4.4 RESULTADOS PARCIAIS EM MALHA ABERTA
4.4.2 Resultados experimentais
Para realizac¸ ˜ao dos testes experimentais utilizou-se os componentes dis- pon´ıveis em laborat ´orio conforme s ˜ao apresentados na tabela 13. A capacit ˆancia C2pf c
foi obtida atrav ´es de dois capacitores de filme conectados em paralelo, cujos modelos e valores s ˜ao B32678G3476K de 47 µF e B32676G3206K de 20 µF, ambos com 300 V de tens ˜ao cont´ınua m ´axima. Para a capacit ˆancia na sa´ıda do est ´agio PC da conex ˜ao CO utilizou-se um capacitor modelo B32674D3126K de 12 µF com 250 V de tens ˜ao cont´ınua m ´axima. Utilizou-se o modelo de LED apresentado no cap´ıtulo 2. Todos os resultados experimentais em malha aberta foram obtidos com o oscilosc ´opio Tektronix
0 2 4 6 0 2 4 6 0,3124 0,31242 0,31244 0,31246 Tempo (s) 0,3124 0,31242 0,31244 0,31246 Tempo (s) C o rre n te (A) C o rre n te (A) Cascata otimizada Série
Figura 43: Correntes nos diodos Dpf c(superior) e Dpc(inferior) de cada modo de conex ˜ao.
modelo DPO3054.
Tabela 13: Par ˆametros dos componentes utilizados em testes experimentais em malha aberta.
Par ˆametro Especificac¸ ˜ao Valor
Dret 1N4007 700 V / 1 A L1pf c Thorton E30/15/7 3,79 mH L2pf c Thorton E30/15/7 179,95 µH C1pf c B32529C3154J 150 nF / 250 V C2pf c(1) B32678G3476K 47 µF / 300 V C2pf c(2) B32676G3206K 20 µF / 300 V Spf c e Spc,s IRFP360 400 V / 23 A / Rds(on) = 0,2 Ω
Lpc,co Thorton E30/15/7 97,75 µH
Cpc,co B32674D3126K 12 µF / 250 V
Spc,co IRFP260N 200 V / 50 A / Rds(on) = 0,04 Ω
Dpf c, Dpc,co e Dpc,s 15ETH06FP 600 V / 15 A / trr = 35 ns
Lpc,s Thorton E30/15/7 70,24 µH
Cpc,s Capacitor de poli ´ester 4,7 µF / 250 V
Sendo que os sub´ındices ret, co e s representam os diodos da ponte retifi- cadora e as conex ˜oes CO e s ´erie, respectivamente.
A figura 44(a) apresenta as tens ˜oes de sa´ıda VoP F C e VoP C dos est ´agios
PFC e PC, respectivamente, da conex ˜ao CO e a figura 44(b) apresenta a tens ˜ao de sa´ıda do est ´agio PFC da conex ˜ao s ´erie. Da mesma forma como nos resultados de simulac¸ ˜ao, a conex ˜ao CO apresenta uma compensac¸ ˜ao passiva da ondulac¸ ˜ao de tens ˜ao em testes experimentais.
4.4 Resultados parciais em malha aberta 88
ΔVoPFC = 28,5 V
ΔVoPC = 12,0 V
(a) Cascata otimizada.
ΔVoPFC = 35,0 V
(b) S ´erie.
Figura 44: Tens ˜oes de sa´ıda dos est ´agios PFC (VoP F C) e PC (VoP C) (25 V/div, 10 ms/div).
de conex ˜ao.
ΔILED = 590 mA
ΔVo = 18,0 V
(a) Cascata otimizada.
ΔILED = 390 mA
ΔVo = 14,0 V
(b) S ´erie.
Figura 45: Tens ˜ao Voe corrente ILEDna carga (25 V/div, 500 mA/div, 10 ms/div).
Os resultados de tens ˜ao apresentados pelas figuras 44 e 45 s ˜ao apresenta- dos novamente de forma resumida atrav ´es da tabela 14. Pode-se notar que os valores m ´edios de tens ˜ao de sa´ıda obtidos experimentalmente est ˜ao de acordo com os valores de projeto. O valor de ondulac¸ ˜ao de tens ˜ao da sa´ıda do est ´agio PFC para a conex ˜ao CO ficou em torno de 30% conforme o projeto. Entretanto, para conex ˜ao s ´erie esse valor ficou 7,27% acima do valor de projeto. Mesmo com a compensac¸ ˜ao passiva da ondulac¸ ˜ao de tens ˜ao na carga, a conex ˜ao CO apresentou um valor de ondulac¸ ˜ao em torno de 28,57% acima da ondulac¸ ˜ao de tens ˜ao da conex ˜ao s ´erie.
