Teoria 13 Malhas de Controle de Um Conversor

TEORIA 13 Malhas de Controle de um Conversor CA/CC Regulado13.1 Introduo:O conceito de controle bastante antigo e utilizado a todo o instante pelo ser humano. Se analisarmos nossas atividades do dia-a-dia, percebemos que em todo o momento estamos fazendo um controle das nossas atividades, pois os nossos sentidos (viso, audio, tato, olfato, paladar) nos fornecem a todo instante, instrues para mudarmos os rumos de nossos atos, sejam estes voluntrios (decide vestir um agasalho quando sente frio) ou involuntrios ( o hipotlamo que controla a temperatura corporal - Homeostase no corpo humano). Os sistemas de controle automtico artificiais funcionam sob esse mesmo princpio: eles recebem em sua entrada duas informaes:

Uma que chamamos de sinal de realimentao, que um sinal provindo de um sensor que informa o estado atual (valor atual) da varivel que o sistema est controlando (varivel controlada); Outra a qual chamamos de sinal de referncia, que um sinal preestabelecido ajustado para informar o valor desejado para a varivel controlada.

Comparando estas duas informaes obtm-se a diferena aritmtica entre elas. A esta diferena chamamos de sinal de erro, o qual pode ter os seguintes comportamentos:

Se a diferena zero (erro igual a zero), isto ocorre porque a varivel controlada tem o valor atual igual ao valor desejado, e a isso chamamos de condio estvel do sistema de controle. Todo trabalho de um sistema de controle consiste em, permanentemente, buscar e manter a condio estvel. Se a diferena diferente de zero, significa que existe erro, ento o comparador produz em sua sada uma informao que significa de que maneira a varivel de sada final do controlador (varivel manipulada) deve responder, ou seja, em quanto a varivel manipulada deve variar de valor e se variar aumentando ou diminuindo, a fim de buscar estabilizar novamente o sistema.

Tomemos como exemplo um conversor CA/CC, na forma como o conhecemos at o presente e momento:

A unidade de potncia constituda de componentes controlveis, ou seja, tiristores do tipo SCR; O circuito de disparo permite o ajuste (variao) do ngulo de disparo em uma ampla faixa de operao; Mas o funcionamento em um sistema de malha aberta, ou seja, no existe um sinal de realimentao que informa o estado atual da velocidade do motor.

Este circuito poder com facilidade permitir que se manipule o valor da sua varivel de sada final, ou seja, que se varie o valor a tenso contnua mdia de sada (VCMED), atravs da variao do sinal de referncia (potencimetro), mas importante se notar que: Poder manipular a varivel de sada diferente de se poder, efetivamente, control-la! Um conversor como o descrito acima permite exercer a variao da velocidade de um motor, no entanto sem exercer um efetivo controle sobre tal velocidade. Todavia, num grandeSENAI Rua Jaguar Mirim, 71 - Vila Leopoldina

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nmero de aplicaes industriais, no se deseja apenas poder variar a velocidade, mas sim, efetivamente control-la, de modo a prover uma compensao automtica, a qual combata os efeitos da influncia de perturbaes tpicas do sistema, tais como:

Flutuaes aleatrias da amplitude da tenso da rede eltrica CA; Variaes do conjugado resistente (da carga mecnica do motor); E secundariamente outras compensaes, como por exemplo, compensaes por variaes trmicas.

Isto s conseguido atravs da existncia de sinais de realimentao, os quais retornam informaes da planta para o controlador, informaes estas que so fornecidas por sensores e transdutores.

13.2 Sistema de Comando X Sistema de Controle:Sistema de Comando: Consiste em um conjunto de elementos interligados em malha aberta, isto , as informaes processadas nestes elementos apresentam um nico sentido: da entrada para a sada, sem que exista realimentao.

