High Efficiency Energy Recycler for Burn-in Tests of Telecommunications DC Sources

High Efficiency Energy Recycler for Burn-in Tests of

Telecommunications DC Sources

Joacillo Luz Dantas1_{, Fernando Antunes}2_{, Kleber}

Lima3

Grupo de Processamento da Energia e Controle Departamento de Engenharia Elétrica

Universidade Federal do Ceará 1_{joacillo@deee.ufc.br,} 1_{fantunes@deee.ufc.br,}

3_{klima@deee.ufc.br}

José Maurício Andrade Delta Energy Systems

Ewaldo Luiz de Mattos Mehl Depto. de Engenharia Elétrica Universidade Federal do Paraná

mehl@eletrica.ufpr.br

Abstract — This paper shows an architecture for dc source

power recycle circuit. This circuit, composed by power electronics devices, accomplishes the burn-in test in a dc power supply with nominal voltage equal 54.5 V and current equal 50 A. It use a PIC16F870 microcontroller for control a current inverter and a non-dissipative snubber to help the commutation in a boost converter.

Index Terms — Burn-in, power recycler, dc-dc converters.

I. I

Em testes de Burn-in convencionais, para fontes CC, usam-se resistores como carga. Nesses testes a fonte alimenta uma carga, que corresponde a uma porcentagem de 50% a 100%, por um período de 24h às 72h. Toda energia envolvida no processo é perdida em forma de calor. Com o objetivo de diminuir o consumo de energia elétrica nos testes de Burn-in, surgiu o conceito de Reciclagem de Energia [1].

Embora o uso de recicladores de energia seja uma proposta bastante atrativa, principalmente devido a atual preocupação com a otimização dos recursos energéticos, constata-se que a maioria das pesquisas relacionadas a esse tópico, é direcionada para UPS, sendo reduzido o material relacionado com recicladores para fontes CC [1,2,3,4,5,6]. Este artigo mostra uma nova topologia para um reciclador de energia, formado por três conversores, para implementação de testes de Burn-in em fontes CC de 54,5V e 50 A, de aplicação em telecomunicações.

Este reciclador devolve para a rede , a energia elétrica consumida no teste, multiplicada pelo rendimento do conversor, injetando na mesma, uma corrente senoidal com TDH em torno de 4%. O reciclador de energia diminui os gastos com o teste de burn-in, eliminando inclusive os custos inerentes à refrigeração, tendo como implicação a produção de uma fonte CC mais competitiva. O investimento inicial em um reciclador de energia pode ser amortizado em menos de um ano [1].

II. D

C

O reciclador de energia é um equipamento, baseado em semicondutores de potência, composto por três conversores, a saber: um inversor de corrente, um conversor buck e um

conversor boost, de acordo com o diagrama de blocos mostrado na Fig. 1.

A. Inversor de Corrente

O reciclador de energia injetará na rede elétrica, através de um inversor de corrente, Fig. 2, uma corrente senoidal de freqüência 60Hz. A saída do inversor é conectada a um filtro LC para filtrar a alta freqüência proveniente do chaveamento do estágio anterior, o qual injeta no mesmo, uma corrente senoidal retificada. A conexão com a rede elétrica é feita através de um transformador de 60/220V. O uso, ou não, de diodos em série com os IGBT`s depende da tecnologia escolhida para estes, NPT ou PT respectivamente.

Fig. 2 - Inversor de corrente.

B. Conversor Buck

O conversor buck, Fig. 3, atua como um controlador de fluxo de energia. Ele é a interface entre o inversor de corrente e o conversor boost. Quando a energia entregue pelo

boost é maior que a injetada na rede elétrica pelo inversor de

corrente, o circuito de controle aumenta a razão cíclica do chaveamento do conversor buck, com o objetivo de liberar essa energia. Caso contrário, a razão cíclica é diminuída.

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O estágio buck possui também a função de fornecer uma corrente senoidal retificada de 120Hz, possibilitando que o inversor opere com chaveamento em 60Hz.

A identificação do fluxo energético é feita através do monitoramento da tensão no capacitor de saída do conversor

boost. Quando a energia fornecida pelo boost é maior que a

recebida pela rede elétrica, desprezando-se as perdas, a tensão no capacitor tende a aumentar. Caso contrário esta tensão diminui.

