Manual da torneira elétrica

Universidade Federal de Minas Gerais
Laboratório de Controle e Automação I
Sistema Piloto Torneira Elétrica
MANUAL DO SISTEMA PILOTO
TORNEIRA ELÉTRICA
Última atualização: Outubro, 2010
Participantes Rafael C. Nolasco
Profa. Patrı́cia N. Pena
Prof. Leonardo A.B. Tôrres
1
Introdução
O Laboratório de Controle e Automação possui diversos sistemas piloto didáticos utilizados em aulas
práticas de Laboratório de Controle e Automação I e II e Informática Industrial. O Sistema Piloto
Torneira Elétrica foi desenvolvida no Departamento de Engenharia Eletrônica da UFMG, com o objetivo de viabilizar o estudo de um processo térmico em ambiente de laboratório.
Neste sistema tem-se como objetivo controlar a temperatura de uma torneira elétrica (na faixa de
Tambiente ≈ 22o C até 40o C) através do ajuste da potência elétrica entregue à torneira. Esse ajuste é
feito por uma placa de potência que recebe uma ação de controle em tensão (0-10V). O sinal opera
com um set point (0-10V) ajustado por meio de um potenciômetro, do qual é subtraı́do o sinal medido
usando-se um sensor (Ks = 0, 1V /o C). O sinal de Erro chega à entrada de um controlador PID cuja
saı́da (0-10V) é enviada à placa de potência mencionada anteriormente.
Este documento possui informações importantes para o uso e operação do sistema desenvolvido,
além da descrição de cada componente da planta.
2
Sumário
1 Descrição dos Componentes da Torneira Elétrica
1.1 Torneira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Fonte de Alimentação . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Sensor de Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5 Controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6 Conformador do Sinal . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7 Placa de Disparo dos Tiristores . . . . . . . . . . .
1.8 Conversor Corrente/Tensão . . . . . . . . . . . . .
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4
4
5
5
6
7
8
8
10
2 Conexão dos componentes
2.1 Circuito de potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Circuito de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Circuito de comando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
11
12
12
3 Uso
3.1
3.2
3.3
3.4
13
13
13
13
13
e operação
Colocando a Planta em Funcionamento
Malha Aberta . . . . . . . . . . . . . . .
Malha Fechada . . . . . . . . . . . . . .
Visualização dos Sinais da Planta . . . .
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3
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1
Descrição dos Componentes da Torneira Elétrica
Este sistema é composto por uma torneira elétrica, um transformador, uma planta de controle (que
fica sobre a bancada) e uma mangueira. Na saı́da da torneira e na extremidade da mangueira foram
colocados sensores de temperatura.
Veja a distribuição dos componentes na Figura 1:
Figura 1: Visão superior da processo térmico completo
1.1
Torneira
A torneira elétrica é um chuveiro de 4500 W (Figura 2), que foi dimensionado para funcionar sobre uma
tensão elétrica alternada de 127 Vrms e 60 Hz (rede elétrica monofásica comum em Belo Horizonte).
Essa torneira possui uma pressão de funcionamento que varia de 2 kPa a 400 kPa. Na válvula de
acionamento da torneira foi colocada uma escala em graus para se ter uma orientação de quanto ela
foi aberta.
Figura 2: Torneira Elétrica
4
1.2
Transformador
Um transformador com relação de espiras de 1:1 foi acoplado ao sistema para isolar a tensão elétrica
da rede do laboratório da tensão que alimenta a torneira (Figura 3). Esse isolamento é necessário uma
vez que a tensão que alimenta a torneira é chaveada (permitindo assim o controle da potência que
será entregue à mesma), o que causaria ruı́do na rede, podendo causar o mal funcionamento de outros
equipamentos do laboratório. Esse transformador foi projetado para ter uma tensão de entrada de
127 Vrms a uma frequência de 60Hz, com uma corrente de até 47 A. Como esse é um transformador
1:1, os valores de saı́da são os mesmos dos de entrada.
Figura 3: Circuito de Potência do sistema com o transformador em destaque
1.3
Fonte de Alimentação
A placa de disparo de tiristores, a placa do PID, a placa do conversor e a placa do sensor de temperatura
são circuitos eletrônicos cuja alimentação é feita por uma fonte simétrica de ±15V , com corrente de
saı́da de 0,5 A. Para tal, foi projetada uma fonte linear de baixa potência e boa regulação, utilizando
reguladores de tensão da famı́lia 78XX. O diagrama esquemático da fonte é mostrado na Figura 4.
