EMULADOR DE L’EIX MECÀNIC D’UN AEROGENERADORdeeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/1043pub.pdf · de vent en energia elèctrica (punt de partida d’aquest projecte). L’AIGUA,

EMULADOR DE L’EIX MECÀNIC D’UN AEROGENERADOR

TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial en Electrònica Industrial

AUTOR: Jordi Forcadell Rubio DIRECTOR: Javier Maixé Altés

DATA: Gener / 2009

Pàgina - - de 113

1

ÍNDEX 1- MEMÒRIA DESCRIPTIVA .............................................................................................. 3 1.1 Objectiu ....................................................................................................................... 4 1.2 Antecedents ................................................................................................................. 4

1.2.1 Ús d’energies renovables..................................................................................... 4 1.2.2 Energia eòlica ...................................................................................................... 5 1.2.3 Situació actual i mesures a seguir........................................................................ 6

1.3 Principi de funcionament............................................................................................. 8 1.3.1 Control de la velocitat de l’aerogenerador ................................................................. 8 1.3.2 Mesures..................................................................................................................... 10

1.4 Material hardware utilitzat......................................................................................... 12 1.4.1 Aerogenerador H80 ........................................................................................... 12 1.4.2 Motor ................................................................................................................. 17 1.4.3 Variador de velocitat ......................................................................................... 18 1.4.4 Rectificador trifàsic ........................................................................................... 20 1.4.5 Encoder.............................................................................................................. 24 1.4.6 PM6000 ............................................................................................................. 25 1.4.7 PIC24FJXXGA002............................................................................................ 26 1.4.8 Depurador .......................................................................................................... 28 1.4.9 Conversor D/A................................................................................................... 28 1.4.10 AD741 ............................................................................................................... 29 1.4.11 ZTX651 (transistor)........................................................................................... 30 1.4.12 El port sèrie........................................................................................................ 31 1.4.13 MAX232............................................................................................................ 33

1.5 Material software utilitzat.......................................................................................... 35 1.5.1 LabVIEW .......................................................................................................... 35 1.5.2 MPLAB ............................................................................................................. 37

1.6 Programació............................................................................................................... 41 1.6.1 Programació del labVIEW ................................................................................ 41 1.6.2 Parametrització del variador.............................................................................. 46 1.6.3 Programació del PIC.......................................................................................... 48

2- CÀLCULS JUSTIFICATIUS ........................................................................................... 57 2.1 Elecció del rectificador i el dissipador ............................................................................ 58 2.2 Relació entre velocitat del vent, freqüència del variador i velocitat de rotor.................. 61 2.3 Valor de la resistència i del condensador del circuit que transforma el PWM................ 64 2.4 Simulació del circuit d’amplificació i rectificació del PWM.......................................... 64 2.5 Càlcul dels timers ............................................................................................................ 67 3- ASSAJOS DEL SISTEMA ............................................................................................... 69 3.1 Estudi de l’aerogenerador................................................................................................ 70

3.1.1 Relació entre la velocitat del vent i la velocitat del rotor ......................................... 70 3.2 Mesura dels paràmetres elèctrics a diferent velocitat de vent ......................................... 74 3.3 Mesura dels paràmetres elèctrics amb bombetes incandescents ..................................... 75 3.4 Mesura dels paràmetres que intervenen en el sistema..................................................... 80

Pàgina - - de 113

2

4- PLÀNOLS......................................................................................................................... 81 4.1 Placa PCB........................................................................................................................ 82

4.1.1 Esquema ................................................................................................................... 82 4.1.2 Layout....................................................................................................................... 83

5- PRESSUPOST .................................................................................................................. 84 5.1 Pressupost general ........................................................................................................... 85 6- PLEC DE CONDICIONS ................................................................................................. 87 6.1 Reunits ............................................................................................................................. 88 6.2 Exposen ........................................................................................................................... 88 6.2.1 Primer ........................................................................................................................... 88 6.2.2 Segon ............................................................................................................................ 88 6.3 Clàusules.......................................................................................................................... 88

6.3.1 Primera (objectius) ................................................................................................... 88 6.3.2 Segona (objecte de l’acord) ...................................................................................... 88 6.3.3 Tercera (condicions d’acceptació del treball)........................................................... 89 6.3.4 Quarta (extensió de la col·laboració)........................................................................ 89 6.3.5 Cinquena (contingut de programes específics)......................................................... 89 6.3.6 Sisena (coordinadors/responsables).......................................................................... 89 6.3.7 Setena (emissió d’informes) ..................................................................................... 90 6.3.8 Vuitena (durada) ....................................................................................................... 90 6.3.9 Novena (principis d’actuació) .................................................................................. 90 6.3.10 Desena (resolució de conflictes)............................................................................. 90

7- BIBLIOGRAFIA............................................................................................................... 92 7.1 Llibres consultats............................................................................................................. 93 7.2 Pàgines web consultades ................................................................................................. 93 8- ANNEX............................................................................................................................. 94 8.1 Manual de funcionament per a l’usuari ........................................................................... 95

8.1.1 Sistema complet........................................................................................................ 95 8.1.2 Connexionat a la placa PCB ..................................................................................... 95 8.1.3 Funcionament ........................................................................................................... 97

8.2 Valors que pren la consigna de velocitat ....................................................................... 100 8.3 Mesures amb el PM6000 ............................................................................................... 102 8.4 Fotografies del equip complet ....................................................................................... 107 8.5 Setmana de la Ciència ................................................................................................... 109 8.6 Codi del PIC24 .............................................................................................................. 110

1. Memòria descriptiva

Pàgina - - de 113

3

1- MEMÒRIA DESCRIPTIVA


Pàgina - - de 113 4

1.1 Objectiu L’objectiu del projecte és, partint d’una bancada formada per un aerogenerador acoblat a un motor elèctric i aquest controlat per un variador de freqüències, simular mitjançant el control del variador via PC, la força mecànica que proporcionaria el vent. A més a més de visualitzar, via PC, la velocitat de l’aerogenerador i introduir en el mesurador per tal de tenir tensió, intensitat i velocitat registrades. Tot això amb la finalitat de ser usat per fer un estudi detallat sobre els diferents paràmetres que intervenen. D’aquesta manera concloure els valors que desenvolupa el generador en funció de les variables que intervenen. 1.2 Antecedents 1.2.1 Ús d’energies renovables Al llarg dels darrers cinquanta anys, les zones industrials han crescut vertiginosament a causa del gran consum que hi ha en els països desenvolupats. Això ha comportat dos grans problemes ja que la gran majoria d’indústries utilitzen com a fonts d’energia els combustibles. Per una banda, l’esgotament dels combustibles es comença a fer evident en un futur proper i, per altra banda, la gran contaminació que provoquen aquests. La contaminació té dos efectes sobre la Terra molt negatius, l’efecte hivernacle i la pluja àcida. L’efecte hivernacle evita que una part de la calor rebuda des del sol deixi l’atmosfera i torni a l’espai. Això escalfa la superfície de la terra, és el que es coneix com a efecte hivernacle. Existeix una certa quantitat de gasos d’efecte d’hivernacle en l’atmosfera que són absolutament necessaris per a escalfar la Terra, però en la deguda proporció. Activitats com la crema de combustibles derivats del carboni augmenten aquesta proporció i l’efecte hivernacle augmenta. Molts científics consideren que com a conseqüència s’està produint l’escalfament global. Altres gasos que contribueixen al problema inclouen els clorofluorocarbons (CFCs), el metà, els òxids nitrosos i l’ozó. La pluja àcida es forma quan la humitat en l’aire es combina amb l’òxid de nitrogen o el diòxid de sofre emès per fàbriques, centrals elèctriques i automotores que cremen carbó o oli. Aquesta combinació química de gasos amb el vapor d’aigua forma l’àcid sulfúric i els àcids nítrics, substàncies que cauen en el sòl en forma de precipitació o pluja àcida. Els contaminants que poden formar la pluja àcida poden recórrer grans distàncies i els vents els traslladen milers de quilòmetres abans de precipitar-se amb la rosada, el plugim, o pluja, la calamarsa, la neu o la boira normals del lloc, que es tornen àcids quan es combinen amb aquests gasos residuals. La solució per evitar aquests problemes és l’ús de les energies renovables, on les més emprades són: EL SOL, amb ell tenim una font inesgotable d’energia. Aquesta energia la podem emprar en forma d’energia fotovoltaica: l’energia solar incideix sobre un material semiconductor, d’aquesta manera el flux d’electrons crea una diferència de potencial que ens permet



utilitzar aquesta energia transformada. També la podem fer emprar de forma tèrmica: la reacció que té lloc és la d’un canvi d’energia, ara sorgeix l’energia transformada en calor.

EL VENT; encara que no ho sembli, totes les energies tenen un nexe d’unió. El vent és conseqüència de la radiació solar que incideix sobre la terra. L’energia eòlica es transforma en energia elèctrica mitjançant aerogeneradors o aerobombes. Són dos sistemes de conversió de vent en energia elèctrica (punt de partida d’aquest projecte).

L’AIGUA, font de tota vida; sens dubte, l’energia que s’extreu d’ella ha estat emprada durant molts segles; mitjançant les noves tecnologies i la maquinària adequada, podem aprofitar la força hidràulica per transformar l’energia potencial en energia elèctrica.

ENERGIA GEOTÈRMICA. Es basa en l’aprofitament de l’escalfor del nucli terrestre en zones concretes a causa de la seva proximitat al magma, que ha quedat embolcallat entre roques volcàniques, el gradient arriba a nivells entre 100 i 200 ºC per kilòmetre quadrat. L’energia d’aquestes zones és aprofitable sempre que disposem d’un fluid, present de forma natural o injectat, que ens permeti conduir l’esmentada energia fins a la superfície. Les principals dificultats que es presenten i la baixa conductivitat tèrmica de les roques determinem el baix flux de calor.

Les energies renovables no generen residus difícils de tractar, a diferència de les energies nuclears o fòssils, les quals tenen, en molts casos impactes irreversibles.

Algunes energies renovables tenen també els seus inconvenients; com per exemple, l’eòlica, la qual crea un impacte visual "greu" en el paisatge o els nivells de soroll poden arribar a ser molestos. L’energia solar té també altres problemes, com l’alt preu de les seves instal·lacions. No obstant, donades les seves excel·lents característiques mediambientals comparades amb les no renovables es fa cada cop més necessari el creixement d’aquestes.

1.2.2 Energia eòlica La tecnologia de l’energia eòlica està tenint un vertiginós desenvolupament.



FIG. 1-1. Energia eòlica total instal·lada

Des de l’època dels molins tradicionals no hi ha hagut un increment i creixement tan espectacular en l’ús de l’energia del vent. Durant l’última dècada, el vent ha estat la font d’energia que ha crescut més ràpidament. Ha passat dels 4.800 megawatts de capacitat generada el 1995 a 31.100 megawatts el 2002, és a dir, gairebé s’ha multiplicat per sis i, a la FIG 1-1, es pot veure l’escalada que ha seguit fins a finals de 2008 i la prevista per als propers anys. Arreu del món, els aerogeneradors proporcionen, ara per ara, prou electricitat per satisfer les necessitats residencials de més de 40 milions d’europeus. En el canvi de mil·lenni, més de quaranta mil turbines de mitjana escala estaven en operació per tot el món. Les petites turbines eòliques, com la utilitzada en aquest projecte, poden produir solament un reduït nombre de kilowatts hora (kWh) per mes, concretament un 1 kWh a 11,6 m/s, però aquesta electricitat arriba molt més lluny, i té tant o més valor per a aquells que depenen de ella com la generada per les seves “germanes majors”. Avui dia hi ha molts fabricants de petites turbines eòliques al món, entre elles la que ha fabricat el H80 (WHISPER 200), el generador que s’utilitzarà en el següent projecte. 1.2.3 Situació actual i mesures a seguir Europa consumeix cada cop més energia i importa cada cop més productes energètics. La producció comunitària és insuficient per a cobrir les necessitats energètiques d’Europa. Així, la dependència energètica exterior no para d’augmentar i les preocupacions ambientals són compartides per la majoria de l’opinió pública.



FIG. 1-2.

El consum energètic actual està cobert pels següents tant per cents que es poden veure en la FIG. 1-2. L’energia eòlica representa el creixement més espectacular ja que en els últims deu anys, el seu augment ha estat del 2000%; no obstant és només l’1%. La Comissió s’ha fixat l’objectiu de duplicar la quota de les energies renovables en el consum global de energia. D’aquesta manera augmentarà l’energia eòlica a un 4 % per a 2030, tal i com es veu representat en la gràfica següent 1-3.

FIG. 1-3.

És necessari estudiar amb deteniment aquests aparells d’energies renovables per tal de treure el millor rendiment possible, aconseguint així, una opció per a competir a l’hora d’elegir el mètode d’obtenir energia.



1.3 Principi de funcionament A partir d’un aerogenerador sense pales, connectat mecànicament a un motor elèctric, es vol simular l’acció del vent. En la simulació s’aconseguirà una automatització del moviment del rotor de l’aerogenerador que se cenyirà a la taula introduïda per l’usuari a priori mitjançant PC. L’objectiu d’aquesta simulació serà poder mesurar tot una sèrie de paràmetres que ens permetran estudiar l’aerogenerador. Per dur a terme això esmentat s’haurà de dissenyar un sistema adequat, que es compondrà per aquesta sèrie d’elements que apareixen a la FIG. 1-4.

FIG. 1-4. Elements que composen el sistema 1.3.1 Control de la velocitat de l’aerogenerador El motor elèctric serà capaç de variar la velocitat gràcies a la interacció del variador de velocitat que l’alimentarà. Aquest variador, en comptes de ser controlat mitjançant la seva pantalla cada cop que es vulgui canviar la velocitat, serà controlat pels pins analògics. Llavors, el variador produirà una freqüència o un altra en funció de la tensió que s’apliquin als pins. Per fer-ho automàtic, aquests pins seran alimentats per un PIC (controlat per MPLAB), que serà informat per un PC via port sèrie. El PC tindrà un entorn labVIEW, on serà molt senzill per a l’usuari introduir una taula de velocitats del rotor en r.p.m., que correspondran a unes freqüències determinades.



El fet de que el PC (MPLAB) i el ICD estiguin pintats amb gris significa que podem prescindir d’ells ja que el PIC dona la possibilitat de poder carregar el programa.

FIG. 1-5. Elements que intervenen en el control de la velocitat La placa PCB (FIG. 1-6) serà informada constantment de la consigna de velocitat mitjançant port sèrie. Aquesta consigna serà capturada pel PIC i, en funció del valor, alimentarà 3 pins digitals que aniran connectats a un conversor D/A. El conversor produirà una tensió analògica constantment en funció del valor digital que obté pels pins digitals. Aquesta tensió analògica passarà per un seguidor de tensió (AD741) per tal de ser introduïda finalment en el variador de freqüència (pins analògics).

FIG. 1-6. Part de la placa PCB que dona la consigna de velocitat

Tot i que el PIC té dos pins per treballar amb port sèrie (enviar i rebre), la connexió entre el PC (labVIEW) i el PIC no pot ser directa, ha d’haver un adaptador. L’adaptador serà el MAX232 (situat a la mateixa placa, FIG. 1-7) que serà explicat detalladament en l’apartat 1.5.13.



FIG. 1-7. Adaptació de senyal del port sèrie

1.3.2 Mesures Les mesures es faran a través del PM6000, el PC (labVIEW) i el mesurador de par. Seran mesurades les intensitats i tensions d’entrada i sortida del rectificador i velocitat del generador a través del PM6000. La velocitat també es podrà observar per labVIEW i el parell serà capturat per un mesurador de parell.

