MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO

FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PROGRAMA DE EDUCAÇÃO TUTORIAL ENGENHARIA ELÉTRICA

CURSO DE ATPDRAW 5.7

ATP – Alternative Transient Program

Apostila preparada pelos Petianos do curso de Engenharia Elétrica/UFMT:

Adriano Aparecido de Oliveira

Antonio Carlos Curriel Manzoli

Elian João Agnoletto

José Alberto da Cruz Júnior

Leandro Leppaus Leite

Rodolfo Quadros

Revisada em 2012 pelos Petianos:

Adriano Aparecido de Oliveira

Elian João Agnoletto

Rodolfo Quadros

Orientados pela Tutora:

Dra. Walkyria Krysthie Gonçalves Martins

Sumário

MÓDULO I ..................................................................................................................................... 4

1.1 Introdução ........................................................................................................................... 4

1.2 Objetivo do software e suas principais aplicações.............................................................. 5

1.3 Instalação ............................................................................................................................ 5

1.4 Apresentação do Ambiente de Trabalho .......................................................................... 16

1.5 Aspectos Gerais ................................................................................................................. 20

1.6 Utilização de Ferramentas Básicas .................................................................................... 21

1.7 Revisão Formas de Ondas ................................................................................................. 22

1.8 Frequência e Período ........................................................................................................ 23

1.9 Amplitude .......................................................................................................................... 23

1.10 Valor Médio ..................................................................................................................... 24

1.11 Valor Eficaz ...................................................................................................................... 24

1.12 Ângulo de Fase ................................................................................................................ 24

1.13 Defasamento Angular...................................................................................................... 25

MÓDULO I 1.1 Introdução

Os sistemas elétricos de potência vêm passando por inúmeras alterações e inovações, o que exige técnicas e estudos cada vez mais precisos e refinados para construir, manter e operá-lo. Além disso, eles estão expostos a condições adversas e imprevisíveis que podem levar a situações de falha ou má operação. Todo sistema elétrico está susceptível a variações súbitas de tensão ou de corrente. Essas variações podem ser provocadas por descargas atmosféricas, faltas no sistema ou operação de disjuntores, dando origem ao fenômeno conhecido como transitórios eletromagnéticos.

Mesmo que os sistemas elétricos operam quase que na totalidade do tempo em regime permanente, o estudo detalhado de transitórios é de fundamental importância, pois nessas circunstâncias, os equipamentos elétricos são submetidos a condições severas, muitas vezes ultrapassando as condições nominais de operação. Este estudo pode determinar os motivos que causaram essas perturbações ou até mesmo especificar dispositivos de proteção para os diversos equipamentos do sistema, de modo a se evitar danos não desejáveis.

Os fenômenos transitórios podem se manifestar de diversas maneiras, como por exemplo, por sobretensões, sobrecorrentes, distorção nas formas de onda, transitórios eletromecânicos.

Atualmente encontram-se vários programas computacionais que permitem a realização da análise de transitórios eletromagnéticos, um deles é o ATP (Alternative Transients Program).

O ATPDraw é um pré-processador gráfico, basicamente conduzido pelo mouse, para a versão do ATP do Programa de Transitórios Eletromagnéticos (EMTP) na plataforma MS-Windows. Ele permite a simulação de transitórios eletromagnéticos em redes polifásicas, com configurações arbitrárias, por um método que utiliza a matriz de admitância de barras. A formulação matemática é baseada no método das características (método de Bergeron) para elementos com parâmetros distribuídos e na regra de integração trapezoidal para parâmetros concentrados. Durante a solução, são utilizadas técnicas de esparsidade e de fatoração triangular otimizada de matrizes.

Como um programa digital não permite obter uma solução contínua no tempo, são calculados valores a intervalos de tempo discretos.

O programa permite também a representação de não-linearidades, elementos com parâmetros concentrados, elementos com parâmetros distribuídos, chaves, transformadores, reatores, fontes, pára-raios, compensadores estáticos e válvulas conversoras,

De uma forma geral, são considerados parâmetros em componentes de fase e de seqüência zero, positiva e negativa, dependendo do modelo.

A documentação do ATP consiste basicamente de um manual (ATP Rule-Book), onde estão todas as informações sobre os modelos disponíveis. Devido à abrangência do ATP e a sua utilização a nível internacional, existe farta literatura sobre a sua utilização em artigos publicados no Conselho Internacional das Grandes Redes Elétricas (CIGRE), no Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE), no Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica (SNPTEE), entre outros.