Figura 4: Circuito da fonte de alimentação
Os valores dos componentes utilizados foram obtidos a partir dos dados de especificação da fonte
e das caracterı́sticas dos dois reguladores utilizados. Para que a regulação seja satisfatória (±15V ),
5
precisamos de uma queda de tensão de no mı́nimo 18V e no máximo 23 V nos terminais de entrada
dos reguladores (valores positivos para o 7815 e negativos para o 7915). Com o capacitor de filtragem
igual a 2200µF , e considerando que a corrente de descarga IL = 1 A temos:
Vripple =
IL
= (2 × 60 × 2200 × 10−6 )−1 ⇒ Vripple = 3, 78V
2f C
A tensão no secundário do transformador é dada pela expressão
Vsec = (Vripple + 1, 4 + Vreg ) × 1, 05
O fator 1,4 corresponde à queda de tensão nos diodos retificadores (ponte de diodos) e o fator
1,05 inclui uma correção de 5% no valor calculado. Desta forma, com o valor Vripple já calculado e
escolhido um valor de tensão na entrada do regulador Vreg equivalente a 20 V, temos:
√
RM S
Vsec = (3, 78 + 1, 4 + 20) × 1, 05 ⇒ Vsec = 18, 69 2 ⇒ Vsec
= 18, 69 V
Pelos valores calculados, a utilização de um transformador que rebaixasse a tensão alternada para
o valor de 18V seria a mais adequada para garantir uma tensão na entrada do regulador dentro da
faixa desejada. Mas o transformador utilizado é um de 15V, que ainda assim é um valor adequado,
pois garante minV in > 18 V . Os capacitores conectados à saı́da dos reguladores são necessários para
garantir a estabilidade do processo de regulação de tensão, evitando oscilações.
1.4
Sensor de Temperatura
Os dois sensores de temperatura são do tipo LM35, que é um sensor de precisão que apresenta uma
relação entre a tensão de saı́da e temperatura em que ele se encontra com boa linearidade, para uma
faixa de temperatura entre 0o C a 100o C. Este componente, o LM35, deve ser alimentado por uma
tensão de 4−20 Vdc . O LM35 tem uma sensibilidade de 10mV
o C , não necessitando de qualquer calibração
o
externa ou ajuste para fornecer valores de temperatura mesmo para pequenas variações de 41 C.
Figura 5: LM35
Na Figura 6 abaixo se apresenta o circuito amplificador conectado à saı́da do sensor LM35.
Figura 6: Circuito do sensor de temperatura
6
Nesse circuito, o primeiro amplificador operacional (AMP-OP) está sendo usado em um circuito
buffer. O sinal Vs0 fornecido pelo buffer é amplificado no amplificador inversor, que possui um ganho
igual a -10. Por fim, o sinal é amplificado em outro amplificador inversor, este com ganho -1. Esse
último amplificador apenas re-inverte o sinal, tornando-o positivo, de modo que:
−R1 −R5
×
× Vs0 → Vs = 10.Vs0
R3
R4
Uma das placas que contém o circuito dos sensores está dentro da caixa preta junto à torneira.
Dessa caixa é possı́vel se ver três fios coloridos que conectam o sensor à placa (um fio azul, um preto
e outro amarelo) e um cabo de rede com 4 pares (cabo azul escuro), que faz a comunicação da placa
com a planta de controle.
A placa do outro sensor está embaixo da bancada e este sensor está junto a uma mangueira de
5m de comprimento colocada próxima à torneira para tornar possı́vel a simulação da introdução de
atraso puro de tempo devido a atraso de transporte. Ligando esta mangueira à torneira elétrica e
selecionando o sensor correspondente à mangueira no painel (ver Seção sobre Uso e Operação), é
possı́vel fazer o estudo de um sistema com tempo morto.
Vs =
1.5
Controlador
O controlador que foi implementado para o sistema é um controlador PID, mas nele há a opção
(uma chave) de se retirar a ação derivativa, tornando-o um PI. O circuito do controlador interno está
mostrado na Figura 7:
Figura 7: Circuito do Controlador PID/PI
A chave 1 é responsável pela seleção PI/PID. Caso seja selecionado o modo PID, o sinal do
sensor irá entrar por um amplificador que irá realizar a ação derivativa sobre este sinal, que pode ser
modificada através do potenciômetro Td ligado à realimentação do amplificador mostrado na Figura
7. Caso contrário, o sinal do sensor irá direto para o estágio seguinte.
No próximo estágio o sinal vindo de A1 (no caso do PID) ou do sensor (no caso do PI) será
comparado ao sinal de referência, variando de +2 a +4V, que entra através de A3. Essa comparação
ocorre em A4, tendo como entrada inversora o sinal do amplificador que recebe o sensor, e como
entrada não-inversora o sinal de A3. Nesse mesmo estágio é introduzido o ganho proporcional, cuja
ação pode ser modificada em R8, que corresponde ao Kp no painel.
