relatÓrio final: drive+conversor buck e gerador...
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SATC - ASSOCIAÇÃO BENEFICIENTE DA INDÚSTRA CARBONÍFERA DE
SANTA CATARINA
FACULDADE SATC – ENGENHARIA ELÉTRICA
RELATÓRIO FINAL: DRIVE+CONVERSOR BUCK E GERADOR
TRABALHANDO EM CONJUNTO
Anderson Rovani
Deivid Mioteli
Mateus Bortolatto
Max Gabriel Steiner
Criciúma, SC – Dezembro de 2016
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LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Gráfico teste de tensão com carga. .................................................. 7
Gráfico 2 - Gráfico teste de tensão com carga. .................................................. 8
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SUMÁRIO
1.0 INTRODUÇÃO 4
2.0 Driver e Conversor 5
2.1 Comentários e Problemas Encontrados 5
3.0 GERADOR 7
3.1 Comentários e Problemas Encontradas 8
4.0 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO 9
4.1 Comentários e Problemas Encontrados 9
5.0 CONCLUSÃO 11
6.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 12
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1.0 INTRODUÇÃO
O projeto multidisciplinar consiste na união das disciplinas de
Conversão Eletromecânica de Energia II e Eletrônica de Potência I e tem como
objetivo a construção de um motor/gerador CC acompanhado de um conversor
CC-CC Buck para adaptar os níveis de tensão do gerador ao solicitado.
O motor/gerador CC é uma máquina capaz de converter energia
mecânica em energia elétrica, assim fornecendo energia para diversos
sistemas. Porém, essa energia gerada deverá passar por um conversor CC-CC
do tipo Buck para ser manipulada.
O conversor CC-CC Buck é um circuito eletrônico utilizado para
converter uma tensão CC em outra tensão CC de valor mais baixo e são
utilizados, por exemplo, para reduzir a tensão de baterias de laptops (12-24V),
para fornecer os poucos volts necessários para o funcionamento de
processadores.
O motor/gerador teve por objetivo gerar uma tensão CC de 12 volts
em um regime de rotação uniforme.
O conversor adotado foi do tipo Buck com os padrões Vi = 12V, Po =
45W, ΔILmax = 10%, Vo = 5V, Fs = 32kHz e ΔVomax = 1%.
O projeto foi desenvolvido em três etapas, sendo este documento o
relatório final, que vai tratar da união das 3 etapas anteriores.
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2.0 Driver e Conversor
Como já foi apresentado em oportunidades anteriores, o drive é um
circuito de interfase entre o circuito de controle e o circuito de potência, e tem
como funções amplificar os níveis de corrente e tensão para acionar os
transistores quando se encontram em diferentes potenciais, e também realizar
a proteção dos transistores quando detectado um curto circuito.
O conversor CC -CC, tem como fundamento converter uma tensão
CC em um outro nível de tensão CC. Existem inúmeros tipos de conversores,
dentre os mais comuns são o conversor buck, o conversor boost e o conversor
buck-boost.
O conversor empregado ao nosso grupo, por sorteio, foi o conversor
buck. Esse conversor tem como função converter um sinal de tensão CC, em
um sinal CC de valor inferior. Seria ele então, como muito popularmente é
chamado, um conversor abaixador de tensão.
Os aspectos construtivos tanto do drive, quanto do conversor foram
abordados nos relatórios de avanço 1 e 2.
Ambos os circuitos, drive e conversor, foram projetados e concluídos
com sucesso.
2.1 Comentários e Problemas Encontrados
Quando falamos a respeito do circuito drive, pode-se afirmar que foi
a etapa mais bem sucedida. O circuito foi calculado, parametrizado e
executado com sucesso. Mas no decorrer das execuções práticas, algumas
dificuldades foram encontradas.
Quando na confecção das placas, aconteceram alguns erros básicos
durante o processo de impressão, corrosão, e soldagem dos componentes,
devido à falta de prática dos membros da equipe nesses pontos. Porém, esses
problemas foram corrigidos com sucesso.
