TRABALHO nº 4-Simulação de Conversores CA/CC

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1 TRABALHO nº 4-Simulação de Conversores CA/CC 1. Objectivos Pretende-se com este trabalho que o aluno sedimente os conhecimentos teóricos e práticos já obtidos em relação aos conversores CA/CC e que ao mesmo tempo integre esses conhecimentos com os de outras disciplinas (nomeadamente as associadas à electrónica de potência, ao controlo clássico e às máquinas eléctricas) de modo a ser capaz de dimensionar pequenos sistemas de controlo de potência baseados em conversores CA/CC. 2. Descrição do trabalho de simulação a efectuar. 2.1 Sistema O aluno deve modelar e simular um sistema de controlo de velocidade, em malha fechada, de uma máquina de corrente contínua. A parte de potência associada deve ser baseada num conversor CA/CC. Antes de efectuar a simulação é necessário que o aluno efectue e justifique as escolhas efectuadas em todas as fases do trabalho. Admite-se (e encoraja-se) que os vários grupos utilizem soluções diferentes quer a nível do conversor (pontes completas ou não, totalmente tirirstorizadas ou mistas ), quer a nível da fonte de alimentação (mono ou trifásica ). A simulação e teste serão efectuados com os simuladores existentes no laboratório (Spice, Psim ou Matlab/Simulink). 2.2 Desempenho pretendido A máquina deve poder funcionar desde 0% a 100% da velocidade nominal O tempo de estabelecimento, na resposta a um degrau de 0% a 100% da referência, deve ser inferior a 5s A corrente durante o arranque deve ser limitada a 10 vezes a corrente nominal A máxima sobrelongação não deve ultrapassar os 20%. 3. Máquina a utilizar. O motor de corrente contínua a utilizar tem as seguintes características: Tensão nominal, Vn=120V. Corrente nominal, In=10A. Resistência do induzido, Ra=0.5?. Indutância do induzido, La=0.01H. Corrente do indutor, If=1.6 A. Resistência do indutor, Rf=75?. Indutância do indutor, Lf=0.02H. Momento de inércia, J=0.8Kgm 2. Atrito viscoso, B=0.1 Nms. Velocidade nominal, Nn=1200rpm. 4. Faseamento do trabalho. O trabalho é faseado nas três partes seguintes. As duas primeiras (4.1 e 4.2) devem ser realizadas antes da aula prática Escolha e dimensionamento do transformador de potência, do conversor electrónico de potência e da electrónica associada Dimensionamento da razão de transformação a utilizar, da potência e do tipo de ligação do transformador de potência Topologia do circuito de potência (monofásico, trifásico, totalmente tiristorizado ou misto ) Dimensionamento em tensão e corrente dos semicondutores (eventualmente propor mesmo os semicondutores a usar por escolha a partir de um dos catálogos existentes no laboratório) Dimensionamento do circuito de comando dos semicondutores (efectuado com componentes discretos, com CI especificos ) Dimensionamento das protecções eléctricas e térmicas (dissipador, fusíveis, ) Circuito de controlo a utilizar Dimensionamento das funções de transferência das malhas de controlo (tensão, corrente, velocidade, campo ) Implementação com dispositivos discretos e CIs (díodos, transístores, ampops ) 4.3.Simulação, teste e ajuste do sistema. FEUP-LEEC- Ramo de Energia - Armando Araújo - pp.1

2 5. Simulação 5.1. Simulação em regime estático (vazio e carga nominal) do sistema conversor/motor Simule o funcionamento do conversor CA/CC que dimensionou com uma carga RLE que modele o motor em vazio e em regime nominal. Esboce, nas figuras seguintes, para estes casos, as formas de onda da tensão e corrente de saída do conversor. Fig.1 Fig.2 Tensão e corrente de saída do conversor com carga RLE equivalente ao motor em regime estático. Fig.1. Motor em vazio. Fig.2 Motor em regime nominal Simulação em regime dinâmico da resposta do motor em malha aberta (resposta ao degrau com o motor em vazio e com carga nominal) Utilizando o modelo do motor CC, que desenvolveu, simule a sua resposta a um degrau de tensão de alimentação (0% a 100% da tensão nominal - utilize uma fonte ideal de tensão e não o conversor electrónico de potência). Esboce, nas figuras seguintes, a variação da velocidade e corrente de alimentação do motor. Fig.3 Fig.4 Variação da velocidade e corrente de alimentação do motor para um degrau de 0% a 100% de Un. Fig3. Motor em vazio. Fig.4 Motor em regime nominal. FEUP-LEEC- Ramo de Energia - Armando Araújo - pp.2