7
Junto à saı́da do controlador também é adicionada a ação integral, calculada em A5, e pode ser
modificada através de R14.
Figura 8: Diagrama em blocos do Controlador PI
1.6
Conformador do Sinal
Como a entrada para controle através de tiristores deve ser algo entre 0 e 10V, além de ser inversa,
é necessário modificar o sinal para que o sinal de controle tenha estas caracterı́sticas. O circuito do
conformador está representado também na Figura 7, logo após a saı́da do controlador. Primeiramente,
o sinal de controle passa por um diodo para eliminar sua parte negativa. Logo após, ele passa por um
divisor de tensão calculado para que o valor do sinal esteja ente 0 e 10V. Este sinal então é somado a
um sinal de -10V, resultando assim em um sinal que varia de 0 a -10V. Esse sinal é então invertido e
o sinal resultante possui as caracterı́sticas desejadas: varia de 0 a 10V e o sinal correspondente a 0V
é aquele em que o controle entrega máxima potência e em 10V entrega potência zero à planta.
1.7
Placa de Disparo dos Tiristores
A placa tem como objetivo acionar tiristores de potência. No caso estudado, esses tiristores estão
ligados à torneira elétrica, controlando a potência entregue à mesma.
Os tiristores (2 SCRs ligados em antiparalelo) são acionados por um trem de pulsos gerado pela
placa de potência. A conexão dos tiristores é mostrada na Figura 9 a seguir. O SCR é um componente
eletrônico que não conduz em nenhuma direção quando em seu estado normal. Uma vez disparado
através da aplicação de um pulso no gatilho, o SCR conduz em apenas uma direção, desde que esteja
polarizado diretamente. O capacitor e o resistor (que estão em série entre si e em paralelo aos tiristores)
formam um circuito snubber que impede o disparo acidental dos SCRs devido a uma eventual variação
abrupta de tensão entre seus terminais.
O princı́pio de funcionamento da placa de disparo dos tiristores é bastante simples. Um sinal
de controle e um sinal de sincronismo são fornecidos à placa, sendo que o sinal de controle vem do
controlador PID e o sinal de sincronismo é uma onda de 5 Vrms que é fornecida por um pequeno
transformador (trafo de sincronismo) que serve apenas para fornecer esse sinal à placa de disparo.
O sinal de sincronismo é usado para gerar uma rampa sincronizada com a rede, que é comparada
com o sinal de referência determinando o momento (ângulo) de disparo dos tiristores, ressaltando que
quanto maior foi o sinal de referência, maior será o ângulo de disparo. Como apenas um dos tiristores
deve ser disparado por semi-ciclo (um no semi-ciclo positivo, e o outro no negativo), há um detetor
de semi-ciclo que controla os geradores de pulso de modo que, quando habilitados, geram um trem de
pulsos de frequência muito superior à da rede convencional (100kHz), garantindo assim os disparos,
além de diminuir a potência dissipada nos gatilhos dos tiristores.
8
Figura 9: Conexão dos tiristores
O componente principal da placa de disparo é o circuito integrado TCA-785, que lê os sinais de
controle e de sincronismo gerando o sinal de habilitação para os geradores de pulso. Os geradores de
pulso foram feitos com circuitos integrados 555(usados em circuitos osciladores), e na saı́da destes há
um estágio transistorizado de amplificação que aplica os pulsos em transformadores de pulsos. Estes,
por sua vez, geram o sinal final que é aplicado aos gatilhos dos tiristores.
Figura 10: Circuito da placa de disparo dos tiristores
Tem-se, portanto, que o controle de potência é feito disparando-se os tiristores em um determinado
ângulo (Θ), controlando assim a potência ativa (RMS) entregue à torneira. Ângulos próximos de 0 e
2π correspondem à potência máxima (Figura 11) e ângulos próximos de π correspondem à potência
mı́nima (Figura 12). Ou seja, quanto maior o sinal de referência (mais próximo de 10V), menor será
a potência entregue à torneira. E quanto menor o sinal de referência (mais próximo de 0V), maior a
potência.