1.2 Objetivo do software e suas principais aplicações

Possibilitar aos acadêmicos um contato com um software de simulação de circuitos elétricos, uma vez que, em diversos momentos de sua graduação, estes serão requisitados a simular e confeccionar seus projetos. Objetiva, também, torná-los capazes de identificar o funcionamento básico dos componentes abordados na teoria das disciplinas de Circuitos Elétricos, Eletrônica, dentre outras. As análises relacionadas com a operação de qualquer sistema elétrico seja ele eletrônico ou de potência, dependem, quase que inteiramente, da simulação digital do comportamento dinâmico dos mesmos. A simulação implica na existência de modelos matemáticos para uma grande variedade de componentes, do conhecimento de dados dos diversos parâmetros que constituem um complexo elétrico e, finalmente, de bons programas de computador. Tais softwares devem ser dedicados a simulações específicas, tais como: fluxo de carga, harmônicos, transitórios eletromagnéticos, etc.. Assim, diante da crescente necessidade de tais análises, é extremamente interessante que uma única ferramenta computacional seja capaz de realizar os mais diferentes estudos associados à engenharia elétrica. O simulador ATP que, além de uma variada biblioteca, propicia a modelagem de outros componentes, eletro-eletrônico no domínio do tempo. Além disso, o ATP possui características com grande versatilidade gráfica e manipulação dos resultados de saída, que permitem a execução de estudos mais complexos e análises mais ricas.

1.3 Instalação

Instalando o Atpdraw

Primeiramente deve-se instalar o ATPDRAW 3.5 conforme instruções abaixo:

O primeiro arquivo a ser instalado é o InstATP110.

Para continuar a instalação, basta dar um click no botão Install e aguardar alguns segundos enquanto os arquivos são copiados para a pasta selecionada.

OBS: É recomendado que não se faça nenhuma alteração neste diretório.

O arquivo InstATP110add é mostrado na figura acima. Este arquivo contém alguns manuais, exemplos e ferramentas adicionais.

O processo de instalação é iniciado e a janela da figura acima é aberta.

Para continuar a instalação, basta dar um click no botão Install, no canto inferior direito da janela, e aguardar alguns segundos enquanto os arquivos são copiados.

Finalmente click no arquivo ATPLnchUpdate:

O processo de instalação é iniciado. Para continuar a instalação basta dar um click no botão Sim, para confirmar a instalação das ferramentas, e aguardar alguns segundos enquanto os arquivos são copiados.

Para finalizar a instalação, click no botão Close. Pronto, o ATPDraw já está instalado e pode ser encontrado na barra de ferramenta do menu iniciar.

Com o ATPDRAW 3.5 instalado pode-se instalar o ATPDRAW 5.7 conforme instruções abaixo:

Click no botão Next:

Nesta janela deve-se direcionar a pasta para a instalação C:\ATP\AtpDraw5.7 e em seguida clicar no botão Next.

Click novamente no botão Next.

Se marcar a opção Create a desktop icon será criado um ícone no desktop em seguida click no botão Next:

Click no botão Install:

Para finalizar click no botão Finish. Em seguida aparecerá uma janela. Click na opção sim para todas as opções. Com o AtpDraw5.7 instalado deve-se efetuar ajustes dentro do ambiente

AtpDraw5.7 conforme as instruções abaixo:

Click no menu Tools. Dentro de Tools click em Options:

Em Options na aba Files&Folders os endereços das pastas geralmente estarão direcionado para o disco d:. Caso o computador possua repartição e que está esteja com o nome d: prossiga para o próximo passo. Caso o computador não possua repartição ou repartição com nome diferente de d: mude os endereços para o disco c: conforme indicado abaixo.

Em Options na aba View/ATP na opção Edit settings... o usuário pode

escolher um Default ATP settings (Configuração padrão para o ATP), de delta T(intervalo de tempo de simulação em segundos), Tmax(tempo máximo de simulação em segundos), Xopt(indutâncias em mili-Henry se 0, caso seja 1, reatâncias em mili-Ohm), Copt(capacitâncias em micro-Farad se 0, caso seja 1, reatâncias em micro-simens), Freq(freqüência do sistema em Hertz). As alterações escolhidas nesta aba serão padrão para o ATP em todas as novas simulações.

Obs: Este Default ATP settings pode ser alterado a qualquer momento pelo usuário de acordo com as necessidades.

