RELATÓRIO FINAL

Prévia do material em texto

FACULDADE SATC 
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA 
 
 
ANA CAROLINA PATRÍCIO DANIELSKI 
IRENE SOLANGE MERCADO BÁRRIOS 
MAIARA ZANONI MARTINELLO 
 
 
 
 
 
 
 
 
RELÁTORIO DA SIMULAÇÃO DA BANCADA DE GERAÇÃO 
SÍNCRONA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Criciúma 
Junho – 2020 
 
ANA CAROLINA PATRÍCIO DANIELSKI 
IRENE SOLANGE MERCADO BÁRRIOS 
MAIARA ZANONI MARTINELLO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
RELÁTORIO DA SIMULAÇÃO DA BANCADA DE GERAÇÃO 
SÍNCRONA 
 
 
 
Trabalho apresentado á disciplina de Eletrônica de 
Potência I da 8ª fase de graduação em Engenharia 
Elétrica, solicitado pelo professor Luis Felipe 
Bianchi Carbonera. 
 
 
 
 
 
 
 
Criciúma 
Junho – 2020 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
Figura 1: Forma de onda senoidal...................................................................... 7 
Figura 2: Circuito térmico equivalente................................................................ 7 
Figura 3: Ponte de tiristores trifásica.................................................................10 
Figura 4: Curva da tensão de saída...................................................................11 
Figura 5: Circuito usando IGBT.........................................................................11 
Figura 6: Curva da tensão de saída usando IGBT............................................12 
Figura 7: Circuito do bloco C.............................................................................13 
Figura 8: Programação bloco C.........................................................................13 
Figura 9: Curva característica............................................................................14 
Figura 10: Circuito final com IGBT.....................................................................15 
Figura 11: Curva característica da excitatriz......................................................16 
Figura 12: Circuito final com ponte....................................................................17 
Figura 13: Curva característica da excitatriz com ponte....................................18 
Figura 14: Circuito térmico equivalente.............................................................19 
Figura 15: Dados Fabricante.............................................................................19 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................... 5 
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ........................................................... 6 
3 RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES .................................................. 10 
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................... 22 
REFERÊNCIAS ..................................................................................... 23 
 
 
 
5 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
O objetivo deste documento é demostrar a simulação de uma bancada 
de geração síncrona através do software PSIM, tendo como intuito substituir a 
fonte CC “Excitatriz” por uma ponte de tiristores trifásica, e por um retificador a 
IGBT ou mosfet. 
Além disso, verificar o funcionamento das duas excitatrizes fazendo uma 
comparação da tensão de saída do gerador. Por fim, também apresenta o 
desenvolvimento do controlador de tensão terminal do gerador para os dois 
conversores, desenvolvido em bloco C do PSIM. 
De acordo com os dados da bancada desenvolvida foi dimensionado um 
dissipador de calor para ser utilizado no interruptor do carregador das baterias. 
6 
 
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 
 
A função do sistema de excitação é estabelecer a tensão interna do 
gerador síncrono. Em consequência, também é responsável pelo fator de 
potência e pela magnitude da corrente gerada. A maioria das excitatrizes dos 
sistemas era um gerador de corrente contínua montado no eixo do gerador. 
Porém ao longo dos anos outros sistemas mais rápidos e que exigem menos 
manutenção foram substituindo o sistema clássico. 
O tipo de excitatriz construída com os tiristores é bastante aplicada, 
pois reduziu consideravelmente o tempo de resposta do sistema de excitação 
e, a transistorização do sistema de regulação de tensão melhorou as 
qualidades de ‘‘field forcing’’ (força do campo). A rapidez de resposta do 
sistema é devida ao fato de que os únicos retardamentos existentes são na 
filtragem da tensão terminal e no disparo dos tiristores, sendo que um valor 
típico de atraso para este último equipamento é 3.3 ms a 50 Hz. 
Outra vantagem é a redução do comprimento total da unidade 
geradora, pois não há excitatrizes piloto ou principal. Isto diminui o problema 
mecânico de alinhamento de eixos e mancais. Por outro lado, permanecem os 
problemas inerentes à presença dos anéis deslizantes do rotor do gerador. 
Em cada instante de um sistema de geração de energia alternada, 
os pontos máximos da crista da onda são chamados de corrente e tensão de 
pico a pico ou corrente e tensão instantâneos. Quando um equipamento é 
ligado nem toda essa corrente e tensão são absorvidos, este que é absorvido é 
chamado de tensão e correntes eficazes. É importante destacar que tensão e 
corrente não são absorvidos separadamente e sim o produto de ambas às 
grandezas, que é a potência elétrica. A figura a seguir demonstra a forma de 
onda, de uma grandeza alternada. 
 
