Introdução ao Laboratório de Eletrônica de potência UF RJ

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Universidade Federal do Rio de Janeiro
Departamento de Engenharia Ele´trica
Laborato´rio de Eletroˆnica de Poteˆncia
Introduc¸a˜o ao Laborato´rio
de
Eletroˆnica de Poteˆncia
versa˜o 0.9
Professores:
Robson Dias
Lu´ıs Guilherme Rolim
Colaborac¸a˜o:
L´ıvia Lisandro J. Godoy
2012
Rio de Janeiro
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Escola Polite´cnica
Departamento de Engenharia Ele´trica
Laborato´rio de Eletroˆnica de Poteˆncia
Cap´ıtulo 1
Introduc¸a˜o ao Curso
1.1 Objetivo do Curso
A Eletroˆnica de Poteˆncia (ELEPOT) esta´ presente em toda parte do nosso dia a dia,
desde os carregadores de celular ate´ o transporte metrovia´ria. Por isso, e´ importante que o
profissional de engenharia ele´trica possua alicerces sobre o tema para poder, no futuro, lidar
com novas tecnologias.
O campo de atuac¸a˜o do engenheiro de eletroˆnica de poteˆncia engloba alguns dos seguintes
to´picos:
• Energias Renova´veis, como: eo´lica, solar, ce´lula combust´ıvel etc.
• Projeto de UPS (Uninterruptible Power Supplies).
• Filtros ativos para sistemas de distribuic¸a˜o.
• Dispositivos FACTS (Flexible AC Transmission Systems).
• Acionamento de motores.
• Carros Ele´tricos.
• Sistemas espaciais.
• Propulsa˜o ele´trica de Navios e Submarinos.
• Smart Grids.
• E muitos outros...
Assim, o objetivo do laborato´rio de poteˆncia e´ prover, atrave´s de experieˆncia pra´ticas,
artif´ıcios para que o aluno fixe os conceitos adquiridos no curso de Eletroˆnica de Poteˆncia I.
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1.2 Informac¸o˜es Ba´sicas
O curso esta´ baseada em oito experieˆncias:
EXP1 ⇒ Modulac¸a˜o por Largura de Pulso (PWM) e FFT (Fast Fourier Transform).
EXP2 ⇒ Conversor CC-CC abaixador (Buck).
EXP3 ⇒ Conversor Elevador (Boost).
EXP4 ⇒ Conversor CC-CC abaixador-elevador (Buck-Boost).
EXP5 ⇒ Inversor Monofa´sico (Conversor CC-CA).
EXP6 ⇒ Inversor Trifa´sico (Conversor CC-CA).
EXP7 ⇒ Circuito de Sincronismo para controle de conversores (PLL).
EXP8 ⇒ Retificador Monofa´sico de Onda Completa(Conversor CA-CC).
Cada experieˆncia e´ composta por duas partes, o preparato´rio e a pra´tica.
• O preparato´rio consiste na simulac¸a˜o dos circuitos propostos utilizando o PSIM, bem
como, a ana´lise dos resultados.
• A parte pra´tica e´ a montagem e operac¸a˜o dos circuitos utilizando a bancada eletroˆnica.
Os resultados da parte pra´tica devem ser apresentados em forma de relato´rio com a devida
comparac¸a˜o com os resultados de simulac¸a˜o.
1.2.1 Outras Informac¸o˜es
• Todos os documentos sobre a bancada eletroˆnica e as experieˆncias sera˜o enviados por
email.
• Na aula de apresentac¸a˜o do curso, a turma sera´ dividida em trios.
• O nu´mero de trios sera´ de acordo com o nu´mero de alunos inscritos. Eventualmente, o
nu´mero de alunos por grupo podera´ ser maior do que treˆs.
• Caso o nu´mero de trios exceda 4, os mesmo sera˜o divididos em dois grupos maiores que
frequentara˜o as aulas em semanas alternadas.
• Os trios sera˜o identificadas por letras e devera˜o ser mantidos ate´ o final do curso.
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1.3 Avaliac¸a˜o
A avaliac¸a˜o sera´ feita com base na atuac¸a˜o de cada aluno no laborato´rio, em relato´rios
e uma prova final. A seguir algumas informac¸o˜es que o aluno deve saber sobre o sistema de
avaliac¸a˜o.
1. Sera´ exigido um relato´rio por experieˆncia por grupo.
2. O relato´rio de uma experieˆncia devera´ ser enviado por email antes do in´ıcio da experieˆncia
seguinte.
3. Sera´ exigido apenas um preparato´rio por grupo.
4. O preparato´rio devera´ ser apresentado antes do in´ıcio de cada experieˆncia e devera´ ser
anexado ao documento do relato´rio a ser enviado por email, que devera´ ser no formado
pdf.
5. Para facilitar a identificac¸a˜o e organizac¸a˜o, os relato´rios devem ser nomeados seguindo o
seguinte padra˜o: YYYYP_D_EXP_N.pdf, em que YYYY e´ o ano, P e´ o per´ıodo, D e´ a letra do
trio e N e´ o nu´mero da experieˆncia.
6. O grupo que na˜o apresentar o preparato´rio no in´ıcio da aula na˜o podera´ realizar a expe-
rieˆncia.
