O método de simulação de turbinas hidráulicas, desenvolvido para o sistema micromáquina, baseia-se em uma estratégia de controle de potência para o motor CC, pois o objetivo é fazer com que a potência mecânica, desenvolvida por esta máquina, siga um sinal de potência de referência gerado pelas equações do modelo matemático de turbina hidráulica. O esquema de controle de potência mecânica do motor CC com um controlador PI é ilustrado no diagrama de blocos da Figura 6.4.
Figura 6.4: Controle de Potência Mecânica desenvolvida pelo Motor CC.
Como a dinâmica elétrica do Motor CC entra em regime permanente muito mais rápido que a dinâmica da sua parte mecânica, ou seja, , observa-se que a velocidade angular é uma grandeza cujas variações são muito lentas, em torno da velocidade nominal, em comparação a dinâmica elétrica do Motor CC, tal que pode ser considerado aproximadamente constante. Portanto o diagrama de blocos da Figura 6.4 pode ser simplificado, obtendo-se, em seguida, o diagrama ilustrado na Figura 6.5.
Figura 6.5: Controle de potência do motor considerando a velocidade constante.
Então considerando a ação da força contraeletromotriz uma perturbação e a velocidade como um parâmetro no ramo de alimentação que varia com tempo muito lentamente e com pequenos desvios, chega-se ao modelo ilustrada na Figura 6.6, o qual será utilizado para análise e projeto de sistema de controle de potência do motor.
Figura 6.6: Diagrama de blocos utilizado para análise e projeto de sistema de controle de potência para o motor.
Então, utilizando o teorema da superposição, analisam-se os efeitos do sinal de referência e da perturbação sobre o sinal de saída do sistema de controle ilustrado na Figura 6.6, isto é:
Observa-se, portanto, na expressão (6.23) que o sinal de toque desenvolvido pelo motor é decomposto em duas parcelas: a primeira é efeito do sinal de potência de referência e a segunda é efeito da ação da força contraeletromotriz do motor.
Analisando, então, a primeira parcela da expressão (6.23) para , tem-se:
.
Logo quando o sistema, ilustrado na Figura 6.6, entra em regime permanente, deduz-se que . .
Em seguida, analisando a segunda parcela da expressão (6.23) para , tem-se:
.
Logo, quando o sistema entra em regime permanente, conclui-se que
. (6.25) Ou seja, o controlador rejeita a ação da força contraeletromotriz que age como perturbação no sistema de controle de potência do motor.
Portanto, a partir das equações (6.23), (6.24) e (7.25), conclui-se que
Ou seja, quando a parte elétrica do Motor entra em regime permanente, a dinâmica em malha fechada do sistema de controle, ilustrada na Figura 6.6, reduz-se ao sistema ilustrado na Figura 6.7, que é devido ao fato das partes elétricas do motor entrarem em regime bem mais rápido que suas partes mecânicas.
Observa-se também que a equação (6.26) é a última equação do sistema de equações (3.6) que descreve a dinâmica da turbina hidráulica.
Figura 6.7: Dinâmica das massas girantes do conjunto motor e gerador quando o sistema de controle de potência entra em regime permanente.
Portanto, lembrando que o sinal de potência de referência é gerado pelas equações do modelo matemático da turbina hidráulica, obtém-se o diagrama de blocos ilustrado na Figura 6.8, onde a dinâmica da turbina é implementada em um microcontrolador por meio da programação das equações de seu modelo no firmware do microcontrolador, que implementa o algoritmo de controle do motor CC.
No entanto, deve-se deixar claro que a eficácia desta metodologia de simulação de turbina hidráulica por meio do controle de potência do motor CC depende também da ação do regulador de velocidade da turbina hidráulica simulada no microcontrolador. Este regulador controla a dinâmica simulada da turbina em conjunto com a dinâmica real da máquina CC. Portanto, levando-se em conta que a ação do controle de potência do motor é bem mais rápida que a ação de controle de velocidade, conclui-se que, com a estratégia de controle proposta, o motor se comportará como uma turbina hidráulica para o sistema de controle de velocidade.
