Universidade de São Paulo

Universidade de São Paulo
Escola de Engenharia de São Carlos
Departamento de Engenharia Elétrica
SEL0353 - Princípios de Alta Tensão e Coodernação de Isolação
Primeiro Relatório Técnico
Autores:
Gustavo P. Pompeo
5716585
5656088
Curso:
Engenharia Elétrica – Ênfase Sistemas de Energia e Automação
Professor:
Dr. Rui A. C. Altafim
São Carlos, Junho de 2010
Prefácio
O presente trabalho é um relatório técnico para as simulações
computacionais referentes a um sistema de coordenação de alta tensão.
Possui em seu escopo simulações de circuitos de alta tensão, projetado
utilizando dez diodos reais distribuídos em série, com resistores em paralelo, e
um circuito elevador de tensão Greinacher para classe de 10KV-DC, com a
fonte AC de 5KV.
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Índice
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1. Simulações de Circuitos Elevadores de Tensão
Todos os circuitos foram simulados no LTspice/SwitcherCADIII e
Eletronic WorkBench.
2. Parte 1- Circuito de Diodos de Potência
Para a simulação do circuito proposto, foi utilizado o diodo real proposto
do Datasheet presente no software workbench, que mais se aproximou do real,
mostrado na Figura 1.
Fig.1 – Datasheet diodo.
Todos Cada diodo suporta uma tensão reversa de 2000V
repetitivamente. Quando dispostos em série, essa tensão é somada. De modo
que 10 diodos em série agüente uma tensão reversa de 10*2kV = 20KV.
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Fig. 2 – Circuito Workbench.
Para uma tensão menor que 20KV
Fig. 3 – Tensão de entrada 2KV
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Fig. 4- Tensão de entrada 10KV
Fig. 5- Tensão de 20KV.
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Fig. 6- Tensão de 30KV
3. Parte 2 - Teste dos elementos e medição
3.1. Definição de método de medição
Devido ao elevado nível de tensão envolvido no experimento, bem como
a dimensão física dos componentes e equipamentos, não podemos utilizar de
maneira convencional os equipamentos de medição tradicionais. Com o
objetivo de se aferir o nível de tensão DC obtido com este retificador de meia
onda trabalhando com dez diodos de potencia e dez resistências de 10MΩ, foi
elaborado uma maneira pratica de se realizar medições do circuito
implementado, com precisão satisfatória, de maneira segura e conveniente.
Assim empregou-se, dentre tantos métodos disponíveis, a utilização de
um simples circuito divisor de tensão, com a utilização de um multímetro
convencional de laboratório. Para o circuito divisor de tensão, foram
dimensionadas duas resistências que operam em elevados níveis de potência.
A primeira resistência tem por função provocar uma grande perda ôhmica no
nível de tensão a ser medido. A seguir é conectada uma segunda resistência
cujo objetivo é ajustar o nível de tensão e corrente para valores satisfatórios
para a utilização do multímetro, bem como estabelecer um valor conhecido de
resistência para posterior efetuação de cálculos para se determinar o nível de
tensão desejado.
Os multímetros e osciloscópios convencionais trabalham em faixas de
tensão de 0V a 1000V, sendo que após essa faixa sua operação é
comprometida bem como a segurança de quem o opera é posta em risco. Para
evitar danos ao circuito de proteção do aparelho, utiliza-se circuitos divisores
de tensão para ajustar a tensão ao nível adequado e assim realizar a medida.
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Posteriormente cálculos matemáticos são realizados a fim de se constatar a
tensão do circuito principal.
