PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM CARREGADOR PARA BANCO DE ACUMULADORES UTILIZANDO CONVERSOR CHAVEADO E MICROCONTROLADOR

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS CURITIBA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA: ÊNFASE EM ELETROTÉCNICA ALBERTO AKIRA INOUE ANDREZA FERREIRA DA SILVA PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM CARREGADOR PARA BANCO DE ACUMULADORES UTILIZANDO CONVERSOR CHAVEADO E MICROCONTROLADOR TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2011

2 ALBERTO AKIRA INOUE ANDREZA FERREIRA DA SILVA PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM CARREGADOR PARA BANCO DE ACUMULADORES UTILIZANDO CONVERSOR CHAVEADO E MICROCONTROLADOR Projeto de Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Metodologia Aplicada ao TCC, do curso de Engenharia Elétrica: Ênfase em Eletrotécnica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para obtenção do titulo de engenheiro. Orientador: Prof. Dr. Jair Urbanetz Júnior CURITIBA 2011

3 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO Tema Delimitação do tema Problemas e premissas Objetivos Objetivo Geral Objetivos Específicos Justificativa Procedimentos metodológicos Estrutura do trabalho Cronograma REFERENCIAL TEÓRICO Fontes chaveadas Baterias chumbo-ácido Sistema micro controlado REFERÊNCIAS... 11

4 1 INTRODUÇÃO 1.1 Tema Uma das preocupações dos pesquisadores, na área de engenharia elétrica, sempre foi a de processar e a de controlar o fluxo de energia elétrica entre dois ou mais sistemas elétricos, a fim de fornecer à carga de tensão e corrente mais próximo dos valores adequados para sua operação. Em função disso e de aprimorar os métodos do controle da energia elétrica até então desenvolvidos, surge à eletrônica de potência. Esta que atualmente é conhecida como uma ciência aplicada no ramo dos conversores estáticos. (BARBI, 2005). Os quais, segundo Barbi (2005, Eletrônica de Potência, cap.1, p.2), podem ser definidos como: Um conversor estático pode ser definido como um sistema, constituído por elementos passivos (resistores, capacitores, indutores) e elementos ativos (interruptores), tais como Diodo, Tiristores, Transistores, GTO s, Triacs, IGBT s e MOSFET s, associados segundo uma lei pré-estabelecida. (BARBI, 2005, p.2) Os conversores estáticos fazem o tratamento eletrônico da energia, com o intuito de controlar o fluxo da mesma dentro de um sistema elétrico. Basicamente, suas funções resumem-se no ciclo apresentado na figura 1. Figura 1 - Conversor Estático Fonte: Adaptado de Barbi (2006 p.1)

5 Além disso, os conversores possuem uma gama de aplicação enorme, como por exemplo: fontes chaveadas, controle de motor de corrente contínua, alimentação de emergência, transmissão em corrente contínua, filtros ativos de potência e carregador de bateria, sendo este último o objeto de estudo do presente trabalho. 1.2 Delimitação do tema Para esta proposta, que consiste na elaboração e implementação de um carregador para um banco de 20 acumuladores do tipo chumbo-ácido, farse-á necessário à utilização dos conversores chaveados no circuito elétrico. Sendo que para cada etapa do processo de carregamento, será utilizada uma razão cíclica imposta pelo sistema de controle. Além disso, o protótipo disponibilizará de um sistema micro controlado, como forma de controlar todo o sistema de carregamento, uma vez que existe uma grande variedade de acumuladores do tipo chumbo-ácido, e estes por suas vezes, necessitam de método inteligente para selecionar o nível de corrente a ser consumido. 1.3 Problemas e premissas A grande variedade de baterias recarregáveis existentes no mercado mundial possibilita o usuário escolher uma que mais se adequa a aplicação desejada. Se por um lado, isso beneficia o cliente, em virtude da seleção do modelo do acumulador que mais se aproxima das exigências especificas do equipamento, ou ainda, projeto, por outro acarreta um problema, que seria a forma de como recarregar. Da mesma forma que cada bateria é especifica, assim são os carregadores para as mesmas, ou seja, específicos para cada modelo. Pois, o processo leva em consideração o perfil, sendo este em alguns casos mais lentos para carregar, enquanto outros, mais rápidos. Se porventura, as especificações do acumulador não forem atendidas pelo circuito que há de carregar as consequências podem ser varias, como por exemplo: sua explosão e vazamento do eletrólito. Sendo assim, o problema a ser superado nessa proposta é desenvolver um carregador de acumuladores específicos para um grupo determinado de baterias.