FIG. 1-8. Elements que intervenen en les mesures El sistema capturarà la velocitat del generador amb la utilització d’un encoder, el qual enviarà un senyal quadrat al PIC amb un període dependent de la velocitat. Aquest senyal serà interpretat pel PIC (MPLAB) i enviat al PC (labVIEW) via port sèrie on també podrem visualitzar la velocitat real. La velocitat, tot i ser visualitzada en el labVIEW, també serà injectada al mesurador (PM6000). Això es farà utilitzant el PIC també, amb l’ús d’un PWM que traurà més duty cycle o menys en funció de la freqüència. Aquest senyal serà amplificat i transformat a contínua. D’aquesta forma, en el mesurador PM6000 tindrem les intensitats i tensions d’entrada i sortida del sistema, a banda de la velocitat expressada en tensió.



FIG. 1-9. Part de la placa PCB que treballa amb les mesures

A partir d’aquí, es podran obtenir una sèrie de deduccions sobre les característiques elèctriques i mecàniques de l’aerogenerador.



1.4 Material hardware utilitzat 1.4.1 Aerogenerador H80 Els aerogeneradors es basen en obtenir energia elèctrica a partir de l’energia eòlica. En aquest projecte s’utilitzarà el H80 (WHISPER 200) que està format per tres pales que en interaccionar amb el vent, fan moure el rotor del generador i és llavors quan es crea l’energia elèctrica. Aquest està format per tres pales que formen un rotor de 2,7 m de diàmetre. Les pales estan solidàries al generador síncron. El generador està caracteritzat per una part mòbil i una part fixa. El rotor (part mòbil) gira rebent la força de les pales obtinguda pel vent, on aquest té solidaris 10 imants, que proporcionen un flux constant, però que, a l’estar acoblats al rotor creen un camp magnètic giratori (pel teorema de Ferrantis) que genera un sistema trifàsic de força electromotriu en els debanats estatòrics, ja que l'estator està format per tres bobinats desfasats a 120 FIG. 1-10. Aerogenerador utilitzat graus. Característiques tècniques: Diàmetre del rotor (amb pales): 2,7 m Pes: 30 kg Tensió de sortida en DC: 12, 24, 36 o 48 V Velocitat mínima per fer girar el rotor: 3,1 m/s Potència nominal: 1000 W a 11,6 m/s kW·h mensuals: 158 kW·h a 5,4 m/s Màxima velocitat del vent que se li pot aplicar: 55m/s Pales (tres): Cristall de carbó reforçat

FIG. 1-11. Potència en funció de la velocitat del vent



FIG. 1-12. kW·h mensuals en funció de la velocitat del vent En la primera gràfica (FIG. 1-12) podem observar com s’aconsegueix la màxima potència a una velocitat de vent de l’ordre dels 11,6 m/s, llavors treu 1000 W de potència instantània. Evidentment, la potència que produirà el generador no serà constant, ja que lògicament el vent tampoc ho és. Fins i tot, hi haurà moments, en què la potència serà zero perquè a menys de 3,1 m/s, el rotor romandrà parat. És per això que, en el moment d’utilitzar aquest tipus d’aerogeneradors, no s’alimenta els aparells directament (electrodomèstics, il·luminació, etc.) o s’injecta a la xarxa directament per la seva inconstància. El més usual és convertir l’energia elèctrica trifàsica a contínua per a ser emmagatzemada en bateries per a la posterior utilització on serà ondulada pel sistema electrònic. Donant un cop d’ull al vent que sol haver (FIG. 1-8):

FIG. 1-13. Dades extretes de “El servei Meteorològic de Catalunya” dintre de “Climatologia”

A la FIG 1-8 ens adonem que la mitjana anual del Tarragonès a 10 m té un valor molt baix. La qual cosa, a priori, sembla preocupant, ja que la velocitat mínima per fer girar el rotor és de 3,1 m/s. No obstant, si mirem la FIG. 1-14 del mes de juny desglossada en hores diàries, la cosa es fa més tranquil·litzadora en adornar-nos que hi ha moltes hores durant el dia on la velocitat és als voltants dels 4 m/s.



JUNY HORARI VENT HORARI VENT

00:00 - 01:00 2,0 11:00 - 12:00 3,5 01:00 - 02:00 1,3 12:00 - 13:00 2,9 02:00 - 03:00 1,4 13:00 - 14:00 3,2 03:00 - 04:00 0,8 14:00 - 15:00 3,9 04:00 -05:00 1,8 15:00 - 16:00 3,6 05:00 -06:00 1,0 17:00 - 18:00 3,5 06:00 -07:00 2,7 18:00 - 19:00 2,9 07:00 -08:00 3,1 20:00 - 21:00 2,4 08:00 -09:00 4,2 21:00 - 22:00 3,1 09:00 -10:00 3,8 23:00 - 00:00 3,9 10:00 - 11:00 4,2

FIG. 1-14. Mes de juny, on la mitja de vent és de 2,4 m/s

Tot i així, amb les dades que tenim, aquest tipus d’aerogenerador no seria l’idoni per instal·lar a la comarca del Tarragonès. Per aquesta raó, per poder estudiar el sistema aerogenerador , hem decidit emular l’eix de l’aerogenerador amb un sistema d’accionament. Això es durà a terme sobre una bancada que unirà (amb un eix connectat amb un mesurador de par) el generador amb el motor que simularà l’aire amb l’ajuda d’un variador de freqüències controlat per un PC. Aquesta bancada estarà composada per més elements tal i com s’ha explicat al principi de funcionament i aquests s’explicaran en detall en cadascun dels materials hardware que intervenen en el sistema. Tot i no ser necessari el vent per poder estudiar l’aerogenerador, aquest serà un paràmetre amb què treballarem igualment, encara que idealitzat (procedent de dades meteorològiques, etc). A partir de la FIG 1.14 ens podem fer una idea de les velocitats amb què hauríem de jugar amb el motor per tal d’adaptar-nos a la realitat, tot i que no estarà malament treballar amb un marge més alt per tal d’analitzar la màquina en ambients més ventolers (simulant altres països, etc). Un cop relacionades les magnituds, velocitat del vent amb potència, mostrades a les gràfiques FIG. 1-11 i 12, s’hauria de relacionar la velocitat del vent amb velocitat del rotor per tal de fer una bona simulació. Aquestes dades són purament mecàniques. Un estudi americà (World Power Technologies Whisper 80, Michael A Klemen) sobre aquest aerogenerador ens facilita la feina. La relació està a l’1.8 de la memòria descriptiva, justificat als càlculs justificatius. A partir d’aquí, podré introduir al labVIEW les diferents velocitats del rotor, referents al vent que simularé.



FIG. 1-15. La bancada composada pel simulador de vent

En fer girar el generador es crearà una tensió alterna trifàsica i, per tal de tancar el circuit es connecta un rectificador trifàsic amb l’objectiu de tancar el circuit i poder, així, carregar bateries, a banda de poder-hi observar les propietats de l’energia que desenvolupa el generador en funció de la velocitat. 1.4.1.1 Generador del H80 El generador del H80 està format per un rotor on hi ha deu imants que envolten els tres bobinatges desfasats a 120 graus situats en l’estator. Per tant, podem concloure que tindrà cinc parells de pols. - Principi de funcionament d’un generador de corrent trifàsic síncron Com qualsevol generador de CA o alternador, es caracteritza per ser una màquina que transforma energia mecànica que rep pel seu eix (en el nostre cas, procedent del motor) en energia elèctrica en forma de corrent altern trifàsic. En forçar el generador a girar amb el motor, es provoca un camp magnètic giratori a causa dels imants situats en la part mòbil. Aquest camp creat indueix una diferència de tensió en les bobines de l’estator o induïdes. No obstant, la distribució real obtinguda només s’aproxima a la distribució sinusoïdal desitjada. Aquesta aproximació és millor si s’incrementa el nombre de ranures a la part interior de l’estator, però, a la pràctica, no és possible perquè l’espai per fer ranures és finit. Per fer una correcció d’aquesta distribució real i distorsionada, s’hauria de descompondre de la corba principal o fonamental de caràcter sinusoïdal en un conjunt de corbes menys importants anomenades harmònics, també sinusoïdals, que sumades, donarien com a resultat la fonamental.



- Tensió generada a un bobinatge induït trifàsic En cada un dels tres bobinatges de l’estator s’indueix el mateix valor de tensió, però desfasats entre ells a 120º:

1ε (t) = tk ··sin· ωΦ (1.1)

2ε (t) = )º120··sin(· −Φ tk ω (1.2)

3ε (t) = )º240··sin(· −Φ tk ω (1.3) De la mateixa manera que en un motor síncron de CA, un sistema trifàsic de corrents pot generar un camp magnètic giratori al rotor, en un generador de CA, un camp magnètic giratori en el rotor és capaç de crear un sistema trifàsic de corrents en l’estator. - Valor eficaç de la tensió interna generada

En un senyal sinusoïdal, el valor eficaç de l’ona és: 2

maxεε =ef (V) (1.4)

Com que maxε = ωφ··2 = f··2··2 πφ (1.5) D’aquí podem afirmar que la tensió eficaç dependrà del flux del camp magnètic i la velocitat de rotació de l’eix de l’alternador. - Freqüència del corrent altern generat Per definició, la velocitat de rotació del seu eix i la freqüència estan relacionades per la següent expressió matemàtica:

60·pnf = (Hz) (1.6)

On n = velocitat de gir del rotor (igual a la velocitat de gir del camp magnètic). p = nombre de parells de pols magnètics. - Funcionament en càrrega d’un alternador Quan l’alternador funciona en càrrega, es tanca el circuit elèctric exterior i, aleshores, es creen corrents induïts que circulen pels bobinatges de l’estator. La presència d’aquests corrents provoca diferents efectes: - Una caiguda de tensió en els bobinatges induïts. - L’efecte de reacció de l’induït. - L’efecte de dispersió del flux magnètic. Tots ells provoquen, finalment, una caiguda de tensió en borns de sortida del generador; és a dir, l’alternador dóna una tensió a la seva sortida diferent a la que ha generat en el seu interior.



1.4.2 Motor Per tal de simular l’energia mecànica del vent s’utilitzarà un motor elèctric (model: 1LA7113-4AA10), concretament un motor asíncron siemens de baixa tensió, 1500 rpm, forma IM B3, 4 kW, 5.5 CV, 112M, carcassa alumini, 3AC 230/400V 50Hz, IP 55.

FIG. 1-16. Motor utilitzat El motor asíncron, o també anomenat d’inducció, és el més utilitzat en aplicacions industrials. El motor asíncron trifàsic està format per un rotor (de tipus bobinat en el nostre cas) i un estator on es troben les bobines inductores. Aquestes bobines inductores són trifàsiques i estan desfasades entre si 120 graus. El rotor bobinat està constituït per una sèrie de conductors bobinats sobre ell en una sèrie de ranures situades sobre la seva superfície. D'aquesta forma es té un bobinatge en l'interior del camp magnètic de l’estator i en moviment. Quan el motor és alimentat, ja sigui per la xarxa o pel variador en el nostre cas, el corrent circula per l’estator i el camp magnètic produït per aquest debanat, fa que s’indueixi una força electromotriu (f.e.m.) al debanat o conjunt de conductors situats al rotor de la màquina. És per aquest fet que es denomina motor d’inducció. Aquesta f.e.m. al rotor, produeix un corrent que a la seva vegada, provoca un camp magnètic. Com que hi ha una diferència entre les línies de força d’ambdós fluxos, es generen un parell de forces que provoquen el gir en el rotor. Cal afegir que per tal que el parell de forces sigui no nul, l’angle dels dos camps han de ser diferents, el rotor mai podrà assolir la velocitat de camp de l’estator (lliscament) i, per tant, té ben guanyat el motor el nom de motor asíncron. La velocitat del rotació del camp magnètic o velocitat de sincronisme és la següent:

pfen c

⋅=

60sin (1.7)

On, fe és la freqüència del sistema, en Hz, i p és el nombre de pars de pols de la màquina. D’aquesta forma la velocitat serà en r.p.m.



1.4.3 Variador de velocitat El variador de freqüència que utilitzo és el Micromaster 440 de la casa Siemens, tal que s’adapta a les característiques del motor d’inducció trifàsic utilitzat, ja que pot alimentar un motor de 11 kW i la freqüència que pot produir també és molt superior a la que necessitem. També disposa d’una sèrie de característiques o modes de funcionament com els pins analògics, etc que faran possible l’automatització del procés (s’explicaran en detall). El variador de freqüència es caracteritza per ser un sistema de control rotacional d’un motor de corrent altern mitjançant la freqüència d’alimentació subministrada al motor. Els variadors de freqüència operen sota el principi que la velocitat síncrona dels motors de corrent alterna és determinada per la freqüència de corrent alterna subministrada i el nombre de pols de l’estator:

(1.8)

f freqüència de la xarxa p nombre de pols En el meu cas, on el motor és trifàsic i d’inducció, la velocitat de l’eix del motor vindrà pràcticament determinada per la fórmula esmentada anteriorment (tenint en compte que la determinem nosaltres en el variador); no obstant, pot haver una petita desviació a causa del lliscament que relaciona la velocitat del rotor amb la velocitat del camp, que vindrà determinat per el fregament del rotor, la càrrega, etc. Un altre factor a tenir en compte és els pols, que també afectaran a l’hora de determinar la velocitat de l’eix del motor segons la formula anterior. No obstant, com que els pols són fixos, podem dir que l’increment o decrement de velocitat del motor vindrà determinat per les nostres variacions exigides de freqüència, que seran introduïdes en el variador de velocitat, bé per teclat (del variador) o per pin provinent d’una font de tensió, PC, etc. El que fa el variador de freqüències per tal de variar la freqüència de la xarxa és convertir l’energia elèctrica alterna de la xarxa (50 Hz) a contínua mitjançant un pont rectificador per a posteriorment tornar-la a convertir en una ona pràcticament sinusoïdal (alterna), cenyint-se a les nostres exigències mitjançant un inversor commutat, és a dir donant-li la freqüència que nosaltres determinem. Les exigències, en el meu cas, seran velocitats bàsicament, tot i que el variador té molts més paràmetres de control.



FIG. 1-17. Circuit en què es basa un variador de freqüències

Les velocitats o freqüències estaran basades en la velocitat a la que es mouria el generador a causa del vent. Aquestes consignes de velocitat seran introduïdes al PC que ho comunicarà al variador de velocitat i el variador de velocitat serà qui anirà cenyint la velocitat del motor a aquelles consignes extretes a l’estudi d’algun dia de vent. El convertidor Micromaster 440 es pot utilitzar en nombroses aplicacions d’accionament de velocitat variable. La seva flexibilitat permet utilitzar-lo en una àmplia gamma d’aplicacions. Aquest convertidor es caracteritza particularment per la seva funcionalitat adaptadora als desitjos de la clientela i la seva facilitat d’aplicació. Les característiques principals són: - Posada en servei ràpida senzilla. - Configuració particularment flexible gràcies a la construcció modular. - 6 entrades digitals lliurement parametritzables i aïllades galbànicament. - 2 entrades analògiques - 2 sortides analògiques - 3 sortides a relé parametritzables. - Funcionament silenciós. - Protecció per a motor i convertidor.