Uma ponteira de testes pode ser projetada com uma ponta esférica
metálica, conectada a dois resistores. Pode-se ajustar o valor de resistências
de acordo com as especificações técnicas do multímetro utilizado. Assumindo
que o multímetro trabalha em uma faixa de 0V a 1000V, e que para realizar
medições de corrente, estabeleceu-se que no circuito da ponta de prova uma
corrente não superior a 2mA deve circular, concebeu-se o seguinte circuito:
Fig. 7- Circuito de Medição
A ponta metálica é conectada ao circuito principal, a queda de tensão na
resistência R1 permite que um nível de tensão adequado seja medido, a
resistência R2 nos permite ajustar o valor da corrente no circuito da ponteira,
bem como estabelecer um valor de resistência adequado para o multímetro
efetuar medidas e assim realizar o cálculo do divisor de tensão e determinar a
tensão no circuito principal. Estabelecemos como tensão na resistência R2 o
valor de 1000V, limiar de operação do multímetro. Assim temos que a queda de
tensão na resistência R1 será de:
VR1= 20000-1000=19000V
Estabeleceu-se a corrente no circuito da ponteira como 1mA, sendo
assim o valor de R1 é pela lei de Ohm:
R1 
19000
 19M
1.10 3
Finalmente podemos determinar o valor de R2:
R2 
1000
 1M
1.10 3
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Com esses valores de resistência calculamos o nível de tensão no
circuito principal resolvendo-se o divisor de tensão proposto com a leitura do
multímetro pela seguinte formula:
V  V2 (1 
R1
)
R2
Podemos notar que o valor das resistências, apesar de elevado
encontra-se dentro de valores comerciais bem como dos valores do
experimento proposto. Escolheu-se projetar o divisor de tensão para operar no
limiar do multímetro, para reduzir os valores de corrente que circulam na
ponteira, bem como garantir uma maior confiabilidade nas medições. Outro
fator decisivo para isso é o fato de as resistências serem confeccionadas de
carbono. Devido ao elevado valor de tensão e consequentemente de potência,
essas resistências tendem a esquentar e aumentar o valor nominal de sua
resistência elétrica, fazendo com que o nível de tensão em R2 e
consequentemente do multímetro seja ainda menor do que 1000V
especificados. Como sugestão pode-se utilizar exaustores à ar ou óleo para
arrefecer a resistência e assim melhorar a qualidade das medições.
Podemos notar que este método de teste é bastante preciso, uma vez
que utiliza uma montagem simples de componentes, com propriedades bem
definidas e de fácil montagem e calculo dos parâmetros. Enfatiza-se o fato do
uso de um multímetro digital como forma de aferição como um método
bastante preciso e confiável. O limite desta tecnologia de medição reside no
fato de os componentes resistores terem limites de operação devidos
principalmente à temperatura, sendo que para tensões maiores com o uso de
geradores maiores recomendam-se outros métodos de medição.
4. Circuito Greinacher
4.1. Introdução
O desejo de se gerar altas tensões a partir das fontes convencionais
disponíveis existe desde o descobrimento da eletricidade. A invenção do “anel
de indução”, pelo físico e químico britânico Michael Faraday, em 1831, foi o
início do processo da geração de altas tensões a partir de fontes não muito
elevadas, usando transformadores.
Outras técnicas foram sendo desenvolvidas para obter melhor eficiência
e menor dificuldade de construção, ao longo do tempo, com o desenvolvimento
tecnológico. Dentre essas técnicas, pode-se citar inicialmente os circuitos
“dobradores” de tensão que a partir de uma fonte alternada geram uma saída
contínua com o dobro do valor de pico da entrada em módulo. Esse tipo de
circuito geralmente se utiliza de elementos eletrônicos simples como
capacitores e diodos e são de fácil construção. Para tanto, existem uma certa
variedade de circuitos elevadores que seguem essa filosofia. Dentre eles, é de
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grande interesse citar o circuito de Villard, apresentado na Fig. 8, o qual
consiste simplesmente de um diodo e um capacitor. Apesar de sua
simplicidade, no entanto, possui uma saída com um valor de ondulação
bastante elevado pois é praticamente a mesma tensão de entrada com o valor
médio deslocado de um valor de tensão de pico, ou seja, a saída é a onda
senoidal da entrada com valor dobrado, nesse caso, sem retificação.
Fig. 8 - Circuito elevador de tensão de Villard.
Utilizando-se dessa estrutura, Greinacher propôs uma idéia simples e
barata para reduzir o ripple desse circuito adicionando mais um diodo e um
capacitor, conforme pode ser visto na Fig. 9.
