Chopper Step-up (Boost)

O conversor Step up ou Boost é um conversor elevador, ou seja, o valor médio da tensão apresentada na saída do circuito é maior que o valor média da tensão de entrada, sendo assim a mínima tensão de saída é a tensão desenvolvida na entrada. Os componentes básicos são os mesmos do conversor Buck, porém são reajustados de forma a atender as características da carga (BARBI. MARTINS, 2006).

_____________________________________________________________________________________________

Na Figura 3.8 é apresentado o modelo de um conversor Boost ideal, ou seja, sem perdas. Esta topologia demonstra que a chave controlada está colocada entre o diodo e o induto, esta chave pode ser também um IGBT, TBJ, entre outros.

Figura 3.8 – Conversor Boost ideal

Fonte: Ahmed (2000).

No circuito Boost, há uma chave S que quando ligada faz com que o indutor fique diretamente conectado a alimentação tendo VL = Vi, e a corrente que circula no indutor aumenta linearmente armazenando energia, que está demonstrado na Figura 3.9. No instante em que a chave é desligada, ocorre na Figura 3.10, a corrente no indutor cai, o capacitor é carregado através do diodo. Sendo a tensão no indutor polarizada inversamente ela passa a somar com a tensão de entrada consequentemente elevando a tensão de saída (AHMED, 2000).

Figura 3.9 – Conversor Boost chave acionada

Fonte: Ahmed (2000).

Figura 3.10 – Conversor Boost chave desacionada

Se a chave estiver aberta a tensão de saída passa a ser igual a tensão de entrada, quando d aumentar, a tensão de saída passa a ser maior que a tensão de entrada. A tensão presente na carga sempre será maior que a tensão de entrada, se for utilizada uma alta frequência apropriada.

As formas de onda para d=0,5 que demonstram o funcuinamento do conversor Boost estão na Figura 3.11.

Figura 3.11 – Forma de onda conversor Boost

Fonte: Ahmed (2000).

Como o circuito é considerado ideal, a potência de entrada é igual a potência de saída conforme Ahmed (2000):

_____________________________________________________________________________________________

O valor médio de tensão na saída do circuito, conforme analisado na Figura 3.11 tem relação com o ciclo de trabalho e é definida por:

𝑉𝑜 = 𝑉𝑖 ( 1 1 − 𝑑)

(3.16)

O valor médio de corrente de saída na carga é demonstrado na Equação a seguir:

4 SISTEMA PROPOSTO

Conjuntos automatizados são essenciais em diferentes setores da engenharia, a tecnologia presente nos veículos pilotados automaticamente ou peças sendo usinadas dentro de unidades fabris são exemplos de sistemas controlados automaticamente. Neste contexto também estão as usinas hidrelétricas que possuem controles para suas comportas hidráulicas, turbinas hidráulicas e para o gerador.

Para controlar a tensão terminal de um gerador síncrono é de grande importância entender o contexto que a máquina está conectada. No sistema a ser implementado o gerador estará operando de forma isolada e sua velocidade é mantida constante.

A operação de forma isolada, significa que o gerador não está interligado a outros geradores ou a algum sistema, apenas é conectado a carga, conforme pode ser visto na Figura 4.1. (CHAPMAN, 2013).

Figura 4.1 – Gerador em operação isolada

Fonte: Chapman (2013).

Conforme já visto no Capítulo 2, para que a tensão terminal do gerador seja mantida constante, independente das variações de carga que possam ocorrer em um sistema, deve ser realizada a variação da corrente de campo da máquina, a corrente chamada corrente de excitação em corrente continua (CC).

O modelo proposto trata-se de um Sistema de Excitação por Barramento Auxiliar, neste caso a alimentação de tensão do conjunto de excitação do gerador provêm de uma fonte independente, que em casos práticos pode ser visto um Transformador de Excitação, chamado assim, pois é destinado a adequar o nível de tensão vinda do barramento auxiliar de uma usina hidrelétrica aos níveis necessários para a excitação, contando ainda com uma ponte retificadora para que a tensão seja CC.

_____________________________________________________________________________________________

Visando controlar a tensão de campo, é necessário um equipamento, que receba a tensão de entrada contínua vinda do transformador auxiliar e retificação, e apresente na sua saída uma tensão contínua, porém variável, neste contexto conforme o que foi visto no Capítulo 3, é definido o Conversor Buck. A chave semicondutora para esta aplicação é o IGBT, que possui um bom desempenho para altas potências controlando até correntes extremamente elevadas de forma eficiente.

Segundo Ogata (2010), em um sistema automatizado o objeto que será controlado é chamado de planta, para que o controle seja realizado é necessário que haja uma comparação entre uma entrada de referência e a saída de determinada malha, assim entre esses dois sinais haverá um sinal resultante chamado de erro, e é baseado neste que o sistema irá atuar para que ele seja nulo, este sistema chama-se sistema com realimentação.

O sistema de excitação implementado possui duas malhas de controle sendo a primeira, uma malha interna em que o conversor (C(s)) é a planta que será controlada visando anular a diferença entre a tensão 𝑉𝐹 (campo) e a referência vinda da malha externa. Para a primeira malha de controle será utilizada a técnica de Modulação por Largura de Pulso (PWM), assim controlando o chaveamento do IGBT através da medição da tensão de campo e a referência da malha externa o sinal de erro 𝑒𝑟 será considerado o sinal portador, comparado a um sinal modulante em formato triangular, sempre que o sinal medido for maior que o sinal modulante será gerado um pulso que irá chavear o IGBT como pode ser visto na Figura 4.2, o período em que a chave permanecer fechada define a tensão média que está na saída do conversor que é o campo do gerador. A técnica PWM é uma muito utilizada para o controle de conversores (BARBI; MARTINS, 2006).

Figura 4.2 – Formas de Onda sinal Modulante, portador e PWM

A malha externa terá como planta o gerador síncrono (G(s)) mais o sistema do conversor, é nesta que é medida a tensão de saída que é efetivamente gerada e comparada com um sinal de referência, o sinal de erro desta comparação é que será aplicado ao controlador para assim adequar os níveis de tensão que irão ser aplicados ao campo do gerador, os sensores de realimentação H(s) e H(s)1 possuem ganho unitário. As malhas de controle foram implementadas no software Matlab, conforme Figura 4.3.

Para que um sistema seja satisfatório o primeiro passo é realizar a compensação do mesmo, isto significa projetar os ganhos do sistema para que ele seja estável e tenha características conforme a dinâmica do conjunto (OGATA, 2010). Neste sistema há um controlador para cada malha de controle que visam compensar o conjunto, sendo um Proporcional (P), para malha interna e um Proporcional-Integral (PI), para a malha externa.

Figura 4.3 – Malhas de Controle

Fonte Elaborado pela Autora (2019).