FIG. 1-18. Variador de freqüències utilitzat

1.4.4 Rectificador trifàsic En el nostre cas, en fer girar el generador, es crearà una tensió alterna trifàsica, a banda d’una intensitat òbviament trifàsica. Com he dit, abans, a causa de la inconstància del vent s’ha d’acumular l’energia transformant-la a continua a priori. És per això que es fa necessari l’ús d’un rectificador trifàsic, tancant així el circuit i donant pas a la possibilitat de carregar bateries, a banda de poder-hi observar les propietats de l’energia que desenvolupa el generador en funció de la velocitat. L’elecció del rectificada està justificada a l’apartat 2.1. L’elecció del rectificador és un de trifàsic d’ona completa amb una sèrie de característiques justificades als càlculs. Aquest tipus de rectificador per a corrents trifàsiques és el més utilitzat, actualment, per a circuits de mitjana i gran potència. El rissat és molt petit i la intensitat rectificada obtinguda mI és un 20% superior a la corrent subministrada pel generador Is . Un aspecte excel·lent d’aquest rectificador és el voltatge màxim de la càrrega que és pràcticament el mateix que el voltatge de pic de línia, és a dir, s’aconsegueix el doble de voltatge que al rectificador trifàsic de mitja ona, amb un voltatge mig del 95%, el qual reflecteix una menor pèrdua de potència que qualsevol altre sistema de rectificació. La representació gràfica del rectificador que utilitzo és la següent (FIG. 1-19), on la tensió i la intensitat, d’entrada i sortida, es comporten de la següent forma:



FIG. 1-19. Circuit rectificador Les tensions que introduirem al rectificador seran:

)·sin( tVv mR ω= (1.9) )º120·sin( −= tVv mS ω (1.10) )º240·sin( −= tVv mT ω (1.11)

On mV serà l’amplitud de fase i anirà en funció de la velocitat del vent o del rotor. Llavors el circuit actuarà de tal forma que ens proporcionarà els següents paràmetres: El voltatge promig de sortida ( OV o DCV ) es determina com:

mmmO VVtdtVV ·654,1·3·3)·(·cos·36/2

2 6/

0

=== ∫ πωω

π

π

(1.12)

El corrent promig de cada díode ( DI ) és:

mmD ItdtII ·3183,06

·sin2Im)·(·cos22 6/

0

=== ∫π

πωω

π

π

(1.13)

On Im serà la intensitat màxima. I un altre paràmetre important serà el factor de rissat, amb un 4 %.



Les formules anteriors es poden visualitzar si fem un cop d’ull als següents gràfics (FIG. 1-20):

FIG. 1-20. Conversió de la tensió



L’elecció cap a un rectificador d’ona completa va ser indiscutible a causa del millor rendiment.

Taula 1.1. Comparació entre rectificadors

Aprofitant que està disponible en paquets de díodes, vaig consultar diferents pàgines virtuals del distribuïdor “RS”, comparant diferents rectificadors encapsulats en funció del corrent màxim que poden suportar els díodes, tensió màxima, preus, etc. Un paràmetre clau per a l’elecció era la intensitat que deixarien passar els díodes (sense produir-se errors). Com ja sabem, la font de tensió del rectificador no serà constant, ja que, a més velocitat, més tensió produirà i, evidentment, això comporta que la intensitat tampoc ho sigui. No obstant, el generador ve definit per treure’ns una tensió amb contínua utilitzant el seu propi controlador de 48 V. És per això, que amb aquesta dada, tot i no ser del tot equiparable, ens podrem fer una idea de l’amplitud de la tensió d’entrada al rectificador i donant-nos també (el fabricant del generador) la potència que produeix a la màxima velocitat permesa, que és de 1 kW, podrem treure la intensitat continua que circularà per els díodes.

FIG. 1-21. Circuit rectificador

Avantatges Inconvenients Mitja ona Només utilitza 3 díodes Per a la seva operació necessita el terminal neutre

Els díodes mouen la tercera part del corrent total Voltatge invers igual al voltatge pic de línia

Voltatge mitjà molt proper al voltatge de pic Pèrdua de potència

Ona completa Els díodes mouen la tercera part del corrent total Utilitza 6 díodes

Voltatge mitjà molt proper al voltatge de línia Complex

Disponible en paquets de díodes Voltatge invers igual al voltatge pic de línia Opera només amb 3 línies Molt baixa pèrdua de potència



En els càlculs justificatius es defensa l’elecció d’aquest rectificador i el dissipador.

FIG. 1-22. Rectificador trifàsic Al punt 2.5 dels càlculs justificatius és fan una sèrie de mesures amb el rectificador. 1.4.5 Encoder Per saber la velocitat faig servir un encoder incremental. Els encoders incrementals són probablement el tipus més comú de encoder utilitzat en la indústria, per la gran varietat d'aplicacions que el seu ús abasten. Cada encoder incremental té en el seu interior un disc, marcat amb una sèrie de línies uniformes a través d'una única pista al voltant del seu perímetre, les línies opaques a la llum d'amplària igual als buits transparents, treballant amb una unitat emissora de llum i una unitat de captació de la mateixa, al girar el disc, generen uns senyals que degudament tractades generen els senyals de sortida d'un encoder incremental. Els senyals de sortida d'un encoder poden ser un tren d'impulsos, en forma de senyal quadrat, on el nombre d'impulsos que es generessin en una volta coincidirà amb el nombre d'impulsos del disc en l'interior del encoder, ens referim a encoders d'un sol canal. (senyal A) Un segon senyal se subministra (senyal B), és un tren d'impulsos idèntic al que subministra el senyal A però desfasat 90º respecte d'aquesta , ens referim a encoders de dos canals. (senyal A+B)

FIG. 1-23. Senyal que em proporciona l’encoder



FIG. 1-24. Encoder utilitzat En el meu cas, del l’encoder em surten diversos fils, el groc l’hauré de portar a terra, el blanc a Vcc i el verd serà el senyal de polsos quadrats que em proporcionarà en funció de la velocitat. 1.4.6 PM6000 Per tal de fer un estudi de l’aerogenerador, utilitzo el PM6000. Un aparell semblant a un oscil·loscopi convencional, però amb una complexitat molt més gran. El PM6000 és un analitzador de potència de nova generació, el primer en el mercat amb tots aquests trets: Fins a 6 canals de lectura del 0,02 % i l’amplitud de banda de 10 MHz d’exactitud. De gamma de 0,05 % (40 mostres MSPS)

FIG. 1-25. Aparell de mesura utilitzat L’exactitud i l’ample de banda del PM6000 permeten definir mesures de tot tipus de potències, tant paràmetres elèctrics com electrònics.



Gràcies al seu elevat nombre d’entrades, seran mesurades les intensitats d’entrada i sortida del rectificador, és a dir, les tres intensitats provinents de cadascuna de les fases de l’aerogenerador i la intensitat un cop rectificada; també seran mesurades la tensió entre fases del rectificador i la tensió un cop rectificada. I un altre paràmetre que serà mesurat serà la tensió referent a la velocitat del generador que surt de la placa. Un dels grans avantatges d’aquest aparell és la gran elecció de paràmetres que podem mesurar. Vrms, Arms, W, F, etc. A l’annex es poden veure els mesurats. A banda, també dóna l’opció de poder representar gràficament les magnituds, una altra cosa que utilitzarem. Un altre dels grans avantatges serà poder operar entre diferents canals, cosa que es podrà fer servir en un moment determinat per analitzar l’aerogenerador. 1.4.7 PIC24FJXXGA002 La necessitat d’utilitzar un microcontrolador es va fer evident. Partint que tenia una lleugera idea de la programació de xips pel fet d’haver cursat Informàtica industrial II i microcontroladors, vaig optar per utilitzar-ne un. L’elecció va ser el PIC24FJXXGA002, ja que en el laboratori n’hi havia un, i disposava de tot un seguit de característiques que s’adaptaven a les meves necessitats. Aquestes característiques seran especificades més endavant.

FIG. 1-26. Diagrama de pins del PIC24F 1.5.7.1 Característiques del PIC24F



Taula 1-2. Característiques del PIC

El meu cas és relativament senzill i no faré servir la majoria de les possibilitats de les que disposa el PIC. Jo em limitaré a fer servir les entrades UART, timers, fonts d’interrupció, PWM i pins d’entrada sortida. Dit això, per tal d’explicar la feina del PIC, separaré la feina d’aquest en diferents parts: - Rebre des del PC, mitjançant el port sèrie, la velocitat a què he prefixat amb el

labVIEW que vagi l’aerogenerador i comunicar-ho a un conversor D/A amb l’objectiu de guiar el variador.

- Rebre pulsacions des de l’encoder calculant així la velocitat a la que funciona i

desglossant-se en enviar aquesta informació al PC mitjançant port sèrie i per l’altra controlant el duty cycle d’un PWM en funció de la freqüència, per tal de treure una tensió de referència en funció de la freqüència amb la finalitat d’introduir-la al mesurador de tensió/intensitat.

Característiques PIC24FJ64GA002 Freqüència d’operació DC-32 MHz (màxima)

Memòria de programa (bytes) 64 k Memòria de programa

(instruccions) 22016 Memòria de dades (bytes) 8192

Fonts d’interrupció 43 Total pins E/S Ports A,B

Timers 21 Canals Input Capture 5

Canals Output Capture 5 Canals Output compare/PWM 5

Input change notification interrupt 21 comunicacions sèrie

UART 2 SPI 2 I2C 2

JTAG Scan Si Mòdul A/D 10-Bit (canals

d’entrada) 10 Comparadors analògics 2

Remappable pins 16

Set d'instruccions 76 instruccions

bàsiques

direccionaments

múltiples Encapsulat 28 pins



1.4.8 Depurador El MPLAB IDE permet depurar programes mitjançant un depurador/programador de Microchip anomenat MPLAB ICD 2 (In-Circuit Debugger). Permet depurar codis font tant en llenguatge C com en Assemblador, amb l’opció de fer execucions pas a pas i aturar el programa mitjançant breakpoints. En la FIG. 1-27 es mostra una imatge del dispositiu.

FIG. 1-27. Depurador (ICD 2) 1.4.9 Conversor D/A

Per tal de solucionar el problema que posteriorment serà explicat (1.7.1 de la memòria descriptiva) em decanto per utilitzar un conversor, concretament el TLC7542, on seran introduïdes les quatre senyals binàries que, en un principi, havien d’anar connectades al variador de freqüència. Aquest conversor les convertirà a senyal analògic per ser introduïdes en els pins d’entrada analògica del variador de freqüències. El variador estarà parametritzat per tal de treure una velocitat o una altra en funció de la tensió del conversor.

FIG. 1-28. Conversor D/A (TLC7542) Per tal de funcionar de la forma que jo necessito, és a dir, que la tensió del pin 15 (Vref) vagi variant cada cop que varien els pins digitals que van connectats al PIC, els pins WR, CS, GND, OUT2 i DB7 hauran d’estar constantment a 0 V, el OUT2 a una Vref, els DB0-3 a 3,6 V i els DB4-6 al PIC.



Llavors, la funció d’aquest conversor D/A es basa en que el PC, en funció del temps, envia un valor de freqüència; aquest valor entra al PIC pel pin de recepció del port sèrie. El programa (MPLAB), en funció del nombre rebut, el converteix en un número binari o un altre format de 3 bits i aquests 4 bits alimenten 4 pins de sortida que estaran connectats al conversor D/A, el qual traurà una tensió de referència que serà introduïda en el variador de velocitat que forçarà una velocitat o una altra en funció de la tensió de referència.

FIG. 1-29. Circuit conversor

La relació entre el voltatge fixat d’entrada i el voltatge de sortida analògic és donada per la següent equació: Vo = Vi·(D/256) (1.14) On: Vo = voltatge analògic de sortida

Vi = voltatge fixat d’entrada D = el valor dels quatre pins digitals convertits a decimal

1.4.10 AD741 Em trobo amb el problema que no es pot connectar directament la tensió que em proporciona el conversor amb el variador, per qüestions d’impedància. S’utilitza aquest per aconseguir un seguidor de tensió, ja que té la particularitat de proporcionar a la sortida la mateixa tensió que a l’entrada, independentment de la càrrega que se li acopla, que es com dir, independent de la intensitat que se li demani.

FIG. 1-30. Seguidor de tensió

A la vista del circuit de la FIG. 1-24 i aplicant el concepte de cortcircuit virtual, tenim que I1=0 i la tensió al terminal no inversor és igual que la tensió al terminal inversor, amb el que podem afirmar que Vi=Vo. També podem dir que I2=0 comportant que la càrrega



demanarà el corrent per I3 únicament, mantenint-se aïllades la entrada i la sortida del amplificador operacional.

1.4.11 ZTX651 (transistor) El senyal del PWM que crearà el PIC en funció de la freqüència del generador (2.3 dels càlculs justificatius) serà introduït en el PM6000 i com que el PIC genera una ona de 3,6 V de pic, l’amplificarem amb un transistor per a posteriorment ser rectificada. D’aquesta forma, la tensió contínua introduïda en el mesurador serà proporcional a la velocitat del motor.

FIG. 1-31. Transistor utilitzat

FIG. 1-32. Circuit que amplifica i rectifica el senyal del PWM



FIG. 1-33. Simulació del circuit

El senyal blau serà el senyal que aconseguirem amb el circuit anterior (FIG. 1-33) a partir del PWM invertit (senyal vermell), amplificat (senyal verd) i finalment rectificat. Hem de tenir present que aquest senyal serà inversament proporcional a la velocitat del motor i, a més velocitat, hi haurà menys tensió i, a banda, el senyal continu generat serà obtingut d’una senyal invertida i amplificada que no arriba a zero. Els valors de la resistència i el condensador estan justificats als càlculs justificatius (2.3) a banda de les simulacions amb diferents duty cicles (DC). 1.4.12 El port sèrie Mitjançant el port sèrie es poden treure les dades del PC a l’exterior.