Os resultados de corrente apresentados pela figura 45 s ˜ao apresentados novamente de forma resumida atrav ´es da tabela 15. Nessa tabela, ⟨ILED⟩, ILED,min,
ILED,pk e ∆ILED representam os valores de corrente m ´edia, m´ınima, pico e ondulac¸ ˜ao
em baixa frequ ˆencia, respectivamente, na carga. Os valores m ´edios de corrente est ˜ao de acordo com os valores de projeto e os valores de pico permaneceram abaixo do m ´aximo permitido para o modelo de LED utilizado nesse trabalho. As conex ˜oes CO
Tabela 14: Comparativo entre valores obtidos experimentalmente de tens ˜oes de sa´ıda dos est ´agios e na carga em malha aberta.
Configurac¸ ˜ao Est ´agio ⟨V ⟩ (V) Vmin (V) Vpk (V) ∆V (V) ∆V (%)
Cascata otimizada PFC 94,5 79,5 108 28,5 30,16 PC 22,1 17,0 29,0 12,0 54,30 LED 116,0 107,0 125,0 18,0 15,52 S ´erie PFC 93,9 78,0 113,0 35,0 37,27 PC 116,0 108,0 122,0 14,0 12,07 LED 116,0 108,0 122,0 14,0 12,07
e s ´erie apresentaram uma ondulac¸ ˜ao de corrente em torno de 99,49% e 65,44%, respectivamente. J ´a era previsto que a ondulac¸ ˜ao de corrente na conex ˜ao CO seria maior, pois a ondulac¸ ˜ao de tens ˜ao j ´a apresentava um valor maior em relac¸ ˜ao `a co- nex ˜ao s ´erie. Os valores obtidos de pot ˆencia na carga s ˜ao 68,1 W e 69,1 W para a conex ˜ao CO e s ´erie, respectivamente.
Tabela 15: Comparativo entre valores obtidos experimentalmente de corrente na carga em malha aberta.
Configurac¸ ˜ao ⟨ILED⟩ (mA) ILED,min(mA) ILED,pk(mA) ∆ILED (mA) M od(%)
Cascata otimizada 593 310 900 590 29,5
S ´erie 596 410 800 390 19,5
A figura 46 apresenta as formas de ondas das tens ˜oes e correntes nas chaves Spf c utilizadas no est ´agio PFC. Para a conex ˜ao CO, a tens ˜ao apresenta um
valor m ´aximo de 276 V e a corrente apresenta um pico de 5,64 A. Para a conex ˜ao s ´erie, a tens ˜ao apresenta um valor m ´aximo de 288 V e a corrente apresenta um pico de 5,90 A. Nota-se um instante de oscilac¸ ˜oes no interruptor, por ´em elas s ˜ao naturais do conversor e n ˜ao comprometem o funcionamento da topologia.
ISpfc VSpfc
(a) Cascata otimizada.
ISpfc VSpfc
(b) S ´erie.
4.4 Resultados parciais em malha aberta 90 A figura 47 apresenta as formas de ondas das tens ˜oes e correntes nas chaves Spc utilizadas no est ´agio PC. Para a conex ˜ao CO, a tens ˜ao apresenta um valor
m ´aximo de 127 V enquanto que a corrente apresenta um pico de 2,24 A. Para a conex ˜ao s ´erie, a tens ˜ao apresenta um valor m ´aximo de 238 V enquanto que a corrente apresenta um pico de 7,10 A. Os n´ıveis de tens ˜ao e corrente da chave do est ´agio PC para a conex ˜ao CO s ˜ao menores visto que esse est ´agio processa apenas 20% da energia entregue para a carga.
ISpc VSpc
(a) Cascata otimizada (50 V/div, 2 A/div, 8 µs/div).
ISpc VSpc
(b) S ´erie (100 V/div, 5 A/div, 8 µs/div).
