Sistema para Controle de Frenagem para Dinamômetro de Correntes de Foucault

Transcrição

1 Sistema para Controle de Frenagem para Dinamômetro de Correntes de Foucault Rafael Z. Scapini 1, Luiz P. Pietta Jr. 1, Leonardo O. Ferrão 1, Diego D. Luceiro 1, Mario E. S Martins 1, Leandro Michels 1 1 Universidade Federal de Santa Maria UFSM michels@gepoc.ufsm.br Resumo O presente trabalho tem por objetivo apresentar um sistema de controle da frenagem em dinamômetros de correntes de Foucault com elevado desempenho dinâmico. O sistema proposto é composto por dois conversores estáticos: um retificador a ponte de diodos e um conversor CC-CC bidirecional em tensão e unidirecional em corrente. O sistema de controle da corrente de saída é empregado para melhorar do desempenho dinâmico. Resultados experimentais são apresentados para demonstrar a melhoria da resposta dinâmica do sistema em malha fechada, quando comparado à operação em malha aberta. I. INTRODUÇÃO Com a escassez atual de matéria prima para a produção de energia, os motores a combustão interna necessitam melhorar cada vez mais sua eficiência energética reduzindo as perdas de energia em formas não utilizáveis. Dentre as etapas de desenvolvimento de motores mais eficientes, são realizados em laboratório diversos ensaios estáticos e dinâmicos dos motores, sendo empregados dinamômetros para emular a carga [1-3]. Uma classe muito empregada de dinamômetros são os freios dinâmicos, também conhecidos por freios de Foucault. Estes sistemas são máquinas rotativas geradoras de correntes parasitas, as quais produzem momentos de frenagem enquanto giram. A sua capacidade de frenagem é proporcional a sua potência, sendo a intensidade da frenagem controlada pela variação campo magnético nas bobinas. O método convencional para controle da frenagem do freio de Foucault é através do uso de um retificador não controlado alimentados através de um variador de tensão (varivolt). Neste caso, a intensidade da frenagem e regulada manualmente através da variação da tensão sobre a ponte de diodos. Este sistema é simples, mas impossibilita ensaios com variação dinâmica rápida, ou seja, com variações bruscas na frenagem [2]. Além disso, não torna possível uma regulação dinâmica da frenagem do dinamômetro, tais como a regulação de conjugado e a operação com velocidade constante. Uma alternativa para a regulação automática da frenagem em freios de Foucault pode ser obtida com o emprego de conversores estáticos e de um sistema de controle em malha fechada, substituindo o tradicional varivolt. Nestes sistemas, é possível se controlar a frenagem através de sistemas computacionais e produzir grandes taxas de variação de frenagem em malha fechada. O presente trabalho tem por objetivo apresentar um sistema de controle de frenagem em freios de Foucault com elevado desempenho dinâmico. O sistema desenvolvido é composto por dois conversores estáticos: um retificador não controlado, empregando diodos em ponte completa, e um conversor CC-CC bidirecional em tensão e unidirecional em corrente. Propõe-se o emprego de uma malha para controle da corrente de campo do dinamômetro em malha fechada, de modo a maximizar as derivadas de corrente, e consequentemente as taxas de variação de conjugado aplicadas ao motor sob teste. Um sistema completo foi desenvolvido, incluindo sistemas para monitoramento e controle do freio. Resultados experimentais são apresentados para validação do sistema proposto. II. DINAMÔMETRO DE CORRENTES DE FOUCAULT Um dinamômetro de correntes de Foucault tem seu funcionamento baseado no surgimento de correntes elétricas no interior de uma massa metálica condutora sujeita a um campo magnético variável no tempo. Estas correntes elétricas, chamadas de Correntes de Foucault ou correntes parasitas, circulam no interior da massa metálica e criam um campo magnético oposto ao campo que as induziu. Nestes dinamômetros um disco metálico é posto em movimento rotativo dentro de um campo magnético. Este campo é gerado por um conjunto de bobinas indutoras percorridas por uma corrente elétrica CC, onde as correntes de Foucault induzidas no interior do disco geram um campo magnético oposto ao gerado pelas bobinas. As forças magnéticas que agem sobre o disco são proporcionais à corrente fornecida para as bobinas e a velocidade de rotação do disco metálico. Estas forças são dirigidas no sentido Figura 1. Torque de frenagem em função da rotação [4].