O conversor buck opera no modo de condução contínua,

com uma razão cíclica que varia senoidalmente, dada em (1), e a corrente média no interruptor é mostrada em (2).

( )

( )

V

sen

Dk

V

θ

θ

=

×

( )

d

sin

I

I

η

π

θ

θ

λ

.

.

.

2

.

∫

=

V

V

λ =

V

Vik: tensão de entrada do buck.

I

k

η

C. Conversor Boost

A fonte CC a ser testada é fabricada pela empresa Delta

Energy System, e possui os seguintes valores de tensão e

corrente de saída: 54,5V e 50A. Esta fonte é ligada diretamente ao conversor boost, e este, têm como função solicitar uma corrente CC constante, com 5% de ondulação, determinando o nível de potência do teste.

A fonte tem controle de tensão de saída, e apresenta menos de 1% de variação a plena carga. Logo é suficiente que o conversor boost só controle a corrente a ser drenada da fonte, o que implica em um controle da potência.

Devido ao fato da corrente no interruptor do conversor

boost ser relativamente elevada, foi necessária a busca de um

chaveamento não dissipativo. Optamos pelo uso de um circuito de ajuda à comutação, denominado snubber passivo não-dissipativo, o qual possibilita uma comutação quase

ZCS na entrada em condução e quase ZVS no bloqueio [7,8,9].

A Fig. 4 mostra o conversor boost utilizando o snubber passive não-dissipativo.

III. D

A elevação da freqüência de comutação em conversores

estáticos proporciona a redução no peso e volume dos componentes magnéticos. Entretanto, o aumento da freqüência causa elevação das perdas na comutação e interferência eletromagnética (EMI). A recuperação reversa no diodo boost Ds na Fig. 4, também contribui para uma adicional perda em condução.

O circuito snubber utilizado atua tanto na entrada em condução, quanto no bloqueio do interruptor, proporcionando comutações pseudo ZCS e ZVS, respectivamente.

Os dois elementos que devem ser adicionados ao circuito a fim de proporcionar, corrente nula, na entrada em condução, e tensão nula, no bloqueio do interruptor, são um pequeno indutor e um capacitor.

O indutor prover a corrente nula na entrada em condução do interruptor e limita a corrente de recuperação reversa do diodo, enquanto que o capacitor proporciona tensão nula durante o instante do bloqueio [7].

Os componentes passivos que completam o circuito

snubber, são utilizados para recuperar a energia armazenada

no indutor Lsn e capacitor Csn, para a saída.

De acordo com a análise das etapas de operações do

snubber e suas restrições, realizadas em [7,8,9], é possível o

dimensionamento de seus elementos.

Definindo-se a variável k, como o fator que determina a faixa da corrente de entrada na qual o snubber opera corretamente, e x como a relação entre os capacitores Csn e

Ca, tem-se (3) e (4).

Fig. 3 - Conversor buck .

Fig. 4 - Conversor boost empregando snubber passivo não-dissipativo.

(2) (1)

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C

x

C

=

I

k

I

=

O ábaco mostrado na Fig. 5, expressa o parâmetro k em função do parâmetro x [7,9].

Através da utilização dos gráficos das figuras 5, 6, 7 e 8, como também, do equacionamento obtido em [7,8,9], é possível o dimensionamento dos elementos do circuito

snubber apresentado.

IV. E

C

A. Controle Boost

O controle do conversor boost é feito no modo corrente, utilizando-se o modelo de Vatché Vorperian para condução contínua [10] . Um sensor Hall coleta a corrente de saída da fonte, que é a variável a ser controlada. Na implementação optamos pelo uso do circuito integrado 3525, muito difundido para este tipo de regulação, como mostra a Fig. 9.

Fig. 5 – Relação entre k e x.

Fig. 6 – Reatância do indutor Lsn em função de x.

Fig. 7 – Reatância do capacitor Csn em função de x.

Fig. 8 – Reatância do capacitor Ca em função de x.