Em Options selecione a aba Preferences:

Para que o Atpdraw possa salvar é necessário localizar corretamente o enderço de runAPT_G.bat clicando em

O arquivo runATP_G.bat está em C:\ATP\Atpdraw5.7. Para que o arquivo esteja visível deve-se selecionar Batch files (*.bat) como indicado na figura acima. Para finalizar esta etapa click em Abrir:

Para que o Atpdraw possa plotar graficos é necessário localizar corretamente o enderço de PlotXY.exe clicando em

O arquivo PlotXY.exe está em C:\ATP\PlotXY para que o arquivo esteja visível deve-se selecionar Executable files (*.exe) como indicado na figura acima. Para finalizar esta etapa click em Abrir:

Antes de sair desta janela click em Save e depois em OK:

Para efetuar as alterações é necessário salvar as opções clicando em Tools em seguida Save Options.

1.4 Apresentação do Ambiente de Trabalho

Barra de ferramentas:

Atalhos com o teclado:

Clicando com o botão direito do mouse no ambiente do atpdraw dará acesso

ao menu abaixo:

Dentro do menu tem-se os seguintes componentes:

Probes e 3-phase (Medidores e Ferramentas trifásicas)

Branch linear (Ramos lineares)

Branch nolinear (Ramos não lineares) Lines/cables (Linhas/cabos)

Switches (Chaves e Tiristores) Sources (Fontes)

Machines (Motores) Transformers (Transformadores)

Models (Modelos) TACS

User Specified Steady-state

All standard comp...

1.5 Aspectos Gerais

Inserindo informações aos componentes do circuito:

Output quando selecionado alguma das opções permite ou não que o ATP plote gráficos.

Na chave temporizada deve-se indicar o tempo de fechamento e abertura da mesma.

A fonte ACSURCE pode trabalhar como fonte de tensão ou de corrente, podendo ser monofásica ou trifásica. Na opção Amplitude há três possibilidades: valor de amplitude, valor eficaz entre fase-neutro e valor eficaz entre fase-fase.

Para ligar o ponto de referência no circuito basta dar um click com o botão direito do mouse ou dois click com o botão esquerdo do mouse no terminal do componente em seguida aparecerá esta janela ao lado deve-se marcar a opção Ground e em seguida OK.

1.6 Utilização de Ferramentas Básicas Iniciando a simulação

Para dar inicio as simulações é necessário estabelecer as condições gerais de simulação, no ATP isto é feito no menu “Settings”.

Na aba “Simulation” são inseridos o intervalo de integração, o tempo máximo de simulação, freqüência e tipo de simulação. Os parâmetros Xopt e Copt, se mantidos em zero, a indutância e capacitância é dada em mH e μF respectivamente. Caso ocorra mudança nos parâmetros Xopt e Copt para 1 os parâmetros do capacitor e do indutor serão escritos em μS e mΩ respectivamente.

Aba simulation

Na aba “Output” pode-se controlar o número de pontos que serão plotados pelo fator de divisão Plot_freq.

Aba Output

1.7 Revisão Formas de Ondas

Forma de onda nada mais é do que uma representação gráfica do modo com que uma determinada onda (ou sinal) se propaga no decorrer do tempo, ou seja, é a representação dos valores instantâneos de uma grandeza em função do tempo. As formas de onda mais comuns são:

Onda Senoidal: Uma onda senoidal é considerada a forma de onda mais

simples. Ela é representada pela função seno ou cosseno. É bastante observada nos

sistemas elétricos de potência.

Onda Quadrada: Uma onda quadrada alterna instantaneamente entre dois

níveis, podendo ou não incluir o zero. Ela é encontrada com mais freqüência em

circuitos compostos de dispositivos eletrônicos, como por exemplo, nos circuitos

de chaveamentos digitais.

Onda Triangular: A onda triangular é uma espécie de forma de onda não

senoidal e, como o próprio nome já diz, apresenta a forma semelhante a um

triângulo. Ela é composta somente por harmônicas ímpares.

Onda Dente de Serra: É uma espécie de onda não senoidal composta por

todas as harmônicas inteiras. O nome se da pela semelhança com a lâmina de uma

serra.

1.8 Frequência e Período

A frequência (f) de uma onda é definida como a quantidade de ciclos, oscilações ou voltas que ela realiza em um determinado intervalo de tempo, e expressa em Hz de acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI).

O intervalo de tempo referido no parágrafo anterior, ou seja, o tempo necessário para a onda completar um ciclo, é denominado de período da onda (T), o qual pode ser observado na ilustração abaixo.

