Projeto e implementação de um retificador isolado em alta frequência
156
0
0
Texto
(2) DANIEL BERNARDO DE ALVARENGA. ˜ DE UM RETIFICADOR ISOLADO PROJETO E IMPLEMENTAC ¸ AO ˆ EM ALTA FREQUENCIA. Dissertac¸a˜ o apresentada ao Programa de P´osgraduac¸a˜ o em Engenharia El´etrica da Universidade Tecnol´ogica Federal do Paran´a como requisito parcial para obtenc¸a˜ o do grau de “Mestre em ´ Ciˆencias” – Area de Concentrac¸a˜ o: Engenharia de Automac¸a˜ o e Sistemas. Orientador:. CURITIBA 2014. Prof. Dr. Roger Gules.
(3) Dados Internacionais de Catalogação na Publicação. A473p 2014. Alvarenga, Daniel Bernardo de Projeto e implementação de um retificador isolado em alta frequência / Daniel Bernardo de Alvarenga.-2014. 149 f.: il.; 30 cm Texto em português com resumo em inglês Dissertação (Mestrado) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial, Curitiba, 2014 Bibliografia: f. 146-149 1. Sistemas de controle digital. 2. Retificadores de corrente elétrica. 3. Fator de potência. 4. Eletrônica de potência. 5. Teoria de comutação. 6. Métodos de simulação. 7. Engenharia elétrica - Dissertações. I. Gules, Roger. II. Universidade Tecnológica Federal do Paraná - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial. III. Título. CDD 22 -- 621.3. Biblioteca Central da UTFPR, Câmpus Curitiba.
(4) UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ. Câmpus Curitiba Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial. Título da Dissertação Nº. 658. Projeto e Implementação de um Retificador Monofásico Isolado em Alta Frequência. por. Daniel Bernardo de Alvarenga Orientador: Prof. Dr. Roger Gules. Esta dissertação foi apresentada como requisito parcial à obtenção do grau de MESTRE EM CIÊNCIAS – Área de Concentração: Engenharia de Automação e Sistemas do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial – CPGEI – da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, às 14h00 do dia 25 de março de 2014. O trabalho foi aprovado pela Banca Examinadora, composta pelos professores doutores:. _____________________________________. ___________________________________. Prof. Dr. Roger Gules (Presidente – UTFPR). Prof. Dr. Marcello Mezaroba (UDESC). ___________________________________. Prof. Dr. Alceu André Badin (UTFPR). Visto da coordenação:. ________________________________ Prof. Ricardo Lüders, Dr. (Coordenador do CPGEI).
(5) AGRADECIMENTOS. Primeiramente, agradec¸o a` Deus que sempre me guia e d´a forc¸as. Agradec¸o ao meu orientador Prof. Dr. Roger Gules, pela a liberdade e confianc¸a referente ao presente trabalho, al´em da compreens˜ao em momentos dif´ıceis. Agradec¸o a empresa NHS pelo apoio, incentivo e patroc´ınio do projeto.. Um. grande agradecimento ao colega de trabalho e amigo Rafael Cristiano Annunziato, pelos compartilhamento dos conhecimentos e apoio. Agradec¸o ao n´ucleo de pesquisas do NUPET, aos professores Eduardo Felix Romaneli, Alceu Badin e ao colega Martin Breus Meier que contribu´ıram para a realizac¸a˜ o deste projeto. Um agradecimento especial a minha mulher Leticia Carla de Carvalho, que esteve ao meu lado em momentos cruciais da elaborac¸a˜ o dessa dissertac¸a˜ o. Agradec¸o a Deus pela vinda de meu amado filho, Beilian Rafael de Alvarenga, que durante o projeto me trouxe alegrias e mais forc¸as para finalizar a dissertac¸a˜ o. Fam´ılia, vocˆes s˜ao minhas fortalezas, meus pilares, minha fonte de carinho. Agradec¸o ao meu grade pai Magnaldo J. B de Alvarenga e minha m˜ae Saletra Bueno Farias, que sempre me incentivaram nos estudos e me deram muito apoio. Agradec¸o aos meus amigos, em especial a Janio Denis Gabriel, Luis Fernando Guimar˜aes, Luis Gustavo Kawahara e Jo˜ao Ceschin. Obrigado pela forc¸a e por n˜ao terem me deixado desistir. Sinto que n´os percorremos este caminho junto..
(6) “Bem-aventurado o homem que acha sabedoria, e o homem que adquire conhecimento”(Prov´erbios 3:13)..
(7) RESUMO. ˜ DE ALVARENGA, Daniel Bernardo. PROJETO E IMPLEMENTAC¸AO DE UM ˆ RETIFICADOR ISOLADO EM ALTA FREQUENCIA. 100 f. Dissertac¸a˜ o – Programa de P´os-graduac¸a˜ o em Engenharia El´etrica, Universidade Tecnol´ogica Federal do Paran´a. Curitiba, 2014. Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a implementac¸a˜ o de um retificador Ponte Completa isolado em alta frequˆencia com elevado fator de potˆencia para aplicac¸o˜ es em UPS. Este conversor e´ composto por um conversor Boost multi-fase operando em modo cont´ınuo (CCM) integrado a um conversor ZVS CC-CC Ponte Completa sem o indutor de sa´ıda operando em modo descont´ınuo (DCM). A topologia apresenta comutac¸a˜ o suave intr´ınseca, permitindo a operac¸a˜ o com baixas perdas por comutac¸a˜ o em altas frequˆencia. Este conversor tamb´em apresenta operac¸a˜ o multi-fase e reduc¸a˜ o da ondulac¸a˜ o da corrente de entrada com o uso de dois indutores de entrada. A estrutura sem ponte de diodos possibilita a reduc¸a˜ o do n´umero de componentes da etapa de potˆencia, apresentando baixas perdas por conduc¸a˜ o. A implementac¸a˜ o de uma nova malha de controle de potˆencia, adicional ao controle convencional, permite melhor resposta dinˆamica do conversor. Os detalhes da estrat´egia de controle, bem como o projeto dos componentes do circuito s˜ao apresentados. Os resultados s˜ao obtidos atrav´es de um prot´otipo com frequˆencia de chaveamento de 43,2 kHz e comprovados atrav´es da simulac¸a˜ o, sendo o rendimento m´aximo e´ igual a 92,2 % com potˆencia nominal, 1,7 kW. Um novo controle com duas modulac¸o˜ es independentes tamb´em e´ proposto, permitindo o conversor tamb´em operar como abaixador de tens˜ao. Esta modificac¸a˜ o possibilita maior faixa de tens˜ao de sa´ıda do conversor e consequentemente para a sa´ıda do UPS. Palavras-chave: Controle Digital. Retificador Ponte Completa Isolado. Alta Frequˆencia. Comutac¸a˜ o Suave.
(8) ABSTRACT. DE ALVARENGA, Daniel Bernardo. PROJECT AND IMPLEMENTATION OF A ISOLATED RECTIFIER WITH HIGH FREQUENCY. 100 f. Dissertac¸a˜ o – Programa de P´os-graduac¸a˜ o em Engenharia El´etrica, Universidade Tecnol´ogica Federal do Paran´a. Curitiba, 2014. This paper presents the development and implementation of a high power factor full-bridge rectifier with high frequency isolation for UPS applications. This converter is composed by a multiphase boost converter operating in continuous mode (CCM) integrated with a ZVS DC-DC full-bridge converter without the output inductor and operating in discontinuous mode (DCM). The topology presents intrinsic ZVS commutation allowing the operation with lower switching losses at higher frequencies. It also presents multiphase operation and input current ripple reduction by using two input inductors. The structure bridgeless rectifier reduces the number of semiconductors in conduction of power circuit, presenting lower conduction losses. The implementation of a new power loop control, allows a better dynamic converter response. Details of the control strategy and circuits components design are presented. The results are verified through a prototype with switching frequency equal to 43,2 kHz and the maximum efficiency is equal to 92,2 % at nominal power, 1,7 kW. A new control with two independent modulations is also proposed, allowing the converter operating also as step-down voltage. This modification provides greater range of converter output voltage and thus the output of the UPS. Keywords: Digital Control. Isolated Full-Bridge Rectifier. High Frequency Operation. Soft Commutation..