 
 
 
 
https://www.mundodaeletrica.com.br/o-que-e-corrente-e-tensao-alternadas/
7 
 
 
Figura 1 – Forma de onda senoidal. 
 
 
Quando se fala em valor eficaz normalmente lembra-se da sigla 
RMS, do inglês root mean square, que traduzindo seria valor médio quadrático, 
ou seja, um cálculo médio estatístico de um valor variável, que pode ser usado 
para definir também o valor eficaz. 
A corrente que circula no circuito produz calor, o que resulta em perdas 
nos semicondutores. Este calor deve ser transferido para o ambiente por 
dissipadores. A fim de diminuir essas perdas, adota-se o calculo térmico que é 
responsável pela segurança e vida útil dos materiais, pois através deste cálculo 
é possível dimensionar um sistema de dissipação que evite que a temperatura 
de junção (Tj ) ultrapasse o máximo valor permitido na pior condição de 
temperatura ambiente (Tamb) na pior condução de operação. 
 
Figura 2 – Circuito térmico equivalente 
 
Onde: 
• Tj: Temperatura da junção (ºC); 
• Tc: Temperatura do dissipador (ºC); 
• Td: Temperatura da cápsula (ºC); 
• Ta: Temperatura ambiente (ºC); 
• Rjc: Resistência térmica da junção-cápsula (ºC/W); 
• Rcd: Resistência térmica da cápsula-dissipador (ºC/W); 
8 
 
• Rda: Resistência térmica da dissipador- ambiente (ºC/W); 
• Rja: Resistência térmica da junção-ambiente (ºC/W); 
• P: Potência térmica, aquela que circula no componente e é 
transferida ao ambiente (W). 
 
A equação equivalente da resistência térmica entre a junção e o 
ambiente pode ser observada a seguir: 
𝑅𝑗𝑎 = 𝑅𝑗𝑐 + 𝑅𝑐𝑑 + 𝑅𝑑𝑎 
O procedimento a seguir para o cálculo térmico em regime permanente é 
demostrado nos passos a seguir: 
1. A potência (P) é calculada com dados dos componentes e da 
corrente que circula. 
2. Tj é fornecida pelo fabricante do componente 
3. Ta é a máxima temperatura ambiente, o valor deve ser adotado 
pelo projetista. 
4. A resistência térmica total será: 
𝑅𝑗𝑎 =
𝑇𝑗 − 𝑇𝑎
𝑃
 
5. A partir da equação anterior consegue-se calcular a resistência 
térmica do dissipador. 
 
𝑅𝑑𝑎 = 𝑅𝑗𝑎 − 𝑅𝑗𝑐 − 𝑅𝑐𝑑 
Onde: Rjc e Rcd são fornecidas pelo fabricante do componente. 
O Rda comercial encontrado em catálogos de dissipadores deve ser 
menor ou igual ao calculado na equação acima. 
Resistências térmicas negativas indicam que é impossível dissipar a 
potência demandada, mais de um dispositivo pode ser instalado em um mesmo 
dissipador, porém as potências de perda devem ser somadas e deixá-los a 
uma margem de folga de 15%. Outra consideração que se deve tomar cuidado 
aoinstalar o dispositivo, é que os mesmos não devem ser instalados próximos 
à borda do dissipador, nem muito próximos entre si. 
Na pratica deve-se impedir que a temperatura da junção ultrapasse o 
valor de 80% do valor máximo permissível (aumenta o MTBF do dispositivos). 
9 
 