FIG. 1-34. Connector de port sèrie



El RS 232 està definit, a les especificacions ANSI, com la interfície entre un equip terminal de dades i un equip de comunicació de dades binàries. La nomenclatura i funció de cada pin en el connector DB8 és la següent:

Taula 1-3. Nomenclatures dels pins del 232 -GND (Ground) : És el senyal de massa o voltatge zero de referència. -TD (Transmit Data): És la línia a través de la qual les dades surten de l'ordinador. -RD (Receive Data): És la línia a través de la qual les dades entren a l'ordinador. -RTS (Request To Send): Es posa a nivell alt per a indicar al corresponsal què es desitja transmetre. -CTS(Clear To Send): El corresponsal indica que està llest per a rebre dades posant aquesta a nivell alt. -DSR (Data Set Ready): El corresponsal indica que està connectat. -DCD (Data Carrier Detect ): Indica que hi ha "portadora" en la línia (en un mòdem indicaria que la comunicació telefònica està establerta, encara que no es transmetin dades). -DTR (Data Terminal Ready ): Es posa a nivell alt per a indicar al corresponsal que es desitja establir comunicació. -RI (Ring Indicator ): Quan l'ordinador està connectat a un mòdem i sona el telèfon, el mòdem activa aquest senyal. Els nivells de voltatge són entre -15 V i 15 V, un bit per baudio, i els bits són 1 o 0 en funció d’això:

FIG. 1-35. Nivells de tensió del port sèrie

Qualsevol voltatge entre -3 V i 3 V és considerat invàlid i un corrent de cortcircuit no pot excedir de 500 mA. RS-232 no diu com representar caràcters (7 o 8 bits és la forma més comuna, però podrien

Pin Nom Direcció Descripció 1 CD <- Detecció de portador 2 RxD <- Recepció de dades 3 TxD -> Transmissió de dades

4 DTR -> Terminal de dades

preparat 5 GND - Massa del sistema 6 DSR <- Set de dades preparat 7 RTS -> Petició per enviar 8 CTS <- Preparat per a enviar 9 RI <- Indicador de trucada



ser 5 o 6). Quan no s’envien dades, el senyal s’ha de mantenir en estat de marca (un u lògic, conegut també com RS-232 aneu-li state). El començament de flux de dades es reconeix perquè el senyal passa “de marca” a “espai”. Depenent de la implementació, poden existir uns bits de sincronització coneguts com bits d’arrencada o inici (start bits). L’emissor i el receptor s’han de posar d’acord si hi ha zero, un o dos bits d’arrencada. Després dels bits que representen les dades (5,6,7, o 8 bits), pot seguir un bit de paritat (que és opcional, depèn de la implementació) per a ajudar a determinar si va ocórrer un error durant la transmissió. Aquest error es diu Parity Error i pot ser causat per una configuració desigual en l’emissor i el receptor. La paritat pot configurar-se de diverses formes: -No Parity (sense paritat): No es transmet bit de paritat -Even Parity (paritat “parell”): el bit de paritat és un (1) si el caràcter duu un quantitat parell d'uns. -Odd Parity (paritat “imparell”): el bit de paritat és un (1) si el caràcter duu una quantitat imparell d'uns. -Mark Parity (paritat de “marca”): el bit de paritat sempre és (1). -Space Parity (paritat d’espai “”): el bit de paritat sempre és (0). Després del bit de paritat (si ho hi ha), vénen els bits de parada (stop bits). Aquests serveixen per a dir on acaba el caràcter. Poden ser un o dos bits de parada (en això també han de posar-se d’acord el transmissor i el receptor). Algunes implementacions tallen la transmissió del segon bit de parada a la meitat; es diu llavors que utilitza un i mig bits de parada. Els bits de parada es transmeten com uns lògics (mark). No obstant només és necessari tenir en compte la situació dels pins de rebre i enviar dades, ja que el labVIEW ens permet treballar a nivell molt alt i no hem d’entrar en detalls sobre la comunicació. 1.4.13 MAX232 Com ja he dit anteriorment (1.5.12 de la memòria descriptiva), entro senyals provinents del PC al PIC mitjançant port sèrie i a l’inrevés. No obstant, la connexió no es pot fer directa i és per això que utilitzo el següent adaptador, el MAX 232. La connexió del PC amb el microcontrolador PIC no pot ser directa perquè els senyals elèctrics utilitzats per a la transmissió d’informació per part del PC estan entre 3 i 15 V per a l’estat actiu i de -3 a -15 V per a l’estat inactiu. Per tal d’adaptar-se les tensions del PIC i les del PC s’utilitza el xip MAX232. En la següent figura es mostren les connexions.



FIG. 1-36. Pins del MAX 232

FIG. 1-37. Adapta el senyal entre el port sèrie i el PIC (11, 12 del MAX232 amb RP5,RP6 del PIC)

FIG. 1-38. Connexió entre el MAX 232 i el port sèrie



FIG. 1-39. Placa capaç d’adaptar el senyal del PC amb el del PIC 1.5 Material software utilitzat 1.5.1 LabVIEW Tinc molts camins per establir una comunicació amb sèrie, per exemple amb C++, Visual basic, LabVIEW, etc. Jo, he optat per utilitzar labVIEW perquè es pot aconseguir un entorn gràfic molt intuïtiu per a l’usuari que treballi amb el sistema. LabVIEW proporciona eines de gran utilitat per a la utilització del port sèrie. Totes les funcions que són necessàries a l’hora de realitzar una comunicació sèrie entre el PC i un perifèric es troben ja programades en forma d’instruments virtuals. D’aquesta forma, la utilització del port sèrie es quasi transparent al programador de LabVIEW. Quan es desitgi realitzar alguna operació amb el port, s’escollirà l’icon necessari per a la funció, aquest es cablejarà de forma adequada i quan sigui executat, LabVIEW s’encarregarà d’utilitzar el port per a obtenir o lliurar les dades requerides. Els icons d’entrada sortida es troben a la finestra “Diagram”, al menú “Functions”, submenú “Instrument I/O”, opció “Serial”.



1.5.1.1 Icones utilitzades Abans de poder utilitzar el port sèrie per transmetre o rebre, és imprescindible configurar-lo. D’aquesta manera, s’indica en el PC com ha d’actuar, és a dir, quin port s’ha d’utilitzar, amb quina velocitat de transmissió s’ha d’emetre i rebre bytes, quin tipus de paritat utilitza,..

L’icona que es fa servir per configurar el port sèrie és Serial Port Init. Executant aquesta icona es defineixen les característiques de la comunicació. Buffer Size és una constant que indica al port la mida que es vol que tinguin els buffers d’entrada i sortida que s’utilitzaran en la transmissió i recepció de missatges. Baud Rate és el valor de la velocitat de transferència de dades. Data Bits indica quants bits han de ser presos com a bits de dades a cada byte rebut.

FIG. 1-40. Configurar Stop Bits indica els bits d’estop (0 sense paritat, 1 paritat impa_ port sèrie rell i 2 paritat parell).

FIG. 1-41. Enviar pel

port sèrie La icona que escriu en el port sèrie és Serial Port Write i només té dues entrades: una selecciona un port de tots els disponibles i l’altra és un string amb el missatge a enviar. Una característica de Labview és que envia missatges string; per tant, per enviar variables numèriques cal fer unes conversions que tot seguit s’expliquen.

FIG. 1-42. Llegir pel port sèrie

La icona Serial Port Read (FIG. 1-42), serà la que s’utilitzarà per llegir des de el port sèrie, té un funcionament molt similar a la d’enviar.



FIG. 1-43. Temporitzador per donar endarreriment

FIG. 1-44. Estructura while Aquesta s’executarà mentre la variable que el controla sigui verdadera. Cada cop que s’executarà l’estructura while s’augmentarà ‘i’.

FIG. 1-45. Estructura while

Aquesta estructura farà el que tingui a la banda del true, o bé, el que tingui a la pàgina del false en funció de la variable que el controli. 1.5.2 MPLAB L’entorn de programació que utilitzaré per controlar el PIC serà el MPLAB IDE v8.0 de Microchip, programa que permet l’elaboració de projectes amb diferents codis font, llibreries, etc. A més, presenta l’opció de fer simulacions amb l’eina MPLABSIM. Permet, també, simular entrades i sortides amb l’eina Stimulus, generant senyals de clock, senyals asíncrons, etc. El compilador utilitzat serà el MPLAB C30, un compilador de C orientat als PIC 24 i dsPIC. 1.5.2.1 Funcionament dels perifèrics utilitzats 1.5.2.1.1 Interrupcions Les interrupcions s’atenen a cada cicle d’instrucció. Quan hi ha una petició d’interrupció, IRQ, es senyalitza posant el bit del flag a 1 al registre IFS. Aquesta petició és atesa si el bit IECx del registre de permís corresponent està a 1.



Quan s’atén la interrupció, cap interrupció avortarà, sinó que la que estava en procés quan s’ha atès la interrupció serà completada quan la interrupció s’acabi. Quan s’atenen les interrupcions, s’avaluen els nivells de prioritat. Si hi ha una IRQ pendent amb un nivell de prioritat major que el procés actual, la interrupció es detindrà. Llavors, el processador deurà salvar la següent informació, que permetrà al processador el retorn a la instrucció en curs: - El valor del comptador de programa, PC. - El byte del registre d’estat (SRL). - El bit d’estat IPL3. Registres de control - INTCONT1/2 controlen les funcions globals de les interrupcions, contenen els flags i

bits de controls de les excepcions i el bit NSTDIS que habilita/inhabilita l’anidament d’interrupcions.

- SR: registre de control de la CPU que conte el carry (DC), el nivell de prioritat de les instruccions de la CPU (IPL2/0), senyaladors de la ALU i el bit del bucle actiu del bucle actiu REPEAT.

- CORCON: registre de control, on IPL3 marcarà si la prioritat d’interrupció de la CPU

és més gran que 7. PSV és un bit activador de la visualització de l’espai de programa en el de les dades.



- IFSx: Registres d’estat del flag d’interrupció. Contenen tots els senyaladors de petició d’interrupció. Cada font d’interrupció tindrà un bit d’estat que s’activarà des de la font d’interrupció i es desactivarà per mitjà de software. La c denota el numero de registre, que pot ser: IEC0, IEC1, IEC2.

- IECx: registres de control de permís d’interrupcions. Contenen els bits d’habilitació de

les interrupcions. La x denota el número de registre, podent ser IEC0, IEC1, IEC2. - IPCx. Registres de control de prioritat d’interrupcions. S’utilitza per a emmagatzemar el

nivell de prioritat de cada font d’interrupció. 1.5.2.1.2 Timers El PIC24 disposa d’un màxim de 5 timers. El timer1 és de 16 bits i es pot fer servir com a comptador del Real Time Clock (RTC) o operar independent com a temporitzador/comptador. Pot operar en tres modes diferents:

- Timer de 16 bits - Comptador de 16 bits síncron - Comptador de 16 bits asíncron

A més, posseeix un escalat de freqüència que se selecciona mitjançant els 2 bits i que es pot configurar sempre que TON estigui activat. Finalment disposa d’un comparador per generar interrupcions. El timer 2/3 i el timer 4/5 poden operar en diferents modes:

- Dos timers independents de 16 bits (timer2 i timer3) - Un timer de 32 bits - Un comparador síncron de 32 bits.

Els timers 4/5 tenen la capacitat de disparar triggers en una conversió A/D. Registres de control T1CON: Registre de control del Timer1



- El bit TON activa o desactiva el timer. - TSIDL indica si el timer s’ha d’aturar o no en mode IDLE. - TCKPS1:0 són els bits de selecció de preescaler (1:256, 1:64, 1:8, 1:1). - TSYNC habilita la sincronització amb el senyal extern de rellotge. - TCS selecciona la font de rellotge entre el rellotge intern (Fosc/4) i el rellotge extern

aplicat a la pota TxCK (configurant una entrada RPn). T3CON: Registre de control del Timer3 El registre del Timer3 és igual que el del Timer1, amb la diferència que aquest no té l’opció de sincronitzar-se amb un senyal extern de rellotge (no té el bit TSYNC). Tant el Timer1 com el Timer3 tenen dos registres associats PRx i TMRx.

- PRx : registre de períodes associat al timer i el segon. - TMRx.: és el registre comptador de timer. - TxIE: cada temporitzador té associats una sèrie de bits per al control d’interrupcions:

(habilitació/deshabilitació). - TxIF (senyalitzador de desbordament). - TxIP2:0 (prioritat d’interrupció).

1.5.2.1.3 PWM El PIC disposa de fins a 5 possibles funcions de comparació configurables (OCx). Si es configura un dels pins RPn com a OCx es podrà generar, per aquest pin, una sortida de tipus PWM. Per fer-ho, se seguiran aquests passos:

- Seleccionar el període del PWM al registre PR del Timer escollit. - Seleccionar el duty cicle escrivint en el registre OCxRS. - Escriure en el registre OCxR el duty cicle inicial. - Habilitar les interrupcions del timer, si es requereixen. - Configurar el mode d’operació PWM als bits OCM2:0 del registre OCxCON, i el

timer associat al bit OCTSEL del mateix registre. - Escollir el valor del preescaler del TMRy.



1.6 Programació 1.6.1 Programació del labVIEW Amb el labVIEW he creat el següent entorn gràfic:

FIG. 1-46. Entorn gràfic En el següent entorn gràfic (FIG. 1-46) es poden determinar una sèrie de coses com són el port sèrie que s’utilitzarà, la velocitat de transmissió (baud rate), la dimensió de les dades, el número de bits de paritat i d’estop, les unitats de temps i el retraç entre cada cop que llegeix. Tot això haurà d’estar d’acord amb el programa MPLAB, que serà qui interpretarà les dades que s’envien pel port sèrie, controlades pel labVIEW, perquè, en el cas de no haver concordança no s’atendrien aquests dos programes. Aquest entorn tindrà dos objectius principals: per una banda, controlar la velocitat del generador (H80) a partir de la introducció de les diferents velocitats de vent en funció del temps, cosa que seran paràmetres a determinar per l’usuari també i, per altra banda, la visualització de la freqüència del generador. El labVIEW proporciona exemples com el de sota, d’enviar i rebre dades mitjançant port sèrie (FIG. 1-47):



FIG. 1-47. Programació de partida modificant l’envolta’t amb vermell On se segueix un protocol, per tal de configurar el port sèrie, definint el port que es vulgui utilitzar i definint els paràmetres com el baud rate, la paritat, els bits d’estop, etc. El requadre vermell de la FIG 1-47 serà modificat ja que el programa de l’exemple es limitava a enviar o rebre dades amb l’inconvenient que la dada a enviar al port sèrie era fixa. En el meu cas vull obtenir una variable que anirà canviant en funció del temps i serà determinada per l’usuari a priori (velocitat del variador). D’aquesta forma aconseguiré un procés automatitzat. Això ho he aconseguit amb la programació que es pot observar en la FIG 1-48 i 49. I els diagrames de flux seran els següents:



Enviar dades mitjançant port Rebre dades mitjançant port

sèrie amb labVIEW: sèrie amb labVIEW: D’aquesta forma (diagrama anterior), s’aniran enviant consecutivament el valor que escrivim en els registres de freqüències (velocitats del variador) en funció dels temps assignats en cadascuna d’elles; també estarem consecutivament capturant allò que entri al

Inici

Configuració del port sèrie.

i++

Configuració correcta

En funció de la ‘i’ envia la freqüència

corresponent pel port sèrie.

Retard del while finalitzat

‘i’ ha augmentat

amb 1

Inici

Configuració del port sèrie.

i++

Configuració correcta

Rebre dades

Retard del while finalitzat

‘i’ ha augmentat

amb 1



port sèrie (seria la velocitat real del generador capturada per l’encoder i interpretada pel MPLAB). Aquests dos processos estaran units per un delay, per tal de no haver confrontacions en donar-se la casualitat de tenir-se d’efectuar alhora l’ordre de transmetre i enviar. La programació de labVIEW es basarà amb un true i un while dintre d’aquest (true), amb tota una sèrie d’elements que podem observar en la imatge següent. Aquest true l’he dissenyat per donar-li una taula que estarà composta de velocitats (freqüències) en funció del temps i en executar el programa s’aniran enviant les dades pel port sèrie tal i com hem determinat a priori. La programació es a la FIG. 1-48 i 49.

FIG. 1-48. Part esquerra de la programació

On dintre del true del que parlàvem abans he posat un while que es repeteix cada cert temps, determinat pel retard que li introdueixo en el rellotge en microsegons. Llavors, cada cop que es torna a executar el while incrementa la ‘i’ (suposadament la base de temps) que es compara amb el valor que hem posat als temps (temps 1, temps 2, etc), si el valor de ‘i’ és més gran que el d’algun temps surt un ‘1’ lògic (per la porta lògica ‘>’) que activa el corresponent cas posant-lo a true, tot desactivant l’anterior per la lògica (porta nop), ja que l’anterior lògicament continuaria verificant-se. Llavors el cas pertinent passa a ser verdader i



no fals (cas en que enviarà el valor del string que li correspont) i això es sumat amb la resta de casos que seran tots zeros per posteriorment ser transformat el resultat a string per a poder-lo introduir al port sèrie a banda de ser representat amb un indicador. Estirant la pantalla cap a la dreta, es pot veure la següent captura de pantalla que l’hi segueix a l’anterior programació:

FIG. 1-49. Part dreta de la programació

On s’observa l’indicador esmentat anteriorment (consigna de variador) i també la transformació del numero a caràcter (string). Tenim l’altre VISA, aquest cop el read, que captura els valors introduïts pel pin de lectura del port sèrie; aquests són recollits de 4 en 4 per raons d’enviament de MPLAB, ja que volia tenir una precisió de mHz. Aquest cop es transformat de caràcter a nombre per ser representat per un altre indicador (freqüència del generador en mHz).



