Diseño, construcción y control de un aerogenerador de equipo de prácticas de bajo coste

i Proyecto Fin de Grado GIA Diseño, construcción y control de un aerogenerador de equipo de prácticas de bajo coste Autor: María Paz Luque Alcántara Tutor: Ignacio Alvarado Aldea Dept. de Ingeniería de sistemas y automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 ii Proyecto Fin de Grado GIA Diseño, construcción y control de un aerogenerador de equipo de prácticas de bajo coste Autor: María Paz Luque Alcántara Tutor: Ignacio Alvarado Aldea Profesor contratado doctor Dept. de Ingeniería de sistemas y automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 iv Proyecto Fin de Carrera: Diseño, construcción y control de un aerogenerador de equipo de prácticas de bajo coste Autor: María Paz Luque Alcántara Tutor: Ignacio Alvarado Aldea El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2017 El Secretario del Tribunal v A mis profesores y compañeros A mis amigos A mis padres vii Agradecimientos En primer lugar, a todos los docentes que he tenido el placer de conocer como alumna, los cuáles han hecho posible que hoy esté aquí, especialmente a Ignacio Alvarado Aldea, por su capacidad de trasmitir entusiasmo por el mundo ingenieril y el inestimable apoyo y conocimiento adquirido en el desarrollo de este proyecto. También, agradecer a mi familia, en especial a mis padres, su constante apoyo y motivación a la hora de desarrollar mis aptitudes acádemicas. En último lugar, a mis compañeros que me han acompañado durante estos cuatro años, en especial a Manuel Carreño Ruiz, José Ramos Gálvez y Ángel Calderón Quintero, apoyo incondicional tanto en mi formación acádemica como personal. María Paz Luque Alcántara Sevilla, 2017 ix Resumen En esta memoria se recogen una serie de instrucciones detalladas acerca del montaje de un aerogenerador con sistema de paso variable, que, mediante programación en Arduino, tiene como principal objetivo producir corriente a una frecuencia determinada que depende de dos variables: • La demanda eléctrica. • El paso de pala óptimo con el que la potencia generada es máxima. Una parte fundamental del proyecto ha sido el estudio experimental de diversas posibilidades y componentes que constituyesen la estrutura del aerogenerador y, a su vez, se han analizado diferentes circuitos electrónicos que generasen la demanda de energía adecuada del aerogenerador. Posteriormente, se desarollan una serie de códigos de programación, en lenguaje C++, que mediante la conexión del aerogenerador y diversos circuitos electrónicos a una placa de Arduino se logra el control estable del sistema. Estado del Arte 16 16 3 ESTADO DEL ARTE n este capítulo se va a proceder en primer lugar a realizar una descripción detallada de la evolución histórica de los aerogeneradores, su clasificación y componentes. Por último, se desarolla el cálculo de la potencia generada por un aerogenerador. E 17 Diseño, construcción y control de un aerogenerador de equipo de prácticas de bajo coste 5.3 Evolución Histórica El molino de viento aprovecha la energía eólica por medio de unas palas acopladas a un eje, las palas giran en círculo al incidir el viento sobre éstas. Este movimiento se transforma en energía mecánica a través del eje que sustenta las palas. Ésta a su vez puede ser transformada en otro tipo de energía según la aplicación para la que esté diseñado. La referencia mas antigua que se tiene es un molino de viento es del siglo I a. de C. inventado por el griego Herón de Alejandría. Los primeros molinos de uso práctico fueron construidos en Sistan, Afganistán, en el siglo VII. Estos fueron molinos de eje vertical con hojas rectangulares. Mecanismos constituidos por entre 6 y 8 velas de molino forradas con tela que se usaban para moler cereales o extraer agua. Ilustración 3.1.1Estructura de los primeros molinos de viento En Europa, comenzaron a aparecer los primeros molinos en el siglo XII en Francia e Inglaterra y durante la Edad Media se expandieron por todo el continente. Estos molinos eran de eje horizontal, al cual se encontraban unidas varias velas (normalmente entre cuatro y ocho) de entre 3 y 9 metros de longitud. Las velas se construían con madera, y a en algunos, estaban cubiertas con tela. La energía generada por el giro del eje se transmitía, a trabes de un sistema de engranajes, a la maquinaria del molino emplazada en la base de éste. De esta forma se lograba moler el trigo. Molinos de este tipo aún se hayan en Castilla-La Mancha o en Holanda. Ilustración 3.1.2 - Molino de viento común en Castilla-La Mancha Estado del Arte 18 18 Posteriormente, en Estados Unidos, se desarrollaron molinos para el bombeo de agua que fueron de gran importancia para la agricultura y la ganadería en zonas de Norteamérica de difícil acceso al agua. Este tipo de molinos se caracteriza por sus numerosas velas metálicas. Ilustración 3.1.3 - Molino