A temperatura ambiente geralmente considerada é de 40°C para 
instalação em ambiente ventilado ou valor maior para conversor instalado em 
ambiente enclausurado. 
Em caso que for preciso isolar o dispositivo do dissipador, usar isolante 
(mica, teflon) e considerar a sua resistência térmica, por fim recomenda-se usar 
pasta térmica para evitar bolhas de ar entre o dispositivo e o dissipador. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10 
 
3 RESULTADOS OBTIDOS 
Com o objetivo de substituir a fonte CC "Excitatriz", foi montada uma 
ponte de tiristores trifásica e conectada à bobina conforme a Figura 3. Como a 
fonte CC era de 30V, que é o necessário para excitar o gerador, ajustaram-se 
os parâmetros da ponte trifásica para fornecer essa tensão média ao gerador. 
Figura 3 – Ponte de tiristores trifásica. 
 
Fonte: Das autoras. 
Na simulação deste circuito foi alterado o ângulo do gate do tiristor e 
a tensão de entrada das fases, para equilibra-la com a tensão do gerador e, por 
fim, colocamos um capacitor de 1000F em paralelo com a bobina do campo, 
para que a tensão medida oscilasse menos, e fazendo com que ela mostrasse 
seus valores apenas positivos, deixando a tensão de forma contínua para o 
gerador recebe-la. Os valores de tensão de campo ficaram em torno de 26 a 
27V, e assim a tensão máxima do gerador em 4kV, considerando uma 
frequência para todo o circuito de 60Hz. 
 
 
 
 
11 
 
Figura 4 – Curva da tensão de saída. 
 
Fonte: Das autoras. 
 
Para o segundo circuito, a fonte de 30V que alimenta o campo foi 
chaveada por um transistor do tipo IGBT. A forma de chaveamento é através 
do seu gate e este gate é uma função. 
Figura 5 – Circuito usando IGBT. 
 
Fonte: Das autoras. 
 
Nos parâmetros da simulação alteramos a frequência do gate do 
IGBT para um valor alto, na casa de 1000Hz, a fim de que a variação da tensão 
12 
 
não seja perceptível para o gerador, ou seja, com o mesmo princípio de não 
ocorrer oscilação como no circuito anterior. 
 A tensão de campo a princípio era descrita como uma onda 
quadrada variando de 0 a 30V. Para resolver isso, colocamos um capacitor em 
paralelo com a bobina do gerador para que a tensão nessa seja contínua e um 
capacitor em paralelo com a fonte como é utilizado na prática, porém, na 
simulação ele não tem uma brusca variação de resultados como em 
desenvolvimento prático. 
 
Figura 6 – Curva da tensão de saída usando IGBT. 
Fonte: Das autoras. 
 
Para medir a tensão eficaz, utilizamos a linguagem C dentro de um 
bloco do PSIM, denominado bloco C, onde nele transformamos a equação 
matemática na forma de uma integral em linhas de programação, incluindo 
bibliotecas e operações matemáticas. 
A formula a seguir a ser incrementada no bloco C, é caraterizada 
pela raiz de uma integral que relaciona o tempo de amostragem inicial T1 até o 
tempo final T2 de uma função no tempo. 
 
13 
 
 A figura abaixo demostra o circuito montado no PSIM, com o bloco 
C, e a tensão de entrada do circuito de 30V. 
 
Figura 7 – Circuito do bloco C. 
 
Fonte: Das autoras. 
 
Implementando a fórmula mostrada anteriormente, desenvolveu-se o 
código que pode ser observado a seguir. 
Figura 8 – Programação bloco C. 
 
14 
 
Fonte: Das autoras. 
 