1.6.2 Parametrització del variador El variador té diferents mètodes per modificar el paràmetre que controla la freqüència:

- paràmetre P0700 = 1 BOP (mitjançant pantalla) (FIG. 1-50) - paràmetre P0700 = 2 regleter de bornes (FIG. 1-51)

en el cas de posar P0700=2 tenim les següents opcions: - paràmetre P1000 = 2 Consigna analògica - paràmetre P1000 = 3 Freqüència fixa - paràmetre P1000 = 4 USS

FIG. 1-50. BOP FIG. 1-51. Regletes de bornes 1.6.2.1 Consigna BOP Però no tots ens seran útils, ja que la idea és escriure una taula de freqüències en funció del temps a l’ordinador i que el variador vagi sent informat per tal d’anar canviant la consigna automàticament sense que l’usuari hagi d’estar pendent. És per això, que la pantalla que ens permet modificar la consigna la descartem per impossibilitar-nos l’automatització del procés de donar-li consignes. 1.6.2.2 Mitjançant els programes CD del variador Pel mateix problema també descarto la utilització dels programes Starter i DriveMonitor, dos programes que ens vénen al CD del variador i que serveixen per modificar tots aquells paràmetres que ens interessin des de l’ordinador.



1.6.2.3 Consigna fixa La filosofia és utilitzar els pins digitals del variador (FIG. 1-51). Aquests són quatre pins situats al regleter de bornes, amb els quals es poden donar 16 combinacions binàries. El funcionament és senzill; hi ha 16 paràmetres al variador de freqüències on a cadascun d’ells pots introduir la freqüència a priori (mitjançant la pantalla) que desitgis que surti quan hi hagi l’alimentació corresponen dels pins. Els paràmetres són el P1001 (corresponent a 1 binari), P1002 (corresponent a 2 binari), P1003 fins al P10015. A banda, també s’han de posar els paràmetres P701 al P704 a 15, significant aquest nombre la freqüència fixa directa, ja que hi ha vàries opcions com la d’engegada en rebre tensió pel pin o la d’incrementar la velocitat actual, etc. Llavors, per arribar a aconseguir aquests quatre senyals binaris seria mitjançant el labVIEW, el qual s’encarregaria de crear un interfaç gràfic que permetria donar-li una seqüència de freqüències mitjançant el RS232 al PIC, on, un cop dintre el PIC les transformaria en funció del valor, en la seva corresponent senyal binària de 4 pins. D’aquesta manera aconseguiria controlar el motor mitjançant el labVIEW. No obstant, s’ha de tenir en compte que el PIC ens proporcionarà una tensió de 3,6 V a les potes del variador que pretengui alimentar, però el variador de velocitat en necessita 24 V per pin per tal de reaccionar; és per això que vaig haver d’optar per utilitzar transistors bipolars que el que feien era, estar connectats a 24 V al col·lector i la base a la pota del pin, que serà 3,6 o 0 V en funció de la consigna. D’aquesta manera, obtindrem 24 V quan el pin que la base estigui a 0 V i 24 V quan estigui a 3,6 V. Es per això, que al MPLAB faig el complement A1 per tal de tornar a deixar-ho del dret.

FIG. 1-52. Placa que controla la velocitat amb transistors La placa funcionava sense connectar-la al variador però en connectar-la, el programa MPLAB es penjava. El cas va ser que el problema no es va solucionar, i un altra forma de solucionar-ho, era controlant la velocitat mitjançant la consigna analògica. 1.6.2.4 Consigna analògica Lògicament s’han de canviar els paràmetres del variador, però la programació del labVIEW i el MPLAB servirà. Llavors els paràmetres que s’han de tenir en compte són el P0756, el qual el poso a 0, tot significant entrada de tensió unipolar entre 0 i +10 V.



A més, el paràmetre P2000 ens determina la freqüència de referència. A partir d’aquesta, hi ha 5 paràmetres més amb els quals es determinarà una recta que ens relacionarà la velocitat que ens proporcionarà (x % del P2000) el variador a la tensió mínima (0 V) i la velocitat a la tensió màxima que són:

- P0757 valor x1 - P0758 valor y1 - P0759 valor x2 - P0760 valor y2 - P0761 ample de banda morta

FIG. 1-53. Recta que configura la relació esmentada del variador

1.6.3 Programació del PIC 1.6.3.1 Funció del codi - Rebre des del PC, mitjançant el port sèrie, la velocitat a què he prefixat amb el

labVIEW que vagi l’aerogenerador i comunicar-ho a un conversor D/A per tal de guiar el variador.

- Rebre pulsacions des de l’encoder calculant així la velocitat a què funciona i

desglossant-se per una banda en enviar aquesta informació al PC mitjançant port sèrie i, per altra banda controlant el duty cycle d’un PWM en funció de la freqüència.



1.6.3.2 Diagrama de flux

Inici

Inicialitzacions - Interrupció externa - TimerX[1,2] - PWM - UART PWM (PWM_ini)

- Configurem pin de sortida OC1 - Selecció de timer. - Període del PWM. - Duty cycle inicial. - Mode d’operació.

UART (UART1_albiol_ini) - Configuració dels pins de trans_

missió i recepció. - Configuració del mode d’operació - Càrrega del Baud Rate. - Selecció de les prioritats. Habilitació de les

interrupcions

Mentre sempre

Recorren la variable freqüència i guardant-

la a buf [ ]

Guardar el contingut del

registre de recepció del

port sèrie a la variable

(segarra 232)

Alimentar 4 pins digitals en

funció de la variable

Fi interrupció

U1RXInterrupt

Guarda el valor de buf [ ] en el

registre d’enviament del port sèrie

Modifica el DC en funció

de la freqüència

T2Interrupt

Fi interrupció

pols ++

INT2Interrupt

pols=10

Càlcul de la freqüència a

partir dels tics tics=0, pols=0

si

no

Fi interrupció

tics++

T1Interrupt

Fi interrupció

Interrupció ext. (INT2_ini) - Configuració de la detecció. - Utilització vector d’interrupcions. - Selecció del RPn d’entrada. - Selecció de la prioritat de la interrupció.

TimerX[1,2] (INTX_ini) - Càrrega del període. - Configuració del model d’operació de la font de rellot_ ge i el prescaler.



1.6.3.3 Codi explicat a nivell de C Explicaré el codi per funcions, amb l’objectiu de fer-ho més intel·ligible:

Declaro les variables que s’utilitzaran a banda d’inicialitzar-les.



La rutina de servei a la interrupció de la imatge anterior saltarà cada cop que hi hagi una interrupció provinent del pin d’entrada del port sèrie, a causa de la recepció per aquest pin d’un senyal interpretat i guardat en el registre U1RXREG. Aquesta interpretació és gràcies a la funció que veurem, void UART_albiol_ini ( ). En el cas d'enviar-se una dada, aquesta queda emmagatzemada en el registre U1RXREG; llavors, la rutina de servei a la interrupció passa la dada a la variable segarra232 per tal de fer una cosa o una altra en funció del valor. És per això que hi han una sèrie de casos que determinaran els pins que s’hauran de posar a 0 o a 1 en funció del cas (pins 12 al 14 del PIC connectats al D/A). Aquests seran els que determinaran la velocitat del variador, no obstant, no van directament connectats a ell, sinó que passen primer per un conversor D/A que treu una tensió de referència que aquesta sí es connectarà al variador de freqüència, determinant així, en funció de la tensió, la freqüència del variador.

Com acabo de dir, la funció de dalt (UART_albiol_ini) és la responsable de què el senyal sigui interpretat correctament, ja que aquesta funció determina el nombre de bits, la prioritat, el baud rate, etc, de la transmissió. A banda de servir-nos per a la generació d’interrupció quan hi hagi dades, també servirà per la generació d’interrupció d’enviament, tot assignant els pins d’entrada i sortida del port sèrie.



La funcio void __attribute__ ((__interrupt__)) _INT2Interrupt (void), el PIC ens calcularà la velocitat del generador a partir del senyal quadrat que li entra al PIC24 provinent des de l’encoder subjectat a l'eix del rotor. Aquest senyal quadrat, que tindrà un període més gran en el cas d'anar més lent o el cas contrari, proporcionarà uns flags de pujada que el PIC serà capaç de capturar. Aquests flangs faran saltar la següent interrupció: Void __atribute__ ((__interrupt__)) _INT2Interrupt (void) ja que la void INT2_ini ( ) configura un pin per a l’entrada de senyals de l’encoder: RPINR1bits.INT2R=9, donant-li prioritat 5:

Per calcular la freqüència a la qual gira el rotor una expressió que ens pot servir és calcular, a priori, el període (el temps que li costa pegar una volta), on aquest temps l’obtenim de la variable tics, incrementada per un timer cada 0,1 ms:



És a dir, cada cop que doni una volta el motor, tindrem guardats en la variable tics, els cops que han passat de 0,1 ms entre que ha començat la volta i l’ha acabada:

Llavors, es tractarà de multiplicar tics per 0,1, obtenint així el nombre corresponent de mil·lisegons que han passat. A partir del període, solament hem de fer la inversa per treure la freqüència. D’aquesta manera, actualitzarem la freqüència a cada volta; no obstant en el meu cas, per fer-ho més exacte, l’actualitzo cada 10 polsos, en comptes de cada 200 que formarien una volta, calculant el període amb l’expressió següent : periode_volta=(tics/10)*20:

on tracta de calcular els tics que haurien hagut si haguessin passat 200 polsos en comptes de 10 i al mateix temps passant-ho a ms ja que ho teníem en unitats de 0,1 milisegons, es per això que en lloc de fer periode_volta=(tics/10)*200, fem periode_volta=(tics/10)*20. Un cop tenim el període, com hem dit abans simplement hauríem de fer l’inversa, no obstant fem frequencia=1000000.0/periode_volta per tal de passar els kiloHertz que obtindríem pel fet de haver utilitzat milisegons a mHertz, d’aquesta manera no haurem de treballar amb coma, i ens possibilitarà la transmissió del valor al labview. A banda de calcular la freqüència cada cop que portem 10 polsos, també tornarem a posar a 0 el valor de tics i de pols. Des de la funció itoa, s’envien les dades al labVIEW (freqüència del generador):



La qual queda de la següent forma:



I el que fa és recórrer el nombre de la freqüència tot guardant cada caràcter que el forma en una posició diferent del vector.

D’aquesta forma, podent enviar-ho a través del port sèrie i el PM6000 cada 1,56 ms, determinat pel Timer2:

Per últim, la creació d’un senyal PWM en funció de la freqüència:

Per tal d’introduir la velocitat vaig pensar en utilitzar el PWM del PIC. El PWM es caracteritzaria per tenir un duty cicle (DC) proporcional a la freqüència. L’operació del programa es limitaria, en aquests cas, en multiplicar la freqüència expressada en mHz per una constant (o factor multiplicador):



D’aquesta forma obtindríem el valor del DC proporcional a cada freqüència. El DC es modifica mitjançant la variable OC1RS. Aquesta variable està definida amb un rang de 0 a 256 (0 senyal al 0 % de DC i 256 senyal a 100 % de DC). En el cas de tenir en un moment concret 28 Hz o 7 Hz, les senyals serien les següents:

FIG. 1-54. Senyal del PWM amb un DC del 80 % (OC1RS = 205) corresponent a 28 Hz

FIG. 1-55. Senyal del PWM amb un DC del 20 % (OC1RS = 51) corresponent a 7 Hz

Duty cicle [%] Velocitat del generador [Hz]

0 0 10 3.5 20 7 30 10.5 40 14 50 17.5 60 21 70 24.5 80 25 90 31.5 100 35

Taula 1-4. Equivalència entre la freqüència del generador i el DC

Tot i que la taula ens permet fer-nos una idea de la relació entre la freqüència i el DC, és més encertat seria representar-ho mitjançant una gràfica lineal, donat que l’exactitud és molt gran al disposar de 256 valors de DC per modificar el PWM en funció de la freqüència.

2. Càlculs justificatius

Pàgina - - de 113

57

2- CÀLCULS JUSTIFICATIUS



2.1 Elecció del rectificador i el dissipador A l’hora de triar el rectificador i el dissipador van ser necessàries aquestes operacions:

VmVmVo ·65,1·33==

π (2.1)

VVO 48=

On Vo és el voltatge promig de sortida. Aquest valor no serà sempre el mateix a causa de les diferents velocitats a les que es pot moure el rotor; no obstant, agafem un valor adequat segons les especificacions de l’aerogenerador. Vm és l’amplitud de fase també depenen de la velocitat.

Vm = VVo 09,2965,1

= (2.2)

P DC = 1 kW = Vo·Id -> Id = AV

kW 08,20481

= (2.3)

Id = Im· ·Im318,06

·sin2=

ππ

(2.4)

On Id és el valor promig de cada díode. Im és l’amplitud de fase

AAdiodeId 9,638,20/ == (2.5)

318,09,6Im/ Adiode = = 21,7 A (2.6)

Amb Im/díode determino al valor màxim d’intensitat que passaran pels díodes. Observant les característiques dels rectificadors encapsulats vaig adonar-me’n que alguns no eren capaços de suportar la intensitat requerida. Llavors em vaig veure obligat a descartar tots aquells amb intensitats inferiors a 30 A.



Dintre dels que podien suportar la intensitat requerida estaven el SKD160 (amb un preu de 127,74 €), el POWERSEM PSD125 (de 77,85 €) i el 35A de International Rectifier (amb un valor de 16,91 €) entre molts altres. Com que no sempre el més car és el millor, vaig comparar característiques. Una de les característiques que vaig comparar va ser la tensió que cau als díodes en passar els 30 A d’intensitat on el producte ens donaria la potència que dissiparia.

FIG. 2-1. El 35A de International Rectifier FIG. 2-2. POWERSEM PSD125

FIG. 2-3. SKD160 Podem observar com el POWERSEM PSD125 és el que dissipa menys potència. Un altre paràmetre que vaig comparar va ser la Rthjc, on interessa que sigui el més baixa possible. On el POWERSEM presentava 0,138 K/W mentre que el SKD160 el superava, ja que tenia un valor més baix, 0,11 K/W.



Descartant el 35A de International Rectifier per tenir una potència de dissipació més elevada que la resta, un altre paràmetre que vaig mirar va ser el Rthjk, on un cop més, el SKD160 donava millors característiques, tenint un 0,03 K/W i el POWERSEM 0,188 K/W. Un altre paràmetre que em mostrava el datasheet era la freqüència de commutació, però, en el meu cas, no m’importava. L’elecció va ser el SKD160, ja que la diferència de les pèrdues de potència en els díodes entre el POWERSEM i el SKD160 eren gairebé inapreciables; en canvi el SKD presentava resistències molt més baixes a les unions. Un cop triat el rectificador, calia tenir en compte que s’hauria d’encastar un dissipador, que es calcularia mitjançant les taules que et dóna cada rectificador. Aquest dissipador seguiria sent el mateix, encara que utilitzéssim un altre dels rectificadors estudiats, ja que la potència era pràcticament la mateixa. Encara que puguin suportar temperatures molt elevades, ho vaig calcular per tal que no es pogués cremar una persona quan el toqués. És per això que fixo una temperatura de 60 ºC (Tc=60 ºC).