multipala de bombeo de agua La estructura de los aerogeneradores modernos apareció a comienzos de 1980 cuando creció el interés por las energías renovables. La industria de la energía eólica en tiempos modernos comenzó en 1979 con la producción en serie de turbinas de viento por los fabricantes Kuriant, Vestas, Nordtank, y Bonus. De ahí en adelante, el diseño de éstos ha ido evolucionando aumentando las dimensiones de los aerogeneradores han aumentado al igual que la potencia generada por éstos. Ilustración 3.1.4 -Paisaje de aerogeneradores offshore Los aerogeneradores modernos generan actualmente una parte importante de la energía eléctricidad mundial. Alemania, USA y España son los tres países con más energía eólica instalada del mundo [1]. 5.4 Clasificación de los aerogeneradores La clasificación más habitual se basa en la posición de su eje principal. Existen dos tipos, los de eje horizontal y 19 Diseño, construcción y control de un aerogenerador de equipo de prácticas de bajo coste los de eje vertical: • Los aerogeneradores de eje vertical, tienen los ejes principales perpendiculares al suelo. Una ventaja de este uso es que captan el viento en cualquier dirección, por tanto, no necesitan un control de orientación, además el generador eléctrico se puede encontrar situado en el suelo reduciendo así el coste y la complejidad estructural. Su principal desventaja es que la producción energética es menor que la de los de eje horizontal. Existen tres tipos de aerogeneradores verticales como son Savonius, H-rotor y Darrrieus. • Los aerogeneradores de eje horizontal poseen los ejes principales situados paralelamente al suelo. Por lo general tienen 3 aspas. Se instalan en lo alto, donde nada obstruye las corrientes de viento. El objetivo es conseguir la mayor velocidad de viento que ayuda a girar las aspas y finalmente generar energía. Este es el tipo de aerogenerador que más se utiliza en la actualidad y es el diseño más común [2]. Ilustración 3.2.1Clasificación de los aerogeneradores Otro tipo de clasificación es según la posibilidad de variar el ángulo de sus palas, también según la velocidad, es decir, si son de velocidad fija o variable. • Los de paso variable pueden modificar su ángulo de pala pudiendo funcionar en un mayor rango de velocidad del viento, frente a los de paso fijo que no pueden variar el ángulo de sus palas. • En el caso de las variaciones de velocidad se producen variaciones de frecuencia. La frecuencia de la potencia generada tiene que estar sincronizada con la potencia de la red eléctrica (en España 50 Hz), por lo que, los aerogeneradores de velocidad variable requieren rectifiadores de frecuencia. En los aerogeneradores de velocidad constante el control de la velocidad en caso de ser excesiva se realiza mediante uno frenos mecánicos actuando sobre el rotor [3]. 5.5 Principales componentes de un aerogenerador A continuación, se explicará de forma breve los elementos más importantes de los aerogeneradores: 1. Palas del rotor: capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. Las dimensiones actualmente rondan alrededor de los 30m. Estado del Arte 20 20 2. Buje: es el elemento que realiza la unión de todas las palas del aerogenerador. Se monta sobre el eje de baja velocidad, desde el que se transmite el par motriz a la transmisión de potencia del aerogenerador. 3. Multiplicadora: permite que el eje de alta velocidad gire 50 veces más rápido que el eje de baja velocidad. 4. Ejes de alta y baja velocidad: el eje de baja velocidad (secundario) del aerogenerador conecta el buje del rotor al multiplicador. El eje de alta velocidad (primario) está equipado con un freno de disco mecánico de emergencia. Este freno se utiliza en caso de fallo del freno aerodinámico, o durante el proceso de mantenimiento de la turbina. 5. Generador: Está formado por una máquina encargada de transformar la energía mecánica de rotación en energía eléctrica. 6. Controlador: el controlador electrónico tiene un ordenador que continuamente monitoriza las condiciones del aerogenerador y que controla el mecanismo de orientación. En caso de cualquier anomalía, automáticamente se para el aerogenerador y llama al ordenador del encargado (operario), de la turbina a través de un enlace telefónico o módem. 7. Anemómetro: se utiliza para medir la velocidad del viento. Le manda este dato al controlador, el cual actúa sobre el freno mecánico si es necesario. 8. Veleta: se utiliza para medir la dirección del viento. Manda los datos al controlador para que éste actúe sobre el motor de orientación [4]. Ilustración 3.3.1 - Componentes de un aerogenerador 5.6 Potencia Eólica de un aerogenerador de eje horizontal La obtención de la potencia de un aerogenerador se consigue convirtiendo la fuerza del viento en un par que actúa sobre las palas del rotor, es decir, éstas absorben la energía cinética del viento. La energía cinética se calcula según: 𝐸𝑐= 1 2 𝑚 𝑣2 Al girar las aspas del aerogenerador forman un círculo, por tanto, la masa de aire (𝑚) que atraviesa el aerogenerador tiene forma de cilindro. Así, para calcular la potencia eléctrica que produce un aerogenerador se supone un periodo de tiempo arbitrario 𝑡, en el cuál se asume que la velocidad 𝑣 permanece constante. 