CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Exp. 1 (Simulação) LABORATÓRIO DE SIMULAÇÂO DE FONTES CHAVEADAS O objetivo deste laboratório é simular fontes chaveadas Buck (abaixadora de potencial) e Boost( elevadora de potência) utilizando o aplicativo PSIM (Power Simulator). Procedimento: Faça o download e instale a versão gratuita do PSIM a partir do site www.powersimtech.com. CONVERSOR BUCK 1- Instale o software e edite o diagrama relativo a fone Buck mostrado abaixo. 2- Clique no gerador de onda triangular e programe-o para 5Vpp, DCoffset = 0 e frequência =100Hz. 3- Fixe a tensão da fonte CC em 100V, o indutor em 0,5H e o resistor de saída em 10 Ohms. 4- Fixe o horizonte de simulação (relógio superior a esquerda) em 0.25 s que é o tempo de simulação desejado. Quanto maior este tempo maior o tempo de processamento de simulação. 5- Clique o ícone de simulação. 6- Após a simulação clique no ícone do osciloscópio e escolha a variável que você quer observar. 1
7- Fixe a tensão de referência de acordo com a tabela abaixo e verifique o valor médio da tensão de saída relacionando-o com a relação entre a tensão de pico da onda triangular modulada e a tensão de referência modulante do sistema. Relacione esta razão com a tensão média de saída em relação a tensão de alimentação. 8- Vref 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 9- Aumente a indutância do indutor para 1H e repita o procedimento para Vref=2,5V. Verifique se o sistema ficou mais lento, ou seja diminuiu sua dinâmica. 10- Diminua a indutância para 0,1H mantendo a tensão de referência. O regulador ficou mais rápido, mas houve um aumento do ripple da corrente (tensão). 11- Aumente a frequência do modulador triangular para 1000Hz, mantendo o indutor com 0,1H. Houve melhora na resposta dinâmica? E no ripple? 12- Coloque um pequeno capacitor de 50uF em paralelo com a carga. Melhorou o ripple da tensão de saída? 13- Modifique o circuito incluindo uma carga extra em paralelo com a carga original do conversor de modo que ela entre em operação, acionada pelo gerador de degrau, no instante 0,1s. O esquema é mostrado na figura abaixo. 2
14- Verifique o comportamento da tensão de saída em função da adição brusca de uma nova carga. Qual foi a resposta do sistema a adição repentina de uma nova carga, dobrando a corrente de saída? Fechamento de uma malha de controle: 15- Vamos fixar uma tensão de realimentação baseada na tensão de pico da onda triangular modulada. Assim a tensão máxima de retorno deve ser, onde o valor 100 é a tensão máxima de saída do conversor Buck. Os valores de R1 e R2 são arbitrários, o que importa é a relação entre eles. Assim se definirmos R2=1000Ω, 1 2=19 Ω. 16- Simulação a ser montada: 3
17- Preencha a tabela abaixo para as condições de ganho especificadas com Vref=2,5V. k 1 5 10 20 50 100 18- Troque o controlador proporcional k por um controlador PI, ajuste o ganho proporcional em k=10 e verifique o comportamento com relação ao parâmetro ki seguindo a tabela: τs 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 CONVERSOR BOOST Repita o procedimento acima para o conversor Boost conforme o esquema abaixo, fixando a fonte de tensão triangular em 5Vpp, 1000Hz e DCoff-set=0 e horizonte de simulação = 0,5s 1- Verifique a relação de transferência entre a tensão de referencia e a tensão de pico da onda triangular e a tensão média de saída e a tensão de alimentação, preenchendo a tabela abaixo. Observe que não ocorre linearidade neste caso. Observe também que a tensão de saída (sem capacitor) está relacionada com a expressão 2- Vref 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4
3- Observe que o ripple da tensão na carga è descontínuo, ou seja a tensão de saída é pulsada. Resolva este problema colocando um capacitor de 100uF em paralelo com a carga de 120 Ohms. 4- A inserção do capacitor melhora bastante a tensão contínua de saída, mas deve-se observar que que os efeitos da energia limitada inserida pelo circuito de entrada na saída torna-se mais evidente se quisermos repetir o procedimento da tabela acima. Coloque um resistor de 20 Ohms em série com a carga com uma chave em paralelo com o mesmo de modo a curtocircuitá-lo no instante 0,3s, conforme mostra a figura abaixo. Verifique o efeito da variação da carga sobre a forma de onda da tensão de saída. Se você considerar que o ripple de tensão da carga está muito alto, aumente o valor do capacitor para 220uF. 5
Fechando a malha de controle 5- Modifique o circuito de acordo com o circuito abaixo, aumente o horizonte de simulação para 1s e ative a perturbação da carga em 0,5s. O diagrama abaixo esta ajustado para gerar 120V na saída. Verifique outros valores maiores e menores. O que a lei da conservação da energia diz para você em casos de insucessos? Faça um relatório sobre este exercício de simulação, apontando os virtudes e os defeitos que encontrou no mesmo. Se você considerou o exercício útil para seu aprendizado sobre o tema comente e se tiver sugestões para experiências futuras, faça-as. O professor aceitará democraticamente elogios e críticas da mesma forma. 6