7. A prova final sera´ escrita e englobara´ toda a mate´ria teo´rica relacionada a`s experieˆncias,
bem como, questo˜es relacionadas com a execuc¸a˜o das mesmas.
8. A me´dia dos relato´rios tera´ peso 2 e a nota da prova final tera´ peso 1.
9. Se ao final do per´ıodo alguma experieˆncia deixar de ser realizada, a nota relativa a` mesma
sera´ 0 (zero).
10. O aluno que faltar duas experieˆncia sera´ reprovado por falta, uma vez que corresponde a
40% da disciplina.
11. Sera´ considerado aprovado o aluno que obter a me´dia final igual ou superior a 5,0 pontos.
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Cap´ıtulo 2
Bancada Eletroˆnica
As experieˆncias do Laborato´rio de ELEPOT sa˜o planejadas para serem desenvolvidas na
Bancada Eletroˆnica. Essa bancada segue a mesma ideia do protoboard, isto e´, trata-se de uma
matriz de contato para facilita a montagem dos circuitos ele´tricos, pore´m, de poteˆncia. Ale´m
da matriz de contato, a bancada eletroˆnica possui uma circuitaria auxiliar para possibilitar a
alimentac¸a˜o do circuito de controle das chaves esta´ticas. A Figura 2.1 mostra a vista do painel
frontal da bancada.
Matriz de Contatos
Circuito de Potência
Fontes Isoladas
Canais de Disparos
A5 A4 A3 A2 A1 A0 B5 B4 B3 B2 B1 B0
Fontes CC
Entrada de Sinais
15V 12V 11V 5V
J1
Figura 2.1: Painel frontal da bancada eletroˆnica
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A seguir e´ feita uma breve explanac¸a˜o da bancada eletroˆnica e como utiliza´-la.
2.1 Matriz de Contatos
A Figura 2.2 mostra como sa˜o as conexo˜es da matriz de contatos, ela permite que os
circuitos propostos sejam montados com mais rapidez e facilidade. Deve-se notar que os contatos
sa˜o dispostos em onze colunas na vertical e quatro linhas na horizontal, as linhas e colunas na˜o
teˆm conexa˜o ele´trica entre si e nem com circuitos externos, funcionando de mesma forma que
um protoboard passivo.
Matriz de Contatos
Figura 2.2: Conexa˜o ele´trica da matriz de contatos
Cada componente e´ montado em uma pequena placa cujos contatos teˆm exatamente a
distaˆncia de treˆs colunas da matriz. Os principais componentes dispon´ıveis sa˜o mostrados na
Figura 2.3. Os indutores sa˜o montados a parte e devem ser conectados a` bancada atrave´s de
cabos. A Tabela 2.1 apresenta os valores ou o part number dos componentes dispon´ıveis.
A Figura 2.4 mostra, de forma estilizada, com os componentes podem ser montados na
bancada eletroˆnica.
2.2 Circuitaria Auxiliar
Para possibilitar os disparos das chaves esta´ticas de forma correta, a bancada eletroˆnica
possui uma circuitaria auxiliar. Essa circuitaria tem como func¸a˜o, adequar os sinal de comando
proveniente do microcontrolador (3.3 V) ao circuito de disparo das chaves (5 V), e fornecer
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Tabela 2.1: Especificac¸o˜es dos componentes dispon´ıveis no LabELEPOT
Componente Especificac¸o˜es
Capacitores de Ceraˆmica 104K, 105K, 474K, 475K, µ47, 1µ
Capacitores Eletrol´ıtico 100µF, 470µF, 1000µF
Resistores 30 Ω
Indutores 1 mH/5A, 5 mH/5A, 10 mH/5A
Transformadores 127 V/15 V-3A
Diodo 8ETH06
Tiristor BT151-500R
Mosfet IRFB4310
Triac BTA16-600B(a) Cap Ceraˆmica (b) Cap Eletrol´ıtico (c) Resistor
k a
(d) Diodo
k a
g
(e) Tiristor
S D
G
(f) Mosfet
a1
g
a2
(g) Triac
Figura 2.3: Componentes dispon´ıveis para montagem na bancada eletroˆnica
a alimentac¸a˜o aos mesmo. Ale´m disso, a bancada vem equipada com um circuito para gerar
o tempo morto entre os sinais dos canais complementares, isso impede que as chaves de uma
mesma perna do conversor estejam conduzindo ao mesmo tempo.
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S
D
G
Figura 2.4: Montagem dos componentes na bancada
2.2.1 Fontes CC
A bancada eletroˆnica possui 4 n´ıveis de tensa˜o CC, 5 V, 11 V, 12 V e 15 V. Essas fontes
CC sa˜o de baixa poteˆncia e servem para alimentar circuitos de controle externos.
Por serem de baixa poteˆncia, as fontes CC da bancada, NA˜O podem ser utilizadas para
alimentar os circuitos de poteˆncia dos conversores, sob o risco de queimar a bancada eletroˆnica.