2 Figura 4. Diagrama do circuito de potência. composto por um retificador, um conversor CC-CC e um circuito de pré-carga do barramento, além de um circuito de instrumentação e do sistema de controle e supervisão. Figura 2. Torque de frenagem em função do tempo na rotação constante de 1000 rpm [4]. inverso da rotação do disco. Assim, ao mover o disco em relação às bobinas, um torque de frenagem é transmitido para o eixo do dinamômetro com uma força reativa igual atuando sobre as bobinas. A característica torque versus velocidade do freio de Foucault empregado é mostrada na Figura 1. O torque gerado pelo dinamômetro é proporcional a corrente de excitação nas bobinas. A medição do torque pode ser realizada através de um braço de alavanca fixado nas bobinas e exercendo força (tração ou compressão) sobre uma célula de carga. A leitura do esforço aplicado na célula de carga em conjunto com a medida do braço de alavanca é utilizada para calcular o torque exercido sobre o eixo. As medições de torque e rotação do eixo do dinamômetro são utilizadas para calcular a potência aplicada pelo Motor sob teste [3]. A Figura 2 apresenta a curva do torque máximo de frenagem de um freio de Foucault em função do tempo. Observa-se que há uma significativa redução da frenagem com o tempo. Este comportamento decorre da elevação da temperatura do disco condutor provocadas pelo efeito Joule com a indução de correntes parasitas [5]-[6]. O aumento na temperatura do material diminui sua condutividade elétrica, o que causa a diminuição nas correntes parasitas e, por consequência, a redução do torque equivalente de frenagem produzido pelo sistema de frenagem [7]. A. Circuito de potência O circuito de potência, mostrado na Figura 4, é formado por um circuito retificador monofásico não controlado em ponte completa, um link de armazenamento de energia, e um conversor CC-CC unidirecional em corrente e bidirecional em tensão. O retificador converte a tensão CA da rede em tensão contínua, sendo esta filtrada e armazenada pelo capacitor do barramento. O sistema de pré-carga é empregado na partida do sistema para reduzir as correntes de in-rush, evitando possíveis danos no circuito retificador e prolongando, assim, a vida útil do conjunto de frenagem. O inversor de saída, bidirecional em tensão, é empregado no controle da corrente de campo, cuja dinâmica característica é consideravelmente lenta e apresenta valor sempre positivo. Devido à elevada indutância do freio de Foucault, não é necessária a utilização de filtros passivos adicionais na saída do conversor, sendo aplicadas diretamente aos terminais do equipamento tensões moduladas. As chaves e são acionadas simultaneamente utilizando modulação por largura de pulso (PWM) em dois níveis. Nesta aplicação, assume-se que o conversor sempre opera em modo de condução contínua (MCC) devido à elevada indutância L. Com isso, as etapas de operação são bem III. DESCRIÇÃO DO SISTEMA PROPOSTO A Figura 3 mostra o diagrama de blocos do sistema proposto. O sistema é composto por um circuito de potência, Figura 3. Diagrama de blocos do sistema proposto. Figura 5. Etapas de operação do conversor CC-CC (a) Chaves e fechadas. (b) Chaves e abertas.

3 definidas e mostradas na Figura 5. A primeira etapa é apresentada na Figura 5(a) para as chaves S 1 e S 2 fechadas, neste caso, a tensão aplicada na carga é +V CC. A etapa 2 é mostrada na Figura 5(b) para as chaves S 1 e S 2 abertas. Neste caso, a corrente circula através dos diodos D 5 e D 6, assim, a tensão resultante sobre a carga é -V CC. A corrente de saída produzida pelo conversor, considerando o sistema mostrado na Figura 4 é dada por: 2D 1 V I cc o (1) R em regime permanente, onde V CC é a tensão do link CC intermediário e D a razão cíclica de operação do conversor. Devido à indutância característica muito elevada do freio de Foucault, a ondulação máxima de corrente causada pelo efeito da comutação é consideravelmente reduzida, e pode ser determinada por: I omax Vcc 2Lf Onde f s é a frequência de comutação do conversor. B. Sistema de controle da corrente de saída Um sistema para controle automático da corrente de saída do conversor foi implementado para garantir convergência assintótica à referência de corrente tipo degrau e melhorar o desempenho transitório. Para tanto, utiliza-se um sensor de corrente por efeito hall para medida da grandeza de saída associado a uma lei de controle digital implementada em um microcontrolador de ponto fixo. A estrutura de controle utilizada está mostrada na Figura 6. Este controlador emprega uma compensação proporcionalintegral (PI) com uma ação anti-windup do tipo integração condicional. A ação integral foi incluída para resultar em erro nulo em regime permanente para referências e distúrbios do tipo degrau, enquanto a ação anti-windup foi empregada para minimizar os efeitos da saturação do atuador em transitórios. A ação de controle PI empregada é dada por: Tz s Ci z k p ki 1 z onde k p é o ganho proporcional, k i o ganho integral e T s o período de amostragem. C. Sistema de monitoramento e supervisão O fluxograma do sistema de gerenciamento e supervisão dos ensaios está mostrado na Figura 7. Como se pode observar, este sistema inclui proteção, seleção do modo de s 1 1 (2) (3) Figura 7. Fluxograma da rotina de gerenciamento do sistema proposto operação e informação de dados do sistema através de display. A implementação do algoritmo de gerenciamento e supervisão é realizada em processador na mesma frequência de amostragem dos sinais. O algoritmo de proteção utiliza as grandezas medidas de corrente de carga e tensão de barramento, bem como variáveis digitais de comunicação externa, desativando o sistema sempre que necessário. São definidos dois modos distintos de operação: manual e automático. O modo manual consiste na operação do sistema em malha aberta. A referência da ação de controle é fornecida por um potenciômetro acessível externamente, atuando diretamente sobre a razão cíclica do conversor, modificando proporcionalmente o valor da corrente de regime permanente, bem como o conjugado produzido pelo sistema. O modo automático consiste na operação em malha fechada de corrente, cuja referência é fornecida por um sistema externo de controle de conjugado/velocidade da máquina primária. O objetivo deste modo é apresentar resposta dinâmica rápida, com reduzido erro de regime permanente. IV. PROJETO DO SISTEMA DE CONTROLE A representação matemática do freio de Foucault é obtida considerando uma aproximação por um modelo de primeira ordem com característica indutivo-resistiva. Os parâmetros do modelo aproximado são obtidos a partir do ensaio da resposta ao degrau comparada ao modelo equivalente, como mostra a Figura 6: Controlador PI com ação anti-windup. Figura 8: Resposta de malha aberta e modelo equivalente RL.