Na construção do conversor buck, vários detalhes interferiram no
seu perfeito funcionamento. Já nos primeiros testes, foi constatado uma tensão
inferior ao que havia sido estipulado para o projeto. A origem desta subtensão
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era desconhecida. Foi efetuado a troca de vários componentes, e nenhum
resultado satisfatório foi obtido inicialmente.
Ainda nesses primeiros testes, era constatado um ruído acústico
agudo elevado, principalmente, quando o sinal do drive era modificado, ou
melhor, o seu duty cycle era aumentado. A princípio, esse ruído parecia ter
origem dos capacitores do circuito. Foi efetuada a troca desses, porém o ruído
permaneceu.
Perante esses problemas, tanto o professor da disciplina relacionada
quanto outras pessoas que se prontificaram a auxiliar na resolução deste
problema, foram ouvidas. Várias ideias foram levantadas, mas todas não
trouxeram êxito para a solução do problema.
Por fim, ao estudar mais afundo o papel do diodo nos circuito
conversores, constatou-se que, dependendo principalmente da potência do
conversor, eles sofrem um grande aquecimento. Mediante esta constatação,
tentamos observar algo relacionado na prática. Dessa forma, durante os testes,
realmente a equipe observou que o diodo sofria um grave aquecimento. Como
simples solução, o dissipador que já havia sido adicionado inicialmente ao
mosfet, foi também utilizado no diodo para a dissipação desse calor excessivo.
Depois que essa atitude foi tomada, ficou claro que o problema era
apenas o excesso de aquecimento do diodo. Ele atingia certa temperatura, e
perdia a sua principal propriedade para este circuito específico: a recuperação
rápida. A perda dessa característica, gerava ruídos no circuito inteiro, mas
principalmente no chaveamento. Isso interferia diretamente no resultado final.
Dessa maneira, com a adição dissipador, o problema foi resolvido.
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3.0 GERADOR
Como também já foi apresentado na etapa anterior, foram feitos dois
modelos de geradores: um com estator bobinado e outro com ímãs
permanentes no estator. O funcionamento de ambos já foi descrito na etapa
citada acima.
É interessante ressaltar mais uma vez, que o método de geração
com estator bobinado mostrou-se insuficiente para atender a demanda do
circuito conversor operando a plena carga, pois o conversor buck solicitado ao
nosso grupo, necessita de em torno de 80 watts na entrada, para seu pleno
funcionamento. Esse gerador, devido a suas dimensões reduzidas, mesmo
com uma excitação elevada e, uma rotação acima da comumente utilizada,
gerou aproximadamente 60 watts.
Já o gerador CC com ímãs permanentes mostrou-se eficiente para
essa aplicação. Os gráficos abaixo irão dar uma visão gerada com uma carga
de 60 watts conectados na saída de ambos os motores.
Gráfico 1 - Gráfico teste de tensão com carga.
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Rotação (RPM)
Motor Estator Bobinado - Com Carga
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Gráfico 2 - Gráfico teste de tensão com carga.
Analisando estes gráficos, evidenciamos o que já foi dito
anteriormente, e comprova a melhor eficiência do gerador CC com excitação
com ímãs permanentes.
3.1 Comentários e Problemas Encontradas
Basicamente, no gerador CC com excitação com ímãs permanentes
não foram encontrados problemas. Porém, o gerador CC com excitação
externa trouxe um pouco mais de trabalho. Pelo fato deste gerador não estar
gerando a potência necessária na saída, o grupo optou por rebobinar pela
segunda vez as bobinas do estator. Essa atitude trouxe uma melhoria
significante na tensão gerada na saída. Porém, não foi suficiente para alcançar
os níveis de potência exigidos pela carga.
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Ten
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(V
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Velocidade (RPM)
Motor ímãs Permanentes no Estator - Com Carga
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4.0 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
Como solicitação da etapa final, tanto para a extração de alguns
dados básicos quanto para a demonstração aos avaliadores, todo o sistema foi
conectado, ou seja, o drive foi novamente conectado ao conversor, e quem
alimentou o conversor foi o gerador CC com imãs permanente no estator.