2.2.2 Fontes isoladas
Ale´m das fontes CC, a bancada possui 19 fonte isoladas. Essas fontes tambe´m sa˜o em
corrente cont´ınua, mas sa˜o isoladas umas das outras e servem para alimentar os circuitos de
disparos das chaves esta´ticas. Por serem isoladas, evitam curtocircuitos com o neutro da fonte
de alimentac¸a˜o e, em alguns casos, com o terra da instalac¸a˜o. Obviamente, as fontes isoladas
tambe´m sa˜o de baixa poteˆncia e NA˜O devem ser utilizadas para alimentac¸a˜o do circuito de
poteˆncia dos conversores.
2.2.3 Canais de Disparos
A bancada eletroˆnica possui dois conjuntos de seis canais para disparos de chaves esta´-
ticas. Os conjuntos sa˜o divididos em A e B, sendo cada conjunto composto por treˆs pares
complementares de canais. Os pares de canais do conjunto A sa˜o A0-A1, A2-A3 e A4-A5.
Enquanto que para o conjunto B, sa˜o B0-B1, B2-B3 e B4-B5. Para as atividades propostas no
LabELEPOT, apenas os canais do conjunto A sa˜o necessa´rios.
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2.2.4 Entrada dos sinais de disparos
A entrada de sinais foi projetada para sinais provenientes de microcontroladores, cuja
tensa˜o de sa´ıda e´ em 3.3 V. Os sinais de comando sa˜o enta˜o ajustados para o n´ıvel de tensa˜o
e poteˆncia para os disparos das chaves. A circuitaria de comando conta ainda com uma lo´gica
de bloqueio que impede que as chaves dos canais complementares sejam acionadas ao mesmo
tempo, o que evita eventuais curto circuitos do barramento CC. Ale´m disso, existe ainda um
circuito para gerac¸a˜o de tempo morto entre os sinais de disparos de canais complementares.
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Cap´ıtulo 3
Microprocessador
Para o processamento dos sinais digitais no controle dos circuitos propostos nas experi-
eˆncias sera˜o utilizados DSP’s de ponto flutuante TI F28335, da Texas Instruments.
3.1 TI F28335
O DSP (Digital Signal Processor) e´ um microprocessador de sinais digitais que tem ve-
locidade operacional superior quando comparado a outros microcontroladores, ale´m de ser oti-
mizado em relac¸a˜o ao cancelamento de ru´ıdos.
Para escrever o co´digo de funcionamento do DSP pode-se, por exemplo, usar linguagem
assembly ou ferramentas como Matlab/Simulink e LabView, sendo que em todos esses casos
o usua´rio necessita ter conhecimento de programac¸a˜o relativamente avanc¸ado. No entanto,
foi desenvolvida uma ferramenta facilitadora dentro do simulador PSIM: o SimCoder. Nele e´
poss´ıvel gerar automaticamente o co´digo para o DSP TI F28335 e, portanto, este sera´ o modelo
utilizado nas experieˆncias aqui propostas. Apo´s a gerac¸a˜o do co´digo pelo SimCoder, ele e´
exportado para o Code Composer Studio, onde o projeto e´ compilado e rodado no DSP.
Para poder usufruir dessa funcionalidade, sera´ utilizado o DSP TMS320F28335 (Fi-
gura 3.1a), que possui diversos perife´ricos como, por exemplo, canais PWM, conversor ADC
(conversor analo´gico-digital), pinos I/O de entrada e sa´ıda, dentre outros. E, para integrar a
placa com o software de desenvolvimento, e´ utilizado o emulador USB (Figura 3.1b).
3.2 Code Composer Studio
O Code Composer Studio (CCS) e´ um software da Texas Instruments (TI) usado para
desenvolver o co´digo, compila´-lo e roda´-lo nos DSPs da TI.
3.2.1 Instalando o Code Composer Studio 4 no Windows 7 64 bits
No site da Texas Instruments tem o passo-a-passo para instalac¸a˜o do CCS4:
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(a) TMS320TI28335 (b) Emulador USB
Figura 3.1: Kit de desenvolvimento do TMS320TI28335
http://processors.wiki.ti.com/images/d/d0/CCS_V4_Quick_Start_Guide_Booklet_
Cover_5.pdf
3.2.2 Primeiros passos no Code Composer Studio
Como foi dito, o CCS pode ser usado para desenvolver o co´digo de funcionamento do
DSP, pore´m neste laborato´rio na˜o sera´ necessa´rio que o aluno tenha conhecimento dessa parte,
ja´ que o co´digo usado sera´ desenvolvido automaticamente pelo PSIM. Portanto, este tutorial
se limita a explicar como compilar e rodar o co´digo no DSP.
Compilando e Rodando um projeto
O objetivo aqui e´ compilar, carregar e, em seguida, rodar um programa no microprocessa-
dor e observar os sinais gerados. Para isso, deve-se estabelecer a comunicac¸a˜o entre software de
desenvolvimento e o microprocessador. Segue abaixo o passo-a-passo de um exemplo de projeto
que sera´ utilizado na Experieˆncia 1.
• Ao abrir o CCS4 no Windows 7, a tela sera´ como na Figura 3.2.
• O PSIM gera o co´digo em um formato que na˜o e´ compat´ıvel com o CCS4. Portanto,
deve-se Importar o projeto e converteˆ-lo para um novo formato (Figura 3.3).
