SISTEMA DE CONTROLE DE TEMPERATURA RESULTADOS PRÁTICOS Jung, Felipe 1 ; Padilha, Marina 1 ; Souza, Otávio Rafael de 1 ; Balan, Renan Jr. 1 ; Fiorin, Marcos 2 ; Dequigiovani, Tiago 2 1,2 Instituto Federal Catarinense, Luzerna/SC INTRODUÇÃO O curso de Engenharia de Controle e Automação do IFC tem em sua grade duas disciplinas denominadas de Projeto Integrador I e II, cujo objetivo é desenvolver atividades práticas em laboratório que integrem os conhecimentos obtidos ao longo das disciplinas O projeto descrito neste trabalho foi desenvolvido durante a disciplina de Projeto Integrador I com a finalidade de automatizar e controlar um processo de resfriamento em pequena escala, utilizando pastilhas de efeito Peltier para resfriar uma caixa térmica de volume reduzido, através de um controlador de temperatura. Pastilhas de efeito Peltier são atuadores que tem a característica de produzir um diferencial de temperatura entre suas faces através da circulação de corrente elétrica por semicondutores. Sua potência térmica pode ser controlada por meio da tensão de alimentação. Alguns trabalhos já foram feitos com o intuito de refrigerar pequenos volumes a partir do efeito Peltier. Entretanto, uma grande parcela dos trabalhos se limita à aplicação da tensão nominal no atuador para obtenção da potência térmica e o máximo diferencial de temperatura no referido ambiente. Porém, quando o objetivo é o controle da temperatura ambiente, a forma de controle adotada pela maioria dos projetos dessa natureza não é precisa. Por exemplo, a revista Saber Eletrônica apresenta um artigo onde o controle da tensão na pastilha é realizado na região ativa de um transistor. Essa topologia, embora apresente resultados positivos, implica em muitas perdas no transistor, uma vez que existe uma grande queda de tensão no mesmo durante o controle. Neste contexto, o objetivo do trabalho é propor um sistema de controle da temperatura de uma caixa térmica e, simultaneamente, integrar aplicações de diversos campos da 1 Curso de Graduação em Engenharia de Controle e Automação 2 Professor do IFC Luzerna.
engenharia. Para atender tais requisitos, dispositivos como Controladores Lógicos Programáveis (CLP), circuito programável (Arduino Mega 2560), sensor de temperatura e conversor de potência CC-CC são utilizados. A arquitetura e características do sistema de controle proposto para o processo de refrigeração com pastilhas de efeito Peltier é apresentado neste documento. Os resultados são avaliados com base no cumprimento do objetivo principal do trabalho que é a integração de disciplinas e conteúdos. MATERIAL E MÉTODOS A primeira etapa deste trabalho concentrou-se em buscar informações sobre o processo que se deseja controlar e as formas de se obter o resultado final satisfatório. Desta forma, buscaram-se em trabalhos já publicados em torno do assunto e na literatura disponível conceitos que auxiliassem a desenvolver este projeto. A partir disso, o projeto dividiu-se em várias partes que compõem o projeto integrador. Estas etapas são o desenvolvimento do circuito de potência, a montagem da caixa térmica, o desenvolvimento do programa no CLP, do sistema supervisório e do circuito condicionador de sinais entre CLP e o módulo de potência. Por fim, é feita a integração das etapas em um sistema único bem como a verificação do seu funcionamento. O circuito eletrônico de potência adotado para este projeto consiste no conversor abaixador de tensão CC-CC (Buck) uma vez que a tensão nominal da pastilha de efeito Peltier é de 12 Vcc e a fonte disponível é de 24 Vcc. O recipiente escolhido para ser refrigerado se trata de uma caixa térmica de isopor com volume aproximado de 14 litros, que posteriormente teve seu volume reduzido para aproximadamente 7 litros. A programação do CLP é realizada de forma a possibilitar o controle automático do processo, com a opção de operação manual. O desenvolvimento do sistema supervisório visa proporcionar uma interface entre o usuário e a planta, permitindo que o usuário escolha os parâmetros do sistema. Para condicionar os sinais enviados do CLP para a placa de potência, um circuito auxiliar (Arduino) é implementado. Este deve ser capaz de gerar um sinal PWM (Pulse Width Modulation) cuja razão cíclica varie proporcionalmente ao sinal de tensão (entre 0 e 10 Vcc) proveniente do CLP. A temperatura no interior da caixa é medida com um sensor de temperatura do tipo PT100 conectado ao CLP através de um transdutor de temperatura. 2