6 1.4 Objetivos Objetivo Geral Projetar e implementar um protótipo de um carregador chaveado micro controlado para alimentar um banco de baterias, formado por 20 acumuladores do tipo chumbo-ácido, ligados em série Objetivos Específicos Revisar a teoria sobre conversores chaveados; Selecionar a topologia que seja mais adequada ao projeto; Estudar os tipos e os princípios de funcionamento das baterias do tipo chumbo ácido; Projetar o circuito a ser implementado; Elaborar o programa a ser utilizada no micro controlador e simulação do mesmo; Elaborar um sistema de proteção no circuito elétrico; Simular o circuito projetado; Fazer o layout e confeccionar o circuito impresso; Implementar o circuito utilizando sistema micro controlados; Montar o protótipo; Ensaiar o projeto, a fim de validar as características do mesmo. 1.5 Justificativa Com o advento dos equipamentos portáteis, em especial na área de telecomunicações, fez-se necessário a utilização de baterias que fossem recarregáveis. Em função disso, surgiram os circuitos elétricos capazes de fornecerem energia elétrica e esta, por sua vez, ser convertida em química à bateria, o que em outra palavra resume em: carregamento. Contudo, a necessidade de um dispositivo desta espécie atingiu também os aplicativos eletrônicos de grande porte. Em função da robustez, uma quantia pequena de baterias, nem sempre é suficiente para alimentar o equipamento como um todo. Pensando nisso e também a fim de solucionar a compatibilidade de carregador x baterias, esta proposta visa projetar e construir um carregador

7 específico para alimentar um banco de baterias, que por sua vez, também é específico. 1.6 Procedimentos metodológicos Esse trabalho possui um caráter teórico e experimental. O primeiro pela necessidade de explorar seja através de: livros, revistas, artigos, trabalhos de conclusão de curso e internet, as características dos elementos a serem utilizados. Já o segundo, por desenvolver um carregador para um conjunto de baterias e submetê-lo a ensaios em laboratório com o intuito de validar sua funcionalidade. 1.7 Estrutura do trabalho O trabalho será apresentado na seguinte forma: Capitulo 1 Introdução ao tema, apresentando o tema, os problemas e premissas, objetivos, justificativas e estrutura do trabalho. Capitulo 2 Referencial Teórico, apresentando o embasamento teórico deste trabalho. Capitulo 3 Projeto e Simulações, a partir do projeto, são feitas simulações para averiguar o funcionamento do mesmo. Capitulo 4 Implementação do Protótipo e Ensaios, após a construção do protótipo, mostrar-se-á os ensaios feitos. Capitulo 5 Considerações finais, serão mostrados os resultados obtidos e as conclusões tiradas do mesmo. Capitulo 6 Referencias.

8 1.8 Cronograma Semestre 1/2012 Semestre 2/2012 jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez Revisar a teoria sobre fontes chaveadas CA-CC Selecionar a topologia mais adequada ao projeto Estudar os tipos e princípios de funcionamento das baterias chumbo ácido Projetar o circuito a ser implementado Elaborar o programa a ser utilizada no micro controlador e simulação do mesmo Elaborar um sistema de proteção no circuito elétrico Simular o circuito projetado Defesa do Trabalho de Conclusão de Curso 1 Fazer layout e confeccionar o circuito impresso Implementar o circuito utilizando sistema micro controlado Montar o protótipo Ensaiar o projeto, a fim de validar as características do mesmo Defesa do Trabalho de Conclusão de Curso 2

