Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014 AUTOEXCITADO

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1 ESTRATÉGIA DE CONTROLE DE CORRENTE PARA ACIONAMENTO DO GRV OPERANDO NO MODO AUTOEXCITADO VICTOR R. BERNARDELI*, DARIZON A. ANDRADE**, AUGUSTO W. F. V. SILVEIRA**, LUCIANO C. GOMES**, GHUNTER P. VIAJANTE*, MARCOS A. A. FREITAS* KLEIBER D. RODRIGUES**, JOSEMAR A. SANTOS* * Instituto Federal de Ciências e Tecnologia de Goiás, Campus Itumbiara **Lab. de Acionamentos Elétricos, Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Uberlândia Caixa Postal 216 CEP Uberlândia MG s: vrb.ifg@gmail.com, darizon.andrade@gmail.com Abstract This paper deals with the control of phase current to drive Self Excited Switched Reluctance Generator (SRG). It is implemented control phase current generator allows operation over a wide range of speed variation. Main obectives of the study are: understand the generator, converter, capacitor and current controller. The work explores the current control strategy based on controlling the switching angles, whose philosophy hysteresis control. Representation by the block diagram of the control system is presented, along with the state space model of the SRG, which includes in its model the saturation of the magnetic circuit. The complete set is simulated and the simulation results are presented and discussed. A bank of experiments, where all control is developed using the TMS32F28335 DSP platform to validate the studies presented is built. This article deals with the control of phase current to drive the Variable Reluctance Generator (GRV) in order autoexcitado Keywords SelfExcited, Current Control, Switched Reluctance Machine Resumo Este artigo trata do controle de corrente de fase para acionamento do Gerador a Relutância Variável (GRV) no modo autoexcitado. É implementado controle de corrente de fase do gerador que permite sua operação em ampla faixa de variação de velocidades. Principais obetivos do trabalho são: compreender o gerador propriamente dito, o conversor, capacitor e controlador de corrente. O artigo explora a estratégia de controle de corrente baseado no controle dos ângulos de chaveamento, tendo como filosofia o controle tipo histerese. A representação por diagrama de blocos do sistema de controle é apresentado, untamente com o modelo em espaço de estados do GRV, que inclui em seu modelo a saturação do circuito magnético. O conunto completo é simulado e os resultados das simulações são apresentados e discutidos. É construída uma bancada de experimentos, onde todo controle é desenvolvido utilizando a plataforma DSP TMS32F28335 a fim de validar os estudos apresentados. Palavraschave Autoexcitado, Controle de corrente, Máquina a Relutância Variável 1 Introdução Com a crescente demanda por fontes alternativas de energia, a comunidade científica aumentou seu interesse em buscar novos conversores eletromecânicos para produção de energia elétrica mais eficiente. Dentro desses novos conversores em estudo podese citar a máquina a relutância variável (MRV) operando como gerador. Nos últimos anos o número de publicações aumentaram consideravelmente sobre o tópico, devido à facilidade deste tipo de máquina na operação em regime de velocidade variável. A MRV tem se mostrado uma forte candidata a ser utilizada como gerador devido às suas características intrínsecas, que são: robustez, ausência de enrolamentos e imãs permanentes no rotor, boa relação peso/potência, alto conugado de partida, capacidade de operar com falta de uma das fases, baixo custo de construção e grande facilidade de proeto (Torrey, 22), (Henriques, 23), (Miller, 21). Estas características positivas que a MRV possui fizeram com que o número de publicações de caráter científico, relatando contribuições para o avanço de sua tecnologia, aumentasse significantemente do ano 2 até o presente momento. A grande maioria das contribuições destinase a aprimorar o controle da máquina operando como motor. Os trabalhos relacionados com este tipo de máquina operando como gerador estão em fase de crescimento e grande parte envolve a utilização do gerador excitado por fontes externas