• A seguir, selecione a opc¸a˜o Legacy CCSv3.3 Project, Figura 3.4 e clique em Next.
• Agora selecione o arquivo .pjt do projeto que deseja-se compilar, como o exemplo da
Figura 3.5 e depois clique em Next (Figura 3.6).
• Para abrir o projeto, basta dar dois cliques ra´pidos no arquivo .c ou .pjt, como na
Figura 3.7. A partir daqui, o DSP ja´ deve estar conectado ao computador.
• Para fazer a conexa˜o com o DSP, deve-se configura´-lo em New Target Configuration,
Figura 3.8.
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Figura 3.2
• Nomeie a configurac¸a˜o do DSP (Figura 3.9).
• Na parte inferior do Target Configuration, existem as abas Basic, Advanced e Source.
Em Advanced, clique em New e selecione Texas Instruments XDS100 USB Emulator, na
Figura 3.10.
• Apo´s selecionar o emulador, clique em Add para selecionar o tipo do DSP, Figura 3.11.
• Em Devices escolha o DSP que sera´ usado, o TMS320F28335. Ilustrado na Figura 3.12.
• Finalizando a configurac¸a˜o, clique em Build All ou no atalho do teclado Ctrl+B (Fi-
gura 3.13).
• O pro´ximo passo e´ o Debug, para analisar o co´digo. Clique em Debug Active Project,
como na Figura 3.14.
• Caso nenhum erro seja encontrado pelo programa, agora deve-se rodar o co´digo no DSP
em Run como na Figura 3.15.
• Neste momento, o programa ja´ esta´ rodando o co´digo no DSP e a interface fica como na
Figura 3.16.
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Figura 3.3
Figura 3.4
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Figura 3.5
Figura 3.6
Figura 3.713
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Figura 3.8
Figura 3.9
Figura 3.10
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Figura 3.11
Figura 3.12
Figura 3.13
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Figura 3.14
Figura 3.15
Figura 3.16
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Cap´ıtulo 4
Simulac¸o˜es
Todas as experieˆncias realizadas no laborato´rio devera˜o ser analisadas atrave´s de simula-
c¸o˜es no domı´nio do tempo, utilizando o software de simulac¸a˜o PSIM e seu mo´dulo SimCoder.
4.1 PSIM
O PSIM e´ um software de simulac¸a˜o projetado para eletroˆnica de poteˆncia. Possui as
vantagens de ter simulac¸a˜o ra´pida, interface amiga´vel e possuir modelos detalhados das chaves
esta´ticas. Ele pode ser usado tanto para circuitos digitais quanto analo´gicos. E´ importante
ressaltar que o software na˜o faz correc¸o˜es sobre como o circuito deveria funcionar, logo o es-
tudante deve usar seus conhecimentos para analisar as formas de onda da simulac¸a˜o. Uma
caracter´ıstica importante do PSIM e´ que ele foi desenvolvido para atuar diretamente no DSP
TI F28335 de ponto flutuante, possuindo os blocos de func¸a˜o do mesmo e tendo a ferramenta
de gerar automaticamente o co´digo em C para acionar o DSP, o mo´dulo SimCoder.
A versa˜o que sera´ utilizada no laborato´rio e´ a profissional 9.1.4.464.
4.1.1 Instalando o PSIM no Windows 7 64 bits
Caso o aluno deseje instalar o PSIM em seu computador, deve requerer a versa˜o estudante
no site www.powersimtech.com.
4.1.2 Biblioteca de Componentes
A Figura 4.1 mostra a interface do PSIM em sua primeira utilizac¸a˜o apo´s a instalac¸a˜o.
Nos atalhos superiores aparecem os boto˜es “abrir”, “salvar”, etc. Nos inferiores, encontram-se
atalhos de componentes e medidores.
Os componentes podem ser acessados, ale´m do atalho inferior, no menu superior Elements
(Figura 4.2) ou podem ser buscados pelo nome na biblioteca no ı´cone .
O menu Elements e´ subdividido em componentes de poteˆncia, controle, fontes e outros.
Os componentes podem ser enta˜o copiados para o arquivo de projeto em que se esta´ trabalhando.
Maiores detalhes sa˜o mostrados durante a explicac¸a˜o do exemplo apresentado da Sec¸a˜o 4.2.
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Figura 4.1
Figura 4.2
4.2 Exemplo de Projeto no PSIM
O objetivo desta sec¸a˜o e´ familiarizar os alunos com a ferramenta computacional PSIM,
dando-lhes subs´ıdios ba´sicos para realizar uma simulac¸a˜o no domı´nio do tempo. Para isso, sera´
analisado um circuito retificador a diodo de meia onda com uma carga resistiva.
4.2.1 Criando um Novo Caso
Para criar um novo caso no PSIM, clique em File->New, ver Figura 4.3a. Existe tambe´m
a opc¸a˜o de utilizar o atalho na barra de principal, conforme indicado na Figura 4.3b.
Depois de criado, a pa´gina ficara´ como na Figura 4.4a. Se necessa´rio, pode-se trabalhar
com va´rios casos ao mesmo tempo, podendo minimizar e abrir janelas dentro do PSIM (Fi-
gura 4.4b). Antes de comec¸ar a montar o circuito de simulac¸a˜o, e´ importante salvar o novo
caso, para isso, clique em File->Save (Figura 4.5).