4 TABELA 1 - PARÂMETROS DO SISTEMA Parâmetro Descrição P L = 1,5kW Potência máxima do freio V L = 192V Tensão nominal de alimentação do freio I L = 7,5 A Corrente nominal de alimentação do freio L = 2,5H Indutância equivalente do o C R = 25,5Ω Resistência equivalente do o C V i = 220V Tensão rms nominal de entrada f 1 = 60Hz Frequência da rede elétrica C = 4700µF Capacitância do barramento CC f s = 12kHz Frequência de comutação f a = 1,2kHz Frequência de amostragem T s = 833µs Período de amostragem Figura 8. A Tabela 1 apresenta as especificações do freio de Foucault, bem como os valores de indutância e resistência equivalentes da aproximação de primeira ordem utilizada para o projeto do controlador proporcional-integral (PI) utilizado [8]. O modelo equivalente resultante para o freio é dado por: G () s p Io() s VCC D() s Ls R no domínio da frequência contínua, cuja representação equivalente discreta é dada na forma: Gp () z 0,1032 z 0,9915 para a frequência de amostragem de 1,2kHz. O projeto do sistema de controle digital da Figura 6 é realizado com base no modelo dinâmico representado no domínio da frequência discreta, empregando o método da resposta em frequência de malha aberta no plano w [9]. A Figura 9 mostra o diagrama de Bode de malha aberta C ( z) G ( z ) do sistema de controle para k p =2 e k i =20, i p resultando na seguinte função de transferência para o controlador mostrado em (3): C ( z) 2 i 0, z 1 z 1 (4) (5). (6) Figura 10: Foto do sistema completo de ensaio de motores. V. RESULTADOS EXPERIMENTAIS O sistema de controle, monitoração e gerenciamento é implementado por um microcontrolador de ponto fixo modelo PIC16F887. Este processador realiza leituras analógicas referentes aos sinais dos sensores de corrente e tensão, apresenta uma interface com usuário a partir de um display LCD e sinais de entrada analógicos e digitais. Este processador realiza o cálculo da lei de controle em 1.2kHz, de acordo com o diagrama da Figura 7, cuja ação de controle é modulada por largura de pulso (PWM) na frequência de 12kHz empregadas no comando das chaves semicondutoras controladas do conversor. O sistema completo composto pelo sistema de controle da corrente, freio de Foucault, e motor a combustão é mostrado na Figura 10. Resultados experimentais são apresentados para variação da referência com diferentes formas de onda. Na Figura 11 é mostrado o comportamento dinâmico da corrente de saída para uma referência senoidal de 1 Hz. As Figuras 11(a)-(b) apresentam as respostas em malha aberta e malha fechada, respectivamente. Observa-se que a resposta em malha aberta Figura 9: Resposta em frequência do sistema de controle em malha aberta. MF=72 / MG=14dB/f c =40Hz Figura 11: Resultados - senoidal 1Hz. (a) Malha aberta.