de energia (Fleury, 28). Do ponto de vista de aplicação, o Gerador a Relutância Variável (GRV) tem ganhado interesse na área de geração de eletricidade de aeronaves (Radun, 1998), automotiva (Fahimi, 213), parques eólicos (Kioskeridis, 26) e Flywheel (Rolim, 27). Nas aplicações automotivas e aeroespaciais, a máquina opera em velocidades elevadas, o que não é problema para este tipo de máquina, em aplicações eólicas a característica de operação é diferente, a máquina opera em baixa velocidade com alto conugado no eixo. Com relação à energia eólica, por exemplo, a operação do GRV autoexcitado, principalmente em baixas rotações leva a picos de corrente nas fases que vão além dos valores tolerados pelo conversor estático inviabilizando a utilização deste tipo de gerador. Entretanto, com o controle de corrente de fase, a operação do gerador no modo autoexcitado é possível. O presente trabalho apresenta um controle de corrente de fase aplicado ao GRV operando no modo autoexcitado. O controlador utilizado no trabalho é do tipo histerese, tal controlador á é muito usado em 2816

2 outros sistemas de acionamento. A aplicação do controlador permite a operação do gerador para uma ampla faixa de velocidade. O obetivo principal do trabalho é no estudo do comportamento do gerador controlado, a estratégia consiste na variação dos ângulos de magnetização do gerador. 2 Modelagem da máquina levando em consideração a saturação do circuito magnético Do ponto de vista de acionamento, a MRV é possível trabalhar como motor ou gerador, alterando apenas o ângulo de chaveamento. A operação do gerador no modo autoexcitado, do ponto de vista do conversor, é a mesma usada para motor, e será mostrada na próxima seção. Também existe a necessidade de utilizar dispositivos armazenadores de energia para excitação da máquina. No trabalho será usado um capacitor ligado em paralelo com a fase e carga. O circuito elétrico de uma fase do GRV pode ser equacionado como: d v Ri (1) dt A equação da tensão na fase pode ser escrita como: di v ri L ) e (2) dt onde v é a tensão aplicada, i é a corrente da fase, R é a resistência da fase, L é a indutância incremental (dinâmica) da fase e θ é a posição do rotor. A indutância incremental é dada pela seguinte equação: 1 L( i, ) G m l ( 1) ) l ) ( 1) m l ( 1) ( i) A(, n) l ( i) B(, n)) cos( npr ) n (3) Onde G e P R número de polos do rotor P R O terceiro termo do lado direito da igualdade da equação 2 é a força contraeletromotriz e, que isoladamente pode ser escrita como: Durante a operação do gerador em malha aberta, após a excitação o fluxo começa a subir até atingir seu valor máximo (saturação). Chegando nesta região, o fluxo não sobe mais, consequentemente, a tensão do gerador estabilizase. Para a operação do GRV no modo autoexcitado em malha aberta, é de suma importância que a simulação contemple a saturação do circuito magnético. A operação deste tipo de gerador na região linear da curva também é possível, basta fazer o controle adequado do gerador nesta região. Mesmo que o modelo matemático do gerador sea linear, não representará as características das relações entre fluxo e corrente. Essa situação não condiz com os resultados práticos. A Figura 1 mostra a base de desenvolvimento do modelo proposto pela equação. 3. A Figura 2 mostra o fluxo concatenado para diferentes valores de corrente e posição usando o modelo da equação 3. Os dados mostrados são obtidos através dos parâmetros da máquina, Tabela 1. O conugado mecânico produzido pelo GRV pode ser expresso por (5). ' W T e (5) ( ' onde W é a coenergia dada por, W i ) ( i, di (6) ' Onde, λ é o fluxo concatenado [Wb] Para realização da modelagem matemática usada no programa de simulação, o conugado mecânico produzido pela máquina foi calculado levando em consideração as perdas por atrito viscoso D e momento de inércia J, conforme apresentado pela equação (7). d Tm Temag J D (7) dt Designando por [V], [R], [I], [L] e [I] as matrizes na ordem em que aparecem em (Bernardeli, 211), a matriz de estados do GRV tem a seguinte forma: 1 1 [ I] [ L] [ V ] [ L] [ R][ I] (8) L l(+1) i 1 i 2 dl( i, e i (4) d l i 3 Onde, ω=dθ/dt é a velocidade angular do rotor. (+1) Fig 1. Base de desenvolvimento para o modelo dado pela eq