Nesta aplicação final, surgiu um problema que não era esperado: o
drive de acionamento do mosfet do conversor estava apresentando muitas
interferências, provavelmente provindas do circuito no qual ele estava
acoplado. Por esse motivo, o grupo, juntamente com o professor, optou por
substituir o drive de acionamento do mosfet pelo gerador de sinais. Sendo
assim foi possível testar de maneira eficaz o comportamento de todo o sistema
acoplado e extrair dados e valores.
Após solucionar o problema do drive, acoplamos ao eixo do gerador
CC um motor CA controlado por um inversor de frequência (equipamentos
disponibilizados pela faculdade SATC) para desempenhara função de fonte
geradora de tração mecânica para o eixo do gerador; com o uso do inversor, foi
possível ajustar a velocidade do motor para que a tensão de saída do gerador
CC fosse adequada com os parâmetros e características do sistema de
conversão.
Para atender as características do conversor designado a equipe, foi
necessário aplicar no motor CA uma rotação nominal de aproximadamente
1500 RPM, e desse modo o gerador aplicado no projeto gerou uma tensão de
saída, a qual alimenta o conversor, de aproximadamente 12 Volts. A tensão de
saída do conversor, perante esses valores aplicados, foi de aproximadamente
5,2 Volts.
4.1 Comentários e Problemas Encontrados
O principal problema encontrado foi o acoplamento feito entre o
motor CA disposto pela faculdade SATC e o gerador CC. Como não foi
fabricado, e sim desenvolvido no laboratório por meio de tentativa e erro, os
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eixos acabaram ficando desalinhados um em relação ao outro, provocando
vibrações e perturbações no conjunto.
Depois de muitos testes, o gerador foi acoplado com êxito e os
testes foram concluídos com sucesso.
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5.0 CONCLUSÃO
Após a realização de todas as etapas deste projeto, foi possível
obter sucesso no desenvolvimento de um sistema de conversão Buck
alimentado por um gerador de corrente contínua. O projeto ao todo foi dividido
em três grandes etapas ao qual estas foram apresentadas e descriminadas
detalhadamente através relatórios individuais de cada etapa.
Apesar das dificuldades e problemas encontrados, este projeto foi de
grande importância para somar e aprimorar os conhecimentos e ensinamentos
apresentados em sala de aula no decorrer deste semestre para as disciplinas
de Conversão II ministrada pelo professor Marcelo Benetti e Eletrônica de
Potência ministrada pelo professor Luis Felipe Carbonera, podendo comprovar
de modo prático todas as teorias expostas em sala de aula.
É importante ressaltar que alguns critérios e análises, principalmente
na etapa do gerador CC, foram tomadas de forma empírica devido a
praticidade para analise do comportamento desta máquina síncrona, sendo
efetuado na parte prática alguns ajustes e adequações nos equipamentos,
conforme descrito anteriormente neste documento.
Por fim o projeto teve uma grande contribuição na carreira
acadêmicas dos alunos que nele se emprenharam para desenvolver e por o
sistema em operação conforme proposta inicial apresentada pelos professores
ministrantes deste, e como um todo obtendo sucesso em seu desenvolvimento.
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6.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALMEIDA, José Luiz Antunes de. Eletrônica de potência. 4.ed. São
Paulo: Livros Erica Ed., 1991. 297, [2]p
FITZGERALD, A. E; KINGSLEY, Charles; UMANS, Stephen
D. Máquinas elétricas: com introdução à eletrônica de potência. 6.ed
Porto Alegre: Bookman, 2007. 648p.
MARTIGNONI, Alfonso. Máquinas elétricas de corrente
contínua. Porto Alegre: Globo, 1971. xii, 257 p.
BARBI, Ivo. Eletrônica de potência. 3. ed. Florianópolis: Ed. do Autor,
2000. vi, 408 p. ISBN 8590104621.
NASCIMENTO JUNIOR, Geraldo Carvalho do. Máquinas
elétricas: teoria e ensaios. 3. ed. São Paulo: Érica, 2010 260 p. ISBN
9788536501260