado no proeador utilizado. A equação repreenta a equação do ontrolador na ua orma direta. U K K Ek U k () i k p. EK K p.. T. K p Figura 9. Curva de orrente e inal de gatilho para uma da ae do GRV. O ontrolador PI, utilizado na etratégia deenvolvida, oi intonizado om ailidade por tentativa e erro, e o oeiiente empregado oram: Kp = 0,5 e Ki = 0,. O iltro paa baixa uado para iltrar o inal de orrente de entrada do onveror hal-bridge é repreentado em Laplae onorme motrado na equação 3. Para er digitalizado, ete iltro deve er reerito em orma de uma equação de dierença atravé da tranormada Z (equação 4). Figura 0. Curva de tenão na ae A. U k T T I S T k z z T T I k T T U k (3) (4) Onde U k+ é o inal iltrado, I k+ é o inal de entrada, I k é o inal de entrada na amotragem anterior, U k é o inal iltrado na amotragem anterior e T é o período de amotragem. Figura. Potênia de entrada e aída do GRV. Ea etratégia de ontrole de tenão na arga do GRV ua uma malha interna de orrente. A vantagem de e ter eta malha de orrente é a poibilidade de adiionar à etratégia de ontrole rotina de proteção, que reduzirão a magnetização do gerador ao a orrente de ae aumam valore elevado. IV. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Com intuito de validar experimentalmente a etratégia de ontrole apreentada, o GRV derito anteriormente oi aoplado a um motor de indução triáio de v, 4 pólo, aionado por um onveror de requênia omerial. O onveror HB oi ontruído para aionar o GRV e a etratégia de ontrole oi programada para er exeutada em um DSP TMS30F8, utilizado no itema. A poição do rotor, neeária para a apliação do inai de gatilho durante o período de magnetização da ae, oi obtida utilizando enore óptio aoiado a um dio, que repreenta o exato intante em que ada ae deve er Figura. Vião geral da banada experimental. A igura 3 motra a urva de orrente de uma da ae da máquina e a urva da tenão na arga em um enaio om tranitório de reerênia de 4 V para 30 V. Pode er obervado que o ontrole manteve o inal de tenão na arga om valor próximo ao de reerênia e ao analiar o inal de orrente na ae, oberva-e a preença de oilaçõe de amplitude o que relete no inal de tenão na arga. Pela igura 4 podemo obervar a urva de tenão na arga e orrente em uma da ae do gerador para o enaio om tranitório de arga de 0 Ω para 5Ω. Veriia-e que o ontrole mantém o valor da tenão na arga próximo ao de reerênia, porém, quando a arga aumenta, a oilaçõe na amplitude da orrente de ae e da tenão na arga aumentam. 5

6 A igura 5 apreenta a urva de orrente em uma da ae e o repetivo inal de gatilho da have uperior para o GRV operando om arga de 0 Ω e reerênia de 30 V. Pela igura 6, pode er obervado o inai de tenão de uma da ae do GRV e o repetivo inal de gatilho apliado à have uperior do onveror relaionada a eta ae. Figura 3. Curva de orrente de uma da ae e de tenão na arga do GRV ontrolado (H, para o enaio om tranitório de reerênia. V. CONVLUSÃO O unionamento de uma máquina a relutânia variável 6x4 operando omo gerador ontrolado em malha ehada de tenão na arga oi etudado nete trabalho. Uma etratégia de ontrole de tenão na arga baeada na utilização de um ontrolador de orrente de magnetização do tipo hiteree oi tetada atravé de imulação do protótipo montado e experimentalmente utilizando um DSP de ponto ixo. O reultado apreentado motram que a ténia ontrola bem o GRV, mantendo o valor de tenão próximo ao de reerênia, motrando bon reultado, prinipalmente em veloidade mai elevada. AGRADECIMENTOS Agradeimento à FAPEMIG pelo apoio inaneiro e à Univeridade Federal de Uberlândia pela etrutura diponibilizada. REFERÊNCIAS Figura 4. Curva de orrente e tenão de uma da ae e de tenão na arga do GRV ontrolado (H, para o enaio om tranitório de arga. Figura 5. Curva de orrente em uma da ae do GRV e o repetivo inal de gatilho da have uperior do onveror relaionada à eta ae. [] Borge, T. T. (00). Motor a relutânia haveado om ontrole Fuzzy e deteção inditera de poição (Dotoral diertation, Tee de Doutorado, UFU). [] Rahman, K. M., Fahimi, B., Sureh, G., Rajarathnam, A., V., & Ehani, M. (000). Advantage o withed relutane motor apliation to EV and HEV: deing and ontrol iue. Idutry Appliation, IEEE Tranation on, 36(), -. [3] Silveira, A. W. F. V., Andrade, D. A., Gome, L. C., Biohi Jr, C. A., & de Paula, H. (00). Generated voltage ontrol in a withed relutane motor/ generator. Eletrônia de Potênia, 5(3), 03-. [4] Fleury, A. V. S., Silva, F. S., Araújo, W. R. H., Andrade, D. A., & Silveira, A. W. F. V. (008). Redued with ount onverter or withed relutane generator. Eletrônia de Potênia, 3(3). [5] Coelho, A. (0). Simulação, Projeto e Tete de um Gerador a Relutânia Chaveado Triáio 6 x 4 (Dotoral diertation, Univeridade de São Paulo). [6] B. Bilgin, A. Rmadi, M. Krihnamurthy, Deing Conideration or Swithed Relutane Mahine With a Higher number o Rotor Pole, IEEE Tran. On Indutrial Eletroni, vol. 59, no.0 pp , 0. [7] Lope Oliveira, E. S., Aguiar, M. L., &Nune da Silva, I. (05). Strategy to Control the Terminal Voltage o a SRG Baed on the Exitation Voltage. Latin Ameria Tranation, IEEE (Revita IEEE Ameria Latina), 3(4), Figura 6. Curva de tenão em uma da ae e o repetivo inal de gatilho, om arga de 0 Ω e reerênia de 4 V. 6