FIG. 2-4. SKD 160 A partir de les corbes característiques que et proporciona el fabricant, fixant la intensitat que passarà, pots trobar la tensió de díode i, així, trobar la potència per tal de calcular el dissipador necessari. La intensitat que passaria segons els càlculs anteriors hauria de ser de 21,7 A, però, sobre dimensionant a 30 A, ens surt: P = 30 A · 1,1 V = 60 W (2.7)



FIG. 2-5. Circuit de temperatura Ta = 40 ºC Tc <= 60 ºC incrementT j-c = 20 = Ps·R c-a

R c-a = 5,06030

= º/W (2.8)

FIG. 2-6. Dissipador de calor

Dels diferents dissipadors que vaig mirar en un catàleg, aquest era l’únic que tenia una dissipació prou elevada per a la situació. Una altra solució també podria ser comprar un dissipador de menys dissipació, a banda de comprar un ventilador, però resultava més cara la segona opció; per aquest motiu , vaig optar per la primera opció. El dissipador té un preu de 20,47 euros. 2.2 Relació entre velocitat del vent, freqüència del variador i velocitat de rotor Per tal de relacionar la velocitat en que girarà el motor en funció de la freqüència introduïda al variador, em baso en la fórmula següent:

pfRpm ·120

= (2.9)



Amb les freqüències de la primera columna (taula 2-1), alimentem el motor a través del variador de freqüències. La segona columna representa la velocitat de sincronisme del motor, que serà la mateixa velocitat que tindrà el generador. No obstant, a causa del par variaran una mica aquesta.

Taula 2-1. Relació de paràmetres La relació entre la velocitat del vent i la velocitat del rotor l’he trobada en un estudi americà (World Power Technologies Whisper 80, Michael A Klemen). Les úniques dades que ens proporciona són aquestes: 43,5 m.p.h. (vent) 804 r.p.m. 958 W 9,16 m.p.h vent) 265 r.p.m. 139 W He passat les milles per hora del vent a m/s per tal de tenir-ho en sistema internacional. Per passar de milles hora (m.p.h) a kilòmetres hora (km/h) s’ha de multiplicar per 1,609.

smKm

ms

hhKmhmilles /4,191

1000·3600

1·/70609,1·/5,43 == (2.10)

smKm

ms

hhKmhmilles /09,41

1000·3600

1·/74,14609,1·/16,9 ==

A partir de les dos dades anteriors de l’estudi americà i la gràfica següent es podrà fer la taula 2.2 que relacionarà velocitat del vent amb velocitat del rotor.

Freq. del variador

Rotació del H80

5 Hz 120 r.p.m. 10 Hz 240 r.p.m. 15 Hz 360 r.p.m. 20 Hz 480 r.p.m. 25 Hz 600 r.p.m. 30 Hz 720 r.p.m. 35 Hz 840 r.p.m.



FIG. 2-7. Gràfica que servirà per treure la relació entre velocitat del vent i velocitat del rotor Llavors, amb les dades de l’estudi americà: 804 r.p.m. 958 W 19,4 m/s 265 r.p.m. 139 W 4,09 m/s i relacionant-les amb la gràfica de la FIG. 2.7, és podrà fer una apreciació de la velocitat que necessitarem per treballar amb l’aerogenerador dintre dels marges de seguretat de l’aparell i sense tenir que inclinar-se l’aparell per tal de no captar tot l’aire. Aquestes velocitats seran entre 3,1 m/s i 11,6 m/s que correspondran a unes 216 r.p.m. i 840 r.p.m. Llavors, suposant que la velocitat de vent és gairebé lineal (entre 3.1 m/s i 11,6 m/s) amb la velocitat de rotació del motor, faig la següent taula. Aquesta relació no es exacta, la raó s’explica a l’apartat 3.1. La tercera columna representa la velocitat del vent:

Freq. del variador

Rotació del H80

Velocitat del vent

5 Hz 120 r.p.m. --- 10 Hz 240 r.p.m. 3.1 m/s 15 Hz 360 r.p.m. 4,8 m/s 20 Hz 480 r.p.m. 6.5 m/s 25 Hz 600 r.p.m. 8,2 m/s 30 Hz 720 r.p.m. 9,9 m/s 35 Hz 840 r.p.m. 11,6 m/s

Taula 2-2. Relació de paràmetres

5/5,8

)6(5/1,3/6,11 sm

valorssmsmInc =

−= = 1,7 m/s (2.11)

Inc increment de vent en m/s entre dues files de 5 Hz



2.3 Valor de la resistència i del condensador del circuit que transforma el PWM

Ω

−=

kVceV

ie on

115

; Ω−

=k

VVie1

3,015 = 0,0147 A (2.13)

ibie ⋅= β ; 100

0147,0 Aib = =0,000147 A (2.14)

ibVbeVpicRb −

= ; AVVRb

000147,025,16,3 −

= = 15986 Ω (2.15)

On: ie és la intensitat d’emissor ib és la intensitat de base Rb és la resistència de base

FIG. 2-8. Rectificació amb amplificació del PWM

2.4 Simulació del circuit d’amplificació i rectificació del PWM Per tal d’introduir el PWM al PM6000, el senyal de PWM que genera el PIC és introduït en el circuit anterior i, en funció del DC, traurà una tensió o una altra que aniran relacionades amb la freqüència del motor. DC = 0,1; vermellV = 12,64 V



DC = 0,2; vermellV = 10,81 V

DC = 0,3; vermellV = 8,98 V











2.5 Càlcul dels timers Se seleccionarà com a font de rellotge el clock intern (Fosc/2) i amb prescaler 1:1. Per tant, si es vol un temps de mostreig de 0,1 ms, s’haurà de carregar en el registre PR1 un valor de: Timer 1

mostreigTRPMHz

=⋅ 1·4

1

RP1 = 0,1 ms · 4 MHz = 400 = 0x190 (2.16) On RP1 és un registre que conte el valor amb el que es base el timer per contar.



Timer 2

mostreigTRPMHz

=⋅ 24

1

AMHzmsRP 1864·56,12 == (2.17)

3. Assajos del sistema

Pàgina - - de 113

69

3- ASSAJOS DEL SISTEMA



3.1 Estudi de l’aerogenerador 3.1.1 Relació entre la velocitat del vent i la velocitat del rotor Un tret important que ens defineix les característiques de l’aerogenerador és la relació entre velocitat del vent i velocitat del rotor, tenint en compte la freqüència del generador (està justificat en els càlculs):

Freq. del variador

Rotació del H80

Velocitat del vent

5 Hz 120 r.p.m. --- 10 Hz 240 r.p.m. 3.1 m/s 15 Hz 360 r.p.m. 4,8 m/s 20 Hz 480 r.p.m. 6.5 m/s 25 Hz 600 r.p.m. 8,2 m/s 30 Hz 720 r.p.m. 9,9 m/s 35 Hz 840 r.p.m. 11,6 m/s

Taula 3-1. Relació entre velocitat del vent, freq. del variador i velocitat del rotor

Amb aquesta taula (taula 3.1) i les fórmules per arribar a elaborar-la (als càlculs justificatius) seria en el que es basaria l’usuari per tal d’introduir les dades al labVIEW. Seria qüestió d’agafar una taula meteorològica d’un dia i lloc concret de vent i relacionar cada velocitat de vent amb la velocitat del rotor i introduir-les al sistema. Tot i que no treballem amb el vent directament, s’ha de tenir en compte que per calcular la potència en Watt per metre quadrat (W/ 2m ) d’un vent que actua a una velocitat v (m/s), s’expressa mitjançant la fórmula:

35,0 vP ⋅⋅= ρ (3.1) On ρ es la densitat de l’aire (kg/ 3m ) I tenir present que la densitat de l’aire varia en funció de la temperatura i l’elevació. Amb aire calent és menys dens que en gelat. Per tant, a l’hivern, qualsevol aerogenerador produirà més amb la mateixa velocitat de vent. Una altra característica important és que al terme v sempre li posarem un valor constant que serà calculat a partir de les probabilitats de Weibull. També tenir present que la velocitat està elevada al quadrat i qualsevol variació de vent, per petita que sigui, tindrà un efecte serà substancial. Dit això, donar constància de la dificultat de relacionar la velocitat del vent amb la velocitat del rotor partint d’un estudi (World Power Technologies Whisper 80, Michael A Klemen) on els punts que ens relacionen aquestes magnituds són molt pocs. No obstant dir, que la relació més important serà la velocitat del rotor i el par amb els paràmetres elèctrics, cosa que podríem comparar amb altres tipus d’aerogeneradors.



3.1.2 Relació de la freqüència del rotor amb els paràmetres elèctrics Una altra característica important és la relació entre tensió i intensitat (potència) en funció de la resistència amb què es tanca el circuit. Amb la utilització de tres resistències variables connectades una en cada fase i en triangle, he obtingut aquests valors: - Resistència de 440 Ω

freq [Hz] tensió [V] (440 Ω) intensitat [A] (440 Ω) potència [W] (440 Ω) 5 11,05 0,01 0,11

10 21,7 0,07 1,5 15 32,8 0,12 3,9 20 43,8 0,17 7,4 25 54,2 0,22 12,1

Taula 3-2. Amb 440 Ω

- Resistència de 31 Ω


10 20,9 0,69 14,4 15 31,4 1,05 32,9 20 42 1,4 58,8 25 52,4 1,76 92,2




10 20,2 1,12 22,6 15 30,3 1,7 51,5 20 40,3 2,28 91,9 25 50,2 2,8 140,5




10 19,9 1,43 27,5 15 29,7 2,15 63,8 20 39,3 2,87 112,8 25 50 3,6 180




3.1.2.1 Relació de la tensió amb la freqüència en diferents resistències

0

10

20

30

40

50

60

5 Hz 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz

tensió [V] (440 Ω)tensió [V] (31 Ω)tensió [V] (20 Ω)tensió [V] (15 Ω)

FIG. 3-1 Relació de la tensió amb la freqüència en diferents resistències



3.1.2.2 Relació de la intensitat amb la freqüència en diferents resistències

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

5 Hz 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz

intensitat [A] (440 Ω)intensitat [A] (31 Ω)intensitat [A] (20 Ω)intensitat [A] (15 Ω)

FIG. 3-2 Relació de la intensitat amb la freqüència en diferents resistències



3.2.2.3 Relació de la potència amb la freqüència en diferents resistències

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

5 Hz 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz

potència [W] (440 Ω)

potència [W] (31 Ω)

potència [W] (20 Ω)potència [W] (15 Ω)

FIG. 3-3 Relació de la potència amb la freqüència en diferents resistències

D’aquí podem concloure que, a mesura que anem baixant el valor de la resistència la intensitat augmenta considerablement a partir de 30 Ω cap avall. En canvi, la tensió baixa d’una forma insignificant. Per tant, per treure un bon rendiment, s’ha de treballar amb càrregues baixes. Una solució com la que vam fer servir amb les bombetes és la utilització de transformadors que augmentin la intensitat, ja que la tensió no baixarà si no ens hem passem. 3.2 Mesura dels paràmetres elèctrics a diferent velocitat de vent Per tal de donar una idea de les característiques de generador i del rectificador, he fet una sèrie de mesures (amb el PM6000) de tensió i intensitat que genera on la intensitat és mesurada en una fase de les tres que ens proporciona (Col. D) i la tensió entre fases (Col. F). També he mesurat la tensió i la intensitat un cop rectificada (Col. F i Col. G) on és tancat el circuit amb tres resistors de 220 ohms en paral·lel. Les gràfiques de les mesures es recullen a l’annex.



FIG. 3.4. El senyal trifàsic del generador és connectat al rectificador (Col. D i Col.F) que és transformat a un senyal monofàsics continu (Col. F i Col. G)

Col. A Col. B Col. C Col. D Col. E Col. F Col. G

5 Hz 120 r.p.m. --- 23,1 V 18,4 V 312,4 mA 250,0 mA 10 Hz 240 r.p.m. 3.1 m/s 47,2 V 36,8 V 638,2 mA 512,1 mA 15 Hz 360 r.p.m. 4,8 m/s 71,2 V 55,3 V 961,5 mA 769,5 mA 20 Hz 480 r.p.m. 6.5 m/s 94,7 V 73,8 V 1,3 A 1,0 A

Taula 3-6.

Col. A Freqüència de rectificador Col. B Velocitat de gir del motor Col. C Velocitat del vent Col. D Voltatge a l’entrada del rectificador entre fases del H80 Col. E Voltatge a la sortida del rectificador Col. F Corrent a l’entrada del rectificador d’una fase Col. G Corrent a la sortida del rectificador 3.3 Mesura dels paràmetres elèctrics amb bombetes incandescents L’aerogenerador, a banda de ser un estri d’anàlisi en el meu projecte de final de carrera, també serà utilitzat com a mostra al Palau de Congressos de Tarragona durant Setmana de la Ciència. Per tal de fer-se més amè per als visitants de la fira, com a carrega es connectaran bombetes incandescents, que augmentaran la seva intensitat lluminosa quan la velocitat del rotor augmenti. És a dir, podran comprovar, com genera electricitat a partir de l’aire, en el nostre cas, motoritzat. No obstant, la consigna serà introduïda des de la pantalla del variador. Les bombetes són de 100 W i 230 V. De la següent manera, podem calcular la intensitat que circula per les bombetes.

IVP ·= ; IVW ·230100 = ; VWI

230100

= ; I = 0,435 A (3.2)



I un factor important és la resistència d’aquestes:

RIP ·2= ; RAW ·)435,0(100 2= ; 2)435,0(100

AWR = ; R = 528,47 Ω

(3.3)

En la primera prova, les bombetes les he unit de la següent forma:

FIG. 3-5. Cada bombeta està unida entre dues fases de l‘aerogenerador

FIG. 3-6. Bombetes



Els resultats són els següents:

Freqüència Tensió entre fases [V]

Intensitat de fase [A]

Potència [W]

Lluminositat

3 Hz 10,70 0,03 0,32 Res 6 Hz 21,9 0,1 2,19 Ferret il·luminat 9 Hz 32,5 0,13 4,22 Ferret il·luminat 12Hz 44,7 0,16 7,15 Ferret il·luminat 15 Hz 57,8 0,19 11,00 Comença a fer llum 18 Hz 68 0,21 14,28 Comença a fer llum

Taula 3-7.

Treballant a una potència deu vegades inferior a la nominal, costa poc entendre que la llum serà dèbil. És per això que es pensa en posar transformadors, per tal de posar el triple de bombetes i obtenir, a més a més, més intensitat lluminosa en cadascuna d’elles. Hi haurà tres grups amb tres bombetes cadascun. La connexió es realitzarà en tres grups de tres bombetes en paral·lel, on, a cada grup hi haurà dues fases que vindran del transformador.



FIG. 3-7. Esquema de la disposició de les bombetes

FIG. 3-8. Disposició de les bombetes

D’aquesta forma es reduirà la impedància de les bombetes vista des dels parells de fases, ja que estan les bombetes en paral·lel i això comportarà una disminució de la tensió.