21 Diseño, construcción y control de un aerogenerador de equipo de prácticas de bajo coste Por tanto, si se supone un cilindro cuya base sea el área barrida que forman las palas y la altura sea la distancia recorrida por el aire en el tiempo 𝑡, según la figura: Ilustración 3.4.1 – Volumen de aire que atraviesa un aerogenerador Así se obtiene la energía cinética del volumen de aire que atraviesa las palas del aerogenerador: 𝐸𝑐= 1 2 𝑚 𝑣2=𝜋𝐷2 8ρtv3 ρ: densidad del aire 𝐷: diámetro del área barrida A partir de la ecuación anterior, se puede calcular la potencia disponible generada en base a: 𝑃 =∆𝐸 ∆𝑡 = 𝜋𝐷2 8ρv3 Por todo ello, se deduce que la potencia del viento depende de la densidad del aire, del área barrida por las palas y del cubo de la velocidad del viento, por tanto, una pequeña variación en la velocidad del viento implicará una variación importante en la potencia disponible. La cantidad de potencia eólica aprovechable depende de las características de funcionamiento de la máquina y viene dada por: 𝑃𝑎=𝐶𝑝 𝜋𝐷2 8ρv3 Donde 𝐶𝑝, es el coeficiente de potencia y expresa la fracción de potencia extraída, siendo función, entre otras, de la velocidad del viento o la velocidad angular de la turbina. El coeficiente de potencia presenta un valor máximo teórico establecido a partir de la teoría del rotor 𝐶𝑝𝑚𝑎𝑥 = 0,59 y es conocido como límite de Betz. En la práctica, este límite teórico no se llega a alcanzar, puesto que en el proceso de conversión de la energía eólica a energía eléctrica intervienen diversos elementos que conllevan ciertas pérdidas. Estado del Arte 22 22 Una manera común de determinar la eficiencia de un aerogenerador es utilizar la relación entre el coeficiente de potencia (𝐶𝑝) y la velocidad tangencial o Tip Speed Ratio (𝜆), siendo λ la relación entre la velocidad tangencial en el extremo de la pala y la velocidad del viento: 𝜆= 𝑣𝑡 𝑣𝑤𝑖𝑛𝑑 =ΩR 𝑣𝑤𝑖𝑛𝑑 Donde: R es el radio del rotor en [m]. Ω es la velocidad angular de la turbina en [rad/s]. 𝑣𝑤𝑖𝑛𝑑 es la velocidad del viento en [m/s]. La forma de la curva de la relación 𝜆−𝐶𝑝 depende de cada aerogenerador, si bien, se pueden agrupar según el tipo de aerogenerador [5]. Ilustración 3.4.2 - Curva de la relación 𝜆−𝐶𝑝 23 Diseño, construcción y control de un aerogenerador de equipo de prácticas de bajo coste 4 COMPONENTES DEL PROTOTIPO n el capítulo actual se va a describir de forma detallada, en primer lugar los elementos que lleva embarcado el aerogenerador, así como del proceso que se siguió para el montaje y la puesta a punto del mismo. E Componentes del prototipo 24 24 4.1 Componentes para el montaje del aerogenerador A continuación se va a pasar a describir los elementos que se emplearon para poder construir el aerogenerador, así como del hardware extra que se le implementó para poder lograr los objetivos propuestos. 4.1.1 Palas Con el objetivo de construir un aerogenerador con palas de paso variable, tras encontrar diversas dificultades a la hora de adquirir unas palas de aerogenerador con las dimensiones adecuadas para el prototipo deseado, se consideró la búsqueda de palas de maquetas de aviones de hélice de paso variable. Así, las palas empleadas para el montaje de la maqueta son las mostradas en la siguiente figura: Ilustración 4.1.1.1-Sistema de palas de paso variable comprado a través de Hobbyking [6] Las características de este sistema de palas de paso variable son: • Palas de 9” de diámetro • Rango de variación de paso de pala de ±15º En un principio, debido a que la longitud de las palas adquiridas era pequeña, el par generado por éstas al incidir una corriente de viento (la generada por un ventilador) no era suficiente para girar el eje del motor. Por tanto, se consideró la idea de alargar la longitud de las palas. Éstas son las empleadas en el montaje final, palas de 11” de diámetro en las que se ha fijado un añadido de papel de acetato, como se muestra en la figura. Ilustración 4.1.1.2 - Palas con añadido de papel de acetato 25 Diseño, construcción y control de un aerogenerador de equipo de prácticas de bajo coste Por otro lado, se intentó obtener un mejor diseño de palas mediante impresión 3D. El diseño de la pala se tomó ya realizado [7] rediseñando con CATIA la zona que engancha con el sistema de cambio de paso del que se disponía. Tras varias impresiones en 3D se obtuvo una pala que encajaba perfectamente en la estructura. Una vez obtenido el diseño, debido a la baja calidad de la impresora 3D empleada se lijó la superficie de ésta con el objetivo de minimizar su rugosidad. Ilustración 4.1.1.3 -Pala realizada con impresión 3D Ilustración 4.1.1.4.