Neste código, baseado em programação C, tem-se primeiro a 
declaração das variáveis, as atribuições. Em seguida, temos a condição “if”, ou 
seja, se o tempo estiver dentro do intervalo proposto ele resolve a formula da 
raiz quadrada onde desenvolve a multiplicação da variável soma pelo delta e 
divide pelo período, que é o inverso da frequência. Por isso, nas atribuições o 
período é 1/60, e esse processo vai se repetindo e guardando valores para 
todas as vezes que a condição for verdadeira, e na saída denominada como y1 
recebe estes valores e através da simulação é possível vê-la graficamente, 
como pode ser observado no gráfico a seguir. 
 
Figura 9 – Curva característica. 
Fonte: Das autoras. 
 
Como o objetivo final é a simulação da excitatriz a tiristor e IGBT em 
malha fechada com controle em bloco C no PSIM, implementou-se algumas 
linhas no código do bloco C, a fim de obter-se a curva característica e valores 
desejados. 
As figuras a seguir mostram os circuitos finais com seus respectivos 
códigos do bloco C. 
 
 
 
15 
 
 
 
Figura 10 – Circuito final com IGBT. 
 
Fonte: Das autoras. 
 
 
static double nsoma=0., soma=0., rms, erro=0., kp=10.; 
 
 double Periodo; 
 
 Periodo=1./60.; 
 
 if (t >= nsoma*Periodo) 
 
 { 
 nsoma=nsoma+1.; 
 rms = sqrt(soma*delt/Periodo); 
 soma=0.; 
16 
 
 } 
 
 y1 = rms; 
 
 soma=soma+x1*x1; 
 
 erro=30-x2; 
 
 y1=erro*kp; 
 
Conforme a ligação do circuito acima, o gráfico da tensão da 
excitatriz corresponde à figura as seguir. 
 
Figura 11 – Curva característica da excitatriz. 
 
Fonte: Das autoras 
 
 
 
 
 
 
 
 
17 
 
 
 
 
Figura 12 – Circuito final com ponte. 
 
Fonte: Das autoras. 
 
 
 static double nsoma=0., soma=0., rms, erro=0., kp=10.; 
 double Periodo; 
 
 Periodo=1./60.; 
 if (t >= nsoma*Periodo) 
 { 
 nsoma=nsoma+1.; 
 rms = sqrt(soma*delt/Periodo); 
 soma=0.; 
18 
 
 } 
 y1 = rms; 
 soma=soma+x1*x1; 
 
 erro=30-x2; 
 y1=erro*kp; 
 
 if (y1>=180)y1 = 180; 
 if (y1<=180)y1 =0; 
 
 
A partir do código acima representado obteve-se a curva 
característica desejada em malha fechada. 
 
Figura 13 – Curva característica da excitatriz com ponte. 
 
Fonte: Das autoras. 
 
A fim de diminuir as perdas que a corrente que circula no circuito produz 
através de calor, dimensionou-se um dissipador através do cálculo térmico. Ele 
é responsável pela segurança e vida útil dos materiais, pois através deste 
cálculo é possível dimensionar um sistema de dissipação que evite que a 
temperatura de junção (Tj ) ultrapasse o máximo valor permitido na pior 
condição de temperatura ambiente (Tamb) na pior condução de operação. 
19 
 
 
 
 
Figura 14 – Circuito térmico equivalente. 
 
Fonte: Das autoras. 
Onde: 
• Tj: Temperatura da junção (ºC); 
• Tc: Temperatura do dissipador (ºC); 
• Td: Temperatura da cápsula (ºC); 
• Ta: Temperatura ambiente (ºC); 
• Rjc: Resistência térmica da junção-cápsula (ºC/W); 
• Rcd: Resistência térmica da cápsula-dissipador (ºC/W); 
• Rda: Resistência térmica da dissipador- ambiente (ºC/W); 
• Rja: Resistência térmica da junção-ambiente (ºC/W); 
• P: Potência térmica, aquela que circula no componente e é 
transferida ao ambiente (W). 
 