Figura 47: Tens ˜ao e corrente na chave Spc.
A figura 48 apresenta as formas de ondas da tens ˜ao e corrente de entrada do circuito de cada modo de conex ˜ao. A conex ˜ao CO apresenta um FP de 0,976, uma THD de 5,27% e uma efici ˆencia de 95,49%. A conex ˜ao s ´erie apresenta um FP de 0,987, uma THD de 5,30% e uma efici ˆencia de 89,03%.
Vin Iin
(a) Cascata otimizada.
Vin Iin
(b) S ´erie.
4.5 CONCLUS ˜OES PARCIAIS
Nesse cap´ıtulo realizou-se um estudo sobre as poss´ıveis topologias e mo- dos de operac¸ ˜ao, bem como uma an ´alise dos conversores CC-CC que podem ser em- pregados nos est ´agios PFC e PC em drivers para acionamento de LEDs. Para esse trabalho espec´ıfico, os conversores mais indicados para esses est ´agios s ˜ao, respecti- vamente, o SEPIC e buck-boost. Apresentou-se uma metodologia de projeto de cada conversor CC-CC e sua validac¸ ˜ao foi realizada atrav ´es de simulac¸ ˜oes computacionais e resultados experimentais. Em todos os est ´agios foi poss´ıvel projetar capacitores cujo valor de capacit ˆancia permite que seja utilizado uma outra tecnologia no lugar do capacitor eletrol´ıtico. Isso faz com que a vida ´util do sistema seja prolongada.
Os resultados de simulac¸ ˜ao e experimentais em malha aberta mostraram quem os esforc¸os de tens ˜ao e corrente nos componentes na conex ˜ao CO s ˜ao menores em relac¸ ˜ao `a conex ˜ao s ´erie devido ao uso da t ´ecnica R2P2. Isso impactou em uma
maior efici ˆencia da conex ˜ao CO.
Os resultados com relac¸ ˜ao `a modulac¸ ˜ao de corrente nos LEDs demos- tram que tanto a conex ˜ao CO quanto a conex ˜ao s ´erie n ˜ao s ˜ao capazes de anteder `a recomendac¸ ˜ao pr ´atica 1 da IEEE Std 1789-2015 com os sistemas operando em malha aberta. Notou-se que, mesmo com a compensac¸ ˜ao passiva da ondulac¸ ˜ao de tens ˜ao na carga, a conex ˜ao CO apresentou valores de ondulac¸ ˜ao de corrente e tens ˜ao na carga maiores em relac¸ ˜ao `a conex ˜ao s ´erie. Isso significa que a atuac¸ ˜ao do controle poder ´a ser mais exigida a fim de manter uma corrente nos LEDs sem ondulac¸ ˜ao.
92
5 MODELAGEM E CONTROLE DO EST ´AGIO PC
5.1 INTRODUC¸ ˜AO
O fluxo luminoso emitido pelo LED depende da corrente que ´e aplicada nele. Al ´em disso, os valores de pico dessa corrente devem permanecer abaixo do m ´aximo permitido pelo fabricante do dispositivo, para que n ˜ao danifique-o. Portanto, o uso de uma malha de controle de corrente tem como objetivo principal manter um n´ıvel de corrente constante nos LEDs e com o m´ınimo de ondulac¸ ˜ao poss´ıvel, mesmo quando o sistema for submetido a perturbac¸ ˜oes e variac¸ ˜oes param ´etricas.
Somente o est ´agio PC ser ´a modelado, visto que esse est ´agio ´e o res- pons ´avel pelo controle da pot ˆencia demandada pela carga. O est ´agio PFC n ˜ao ser ´a modelado pois, como discutido no cap´ıtulo 4, esse est ´agio emula uma resist ˆencia quando opera-se em MCD. Dessa forma obt ´em-se, teoricamente, um FP unit ´ario, po- dendo ser dispensada uma malha de controle.
O projeto do controlador ´e realizado com base na func¸ ˜ao de transfer ˆencia obtida atrav ´es do modelamento matem ´atico do sistema. Dessa forma, nesse cap´ıtulo ser ˜ao abordados os modelos m ´edio e CA de pequenos sinais dos conversores em estudo. Tais modelos ser ˜ao validados atrav ´es de simulac¸ ˜oes e na sequ ˆencia ser ˜ao projetados os controladores.