(9) LISTA DE FIGURAS. FIGURA 1 FIGURA 2 FIGURA 3 FIGURA 4 FIGURA 5 FIGURA 6 FIGURA 7 FIGURA 8 FIGURA 9 FIGURA 10 FIGURA 11 FIGURA 12 FIGURA 13 FIGURA 14 FIGURA 15. – – – – – – – – – – – – – – –. FIGURA 16 FIGURA 17 FIGURA 18 FIGURA 19 FIGURA 20 FIGURA 21 FIGURA 22 FIGURA 23 FIGURA 24 FIGURA 25 FIGURA 26 FIGURA 27 FIGURA 28 FIGURA 29 FIGURA 30 FIGURA 31 FIGURA 32 FIGURA 33 FIGURA 34 FIGURA 35 FIGURA 36 FIGURA 37 FIGURA 38 FIGURA 39 FIGURA 40. – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –. Transformador isolador em 60 Hz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transformador com n´ucleo de ferrite - EE65. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Retificador de dois est´agios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Retificador est´agio u´ nico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor Ponte Completa entrada em corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor Ponte Completa entrada em corrente com grampeamento ativo. Conversor Ponte Completa-Flyback entrada em corrente. . . . . . . . . . . . . . . . Conversor Boost-Meia Ponte CC-CC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Retificador Meia Ponte sem ponte de diodos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor Boost-Ponte Completa CC-CC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor Ponte Completa entrada em corrente com dois indutores. . . . . . Retificador Boost-Ponte Completa sem ponte de diodos. . . . . . . . . . . . . . . . . Retificador Boost convencional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Retificador Boost sem ponte de diodos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Etapas de operac¸a˜ o do retificador Boost. (a) Armazenamento semi-ciclo positivo; (b) Transferˆencia semi-ciclo positivo; (c) Armazenamento semiciclo negativo; (d) Transferˆencia semi-ciclo negativo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor ZVS CC-CC Converter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor proposto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuito simplificado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Primeira etapa de operac¸a˜ o. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bloqueio de M2b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Terceira etapa de operac¸a˜ o. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quarta etapa de operac¸a˜ o. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quinta etapa de operac¸a˜ o. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bloqueio de M1a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S´etima etapa de operac¸a˜ o. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oitava etapa de operac¸a˜ o. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principais formas de onda do retificador Boost-Ponte Completa. . . . . . . . . . Processo de pr´e-carga de Cb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Formas de onda da corrente nos diodos de sa´ıda e tens˜ao em Ld . . . . . . . . . . Corrente em Ld e diodos de sa´ıda na operac¸a˜ o cr´ıtica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Corrente de entrada e variac¸a˜ o instantˆanea da corrente m´edia de sa´ıda. . . . Variac¸a˜ o da raz˜ao c´ıclica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modulac¸a˜ o da raz˜ao c´ıclica no brac¸o “a” de comutac¸a˜ o. . . . . . . . . . . . . . . . . Per´ıodo de desmagnetizac¸a˜ o da indutˆancia de s´erie total. . . . . . . . . . . . . . . . Controle cl´assico do retificador Boost n˜ao isolado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tens˜ao, corrente e potˆencia instantˆanea de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tens˜ao de entrada e tens˜ao de sa´ıda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estrat´egia de controle do retificador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estrat´egia de controle do retificador com malha de potˆencia. . . . . . . . . . . . . Modulac¸a˜ o assim´etrica - raz˜ao c´ıclica D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14 15 15 16 19 20 20 21 21 23 23 24 26 26. 27 27 28 30 30 31 31 32 32 33 33 34 34 36 37 40 42 44 44 44 45 46 46 47 47 49.
(10) FIGURA 41 FIGURA 42 FIGURA 43 FIGURA 44 FIGURA 45 FIGURA 46 FIGURA 47 FIGURA 48 FIGURA 49 FIGURA 50 FIGURA 51 FIGURA 52 FIGURA 53 FIGURA 54 FIGURA 55 FIGURA 56 FIGURA 57 FIGURA 58 FIGURA 59 FIGURA 60 FIGURA 61 FIGURA 62. – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –. FIGURA 63 FIGURA 64 FIGURA 65 FIGURA 66 FIGURA 67 FIGURA 68 FIGURA 69 FIGURA 70 FIGURA 71 FIGURA 72 FIGURA 73 FIGURA 74 FIGURA 75 FIGURA 76 FIGURA 77 FIGURA 78 FIGURA 79 FIGURA 80 FIGURA 81 FIGURA 82 FIGURA 83 FIGURA 84 FIGURA 85 FIGURA 86 FIGURA 87. – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –. Deslocamento de fase cl´assico - phase-shift. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modulac¸a˜ o assim´etrica com phase-shift - PWM sobre os interruptores. . . . Estrat´egia de controle com phase-shift. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estrat´egia de controle com phase-shift e com malha de potˆencia. . . . . . . . . Diagrama do PI de corrente do conversor proposto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama do PI de tens˜ao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modelo simplificado do conversor CC-CC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama do PI de tens˜ao do phase-shift. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama controle do PI discretizado do conversor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama do PI discretizado com atraso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuito em simulac¸a˜ o. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuito de controle convencional para simulac¸a˜ o. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuito de gerac¸a˜ o do sinal PWM de M1a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuito de gerac¸a˜ o do sinal PWM complementar para M2a . . . . . . . . . . . . . Circuito de gerac¸a˜ o do sinal PWM de M1b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuito de gerac¸a˜ o do sinal PWM complementar para M2b . . . . . . . . . . . . . Circuito de sincronismo com a tens˜ao de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuito de gerac¸a˜ o do sinal PWM para os interruptores. . . . . . . . . . . . . . . . Tens˜ao e corrente de entrada simulada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Corrente nos indutores de entrada e corrente total simulada. . . . . . . . . . . . . . Tens˜ao nos barramentos prim´ario e secund´ario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Detalhe da ondulac¸a˜ o de tens˜ao. (a) Ondulac¸a˜ o de tens˜ao do barramento prim´ario; (b) Ondulac¸a˜ o de tens˜ao do barramento secund´ario. . . . . . . . . . . . Medidas de corrente e tens˜ao no interruptores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Detalhe da comutac¸a˜ o suave nos interruptores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Corrente na indutˆancia de s´erie e barramento prim´ario. . . . . . . . . . . . . . . . . . Corrente nos diodos de sa´ıda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuito de controle do phase-shift. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuito de controle de deslocamento de fase do phase-shift. . . . . . . . . . . . . Tens˜ao nos barramentos prim´ario e secund´ario com controle phase-shift. . Sa´ıda do controle de tens˜ao do phase-shift. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Limitac¸a˜ o da raz˜ao c´ıclica com controle phase-shift. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tens˜ao e corrente de entrada com controle phase-shift. . . . . . . . . . . . . . . . . . Tens˜ao nos interruptores com controle phase-shift. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Detalhe da corrente na indutˆancia de s´erie com controle phase-shift. . . . . . Prot´otipo - lado prim´ario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prot´otipo - lado secund´ario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pr´e-carga do barramento prim´ario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pr´e-carga do barramento secund´ario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Operac¸a˜ o do soft-start. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tens˜ao e corrente de entrada com 1700 W de carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . THD da tens˜ao de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . THD da corrente de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Corrente de entrada total e nos indutores Lina e Linb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raz˜ao c´ıclica imposta sobre os interruptores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tens˜ao e corrente nos interruptores principais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tens˜ao e corrente nos interruptores complementares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Detalhe da comutac¸a˜ o suaves nos interruptores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49 49 49 50 52 52 54 54 55 56 69 69 69 70 70 70 70 70 71 71 71 72 72 72 72 73 73 74 74 74 74 75 75 75 76 76 77 77 77 77 78 78 78 78 78 78 79.