Escolha um direto´rio adequado para salvar o novo caso e renomeie o caso. E´ importante
saber que o nome do arquivo na˜o deve conter espac¸os, enta˜o, como sugesta˜o, utilize underscore
“ ” caso queira dar maior legibilidade ao nome do arquivo (Figura 4.6).
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(a) (b)
Figura 4.3
(a)
(b)
Figura 4.4
4.2.2 Inserindo Componentes
Para inserir os componentes no novo projeto, procure-o em Elements ou na barra de
atalho inferior, como foi mostrado na subsec¸a˜o 4.1.2. Ao clicar no componente desejado, ele
automaticamente fica selecionado, bastando clicar com o bota˜o esquerdo onde deseja-se coloca´-
lo. Se na˜o houver a necessidade de outros componentes deste tipo, basta apertar a tecla Esc
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Figura 4.5
Figura 4.6
para deseleciona´-lo. Como exemplo, sera´ mostrado como inserir a fonte ca no projeto.
1. Clique na seta da sub-biblioteca de fontes (Sources) e selecione a fonte de tensa˜o senoidal
Figura 4.7.
Figura 4.7
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2. Esta fonte, assim como outros componentes de grande uso, pode ser encontrada tambe´m
no atalho inferior (Figura 4.8).
Figura 4.8
3. Posicione o componente onde deseja e clique com o bota˜o esquerdo para fixa´-lo na edic¸a˜o
do projeto Figura 4.9.
Figura 4.9
4. Para configurar os paraˆmetros do componente, deˆ dois cliques sobre ele e configure con-
forme indicado nas Figuras 4.10a e 4.10b. Para finalizar, basta fechar a janela.
5. Se for necessa´rio rotacionar o componente, clique nele e va´ em Edit->Rotate, como na
Figura 4.11. Caso deseja rotacionar um componente que ainda na˜o foi fixado no circuito,
basta clicar com o bota˜o direito quantas vezes necessa´rio.
6. Para descrever o mo´dulo dos componentes, sufixos sa˜o aceitos no PSIM para mu´ltiplos e
submu´ltiplos (Tabela 6).
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(a) (b)
Figura 4.10
Figura 4.11
G 109
M 106
k ou K 103
m 10−3
u 10−6
n 10−9
p 10−12
A conexa˜o direta entre dois componente e´ feita atrave´s de um fio (Wire), para inserir um
fio pode-se usar o atalho superior (Figura 4.12a) ou ir em Edit-> Place Wire (Figura 4.12b).
Para fazer a conexa˜o, mantenha o bota˜o esquerdo pressionado e arraste o mouse.
Continuando com o exemplo do retificador meia ponte.
1. Insira o diodo no projeto, o qual pode ser encontrado na sub-biblioteca de Eletroˆnica de
Poteˆncia, Elements->Power->Switches.
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(a) (b)
2. Selecione o diodo e coloque no projeto.
3. Em seguida, insira um resistor e o rotacione para que ele fique na vertical. Utilize os
atalhos de Rotac¸a˜o.
4. Insira um terra na fonte e um no resistor, localizado no atalho inferior.
5. Conecte a fonte ao diodo com um fio.
6. Conecte o terra ao resistor o outro terra a fonte com um fio.
Apo´s esses passos o circuito deve estar parecido com o mostrado na Figura 4.12.
Figura 4.12
Caso haja necessidade de mover ou deletar uma parte do circuito, use a seta branca do
atalho superior e selecione a sec¸a˜o desejada (Figura 4.13).
4.2.3 Inserindo Medidores
Medidores sa˜o elementos que permitem coletar os valores de tensa˜o e corrente em deter-
minado ponto do circuito. Alguns medidores podem ainda fornecer o valores de poteˆncia ativa
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Figura 4.13
e reativa, valores eficazes, conteu´do harmoˆnico, entre outras medidas. Confira os medidores
dispon´ıveis na sub-biblioteca Elements->Other->Probes.A seguir sera´ mostrado como inserir
medidores de corrente e tensa˜o utilizando os atalhos da barra inferior.
1. Na barra inferior, clique no medidor de corrente .
2. Posicione o medidor na extremidade do fio que esta´ conectado ao diodo (Figura 4.12).
3. Deˆ dois cliques no medidor e renomeie-o para Icarga.
4. Para os medidores de tensa˜o, tem-se duas opc¸o˜es, uma que mede a tensa˜o em relac¸a˜o ao
terra e outro que mede a tensa˜o entre dois pontos. Vamos utilizar os dois. Para medir a
tensa˜o de entrada (Fonte), vamos utilizar o medidor que mede em relac¸a˜o ao terra, pois,
a fonte esta´ aterrada. Na barra lateral, clique no medidor de tensa˜o para o terra .
5. Posicione o medidor antes do diodo.
6. Renomeie o medidor para Efonte. Apo´s esses passos o circuito deve estar parecido com
o apresentado na Figura 4.14.
7. Para medir a tensa˜o sobre o diodo, vamos utilizar o medidor de tensa˜o entre dois pontos.
Na barra lateral, clique no medidor .
