1 INTRODUÇÃO
Os avanços tecnológicos relacionados especialmente a conecti- vidade e acesso a informação, tem elevado os requisitos dos eletrodo- mésticos atualmente comercializados. O processamento de dados e por consequência a integração de sistemas operacionais, aumentam cada vez mais as potências envolvidas nos controles eletrônicos. Da mesma forma, o apelo visual e melhoria de eficiência, vem introduzindo soluções de LED e a transformação de cargas de tensão alternada tais como ven- tiladores e válvulas de água em cargas de tensão contínua (FANARA, 2005).
Na mesma linha de transformação e evolução, o compressor, a principal carga dos refrigeradores, também vem sofrendo alterações onde a procura por soluções com capacidade variável cresce de forma expres- siva e acelerada. Esta tendência se deve aos melhores níveis de efici- ência, ruído acústico e desempenho de refrigeração com o uso desta tecnologia (SCHWARZ, 2001). As soluções com capacidade variável fa- zem uso de conversores de tensão, normalmente implementados em dois estágios de conversão CA-CC e CC-CA.
Todas estas mudanças nas soluções aplicadas, em refrigerado- res demandam cada vez mais energia dos retificadores monofásicos (CA- CC), os quais normalmente são cargas não lineares. Estas cargas im- põem elevados níveis de correntes harmônicas nas linhas de distribuição, elevando as perdas de todo o sistema elétrico integrado (RAWA, 2014). Órgãos regulamentadores definem limites para a distorção harmônica de corrente para praticamente todos os equipamentos eletroeletrônicos, com critérios específicos para cada país e região.
O aumento dos níveis de potência dos equipamentos vêm pres- sionando os fabricantes a apresentarem soluções mais eficientes e com menores distorções na corrente de entrada. Uma parcela importante deste
46 Capítulo 1. INTRODUÇÃO
ganho de eficiência se deve à correção do fator de potência, resultando na diminuição da Distorção Harmônica Total (DHT), melhoria do fator de potência (FP), redução da corrente eficaz e perdas da rede de distribui- ção. As perdas por condução e comutação adicionadas pelos circuitos de correção de fator de potência (CFP) podem ser inferiores aos ganhos proporcionados por estes (FORTENBERY B.; KOOMEY, 2006), possibili- tando assim o aumento da eficiência.
Este trabalho é dedicado ao projeto de um retificador com corre- ção de fator de potência a ser utilizado em uma placa de controle de um refrigerador, constituído de cargas CC e um compressor de capacidade variável com tecnologia linear. O projeto visa atender aos requisitos dos mercados norte-americano e europeu, desta forma deve atender a duas faixas de tensão distintas (120 V / 230 V). O foco fica restrito em selecionar uma topologia que atenda aos requisitos normativos de fator de potência e níveis das correntes harmônicas, sendo a melhor solução diante dife- rentes critérios tais como, eficiência, complexidade, volume, entre outros. Na Figura 1.1 é apresentado um diagrama geral do conversor a ser atendido. O primeiro estágio constitui o retificador da tensão de entrada (CA-CC), o qual gera o barramento de tensão CC. O inversor (CC-CA) garante o fornecimento de tensão alternada para o compressor linear, tensão esta que varia em frequência e valor eficaz. A fonte de ten- são chaveada, também conhecida como Switched-Mode Power Supply (SMPS), converte a tensão de barramento CC em uma baixa tensão des- tinada ao controle de cargas tais como ventiladores, resistências, LEDs e displays. Na Tabela 1.1 são apresentados os requisitos gerais de ten- são e potência das cargas, nas quais já são consideradas as perdas dos conversores CC-CA e CC-CC. O trabalho aqui proposto irá se concentrar no estudo do retificador (CA-CC), considerando os demais conversores como cargas CC.
Além dos atuais requisitos das regiões norte-americana e euro- péia, é feita também uma avaliação para os requisitos futuros que de- vem ser implementados em 2017. A norma IECIEC61000-3-2 (2014) de-
Figura 1.1 – Diagrama de blocos do controle eletrônico do refrigerador.
Fonte: Produção do autor.
termina que refrigeradores e freezers com compressores de velocidade variável passam a integrar a classe D, a qual é mais exigente que a atu- almente utilizada (classe A). Esta norma foi publicada em 2014, todavia passará a ser exigida na Europa somente em 2017 (INTERTEK, 2015). Atualmente a norma válida é a IEC61000-3-2 (2006).
No Capítulo 2 são apresentadas as normas exigidas em cada um dos mercados considerados no escopo da pesquisa, bem como os níveis exigidos por estas. Primeiramente é verificado se o retificador a diodo dobrador de tensão com filtro capacitivo atende aos requisitos normativos. Nesta análise é considerado o retificador dobrador visto que a tensão de saída especificada (Tabela 1.1) é maior que a tensão de pico de entrada para o caso do mercado norte-americano. Além disso, nesta configuração (𝑉𝑖𝑛,𝑁 𝐴𝑅) tem-se a maior corrente de entrada em comparação com a
versão 230 V, a qual não demanda dobrador de tensão. Na sequência é feita uma avaliação das influências da impedância dos transformadores
48 Capítulo 1. INTRODUÇÃO
Tabela 1.1 – Requisitos básicos do retificador.