(11) FIGURA 88 – FIGURA 89 – FIGURA 90 – FIGURA 91 – FIGURA 92 – FIGURA 93 – FIGURA 94 – FIGURA 95 – FIGURA 96 – FIGURA 97 – FIGURA 98 – FIGURA 99 – FIGURA 100 – FIGURA 101 – FIGURA 102 – FIGURA 103 – FIGURA 104 – FIGURA 105 – FIGURA 106 – FIGURA 107–. FIGURA 108–. FIGURA 109 – FIGURA 110 –. FIGURA 111 – FIGURA 112 – FIGURA 113 – FIGURA 114 – FIGURA 115 – FIGURA 116 – FIGURA 117 – FIGURA 118 – FIGURA 119 – FIGURA 120 –. Detalhe da corrente de cauda durante comutac¸a˜ o do interruptor. . . . . . . . . . Tens˜ao nos barramento prim´ario e secund´ario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ondulac¸a˜ o de tens˜ao nos barramento prim´ario e secund´ario. . . . . . . . . . . . . Corrente no transformador e tens˜ao no interruptor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Detalhamento da corrente no transformador e tens˜ao no interruptor. . . . . . Corrente nos diodos de sa´ıda e tens˜ao no interruptor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rendimento para tens˜ao de entrada 120 V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rendimento para tens˜ao de entrada 220 V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Imagem t´ermica do transformador com 1700 W de carga. . . . . . . . . . . . . . . . Resposta ao degrau de elevac¸a˜ o de carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resposta ao degrau de reduc¸a˜ o de carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sa´ıda do controle ao degrau de elevac¸a˜ o de carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sa´ıda do controle ao degrau de reduc¸a˜ o de carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resposta ao degrau de elevac¸a˜ o de carga com malha de potˆencia. . . . . . . . . Resposta ao degrau de reduc¸a˜ o de carga com malha de potˆencia. . . . . . . . . Sa´ıda do controle ao degrau de elevac¸a˜ o de carga com malha de potˆencia. Sa´ıda do controle ao degrau de reduc¸a˜ o de carga com malha de potˆencia. . Ondulac¸a˜ o de tens˜ao nos barramentos com 470 µF no barramento prim´ario e 1880 µF no secund´ario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ondulac¸a˜ o de tens˜ao sobre os barramentos com 220 µF no barramento prim´ario e 1880 µ no secund´ario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resposta ao degrau de carga com 470 µF no barramento prim´ario e 1880 µ no secund´ario. (a) Degrau de acr´escimo de carga com controle convencional; (b) Degrau de decr´escimo de carga com controle convencional; (c) Degrau de acr´escimo de carga com malha de potˆencia; (d) Degrau de decr´escimo de carga com malha de potˆencia. . . . . . . . . . . . . . Resposta ao degrau de carga com 220 µF no barramento prim´ario e 1880 µ no secund´ario. (a) Degrau de acr´escimo de carga com controle convencional; (b) Degrau de decr´escimo de carga com controle convencional; (c) Degrau de acr´escimo de carga com malha de potˆencia; (d) Degrau de decr´escimo de carga com malha de potˆencia. . . . . . . . . . . . . . Funcionamento do conversor com 470 µF no barramento prim´ario e 940 µ no secund´ario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resposta ao degrau de carga com 470 µF no barramento prim´ario e 940 µ no secund´ario. (a) Degrau de acr´escimo de carga; (b) Degrau de decr´escimo de carga; (c) Degrau de acr´escimo de carga com malha de potˆencia; (d) Degrau de decr´escimo de carga com malha de potˆencia. . . . . . . . . . . . . . . . . Sa´ıda do controle para a modulac¸a˜ o PWM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modulac¸a˜ o PWM nos brac¸os e corrente do transformador com plena carga. Corrente no transformador com plena carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tens˜ao nos barramentos prim´arios e secund´arios com plena carga. . . . . . . . Ondulac¸a˜ o de tens˜ao nos barramentos com plena carga. . . . . . . . . . . . . . . . . Resposta ao degrau de elevac¸a˜ o de carga com controle phase-shift. . . . . . . Sa´ıda do controle ao degrau de elevac¸a˜ o de carga com controle phase-shift. Resposta ao degrau de reduc¸a˜ o de carga com controle phase-shift. . . . . . . . Sa´ıda do controle ao degrau de reduc¸a˜ o de carga com controle phase-shift. Resposta ao degrau de elevac¸a˜ o de carga com controle phase-shift e malha de potˆencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 79 79 79 80 80 80 80 80 81 81 81 82 82 82 82 82 82 83 83. 84. 84 84. 85 85 86 86 86 87 87 88 88 88 88.
(12) FIGURA 121 – Resposta ao degrau de reduc¸a˜ o de carga com controle phase-shift e malha de potˆencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 122– Retificador funcionando como abaixador CC com controle phase-shift. Com 400 V no barramento prim´ario e 300 V no secund´ario. . . . . . . . . . . . . FIGURA 123 – Tens˜ao e corrente de entrada com controle phase-shift. Com 400 V no barramento prim´ario e 300 V no secund´ario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 124 – Resposta ao degrau de elevac¸a˜ o de carga e controle phase-shift. Com 400 V no barramento prim´ario e 300 V no secund´ario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 125 – Resposta ao degrau de reduc¸a˜ o de carga e controle phase-shift. . . . . . . . . . . FIGURA 126– Tens˜ao nos barramentos prim´arios e secund´arios. Com 300 V no barramento prim´ario e 200 V no secund´ario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 127– Tens˜ao nos barramentos prim´arios e secund´arios. Com 250 V no barramento prim´ario e 160 V no secund´ario. (a) Regulac¸a˜ o do barramento secund´ario em 160 V; (b) Detalhe da ondulac¸a˜ o nos barramentos. . . . . . . . FIGURA 128 – Tens˜ao e corrente de entrada. Com 250 V no barramento prim´ario e 60 V no secund´ario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 129 – Detalhe da ondulac¸a˜ o nos barramentos. Com 250 V no barramento prim´ario e 60 V no secund´ario. (a) Raz˜ao c´ıclica n˜ao limitada; (b) Rac¸a˜ o c´ıclica limitada em 0,8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 130 – Sinal da raz˜ao c´ıclica limitada no DSP.(a) D m´aximo igual a 0,9; (b) D m´aximo igual a 0,8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 131 – Ondulac¸a˜ o de tens˜ao nos barramento e a corrente de entrada com limitac¸a˜ o da raz˜ao c´ıclica.(a) D m´aximo igual a 0,9; (b) D m´aximo igual a 0,8. . . . . FIGURA 132 – Tens˜ao e corrente de entrada com limitac¸a˜ o da raz˜ao c´ıclica.(a) D m´aximo igual a 0,9; (b) D m´aximo igual a 0,8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FIGURA 133 – Resposta ao degrau de carga com controle phase-shift com 470 µF no barramento prim´ario e 940 µ no secund´ario. (a) Degrau de acr´escimo de carga; (b) Degrau de decr´escimo de carga; (c) Degrau de acr´escimo de carga com malha de potˆencia; (d) Degrau de decr´escimo de carga com malha de potˆencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88 89 89 89 89 90. 90 90. 91 91 91 92. 93.
(13) LISTA DE TABELAS. TABELA 1 TABELA 2 TABELA 3 TABELA 4 TABELA 5 TABELA 6 TABELA 7 TABELA 8 TABELA 9. – – – – – – – – –. Limites de THD da norma IEC 61000-3-2 para equipamentos classe A. . . . Parˆametros do projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Valores dos controladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parˆametros do projeto de componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Constantes do projeto do transformador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Esforc¸os de corrente nos componentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parˆametros do prot´otipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comparativo da resposta ao degrau de carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comparativo da resposta ao degrau de carga com reduc¸a˜ o das capacitˆancias.. 17 42 58 59 60 73 76 94 94.
(14) LISTA DE SIGLAS. AD APWM AWG CA CC CCM UPS DSP DCM HF IGBT IEC MOSFET PFC PI PID PWM RMS SMPS THD ZVS. Analogic Digital Converter - Conversor Anal´ogico Digital Asymmetric Pulse Width Modulation - Modulac¸a˜ o por Largura de Pulso Assim´etrica American Wire Gauge - Fio de Bitola Americana Corrente Alternada Corrente Cont´ınua Continuous Conduction Mode - Modo de Conduc¸a˜ o Cont´ınua Uninterruptible Power Supply - Fonte de Alimentac¸a˜ o Ininterrupta Digital Signal Processor - Processador Digital de Sinais Distinuous Conduction Mode - Modo de Conduc¸a˜ o Descont´ınua High Frequency - Alta Frequˆencia Insulated Gate Bipolar Transistor - Transistor Bipolar de Porta Isolada International Electrotecnical Commission - Comiss˜ao Internacional de Eletrot´ecnica Metal Oxido Semiconductor Field Effect Transistor - Transistor de Efeito de Campo ´ de Semicondutor Metal-Oxido Power Factor Correction - Correc¸a˜ o do Fator de Potˆencia Proportional-Integral - Controlador tipo Proporcional-Integral Proportional-Integral-Derivative - Controlador tipo Proporcional-Integral-Derivativo Pulse Wide Modulation - Modulac¸a˜ o por Largura de Pulso Root Mean Square - Raiz da M´edia Quadr´atica Switch Mode Power Supply - Fonte de Alimentac¸a˜ o Chaveada Total Harmonic Distorcion - Distorc¸a˜ o Harmˆonica Total Zero Voltage Switching - Comutac¸a˜ o em Zero Tens˜ao.
