CONTROLE DIGITAL APLICADO A GERADOR DE INDUÇÃO, OPERAÇÃO
ISOLADA PARA UTILIZAÇÃO NO MEIO RURAL
Alexandre Viana Braga *, Ângelo José Junqueira Rezek *,Augusto Nelson Carvalho Viana *,
Edson da Costa Bortoni *,Walter Denis Cruz Sanchez **
*Universidade Federal de Itajubá(UNIFEI), av BPS, 1303, Cx. Postal :50
CEP: 37.500-903 Itajubá, MG, Brasil
**Universidade Tecnológica Federal do Paraná(UTFPR), av Sete de setembro, 3165, CEP: 80.230-901 Curitiba, PR, Brasil
e-mail: [email protected], [email protected]
Resumo - Neste artigo apresenta-se a implementação
em laboratório de um sistema de controle empregando a
placa dedicada de disparo digital de tiristores, MP410T
da SEMIKRON, para ajuste de tensão e frequência para
um gerador de indução operando isoladamente. Uma
carga lastro será controlada pela atuação do controlador
da placa para que o gerador “enxergue” sempre uma
carga aproximadamente “constante”. A tensão gerada e a
frequencia são mantidos em torno de seus valores típicos
para cargas do meio rural. O sistema completo do
protótipo foi montado em laboratório com potência de
1kW. Para verificar melhor o desempenho da placa, esta
foi montada numa microusina hidrelétrica de 35kW
equipada com um gerador de indução e uma Bomba
Funcionando como Turbina(BFT). Foram realizados no
protótipo testes de variação de carga para se obter as
formas de onda da tensão na carga principal e na carga
lastro. Na microusina foi verificado o desempenho da
placa quando se realizou um teste de entrada e saída de
carga. O sistema proposto mostrou-se robusto e simples
no controle da tensão e freqüência.
Palavras-Chave – Carga Lastro, Controle de Tensão e
Freqüência de Gerador de Indução, Placa de Controle
Digital.
DIGITAL CONTROL APPLIED TO
ISOLATED INDUCTION
GENERATOR TO BE USED IN
RURAL AREAS
Abstract - This paper presents the laboratory
implementation of a control system employing the digital
dedicated board to trigger thyristors, MP410T
SEMIKRON to adjust voltage and frequency for an
induction generator in isolated operation. A ballast load
will be controlled by the action of the controller board so
that the generator "sees" a load always almost
"constant." The generated voltage and frequency are
kept around their typical values for loads in rural areas.
The complete system prototype was assembled in the
laboratory with a power 1kW. To verify better the
performance of the board, this was mounted on a micro
hydroelectric power station of 35kW equipped with an
induction generator and a Pump as Turbine(PAT) (). It
was performed tests on the prototype with load variation
to obtain the voltage waveforms of main load and ballast
load.
In the micro hydroelectric was found the
performance of the board when was held a test of input
and output of load. The proposed system proved to be
robust and simple to control the voltage and frequency.
Keywords – Ballast Load, Digital Control Board,
Induction Generator Voltage and Frequency Control.
I. INTRODUÇÃO
O gerador de indução utilizado neste trabalho é uma
máquina assíncrona do tipo gaiola de esquilo, associado a um
banco de capacitores, que incorpora componentes simples, de
fácil operação, de manutenção simplificada e de menor custo,
comparando-se com a máquina síncrona [12], [13]. Por este
motivo sua aplicação em geração isolada, para utilização em
microusinas hidrelétricas, até 100kW, vem sendo objeto de
extensas pesquisas em anos recentes [2], [3], [12], [18].
Trabalhos direcionados ao controle analógico de tensão do
gerador de indução foram realizados [4], [15]. Este trabalho
constitui-se numa extensão do controle analógico para o
controle digital. Para a consolidação desse objetivo, em
primeiro lugar foi empregada a placa SEMIKRON MP410T
[9], a qual é um módulo microprocessado de disparo de
tiristores e reguladores digitais incorporados. E, em segundo
lugar, no sistema foi incorporada uma carga lastro. Através
da placa é controlada a carga lastro visando manter a tensão
numa estreita faixa de variação em torno de seu valor
nominal, 220V. O controle da freqüência acontece de forma
natural, isto é, se a tensão está em torno de seu valor
nominal, a frequência correspondente também estará
próxima de seu valor nominal. O controle da carga lastro
estreita a faixa de variação da tensão quando se tem
variações significativas da carga principal.
