Resultados Experimentais para a Topologia Buck-Boost Bidirecional com Correção

As principais características da topologia, assim como os componentes utilizados nos protótipos são apresentadas na Tabela 4.8 e na Tabela 4.9.

4.3.3.1 Topologia Alimentada através da Rede Elétrica

A Figura 4.77 mostra as formas de onda da tensão e da corrente na saída do conversor quando a bateria é carregada em série com os LEDs. Por isso, a tensão é igual a 142 V (VLEDs + Vbat) e a corrente nos LEDs é igual a da bateria (708 mA). A potência de saída do conversor é a potência dos LEDs mais a potência de carga da bateria, então o valor total da potência de saída é 101 W.

Tabela 4.8 – Características da topologia Buck-Boost Bidirecional com Correção do Fator de Potência

Características do Sistema Proposto Alimentado através da Rede Elétrica

Tensão Eficaz da Rede Elétrica Vin_RMS 220 V

Tensão de Pico da Rede Elétrica Vin_pk 311 V

Frequência da Rede fR 60 Hz

Tensão Nominal da luminária VLEDs 96 VCC

Corrente Nominal nos LEDs ILEDs 700 mA

Tensão Nominal do Banco de Baterias Vbat 48 VCC

Corrente de Recarga da Bateria Irecarga 700 mA

Frequência de comutação fS 40 kHz Características do Sistema Proposto Alimentado através das Baterias

Tensão Mínima do Banco de Baterias Vbat_mín 42 VCC

Tensão Nominal do Banco de Baterias Vbat 48 VCC

Tensão Máxima do Banco de Baterias Vbat_máx 50 VCC

Frequência de comutação fS_bat 40 kHz Parâmetros da Topologia Obtidos Através da Metodologia de Projeto Proposta

Razão Cíclica Máxima Dmáx Dmáx 23%

Indutância do Conversor Buck-Boost LBB LBB 403,4 µH

Ondulação da corrente nos LEDs ILEDs 30%

Capacitor de filtro CLEDs CLEDs 680 µF / 200V

Tensão Máxima no Interruptor Vds_máx 461 V

Corrente de Pico no Interruptor Ids_pico_rede 5,4 A

Corrente Eficaz no Interruptor Ids_RMS_rede 1,16 A

Ondulação de corrente no indutor LBB ∆IBB 2 A

Tabela 4.9 – Componentes utilizados na topologia Buck-Boost Bidirecional com Correção do Fator de Potência

Componentes Utilizados

Diodos da Ponte Retificadora D1 - D4 1N4007

Indutor do filtro de entrada Lf 1,022 mH

Capacitor do filtro de entrada Cf 470 nF / 250 V

Indutância do Conversor Buck-Boost LBB LBB 403,4 µH

Diodo de saída do conversor Buck-Boost D7 MUR160

Capacitor de filtro CLEDs CLEDS 680 µF / 200 V

Capacitor de filtro Cbat Cbat 470 µF / 200 V

Interruptor M1 IRFPE50

As formas de onda da tensão e da corrente de entrada do circuito são mostradas na Figura 4.78. O valor eficaz da corrente é de 494 mA e a potência de entrada é de 108 W.

Então, o rendimento da topologia é de 93.5%. A Figura 4.79 mostra o conteúdo harmônico da corrente de entrada para o circuito proposto, o qual está de acordo com a norma IEC 61000-3- 2. A taxa de distorção harmônica total é 7,1% e o fator de potência é 0.997.

A tensão e corrente no interruptor são mostradas na Figura 4.80. O valor máximo da corrente no interruptor é aproximadamente 4,6 A, e seu valor eficaz considerando a ondulação em baixa frequência é de 1,6 A. A tensão de bloqueio no interruptor é de 512 V.

As formas de onda da tensão e da corrente nos LEDs alimentados pela rede elétrica enquanto a bateria não é recarregada, são mostradas na Figura 4.81, juntamente com o valor da potência. Enquanto os LEDs são alimentados pela rede, há uma ondulação na corrente de aproximadamente 30%, devido à variação da tensão retificada na entrada. O valor médio da corrente é mantido em 682 mA e a tensão média no LEDs em 90,8 V. Portanto, a potência de saída do conversor é de 62 W.

