UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DISCIPLINA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I PROF.: LEANDRO MICHELS PROJETO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I – 2009/1 O projeto da disciplina de EPO-I consiste em projetar um conversor estático de potência. O trabalho é em equipe, sendo a turma dividida em 6 grupos (31 alunos – cinco grupos de 5 alunos e um grupo de 6 alunos), cujas composições do grupo são de livre escolha dos alunos. Não serão aceitas composições distintas de grupos. Datas importantes: Entrega do trabalho escrito: 25/06/09 – até as 12h Defesa do trabalho: 26/06/09 Grupos de trabalho: 1) A escolha dos trabalhos é livre, sendo realizada por ordem de inscrição. Avaliação do trabalho: 1) Relatório técnico a. Deve ser entregue de forma impressa b. Deve apresentar, de forma seqüencial, cada um dos itens descrito na lista de tarefas, como mostrado abaixo c. Devem ser anexadas as folhas de referência (datasheets) empregadas nos projetos com os parâmetros utilizados (grifados com marca-texto). Estas folhas devem ser numeradas, e quando forem empregadas no texto o seu número deve ser destacado. 2) Programas de simulação do circuito realizadas no PSIM (entregue na forma de simulação, sendo apresentado junto com a defesa do trabalho) 3) Defesa do trabalho, envolvendo todos os membros do grupo, para os quais serão realizadas perguntas sobre o trabalho efetuado. Serão dadas notas individuais sobre a apresentação do trabalho. Objetivos do trabalho: Introduzir os alunos a um projeto completo de um conversor estático de potência. Este projeto é dividido nas seguintes etapas: 1) Projeto do circuito de potência 2) Projeto do sistema de proteção 3) Projeto do sistema de controle Lista de fabricantes de dispositivos • • • • • • • • • • • Power Semiconductors - www.semikron.com Semicondutores: Semikron Dissipadores: HS Dissipadores - www.hsdissipadores.com.br Capacitores: Epcos Capacitors for Power Electronics DC Link – www.epcos.com Indutores Waltec Transformadores a seco TTE / RESIGLAS - www.waltec.com.br Transformadores Waltec Transformadores a seco TTE / RESIGLAS www.waltec.com.br Trabtech – www.phoenixcontact.com.br Supressores de surto: Phoenix Contact Fusíveis: Hill Tech Semiconductor Fuses – http://www.hilltech.com/ Disjuntores/Relés/Contactoras Weg Disjuntores em caixa moldada ou aberta / Relés de falta de fase/ Contactoras - www.weg.com Resistores de potência: Eletele – www.eletele.com.br Sensores de corrente isolados: LEM AC and DC current transducers for protection, monitoring and control systems – www.lem.com Voltage measurement in industrial applications – Sensores de tensão isolados: LEM www.lem.com Dica: Muitos fabricantes possuem vasto material de apoio ao projeto técnico. LISTA DE TAREFAS Confeccionar relatório técnico descrevendo, de forma organizada e detalhada, cada uma das etapas de projeto, mostrando o equacionamento utilizado e os resultados de simulação. É importante descrever como foram efetuadas as decisões (escolha dos componentes) durante o projeto do conversor. ETAPA 1 - Projeto do circuito de potência 1.1) Descrição do sistema Determinar, em diagrama de blocos, todos os elementos que compõe o sistema como um todo (circuito de potência, proteções, circuito de auxílio à partida, instrumentação, sistema de controle, drivers, fontes auxiliares). Fazer uma figura mostrando o conversor e os diversos subsistemas interconectados entre si. 1.2) Descrição das especificações completas do conversor Apresentar uma tabela com TODAS as especificações empregadas no projeto (tensão de entrada, saída, corrente de carga, variação na carga, variação na tensão da rede, margens de tolerância usada no dimensionamento dos dispositivos, etc) 1.3) Projeto do circuito de