3 Utilizando os modelos do conversor CA/CC e do motor CC, que desenvolveu, simule, em malha aberta, a resposta do sistema a um degrau na referência de tensão (0% a 100%) do conversor CA/CC. Esboce, nas figuras seguintes, a resposta, em velocidade, do motor. Fig.5 Fig.6 Resposta, em velocidade, do sistema conversor/motor, em malha aberta, para um degrau de referência de tensão do conversor de 0% a 100%. Fig5. Motor em vazio. Fig.6 Motor em regime nominal Para o degrau da alínea anterior esboce, nas figuras seguintes, a variação da corrente e tensão de alimentação do motor. Fig.7 Fig.8 Variação da corrente e tensão de alimentação do motor. Fig7. Motor em vazio. Fig.8 Motor em regime nominal. FEUP-LEEC- Ramo de Energia - Armando Araújo - pp.3

4 5.3. Simulação em regime dinâmico da resposta do motor em malha fechada (resposta ao degrau com o motor em vazio e com carga nominal) Utilizando os modelos que desenvolveu, para o sistema conversor CA/CC, motor CC, controlador em malha fechada, simule a resposta a um degrau de referência de velocidade (0% a 100%). Esboce, nas figuras seguintes, as respostas, em velocidade, corrente e tensão de alimentação do motor. Fig.9 Fig.10 Resposta, em velocidade, tensão e corrente de alimentação, do sistema conversor/motor/controlador, em malha fechada, para um degrau de 0% a 100% de referência de velocidade, com controlo de tensão. Fig.11 Motor em vazio. Fig.12 Motor em regime nominal Insira no sistema um controlador de corrente (de modo a satisfazer o exposto em 2.2.3) e simule a resposta, em malha fechada, a um degrau de referência de velocidade (0% a 100%). Esboce, nas figuras seguintes, as respostas, em velocidade, corrente e tensão de alimentação do motor. Fig.9 Fig.10 Resposta, em velocidade, tensão e corrente de alimentação, do sistema conversor/motor/controlador, em malha fechada, para um degrau de 0% a 100% de referência de velocidade, com controlo de tensão e de corrente. Fig.11 Motor em vazio. Fig.12 Motor em regime nominal. FEUP-LEEC- Ramo de Energia - Armando Araújo - pp.4

5 Preencha, agora, a seguinte ficha de avaliação. Ficha geral de avaliação Trabalho nº Guião Clareza: boa normal deficiente Dimensão do trabalho: adequada extensa reduzida Erros: Preparação: Entrega do guião: atempada atrasada Apresentação: adequada insuficiente Anomalias: Falta de material:... Avarias:... Outras:... FEUP-LEEC- Ramo de Energia - Armando Araújo - pp.5

6 Algumas questões relativas ao TP4 (Simulação de conversores CA/CC) Nome do Aluno: Turma: Data: / / Nome do Docente: I. Escolha e dimensionamento do transformador, do conversor electrónico de potência e electrónica associada. A.1. Qual a topologia do conversor CA/CC que vai utilizar na simulação e quais as vantagens relativamente a outras possibilidades? A.2. Qual o calibre (Iav, Ief, Vdwm, Vdrm) dos semicondutores utilizados? Justifique. A.3. Esquematize a parte de comando (geração do sinal de comando, a partir da referência, e interface com os semicondutores) do conversor que utilizou. A.4. Dimensione o circuito de comando dos semicondutores que esquematizou. A.5. Quais as protecções que lhe parece dever utilizar associadas ao conversor de potência? A.6. Dimensione o dissipador (R?) e os fusíveis (Ief, Varco e I 2 t) a utilizar para os semicondutores. A.7. Qual a potência, razão de transformação, e tipo de ligações do transformador que se deve utilizar? II. Circuito de controlo. A.8. Explique quais os princípios seguidos para a obtenção das funções de transferência do sistema de controlo que desenvolveu. Não se esqueça que os controladores devem satisfazer o exposto no ponto 2. A.9. Diga como implementaria essas funções de transferência com elementos discretos e CIs. FEUP-LEEC- Ramo de Energia - Armando Araújo - pp.6