3 .35.3 Posição alinhamento Indutância Fluxo Concatenado [Wb] Posição desalinhamento... Vfase... Iref Corrente [A] Fig 2. Fluxo concatenado para diferentes valores de corrente e posição usando o modelo dado pela equação 3. Fig. 4. Formas de ondas corrente, tensão de fase e indutância, idealizando o controle. Tabela 1: Características do protótipo GRV 6/4. Características Potência nominal Velocidade nominal Número de fases 3 Ângulo de condução Resistência de fase Indutância máxima Indutância mínima Coeficiente atrito viscoso Valores 1 HP 18 rpm 3 o.32 Ω 36 mh 3.3 mh.26 N.m.s Inercia,28 kg.m 2 3 Descrição geral do sistema de controle Nesta seção é dada ênfase na estratégia de chaveamento para operação e controle do gerador. É apresentado modelo do conversor e controle de corrente. a. Modelo do conversor A Figura 3 mostra o conversor trifásico do tipo halfbridge (HB). As etapas do conversor são divididas em duas para cada fase do gerador: excitação e geração. O capacitor tem papel fundamental para acionamento da máquina no modo autoexcitado (Bernardeli, 211). Sua função é reduzir a oscilação de tensão gerada, e também fornecer a corrente necessária para excitação do gerador. Vo + C D 2 I1 S 1 S 2 If S 3 D 1 S 4 D 3 ea eb ec S 5 D D 4 6 Fig. 3. Diagrama esquemático do conversor HB. S 6 D 5 Icarga Carga A figura 4 mostra de forma idealizada as formas de onda de corrente, tensão de fase e indutância para o controle proposto. Durante o período de excitação onde as chaves S 1 e S 2 estão fechas, conforme mostra figura 5a, a energia armazenada no capacitor excita o gerador. Após o instante em que a corrente é maior que a referência estabelecida o controle desliga as chaves S 1 e S 2, o circuito é mostrado pela figura 5b, compreendendo o período de geração, a corrente gerada é divida em duas, uma parcela vai pra carga e outra parcela carrega o capacitor. Para manter a corrente na referência estabelecida, quando a corrente começa a cair, o controle liga as chaves S 1 e S 2, neste instante a corrente cresce novamente até atingir o valor de referência e o processo inicia novamente. A ação do controle termina quando a variação da indutância chega à zero. Esse processo é realizado para as outras fases do gerador. Vo + Vo + C D 2 I1 C D 2 S 1 S 2 S 1 Ifase D 1 S 3 S 4 D 3 ea eb ec S 2 I1 Ifase S3 D 1 S 5 D D 4 6 S 4 (a) D 3 ea eb ec D D 4 6 (b) Fig. 5. Região de excitação (a), Região de geração (b). S 6 S 5 S 6 D 5 D 5 Icarga carga Icarga Carga 2818

4 I* + e Controlador Histerese I* e Estratégia de chaveamento Pulsos chaves Sensor Hall Conversor HB GRV autoexcitado Tensão gerada Corrente Fase Fig. 6. Representação em diagrama de blocos do sistema completo b. Controle de corrente O sistema de controle de corrente proposto é composto por um controlador do tipo histerese, o sinal de corrente de referência I* é comparado com o sinal de corrente de fase ligado nos terminais do gerador por um sensor de efeito Hall. A saída do controlador é inserida num bloco, denominado estratégia de chaveamento que é responsável pela geração dos pulsos do conversor HB que aciona o gerador. A representação em diagrama de blocos do sistema completo é mostrada na fig. 6. A Figura 7 mostra o fluxograma do código implementado, cuo inicio ocorre na execução do programa e imediatamente é feita a leitura da corrente de fase. Esta corrente é comparada com a referência de corrente Iref. Se a corrente for maior do que a corrente de referência o programa desabilita os pulsos das chaves, se for menor o programa habilita os pulsos das chaves retornando para a leitura da corrente de fase. Na próxima seção são apresentados os resultados de simulação obtidos com o controle desenvolvido, nestes resultados o conversor foi montado utilizando as chaves, diodos e capacitor do ambiente Simpowersystem, o modelo do gerador foi montado através de equações de estados utilizando a função S Function do MatLab. Inicio 4 Resultado de Simulação Os resultados mostrados foram obtidos através do programa Matlab/Simulink. A simulação foi baseada em um protótipo