As publicações mais recentes sobre geração isolada
empregando gerador de indução, associado a grupos de
capacitores, utilizam o arranjo compensador estático de
reativos, SVC (Static Var Compensation), que é constituido
de capacitores associados a reatores controlados por tiristores
para controle de tensão [5], [6], [7], [8], [16]. Uma
contribuição e novidade do presente trabalho é que permite
viabilizar a aplicação dos geradores de indução no meio rural
com a regulação de tensão.
TABELA I
Dados do gerador de indução
Fabricante WEG
Potencia
Frequencia
Tensão
Corrente
Velocidade
Fator de potencia
Rendimento
Fig. 1. Casa de máquinas
Fig. 2. Bomba funcionando como Turbina (BFT) e gerador de
indução
O sistema proposto é, portanto, mais simples e unifica o
controle da tensão e freqüência, diferenciando-se, neste
aspecto, das aplicações mais usuais existentes na literatura,
que sempre incluem dois controles distintos de tensão e
freqüência. Uma análise comparativa com aquelas respostas
obtidas a partir do sistema de controle analógico
implementado em laboratório poderá ser então realizada. Um
sistema de controle analógico [15], incluindo o circuito de
disparo, foi instalado na microusina hidrelétrica da Fazenda
Boa Esperança, localizada Serra da Mantiqueira, município
de Delfim Moreira, situado a 30km de Itajubá. A casa de
máquinas é mostrada na Figura 1. Nessa Fazenda está
instalado o Laboratório Avançado de Microcentrais
Hidrelétricas (convênio UNIFEI/ Ministério das Minas e
Energia, programa Luz para Todos).
kW
Hz
V
A
RPM
%
%
45
60
220/380/440
146/84.5/73.0
1780
87
93,1
indução “enxerga” sempre uma carga praticamente
“constante” mantendo-se a tensão e a frequência variando
numa faixa estreita e tolerada por cargas do meio rural. A
carga lastro é constituída de resistências de aquecimento
imersas em água, para ser utilizada numa pequena piscina
térmica da fazenda.
Toda simplificação na operação e manutenção de
geradores elétricos para microusinas é sempre muito útil,
principalmente em casos de aplicação ao meio rural.
Os dados do gerador de indução na microusina são
mostrados na tabela I. A turbina acoplada ao gerador de
indução neste trabalho é uma Bomba Funcionando como
Turbina(BFT), mostrada na Figura 2. O interessante de fato é
que se dispõe de um laboratório real de aplicação no meio
rural, isto é a microusina hidrelétrica da Fazenda Boa
Esperança, é um aproveitamento que possibilita o
desenvolvimento de pesquisa aplicada aos diferentes
componentes de uma microusina. Neste trabalho não se
utiliza o regulador de velocidade que atua no controle de
vazão de água. Entretanto, é utilizado o regulador de carga,
que é mais simples para pequenos aproveitamentos de usinas
hidrelétricas.
II. MATERIAL E MÉTODOS
Com o controle digital fornecido pela placa fica tudo bem
mais compacto do ponto de vista de instalação, facilidade de
manuseio, e de fácil parametrização. Estas facilidades foram
observadas durante a montagem do protótipo no laboratório.
Considerando que um aumento da carga para o gerador
implica num decréscimo da tensão gerada e da freqüência, ao
passo que para uma diminuição de carga, ocorre o contrário.
Este aspecto é indesejável; para que a tensão e freqüência
sejam mantidas numa faixa aceitável para cargas no meio
rural, é necessária a inclusão de um sistema de regulação de
tensão do gerador de indução; como opção pode-se utilizar
um sistema de controle de carga. Esta opção, mostrada na
Figura 3, implica em utilizar uma carga lastro controlada,
conectada em paralelo com a carga principal do gerador.