(15) ´ LISTA DE SIMBOLOS. FP φ Lo DR1 , DR2 Lm Ld M1a M2b Cb VCb VCo Lina Iina Linb Iinb t1 ICb ILd Iin VLd Vo M1b t2 t3 t4 t5 t6 M2a t7 t8 Lserie Vin Rinrush Relein D td ILd pico k ts Ceqch A. Fator de potˆencia ˆ Angulo interno do triˆangulo de potˆencia Indutor de sa´ıda Diodos de entrada Indutˆancia de magnetizac¸a˜ o do transformador Indutˆancia de s´erie total Interruptor superior do brac¸o “a” Interruptor inferior do brac¸o “b” Capacitor do barramento prim´ario Tens˜ao no capacitor do barramento prim´ario Tens˜ao no capacitor de sa´ıda Indutor de entrada da fase “a” Corrente no indutor de entrada da fase “a” Indutor de entrada da fase “b” Corrente no indutor de entrada da fase “b” Tempo final da primeira etapa de funcionamento Corrente no capacitor Cb Corrente na indutˆancia de s´erie total Corrente de entrada AC Tens˜ao na indutˆancia de s´erie total Tens˜ao de sa´ıda Interruptor superior do brac¸o “b” Tempo final da segunda etapa de funcionamento Tempo final da terceira etapa de funcionamento Tempo final da quarta etapa de funcionamento Tempo final da quinta etapa de funcionamento Tempo final da segunda etapa de funcionamento Interruptor inferior do brac¸o “a” Tempo final da s´etima etapa de funcionamento Tempo final da oitava etapa de funcionamento Indutˆancia serie Tens˜ao CA de entrada Resistor de inrush Rel´e da rede de entrada do conversor Raz˜ao C´ıclica Tempo de extinc¸a˜ o da corrente da indutˆancia de s´erie total Corrente de pico na indutˆancia de s´erie total Constante do ganho est´atico Tempo de subida da corrente em Ld Capacitˆancia do interruptor Sa´ıda do controlador de tens˜ao de sa´ıda do conversor Boost.
(16) B C Pin (t) MI MV MPot K pot Po Ire f MV Phase−Shi f t Kp Ki K pi PW Mmax ωc Lin Kr fc mφ fz Gi Ko Y(s) FTMF FTMA PI(z) NLin SAW G Jo n Kt Kp r Ku Kv Bo Jo Ae Aw Ns Np Pp Ps S17 ILdRMS A pri Asec. Tens˜ao instantˆanea da entrada do controle do conversor Boost Tens˜ao de entrada RMS do controle do conversor Boost Potˆencia m´edia de entrada Sa´ıda da malha de corrente do controle convencional Sa´ıda da malha de tens˜ao do controle convencional Sa´ıda da malha de potˆencia Ganho do feed-forward de potˆencia Potˆencia m´edia de sa´ıda Corrente de referˆencia do controle PFC Sa´ıda da malha de tens˜ao do controle phase-shift Ganho proporcional do PI Ganho integral do PI Ganho proporcional da corrente Atuac¸a˜ o do controlador Frequˆencia de cruzamento Indutˆancia de entrada Normalizac¸a˜ o do sensor de corrente Frequˆencia de cruzamento Margem de fase do PI Frequˆencia do zero Ganho global da malha de corrente A normalizac¸a˜ o da tens˜ao no DSP Equacionamento do controlador PI de corrente Func¸a˜ o de transferˆencia em malha aberta Func¸a˜ o de transferˆencia em malha aberta Func¸a˜ o de transferˆencia do PI em tempo discreto N´umero de espiras nos indutores de entrada Sec¸a˜ o transversal do fio de cobre Densidade de corrente Rendimento Dependente do tipo de topologia Fator de a´ reas do prim´ario do transformador Fator de utilizac¸a˜ o das janelas do transformador Fator de forma de onda (quadrada sim´etrica) Densidade de fluxo Densidade de corrente Produto das a´ reas do transformador N´umero de espiras do secund´ario do transformador N´umero de espiras do prim´ario do transformador N´umero de fios em paralelo do enrolamento prim´ario do transformador N´umero de fios em paralelo do enrolamento secund´ario do transformador Sec¸a˜ o transversal do fio 17 AWG Corrente eficaz na indutˆancia de s´erie total ´ Area de ocupac¸a˜ o do enrolamento prim´ario ´ Area de ocupac¸a˜ o do enrolamento secund´ario.
(17) ILpmed ILppico NLserie µo V ceon lt p f io Kf Kh PT Rcobre PT Rnucleo lt p f io Ichmed Pchcond t f all Ich f all Pchchav PDcond Vd Pch PD PT R PLserie PLin Vramp1 PW Ma PWMCa Vramp2 PW Mb PWMCb Vzero PW M1a PW M2a PW M1b PW M2b ILp. Corrente m´edia no prim´ario do transformador Corrente de pico no prim´ario do transformador N´umero de espiras do indutor s´erie Permeabilidade do v´acuo Tens˜ao t´ıpica sobre o IGBT Comprimento m´edio de espira Resistividade do fio Perdas por correntes parasitas Perdas por histerese Perdas nos enrolamentos do transformador Perdas no n´ucleo do transformador Comprimento m´edio de espira Resistividade do fio Corrente m´edia nos interruptores Perdas por conduc¸a˜ o nos interruptores Tempo da corrente de cauda do IGBT Corrente de cauda do IGBT Perdas por chaveamento nos interruptores Perdas por conduc¸a˜ o nos diodos Tens˜ao de junc¸a˜ o do diodo Perdas totais nos interruptores Perdas totais nos diodos Perda total no transformador Perda total no indutores s´erie Perdas totais nos indutores de entrada Sinal triangular para gerac¸a˜ o do PWM do brac¸o a Sinal PWM do brac¸o a Sinal complementar do PWMa Sinal triangular para gerac¸a˜ o do PWM do brac¸o b Sinal PWM do brac¸o b Sinal complementar do PWMb Sinal de sincronismo com a passagem por zero da tens˜ao de entrada Sinal PWM do interruptor M1a Sinal PWM do interruptor M2a Sinal PWM do interruptor M1b Sinal PWM do interruptor M2b Corrente no prim´ario do transformador.
(18) ´ SUMARIO. ˜ BIBLIOGRAFICA ´ 1 REVISAO ................................................ ˜ .............................................................. 1.1 INTRODUC¸AO 1.1.1 Transformador isolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Est´agios de Processamento de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3 Distorc¸a˜ o harmˆonica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.4 Fator de potˆencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˆ 1.3 RETIFICADORES ISOLADOS EM ALTA FREQUENCIA ...................... 1.3.1 Retificador Ponte Completa entrada em corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Conversor Boost-Meia-Ponte CC-CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Retificador Boost-Meia-Ponte entrada em corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Conversor Boost-Ponte Completa CC-CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.5 Retificador Ponte Completa entrada em corrente com dois indutores . . . . . . . . . . . . . . 1.3.6 Retificador Boost-Ponte Completa com sa´ıda em corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 CONVERSOR PROPOSTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˜ ISOLADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 RETIFICADOR BOOST NAO 2.2 CONVERSOR ZVS CC-CC PONTE COMPLETA ISOLADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 RETIFICADOR BOOST-PONTE COMPLETA PROPOSTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Etapas de funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Funcionamento do Soft-Start . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ ´ 2.4 ANALISE MATEMATICA ................................................... 2.4.1 An´alise do circuito operando como conversor CC-CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Determinac¸a˜ o do Indutor S´erie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 An´alise da Comutac¸a˜ o suave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.4 An´alise do conversor operando como retificador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.4.1 C´alculo da indutˆancia s´erie total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.4.2 Modulac¸a˜ o PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.4.3 C´alculo da corrente m´ınima para comutac¸a˜ o suave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 2.5 ESTRATEGIA DE CONTROLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Controle convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Controle do retificador proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.3 Controle do retificador com deslocamento de fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˜ 3 PROJETO E SIMULAC ¸ AO .................................................. 3.1 PROJETO DOS CONTROLADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Discretizac¸a˜ o do PI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Posic¸a˜ o do p´olo e do zero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Algoritmo para implementac¸a˜ o do PI no DSP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 3.2 CALCULO DOS CONTROLADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Controle Convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Controle phase-shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 DIMENSIONAMENTO DOS COMPONENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13 13 14 15 16 17 18 19 19 21 21 22 23 24 26 26 27 28 29 35 36 37 40 41 42 43 43 44 45 45 46 48 51 51 54 55 56 56 56 58 59.