8. Renomeie-o para Ed.
9. Para medir a tensa˜o de sa´ıda, e notando que a resistor esta´ aterrado, temos a opc¸a˜o de
utilizar tanto o medir para o terra quanto o medidor entre dois pontos. Vamos utilizar
este u´ltimo. Insira o medidor conforme o passo anterior, rotacionando-o.
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Figura 4.14
10. Renomeie o medidor para Ecarga.
11. Ao final desses passos o circuito deve estar parecido ao da Figura 4.15.
Figura 4.15
4.2.4 Simulando
Antes de simular, deve-se configurar os paraˆmetros da simulac¸a˜o. Para isso:
1. Adicione ao circuito o componente Simulation Control, elemento que define os paraˆme-
tros e configurac¸o˜es da simulac¸a˜o. Ele encontra-se em Simulate->Simulation Control.
O circuito deve ficar como na Figura 4.16.
2. Configure o tempo de simulac¸a˜o, Total Time, para 0.1. Este e´ o tempo que sera´ simulado.
3. Configure o passo de integrac¸a˜o, Time Step, para 10µs. Este e´ o intervalo de tempo
entre cada instante em que o circuito e´ resolvido, esse paraˆmetro varia de acordo como
o tipo de simulac¸a˜o. Deve-se considerar um passo de integrac¸a˜o muito menor do que o
per´ıodo do fenoˆmeno de maior frequeˆncia, pelo menos dez vezes menor. Para circuitos
que envolvam eletroˆnica de poteˆncia em que a frequeˆncia de chaveamento e´ de algumas
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Figura 4.16
dezenas de kilohertz, 10µs e´ um passo de integrac¸a˜o razoa´vel em termos de precisa˜o e
tempo de simulac¸a˜o.
4. Configure o passo de exibic¸a˜o dos pontos, Print Step, para 1.
5. Para esse exemplo, mantenha o padra˜o para os outros paraˆmetros (Figura 4.17).
6. Caso fosse usado o SimCoder, na aba“SimCoder”do Simulation Control pode-se adicionar
comenta´rios que sera˜o inseridos no comec¸o do co´digo gerado automaticamente.
Figura 4.17
Apo´s configurar a simulac¸a˜o, para simular o circuito clique em Simulate->Run Simu-
lation, ou usar o atalho no teclado F8. A janela de simulac¸a˜o sera´ aberta juntamente com
os nomes dos medidores, podendo-se escolher o que se deseja medir. Neste caso, todos sera˜o
selecionados (Figura 4.18).
As curvas da simulac¸a˜o devem ficar como na Figura 4.19.
Caso deseje adicionar ou remover uma curva, basta clicar no ı´cone .
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Figura 4.18
Figura 4.19
4.3 Mo´dulo SimCoder
O SimCoder e´ um mo´dulo do PSIM onde um co´digo em C gene´rico e´ gerado automatica-
mente, apo´s a simulac¸a˜o do circuito esquema´tico. Ale´m disso, se for utilizado o DSP de ponto
flutuante TI F28335 da Texas Instruments, o SimCoder gera um co´digo pronto para rodar no
DSP, sem nenhuma necessidade de alterac¸a˜o.
Abaixo, o passo-a-passo de como gerar o co´digo no PSIM, compila´-lo, abri-lo no Code-
Composer Studio e roda´-lo no DSP.
1. Ao montar o circuito esquema´tico, adicione os componentes usados na gerac¸a˜o do co´digo,
como DSP Clock e Hardware Configuration que podem ser encontrados em Elements-
>SimCoder->TI F28335 Target e tambe´m Elements->Event Control.
2. Com o circuito pronto, antes de fazer a simulac¸a˜o, deve-se configurar o projeto para
funcionar no CodeComposer Studio. Isso e´ feito no Simulation Control, escolhendo-se o
elemento e a configurac¸a˜o em Hardware Target. Neste caso, o elemento utilizado e´ o TI
F28335. Os tipos de configurac¸o˜es esta˜o listados abaixo:
• “RAM Debug”: Compilar o co´digo no modo “debug”e roda´-lo na memo´ria RAM;
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Figura 4.20
• “RAM Release”: Compilar o co´digo no modo “release”e roda´-lo na memo´ria RAM;
• “Flash Release”: Compilar o co´digo no modo “release”e roda´-lo na memo´ria Flash;
• “Flash RAM Release”: Compilar o co´digo no modo “release”e roda´-lo na memo´ria
RAM.
Sera´ utilizado o modo “RAM Debug”, onde o projeto sera´ carregado na memo´ria RAM
(Figura 4.20).
3. O co´digo so´ e´ gerado se o controle estiver na forma discreta, na˜o na forma cont´ınua.
Frequentemente, a primeira simulac¸a˜o e´ feita na forma cont´ınua e so´ enta˜o convertido
para a discreta.
4. Depois de simular o circuito na forma discreta, o co´digo pode ser gerado em Simulate-
>Generate Code e aparecera´ numa janela aberta automaticamente. O PSIM tambe´m
gera uma pasta com todos os arquivos necessa´rios para rodar o projeto no CodeComposer
Studio.