Fig. 9 - Circuito elevador de tensão de Greinacher.
Nesse novo circuito, a onda senoidal de saída, com valor dobrado de
pico agora é retificada e não há ondulação para a condição de circuito aberto,
sendo que quando há carga, surge corrente e essa situação se altera de
acordo com o valor do capacitor usado e da resistência final.
Além da geração de altas tensões, faz se necessário à medição das
mesmas sendo que para isso, devido às condições atípicas de valores
modulares dessa grandeza elétrica, deve-se utilizar equipamentos especiais
para aferição. Um equipamento bastante simples e de precisão razoável é o
centelhador de esferas o qual é constituído de duas esferas metálicas
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levemente distanciadas, conectadas sob uma diferença de potencial e em uma
estrutura que permite o movimento de aproximação ou distanciamento entre
ambas. A aplicação de tensão em terminais opostos sob as esferas causa uma
concentração de cargas relativamente uniforme e superficial nos corpos que
em determinado momento, dependendo do raio das esferas e da distância
entre elas, quebra a isolação do ar. Para tanto, conhecido a relação entre a
isolação do ar e a distância entre as esferas, é possível determinar a tensão
aplicada entre os terminais conectados nas esferas.
4.2. Parte 3 – Circuito de Greinacher
O circuito de greinacher é um circuito clássico para geração de altas
tensões em corrente contínua. Este circuito utiliza diodos retificadores e
capacitores para transformar tensões AC em DC.
A figura 10 apresenta o esquemático do circuito de Greinacher. A
capacitância C1 tem função de criar um offset DC para a tensão da fonte, como
pode ser visto na figura 2. A capacitância C2 tem função de filtrar a tensão de
saída, conseguindo assim uma tensão DC (Figura 12). Os diodos tem função
de retificar a onda, impedindo qualquer corrente reversa, garantindo assim o
nível DC.
Fig. 10 - Circuito elevador de tensão de Greinacher, simulador
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Fig. 11 - Função da capacitância C1
A influência da magnitude dessas capacitâncias pode ser analisada
através dos anexos 1 e 2. Observa-se que aumentando a capacitância C1,
consegue-se uma resposta mais rápida para a obtenção do valor DC na tensão
de saída, porém uma maior corrente de pico no transitório.
A partir dessas análises foi projetado um circuito de Greinacher com a
especificação de saída de 10 kV-DC e entrada 5 kV-AC. Para isso utilizamos o
equivalente de diodos obtidos na parte 1 deste relatório, com diodos 5SDD da
ABB, de maneira que fosse possível retificar esse nível de tensão. Para os
capacitores foi escolhido o modelo 31151 da General Atomics com
capacitância de 600nF e nível de isolamento de 30kV.
Tabela 1 – Seleção do Capacitor
Disponível em: http://www.ga-esi.com/EP/capacitors/series-s-ss.php
Com isso obtêm-se o nível DC requerido de 10kV com baixo ripple como
é possível observar na figura 3.
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Fig. 12 – Forma de onda de Saída
5. Referências
[1]
Kuffel E. ; W.S. Zaengl. High Voltage Engineering Fundamentals,
---……1a.Edição, 1984.
[2]
Villard e Greinacher Circuit, Basic Voltage Multipliers.
http://www.kronjaeger.com/hv/hv/src/mul
[3]
ENSAIOS DE IMPULSO ATMOSFÉRICO E DE MANOBRA - http://
www.fisicapotierj.pro.br/Raios/Sobre_Raios_%20e_Outros/EnsaiosImpulsoAtmosfer
ico.pdf
[4]
Bobina de Tesla.
http://pt.wikipedia.org/wiki/Bobina_de_Tesla
[5]
Bobina de Tesla.
http://experimentoteca.fis.unb.br/prolego/eletro/bobina.htm
[6]
Bobina de Tesla
http://www.feiradeciencias.com.br/sala14/14_01.asp
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6. Anexos
Anexo 1 – Influência da Capacitância C1
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Anexo 2 – Influência da Capacitância C2
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