RESULTADOS E DISCUSSÃO A primeira etapa do projeto consistiu em desenvolver um conversor Buck para converter a tensão da fonte de 24 Vcc para um valor de tensão variável entre 0 a 12 Vcc, de modo a permitir o controle de potência da pastilha Peltier. A Figura 1 (a) mostra a topologia deste conversor com filtro passa baixa na sua saída. O filtro impede que haja ondulação de tensão indesejada na carga. A Figura 1 (b) mostra a ondulação de tensão (menor que 10 % para o caso com razão cíclica de 50 %) e de corrente na saída do conversor. Figura 1 (a) Conversor Buck; (b) Ondulação de tensão e corrente do Conversor Buck Tensão Corrente (a) Fonte: Próprio Autor, 2014. (b) A etapa de montagem da caixa térmica é elaborada visando o bom aproveitamento da capacidade térmica da pastilha de efeito Peltier. Na caixa há espaço para acoplar dois dissipadores e dois coolers para dissipar a energia térmica em ambos os lados da pastilha. Escolheu-se o CLP Siemens S300 para realizar o controle da refrigeração da caixa térmica, pois esse dispositivo apresenta grande flexibilidade quanto ao controle e relativa facilidade para programação. As linguagens de programação utilizadas foram ladder e IL (Instruction List), esta última mais adequada para operações matemáticas. O CLP controla a temperatura através da variação do sinal analógico (de 0 e 10 Vcc) que é enviado ao modulador PWM. O sinal de tensão para o controle é determinado por um controlador PI (Proporcional Integral) implementado no CLP, que processa o valor escolhido (referência) e o sinal lido pelo sensor (realimentação). O CLP também efetua o acionamento da bomba de água do sistema de resfriamento através de uma lógica discreta temporizada, além de possibilitar os comandos manuais através de lógicas de intertravamento. O sistema supervisório tem como objetivo possibilitar a visualização, parametrização e comando das principais variáveis do sistema, além de permitir a interação do operador com o sistema. A 3
supervisão do processo foi implementada utilizando o software de supervisão ELIPSE E3. A Figura 2 apresenta a tela principal, onde é possível notar a leitura das variáveis do processo como temperatura, tensão, corrente e potência do atuador, e alguns gráficos que registram as variáveis de controle. Figura 2 - Tela principal Fonte: Próprio autor, 2014. A placa Arduino recebe o sinal de tensão que deve ser convertido de forma proporcional na razão cíclica do PWM para chaveamento do conversor Buck. Consequentemente obtém-se um nível de tensão controlado para alimentar a pastilha Peltier. O Gráfico 1 (a) ilustra a curva de resfriamento do interior da caixa térmica controlada pelo CLP com a referência adotada em 16 ºC, onde a temperatura interna é representada pela curva em preto. O Gráfico 1 (b) mostra o sinal de saída do CLP. Percebe-se que o sistema consegue alcançar a temperatura desejada e mantê-la através do controle realizado. Gráfico 1- (a) Temperatura interna controlada; (b) Saída da ação de controle do CLP. (a) Fonte: Próprio autor, 2014 (b) 4
CONCLUSÕES Após a execução do trabalho descrito aqui, observou-se que os resultados estão em consonância com os objetivos propostos. Tanto a redução da temperatura no interior da caixa quanto a integração entre as várias áreas de atuação abordadas neste trabalho, foram alcançados de maneira satisfatória. Ao final do desenvolvimento deste trabalho, obteve-se uma diminuição na temperatura interna da caixa de 15,3 ºC em relação à temperatura inicial, chegando-se a uma temperatura interna controlada de 4,7 ºC na caixa térmica, comprovando a funcionalidade do projeto. Além disso, observou-se que o CLP controla a temperatura interna da caixa de forma bastante eficaz, mantendo a temperatura de referência escolhida pelo operador no interior da caixa. Devido a caixa térmica não ser totalmente isolada, tendo troca de calor com o ambiente, no momento em que a temperatura de referencia é atingida, a ação de controle não é zerada, como pode ser observado pelo Gráfico 1 (b). Apesar de se ter um projeto bastante complexo para um objetivo simples, a finalidade deste trabalho visa principalmente a integração entre os conhecimentos adquiridos nas disciplinas do curso. Essa integração contribui para a formação do profissional engenheiro de controle e automação expondo as exigências do mercado de trabalho. REFERÊNCIAS BARBI, Ivo. Eletrônica de potência. 4ª ed. Florianópolis: Editora do Autor, 2002. FIALHO, Arivelto Bustamante. Instrumentação Industrial: Conceitos Aplicações e Análises. 7ª ed. São Paulo: Érica, 2010. MARTINS, Denizar Cruz; BARBI, Ivo. Eletrônica de potência: Conversores CC-CC básicos não isolados. 2ª. ed. Florianópolis: Editora do Autor, 2006. OLIVEIRA André Rui Poletti, et al. Cooler Peltier Microcontrolado. Disponível em: <http://www.ppgia.pucpr.br/~santin/ee/2007/1s/3/> - Acesso em 15 mai. 2014. SABER ELETRÔNICA. Caixa térmica para bebidas Efeito Peltier Parte II. Disponível em: <http://www.sabereletronica.com.br/artigos/1642-caixa-trmica-para-bebidasefeito-peltier-parte-ii> Acesso em 08 mai 2014. 5