5. Com a pasta do co´digo criada, siga o passo-a-passo descrito na Sec¸a˜o 3.2.2 para compilar
o co´digo e roda´-lo no DSP.
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Cap´ıtulo 5
Caderno de Experieˆncias
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5.1 Experieˆncia #1 – Modulac¸a˜o por Largura de Pulso
(PWM) e FFT
Segue abaixo o passo-a-passo de como montar um PWM com ciclo de trabalho constante
e gerar o seu co´digo para o DSP.
1. Depois de abrir um novo projeto no PSIM, adicione o elemento PWM, Figura 5.1.
Figura 5.1
2. Adicione tambe´m uma fonte DC, um terra e 2 medidores de tensa˜o em relac¸a˜o ao terra.
Conecte-os com um Wire. O circuito deve ficar como na Figura 5.2.
Figura 5.2
3. Modifique os valores dos componentes de forma que a fonte seja de 0.3 volts e o PWM
tenha os paraˆmetros mostrados na Figura 5.3.
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Figura 5.3
4. Adicione os componentes DSP Clock e Hardware Configuration (Figura 5.4), relaciona-
dos ao TI F28335 para gerac¸a˜o do co´digo, em Elements->SimCoder->TI F28335 Target.
Figura 5.4
5. Adicione o Simulation Control, escolha o TI F28335 em Hardware Target, simule o
circuito e analise as formas de onda.
6. Para ver as formas de onda em gra´ficos separados, utilize o bota˜o Add one screen .
A simulac¸a˜o deve ficar como na Figura 5.5.
7. Repita o procedimento de forma a fazer mais dois circuitos: o PWM com 40% de ciclo e
outro de 50% de ciclo.
8. Depois de fazer a simulac¸a˜o, para gerar o co´digo clique em Simulate->Generate Code.
Uma janela sera´ aberta com o co´digo principal (Figura 5.6) e uma pasta sera´ criada no
mesmo direto´rio onde foi salvo o circuito, com todos os arquivos necessa´rios para abrir o
co´digo no Code Composer Studio.9. A partir daqui, basta seguir o passo-a-passo da Sec¸a˜o 3.2.2 para rodar o co´digo no DSP
TIF28335.
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Figura 5.5
Figura 5.6
Para o Relato´rio
1. Compare as formas de onda obtidas em simulac¸a˜o com as obtidas na experieˆncia pra´tica,
para os ciclos de 30%, 40%, 50%, 60%, 70%.
2. Calcule a FFT de um ciclo para os PWM de 40%, 50%, 70%. Comente os resultados
quanto aos harmoˆnicos que aparecem no espectro para cada caso.
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5.2 Experieˆncia #2 – Conversor Buck
5.2.1 Preparato´rio
1. Quais as duas principais relac¸o˜es em um conversor buck? Em que condic¸a˜o essas relac¸o˜es
sa˜o va´lidas?
2. Como e´ feito o controle da tensa˜o de sa´ıda?
3. Qual e´ a func¸a˜o dos elementos L e C na sa´ıda do conversor?
Para responder os itens abaixo, considere o circuito da Figura 5.7 e a frequeˆncia de
chaveamento igual a 10 kHz.
20V1mH
100 F30
dV


0V


Figura 5.7
4. Trace a curva do valor me´dio da tensa˜o de sa´ıda em func¸a˜o do ciclo de trabalho, para o
modo cont´ınuo de conduc¸a˜o.
5. Trace a curva da resposta em frequeˆncia do filtro LC. Indique a frequeˆncia de corte do
filtro.
6. Determine o valor do ciclo de trabalho de forma que a tensa˜o de sa´ıda, V0, seja igual a
12 V.
7. De acordo com o resultado anterior, qual e´ o valor da corrente de entrada?
8. Considerando a tensa˜o de entrada, Vd, constante e igual a 20 V, qual deve ser o valor do
ciclo de trabalho para que o circuito opere no limite entre os modos cont´ınuo e descont´ınuo
de conduc¸a˜o? Justifique.
9. Calcule o valor pico a pico do ripple da tensa˜o de sa´ıda.
10. Monte o circuito da Figura 5.7 no PSCAD/EMTDC e apresente os resultados que justi-
fiquem as respostas dos itens 6 a 9. Apresente tambe´m os gra´ficos da corrente do indutor
e da tensa˜o sobre o diodo. Para simulac¸a˜o, considere um ∆t = 1µs, Plot Step = 1µs e
tempo total de simulac¸a˜o 100 ms. Apresente as curvas completas e em detalhes (zoom),
de forma que seja poss´ıvel identificar a forma de onda.
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5.2.2 Execuc¸a˜o
1. Monte o circuito da Figura 5.7 na bancada eletroˆnica.
2. Utilize o microcontrolador para gerar o sinal de disparos da chave.
3. Varie as grandezas necessa´rias para coletar resultados experimentais que permitam fazer
a comparac¸a˜o com os resultados de simulac¸a˜o obtidos no preparato´rio.
4. Compare e analise os resultados experimentais com os resultados de simulac¸a˜o.
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5.3 Experieˆncia #3 – Conversor Boost
5.3.1 Preparato´rio
1. Quais as duas principais relac¸o˜es em um conversor Boost?
Para responder os itens abaixo, considere o circuito da Figura 5.8 e a frequeˆncia de
chaveamento igual a 10 kHz.