(19) 3.3.1 Indutores de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Indutor s´erie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4 Capacitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.5 Interruptores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.6 Diodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 3.4 CALCULO DO RENDIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 C´alculo t´ermico dos indutores de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 C´alculo t´ermico do transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 C´alculo t´ermico do indutor s´erie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.4 Perda nos interruptores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.5 Perda nos diodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.6 Rendimento esperado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˜ 3.5 SIMULAC¸AO ............................................................... 3.5.1 Simulac¸a˜ o com controle convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1.1 Corrente de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1.2 Tens˜ao nos barramentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1.3 Chaveamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1.4 Corrente no transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1.5 Corrente nos diodos de sa´ıda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1.6 Valores simulados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Simulac¸a˜ o com controle phase-shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2.1 Tens˜ao nos barramentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2.2 Corrente de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2.3 Chaveamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2.4 Corrente na indutˆancia s´erie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 RESULTADOS COM CONTROLE CONVENCIONAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Resposta ao degrau de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Reduc¸a˜ o da capacitˆancia dos barramentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 RESULTADOS COM CONTROLE PHASE-SHIFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Resposta ao degrau de carga com controle phase-shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Reduc¸a˜ o da tens˜ao de sa´ıda com controle phase-shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Reduc¸a˜ o das capacitˆancia do conversor com controle phase-shift . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 COMPARATIVO DAS RESPOSTAS AO DEGRAU DO CONVERSOR . . . . . . . . . . . ˜ 5 CONCLUSAO ............................................................... ˆ REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59 60 62 64 65 65 66 66 66 67 67 68 68 69 69 70 71 72 72 72 73 73 74 74 75 75 76 77 81 82 85 87 89 93 93 95 97.
(20) 13. 1. 1.1. ˜ BIBLIOGRAFICA ´ REVISAO. ˜ INTRODUC¸AO A partir das u´ ltimas d´ecadas a evoluc¸a˜ o da tecnologia de semicondutores passou. a permitir o desenvolvimento de novos dispositivos eletrˆonicos ou aprimoramento de equipamentos j´a existentes atrav´es de estudos acadˆemicos e de desenvolvimentos realizados pela ind´ustria. Um dos avanc¸os tecnol´ogicos mais significativos nos conversores est´aticos e´ o aumento da velocidade de resposta dos circuitos de acionamentos e de interruptores de potˆencia. Isto possibilita realizar o aumento da frequˆencia de chaveamento, tornando os circuitos eletrˆonicos cada vez menores. A implementac¸a˜ o de controle digital atrav´es de microcontroladores tamb´em possibilita melhorias, devido a alta velocidade de processamento. Algumas cargas conectadas diretamente ao sistema el´etrico, como por exemplo, motores, transformadores, cargas n˜ao lineares ou reativas, possuem baixo fator de potˆencia. Conectando estas cargas ao sistema el´etrico atrav´es de conversores est´aticos, pode-se realizar a correc¸a˜ o do deslocamento de fase e distorc¸o˜ es da corrente de entrada. Em sistemas ininterruptos de energia UPS, Uninterruptible Power Supply, com dois est´agios de convers˜ao, existe um pr´e-regulador de entrada CA-CC e uma etapa inversora CCCA. Nestes equipamentos e´ poss´ıvel realizar as correc¸o˜ es da corrente de entrada e obter alto fator de potˆencia independente da carga conectada na sa´ıda. Al´em da correc¸a˜ o do fator de potˆencia, em caso de falta de energia el´etrica da concession´aria, o UPS continua alimentado a carga atrav´es de um banco de baterias, utilizando um conversor CC-CC como primeiro est´agio de convers˜ao. Por´em, para projetar um conversor est´atico deve-se determinar algumas caracter´ısticas importantes da aplicac¸a˜ o, pois elas s˜ao determinantes para a escolha do conversor, como por exemplo o tipo de topologia a ser utilizada, a potˆencia total desejada, a faixa de operac¸a˜ o do conversor e entre outros..
(21) 14. 1.1.1. TRANSFORMADOR ISOLADOR Dependendo do tipo de aplicac¸a˜ o pode haver necessidade de isolac¸a˜ o galvˆanica. A. isolac¸a˜ o de equipamentos e´ feita para que haja maior protec¸a˜ o ao ser humano quanto ao risco de choques el´etricos. A isolac¸a˜ o tamb´em pode ser feita em um circuito especifico para que n˜ao ocorra interferˆencia de sinais externos ou em aplicac¸o˜ es que o equipamento obrigatoriamente deve ter isolac¸a˜ o, normalmente exigido por norma. Um exemplo de equipamento que pode necessitar de isolac¸a˜ o da rede el´etrica e´ o UPS. A isolac¸a˜ o galvˆanica pode ser feita de duas formas, com um transformador na entrada ou sa´ıda do equipamento. Este transformador isolador opera em baixa frequˆencia, cerca de 60 Hz. Um transformador para esta aplicac¸a˜ o e´ apresentado na Figura 1. Para termos de comparac¸o˜ es futuras, o peso deste transformador isolador e´ em torno de 20 kg, sendo utilizado na entrada de um UPS de potˆencia nominal de 2000 VA / 1400 W.. Figura 1: Transformador isolador em 60 Hz.. A isolac¸a˜ o na entrada do UPS requer um transformador menor do que na sa´ıda, pois a corrente drenada da rede el´etrica e´ modulada na forma senoidal pelo conversor para obter elevado fator de potˆencia. Entretanto, a forma da corrente de sa´ıda depende somente da carga conectada a sa´ıda e pode apresentar fator de crista de at´e 3:1, se a carga for n˜ao-linear. Sendo assim, e´ necess´ario dimensionar um transformador que suporte estes esforc¸os de corrente, resultando em aumento do volume do transformador. Na ind´ustria, apesar do peso e do tamanho dos equipamentos que utilizam.
(22) 15. transformadores em baixa frequˆencia para isolac¸a˜ o, eles s˜ao muito utilizados. Por´em, o custo agregado e de transporte deste tipo de conversor impactam diretamente no prec¸o final do produto ´ (HIRACHI et al., 1995, 1997; TORRICO-BASCOPE et al., 2006). Existem topologias que fazem a isolac¸a˜ o dos conversores atrav´es da utilizac¸a˜ o de transformadores em alta frequˆencia HF. O transformador HF faz parte do conversor e normalmente opera na frequˆencia de chaveamento dos interruptores, de 10 kHz at´e 250 kHz. Desta maneira o volume do transformador e consequentemente do conversor s˜ao reduzidos. Os transformadores em alta frequˆencia podem ser feitos de v´arias formas, sendo a construc¸a˜ o com materiais de ferrite do tipo EE a mais comum. Se comparado o transformador HF com n´ucleo de ferrite com um transformador em baixa frequˆencia, a manufatura utiliza menor tempo de processo e ganha em facilidade de manuseio do transformador, e consequentemente do produto.. O peso e tamanho do. transformador HF s˜ao menores, tendo 1/6 do tamanho e apenas 2 % do peso para um conversor de mesma potˆencia de 2000 VA / 1400 W operando com 43,2 kHz de frequˆencia de chaveamento. O transformador com n´ucleo de ferrite do tipo EE65 para potˆencia de 2000 VA / 1400 W, pesando apenas 300 gramas, e´ apresentado na Figura 2.. ´ Figura 2: Transformador com nucleo de ferrite - EE65.. O chaveamento em alta frequˆencia n˜ao proporciona somente a reduc¸a˜ o de volume do transformador, mas tamb´em dos demais componentes magn´eticos do circuito, como: indutores, filtros de sa´ıda e de entrada (HIRACHI et al., 1997; ROMANELI; BARBI, 2001; YOON; CHOI, 2009; WANG; XIAO, 2011). Por´em, deve-se observar com bastante atenc¸a˜ o a perda por chaveamento gerada por este aumento da frequˆencia, tornando-se necess´aria a utilizac¸a˜ o de t´ecnicas de comutac¸a˜ o suave para ameniz´a-las. Atrav´es do chaveamento em alta frequˆencia, os conversores tornam-se mais avanc¸ados tecnologicamente, compactos e leves. Desta maneira a ind´ustria reduz custos e pode-se tornar mais competitiva comercialmente..