Referncia

TCA 785

M

Sistema de Controle: Consiste num conjunto de elementos interligados em malha fechada, isto , alm do fluxo de informao no sentido direto: da entrada para a sada, existe outro fluxo no sentido contrrio, da sada para a entrada, o qual chamamos de realimentao. Assim, para que haja um sistema de controle, necessrio que haja no mnimo uma linha de realimentao a partir de um sensor.n desejada

Comparador Referncia

+ -

Regulador

TCA 785

Sinal de Erro n desejada Em um Sensor Sinal de conversor CA/CC Realimentao que aciona um TG M motor, por exemplo, para evitar o centelhamento entre a escova e o coletor do motor necessrio controlar a corrente de armadura (IA). J para evitar sobrevelocidade necessrio monitorar a velocidade real atravs de uma realimentao fornecida, por exemplo, por um taco-gerador.SENAI Rua Jaguar Mirim, 71 - Vila Leopoldina

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Enfim, nas aplicaes com mquinas de CC modernas, as malhas de realimentao de regulao e controle so indispensveis.

13.3 Malhas de Controle de um Conversor:Estabelece-se um controle sobre um sistema, sempre que se deseja mant-lo sob certas condies esperadas, as quais podem ser at mesmo a razo da existncia do prprio sistema. O diagrama a seguir representa genericamente a estrutura de um sistema de controle:

Perturbaes Sinal de Referncia Comparador + _ Sinal de Erro Realimentao Sinal de Controle Varivel Manipulada Varivel Controlada Controlador Elemento de Controle Planta Sensor

ELEMENTOS

Controlador

DESCRIO Sua funo gerar um sinal de controle que ir dar um posicionamento ao elemento final de controle dentro da faixa de funcionamento deste. comum nesta parte o emprego de circuitos reguladores P, PI e PID com AO. Sua funo gerar um sinal de erro que contenha a informao do resultado da diferena algbrica entre o sinal de referncia e o sinal de realimentao. comum nesta parte, o uso de um circuito Amplificador Diferencial com AO, cuja amplitude do sinal de sada proporcional diferena algbrica entre as entradas. Sua funo fazer a transduo da informao de estado da varivel controlada, enviando um sinal adequado ao controlador, o qual denominamos de realimentao.

Comparador

Sensor

Elemento (Final) Atua na varivel manipulada em funo de um sinal de controle recebido. Envolve chamada Unidade de Potncia do sistema, capaz de fornecer correntes e tenses eltricas de Controleadequadas atuao de equipamentos da planta (motores, vlvulas, etc).

Planta Perturbaes

Realimentao

Trata-se de um determinado processo ou equipamento industrial de comportamento dinmico (vlvula proporcional, motor, etc) sobre o qual atuamos a fim obtermos o controle de uma determinada varivel (vazo, rotao, etc) So sinais indesejados porm esperados. A ocorrncia de perturbaes segue um comportamento aleatrio, mas sempre que ocorre tende a desestabilizar o sistema, alterando o valor da varivel controlada. Como resposta s perturbaes segue uma reao do sistema no sentido de gerar compensaes adequadas a fim de preservar inalterado o valor da varivel controlada. Pode no ser possvel compensar perturbaes de amplitudes muito elevadas, por elas excederem a capacidade de compensao do sistema, extrapolando limites de proteo do mesmo. Procedimento pelo qual um sinal que contenha uma informao (que representa a magnitude atual da varivel de sada (varivel controlada) de um sistema de controle) transferida de volta para a entrada do sistema com o objetivo de ser comparado com o sinal de referncia a fim de que o controlador decida reforar, diminuir ou manter a magnitude da varivel manipulada;Rua Jaguar Mirim, 71 - Vila Leopoldina