-Diseño del enganche al sistema de cambio de paso de pala Al probar el equipo con estas nuevas palas se observó que los resultados obtenidos eran peores, se alcanzaban menos revoluciones del motor que con las anteriores. El motivo era debido tanto a la baja calidad de la impresión como al diseño de la pala, que depende de la velocidad del viento, y cuya torsión, es función de éste y es de difícil cálculo. Por este motivo se volvió a reemplazar las palas por las anteriores. 4.1.2 Motor El criterio principal que condiciona la elección del motor es que el voltaje obtenido, empleando el motor como generador sea como mínimo de 3V (para el encendido de un LED son necesarios 2 V además de la caída de tensión que pudiese haber en el resto del circuito) debido a los requisitos exigidos por el ciruito electrónico al que se conecta, es decir la demanda de energía a la que éste es sometido. En principio, por simplicidad se utilizó un motor de corriente continua, ya que, a diferencia de los motores de alterna, no requiere el uso de un circuito rectificador de tensión (circuito que transforma la tensión de alterna en continua). Pero, éste no generaba la corriente suficiente (0,3V) debido a que las palas no generaban el par Software empleado 32 32 5 SOFTWARE EMPLEADO ste capítulo desarrolla el sistema de control empleado con un modelo de caja negra. Recalcar que en este capítulo se encuentran explicaciones acerca de los distintos scripts realizados [8], mientras que dichos scripts se encuentran en el apartado llamado Anexo de Scripts. E 33 Diseño, construcción y control de un aerogenerador de equipo de prácticas de bajo coste 5.7 Descripción del sistema de control Se ha desarollado este proyecto mediante un sistema de caja negra, es decir, ha sido estudiado desde el punto de vista de las entradas que recibe y las salidas o respuestas que produce, sin tener en cuenta su funcionamiento interno, donde los resultados conseguidos a continuación se han obtenido de forma experimental. 5.1.1 Control de la velocidad del motor En primer lugar, se explica como obtener la medida de las revoluciones del motor con un encoder. Mediante el encoder se obtiene el número pulsos por revolución del motor para posteriormente poder controlar esta señal. El encoder tiene 3 cables de salida: 1. Cable negro, GND, que debe ir conectado a la tierra del Arduino. 2. Cable rojo que debe ir conectado a los 5V del Arduino. 3. Cable blanco. Para poder cablear esta señal al Arduino, se tiene que añadir una resistencia entre este cable y 5V, de forma que cuando el interruptor se cierre el cable verde se pondrá a 0V y cuando se abra, gracias a la resistencia añadida, se pondrá a 5V. En este montaje, a la resistencia, se le llama una resistencia de PULL UP. Arduino posee este tipo de resistencia de forma interna y se puede conectarlas mediante software (programación). Para ello declararemos el pin al que conectemos dicha entrada con la instrucción pinMode(pin, INPUT PULLUP) y Arduino conectará una resistencia de 20K entre dicho pin y 5V. De esta forma se puede conectar directamente el cable verde al pin del Arduino. Por último, como esta entrada se utiliza como una interrupción externa, ha de estar conectada al pin 2 o al pin 3 del Arduino, en este caso, el pin 3. Ilustración 5.1.1.1 Esquema del conexionado del encoder La forma más precisa de obtener los pulsos es mediante una interrupción que se ejecute cuando un pin cambia de valor. Así, la interrupción se ejecutará cada vez que el encoder mida un pulso. Software empleado 34 34 Se le añade a setup() la instrucción que activa la interrupción externa attachInterrupt(INT 1, pulsos,CHANGE). La función pulsos lo único que hará será incrementar un contador. Cada 100ms restaremos el valor del contador al valor que el contador tenía en la interrupción temporal previa. Para garantizar el tiempo de muestreo se utilizan interrupciones temporales, en cada interrupción se cuentan el número del pulsos entre esta vez y la anterior. Sabiendo cada cuanto se ejecuta la interrupción temporal, podemos saber la velocidad solo contando los pulsos. Así, mediante una interrupción temporal que se ejecuta cada 100ms se obtienen los pulsos por décima de segundo (pds). Para ello, previamente, se añade la librería TimerOne.Por lo que, se añade de nuevo a setup(): Timer1.initialize(100000) Timer1.attachInterrupt(func_ISR) Donde la función func_ISR se ejecutará así cada 100ms restando al contador el valor que tomó éste en los 100ms anteriores. Si se usa dentro de la función func_ISR una variable volátil bandera flag que al entrar en la interrupción toma el valor 1 y posteriormente vuelve a tomar el valor 0, se puede trabajar sobre el código principal metiendo la condición if (flag==1). Tras implementar este código, primero se han medido las revoluciones del motor con paso de pala fijo con