A idéia do controlador de carga é funcionar sem controle
de vazão, com a válvula totalmente aberta, existindo uma
carga principal do gerador de indução e uma carga ligada em
paralelo, denominada de carga lastro, controlada pelo
regulador de tensão CA trifásico, com tiristores em antiparalelo por fase, controlando-se o ângulo de disparo do
controlador CA trifásico, desde 0° (carga lastro máxima )
até180° (carga lastro mínima), ver Figura 4. Assim, para
entrada de carga principal (aumento de carga), há queda de
tensão gerada e o regulador de tensão diminui a carga lastro
automaticamente, e vice versa, de modo que o gerador de
Na malha de controle de carga lastro, ajusta-se um valor de
referência de tensão, tendo-se como realimentação a tensão
do transdutor de tensão (tensão da máquina retificada por
intermédio de ponte trifásica a diodos alimentando
resistências no lado de corrente contínua). A queda de tensão
na resistência de 5,6kΩ do lado de corrente contínua (ver
Figura 8) corresponde ao sinal transduzido da tensão da
máquina. O sistema de controle atua no chaveamento da
carga lastro, em consequencia há um aumento ou diminuição
da tensão aplicada a essa carga, implicando um ajuste da
tensão gerada na carga principal.
Fig. 6. Tensão de saída por fase aplicada à carga lastro, para ângulo
de disparo de 90º.
Fig. 3. Ilustração do sistema de controle de carga.
Fig. 4. Controle do ângulo de disparo.
Fig. 7. Quadro de controle e proteção
Fig. 5. Circuito equivalente por fase da carga lastro controlada
Assim, para o ângulo de disparo de 180°, o valor eficaz da
tensão aplicada às resistências da carga lastro é zero, sendo
que esta tensão vai sendo gradativamente aumentada pela
diminuição do ângulo de disparo dos tiristores, sendo
máxima para um ângulo de disparo dos tiristores de 0°. A
potência dissipada no banco de resistências da carga lastro
para aquecimento de água é proporcional ao quadrado do
valor eficaz da tensão aplicada nessa carga, conseguindo-se,
desta forma um controle de potência do lastro. O gerador
“enxerga”, portanto, sempre uma carga de alimentação
aproximadamente “constante”, o que implica na manutenção
da tensão gerada da máquina em uma faixa estreita de
variação em torno do valor nominal, com freqüência
variando numa faixa permissível.
Assim, o aumento da carga principal da instalação, implica
numa diminuição da carga lastro e vice versa, ou seja, uma
diminuição da carga principal implica num aumento daquela
carga. Isto é conseguido, aumentando-se ou diminuindo-se
automaticamente a potência da carga lastro pelo emprego do
controlador CA trifásico, o qual é constituído por tiristores
em antiparalelo por fase, alimentando o banco de resistências
de aquecimento. O controle da tensão aplicada às resistências
de aquecimento do lastro, é obtido variando-se o ângulo de
disparo dos tiristores ligados em antiparalelo por fase,
alimentando as resistências da carga lastro, ver Figura 6.
A Figura 5 ilustra o circuito equivalente de potência por
fase para explanar o princípio de funcionamento do
controlador da carga. A Figura 6 apresenta a forma de onda
da tensão de saída por fase aplicada à carga lastro, para um
ângulo de disparo de 90°. A figura 7 ilustra o quadro de
controle e proteção, onde pode ser vista na parte superior
direita a placa de controle MP410T, e na parte inferior as
duas baterias do sistema de fechamento emergencial da
comporta.
Os números indicados na Figura 8 correspondem às
pinagens da placa MP410T.
.
Fig. 8. Diagrama esquemático implementado.
III. IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE
PROTEÇÃO DE SUB E SOBRETENSÃO E DE
FECHAMENTO AUTOMÁTICO DA COMPORTA
Foi instalado um sistema de proteção de sub e sobretensão
para proteger ao gerador de indução [10]. Para esta
finalidade foram instalados os relés da marca WARD. Para
detectar esta anomalia e providenciar o fechamento da
comporta emergencial localizada na entrada da tubulação, foi
implementado um sistema autônomo para tal. Uma
sobretensão pode ocorrer, por exemplo, quando se perde o
circuito de controle de carga lastro, por alguma falha neste
circuito de controle, a qual pode ocorrer, pois como se sabe
todo circuito eletrônico está sujeito à ocorrência de falhas.
Assim a máquina perde carga, dispara e a tensão em seus
terminais
aumenta
substancialmente,
provocando
sobretensão no barramento e há necessidade de desconectar a
máquina do barramento de saída para que não haja queima
das cargas ligadas a este. Também neste caso há necessidade
de se comandar o fechamento da água, devido à
sobrevelocidade do grupo motor-gerador, para que não haja
danos mecânicos ao conjunto. Este sistema de fechamento
automático da comporta (vide figura 9) foi feito por
intermédio de acionamento com motor CC de 24V (tensão
fornecida por baterias), que será acionado automaticamente
para fechamento da comporta, evitando-se sobrevelocidades
ao grupo motor-gerador e inibindo efeitos mecânicos
danosos ao conjunto.