 Os valores a seguir são fornecidos pelo fabricante dos componentes 
utilizados no circuito. 
Figura 15 – Dados Fabricante. 
 
Fonte: Catálogo HS Dissipadores. 
 
• Rjc = 2 °C/W; 
20 
 
• Rdc = 1 °C/W; 
• Rda comercial: 8,9 °C/W; (HS 1616) 
Os listados abaixo são valores adotados para o cálculo térmico conforme 
escolha do projetista ou também encontrados nos catálogos dos componentes, 
como estamos trabalhando apenas com simulação, não desenvolvendo um 
circuito prático, adotamos os seguintes valores: 
• Tj = 180ºC 
• Ta = 40 ºC 
• P = 11 W 
Através desses valores é possível encontrar a resistência entre o 
dissipador e o ambiente, posteriormente a resistência entre a cápsula e o 
ambiente. 
∆𝑇 = 𝑃(𝑅𝑗𝑐 + 𝑅𝑐𝑑 + 𝑅𝑑𝑎) 
𝑅𝑑𝑎 =
∆𝑇
𝑃
− 𝑅𝑗𝑐 − 𝑅𝑐𝑑 
𝑅𝑑𝑎 =
180 − 40
11
− 2 − 1 
𝑅𝑑𝑎 ≤ 9,72 °𝐶/𝑊 
 
𝑅𝑐𝑎 = 𝑅𝑑𝑎 + 𝑅𝑐𝑑 
𝑅𝑐𝑎 = 9,72 + 1 
𝑅𝑐𝑎 = 10,72°𝐶/𝑊 
 
Verificando Tj< Tjmaximo: 
𝑇𝑗 − 𝑇𝑎 = 𝑅𝑗𝑎 ∗ 𝑃 
𝑇𝑗 = 𝑅𝑗𝑎 ∗ 𝑃 + 𝑇𝑎 
𝑇𝑗 = (1 + 2 + 8,9) ∗ 11 + 40 
𝑇𝑗 = 170,9 °𝐶𝑇𝑐 = (𝑅𝑐𝑑 + 𝑅𝑑𝑎) ∗ 𝑃 + 𝑇𝑎 
𝑇𝑐 = (1 + 8,9) ∗ 11 + 40 
𝑇𝑐 = 148,9 °𝐶 
 
𝑇𝑑 = (𝑅𝑑𝑎 ∗ 𝑃) + 𝑇𝑎 
21 
 
𝑇𝑑 = (8,9 ∗ 11) + 40 
𝑇𝑑 = 137,9 °𝐶 
 
Portanto o modelo de dissipador escolhido é viável para aplicação no 
circuito, como comprovou-se através dos cálculos onde o a resistência Rda 
comercial escolhida é menor do que a calculada e a temperatura da junção 
calculada não ultrapassou a temperatura da junção pré-definida no começo dos 
cálculos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
22 
 
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS 
Utilizando os conceitos adquiridos durante as aulas teóricas, com as 
aulas praticas e através das matérias já cursadas, foi aplicado no projeto 
proposto, os conhecimentos obtidos e as pesquisas realizadas no decorrer das 
aulas. 
A partir das simulações no PSIM utilizando os dois circuitos de excitatriz 
propostos foram perceptíveis os comportamentos e os funcionamentos dos 
componentes utilizados para a construção dos circuitos, mesmo que não tenha 
sido de forma prática e, a partir disso, se possibilitou a comprovação dos 
estudos e pesquisas realizados para a elaboração desse projeto. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
23 
 
REFERÊNCIAS 
[1] Autor desconhecido. Tensão eficaz ou RMS. Disponível em: 
<http://mundoprojetado.com.br/tensao-eficaz-ou-rms/> Acesso em: Junho de 
2020. 
[2] Autor desconhecido. Catálogo HS Dissipadores. Disponível em: 
<https://www.hsdissipadores.com.br/catalogo.pdf> Acesso em: Junho de 2020. 
[3] Slide Prof. Luis Felipe Carbonera.