9
Figura 11: P → máx quando Θ → 0
Figura 12: P → min quando Θ → π
1.8
Conversor Corrente/Tensão
Apesar da planta já possuir um controlador próprio, é possı́vel controlá-la a partir de um controlador
externo. Apesar do controlador instalado ter saı́da em tensão, é possı́vel controlar a torneira utilizando
valores de corrente, pois foi instalado um conversor corrente/tensão. O controle em corrente utiliza
valores de corrente comumente utilizadas em ambientes industriais (até 20mA). Foi instalada também
uma chave seletora para permitir escolha ao usuário quanto à forma de atuação. Na Figura 13
apresenta-se o circuito do conversor corrente/tensão. Nesse circuito, um sinal em corrente i0 (que
varia de 4mA a 20mA) é convertido em um sinal Vf em tensão que varia de 2 a 10V. A Tabela 1
mostra a função de cada ponto de contato encontrado no circuito conversor presente na torneira.
Figura 13: Circuito do conversor corrente/tensão
10
Ent
Ent
Ent
Ent
Ent
Ent
Ent
Ent
1
2
3
4
5
6
7
8
Saı́da do conversor
Entrada do buffer
Entrada do conversor
Saı́da do buffer
-Vcc
GND
+Vcc
Tabela 1: Tabela de contatos do conversor
O sinal i0 logo que chega ao conversor, é convertido em um sinal V0 em tensão, onde V0 é a queda
de tensão sobre os resistores de 100Ω e 150Ω:
V0max = 5 V
V0 = i0 .(150 + 100) → V0 = 250.i0
V0min = 1 V
No cálculo de V0 podemos considerar que a corrente i0 passa apenas pelos resistores de 100Ω e
150Ω, uma vez que eles possuem valores de resistência muito inferiores ao resto do circuito. O erro
causado por essa aproximação é inferior ao erro dos próprios resistores, podendo ser desprezado.
O sinal V0 é aplicado em um amplificador inversor de ganho K igual a -2, ou seja:
0
12, 1k + 12, 1k
V0max = −10V
0
0
V0 =
.V0 → V0 = −2.V0
0
V0min
= −2V
12, 1k
Por fim, como se precisa de um sinal positivo, o sinal é reinvertido, aplicando-o em outro amplificador inversor, só que este último com ganho K igual a -1.
12, 1k 0
Vf max = +10V
0
Vf =
.V → Vf = −1.V0
Vf min = +2V
12, 1k 0
Na Figura 13, montado na mesma placa que o conversor, há um outro amplificador operacional
utilizado como um buffer. No entanto, até o presente momento este circuito não é utilizado pela
planta.
2
Conexão dos componentes
Para o estudo do funcionamento do sistema piloto Torneira Elétrica, podemos dividi-lo em três circuitos, um de potência, outro de controle e um terceito de comando. O circuito de potência engloba
a rede elétrica, o transformador, os tiristores e a própria torneira. Já o circuito de controle engloba
o controlador e o sensor. O circuito de comando é composto pela placa de disparo dos tiristores, o
conversor e o transformador usado para se obter o sinal de sincronismo com a rede. As conexões entre
os componentes do sistema são feitas por uma parte da régua de bornes que se encontra no meio da
planta de controle, e por conexões que o usuário faz no painel na frente da planta.
2.1
Circuito de potência
O circuito de potência do sistema tem como função fornecer a energia à torneira. Ele pode ser visto
na Figura 14, adiante.
Como pode ser visto no circuito, a rede elétrica do laboratório chega ao quadro (Q1), onde um
disjuntor de 50A foi acoplado a uma das fases da rede para proteção. Saindo do quadro, a fase é ligada
ao transformador 1:1 para isolamento, e a saı́da deste é ligada ao par de tiristores para o chaveamento
11
Figura 14: Circuito de potência
e depois à torneira. Uma chave foi colocada antes do tranformador para se poder desenergizar a
torneira mesmo se ainda houver fluxo de água passando por ela.
2.2
Circuito de controle
O circuito de controle, por sua vez, tem como função fazer o controle da temperatura da água. O
valor da temperatura é definido por um sinal de referência (0 a 10V) em tensão contı́nua (setpoint),
que é definido por um divisor de tensão ajustado por um potênciometro. Além disso, o sinal de um
dos sensores também chega ao controlador, permitindo assim que ele calcule o sinal controle, a partir
dos dois sinais citados. A seleção de qual sensor é usado é definida por um chave que está no painel.
