Bancada de Teste Dinâmico de Alternadores Automotivos

Homero de Oliveira, Universidade: Fatec Santo André

"Um dos principais benefícios de se usar a plataforma da NI foi a fácil integração entre o software e o hardware. "

- Homero de Oliveira, Universidade: Fatec Santo André

O desafio:

O desafio inicial do projeto foi desenvolver um sistema seguro para testes de alternadores automotivos e que impusesse as mesmas condições reais existentes num motor veicular. Dessa forma, é possível realizar vários testes de operação e desempenho do alternar como se ele estivesse instalado no veículo, mas de uma maneira robusta e bastante segura para o usuário, e a interface de operação deveria ser amigável e de fácil uso e flexível. Contudo, integrar hardware e software nesse projeto mostrou-se num primeiro momento um grande desafio a ser superado. No inicio do projeto discutiu-se a possibilidade de usar um microcontrolador PIC 18F4550 e hardwares com amplificadores operacionais. Mas durante o inicio das discussões percebeu-se que demandaria muito tempo para atingir os resultados desejados. Dessa forma, o único hardware que foi desenvolvido e implementado foi uma carga eletrônica regulável de 0 a 1200W.

A solução:

A solução foi trabalhar com uma plataforma de programação integrada entre hardware e software. A escolha natural foi usar o LabVIEW e o hardware USB 6009. Essa solução não tinha sido discutida no início do projeto, pois o autor queria trabalhar com a placa de CPU com PIC que já havia sido desenvolvida para outros projetos. As inúmeras dificuldades levantadas levaram a considerar com uso do LabVIEW e solicitando o empréstimo da placa USB-6009 para a FATEC Santo André. Dessa maneira, a arquitetura de controle e coleta de dados foi desenhada para usar as soluções da National Instruments. Todo controle do inversor de frequência é feito em LabVIEW 2016 juntamente com o hardware USB 6009. No modo automático, diversos regimes de carga e rotação pré-determinados são impostos ao alternador através do painel de comando virtual. Como já descrito anteriormente, o funcionamento é baseado em cinco componentes principais: conjunto PC + LabVIEW e placa USB-6009, uma fonte eletrônica de 1200 W, um inversor, um motor elétrico e o alternador a ser testado. O inversor é responsável por controlar a rotação do motor, que por sua vez tem movimento solidário ao alternador. Dessa forma, é possível impor diversos regimes de rotação ao componente e analisar seu rendimento quanto aos níveis de tensão e corrente fornecidos. Com a utilização de uma carga eletrônica de 1400W de potência, é possível simular condições próximas as encontradas em um veículo.

Descrição

O projeto consiste em desenvolver uma bancada de testes para alternadores automotivos de modo a simular as condições reais de funcionamento do alternador, e assim poder coletar dados para análises de rendimento e outras informações sobre o seu comportamento.

 

A bancada é composta de um motor de indução trifásico de 3 HP, um inversor de frequência, um módulo de aquisição de dados (DAQ) USB-6009, uma carga eletrônica de 1200W, fonte chaveada de 12V e uma bateria automotiva de 63 Ah.

 

O conjunto formado pelo motor de indução trifásico e um inversor de frequência simulam a variação de rotação que existe nos veículos ciclo Otto em geral. Com um sinal de 0 a 10V são simuladas rotações que variam de 900 a 5000 RPM. Esse sinal é aplicado à entrada analógica do inversor de frequência e que controlará a rotação do motor elétrico. Como o alternador trabalha com o dobro da rotação do moto Otto, existe um conjunto de polias que amplia em duas vezes a rotação do motor elétrico. Assim, o alternador é ligado na polia menor e o motor elétrico na polia maior.

 

A simulação do consumo de carga é realizada através de uma carga eletrônica de 1200 W que foi desenvolvida, projetada e construída especificamente para esse propósito. A carga eletrônica pode receber sinais de 0 a 5V que simulam o consumo de corrente de 0 a 100 A. Finalmente, um programa desenvolvido em LabVIEW 2016 juntamente com um hardware DAQ USB-6009 permitem que sejam gerados os perfis de operação (Rotação x Carga) existentes num veículo automotivo.

 

O programa permite gravar uma tabela simulando a rotação do motor do veículo e do consumo de corrente elétrica que está sendo imposta no alternador. Dessa maneira, é possível copiar o perfil de funcionamento do alternador num veículo comum e depois testar esse perfil na bancada. A imposição desse perfil de comportamento num outro alternador pode auxiliar nas análises de respostas e desempenho do alternador sob teste. Também é possível o controle manual da bancada via a interface do operador. Pode-se ajustar uma rotação e um valor de carga que será submetido ao alternador.

 

Os benefícios de utilizar o LabVIEW e as ferramentas da NI

Um dos principais benefícios de se usar a plataforma da NI foi a fácil integração entre o software e o hardware. Não houve problemas com drivers de software nem ajustes específicos para usar e integrar o hardware. Outro benefício que favoreceu o desenvolvimento da bancada foi a facilidade e velocidade de implementação do software. Diferentemente da aplicação com o PIC, que exige compilação e gravação do firmware, as implementações com o LabVIEW foram muito rápidas, sem a necessidade de compilar e gravar memórias flash. Some-se a isso a facilidade para montar o painel de operação virtual e que, ao final, fica com uma aparência bastante profissional.

 

Finalmente, durante o desenvolvimento do projeto, ficamos focados apenas no nosso problema, sem se preocupar com certos detalhes de software, cujas soluções se encontram na vasta biblioteca de funções do LabVIEW.

 

A figura abaixo combina uma visão geral da bancada de testes de alternadores automotivos que foi modificada para se tornar automática e, no canto superior direito, uma amostra da tela de controle desenvolvido em LabVIEW 2016.

 

A figura abaixo é apenas uma representação da arquitetura geral do funcionamento da plataforma de teste para Alternadores Automotivos.

 

Qual o nível do projeto? (beta, alpha ou completamente)

O projeto fez parte de um Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) e foi finalizado e apresentado à banca de avaliação da Fatec Santo André em 09 de dezembro de 2017. Dessa maneira, sob esse ponto de vista ele se encontra encerrado.

 

Tempo para desenvolver

O tempo de desenvolvimento total foi de oito (8) meses, pois a bancada já existia como um produto comercial, mas sem nenhuma automação. Ao longo dos meses de desenvolvimento, além da monografia foram desenvolvidos a carga eletrônica, instalação do inversor de frequência e a integração de hardware e software do LabVIEW com a bancada.

 

Revisões adicionais que podem ser feitas

As sugestões para melhorar o projeto podem ser sumarizadas como:

  • Implementar uma realimentação de rotação entre o motor e o inversor de frequência, pois o sistema trabalha atualmente em malha aberta e exige correções manuais de rotação à medida que a carga de corrente aumenta.
  • Instalar um hardware para medir a rotação e fechar a malha de controle no LabVIEW.
  • Instalar controle de temperatura no alternador e no sistema de arrefecimento da carga eletrônica de 1200W.
  • Otimizar o sistema de coleta e gravação de dados (datalogging) realizado neste projeto.

 

Informações sobre o autor:

Homero de Oliveira
Universidade: Fatec Santo André
Brazil
omerooliveira@hotmail.com