el ángulo en el punto que tiene mayor par de arranque. El rango de velocidades que se puede medir es muy pequeño, entre 14 y 16 pulsos cada 100ms (pulsos por décima de segundo, pds). Es decir, solo podemos medir 3 velocidades diferentes. Además, se presenta el inconveniente de que los pds oscilan mucho. Para solucionarlo se usa un filtro que proporciona los ps (pulsos por segundo), cada 100 ms, como suma de las 10 medidas anteriores. Para obtener los ps se programa una pila LIFO (Last In First Out) que almacene las 10 últimas medidas de velocidad (pds), de forma que en cada periodo de muestreo se almacena una muestra nueva (Last In, la última medida obtenida entra en la pila) y sale la medida más antigua la primera que se tomó (First Out). No es más que un vector de dimensión 10, que almacena las 10 últimas medidas de velocidad como se ha descrito. En cada periodo de muestreo se añade la medida nueva, se elimina la más antigua, se suman todas las medidas de velocidad contenidas en el vector, y esa es la medida de ps deseada. De esta manera se obtienen velocidades que oscilan entre 140 y 155 pero cada 100ms teniendo un mayor rango para controlar. Si el paso de pala se varia, se observa cómo este rango de ps varía entre 0 y 250. Quedando por tanto demostrada la utilidad del paso variable en los aerogeneradores y el motivo de su implementación en este proyecto. 5.2.1 Control de la potencia demandada Para aportar energía a la red eléctrica, los aerogeneradores deben estar dotados de un sofisticado sistema de sincronización para que la frecuencia de la corriente generada se mantenga perfectamente sincronizada con la de la red (En el caso de España 50 Hz). Por ello, el objetivo es decidir a qué velocidad debe girar el motor y que la acción de control se ajuste de forma automática para que se alcance esa velocidad. El motor elegido tiene 4 cables de salida que serían dos correspondientes a los polos positivos y dos a los negativos. La salida se conecta a los dos circuitos rectificadores, como se explicó en el capítulo 4. La salida de los circuitos rectificadores se conecta en paralelo a la carga demandada (en este caso leds). 35 Diseño, construcción y control de un aerogenerador de equipo de prácticas de bajo coste El control de las revoluciones del motor se basa en la fuerza contraelectromotriz inducida por los leds al motor. Este fenómeno es la causa de que al aplicar una demanda de energía (la energía consumida por los leds) al motor (actuando como generador) las revoluciones del motor disminuyan, es decir, frene el motor. De forma que, a medida que aumenta la intensidad que llega a los leds, la fuerza electromotriz inducida sobre el motor será mayor y lo frenará en mayor medida. Así, la acción de control es una señal que regula la intensidad que llega a los leds del circuito. La señal que regula la intensidad es una señal PWM (Modulación de ancho de pulso) de 8 bits que, en lugar de emitir una señal continua en nuestra salida, emite una serie de pulsos cuya duración se puede modificar, pero con una frecuencia constante, de 490 Hz aproximadamente, de manera que la tensión promedio resultante es directamente proporcional a la duración de estos pulsos dentro el intervalo de nuestro período (determinado por la frecuencia de 490 Hz). Como la señal es de 8 bits se puede tomar valores de 0 a 255, es decir, se tienen un rango de 256 niveles a los que ajustar la señal. La instrucción analogWrite(pin, value) permite ajustar el porcentaje de tiempo en la que la señal está en nivel alto. Ilustración 5.2.1.1 -Señal PWM Por tanto, el objetivo es ajustar la señal PWM, que conectada al Gate del MOSFET, le permite actuar como un interruptor, de forma que, en el porcentaje de tiempo que la señal esté en nivel alto el MOSFET permitirá el paso de corriente a los leds. En el que esté en nivel bajo el MOSFET actuará como un circuito abierto y no llegará corriente a los leds. Este proceso se realiza en un intervalo de tiempo muy pequeño (entorno a 2ms) y se repite de forma continua para los diferentes valores que toma la señal PWM. Así, cuanto mayor sea el valor que tome, mayor será el voltaje que llegue a los leds y mayor la caída de revoluciones del motor. Así, esta señal es la que regula el intervalo de tiempo que el MOSFET actúa como circuito abierto o cerrado. Si hubiese sólo un MOSFET esta señal, como se ha explicado, tendría un rango de control de 0 a 255. Pero, el circuito empleado consta de 3 MOSFET, cada uno de ellos conectado a 2 leds en serie. El emplear 3 circuitos iguales en paralelo permite aumentar el rango de demanda de energía de 0 a 766, o lo que es lo mismo, el rango de revoluciones del motor a controlar. De forma que, cuando sobre los 3 MOSFET la señal PWM tomé el máximo valor (255) la demanda de energía será la máxima (se encenderán todos los leds y serán mínimas las revoluciones del motor) y cuando sobre los 3 