2.3
Circuito de comando
O circuito de comando é o circuito que gera os sinais de gatilho para os tiristores. Para tal, o circuito
recebe um sinal de controle e, a partir dele, gera o sinal de gatilho dos tiristores. Esse sinal de controle
pode vir tanto do controlador interno ou de um controlador externo, havendo um chave de seleção no
painel para definir qual.
Há outra chave no painel que especifica se o sinal do controlador externo é em tensão ou em
corrente. Se o sinal for em tensão, ele é entregue diretamente à placa de disparo. Se não, o sinal é
enviado ao conversor, e a saı́da deste é entregue à placa de disparo.
Figura 15: Esquema de seleção da planta
12
3
Uso e operação
Para o melhor funcionamento e proteção do sistema, alguns passos devem ser seguidos na hora de ligar
o sistema. Também se deve estar atento ao fato de que cada maneira de se operar a planta necessita
de uma seleção diferente no painel.
3.1
Colocando a Planta em Funcionamento
Os seguintes passos devem ser seguidos para se ligar a planta:
• Confira se o disjuntor da torneira e o disjuntor das bancadas estão ligados. Eles estão no quadro
de energia da sala, localizado atrás da bancada da torneira.
• Energize a planta, usando uma tomada que está na parte de trás da base em que está a planta.
• Ligue a torneira, garantindo um fluxo mı́nimo de água.
• Por fim, acione a chave ‘LIGA’ que está acima do transformador, energizando a torneira.
A torneira deve ser ligada na posição ’Quente’, que é a posição onde o chuveiro fornece mais potência.
Outra recomendação é em relação ao fluxo de água que passa pela torneira. Se for utilizado um
fluxo muito baixo (abertura da torneira abaixo de 18o ), a torneira não liga devido a um sistema de
proteção interno a ela. E se for utilizado um fluxo muito grande, o sistema não conseguirá fornecer
potência suficiente, mesmo sendo máxima, para elevar satisfatoriamente a temperatura desejada. É
recomendado girar a válvula da torneira entre 18o e 36o , sendo 200 um valor adequado.
Há dois modos de funcionamento para a Torneira, funcionamento em malha aberta e em malha
fechada.
3.2
Malha Aberta
Para colocar o sistema em malha aberta, deve-se colocar as chaves de seleção do painel como se
fosse usar um controlador externo em tensão, ou seja, a chave EXTERNO/INTERNO deve estar
em EXTERNO e a chave CORRENTE/TENSÃO, em TENSÃO. Depois conecta-se o sinal do potenciômetro de Malha Aberta (cabo branco com pino banana) no terminal positivo do par identificado
como TENSÃO. A conexão em malha aberta é útil para testes, pois permite a aplicação de sinal
diretamente na entrada da planta.
Para o teste em malha aberta, é interessante interpretar a saı́da como uma variação de 0 a 100%
da potência entregue à torneira. É importante lembrar que este sinal é usado para acionar o comando
de um tiristor, existindo portanto a correspondência entre 0V de saı́da como sendo a potência total
entregue à planta, e a saı́da de 10V como nenhuma potência sendo entregue.
3.3
Malha Fechada
Para colocar o sistema em malha fechada basta colocar a chave EXTERNO/INTERNO em INTERNO
e a chave CORRENTE/TENSÃO em TENSÃO.
Um bom valor de referência para a verificação da medição adequada de temperatura se encontra na
faixa de 3 à 3,5V, que corresponde a uma faixa de temperatura de 30 à 35o C. Um valor de referência
muito elevado pode levar o sistema a saturação, que ocorre por volta de 42o C.
3.4
Visualização dos Sinais da Planta
É muito importante que as variações do sinal de referência, do sensor e o sinal de controle possam ser
acompanhadas através de um osciloscópio. A saı́da do controlador pode ser vista usando o borne azul
ligado a um fio verde que está preso ao quarto parafuso contando a partir da parte inferior da régua de
bornes. Já os sinais de sensores podem ser acompanhados através das entradas na extremidade direita
13
do painel abaixo de onde está escrito SENSOR. O primeiro sensor corresponde àquele instalado junto
a torneira, enquanto o último ao instalado no final da mangueira. O borne do meio corresponde ao
terra. A chave ao lado dessas saı́das seleciona qual sinal será enviado ao controlador interno.
14