real, com seis saliências no estator e quatro no rotor (6/4), construído para testes em bancada experimental. Portanto os parâmetros, perfil de indutância, limites de corrente, foram austados para representar a máquina. Os principais parâmetros relacionados com a máquina são observados pela tabela 1. a) Operação em malha aberta A fim de verificar a praticidade da estratégia de controle de corrente, foi realizada uma simulação com o gerador operando em malha aberta. A situação simulada foi a operação do gerador com uma velocidade fixa em 18 rpm, on (ângulo de fechamento das chaves) fixo em 3 o em relação a posição de alinhamento e off (ângulo de abertura das chaves) fixo em 3 o, a necessidade da magnetização antes do período de alinhamento é devido ao aproveitamento da máxima potência no instante de alinhamento do rotor com o estator. A carga ligada nos terminais do gerador foi de 6 Ω, puramente resistiva. A figura 8 mostra o perfil de corrente da fase A do gerador operando sem controle de corrente. A Figura também apresenta o instante de abertura das chaves S 1 e S 2 mostrando que não existe controle nenhum do sistema. Para o caso analisado o pico da corrente de fase chega próxima a 9 A. Devido a este fato é de suma importância, para operação do GRV no modo autoexcitado, a necessidade do controle de corrente. O trabalho de (Torrey, 22), mostra a possibilidade de operação do GRV e seu controle. O autor cita o controle de corrente e de potência, mais não apresenta resultados experimentais. O presente trabalho traz uma contribuição significativa para operação do GRV em malha fechada. O que diferencia de trabalhos anteriores. b) Operação em malha fechada Leitura da corrente de fase I < Iref sim Habilita pulso das chaves Não Desabilita pulso das chaves Fig. 7. Fluxograma do código implementado Com o obetivo de comprovar o controle desenvolvido na seção anterior. Foram feitos testes com o gerador em malha fechada. Os testes de simulação em malha fechada foram realizados com os seguintes critérios: o gerador operou em malha fechada utilizando a estratégia descrita na seção 3, tensão inicial do capacitor para inicio da operação no modo autoexcitado foi de 1V, e velocidade da máquina primária fixa em 18 rpm e carga 6 Ω. Para um primeiro teste foi feito uma simulação com o gerador operando com referência de corrente 2A, a Figura 9 mostra a corrente de fase, tensão de fase e pulsos das chaves. Para esta situação o controle conseguiu atuar mantendo a corrente próxima ao valor estabelecido. 2819

5 Tensão na carga on S 1 e S Fig. 8. Operação em malha aberta. Corrente da Fase A [A] e Pulsos S 1 e S Corrente Fase A Tens'ao Fase A Pulso chaves Tempo (s) Fig. 9. Operação em malha fechada. Corrente e tensão da Fase A e Pulsos S 1 e S 2. Corrente no capacitor 2 1 a) c) Correntes nas fases Tensão na Fase A 4 2 b) d) 5 Pico de corrente off S 1 e S Fig. 1. Tensão na carga a), correntes nas fases b), corrente no banco de capacitores c) e tensão na fase A. Posteriormente foi realizado outro teste, mais com uma referência de 3 A. A Figura 1 mostra a tensão na carga (a), correntes nas fases A, B e C (b), corrente no banco de capacitores (c) e tensão na fase A (d). O sistema de controle atuou de forma integra atingindo o nível estabelecido de 3 A de referência. um inversor comercial com controle vetorial. O conversor HB foi construído através de chaves IGBT (6V/1A), a estratégia de acionamento foi programada para ser executada em um DSP TMS32F28335, utilizado no sistema. A posição do rotor, necessária para aplicação dos sinais de gatilho durante o período de magnetização das fases, foi obtida utilizando sensores ópticos associados a um disco, que representa o instante exato em que cada fase deve ser magnetizada. A Figura 12 foi obtida realizando um ensaio com o gerador submetido a uma velocidade de 18 RPM com uma carga de 6 Ω, a figura mostra a corrente na fase A (canal 2), corrente no banco de capacitores (canal 4), tensão na carga (canal 3) e tensão na fase A (canal 1). A referência foi fixada em 2 amperes e o controle atua de forma a manter a corrente constante no valor de referência estabelecido. Para