MOSFET la señal tomé el valor mínimo (0) ocurrirá o contrario. Con una única señal PWM, a la que se denomina 𝑢𝑘, se pueden controlar los 3 MOSFET estableciendo tres rangos: • Si 𝑢𝑘∈[0,255] se controla la primera serie de leds conectados al MOSFET 1, estando los MOSFET 2 y 3 al mínimo (0). • Si 𝑢𝑘∈[256,511] se controla la segunda serie de leds conectados al MOSFET 2, el MOSFET 1 se ajusta al nivel máximo (255) y el MOSFET 3 continúa en el mínimo. Software empleado 36 36 • Si 𝑢𝑘∈[512,766] se controla la tercera serie de leds conectados al MOSFET 3 y los MOSFET 1 y 2 se ajustan al nivel máximo. • Por tanto, la señal 𝑢𝑘 varía entre 0 y 766 y en función de su valor se encenderán 2, 4 o 6 leds y la intensidad de estos será mayor o menor. Por ejemplo, si la señal vale 200 sólo se encenderán los dos primeros leds, pero no al máximo de su intensidad. Así, con tres instrucciones analogWrite(pin, value) , una por cada MOSFET conectado a un pin diferente (5,6,11) teniendo en cuenta que sean aquellos que en la placa de Arduino usen el Timer 1, debido a que las interrupciones que se desarrollan posteriormente usan este Timer. 5.7.3 Identificación del sistema En primer lugar, en un sistema de control de caja negra para determinar el orden del sistema de control, el retardo, la constante de tiempo y la ganancia se realiza un ensayo con entrada escalón unitario y se procede a estudiar la salida. Graficamente se pueden obtener las características descritas del sistema: • El orden del sistema viene determinado por la suavidad de la curva de la salidad en el momento que se produce la variación en la salida. Si ésta presenta un cambio brusco el sistema es de primer orden, por el contrario, si presenta un cambio suave el sistema es de orden superior. • El retardo es la cantidad de tiempo desde que se produce una variación en la señal de entrada hasta que se produce una variación en la salida. • La constante de tiempo es la cantidad de tiempo requerido para que la variable llegue a un 63.2% de su valor en estado estacionario desde que se produce una variación en la entrada. • La ganancia es la diferencia entre el valor de la salida cuando alcanza el régimen estacionario y el valor inicial, es decir, el incremento que se produce en la señal de salida. En el caso de un ensayo ante esalón no unitario la ganancia 𝑘𝑝 viene dada por: 𝑘𝑝=𝑦1−𝑦0 𝑢1−𝑢0 Donde 𝑦1 𝑒 𝑦0, son el valor de la salida en régimen estaionario después del escalón y antes del esalón respetivamente y 𝑢1 𝑦 𝑢0 son el valor de la entrada antes y después del escalón. 37 Diseño, construcción y control de un aerogenerador de equipo de prácticas de bajo coste Así en el ensayo ante escalón se obtienen las siguientes gráficas, donde el escalón va de 0 a 600. Ilustración 5.3.1.1 - Ensayo ante escalón En la gráfica anterior la línea roja representa el escalón dividido entre 10 y la línea azul los ps. A continuación, se muestra la gráfica de ps ampliada. Ilustración 5.3.1.2 – Gráfica de ps ampliada 510 15 20 25 30 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 510 15 20 25 30 140 142 144 146 148 150 152 154 156 158 160 Software empleado 38 38 Por lo que se puede concluir que el sistema de control es de primer orden, la ganancia 𝑘𝑝=0.02 y la constante de tiempo 𝜏 =1𝑠. El tiempo de muestreo considerado previamente (100ms) es válido puesto que es 10 veces menor que la constante de tiempo. 5.1.4 Sistema de control de revoluciones de un motor con paso de pala fijo Para controlar las revoluciones del motor mediante un sistema de control PI se define una variable error en el instante k, 𝑒𝑘, según: 𝑒𝑘=𝑝𝑠𝑘−𝑟𝑒𝑓𝑘 Donde 𝑟𝑒𝑓𝑘 es la velocidad deseada o de referencia y 𝑝𝑠𝑘 es la velocidad real definidos en un instante k. La velocidad de referencia se introduce con un potenciómetro. Esta referencia debe ser un valor del rango de velocidades que se pueden alcanzar (se utiliza map para adaptar el valor medido del potenciómetro a al rango de velocidades ps posible). map es una función que permite cambiar de escala una variable. int x=analogRead(A1); int ref=map(x,0,1023,110,195) Donde x es el valor obtenido con lectura analógica del potenciómetro comprendido entre 0 y 1023. El resultado es una 𝑟𝑒𝑓𝑘 comprendida entre 140 y 155. La señal de control PWM que regula el voltaje (o intensidad) que llega a los leds definida previamente en la descripción del sistema se calcula de la siguiente manera: 𝑢𝑘=𝐾𝑝𝑒𝑘+𝐾𝑖∑𝑒𝑖 𝑖=0 El primer término es el proporcional y el segundo el integrador. Se visualizan la gráfica con la evolución de dichas magnitudes con Serial Plotter para poder obtener de forma experimental los valores de 𝐾𝑝 𝑦 𝐾𝑖. De esta forma cuanto más grande sea el error, más grande la señal PWM. A medida que se reduce el error se reduce la señal PWM hasta q se alcanza un equilibrio en el que, normalmente, la velocidad está cerca pero no es exactamente la deseada. 