12V1mH
100 F30
dV


0V


Figura 5.8
2. Trace a curva do valor me´dio da tensa˜o de sa´ıda em func¸a˜o do ciclo de trabalho, para o
modo cont´ınuo de conduc¸a˜o.
3. Determine o valor do ciclo de trabalho de forma que a tensa˜o de sa´ıda, V0, seja igual a
20 V.
4. De acordo com o resultado anterior, qual e´ o valor da corrente de entrada?
5. Considerando a tensa˜o de sa´ıda, V0, constante e igual a 20 V, qual deve ser o valor do
ciclo de trabalho quando a tensa˜o de entrada for igual a 8 V? Justifique.
6. Calcule o valor pico a pico do ripple da tensa˜o de sa´ıda.
7. Monte o circuito da Figura 5.8 no PSCAD/EMTDC e apresente os resultados que justi-
fiquem as respostas dos itens 3 a 6. Apresente tambe´m as curvas da corrente do indutor,
corrente do capacitor e tensa˜o sobre o diodo. Para simulac¸a˜o, considere um ∆t = 1µs,
Plot Step = 1µs e tempo total de simulac¸a˜o 100 ms. Apresente as curvas completas e em
detalhes (zoom), de forma que seja poss´ıvel identificar a forma de onda.
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5.3.2 Execuc¸a˜o
1. Monte o circuito da Figura 5.8 na bancada eletroˆnica.
2. Utilize o microcontrolador para gerar o sinal de disparos da chave.
3. Varie as grandezas necessa´rias para coletar resultados experimentais que permitam fazer
a comparac¸a˜o com os resultados de simulac¸a˜o obtidos no preparato´rio.
4. Compare e analise os resultados experimentais com os resultados de simulac¸a˜o.
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5.4 Experieˆncia #4 – Conversor Buck-Boost
5.4.1 Preparato´rio
1. Quais as duas principais relac¸o˜es em um conversor Buck-Boost?
Para responder os itens abaixo, considere o circuito da Figura 5.9 e a frequeˆncia de
chaveamento igual a 10 kHz.
15V
1mH100 F30
dV


0V


Figura 5.9
2. Trace a curva do valor me´dio da relac¸a˜o tensa˜o de sa´ıda pela tensa˜o de entrada em func¸a˜o
do ciclo de trabalho, para o modo cont´ınuo de conduc¸a˜o.
3. Determine o valor do ciclo de trabalho de forma que a tensa˜o de sa´ıda, V0, seja igual a
20 V.
4. Determine o valor do ciclo de trabalho de forma que a tensa˜o de sa´ıda, V0, seja igual a
10 V.
5. De acordo com os resultados anteriores, quais sa˜o os valores da corrente de entrada em
ambos os pontos de operac¸a˜o?
6. Considerando V0 = 11 V e VD = 15 V, calcule o valor mı´nimo do resistor para que o
conversor opere no limite do modo cont´ınuo de operac¸a˜o.
7. Calcule o valor pico a pico do ripple da tensa˜o de sa´ıda.
8. Monte o circuito da Figura 5.9 no PSCAD/EMTDC e apresente os resultados que justi-
fiquem as respostas dos itens 2 a 7. Apresente tambe´m as curvas da corrente do indutor,
corrente do capacitor e tensa˜o sobre o diodo. Para simulac¸a˜o, considere um ∆t = 1µs,
Plot Step = 1µs e tempo total de simulac¸a˜o 100 ms. Apresente as curvas de forma que
seja poss´ıvel identificar as formas de onda.
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5.4.2 Execuc¸a˜o
1. Monte o circuito da Figura 5.9 na bancada eletroˆnica.
2. Utilize o microcontrolador para gerar o sinal de disparos da chave.
3. Varie as grandezas necessa´rias para coletar resultados experimentais que permitam fazer
a comparac¸a˜o com os resultados de simulac¸a˜o obtidos no preparato´rio.
4. Compare e analise os resultados experimentais com os resultados de simulac¸a˜o.
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	Introdução ao Curso
	Objetivo do Curso
	Informações Básicas
	Outras Informações
	Avaliação
	Bancada Eletrônica
	Matriz de Contatos
	Circuitaria Auxiliar
	Fontes CC
	Fontes isoladas
	Canais de Disparos
	Entrada dos sinais de disparos
	Microprocessador
	TI F28335
	Code Composer Studio
	Instalando o Code Composer Studio 4 no Windows 7 64 bits
	Primeiros passos no Code Composer Studio
	Simulações
	PSIM
	Instalando o PSIM no Windows 7 64 bits
	Biblioteca de Componentes
	Exemplo de Projeto no PSIM
	Criando um Novo Caso
	Inserindo Componentes
	Inserindo Medidores
	Simulando
	Módulo SimCoder
	Caderno de Experiências
	Experiência #1 – Modulação por Largura de Pulso (PWM) e FFT
	Experiência #2 – Conversor Buck
	Preparatório
	Execução
	Experiência #3 – Conversor Boost
	Preparatório
	Execução
	Experiência #4 – Conversor Buck-BoostPreparatório
	Execução