A implementação deste sistema de fechamento emergencial
da comporta também foi já realizado, sendo uma das
contribuições do trabalho. Subtensão também pode ocorrer
no sistema. Devido às chuvas a água do canal de adução
transporta folhas e pequenos galhos que entopem as grades
de retenção.
Assim, o fluxo de água diminuiu muito, e a rotação do
gerador consequentemente também, havendo desta forma
uma diminuição da tensão gerada pela máquina,
caracterizando-se, portanto numa subtensão. As cargas
conectadas ao gerador são muito sensíveis a esta anomalia,
pois existe na fazenda uma fábrica de gelo que utiliza
motores de indução trifásicos, que podem se queimar na
existência de grandes períodos de subtensões. Por este
motivo o relé de subtensão [11] é fundamental, para
comandar o fechamento emergencial da comporta. Uma boa
contribuição foi obtida pela instalação destas proteções
citadas, principalmente para o fechamento emergencial da
comporta com o motor CC de 24V. Os resultados do
desempenho deste sistema de proteção desenvolvido serão
divulgados para a aplicação em outros aproveitamentos
rurais de maneira a mitigar os possíveis danos materiais e
prejuízos financeiros aos proprietários, pois se observa via de
regra, a não existência deste sistema na maioria das
microusinas.
Um sistema de carregamento de baterias foi também
implementado, uma vez que estas baterias só trabalham na
ocasião do fechamento da comporta, e com a finalidade de
mantê-las sempre carregadas necessitou-se de um circuito de
carregamento, mas uma descrição mais detalhada do mesmo
não é objetivo deste trabalho.
A Figura 10 mostra o painel frontal do quadro de controle
e proteção, onde podem ser visualizados na parte superior os
relés temporizados de sobretensão e subtensão utilizados,
calibrados respectivamente em 1,1pu e 0,85pu, com
temporização de 5 segundos para cada um deles.
TABELA II
Resultados de grandezas elétricas obtidas na situação 1
SITUAÇÃO 1
Velocidade
1780 RPM
CARGA
PRINCIPAL
kW
Hz
V
A
kVar
FP
9.7
59
221
25.5
0.060
1.00
POTENCIA
FORNECIDA
PELO
GERADOR
20
59
202
82,5
21
0.69
CARGA
LASTRO
(10.3)
80
TABELA III
Resultados de grandezas elétricas obtidas na situação 2
Fig. 9. Comporta montada na entrada da tubulação.
SITUAÇÃO 2
Velocidade
1693 RPM
CARGA
PRINCIPAL
kW
Hz
V
A
kVar
FP
15.8
56.1
221
41
0.264
1.00
POTENCIA
FORNECIDA
PELO
GERADOR
22
CARGA
LASTRO
(7.2)
202
91
21
0.69
Fig. 10. Painel frontal do quadro de controle e proteção.
IV. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Fig. 11. Registro da tensão para saída e entrada de carga.
Resultados na fazenda Boa Esperança.
As tabelas II e III apresentam os valores de grandezas
obtidas para uma determinada condição de abertura da
válvula próxima da abertura máxima. Na tabela II a carga
da fazenda foi de 9,7kW, passando esta carga para
15,8kW na situação apresentada na tabela III. Pode-se
perceber que houve, portanto, diminuição da potencia da
carga lastro devido ao aumento da potencia da carga
principal da fazenda. Entretanto, como foi projetado o
controle de tensão, esta se manteve constante em 221V e a
frequência alterou-se ligeiramente de 59 Hz para 56,1Hz,
mas esta variação de frequência é permissível para a
grande maioria de cargas existentes no meio rural.
Ressalta-se que a tensão da máquina, resultou também em
um valor constante ligeiramente menor igual a 202V,
devido a existência de um autotransformador relação
220/240V para possibilitar um neutro para atender as
cargas da fazenda, uma vez que estas podem ser
alimentadas em 127V ou 220V. A máquina alimenta o
primário do autotransformador em 202V, e o secundário é
encarregado de alimentar a fazenda em 220V.
Fig. 12. Tensão (curva superior) e corrente na carga lastro.