𝐾𝑝 𝑦 𝐾𝑖 se ajustan por ensayo y error, mientras más grande sea 𝐾𝑝 más pequeño es el error respecto a la referencia, más rápido será la evolución de la velocidad, pero, más oscilante. Se busca un valor de 𝐾𝑝 en el que el sistema oscile, pero muy poco, con objeto de que sea rápido, con error pequeño, pero sin oscilaciones. Para eliminar el error en régimen permanente se introduce el término integral, donde 𝐾𝑖 se ajusta de la misma manera permitiendo reducir el tiempo en el que la velocidad alcanza la referencia. El término integral ha de ser saaturado puesto que sino cuando la señal no sea capaz de alcanzar la referencia en un perido de tiempo el término integral irá aumentando de forma indefinida y cuando se varie la referencia aparecerá el efecto wind-up por el que la señal presenta un retraso a la hora de alcanzar la nueva referencia. 39 Diseño, construcción y control de un aerogenerador de equipo de prácticas de bajo coste Ilustración 5.1.4.1 -Ensayo ante escalón de sistema de control PI 5.2 Control del paso de pala La siguiente imagen muestra el conexionado del servo en el equipo. Ilustración 5.2.1 – Esquema del conexionado del servo 510 15 20 25 30 35 40 45 50 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 Software empleado 40 40 El rango de paso de pala que permite el sistema es de ±15º. Se busca controlar el paso con el objetivo de que para una velocidad de referencia dada (la que se ajusta con el control de revoluciones del motor) el aerogenerador sea capaz de obtener la máxima potencia posible (máximas revoluciones). El sistema de control de paso de pala se hace mediante un Look-up table, es decir, la posición del servo (o lo que es lo mismo, el paso de la pala) viene dada por una interpolación de los 5 datos obtenidos de forma experimental que maximizan la potencia extraida (a una velocidad determinada, controlada por el control PI del apartado anterior). Para controlar el paso de pala se usa la librería ServoTimer2 debido a la necesidad de utilizar una librería con interrupciones en el Timer2, puesto que el Timer1 se utilizó ya para las interrupciones temporales. Esta librería permite mediante la instrucción servoYaw.write(value) ajustar el valor deseado en el servo. La instrucción debe ser previamente inicializada en el setup() mediante servoYaw.attach(yawPin) donde el valor del pin yawPin debe haber sido declarado previamente #define yawPin pin, en este caso el pin 4. Al igual que en el apartado anterior el valor que toma el servo tiene un rango que viene determinado por el rango de paso de pala del sistema. Este rango ha sido obtenido manualmente y va de 1000 a 1600 con el objetivo de no invertir el paso de la pala puesto que frenaría el aerogenerador. En primer lugar, para obtener los datos necesarios para el Lookup table se han usado dos pulsadores, de manera que, al pulsar uno de ellos el valor del paso aumente y al pulsar el otro disminuya. La variable que controle el paso será static (conserva el valor anterior dentro del loop()).Se introduce un valor inicial, obtenido experimentalmente como valor óptimo de arranque del aerogenerador de 1260. Posteriormente, se usan los dos pulsadores para variar este valor en ±20 unidades, ya que, el rango sobre el que se está actuando es grande. Para poder variar el valor del paso se declaran dos variables p1 y p2, asociadas a los estados del pulsador 1 y 2 respectivamente, y se usan dos instrucciones digitalRead(pin) para obtener el estado de cada pulsador. Se declaran dos variables static, una para cada pulsador, p1a y p2a, de forma que éstas toman el valor del pulsador en el anterior ciclo de loop(),es decir, el valor anterior de p1 y p2. Se pueden considerar dos condiciones que hacen cambiar el valor del paso: • Si 𝑝1=0 𝑦 𝑃1𝑎 =1 quiere decir que el pulsador uno se ha pulsado, por tanto, si incrementa el valor del paso (en el código la variable que define el paso se llama val), 𝑣𝑎𝑙 =𝑣𝑎𝑙+20 • Si 𝑝2=0 𝑦 𝑃2𝑎 =1 quiere decir que el pulsador uno se ha pulsado, por tanto, si incrementa el valor del paso: 𝑣𝑎𝑙 =𝑣𝑎𝑙−20 Teniendo en cuenta que el valor de val tiene un rango de 1000 a 1600. 41 Diseño, construcción y control de un aerogenerador de equipo de prácticas de bajo coste La tabla obtenida es la siguiente: ps (pulsos por segundo) val (posición del servo) 140 1260 183 1360 200 1420 220 1440 252 1460 Este sistema de control no actúa de forma ideal, ya que el sistema de variación del paso de pala ofrece una resistencia mecánica muy elevada y altas vibraciones. Pero, se comprueba como al variar el paso de la pala las revoluciones del motor aumentan de forma considerable. Las palas debido al empuje generado por el aire tienden a cambiar el paso aumentando el ángulo de ataque el sistema de regulación del paso de pala busca mantener el paso en el ángulo óptimo, la fricción aparece al actuar este. 5.3 Sistema de control de revoluciones de un motor con paso de pala variable Por último, se añade