potência O projeto deve garantir que o circuito funcione nas os piores casos de operação: variações da tensão da rede e variação da resistência de carga. Projeto considerando o conversor ideal, tal como mostrado em aula. • Dimensionar relação de transformação (quando for o caso) • Dimensionar indutores (quando for o caso) • Determinar o ângulo de disparo dos tiristores 1.4) Simulação do conversor projetado Simular no PSIM o circuito projetado na etapa 1.3 nas seguintes condições de operação: 1) Em condições nominais (tensão nominal e carga nominal) 2) Simular nas situações extremas de operação: tensão da rede máxima e carga máxima, tensão da rede mínima e carga máxima, tensão da rede máxima e carga mínima, tensão da rede mínima e carga mínima. OBS.: A simulação deve considerar o conversor ideal, tal como mostrado em aula. 1.5) Determinação dos esforços máximos nos elementos do circuito (valores máximos para todas as condições de operação) 1. Tensão direta e reversa de pico e corrente média e eficaz máxima em cada tiristor e diodos 2. Corrente eficaz e pico e tensão máxima em indutores 3. Tensão máxima e corrente eficaz nos capacitores 4. Potência aparente máxima nos transformadores, corrente máxima no primário e secundário, distorção harmônica nas correntes. OBS.: Indicar em que condição de operação ocorre tal valor (ex.: tensão máxima de entrada e corrente máxima de saída). Os valores podem ser obtidos diretamente com base em simulações no PSIM. 1.6) Dimensionamento dos dispositivos do circuito, com base nos valores determinados nos itens 1.5, deixando a margem de tolerância especificada: 1. Escolha dos dispositivos semicondutores (diodos, tiristores) a serem empregados. 2. Escolha dos capacitores 3. Especificar os indutores. Determinar a potência aparente nos enrolamentos, corrente máxima nos enrolamentos, fator K, classe de isolação, proteção dos invólucros - ver no catálogo da Waltec. 4. Especificar os transformadores a seco de baixa tensão a serem empregados. Determinar a potência aparente nos enrolamentos, corrente máxima nos enrolamentos, relação de transformação, fator K, classe de isolação, proteção dos invólucros - ver no catálogo da Waltec. OBS.: O fator K é um fator usado para considerar o aquecimento adicional causado pelas harmônicas em transformadores: 34 2 ( ih .h ) K= h =1 34 onde h é a ordem da harmônica e i é a corrente do enrolamento. ih h =1 OBS.: Obter informações nos datasheets dos fabricantes (lista em anexo). 1.7) Dimensionar termicamente o conversor, com base nos semicondutores empregados 1. Dimensionar as perdas nos semicondutores 2. Dimensionar o dissipador o dissipador de calor e ventiladores. OBS.: Obter informações nos datasheets dos fabricantes. 1.8) Tabelar as especificações finais de todos os componentes projetados, incluindo código, fabricante, quantidade, tensões máximas suportadas, correntes máximas, etc. ETAPA 2 - Projeto do sistema de proteção 2.1) Projetar o sistema de proteção contra curto-circuito, composto por fusíveis (apenas na entrada). Obter informações nos datasheets dos fabricantes (web). 2.2) Projetar o sistema de proteção contra sobrecarga, composto por disjuntor de caixa moldada ou aberta (apenas na entrada). Obter informações nos datasheets dos fabricantes (web). 2.3) Projetar o sistema de proteção contra sobretensões, composto por supressores de surto (apenas na entrada). Obter informações nos datasheets dos fabricantes (web). 2.4) Indicar o sistema de proteção contra subtensão, composto por relé de falta de fase (apenas na entrada). Obter informações nos datasheets dos fabricantes (web). 2.5) Projetar os snubber para os semicondutores (em cada tiristor). Obter informações nos datasheets dos fabricantes dos semicondutores. 