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Sistemas de controle mais complexos podem trabalhar com mais de um sinal de realimentao, compondo assim mltiplas malhas de controle, uma para cada sinal de realimentao. O sistema de controle de um conversor de energia para acionamento de Motor CC tipicamente composto de duas malhas de realimentao: Malha de controle de corrente (i); Malha de controle de velocidade (n). Sendo implementado segundo o diagrama a seguir:

n desejada

Controle

Unidade de Potncia Malha de Corrente

RS

Malha de Velocidade TG

M

Campo

O bloco denominado controle no diagrama acima engloba os blocos comparadores e os blocos reguladores de ambas as malhas bem como o circuito de disparo dos tiristores. Denominamos de bloco controlador a associao de um bloco comparador e um bloco regulador.Blocos Reguladores

i desejada ou iREFn i TCA 785

n desejada ou nREFRealimentao informao da velocidade n Realimentao informao da corrente iA

Malha de Corrente

RS

Malha de Velocidade TG

M

Campo

Cada malha de controle possui pelo menos um comparador e um regulador com a funo de:

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Realizar a operao de comparao entre os sinais de referncia e de realimentao (funo do comparador); Aplica um determinado tipo de ao com um determinado sentido ao sinal resultante (funo do regulador).

13.4 Sistema de Controle Automtico Contnuo:Os sistemas de controle automtico em malha fechada normalmente apresentam um controlador cuja sada varie continuamente, isto , podendo assumir qualquer um dos infinitos valores possveis compreendidos entre os limites mximo e mnimo da zona diferencial. Dependendo da forma como a informao de erro processada, podemos dispor de um sistema de controle esttico, dinmico ou combinado, englobando um total de seis possveis tipos de ao. 13.4.1 Tipos de Ao dos Reguladores:

Em termos de circuitos eletrnicos, um controlador constitudo de blocos, onde se destacam os blocos denominados de reguladores. Geralmente, os reguladores podem ser implementados por circuitos eletrnicos lineares com o emprego de Amplificadores Operacionais (AOs). Entretanto, os mesmos reguladores podem tambm constituir-se por algoritmos implementados em software que rodam em microcontroladores. Um regulador tipicamente um bloco que recebe em sua entrada um sinal eltrico, o qual passa a ser apresentado na sada aps sofrer instantaneamente uma certa modificao. A modificao sofrida pelo sinal original determinada pelo tipo de ao e pelo sentido da ao empregada pelo regulador. Em nossos ensaios prticos utilizaremos um equipamento de funcionamento puramente eletrnico linear baseado em Amplificadores Operacionais. Do ponto de vista didtico esta uma opo que propicia uma viso bastante interessante para prover conhecimento sobre os reguladores. Dependendo de como os componentes externos so ligados ao Amplificador Operacional, eles definiro o tipo de ao do regulador, que poder ser: Ao proporcional (P) controle esttico; Ao Integral (I) controle dinmico; Ao derivativa (D) controle dinmico; Ao composta (PI PD PID) controle combinado. Um comparador tambm pode ser provido por um amplificador operacional, implementado no modo de amplificador diferencial e com ganho unitrio. Assim o bloco comparador produzir em sua sada um sinal cuja tenso corresponde diferena algbrica das tenses presentes na entrada. A este sinal chamamos de sinal de erro (). Em instrumentao, utiliza-se controladores de propsito geral. Nestas aplicaes o sinal de referncia comumente denominado de Set-Point, empregando-se a sigla SP. O valor real da varivel controlada (sinal de realimentao) denominado Process Value, cuja sigla PV. J ao sinal de sada do controlador denomina-se Controller Output, ou CO.