el efecto de cambio de paso de pala mediante el sistema de Lookup table explicado previamente. Se observa como las velocidades alcanzadas son mayores, pero el sistema no actúa de la forma adecuada. Es un sistema muy inestable debido a que a medida que aumenta la velocidad aumentan las vibraciones y, a su vez, la fricción tiene un papel muy importante. Gran parte de la energía generada se pierde en la fricción, no satisfaciendo la demanda energética esperada para mayores velocidades. Anexo de Scripts 48 48 int i2; int i3; void setup() { // put your setup code here, to run once: servoYaw.attach(yawPin); Timer1.initialize(100000); Timer1.attachInterrupt(func_ISR); pinMode(3,INPUT_PULLUP); attachInterrupt(1, pulsos ,CHANGE); Serial.begin(9600); pinMode(led1,OUTPUT); pinMode(led2,OUTPUT); pinMode(led3,OUTPUT); } void loop() { if(flag==1) { z = analogRead(1); intensidad = map(z, 0, 1023, 0, 766); i1=0; i2=0; i3=0; if (intensidad<=255) { i1=intensidad; } if (intensidad>255 && intensidad<=511) { 49 Diseño, construcción y control de un aerogenerador de equipo de prácticas de bajo coste i1=255; i2=intensidad-255; } if(intensidad>511) { i1=255; i2=255; i3=intensidad-511; } analogWrite(led1,i1); analogWrite(led2,i2); analogWrite(led3,i3); y = analogRead(potpin); val=1000; Serial.print(ps); servoYaw.write(val); flag=0; } } • Sistema de control de revoluciones de un motor con paso variable: se le añade al código anterior if(ps<140) { val=1260; } if(ps>140) { val=interp(ps); } Anexo de Scripts 50 50 • Los códigos de las funciones incluidas en los scripts previos son: 1. func_ISR: void func_ISR() { static long int conta=0; for(int p = 9; p >= 1; p --) { vector[p]=vector[p-1]; } vector[0]=contador-conta; conta=contador; ps=0; for(int i = 0; i <= 9; i += 1) { ps=ps+vector[i]; } flag=1; } 2. interp: int interp (int ps) { int yr[5]={1260,1360,1420,1440,1460}; int pr[5]={140,183,200,220,252}; int y; i=0; float m; int val; if(ps>=252) ps=251; 51 Diseño, construcción y control de un aerogenerador de equipo de prácticas de bajo coste else { while(ps>=pr[i]) { i++; } i--; m=(float)(yr[i+1]-yr[i])/(pr[i+1]-pr[i]); val=m*(ps-pr[i])+yr[i]; return(val); } } 3. pulsos: void pulsos() { contador++; } Referencias 52 52 REFERENCIAS [1] http://opex-energy.com/eolica/historia_aerogeneradores.html [2] Proyecto fin de carrera “Control de un aerogenerador”, Jesús Salinas Martínez [3] Proyecto fin de carrera “Análisis, Modelado y Simulación de un Aerogenerador de Velocidad variable basado en Máquina Doblemente Alimentada”, Miguel Antonio Jiménez Romero [4] http://xn--drmstrre-64ad.dk/wp-content/wind/miller/windpower%20web/es/tour/wres/index.htm [5] Proyecto fin de carrera “Suministro eléctrico de una masía mediante sistemas renovables”, Javier Morillo López [6] https://hobbyking.com/es_es/8-9-inch-variable-pitch-propeller-setup-w-linkage-assembly-and-mount.html [7] https://grabcad.com/ [8] “Uso de interrupciones en Arduino. Control de la velocidad de un ventilador de una cpu.” Curso de Arduino. Dpto. de Ingeniería de sistemas y automática, Universidad de Sevilla 53 Diseño, construcción y control de un aerogenerador de equipo de prácticas de bajo coste ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 3.1.1Estructura de los primeros molinos de viento Ilustración 3.1.2 - Molino de viento común en Castilla-La Mancha Ilustración 3.1.3 - Molino multipala de bombeo de agua Ilustración 3.1.4 -Paisaje de aerogeneradores offshore Ilustración 3.2.1Clasificación de los aerogeneradores Ilustración 3.3.1 - Componentes de un aerogenerador Ilustración 3.4.1 – Volumen de aire que atraviesa un aerogenerador Ilustración 3.4.2 - Curva de la relación 𝜆−𝐶𝑝 Ilustración 4.1.1.1-Sistema de palas de paso variable comprado a través de Hobbyking [6] Ilustración 4.1.1.2 - Palas con añadido de papel de acetato Ilustración 4.1.1.3 -Pala realizada con impresión 3D Ilustración 4.1.1.4.-Diseño del enganche al sistema de cambio de paso de pala Ilustración 4.1.2.1 -Motor MITSUMI M35SP-11NK Ilustración 4.1.2.2 -Motor de dos fases. Ilustración 4.1.2.3 – Motor DC de voltaje de trabajo 6V Ilustración 4.1.3.1Tipos de encoder óptico Ilustración 4.1.3.2 - Encoder magnético Ilustración 4.1.3.3 – Encoder empleado en el montaje Ilustración 4.1.4.1 -Servo SM S2309S Ilustración 4.1.4.2 – Montaje del servo en el equipo Ilustración 4.2.1Estructura de un circuito rectificador Ilustración 4.2.2 – Esquema del circuito Ilustración 4.2.2 -Montaje del circuito en una protoboard Ilustración 4.2.3 -Montaje completo del equipo Ilustración 5.1.1.1 Esquema del conexionado del encoder Ilustración 5.2.1.1 -Señal PWM Ilustración 5.3.1.1 - Ensayo ante escalón Ilustración 5.3.1.2 – Gráfica de ps ampliada Ilustración 5.1.4.1 -Ensayo ante escalón de sistema de control PI Ilustración 5.2.1 – Esquema del conexionado del servo Ilustración 5.2.1.1 – Ensayo ante escalón en el sistema con control PI y Lookup table