Fonte de alimentação ininterrupta sem baterias para uma linha de montagem didática, recorrendo a ultracondensadores

Abstract

Na indústria, uma falha ou um distúrbio no fornecimento de energia elétrica pode produzir efeitos significativamente negativos, nomeadamente o desperdício de matérias primas e a eventual danificação de ferramentas devido à interrupção de processos de fabrico, bem como a necessidade de reprogramação de dispositivos. Para assegurar a continuidade do fornecimento de energia elétrica, várias tecnologias têm sido desenvolvidas, nomeadamente fontes de alimentação ininterrupta ou UPS (Uninterruptible Power Supply). A maioria das UPS usa a energia disponível internamente, em baterias de ácido-chumbo, para compensar a falha no fornecimento de energia elétrica. Contudo, o uso de baterias apresenta algumas desvantagens, especialmente o longo tempo de carga, a sensibilidade a variações de temperatura, o peso elevado e o reduzido número de ciclos de carga e descarga. O objetivo desta dissertação consiste no desenvolvimento de uma UPS para alimentação de uma linha de montagem didática Bytronic - Industrial Control Trainer 1 (requer uma fonte externa com uma tensão constante de 12 V) e do autómato responsável pelo seu controlo (especificado para uma tensão alternada de pelo menos 100 V / 50 Hz). O tempo de processamento inerente à linha de montagem é inferior a 1 minuto e 10 segundos. Em vez de baterias, a UPS recorre a ultracondensadores para o armazenamento interno de energia, o que conduz à redução da manutenção e ao aumento da eficiência. A UPS desenvolvida possui um sistema de carregamento, um sistema de elevação de tensão (conversor flyback) e um inversor CC/CA para alimentar o autómato programável. A alimentação da linha de montagem faz-se mediante um conversor CC/CC. Os algoritmos de controlo do sistema, responsáveis por assegurar o seu correto funcionamento, foram implementados em microcontroladores de 8 bits. Quando há uma falha no fornecimento de energia por parte da rede elétrica, a UPS desenvolvida é capaz de assegurar o funcionamento da linha de montagem didática e do autómato programável durante aproximadamente 10 minutos. Assim, o objetivo proposto (descrito no parágrafo anterior) foi plenamente atingido.

In the industry, a fault or disturbance in electrical energy supply may lead to significant adverse effects, in particular the waste of materials and possible damage of tools due to the interruption of manufacturing processes, and the need of reprogramming devices. To ensure the continuity of electrical energy supply, some technologies have been developed, including Uninterruptible Power Supplies (UPS). To compensate the electrical energy supply failure, the majority of the UPS use the energy available internally in lead–acid batteries. However, this fact leads to some important drawbacks, namely the large charging time, the susceptibility to temperature variations, the heavy weight and the reduced number of charging and discharging cycles. The main goal of this dissertation is to develop a UPS capable of feeding a Bytronic - Industrial Control Trainer 1 didactic assembly line (requires an external source with a constant voltage of 12 V) and the Programmable Logic Controller (PLC) needed for its control (requires an alternating voltage of at least 100 V / 50 Hz). The processing time inherent to the assembly line is less than 1 minute and 10 seconds. Instead of batteries, the UPS uses ultracapacitors as internal energy storage, which leads to reduced maintenance and increased efficiency. The developed UPS includes a charging system, a flyback converter and a DC / AC inverter to supply the programmable controller. The feeding of the assembly line is made through a DC / DC converter. The system control algorithms, responsible for ensuring it correct operation, were implemented in 8-bit microcontrollers. When there is a failure in the energy supply from the power grid, the developed UPS is able to ensure the continuity of operation of the educational assembly line and the PLC for approximately 10 minutes. Thus, the proposed objective (described on the previous paragraph) was fully achieved.