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Um bloco controlador pode entregar o seu sinal de sada para um prximo estagio de bloco controlador, caso que acontece quando se tem um sistema com mltiplas malhas de controle (controle em cascata). Se o controlador for o ltimo estgio, seu sinal de sada pode ser entregue diretamente ao elemento final de controle, ou ser entregue a um circuito que converta a resposta linear em pulsos de comutao, como o caso do conversor que enfocaremos. Os reguladores feitos a partir de amplificadores operacionais muitas vezes trabalham com fonte de alimentao simtrica (V+ e V-), sendo que sua sada pode assumir qualquer valor compreendido em os valores mnimo e mximo de sada (zona diferencial), operando na regio linear (sem saturar o amplificador). 13.5 Circuito Regulador de Ao Proporcional ( P ): O regulador de ao proporcional (P) produz um sinal de sada de amplitude proporcional ao sinal de entrada (sinal de erro = ), segundo a frmula:

S = S0 + Gp

onde:

S S0 Gp

Sinal de Sada do Regulador Proporcional; Sinal de Sada do Regulador no ponto quiescente (ponto neutro), ou seja, com Sinal de Erro igual a zero; Ganho do Regulador Proporcional (ou constante de proporcionalidade); Sinal de Erro, ou seja, a diferena entre o valor desejado e o valor efetivo da varivel controlada.

O ganho de um regulador pode ser positivo ou negativo. O sinal do ganho define o sentido da ao do regulador, a qual pode ser direta ou reversa e existem reguladores de diferentes sentidos de ao para todos os tipos de ao Esse regulador pode ser constitudo por um amplificador operacional (AO) que, ao receber em sua entrada um sinal de erro enviado pelo comparador, responde imediatamente acionando os estgios de sada visando re-estabilizar o sistema. Sua resposta no inclui variveis dependentes de tempo. A sada de um regulador de ao proporcional pode assumir qualquer valor compreendido entre os limites mnimo e mximo da zona diferencial. comum trabalhar-se com percentagem de 0 a 100 % - ao se referir ao valor do sinal de sada de um regulador. Um regulador de ao proporcional que trabalhe com um nico sinal de entrada, nada mais do que um AO configurado como amplificador inversor, cujo ganho negativo e que fornece uma sada de valor VS = 0V no ponto quiescente:

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GV =

RR RE

VS = G V .VE

Em caso de haver mltiplos sinais de entrada, a configurao do AO de um amplificador somador: a sada sempre proporcional somatria das entradas:

R R R VS = R VE1 + R VE 2 + ... + R VEn R R E2 R En E1

Algumas literaturas de instrumentao usam ainda o termo banda proporcional ao invs de ganho. A banda proporcional, expressa em percentagem, o inverso do ganho:

BP =

100% GP

Caso o sinal de erro exceda a banda proporcional , o regulador satura (a sada fica limitada em um dos dois extremos da zona diferencial). Isso ocorre tanto para erros positivos como para erros negativos, os quais sejam excedentes. O ponto quiescente (VS = 0V) corresponde a um valor de sada de 50%, ao passo que, desta forma o regulador tem condies de corrigir erros simetricamente, tanto elevando a sada, at um limite mximo de 100%, quanto reduzindo a sada, at um mnimo de 0%, com VS variando, por exemplo, de +10V at -10V, respectivamente. Controladores de ao puramente proporcional somente podem ser utilizados em processos que permitam um reposicionamento manual do valor desejado (do sinal de referncia ou Set-Point), pois desta maneira consegue-se eliminar o erro residual que pode ser provocado por sucessivas mudanas de carga.

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13.6 Circuito Regulador de Ao Integral ( I ):Os reguladores de ao integral ( I ), so considerados de ao dinmica (contnuos) pois o sinal de sada dos mesmos uma funo do tempo de permanncia da varivel de entrada (). O sinal de sada de um regulador de ao integral proporcional integral do sinal de erro (), ao longo do tempo de integrao (TI). Sua frmula :

S (t ) = S0 + K I dtt 0

onde: KI

Constante de Integrao

KI =

1 (em s-1) TI

TI

S(t) S0

Tempo de Integrao (em s); Sinal de erro (em %); Sinal de sada do regulador ao longo do tempo (em %); Sinal que estava presente na sada em t = 0, ou seja, o sinal gerado na integrao anterior referncia para a integrao atual (em %). S 100 50 KI > KI

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