Controle PID de Potência em Corrente Alternada - Arduino e TRIAC - Parte I

Este post é o primeiro de uma série de seis que escrevi tratando de controle de potência e PID (controle proporcional, integral e derivativo) com o Arduino.

Os posts são os seguintes:

Controle de Pot. em CA - PID, Arduino e TRIAC - Parte I
Controle de Pot. em CA - PID, Arduino e TRIAC - Parte II
Controle de Pot. em CA - PID, Arduino e TRIAC - Parte III
Controle de Pot. em CA - PID, Arduino e TRIAC - Parte IV
Controle de Pot. em CA - PID, Arduino e TRIAC - Parte V
Controle de Pot. em CA - PID, Arduino e TRIAC - Parte VI

Quem estiver interessado em controle de potência por ângulo de fase pode ler só a parte correspondente (posts I, II e III). Quem quiser aprender sobre PID deve ler a série toda, para poder entender os exemplos da parte de PID.

Procurei descrever de forma simples ambos os processos, mas usando a terminologia correta que se usa em Engenharia de Controle e Automação. Acho esses tópicos dos mais importantes em mecatrônica, e na net não tem muita coisa em português. Mesmo em inglês não tem material prático e que ao mesmo tempo explique a teoria por trás desses tópicos. Boralá?

Um grupo de alunos da FATESF me procurou para ajudá-los com um trabalho muito interessante na área de controle. Como o processo envolvia controle de temperatura de uma resistência ligada em 220V, resolvi estudar a ideia de como controlar potência com o Arduino.

Para se controlar corrente alternada, temos duas alternativas:

- A primeira seria colocar um relé ou algo parecido que ligasse e desligasse a energia na resistência comando pelo Arduino. Esse tipo de controle, bem simples, deveria funcionar para controle de temperatura.  É o tipo de controle da geladeira: o motor (compressor) é ligado sempre que a temperatura sobre acima de um determinado valor e desliga quando a temperatura cai abaixo de outro valor.
Como no caso do projeto a ideia é controlar uma resistência (que foi adaptada de um chuveiro, inclusive), esse controle tipo relé daria pro gasto, eu acho. Mas como é um TCC, foi indicado pelo professor que se utilizasse uma forma de controle mais sofisticada: o chamado Controle Proporcional-Integral-Diferencial, ou PID para os mais chegados.

- O PID é basicamente o que a gente faz com o chuveiro da casa da gente quando está fazendo frio, o que aliás é o caso por esses dias aqui em São José dos Campos: se a água tá fria a gente fecha um pouco a torneira e ela esquenta mais, se fica quente demais a gente abre a torneira, tentando manter a temperatura num valor confortável (o "set point", na linguagem técnica).  Ou seja, nesse caso, em vez de ficar desligando e ligando a resistência do chuveiro a gente fica tentando ajustar o fluxo de água de maneira que seja atingido o equilíbrio próximo ao set-point. Normalmente a gente consegue, ou seja, conseguimos achar um ponto de equilíbrio entre a quantidade de água que entra no chuveiro e a temperatura da água na saída. Aí o banho rola sossegado.
Eventualmente a gente fica o banho todo abrindo e fechando a torneira, o "relógio cai" (disjuntor desarma, em engenheirês) e a gente passa aperto etc. Isso pode acontecer com esse tipo de controle quando ele não está bem ajustado ou as condições para o controle são muito adversar (por exemplo, o dia está muito frio).

Para implementar isso precisamos de um mecanismo de controle que nos permita variar a quantidade de energia enviada à resistência, de maneira a variar a taxa de aquecimento dela, ou seja, a rapidez com que ela vai esquentar (e a temperatura que irá atingir) precisam ser devidamente controlados.

Ocorre que o fato da resistência ser ligara à rede de distribuição de energia (220V em SJC), traz as seguintes implicações.

1) IMPORTANTE: A TENSÃO DE  220V MATA! Se vc resolver, a partir das informações que leu aqui montar um circuito igual ou semelhante, preste muita atenção ao que for fazer, e peça ajuda a profissionais mais experientes caso não se sinta confortável com o desafio. Se ocorrer algum acidente vc pode se machucar seriamente, e certamente vai danificar algum equipamento que já estiver ligado ao circuito (incluindo o seu computador).
O circuito que eu vou sugerir é seguro, tem opto-acopladores para isolar a parte de potência (onde rolam os 220V) da parte de controle, onde estarão conectados o Arduino e consequentemente o seu PC, ou seja, fazendo com o devido cuidado não deverá haver surpresas.

2) Além da tensão ser alta, ela é CA (corrente alternada). Isso complica um bocado o mecanismo de controle. Par entender como vai funcionar a bagaça, precisamos de um pouco de teoria.



No gráfico acima, temos a relação entre o tempo e a tensão em corrente alternada. Dá prá ver que a tensão fica variando, num mesmo fio, entre +220V e -220V, passando por 0V no meio do caminho. Isso significa, grosso modo, que a tensão se alterna entre "indo e voltando" pelo fio. O caminho percorrido de 0V até o próximo 0V corresponde a meio ciclo, ou seja, duas passagens pelo eixo X compõem um ciclo.

No rede elétrica brasileira esses ciclos acontecem 60 vezes por segundo. Por isso se diz que a frequência da  corrente alternada no Brasil é de 60 ciclos/segundo, ou 60 Hertz (Hz).

O que tem isso a ver com o nosso projeto? É que, para controlar efetivamente a energia enviada à resistência (ou qualquer outra carga, uma lâmpada, por exemplo), temos que cortar, proporcionalmente ao controle que queremos fazer, um "pedaço" da onda. Veja nas fotos abaixo. Elas foram tiradas da tela de um osciloscópio, que é um equipamento que permite que a gente examine a forma de onda de pontos de um circuito elétrico.

Essa é a onda completa, ou seja, quase como vem na tomada de energia das nossas casas. Ela tem uma pequena flutuação perto do zero (que não ocorre na energia da concessionária, só dentro desse tipo de circuito), depois eu explico porque.

Aqui vc vê a onda onde apenas em mais ou menos metade de cada meio ciclo tem energia, ou seja. a tensão cai em direção ao zero e permanece aí por um quarto de ciclo, em seguida dando um salto para -220V e seguindo em direção a zero. O mesmo acontece com o meio ciclo positivo.

 Aqui a forma de onda onde a quantidade de energia enviada ao resistor é bem baixa, ou seja, a tensão fica em zero quase todo tempo, dando apenas um pequeno pico ao final de cada meio ciclo.

Bom, e como é que se faz esse controle?

Primeiro a gente tem que fazer um circuito que faça com que o Arduino seja informado a cada ciclo, para que um segundo circuito comandado pelo Arduino faça o controle da forma da onda.

No próximo post a gente discute essa parte do circuito.