(23) 16. Portanto, o conversor proposto neste trabalho opera com transformador e indutores chaveados em alta frequˆencia, possibilitando a reduc¸a˜ o de volume e peso. Para isto, os interruptores do conversor devem suportar a frequˆencia de chaveamento estabelecida sem elevar as perdas por conduc¸a˜ o ou comutac¸a˜ o. 1.1.2. ´ ESTAGIOS DE PROCESSAMENTO DE ENERGIA Outro fator importante que deve ser considerado no in´ıcio do projeto de um retificador. e´ o n´umero de est´agios de processamento de energia. Tratando-se especificamente de circuitos retificadores isolados, pode-se ter um retificador com dois est´agios ou de est´agio u´ nico. A Figura 3 apresenta um retificador com dois est´agio. O primeiro est´agio e´ um pr´e-regulador, seguido por um conversor CC-CC isolado. O pr´e-regulador faz somente a correc¸a˜ o do fator de potˆencia na entrada da rede el´etrica, normalmente um conversor Boost, deixando que a regulac¸a˜ o da tens˜ao de sa´ıda seja feita pelo conversor CC-CC isolado (SPIAZZI et al., 1997).. Figura 3: Retificador de dois est´agios.. Esta soluc¸a˜ o e´ muito utilizada, por´em cada conversor deve ser controlado separadamente, tendo tamb´em circuitos de amostras de corrente e tens˜ao adicionais. Cada est´agio deve ter rendimento muito elevado, pois o rendimento global do conversor depende do produto dos rendimentos dos dois est´agios (CHO et al., 1997; PINHEIRO et al., 1997; RIBEIRO; BORGES, 2010; REDL et al., 1994). Por este motivo, retificadores de est´agio u´ nico tem sido tema de muitos estudos. Eles realizam a correc¸a˜ o do fator de potˆencia e a isolac¸a˜ o galvˆanica em alta frequˆencia em um u´ nico est´agio. A sa´ıda CC do conversor pode servir de entrada para um inversor e dependendo da topologia e do controle, tamb´em pode-se utiliz´a-lo para aplicac¸a˜ o de fonte de alimentac¸a˜ o. Este tipo de conversor tem como vantagem a simplicidade de circuito, por´em pode existir presenc¸a de ondulac¸o˜ es de baixa frequˆencia na tens˜ao de sa´ıda do conversor e lenta resposta em transit´orios de carga (CHO et al., 1997). O conversor proposto e´ um retificador em est´agio u´ nico isolado em alta frequˆencia..
(24) 17. ´ Figura 4: Retificador est´agio unico.. Pretende-se obter alto fator de potˆencia de entrada com baixa distorc¸a˜ o harmˆonica. A princ´ıpio, o conversor realiza a regulac¸a˜ o da tens˜ao de sa´ıda como elevador, sendo estudada a possibilidade tamb´em de ser um conversor abaixador de tens˜ao. Outro ponto importante e´ otimizar o tempo de resposta ao degrau de carga, a fim de que o barramento de sa´ıda tenha menor variac¸a˜ o de tens˜ao e retorne a tens˜ao de regime o mais breve poss´ıvel. Sendo almejado um retificador isolado de elevado rendimento, as comutac¸o˜ es dos interruptores devem ser feitas suavemente para que n˜ao hajam grandes perdas. 1.1.3. ˆ ˜ HARMONICA DISTORC¸AO E´ de grande importˆancia que todo equipamento eletrˆonico de potˆencia conectado a` rede. el´etrica evite danos ou mau funcionamento de outros equipamentos conectados. Para isto, as regulamentac¸o˜ es nacionais e internacionais seguem algumas normas para garantir a qualidade da energia da rede el´etrica.. Dependendo do tipo de topologia, pode-se gerar distorc¸o˜ es. harmˆonicas que causam, por exemplo, perdas por correntes parasitas nos transformadores da linha de distribuic¸a˜ o. As distorc¸o˜ es harmˆonicas tamb´em causam aquecimento de equipamentos, reduc¸a˜ o da eficiˆencia energ´etica e susceptibilidade a variac¸o˜ es na amplitude de tens˜ao. Um dos limites que e´ estabelecido por norma e aplicado em UPS e´ a emiss˜ao de harmˆonicos, normatizada pela norma IEC 61000-3-2. Esta norma classifica equipamentos de acordo com a aplicac¸a˜ o e consumo de energia. Para UPS que consomem at´e 16 A, estes pertencem a Classe A. A Taxa de Distorc¸a˜ o Harmˆonica THD representa a taxa pela qual a tens˜ao ou corrente e´ afetada por suas componentes harmˆonicas, que podem ser geradas pelos conversores est´aticos. Conforme norma, os limites aceit´aveis de emiss˜ao de harmˆonicos para classe A s˜ao mostrados na Tabela 1 (IEC61000-3-2, 2005). A THD e´ calculada pela somat´oria das amplitudes das frequˆencias de n ordens em relac¸a˜ o a` fundamental, conforme mostra a equac¸a˜ o (1). Para sistemas em corrente alternada, quanto menor a THD, mais perfeita e´ forma de onda senoidal..
(25) 18. Tabela 1: Limites de THD da norma IEC 61000-3-2 para equipamentos classe A.. Ordens ´ımpares (n) Limites (A) 3 2,30 5 1,14 7 0,77 9 0,40 11 0,33 13 0,21 15-39 0,15 Ordens pares 2 1,08 4 0,43 6 0,30 8-40 0,23. r. ∞. ∑ IRMS(n). T HD =. n=2. IRMS(1). (1). A distorc¸a˜ o harmˆonica em conversores est´aticos pode ser reduzida por exemplo, se adicionado filtros de entrada do conversor. 1.1.4. ˆ FATOR DE POTENCIA O fator de potˆencia FP de um conversor pode ser deduzido a partir triˆangulo de. potˆencia, e por definic¸a˜ o, e´ o cosseno do aˆ ngulo interno φ . Sendo que φ representa o defasamento entre a tens˜ao senoidal e a componente fundamental da corrente senoidal de mesma frequˆencia. Por´em, o cos(φ ) s´o e´ numericamente igual ao fator de potˆencia se a corrente e tens˜ao for absolutamente senoidal, ou seja, quando a THD de corrente e tens˜ao s˜ao nulas. Considerando que a corrente de entrada de muitos conversores est´aticos possui algumas componentes harmˆonicas, quanto mais elevada a distorc¸a˜ o harmˆonica nesta corrente, pior ser´a o fator de potˆencia (MEHL, 1996; BORGONOVO, 2005). Atrav´es da equac¸a˜ o (2) e´ poss´ıvel considerar as componentes harmˆonicas presente na corrente, de modo a determinar o fator de potˆencia total. cos(φ ) FP = p 1 + (T HD)2. (2). Para um caso espec´ıfico, considerando um carga linear alimentada por uma fonte de.