A frequência e o período de uma onda se relacionam pela seguinte equação:

1.9 Amplitude

A amplitude de uma onda é uma medida escalar negativa e positiva da

magnitude de oscilação de uma onda. Ela pode ser expressa pela seguinte equação:

| |

Onde: Vpp : valor de pico a pico da onda; Vp+: valor de pico positivo; Vp-: valor de pico negativo.

1.10 Valor Médio

O valor médio de uma função, por exemplo, um sinal de tensão ou corrente alternada senoidal, corresponde ao resultado líquido entre excursões positivas e negativas. Para funções periódicas contínuas o valor médio é dado por:

∫ ( )

Para uma função seno simétrica ao eixo das abscissas (x), por exemplo, seu

valor médio é igual a zero.

1.11 Valor Eficaz

O valor eficaz de uma tensão ou de uma corrente alternada senoidal, também chamado de valor RMS, do inglês root mean square (valor médio quadrático), corresponde à capacidade que esta grandeza variável no tempo possui em realizar trabalho efetivo.

Fisicamente, o valor eficaz de uma corrente alternada corresponde ao valor da intensidade de corrente contínua que causaria em uma determinada resistência o mesmo efeito calorífico.

Matematicamente, para uma função periódica, o valor eficaz pode ser dado pelo cálculo da média quadrática através do uso da integral:

√

∫ ( )

Para a função seno ou cosseno, por exemplo, o seu valor eficaz em um período de tempo (T) será igual a:

√

Onde Vp corresponde ao valor da onda.

1.12 Ângulo de Fase

Ângulo de fase é uma medida que indica se uma onda está adiantada ou atrasada em relação a uma determinada referência. Duas ondas que possuem mesmas freqüências podem apresentar diferença de fase. Isto significa que os valores de pico ou zeros das ondas não ocorrem ao mesmo tempo.

Quando falamos em adiantar uma onda estamos nos referindo em deslocá-la para esquerda, paralelamente ao eixo y. Já quando falamos em atrasar uma onda estamos nos referindo em deslocá-la para direita, também paralelamente ao eixo y.

A expressão genérica de um sinal senoidal ou cossenoidal é dada por:

( ) ( ) ou ( ) ( )

Onde: ( ): valor instantâneo; Am: amplitude ou valor máximo; ( ): ângulo de fase, o “+” para indicar o adiantamento e o “-” o atraso

em relação a uma determinada referência; β: defasamento angular em relação à origem;

Exemplo:

Adotando a função seno como referência, podemos dizer que a função cosseno nada mais é do que uma função seno adiantada de 90°, ou seja, deslocada 90° para a esquerda. Da mesma forma podemos dizer que, adotando a função cosseno como referência, a função seno é uma função cosseno atrasada de 90°, ou seja, deslocada 90° para a direita.

Desta forma pode-se dizer que:

( ) sen( ) ( ) cos( )

1.13 Defasamento Angular

O defasamento angular (β) indica o quanto uma onda está adiantada ou

atrasada em relação à origem, podendo ser expresso em graus, minutos, segundos, etc.

As ondas podem estar:

Em fase (β = 0°) ou oposição de fase (β = 180°)

Duas ondas estarão em fase ou oposição de fase quando apresentarem mesma freqüência e passarem pelo eixo x (eixo do tempo) no mesmo ponto, independentemente do valor de suas amplitudes. A diferença é que, em fase, após

as ondas passarem pelo eixo x, as duas estarão indo para seu valor máximo de mesmo sinal, ou seja, ou as duas irão para a amplitude positiva ou para amplitude negativa. Já em oposição de fase, quando as ondas passarem pelo eixo x, as duas estarão indo para valores máximos de sinais contrários (opostos), ou seja, uma irá para sua amplitude negativa enquanto a outra irá para sua amplitude positiva ou vice-versa.

Exemplo:

( ) cos( ) ( ) cos( )

Ondas em Fase

( ) cos( ) ( ) cos( )

Ondas em oposição de Fase

Defasadas Duas ondas estão defasadas quando elas cortam o eixo x (eixo do tempo)

em pontos diferentes. Elas podem estar adiantadas ou atrasadas em relação a uma referência adotada. Para verificar se uma onda está adiantada ou atrasada em relação a esta referência podemos observar qual delas atinge primeiro seu valor máximo, positivo ou negativo (amplitude).

Exemplo: Considerando a imagem abaixo podemos verificar que a onda A esta

atrasada em relação à onda B de um ângulo de 90 °, que neste caso corresponde a 0,5 segundos.