Para analisar o rendimento da topologia, bem como o estágio de correção do fator de potência, as formas de onda da tensão e da corrente de entrada do circuito são mostradas na Figura 4.82. A corrente eficaz é 305 mA e a potência de entrada é de 67,1 W. Então, o rendimento da topologia é de 92,4%. Através desta figura é possível perceber que a corrente segue a tensão senoidal, proporcionando um alto fator de potência. A taxa de distorção harmônica total é 7,1% e o fator de potência é 0,9975.

A tensão e a corrente no interruptor são mostradas na Figura 4.83. O valor de pico da corrente no interruptor é aproximadamente 4 A, e seu valor eficaz considerando a ondulação de baixa frequência é de 776 mA. Porém, a Figura 4.83 mostra o valor da corrente eficaz calculado apenas para a amostra ampliada na imagem, sem considerar a ondulação em baixa frequência. A tensão de bloqueio no interruptor é de 464 V.

Figura 4.77 – Forma de onda da tensão e da corrente total na saída da topologia BBB-CFP alimentando os LEDs e recarregando as baterias através da rede elétrica.

VLEDs + Vbat

Figura 4.78 –Forma de onda da tensão e da corrente de entrada para a topologia BBB-CFP alimentando os LEDs e recarregando as baterias através da rede elétrica.

Figura 4.79 – Amplitude das harmônicas da corrente de entrada em porcentagem da amplitude da fundamental (60 Hz) para a topologia BBB-CFP alimentando os LEDs e recarregando as baterias através da rede elétrica.

Figura 4.80 –Forma de onda da tensão e da corrente no interruptor para a topologia BBB-CFP alimentando os LEDs e recarregando as baterias através da rede elétrica.

Vin

Iin

Vds

Figura 4.81 – Forma de onda da tensão e da corrente total na saída para a topologia BBB-CFP alimentando somente os LEDs através da rede elétrica.

Figura 4.82 –Forma de onda da tensão e da corrente de entrada para a topologia BBB-CFP alimentando somente os LEDs através da rede elétrica.

Figura 4.83 –Forma de onda da tensão e da corrente no interruptor para a topologia BBB-CFP alimentando somente os LEDs através da rede elétrica.

VLEDs ILEDs Vin Iin Vds Ids

4.3.3.2 Topologia Alimentada através das Baterias

Na Figura 4.84, as formas de onda da tensão e da corrente nos LEDs alimentados através da bateria são apresentadas. A corrente é mantida constante em 685 mA e a potência de saída do conversor é 60,6 W.

A tensão e corrente de entrada (banco de baterias) são mostradas na Figura 4.85. Nesta etapa de operação, o conversor opera no modo de condução contínua, e o capacitor em paralelo com a bateria reduz a ondulação de corrente. Com isto, o valor eficaz da corrente e, consequentemente, as perdas devido à resistência interna da bateria são reduzidas. A tensão da bateria é 48,2 V e a corrente média é 1,42 A. A potência de entrada é de 68,5 W, resultando em um rendimento de 88,4%.

Na Figura 4.86, a tensão e a corrente no interruptor para o circuito alimentado pela bateria são apresentadas. O valor eficaz da corrente é de 1,91 A e o valor máximo da tensão no interruptor é de 196 V. A Figura 4.87 mostra uma foto da topologia implementada.

Figura 4.84 – Forma de onda da tensão e da corrente na saída para a topologia BBB-CFP alimentando somente os LEDs através das baterias.

Figura 4.85 –Forma de onda da tensão e da corrente de entrada para a topologia BBB-CFP alimentando somente os LEDs através das baterias.

VLEDs

ILEDs

Vbat

Figura 4.86 –Forma de onda da tensão e da corrente no interruptor para a topologia BBB-CFP alimentando somente os LEDs através das baterias.

Figura 4.87 –Foto do protótipo implementado para a topologia Buck-Boost Bidirecional com Correção do Fator de Potência.