(26) 19. tens˜ao senoidal sem distorc¸o˜ es, o FP pode ser a relac¸a˜ o entre a potˆencia ativa e aparente, como mostra a equac¸a˜ o (3).. FP =. P = cos(φ ) S. (3). O retificador proposto neste trabalho pretende efetuar a correc¸a˜ o do fator de potˆencia e reduc¸a˜ o das harmˆonicas geradas. O fator de potˆencia deve ser pr´oximo ao unit´ario, se considerado que a tens˜ao de entrada da rede el´etrica e´ uma forma de onda senoidal perfeita. 1.2. OBJETIVOS Desenvolver e implementar um retificador monof´asico de alto rendimento com u´ nico. est´agio isolado em alta frequˆencia para aplicac¸a˜ o em UPS com controle digital. Alguns objetivos espec´ıficos devem ser alcanc¸ados para o desenvolvimento do trabalho, definidos por: 1. Realizar um estudo de retificados isolados em alta frequˆencia e levantar as caracter´ısticas de cada topologia. 2. Com base neste estudo, propor um retificador monof´asico isolado em alta frequˆencia com barramento de tens˜ao CC de sa´ıda para poss´ıvel conex˜ao de uma etapa inversora. 3. Realizar simulac¸o˜ es e dimensionamento dos componentes do conversor proposto. 4. Construir um prot´otipo que permita realizar as aquisic¸o˜ es dos sinais, medic¸a˜ o do rendimento e comparac¸a˜ o com os resultados obtidos por simulac¸a˜ o. 5. Desenvolver o firmware atrav´es de um DSP, Digital Signal Processor, para implementac¸a˜ o dos algoritmos de controle digital, monitorac¸a˜ o e protec¸a˜ o dos circuitos de potˆencia. 6. Analisar os resultados e realizar as conclus˜oes sobre o conversor proposto. 1.3. ˆ RETIFICADORES ISOLADOS EM ALTA FREQUENCIA Algumas topologias de retificadores isolados em alta frequˆencia e suas caracter´ısticas. s˜ao apresentadas na literatura. Aplicac¸o˜ es de baixa potˆencia, abaixo de 500 W, normalmente s˜ao utilizados conversores CC-CC isolados com um u´ nico interruptor, como por exemplo, os ¨ em conduc¸a˜ o descont´ınua (SPIAZZI et al., 1995). Para conversores Flyback, SEPIC e CUK.
(27) 20. topologias com potˆencia acima de 500 W a conduc¸a˜ o cont´ınua e´ utilizada, sendo a topologia mais comum o retificador Ponte Completa entrada em corrente. 1.3.1. RETIFICADOR PONTE COMPLETA ENTRADA EM CORRENTE O retificador Ponte Completa entrada em corrente e´ uma soluc¸a˜ o robusta e muito. confi´avel. Este retificador possui controle com correc¸a˜ o do fator de potˆencia PFC, Power Factor Correction, e isolac¸a˜ o galvˆanica em um u´ nico est´agio e seu diagrama e´ mostrado na Figura 5 (MOSCHOPOULOS; HUANG, 2004).. Figura 5: Conversor Ponte Completa entrada em corrente. Fonte: (HIRACHI et al., 1997). O controle PFC e´ uma t´ecnica que modula a corrente de forma senoidal na entrada do conversor em fase com a tens˜ao da entrada, independente do tipo de corrente drenada da sa´ıda do conversor. Um problema apresentado por esta topologia e´ a impossibilidade de abertura de todos os interruptores simultaneamente, no caso de atuac¸a˜ o de protec¸o˜ es. Nesta situac¸a˜ o, se n˜ao houver caminho para circulac¸a˜ o da corrente armazenada na indutˆancia de dispers˜ao, ocorrer´a sobretens˜oes nos interruptores. O conversor Ponte Completa entrada em corrente apresenta algumas caracter´ısticas inerentes. Para elevadas potˆencias, o controle da corrente de entrada do conversor e´ feito em modo cont´ınuo CCM. A comutac¸a˜ o do conversor e´ dissipativa e a indutˆancia de dispers˜ao causa sobretens˜oes nos interruptores, sendo necess´ario o uso de grampeadores. Estas perdas durante a comutac¸a˜ o pode ser agravada com o incremento da frequˆencia de chaveamento do conversor..
(28) 21. Muitos estudos trazem soluc¸o˜ es para que o retificador Ponte Completa entrada em corrente apresente comutac¸a˜ o suave com a adic¸a˜ o de circuitos auxiliares (MOSCHOPOULOS; HUANG, 2004; WATSON; LEE, 1996). Desta maneira o conversor pode-se tornar complexo, devido ao n´umero de componentes que necessitam ser adicionados ao circuito original, tais como: grampeamentos ativos ou regeneradores de energia. Um conversor Ponte Completa entrada em corrente com transformador em alta frequˆencia com grampeamento ativo e´ mostrada na Figura 6.. Figura 6: Conversor Ponte Completa entrada em corrente com grampeamento ativo. Fonte: (WATSON; LEE, 1996). Neste caso, um interruptor auxiliar e um capacitor de grampeamento s˜ao adicionados para obter a comutac¸a˜ o suave. Por´em, o interruptor auxiliar necessita de um comando isolado e chaveamento PWM espec´ıfico, Pulse Width Modulation. Como a pr´e-carga do capacitor de filtro do secund´ario n˜ao e´ realizada naturalmente, pode-se adicionar um enrolamento auxiliar no indutor de entrada para se realizar a pr´e-carga durante a partida, sendo utilizada uma modulac¸a˜ o PWM similar ao conversor Flyback. Por´em, o retificador Ponte Completa entrada em corrente apresenta quatro semicondutores com conduc¸a˜ o para cada est´agio de funcionamento, al´em do interruptor auxiliar, aumentando as perdas de conduc¸a˜ o. Outra soluc¸a˜ o proposta para resolver os problemas do retificador Ponte Completa em corrente e´ a junc¸a˜ o com um conversor Flyback modificado (DUARTE, 2009). O diagrama do retificador e´ apresentado na Figura 7. Os interruptores, o transformador e a ponte de diodos de sa´ıda comp˜oem o conversor Ponte Completa, sendo o indutor auxiliar e os demais diodos de sa´ıda parte integrante do conversor Flyback..
(29) 22. Figura 7: Conversor Ponte Completa-Flyback entrada em corrente. Fonte: (DUARTE, 2009). O conversor pode operar como abaixador e tamb´em como elevador de tens˜ao dependendo da tens˜ao de sa´ıda ajustada e do valor da tens˜ao de entrada. A modulac¸a˜ o do conversor e´ assim´etrica e tem defasagem de 180o entre os brac¸os de interruptores. Para operac¸a˜ o como abaixador de tens˜ao, a raz˜ao c´ıclica deve ser inferior a 0,5. Operando como elevador de tens˜ao, a raz˜ao c´ıclica deve estar entre 0,5 e 1. E´ necess´ario a utilizac¸a˜ o de circuito grampeador nos interruptores principais, pois a energia armazenada na indutˆancia de dispers˜ao n˜ao tem caminho natural. O conversor ainda possui a ponte retificadora de diodos na entrada e os dois diodos do Flyback, tendo maior n´umero de semicondutores em conduc¸a˜ o. Este conversor e´ destinado para aplicac¸o˜ es de elevada potˆencia, sendo testado em 1600 W e 400 V de tens˜ao de sa´ıda por (DUARTE, 2009). O fator de potˆencia de entrada e´ elevado e a THD medida na corrente de entrada atende na norma 61000-3-2. O conversor apresenta bom resultado ao degrau de carga e o rendimento e´ pr´oximo de 91 % (DUARTE et al., 2012). 1.3.2. CONVERSOR BOOST-MEIA-PONTE CC-CC Uma alternativa para retificadores isolados s˜ao soluc¸o˜ es baseadas em conversores CC-. CC integrados. Uma topologia integrada utilizando um conversor Boost CC-CC e um conversor Meia Ponte CC-CC e´ apresentado por (ROMANELI; BARBI, 2000). Algumas modificac¸o˜ es desta topologia s˜ao apresentadas por (FATHY et al., 2006) e (ZENG et al., 2002), sendo o conversor multi-fase Boost-Meia-Ponte CC-CC apresentado por (YOON et al., 2011) para.
(30) 23. aplicac¸o˜ es em elevada potˆencia.. Figura 8: Conversor Boost-Meia Ponte CC-CC. Fonte: (ROMANELI; BARBI, 2000). Com a integrac¸a˜ o dos conversores, ocorre a reduc¸a˜ o do n´umero de componentes, simplificando a estrutura do conversor.. O rendimento da topologia apresentado por. (ROMANELI; BARBI, 2000) e´ de 92,8 % com 600 W de carga. Neste conversor a indutˆancia de dispers˜ao do transformador e´ usada para obter a comutac¸a˜ o suave. Devido suas caracter´ısticas de isolac¸a˜ o em alta frequˆencia e elevado rendimento, com adaptac¸o˜ es do conversor e´ poss´ıvel utilizar esta topologia para trabalhar como est´agio de pr´e-regulador com elevado fator de potˆencia. 1.3.3. RETIFICADOR BOOST-MEIA-PONTE ENTRADA EM CORRENTE A partir do conversor Boost-Meia-Ponte CC-CC e´ poss´ıvel com algumas alterac¸o˜ es. obter um retificador Boost-Meia-Ponte, apresentado por (CHOI et al., 2010). O conversor Boost-Meia-Ponte isolado em alta frequˆencia sem ponte de diodos e´ mostrado na Figura 9. A modulac¸a˜ o PWM assim´etrica permite a operac¸a˜ o com comutac¸a˜ o suave. Pode-se observar que o conversor e´ composto por um retificador Boost sem ponte de diodos cujo os brac¸os de interruptores e´ compartilhado com um Meia Ponte CC-CC. Assim, este conversor oferece um u´ nico est´agio de convers˜ao isolado com entrada de alto fator de potˆencia em modo corrente e sa´ıda tamb´em em modo corrente. A entrada da topologia e´ feita em modo descont´ınuo DCM, limitando a operac¸a˜ o para aplicac¸o˜ es de baixa potˆencia. Por este motivo, a modulac¸a˜ o assim´etrica pode resultar em maiores esforc¸os de corrente nos interruptores se elevada a potˆencia do conversor..