A Figura 11 ilustra o resultado obtido no projeto da
Fazenda Boa Esperança, caso real para registro da tensão,
quando da saída e entrada de carga principal, no caso uma
câmara frigorífica da fábrica de gelo da fazenda, potência
3kW. Pode-se perceber a regulação de tensão obtida. A
Figura 12 ilustra a tensão fase-fase na carga lastro de 10,3kW
(curva superior) e a corrente na fase desta respectiva carga.
Fig. 13. Tensão fase-fase e corrente de fase(maior amplitude) do
gerador de indução.
Fig. 15. Tensão fase-fase(curva superior) de 75V e corrente de fase
na carga lastro.
Fig. 14. Tensão fase-fase (maior amplitude) e corrente de fase da
carga principal.
Fig. 16. Tensão fase-fase(curva superior) e corrente de fase no
banco de capacitores
Medições para estudos posteriores foram realizadas na
Fazenda Boa Esperança no dia 29/junho/2012. As Figuras
13, 14, 15 e 16 mostram as formas de onda de tensão e
corrente do gerador, carga principal, carga lastro e banco de
capacitores, respectivamente. As configurações são as
seguintes: ponta de prova atenuadora do canal 1 = 100X,
Figura 13( canal 1 2V, canal 2 500mV, 5ms, sonda Hall
10mV/A),
Figura 14( canal 1 2V, canal 2 500mV, 5ms, sonda Hall
100mV/A),
Figura 15( canal 1 2V, canal2 500mV, 5ms, sonda Hall
100mV/A) e
Figura 16( canal 1 2V, canal 2 200mV, 5ms, sonda Hall
100mV/A).
alterando-se o ângulo de disparo dos tiristores do controlador
tiristorizado trifásico da carga lastro. A freqüência se
manteve aproximadamente constante em torno de 60Hz,
variando numa faixa de aproximadamente +/- 3Hz. Assim,
com a ausência de carga principal, e carga lastro máxima, a
tensão se manteve constante e a frequência aumentou de
3Hz, apenas. Esta variação de freqüência é perfeitamente
possível de ser aceita para cargas do meio rural, pois o mais
importante é que a malha de tensão possibilitou a
manutenção da tensão num valor sempre inalterado e
constante, o que é desejável para o suprimento de cargas do
meio rural. A variação da freqüência numa pequena faixa de
+/- 3Hz é perfeitamente aceitável para cargas do meio rural.
Este projeto, após resultados satisfatórios obtidos no
laboratório da UNIFEI, está sendo implementado com
sucesso na fazenda Boa Esperança, localizada no município
de Delfim Moreira, serra da Mantiqueira, aproximadamente
35km de Itajubá, aproveitamento de 35kW, como mostram
os resultados iniciais mostrados nas Figuras 11 e 12, e
também em um dia de funcionamento normal na Fazenda
Boa Esperança como mostram as Figuras 13, 14, 15 e 16. O
sistema proposto apresenta como vantagem a possibilidade
de se dispensar o controle de fluxo de água, para manutenção
da tensão. A válvula da tubulação pode funcionar toda aberta
e este controle proposto é de menor custo, comparativamente
ao sistema de controle de abertura de válvula da tubulação.
V. CONCLUSÕES
A digitalização realizada do sistema de controle
apresentou resultados bastante satisfatórios, com estabilidade
na resposta a distúrbios de tensão, os quais ocorrem quando
se insere ou retira carga principal. A placa utilizada MP410T
SEMIKRON possui incorporada a fonte de alimentação dos
circuitos eletrônicos e os reguladores digitais, com ganho
proporcional e constante de tempo integral programáveis.
Desta maneira consegue- se uma compactação dos módulos
do projeto, fato este também bastante positivo.
Os resultados obtidos foram muito satisfatórios, pois a
malha de controle de tensão utilizada, possibilitou a
manutenção da tensão de saída da máquina no valor
referenciado de 220V, fase-fase, para variações da carga
principal, com a compensação através da variação da carga
lastro, feita por intermédio do sistema de controle,
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a FAPEMIG, pelo financiamento
do projeto de pesquisa (processo TEC-APQ-00201-09)
“Controle digital aplicado a gerador de indução isolado
para atendimento de pequenas comunidades rurais”, o que
possibilitou o desenvolvimento deste trabalho. Agradecem
também à empresa Magneti Marelli pelo patrocínio, através
da doação das baterias utilizadas no sistema de fechamento
emergencial da comporta.
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