9 2 REFERENCIAL TEÓRICO 2.1 Fontes chaveadas As fontes chaveadas são circuitos que a partir de uma fonte de tensão fixa na entrada, fornece uma tensão de valor diferente e variável na saída. (POMILIO, 2009). As fontes tem grande aplicação como fontes de alimentação para os circuitos de comando de conversores de maior potência. (BARBI, 2001). Apesar de ser mais eficiente e menor que as fontes convencionais, elas apresentam algumas desvantagens: produz ondulação na tensão de saída, produz interferências, é menos robusta, possui um número maior de componentes. (BARBI, 2001). Algumas configurações que se pode citar são Buck, Boost, Buck-Boost, full bridge, entre outras. 2.2 Baterias chumbo-ácido As baterias são dispositivos eletroquímicos capazes de transformar a energia química armazenada em energia elétrica através de reações químicas. (BENTO; LIMA, 2006). As baterias do tipo chumbo-ácido são mais populares, representando aproximadamente 60% das baterias vendidas em todo o mundo. (CHAGAS, 2007). Elas podem ser classificadas em FVLA (Free Vented Lead Acid Baterias chumbo-acido ventiladas), que são os tipos mais comuns e em VRLA (Valve Regulated Lead Acid Baterias chumbo-ácido com válvulas reguladas) e estas são divididas em eletrólito em gel e eletrólito absorvido nos separadores. (CHAGAS, 2007) Existem muitos métodos para carregar baterias, mas o que apresenta melhor desempenho é o do algoritmo de quatro estágios, que são a carga lenta, carga rápida, sobrecarga e carga flutuante. (TRENTO; FELDEN, 2007)

10 Figura 2 - Algoritmo de quatro estágios Fonte: Trento & Felden (2008) 2.3 Sistema micro controlado Com o desenvolvimento da tecnologia dos circuitos integrados, foi possível armazenar vários transistores num único chip. Isso foi um pré-requisito para a produção dos primeiros microprocessadores. Com o aumento da integração e o aparecimento dos circuitos integrados com processador e periféricos, surgiu o primeiro micro controlador. (NEBOJSA; ANDRIC, 2003) O micro controlador difere de um micro processador principalmente na sua funcionalidade. Os microprocessadores, apesar de serem considerados potentes máquinas matemáticas, têm poucas possibilidades de comunicação com periféricos. Então para se comunicar com esses periféricos, são necessários circuitos externos. Porém os micro controladores possuem todos os circuitos em sua estrutura, economizando tempo e espaço. (SENA, [entre 2004 e 2011])

11 3 REFERÊNCIAS [1] AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência. São Paulo: Editora Prentice Hall, [2] BARBI, Ivo. Eletrônica de Potência. Florianópolis: Edição do Autor, [3] BARBI Ivo. Projetos de Fontes Chaveadas. Florianópolis: Edição do Autor, [4] BENTO, Edson M.; LIMA, Marcio V. de. Retificador Semicontrolado: Carregador de Bateria com Multicontrole f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) Departamento Acadêmico de Eletrotécnica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, [5] CHAGAS, Marcos W. P. Novas Tecnologias para Avaliação de Baterias f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento, Curitiba, Disponível em: < [6] MEDINA, Cristian A.; MELLO, Daniele; BUENO, Guilherme R. F. Projeto e Implementação de um Conversor Flyback Quase-Resonance como Carregador de Baterias f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) - Departamento Acadêmico de Eletrotécnica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, [7] NEBOJSA, Matic; ANDRIC, Dragan. Microcontroladores PIC. [s.l.],[s.e.], Disponivel em < Acessado em: Setembro de 2011

12 [8] POMILIO, José A. Eletrônica de Potência. Apostila Didática. Disponível em: < Acessado em: Setembro de 2011 [9] SENA, Antonio S. Manual Microcontroladores PIC, Manual de orientação. [entre 2004 e 2011]. Disponivel em: < a.s.se na senaeng.com.pdf>. Acessado em: Setembro de 2011 [10] TRENTO, Arielton; FELDENS, Alexandre T.. Carregador de Baterias Tipo Chumbo-Ácido com PIC16F876A, Manual de orientação. São José dos Pinhais, p.