6.5 Conclusão
Neste Capítulo, foram apresentados os fundamentos matemáticos da metodologia proposta de emulação da dinâmica de turbinas hidráulicas por meio do controle de potência do motor CC, o qual garante que a potência desenvolvida pelo motor em regime permanente rastreia o sinal de potência gerado pelo modelo da turbina hidráulica.
No Capítulo de resultados, será mostrado, também, que essa técnica tem excelentes resultados também em regime transitório na emulação de turbinas hidráulicas, o que é devido também ao fato da dinâmica elétrica do motor ser bem mais rápida que a dinâmica da turbina simulada.
E analisando as deduções matemáticas expostas neste Capítulo, observa-se que a base da estratégia de emulação da dinâmica da turbina hidráulica desenvolvida neste trabalho pode ser adaptada para a emulação da dinâmica de outros tipos de turbina, tais como as turbinas eólicas e térmicas.
7 DESENVOLVIMENTO DOS ALGORITMOS DE CONTROLE E
IMPLEMENTAÇÃO DA DINÂMICA DA TURBINA HIDRÁULICA E
DO SERVOPOSICIONADOR
7.1 Introdução
Na Figura 7.1, mostra-se a arquitetura do sistema de controle desenvolvido para o motor CC da micromáquina com o objetivo de simular, no sistema de geração em escala reduzida, uma unidade hidrogeradora conectada ao barramento infinito, onde os fundamentos matemáticos para tal objetivo foram apresentados no Capítulo anterior.
CONVERSOR CC-CC MOTOR CC CIRCUITO GATE-DRIVER TRANSDUTOR E CONDICIONADOR SISTEMA DE EXCITAÇÃO FREQUENCÍMETRO PWM ADC CALCULO DA VELOCIDADE EM PU IC CONDICIONAMENTO DIGITAL DO SINAL DE CORRENTE CONDICIONAMENTO DIGITAL DO SINAL DE CONTROLE CONTROLE DE POTÊNCIA P DINÂMICA DA TURBINA E DO SERVOPOSICIONADOR REGULADOR DE VELOCIDADE SEQUÊNCIA DE PARTIDA C.F. ωREF ω ω ω Ia Pm u0 u habilita Pm* Banco de Lâmpadas RAT U AR T IN T ER F AC E R S 23 2 IHM PC Microcontrolador Linha de Transmissão Firmware
Figura 7.1: Arquitetura do sistema de controle aplicado ao motor da micromáquina para simular um sistema de regulação de velocidade de uma unidade hidrogeradora.
Neste sistema de controle, a dinâmica da turbina hidráulica e a dinâmica do servoposicionador são implementadas por meio da programação das equações de seus
modelos matemáticos apresentados no Capítulo 3, em forma de algoritmo, no firmware gravado na memória de programa do microcontrolador (dsPIC30F4011) do sistema eletrônico de aquisição e controle.
O sistema, como um todo, é composto de duas malhas principais de realimentação: uma malha mais interna que tem a função de emular a dinâmica da turbina e uma malha mais externa onde é implementada a lei de regulação de velocidade da turbina.
Os algoritmos, que implementam as dinâmicas do servoposicionador e da turbina, geram o sinal de referência de potência para o algoritmo de controle de potência do motor, garantindo que a potência desenvolvida por esta máquina, em operação normal, rastreie este sinal de referência. Dessa forma, este sistema em malha fechada emula o comportamento dinâmico de uma turbina hidráulica.
O regulador de velocidade programado no firmware do microcontrolador, o qual é consequentemente sintonizado para as dinâmicas da turbina, do servoposicionador e das partes rotativas da micromáquina, gerando o sinal de controle que é então processado pelo algoritmo do servoposicionador, que, por sua vez, gera o sinal de entrada para algoritmo que implementa a dinâmica da turbina hidráulica, isto é, o sinal de abertura do distribuidor.
Portanto, neste Capítulo, mostra-se o desenvolvimento e o funcionamento desses algoritmos de controle e simulação do servoposicionador e da turbina hidráulica, os quais fazem o sistema de geração em escala reduzida, por meio do sistema de controle da micromáquina, simular uma unidade hidrogeradora conectada ao barramento infinito.