(31) 24. Figura 9: Retificador Meia Ponte sem ponte de diodos. Fonte: (CHOI et al., 2010). Esta topologia prop˜oe a substituic¸a˜ o da ponte de diodos completa por somente dois diodos, reduzindo as perdas por conduc¸a˜ o e o n´umero de componentes do circuito. Com isso, o rendimento apresentado para este conversor, para uma potˆencia de 250 W, e´ de 93%. Este valor de rendimento deve-se ao conversor possuir comutac¸a˜ o suave natural, sem circuitos adicionais de grampeamento. Para atender a condic¸a˜ o de comutac¸a˜ o suave, pode-se incrementar a indutˆancia de dispers˜ao para ampliar a regi˜ao de operac¸a˜ o no modo ZVS, Zero Voltage Switching, para os interruptores principais. Por´em existe um valor limite que deve ser considerado no momento do dimensionamento da indutˆancia de dispers˜ao, para que haja equil´ıbrio entre a regi˜ao da comutac¸a˜ o suave e a corrente nos interruptores. Um problema que a topologia apresenta e´ a corrente de recuperac¸a˜ o reversa nos diodos de sa´ıda, devido a energia armazenada na indutˆancia de dispers˜ao do transformador gerar sobretens˜oes nos diodos de sa´ıda. A tens˜ao sobre o capacitor do filtro de sa´ıda ser´a igual ao valor da tens˜ao do barramento prim´ario somente se usado um transformador com relac¸a˜ o de transformac¸a˜ o 1:2 para aumentar a tens˜ao de sa´ıda. Por´em, com esta relac¸a˜ o de transformac¸a˜ o os esforc¸os de corrente nos interruptores e capacitores do lado prim´ario s˜ao elevados, sendo necess´ario buscar outras alternativas para soluc¸o˜ es que necessitem de conversores de potˆencia mais elevada, como topologias tipo Ponte Completa..
(32) 25. 1.3.4. CONVERSOR BOOST-PONTE COMPLETA CC-CC Uma menor distorc¸a˜ o e operac¸a˜ o sim´etrica pode ser obtida para aplicac¸o˜ es em elevada. potˆencia utilizando um conversor obtido pela integrac¸a˜ o de um conversor Boost com um Ponte Completa, conforme apresentado por (BELLUR; KAZIMIERCZUK, 2007) e (ROMANELI; BARBI, 2001). Este conversor e´ uma derivac¸a˜ o do conversor Ponte Completa CC-CC com transformador isolado em alta frequˆencia, tendo a inclus˜ao de um indutor de entrada em cada brac¸o. O diagrama do conversor e´ mostrado na Figura 10. Com dois indutores de entrada, a ondulac¸a˜ o da corrente de entrada e´ reduzida pela metade (ROMANELI; BARBI, 2001).. A divis˜ao dos esforc¸os de corrente do conversor. possibilita operac¸a˜ o com elevada potˆencia.. Figura 10: Conversor Boost-Ponte Completa CC-CC. Fonte: (ROMANELI; BARBI, 2001). A modulac¸a˜ o PWM pode ser feita de duas maneiras, assim´etrica ou com deslocamento de fase (phase-shift). Em ambos os casos a comutac¸a˜ o nos interruptores e´ suave. Com algumas adaptac¸o˜ es e´ poss´ıvel utilizar esta topologia para trabalhar como est´agio de pr´e-regulador em aplicac¸a˜ o UPS. 1.3.5. RETIFICADOR PONTE COMPLETA ENTRADA EM CORRENTE COM DOIS INDUTORES Um retificador isolado em alta frequˆencia com configurac¸a˜ o Ponte Completa e´. apresentado por (TOMIOKA et al., 2005), sendo este a integrac¸a˜ o de dois conversores Boost como mostra a Figura 11. Este e´ um retificador Ponte Completa entrada em corrente que possui.
(33) 26. dois indutores de entrada e muito similar ao conversor Ponte Completa CC-CC entrada em corrente apresentado por (ROMANELI; BARBI, 2001) se adicionado a ponte retificadora de entrada. Esta topologia de est´agio u´ nico e´ destinada para aplicac¸o˜ es em SMPS, Swich Mode Power Supply, fonte de alimentac¸a˜ o chaveada.. Figura 11: Conversor Ponte Completa entrada em corrente com dois indutores. Fonte: (TOMIOKA et al., 2005). A modulac¸a˜ o do conversor e´ assim´etrica, sendo os brac¸os de interruptores defasados em 180o . Isto permite reduc¸a˜ o dos esforc¸os de corrente pela divis˜ao da corrente drenada da rede de entrada e consequentemente a reduc¸a˜ o da ondulac¸a˜ o da corrente total de entrada. A operac¸a˜ o e´ similar ao conversor Boost, podendo ser utilizada a mesma estrutura de controle do Boost. A comutac¸a˜ o suave e´ obtida em todos os interruptores assim como no conversor Ponte Completa CC-CC apresentado por (ROMANELI; BARBI, 2001). Por´em, este conversor ainda apresenta uma ponte retificadora na entrada CA, elevando as perdas por conduc¸a˜ o e apresentando baixo fator de potˆencia de entrada. Apesar de o conversor ser destinado a aplicac¸o˜ es SMPS, a ondulac¸a˜ o da tens˜ao de sa´ıda e´ elevada. Segundo (TOMIOKA et al., 2005), o conversor com 480 W de carga obteve fator de potˆencia igual a 0,94 e rendimento de 90 %. 1.3.6. RETIFICADOR BOOST-PONTE COMPLETA COM SA´IDA EM CORRENTE Um retificador sem ponte de diodos utilizando a integrac¸a˜ o dos conversores Boost e. Ponte Completa e´ apresentado por (RIBEIRO; BORGES, 2010, 2014) e apresentado na Figura 12. O modo de operac¸a˜ o do conversor e´ similar ao conversor apresentado por (CHOI et al., 2010), por´em neste retificador Ponte Completa a modulac¸a˜ o e´ PWM sim´etrica e a corrente de entrada e´ dividida entre dois brac¸os de interruptores. A corrente de entrada tamb´em apresenta.
Documentos relacionados
As coletas realizadas para análises que são representadas como os pontos 34 e 38, foram coletadas nos dia 13/10 e 29/10 respectivamente, por tal motivo explica-se o
Os itens ‘a’ e ‘b’ descrevem os procedimentos para realização de medida de resistência elétrica utilizando os instrumentos de medição voltímetro e
A sindicância que vise apurar a ocorrência de infrações administrativa, sem estar dirigida, desde logo, à aplicação de sanção, prescinde da observância dos princípios
As Considerações Finais fecham o trabalho, com o delineamento de todas as indagações apresentadas nos capítulos anteriores, onde o museu pode ser considerado como ambiente
período terminal da temperatura sendo caracterisado por uma elevação continua, interrompida por fracas remissões, é ainda um máo signal ; as remissões breves não attenuam
Os livros de literatura selecionados que destacam o tema “Rio” constituem um recurso para que a temática seja ensinada de forma prazerosa e diferenciada, pois em cada livro o
Dos fatores analisados (ratio do meio de aquecimento e temperatura e idade de produção dos ascósporos), o que causou maior efeito no aumento da resistência térmica deste fungo
Neste trabalho foi realizado um amplo estudo molecular e de expressão em plantas T0 de algodão, resultantes dos trabalhos de transformação da cultivar BRS 293 de modo a constatar