Tensão de entrada - Norte-americana 97 𝑉 ≤ 𝑉𝑖𝑛,𝑁 𝐴𝑅≤ 140 V
𝑉𝑖𝑛,𝑁 𝐴𝑅= 120 V
Tensão de entrada - Europa 180 𝑉 ≤ 𝑉𝑖𝑛,𝐸𝑈 ≤ 264 V
𝑉𝑖𝑛,𝐸𝑈= 230 V
Frequência da rede - Norte-americana 𝑓𝑟,𝑁 𝐴𝑅 = 60 Hz
Frequência da rede - Europa 𝑓𝑟,𝐸𝑈 = 50 Hz
Tensão do barramento CC 270 𝑉 ≤ 𝑉𝑜𝑢𝑡≤ 420 V Potência de entrada do 0 𝑊 ≤ 𝑃𝑖𝑛,𝐶𝐶−𝐶𝐴≤ 172 W conversor CC-CA Potência de entrada do 25 𝑊 ≤ 𝑃𝑖𝑛,𝐶𝐶−𝐶𝐶 ≤ 128 W conversor CC-CC Potência de saída do 25 𝑊 ≤ 𝑃𝑜𝑢𝑡,𝐶𝐶−𝐶𝐴 ≤ 300 W conversor CA-CC
Fonte: Adaptado dos requisitos de projeto da Whirlpool Latin America.
das linhas de distribuição no comportamento da corrente de entrada do retificador.
O Capítulo 3 aborda a modelagem da SMPS e do conjunto inversor- compressor linear, necessária para a definição das características da cor- rente drenada do retificador. O modelo do compressor linear é implemen- tado no software PSIM e validado através do comparativo com um modelo completo de propriedade da Whirlpool Latin America.
Conhecendo-se o comportamento da carga do retificador, no Ca- pítulo 4 são apresentados circuitos passivos e o retificador Boost atuando na correção do fator de potência do retificador em questão. É feita a ava- liação dos mesmos diante dos limites normativos, tanto na condição de carga máxima (300 W) quanto mínima (25 W).
No Capítulo 5 são apresentadas diferentes soluções ativas para a correção do fator de potência com intuito de definir a melhor solução para
este tipo de aplicação. A escolha é feita através de uma matriz de decisão, na qual busca-se identificar os principais critérios a serem atendidos com o conversor. São escolhidos os conversores bridgeless (CB) e conversor bridgeless dobrador (CBD), cada qual para uma faixa de tensão de en- trada. Ambos possuem estrutura de montagem semelhante, permitindo o uso de uma mesma placa de circuito impresso.
No Capítulo 6 é apresentada a modelagem completa das solu- ções selecionadas, onde são obtidas as plantas que permitem a definição das malhas de controle necessárias. Na sequência é definida a técnica de controle, que inclui o controle da corrente de entrada, tensão de saída e desbalanço de tensão entre os capacitores. Finalmente é definido o com- ponente integrado a ser utilizado no circuito de controle, onde optou-se por um circuito integrado comercial que utiliza modulação e estratégia de controle conhecidas como One Cycle Control (OCC).
O equacionamento dos esforços sobre os componentes de po- tência é apresentado no Capítulo 7. Isso inclui a análise quantitativa do conversor, obtendo-se as equações para cálculo dos esforços de corrente e definição das capacitâncias e indutâncias. Da mesma forma, são apre- sentadas as equações para definição das perdas por condução e comu- tação dos componentes de potência.
No Capítulo 8 é apresentado o projeto e implementação do protó- tipo dos conversores selecionados. É feita a seleção de todos os compo- nentes de potência, a definição de todos os circuitos, esquemático, layout da placa e dissipador de calor.
O Capítulo 9 é dedicado a apresentação dos resultados experi- mentais, incluindo degrau de carga, variação de tensão, regime perma- nente, eficiência e análises harmônicas de corrente para ambos os con- versores (CB e CBD). Por fim é apresentado o comportamento térmico do conversor.
No Capítulo 10 é feita uma investigação das limitações apresen- tadas pelo controlador selecionado (IR1155) quando utilizado no CBD.
50 Capítulo 1. INTRODUÇÃO
Inicialmente é feita uma modelagem do controlador visando identificar as causas das limitações encontradas. Na sequência é proposta uma solu- ção, a qual é validada através de simulação e sugerida para implementa- ção em projetos futuros.
O último capítulo apresenta a conclusão geral do trabalho e as contribuições para possíveis trabalhos futuros.