FIG. 3-9. Transformadors utilitzats

Posant aquests transformadors, aconsegueixo que la tensió pugi cinc cops i la intensitat baixi cinc cops, obtenint així una intensitat i tensió coherent amb les característiques de les bombetes i així obtenint uns valors de lluminositat adequats amb les freqüències que s’han d’aplicar.

Freq [Hz] Vi [V] Vo [V] Ii [A] Io [A] Ib [A] Pb [W]

3 3,61 13,0 1,50 0,22 0,07 0,95 6 10,44 41,3 2,25 0,50 0,17 6,88 9 17,0 71,4 3,00 0,67 0,22 15,95 12 24,0 101,3 3,63 0,82 0,27 27,6 15 31,6 130,7 4,18 0,94 0,31 40,95 18 38,4 159,2 4,67 1,06 0,35 56,25 21 45,0 183,1 5,09 1,15 0,38 70,19 24 51,4 206,0 5,45 1,24 0,41 85,15

Taula 3-8.

Freq Freqüència del variador Vi Tensió entre fases a l’entrada del transformador Vo Tensió entre fases a la sortida del transformador Ii Intensitat d’una fase a l’entrada del transformador Io Intensitat d‘una fase a la sortida del transformador Ib Intensitat que circula per cada bombeta Pb Potència de cada bombeta Podem observar com la tensió de la sortida es multiplica per cinc respecta a la tensió de sortida. En canvi, la intensitat de sortida es divideix entre cinc respecte a la intensitat d’entrada. Per tal de equilibrar-ho, es posaran tres transformadors que passen de 50 V a 230 V. Podem dir que augmenten la tensió cinc cops. Lògicament, la intensitat, la disminuiran cinc cops, ja que la potència ha de ser la mateixa. D’aquesta forma, obtenim potències adequades per a fer brillar les bombetes a velocitats de rotor coherents amb el vent.



3.4 Mesura dels paràmetres que intervenen en el sistema L’assaig amb el que es poden observar totes les prestacions del sistema dissenyat per mi és el següent. En el següent assaig la càrrega està formada per quatre bateries en sèrie carregades sobre uns 9,5 volts cadascuna. La tensió entre bornes de les quatre bateries és 38,24 V en el moment de posar en funcionament l’aerogenerador. En executar el programa els valors mecànics i elèctrics que hi intervenen en funció del temps són els següents:

Taula 3.8.

Taula 3.9. Amb taules com les anteriors es podria fer un estudi detallat de l’aerogenerador H80.

Temps [s]

Freqüència [Hz] (consigna

del variador)

Tensió [V rms] (entrada del rectificador

“entre fases”)

Intensitat [A rms] (entrada del rectificador

“una fase”)

Tensió [V] (sortida

del rectificador)

Intensitat [A] (sortida

del rectificador)

Parell [N·m]

Ve_ locitat [rad/s]

120 5 2,04 8,02 38,70 10,80 16,0 31,41 120 10 2,19 9,43 39,25 12,70 18,2 59,69 120 15 2,47 12,43 39,52 16,90 19,9 91,73 120 20 2,62 13,90 39,68 18,74 19,3 123,15120 25 2,70 14,83 39,86 20,15 18,3 154,57120 30 2,77 15,35 39,98 20,64 17,3 186,30120 35 2,78 15,40 40,19 20,82 16,2 218,03

Freqüència [Hz] (consigna

del variador)

elècP [W] mecP [W] η [%]

5 417,96 502,56 83,2 10 498,48 1086,36 45,9 15 667,89 1825,43 36,6 20 743,60 2376,80 31,29 25 803,18 2828,63 28,4 30 825,19 3223,00 25,6 35 837,16 3532,09 23,7

4. Plànols

Pàgina - - de 113

81

4- PLÀNOLS

4. Plànols


4.1 Placa PCB 4.1.1 Esquema

FIG 4-1 Esquema placa PCB

4. Plànols


4.1.2 Layout

FIG 4-2 Layout placa PCB

5. Pressupost

Pàgina - - de 113

84

5- PRESSUPOST

5. Pressupost


5.1 Pressupost general Codi Unitats Descripció Quan_ Preu IMPORT

titat Unitari (€)

1.1 ut Rectificador trifàsic SKD160 1 127,7 127,74 CENT VINT-I-SET AMB SETANTA-QUATRE EUROS

1.2 ut Variador Siemens Micromaster 440 1 1200 1200 MIL DOS-CENTS EUROS

1.3 ut Aerogenerador H80 1 3500 3500 TRES MIL CINC-CENTS EUROS

2.1 ut Regleta 1 1,05 1,05 UN AMB CINC EUROS

2.2 ut PIC24FJ64GA002 1 4,36 4,36 QUATRE AMB TRENTA-SIS EUROS

2.3 ut Conversor DAC 1 2,06 2,06 DOS AMB SIS EUROS

2.4 ut Adaptador MAX 232 1 3,12 3,12 TRES AMB DOTZE EUROS

2.5 ut Operacional 741 1 0,30 0,30 ZERO AMB TRENTA EUROS

2.6 ut Resistor ¼ W 4 0,03 0,12 ZERO AMB DOTZE EUROS

2.7 ut Connector RJ6 1 0,64 0,64 ZERO AMB SEIXANTA-QUATRE EUROS

5. Pressupost


Codi Unitats Descripció Quan_ Preu IMPORT Titat unitari (€)

2.8 ut Encoder 1 136,15 136,15 CENT TRENTA-SIS AMB QUINZE EUROS

2.9 ut Condensador 10uF, 100 V 1 0,25 0,25 ZERO AMB VINT-I-CINC EUROS

2.10 ut Condensador 100nF, 63 V 5 0,12 0,60 ZERO AMB SEIXANTA EUROS

2.11 ut Regleta doble 1 0,55 0,55 ZERO AMB CINQUANTA-CINC EUROS

2.12 ut Regleta triple 1 0,85 0,85 ZERO AMB VUITANTA-CINC EUROS

2.13 ut Connector 6 1 0,30 0,30 ZERO AMB TRENTA EUROS

2.14 ut Connector 2 2 0,10 0,20 ZERO AMB DEU EUROS

TOTAL 4 978,29 €

El preu total de la partida puja a 4 978,29 EUROS

6. Plec de condicions

Pàgina - - de 113

87

6- PLEC DE CONDICIONS



6.1 Reunits El Dr. JAVIER MAIXÉ ALTÉS professor titular universitari del Departament d’Enginyeria Electrònica, Elèctrica i Automàtica (DEEEA) de la Universitat Rovira i Virgili (URV), amb domicili, a efectes de notificacions, a l’Avinguda dels Països Catalans, 26, de Tarragona (43007). i El Sr. JORDI FORCADELL RUBIO, com a enginyer tècnica industrial especialitzat en electrònica, pendent de projecte, amb domicili, a efectes de notificacions, a l’Avinguda Catalunya, 26, d’Alcanar (43530). Reconeixent-se mútuament la capacitat jurídica necessària per obligar a les respectives entitats mitjançant el present document. 6.2 Exposen 6.2.1 Primer Que l’enginyer tècnic industrial Jordi Forcadell Rubio té experiència demostrada en l’àrea dels seus estudis. Per aquest motiu, DEEEA està interessat en ell. 6.2.2 Segon Que la URV com a institució sense ànim de lucre i que té com a finalitats principals entre d’altres, les de formació i docència, les d’investigació i recerca i a la vegada les d’afavorir i recolzar els convenis de col·laboració amb Jordi Forcadell Rubio en les tasques de recerca i suport a la docència. 6.3 Clàusules 6.3.1 Primera (objectius) El DEEEA i Jordi Forcadell col·laboraran en activitats científiques d’investigació i desenvolupament tecnològic desenvolupades per aquest departament o amb d’altres unitats de recerca amb la condició de tercers en relació al present acord. 6.3.2 Segona (objecte de l’acord) L’objecte d’aquest contracte és que el Sr Jordi Forcadell Rubio realitzi el projecte titulat EMULADOR DE L’EIX MECÀNIC D’UN AEROGENERADOR per al Departament d’Enginyeria Electrònica, Elèctrica i Automàtica de la Universitat Rovira i Virgili i a sol·licitud seva:



6.3.3 Tercera (condicions d’acceptació del treball) El Sr Jordi Forcadell Rubio accepta realitzar el treball sol·licitud, d’acord amb el programa de treball que figura en la Memòria descriptiva. 6.3.4 Quarta (extensió de la col·laboració) La col·laboració s’entén en el sentit més ampli, tanmateix es veuen com a programes que necessàriament s’hauran de desenvolupar, els següents:

a) Execució de programes de recerca i desenvolupament. b) Conveni per a la utilització d’equipament i de suport en la realització i

certificació. Per a cada programa dels esmentats, es definiran les línies mestres a seguir pel que fa a descripció detallada dels tipus d’accions, sistemàtica a seguir, impresos a complimentar, especialitats tècniques disponibles o qualsevol altre tipus d’informació de caire general i de procediment que faciliti la formalització dels futurs acords específics de col·laboració. 6.3.5 Cinquena (contingut de programes específics) Cada projecte realitzat a l’empara d’aquest acord serà objecte d’un contracte específic, el qual haurà d’incloure, entre d’altres, els següents aspectes.

a) Definició d’objectius específics. b) Descripció del projecte i les diferents tasques a realitzar. c) Planificació de mitjans materials i humans necessaris i cronograma corresponent. d) Pressupost i el seu pla de finançament. e) Determinació de l’aplicabilitat directa del present acord en tot el que no estigui determinat de forma especifica el contracte del projecte. f) Designació de responsables directes del projecte per ambdues parts.

6.3.6 Sisena (coordinadors/responsables) El DEEEA designa el Dr. Javier Maixé Altes com a coordinador de l’acord signat amb Jordi Forcadell Rubio. Per altra banda , el coordinador que figura és Jordi Forcadell Rubio. Aquest es podrà actualitzar durant la vigència de l’acord segons convingui, comunicant-ho per escrit a l’altra part. La persona designada serà la interlocutora i coordinadora del programa de col·laboració i la persona a la que serà adreçada tota consulta, corresponent a comunicació general.



6.3.7 Setena (emissió d’informes) El responsable del projecte informarà regularment al DEEEA sobre la marxa dels treballs que segons la memòria li correspongui desenvolupar. Aquestes persones seran responsables de regir i impulsar les diferents tasques assignades a cada part. A la vegada, seran les responsables d’emetre l’informe final de tancament del projecte amb les conclusions a què ha conduït el treball. 6.3.8 Vuitena (durada) La durada del present acord és de 31 setmanes, comptades a partir de la data de signatura d’aquest acord. En qualsevol cas, ambdues parts contemplen la possibilitat de fer unes sessions de seguiment per tal de revisar els resultats de les diverses activitats de col·laboració, proposar-ne de noves i definir possibles accions de millora. 6.3.9 Novena (principis d’actuació) El DEEEA i el Sr. Jordi Forcadell Rubio col·laboraran en tot moment sota els principis de bona fe i eficàcia per assolir amb el millor èxit els projectes que es subscriguin. 6.3.10 Desena (resolució de conflictes) Després d’esgotar la via de l’acord privat i donada la impossibilitat manifesta d’arribar a un pacte acceptable per les parts davant d’un hipotètic, ambdues parts acorden que per a la resolució de qualsevol qüestió litigiosa que es plantegi a l’empara del present acord o dels contractes específics que se subscriguin en el futur, les parts se sotmetran a l’arbitratge institucional del Tribunal Arbitral de Barcelona de l’Associació Catalana per a l’Arbitratge, encarregant-li la designació d’àrbitres i administració de l’arbitratge d’acord amb el seu reglament i sent d’obligat compliment la seva decisió arbitral. S’exceptuen d’aquesta submissió aquelles qüestions que no siguin de lliure disposició. Abans d’emprendre cap acció contra el DEEEA i/o la URV s’haurà d’haver formulat la reclamació administrativa prèvia tal com ho estableixen els articles 120 i següents de la Llei de Procediment Administratiu. I en prova de conformitat, ambdues parts signen el present pacte, a la ciutat i el la data esmentada.



Pel DEPARTAMENT d’ENGINYERIA L’ENGINYERIA TÈCNICA INDUSTRIAL ELECTRÒNICA, ELÈCTRICA I AUTOMÀTICA DR. JAVIER MAIXÉ ALTÉS JORDI FORCADELL RUBIO

7. Bibliografia

Pàgina - - de 113

92

7- BIBLIOGRAFIA

7. Bibliografia

Pàgina - - de 113

93

7.1 Llibres consultats - LÁZARO, MANUEL. Programación Gráfica para el Control de Instrumentación (LabVIEW 7.1.). Thomson, 2005. ISBN: 84-9732-391-2. - CHARTE, F. Programación con C++ Builder 5. 2000. Madrid: Anaya Multimedia. ISBN 84-415-385-8. - ANGULO, J.M. Microcontroladores avanzados dsPIC: Controladores Digitales de Senyales. Arquitectura, programación i aplicaciones. 2006. Madrid: Thomson. ISBN: 84-415-1046-6. - MUHAMMAD H. RASHID. Electrónica de potencia. Parson. ISBN: 621-382-6 - Data Sheet PIC24FJ64GA004 Family. - MAIXÉ ALTÉS, JAVIER “Apunts Electrònica de Potència” ETSE.URV. - GUASCH, MIQUEL. Electrotècnia. Mc Graw Hill. - Manual PM6000. - Manual variador de freqüència. 7.2 Pàgines web consultades - http://forum.microchip.com - http://www.rs-online.com - http://es.farnell.com - http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en026374 (Datasheet PIC24FJ64GA004)

8. Annex

Pàgina - - de 113

94

8- ANNEX

8. Annex


8.1 Manual de funcionament per a l’usuari 8.1.1 Sistema complet

FIG. 8-1. Sistema complet 8.1.2 Connexionat a la placa PCB

FIG. 8-2. Connexionat de la placa

8. Annex


1 Connectat al pin 3 del regleter del variador (ADC 1+). 2 Connectat al pin 4 del regleter del variador (ADC 1-). 3.1 Connectat a la font d’alimentació (0 V). 3.2 Connectat a la font d’alimentació (Vref). 3.3 Connectat a la font d’alimentació (-15 V). 3.4 Connectat a la font d’alimentació (15 V). 3.5 Connectat a la font d’alimentació (5 V). 3.6 Connectat a la font d’alimentació (3,6 V). 4 Connectat a l’ICD 2 (ordinador amb MPLAB). 5 Connectat al pin 3 del port sèrie (ordinador amb labVIEW). 6 Connectat al pin 2 del port sèrie (ordinador amb labVIEW). 7 Connectat al fil blanc de l’encoder. 8 Connectat al fil groc i fil groc-verd de l’encoder. 9 Connectat al fil verd de l’encoder. 10 Connectat al born negatiu del PM6000. 11 Connectat al born positiu del PM6000.

Taula 8-1. Connexionat de la placa amb la resta d’elements Les dades que estan en gris, tal i com es va dir al principi de funcionament, significa que podem prescindir d’elles en cas de carregar el programa al PIC. Aclariments sobre el connexionat de la taula anterior

FIG. 8-3. Font d’alimentació FIG. 8-4. Port sèrie (punt 3 de taula 8.1) (punts 5 i 6 de la taula 8.1)

8. Annex


FIG. 8-5. Regleter del variador (punts 1 i 2 de la taula 8.1) 8.1.3 Funcionament 1) Engegar l’ordinador que té instal·lat el labVIEW. 2) Engegar l’ordinador que té instal·lat l’MPLAB. 3) Un cop engegats obrir els programes labVIEW i MPLAB. 4) A través de labVIEW obrir el document ul.vi. 5) A través de l’MPLAB obrir el document encoder. 6) Engegar el PM6000. 7) Engegar el variador de freqüències. 8) Introduir les dades a l’entorn gràfic de labVIEW. 9) Engegar la font d’alimentació. 10) Executar el programa ul. 11) Executar el programa encoder. 12) Parar d’executar. Com introduir les dades al entorn gràfic del labVIEW (punt 8 de taula 8.1.)