2.6) Tabelar as especificações finais de todos os dispositivos de proteção projetados, incluindo código, fabricante, quantidade, tensões máximas suportadas, correntes máximas, etc. ETAPA 3 - Projeto do sistema de comando e controle 3.1) Projetar o sistema de controle realimentado para manter a regulação da variável de saída independente da variação da carga (controle PI). Determinar os ganhos do controlador 3.2) Simular o sistema de controle em malha fechada, testando que variações na rede e na carga não alteram o comportamento em regime permanente. 3.3) Projetar o circuito de medição, sincronismo, e disparo dos tiristores empregando o TCA785 (vide datasheet) 3.4) Implementar o circuito de controle, que inclui a referência, subtrator e o PI implementado com amplificadores operacionais. 3.5) Projetar a fonte linear com regulador linear para alimentação do circuito de comando e controle (+15V – 1A, -15V – 1A). Mostrar passo a passo o procedimento de projeto. 3.6) Simulação da fonte linear com regulador linear para alimentação do circuito de comando e controle (pode ser independente do circuito de potência) 3.7) Tabelar as especificações finais de todo o sistemas de controle projetados, incluindo código, fabricante, quantidade, tensões máximas suportadas, correntes máximas, etc. PROJETO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I – 2008/2 Grupo 1 – Nome Assinatura Grupo 2 – Nome Assinatura Grupo 3 – Nome Assinatura Grupo 4 – Nome Assinatura Grupo 5 – Nome Assinatura Grupo 6 – Nome Assinatura TRABALHOS Grupo 1 Retificador trifásico a três fios, a tiristor, utilizando transformador de entrada conectado em Y-∆, totalmente controlado Especificações: Tensão de entrada (linha): 380V (+10%/-15%) – 60Hz Carga: Comportamento resistivo Tensão de saída média: 12 V Corrente de saída máxima: 1000A Ondulação máxima tolerável na corrente de carga: 10% em 500A Obs.: Projetar filtro indutivo Grupo 2 Retificador trifásico a três fios, a tiristor, utilizando transformador de entrada conectado em ∆-Y, totalmente controlado Especificações: Tensão de entrada (linha): 220V (+10%/-10%) – 60Hz Carga: Comportamento resistivo-indutivo Tensão de saída ajustável (média): 400V-500V Potência de saída (nominal): 30kW Indutância de carga: 20mH Grupo 3 Retificador trifásico a três fios, a tiristor, utilizando transformador de entrada conectado em ∆-∆, totalmente controlado Tensão de entrada (linha): 220V (+15%/-15%) – 60Hz Carga: Comportamento resistivo-indutivo Tensão de saída ajustável (média): 0-500V Indutância de carga: 100mH Resistência de carga: 25 Grupo 4 Retificador trifásico a três fios, a tiristor, utilizando transformador de entrada conectado em ∆-Y, semicontrolado Tensão de entrada (linha): 220V (+15%/-15%) – 60Hz Carga: Baterias (RE) Tensão nominal da bateria (média): 192V Tensão mínima da bateria (média): 170V Resistência interna: 0,5 Corrente de carga (média): 50A Ondulação máxima tolerável na corrente de carga: 10% Obs.: Projetar filtro indutivo Grupo 5 Retificador trifásico a três fios, a tiristor, utilizando transformador de entrada conectado em Y-∆, semicontrolado Tensão de entrada (linha): 380V (+15%/-15%) – 60Hz Carga: Baterias (RE) Tensão nominal da bateria (média): 48V Tensão mínima da bateria (média): 36V Resistência interna: 0,5 Corrente de carga (média): 100A Ondulação máxima tolerável na corrente de carga: 10% Obs.: Projetar filtro indutivo Grupo 6 Retificador trifásico a três fios, a tiristor, utilizando transformador de entrada conectado em ∆-Y, totalmente controlado Tensão de entrada (linha): 380V (+10%/-15%) – 60Hz Carga: Baterias (RE) Tensão nominal da bateria (média): 92V Tensão mínima da bateria (média): 85V Resistência interna: 0,5 Corrente de carga (média): 100A Ondulação máxima tolerável na corrente de carga: 20% Obs.: Projetar filtro indutivo