essa mesma situação obtida pela simulação, figura 1b, podese observar que os resultados estão próximos. A diferença é devida a frequência de interrupção do DSP (1KHz) e medição de corrente A Figura 13 a referência foi modificada para 3 amperes e o controle também conseguiu fixar no valor de referência estabelecido (canal 2). A tensão gerada, conforme a Figura 12, foi de 216 volts, enquanto que pela figura 13, a tensão foi de 272 volts. Do mesmo modo na Figura 14 foi modificada a referência para 4 amperes e o controle conseguiu fixar a corrente no valor estabelecido (canal 2) e a tensão subiu para 312 volts. As Figuras 12, 13 e 14 mostram a corrente no banco de capacitores. Essa corrente corresponde a três ciclos, devido ao fato que o banco é compartilhado pelas três fases. Fig. 11. Foto da Bancada de testes experimentais. 5 Resultados Experimentais Esta seção apresenta os resultados experimentais obtidos com o protótipo para comprovação com o estudo abordado anteriormente por meio de simulação. Foi montada uma bancada experimental conforme indicado na figura 11. O GRV foi acoplado a um motor de indução 2 cv, 4 pólos, acionado por Fig. 12. Forma de onda corrente (canal 2 e 4) e tensão (canal 1 e 3) obtida para velocidade 18 RPM e carga de 6Ω (2 A) 282

6 magnetização. Um sistema de controle foi apresentado e simulado a fim de verificar o funcionamento da estratégia utilizada. O sistema de controle foi testado para diferentes referências e o sistema de controle conseguiu manter a corrente de fase fixa. Resultados de simulação em ambiente MatLab em malha aberta e malha fechada são apresentados e discutidos. Finalmente resultados experimentais são apresentados e discutidos e estes são próximos com os obtidos em simulação. Agradecimentos Fig. 13. Forma de onda corrente (canal 2 e 4) e tensão (canal 1 e 3) obtida para velocidade 18 RPM e carga de 6Ω (3 A) Os autores agradecem a UFU, pela estrutura disponibilizada, à FAPEMIG (APQ117613) pelo apoio financeiro e à CAPES, pela concessão de bolsa de estudos. Referências Bibliográficas Tensão [V] Fig. 14. Forma de onda corrente (canal 2 e 4) e tensão (canal 1 e 3) obtida para velocidade 18 RPM e carga de 6Ω (4 A) A 3A 4A Velocidade [RPM] Fig. 14. Curva de tensão gerada por velocidade. Finalmente, foi levantada a curva de tensão gerada para diferentes velocidades do gerador e também para diferentes correntes de referência a fim de testar o controle e também familiarizar com a estratégia de controle desenvolvida. Pourya, P., Fahimi, B., SingleBus StarConnected Switched Reluctance Drive Transactions on Power Electronics, vol. 28, nº 12., Dezembro 213. Radun, A. Generating with the switchedreluctance motor in Proc. IEEE APEC 94, 1994, pp de Andrade, R., Sotelo, G. G., Ferreira, A. C., Rolim, L. G. B. S., Neto, J. L., Stephan, R. M., Suemitsu, W. I., Nicolsky, R., Flywheel energy storage system description and tests Transactions on applied superconductivity, IEEE, Vol. 17, P. 2, 27. T. J. E. Miller, Electronic Control of Switched Reluctance Machines, Newness Power Engineering Series, Oxford, 21. Kioskeridis, I., Mademlis, C. Optimal Efficiency Control of Switched Reluctance Generators, IEEE Transaction on Power Electronics, vol. 21, no. 4, pp , July 26. Bernardeli V. R., Andrade, D. A., Silveira, A. W. F. V., Gomes, L. C., Viaante, G. P. "Gerador a Relutância Variável Operando no Modo Autoexcitado" Eletrônica de Potência, Vol. 16, No. 4, 211. Andrade, D. A., Krishnan, R. "Characterization of Switched Reluctance Machines Using Fourier Series Approach" in Proc. 36th IEEE Ind. Appl. Annu. Meeting, Sep. 21, pp Torrey, D. A. Switched reluctance generator and their control, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 49, pp. 3 14, Fev. 22. Fleury,A., Silva; F. S., Araúo, W. R. H., Andrade, D. A., Silveira, A. W. F. V. Reduced Switch count converter for switched reluctance generators Eletrônica de Potência, Vol. 13, No. 3, August CONCLUSÕES Neste trabalho é apresentada uma estratégia de controle de corrente de fase aplicado ao gerador a relutância variável operando no modo autoexcitado. A estratégia adotada utiliza a variação dos ângulos de 2821