FIG. 8-6. Explicació de l’entorn gràfic

8. Annex


1 Posar un endarreriment entre lectura i escriptura (10 es experimentalment bo). 2 Per tal que s’entengui amb el PIC s’ha de posar “None”. 3 Per tal que s’entengui amb el PIC s’ha de posar 1.0. 4 Per tal que s’entengui amb el PIC s’ha de posar “None”. 5 Per tal que s’entengui amb el PIC s’ha de posar 8. 6 Per tal que s’entengui amb el PIC s’ha de posar 9600. 7 Triar el port sèrie que vagi connectat al PIC (el que esta a la part superior de les torres

sol ser el COM1. 8 L’escala de temps es convenient posar un 100. D’aquesta forma s’incrementa el temps

cada dècima de segon a causa del fet de treballar amb mil·lisegons. 9 A cada variable de temps s’ha de posar el temps que vulguem determinar. * 10 En cadascuna de les caselles es desplega una graella on es pot triar la freqüència. *

Exemple: temps1 = 25, 120 r.p.m.; temps2 = 240 r.p.m.; temps3 = 60, 360 r.p.m. Això implicaria transmetre una velocitat de 120 r.p.m durant 2,5 s, desprès una de 240 r.p.m durant 1,5 s, etc.

Elecció de velocitat de gir del generador H80 (punt 10 de la taula):

Com engegar el variador de freqüències (punt 7 del seguit de passos del 8.1.3)

Endollant l’alimentació a la xarxa i perquè alimenti el motor, tocar el botó verd. Com executar el programa ul (punt 10 del seguit de passos del 8.1.3)

1) Executar el programa (donant amb el ratolí a la icona 1).

8. Annex


Com executar el programa encoder (punt 11 del seguit de passos del 8.1.3)

1) Connectar amb l’ICD (donant amb el ratolí a la icona 4). 2) Compilar el programa (donant amb el ratolí a la icona 1). 3) Carregant el programa (donant amb el ratolí a la icona 3). 4) Executar el programa (donant amb el ratolí a la icona 2). Com parar d’executar (punt 12 del seguit de passos del 8.1.3)

1) Parar d’executar l’MPLAB (donant amb el ratolí a la icona 2). 2) Parar d’executar el labVIEW (donant amb el ratolí a la icona 1).

8. Annex

Pàgina - - de 113 100

8.2 Valors que pren la consigna de velocitat Fins ara, el projecte no ha mencionat els valors exactes pels quals passa una consigna de velocitat (assignada a priori per l’usuari mitjançant labVIEW) des del moment que és enviada pel port sèrie, fins que arriba a ser una velocitat real del H80. No obstant, a l’apartat “principi de funcionament” s’ha explicat pels diferents elements físics que hi circula, a l’apartat “material harware utilitzat” s’ha entrat en detall sobre com estan connectats aquests elements i a “l’apartat de programació” s’han explicat les funcions software i parametritzacions que s’han realitzat. La raó de no entrar en detall fins tenir-ho tot elaborat, ha estat a causa de la interacció entre elements que s’estableix. La taula següent il·lustra l’esmenta’t :

A B C D E F G 0 r.p.m. 2 X000XXXX 00001111 15 0,293 V 0 Hz

120 r.p.m. 3 X001XXXX 00011111 31 0,605 V 5 Hz 240 r.p.m. 4 X010XXXX 00101111 47 0,918 V 10 Hz 360 r.p.m. 5 X011XXXX 00111111 63 1,230 V 15 Hz 480 r.p.m. 6 X100XXXX 01001111 79 1,543 V 20 Hz 600 r.p.m. 7 X101XXXX 01011111 95 1,855 V 25 Hz 720 r.p.m. 8 X110XXXX 01101111 111 2,168 V 30 Hz 840 r.p.m. 9 X111XXXX 01111111 127 2,480 V 35 Hz

Taula 8-1. Valors que pren la consigna de velocitat

A = Consignes de la velocitat del labVIEW B = Nombre que surt pel port sèrie C = Pins 8-15 del PIC D = Pins 0-7 del conversor D/A E = Valor decimal de la columna D F = Tensió analògica del D/A G = Freqüència del H80 Els valors de la columna A, seran les velocitats que l’usuari podrà elegir des de l’entorn labVIEW abans d’executar el programa. Tot i que l’usuari tractarà amb les representacions de la columna A, inconscientment estarà assignant els nombres de la columna B, que seran els nombres que es transmetran pel port sèrie. En arribar al PIC, seran interpretats, i en funció del valor de la columna B, alimentaran els pins del PIC (columna C, pins 12-14) connectats al conversor D/A (columna D, pins 4-6). La resta de pins del conversor estaran fixats a uns valors constant (pins 0-3 a “1” i pin 7 a 0), la qual cosa farà que els pins digitals del conversor quedin com la columna D. Constantment el conversor estarà convertint de digital a analògic. Les conversions estan representades a la columna F. Els valors de la columna E seran els que s’han de substituir a la formula característica del conversor:

8. Annex

Pàgina - - de 113 101

)256/·(0 DViV = ; D = valor decimal (columna E) Vi = 5 V (tensió de referència) Vo = Tensió analògica (columna F) Per tal d’adaptar aquestes tensions a les necessàries perquè el variador funcioni a 0 Hz, 5 Hz, 10 Hz, etc. S’haurà de determinar els paràmetres de la recta del variador, explicada al apartat 1.6.2.4.

Per tant: P2000 = 35 (Hz) P0760 = 100 (%) P0759 = 2,48 (V) P0758 = 0 (%) P0757 = 0,29 (V) P0761 = 0 (V)

8. Annex

Pàgina - - de 113 102

8.3 Mesures amb el PM6000 Mesura quan la freqüència del variador és 5 Hz:

Verd Voltatge a l’entrada del rectificador entre fases del H80 Vermell Voltatge a la sortida del rectificador Lila Corrent a l’entrada del rectificador d’una fase Blau Corrent a la sortida del rectificador Verd 23,0 V (entre fases) Vermell 18,4 V Lila 312,4 mA Blau 250,9 mA

Group D, Ch4 = entrada del rectificador Group E, Ch5 = sortida del rectificador

8. Annex

Pàgina - - de 113 103

Mesura quan la freqüència del variador és 10 Hz:

Verd Voltatge a l’entrada del rectificador entre fases del H80 Vermell Voltatge a la sortida del rectificador Lila Corrent a l’entrada del rectificador d’una fase Blau Corrent a la sortida del rectificador Verd 47,2 V Vermell 36,8 V Lila 638,2 mA Blau 512,1 mA


8. Annex

Pàgina - - de 113 104


Verd Voltatge a l’entrada del rectificador entre fases del H80 Vermell Voltatge a la sortida del rectificador Lila Corrent a l’entrada del rectificador d’una fase Blau Corrent a la sortida del rectificador Verd 71,2 V Vermell 55,3 V Lila 961,5 mA Blau 769,1 mA


8. Annex

Pàgina - - de 113 105


Verd Voltatge a l’entrada del rectificador entre fases del H80 Vermell Voltatge a la sortida del rectificador Lila Corrent a l’entrada del rectificador d’una fase Blau Corrent a la sortida del rectificador Verd 94,7 V Vermell 73,8 V Lila 1,3 A Blau 1,0 A


8. Annex

Pàgina - - de 113 106


Verd Voltatge a l’entrada del rectificador entre fases del H80 Vermell Voltatge a la sortida del rectificador Lila Corrent a l’entrada del rectificador d’una fase Blau Corrent a la sortida del rectificador Verd 117,6 V Vermell 92,0 V Lila 1,6 A Blau 1,3 A


8. Annex

Pàgina - - de 113 107

8.4 Fotografies del equip complet

8. Annex

Pàgina - - de 113 108

8. Annex

Pàgina - - de 113 109

8.5 Setmana de la Ciència Cada any la universitat URV col·labora amb la Setmana de la Ciència. Una de les parades era de la ETSE, on Jordi Forcadell va portar sota el seu càrrec la mostra del funcionament de l’aerogenerador, explicant les seves característiques i avantatges mediambientals per tal d’incentivar a possibles futurs alumnes de l’escola.

8. Annex

Pàgina - - de 113 110

8.6 Codi del PIC24 #include <p24FJ64GA002.h> #include <stdio.h> long int tics=0; int __attribute__((address(0x900))) pols=0; unsigned long int __attribute__((address(0x910))) periode_volta=0; long int __attribute__((address(0x918))) frequencia=0; int Segarra232=0; char mostra_freq=0; char __attribute__((address(0x926))) buf[4]; //int temps_antic=0; //aquestes tres variables no es fan servir però si les llevo em fan coses molt rares el compilador //int temps_nou=0; //int pols2=0; void __attribute__ ((__interrupt__)) _U1TXInterrupt (void) IFS0bits.U1TXIF=0; void __attribute__ ((__interrupt__)) _U1RXInterrupt (void) //esta consecutivament mirant el valor de la freqüència que li envia el labview per el 232 // Segarra232=U1RXREG; //el valor U1RXREG (que conte la freq insertada per el 232) es guardada a segarra232 on en switch (Segarra232) //funció del cas activarà uns pins (R12-R15)o uns altres que van connectats als pins de control //de la velocitat del variador case 0x0031: //10Hz 1er->0000 PORTB=0x0000; break; case 0x0032: //Hz 2on->0001 PORTB=0x1000; break; case 0x0033: //Hz 3er->0010 PORTB=0x2000; break; case 0x0034: //Hz 4rt->0011 PORTB=0x3000; break; case 0x0035: //Hz 5e->0100 PORTB=0xC000; break; case 0x0036: //Hz 6e->0101 PORTB=0xD000; break; case 0x0037: //Hz 7e->0110 PORTB=0xE000; break; case 0x0038: //Hz 8e->0111 PORTB=0xF000; break;

8. Annex

Pàgina - - de 113 111

IFS0bits.U1RXIF=0; void __attribute__ ((__interrupt__)) _INT2Interrupt (void) //entra a cada interrupció provocada per la detecció d’un flang pols++; if (pols==1) T1CONbits.TON=1; if (pols==10) T1CONbits.TON=0; periode_volta=(tics/10)*20; frequencia=1000000.0/periode_volta; tics=0; pols=0; IFS1bits.INT2IF=0; void __attribute__ ((__interrupt__)) _T1Interrupt (void) //entra a cada interrupció provocada per el timer (cada 0,1 ms) tics++; //cada interrupcio provocada pel timer (cada 0,1 ms) s'augmenta tics IFS0bits.T1IF=0; //Es baixa el flag d'interrupció void __attribute__ ((__interrupt__)) _T2Interrupt (void) //guardem al buffer de transmissió //serveix per enviar la freqüència per 232 (al labview en grups de 4 caràcters //obtenint així la freqüència formada per 4 caràcters on l’últim son els mHz, lante_ //penúltim les dHz, les cHz i el 4rt els Hz U1TXREG=buf[3]; U1TXREG=buf[2]; U1TXREG=buf[1]; U1TXREG=buf[0]; IFS0bits.T2IF=0; //Es baixa el flag d'interrupció OC1RS=(frequencia*0.00731428); void Timer1_Ini () //inicialit TIMER1 per saltar cada 0,1 ms TMR1=0x00FF;

PR1=0x0190; //cada 0,1 ms dona una interrupció per tal d’incrementar tics que es a partir don treurem la freqüència dividint per el numero de flangs

IPC0bits.T1IP=1; //prioritat 1 IFS0bits.T1IF=0; //flag a 0

8. Annex

Pàgina - - de 113 112

IEC0bits.T1IE=1; //s'habilita la interrupció T1CON=0x0000; //preescaler a 0 void Timer2_Ini () //inicialit TIMER2 per tal de transmetre dades pel

port sèrie cada... TMR2=0x00FF; PR2=0x186A; //20 Hz IPC1bits.T2IP=1; //prioritat 1 IFS0bits.T2IF=0; //flag a 0 IEC0bits.T2IE=1; //s'habilita la interrupció T2CON=0x8020; //preescaler a 1:64 void INT2_ini() //inicialització per tal de configurar el pin d’entrada de l’encoder INTCON2=0x0000; RPINR1bits.INT2R=9; IPC7bits.INT2IP=5; //prioritat 5 IFS1bits.INT2IF=0; //flag a 0 IEC1bits.INT2IE=1; //s'habilita la interrupció void UART1_albiol_ini() //inicialitzar per tal de configurar el port sèrie del PIC RPINR18bits.U1RXR=6; //entrada U1RX pin RP6 RPOR3bits.RP7R=3; //sortida U1RX pin RP7 U1MODE=0x0000; //configurem enviament de 8 bits U1BRG=25; //Baud Rate de 9600 bauds U1STA=0x0000; //interrupcio de transmissió i recepció PMSTAT=0; IFS0bits.U1TXIF=0; IPC3bits.U1TXIP=4; IEC0bits.U1TXIE=0; IFS0bits.U1RXIF=0; IPC2bits.U1RXIP=5; IEC0bits.U1RXIE=1; U1MODEbits.UARTEN=1; //habilitació de la UART U1STAbits.UTXEN=1; //habilitació de la transmissió void PWM_ini () T3CON=0x0010; //Derivat clock intern, preescaler 1:8 RPOR1bits.RP3R=18; //s’assigna pin 3 OC1CONbits.OCTSEL=1; //timer 3 es la font de rellotge OC1 TMR3=0x0000; PR3=0x00F9; //es carrega el T OC1RS=0x0000; //DC 0 OC1R=0x0000; //DC inicial 0 OC1CONbits.OCM=0B110; //mode PWM T3CONbits.TON=1; //habilitació timer 3

8. Annex

Pàgina - - de 113 113

char * itoa(char *buf, long num, int base) //per a enviar la freqüència amb grups de 4 caràcters int i=0; int j=0; while(1) buf[i++]="0123456789"[num%base]; num/=base; if (num==0) break; buf[i]='\0'; for (j=i/2; j=0; j--) char aux = buf[j]; buf[j]=buf[i-1-j]; buf[i-1-j]=aux; return buf; void main () //PMCON=0; //PMMODE=0; //PMAEN=0; CLKDIV=0; //es treu el divisor d'oscil·lador INT2_ini(); UART1_albiol_ini(); TRISBbits.TRISB2=0; PWM_ini (); AD1PCFG=0xFFFF; TRISBbits.TRISB15=0; TRISBbits.TRISB14=0; TRISBbits.TRISB13=0; TRISBbits.TRISB12=0; TRISBbits.TRISB12=0; //TRISBbits.TRISB11=0; //TRISBbits.TRISB10=0; PORTB=0x0000; Timer1_Ini(); Timer2_Ini(); OC1RS=0x00CF; while (1) itoa(&buf,frequencia,10);

Documents

EMULADOR DE L’EIX MECÀNIC D’UN AEROGENERADORdeeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/1043pub.pdf · de vent en energia elèctrica (punt de partida d’aquest projecte). L’AIGUA,