5 Figura 12: Resultados - quadrada 1Hz. (a) Malha aberta. apresenta atraso de fase e atenuação da amplitude, enquanto a resposta em malha fechada rastreia o sinal de referência com boa precisão. De forma similar, as respostas em malha aberta e malha fechada do sistema de acionamento para um sinal de referência com forma de onda quadrada de 1 Hz são apresentadas, respectivamente, nas Figura 12(a)-(b). Analisando os sinais de saída, pode ser notado que a resposta de malha fechada apresenta resposta dinâmica muito mais rápida que a resposta em malha aberta. A resposta a um sinal de referência triangular para uma referência de 1Hz é mostrado na Figura 13. A Figura 13(a) apresenta a resposta em malha aberta, onde se observa que as não linearidades do freio, tais como o magnetismo residual, mostram-se muito significativas na resposta, impedindo uma transição abrupta da derivada da corrente. Por outro lado, esta Figura 14: Resultados - senoidal 5Hz. (a) Malha aberta. dinâmica é compensada pelo sistema de controle em malha fechada, como mostra a Figura 13(b). A resposta do sistema de frenagem no tempo para os sinais de referência senoidal, degrau e triangular com frequência de 5Hz são mostrados, respectivamente, na Figura 14, Figura 15 e Figura 16. Nota-se que o deslocamento de fase e a atenuação da amplitude destes sinais, para esta frequência, são mais significativos para a operação em malha aberta. Por outro lado, as respostas em malha fechada para referências senoidal e triangular apresentam resposta dinâmica satisfatória, com erro de rastreamento muito reduzindo. Diferentemente, a resposta ao degrau, mostrada na Figura 15, apresenta um erro significativamente maior que as demais. Observa-se que existe uma limitação na taxa de variação de subida na resposta em malha fechada. Constata-se que este erro não é devido à dinâmica do controlador, e sim devido à limitação da ação de controle máxima, cujo valor Figura 13: Resultados - triangular 1Hz. (a) Malha aberta. Figura 15: Resultados - quadrada 5Hz. (a) Malha aberta.

6 aumentar a resposta dinâmica da corrente e obter um bom rastreamento para diversos tipos de referência com frequência da ordem de 5Hz, bem como, rejeição dos distúrbios de saída e variação da resistência de campo causado pela elevação da temperatura. Este desempenho possibilita a realização de ensaios dinâmicos que emulem transitórios rápidos de conjugado, tais como a troca de marchas no sistema de transmissão conectado ao motor. VII. REFERÊNCIAS Figura 16: Resultados - triangular 5Hz. (a) Malha aberta. máximo é a tensão do barramento CC. Esta característica pode ser observada pela significativa diferença entre a resposta na borda de subida e a borda de descida do degrau, sendo esta última rastreada com boa precisão, pois não apresenta saturação da ação de controle. VI. CONCLUSÕES Este trabalho apresentou o desenvolvimento de um sistema para controle da corrente de alimentação de um freio de Foucault utilizado para ensaio de motores a combustão. Os sistemas convencionais, que operam e m malha aberta sem controle de corrente, apresentam resposta dinâmica lenta, o que torna difícil o desenvolvimento de ensaios sofisticados de motores a combustão interna com regulação automática de conjugado ou velocidade. Por outro lado, empregando um sistema de controle em malha fechada para controle da corrente de carga é possível [1] CHALMERS, B.J. DUKES, B.J., "High-performance eddy-current dynamometers," IEE Proceedings B - Electric Power Applications, vol.127, no.1, pp.20-28, Jan [2] ZHANG J., LU, Q., "Study on the engine dynamic test bed," in IEEE Int. Vehicle Electronics Conf., vol. 1, pp , [3] MASJUKI, H.H. et al., "Experimental Evaluation of an Unmodified Diesel Engine using Biodiesel with Fuel Additive,", 1st Int. ForumonStrategicTechnol., pp.96-99, [4] Frenelsa. Folha de especificações do Retarder F12-40 EL (192 V.). Orcoyen, Espanha. [5] ATKINS, R. D. An Introduction to Engine Testing and Development. SAE International, p. [6] MARTYR, A. J.; PLINT, M. A. Engine Testing. Terceira edição. BH, p. [7] HAICAL, R. C. Desenvolvimento de um sistema de controle de dinamômetro para testes de motores de combustão interna f. Dissertação (mestrado em engenharia) Programa de pós-graduação em engenharia mecânica Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. [8] OGATA, K. Engenharia de Controle Moderno. 3 ed. Rio de Janeiro: LTC, [9] G. C. Goodwin, S. Graebe, M. Salgado. Control System Design. (e-book), 2002.