(3)

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B. Controle Buck

Para implementar o controle do conversor buck, que tem na entrada corrente e tensão CC, e na saída tensão e corrente senoidal retificada em 120Hz, foi usado o UC3854, que é um circuito integrado amplamente utilizado em projetos de conversores boost atuando como pré-reguladores CA/CC de alto fator de potência e baixa THD. Porém o comportamento do controle de tensão é justamente o oposto do nosso projeto. Para adequação do UC3854 aos nossos requisitos foi necessária a adição de um inversor na coleta da tensão.

O conversor Buck e derivados são relativamente fáceis de controlar, principalmente no modo corrente. O critério adotado para o compensador de corrente foi o de Limitações de rampa ( Slope Limitations) [11].

dspp Lk sk

dV

dt

Gcck

dV

R

_dt

=

(

)

V

V

R V

sL

V

=

×

×

G

V

V

V

R

V

L

Para o compensador de tensão adotamos o mesmo critério usado em [1] e [12].

C. Controle Inversor de Corrente

O disparo dos IGBTs do inversor de corrente sempre serão feitos quando a tensão da rede for nula. Sendo também, neste instante, nula a corrente injetada na mesma. Com um microcontrolador PIC16F870 [13], usando sua característica de possuir diodos internos de proteção nas portas , e através de software feito em ASSEMBLY , detectamos a passagem da tensão senoidal por zero, e se a passagem foi na subida ou na descida. Assim, determinamos que par de IGBTs (Fig. 2) serão acionados (Fig. 10). É importante salientar que, por segurança, os acionamentos dos IGBTs sofrem duas sobreposição de 300 microssegundos, na passagem por zero, em cada ciclo da rede.

V. E

-

O processo de conectar e desconectar o Reciclador de Energia à fonte CC deve passar por um acionamento

seqüencial de chaves [1]. Inclusive é bastante conveniente a implementação de um circuito de inrush. O microcontrolador PIC16F870 usado para controle do inversor, tem ainda a incumbência de gerenciar todo esse processo. No nosso sistema as chaves são relés de 12V, 40A.

VI. R

Alguns resultados obtidos em simulação são mostrados a seguir. A simulação foi feita a 90% da potência nominal da fonte CC, usando-se o software ORCAD. A corrente injetada na rede elétrica apresentou TDH de 4,8%, analisando-se até a harmônica de ordem 50.

Fig. 11 – Corrente drenada da fonte CC.

Fig. 12 – Entrada em condução da chave boost usando snubber. Fig. 10 – Sinais de comandos para os drivers dos IGBT’s.

(6) (5)

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Fig. 13 – Formas de onda.

VII. C

O reciclador de energia para fontes CC mostrado, apresenta como vantagens uma comutação, na chave boost, quase-ZVS no bloqueio e quase ZCS na entrada em condução. Apreenta ainda um controle do inversor e o gerenciamento de energização e desenergização com um microcontrolador PIC. Apresenta a desvantagem de possuir três conversores, o que compromete o seu rendimento final, no entanto devido a sua inerente aplicação ele ainda se torna viável.

A

Este trabalho de pesquisa e desenvolvimento representa uma parceria entre a Universidade Federal do Ceará , através do Grupo de processamento de Energia e Controle (GPEC) e a empresa Delta Energy System [14], produtora de fontes CC de aplicação em telecomunicações [15].

R

B

[1] Ayres, C.A (1996). Recicladores de Potência. 168f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Santa Catarina.

[2] Lin, C. E. . (1995). A study on the burn-in test of

charger witn load bank eminination. Industrial

Automation and Control: Emerging Technologies, International IEEE/IAS Conference on , 22-27 May 1995. pp. 72 – 77.

[3] Chen, J. F, Chu, C. L, Ai, T.H e Huang, C, L (1993).

The burn-in test of three-phase UPS by energy feedback method . Power electronics specialist conference:

PESC`93 Record., 24th annual IEEE, pp. 766-771. [4] Tsai, M. T (2000). Comparative investigation of the

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IEEE proceedings online, No. 20000376, pp.192-196. [5] Chen, J. F, Chu, C. L, Ai (1994). Self-load bank for ups

testing by circulating current method. IEEE proc-electr. Power aplication, Vol 141, No 4 , pp. 191-198.

[6] Ayres, C.A, Barbi, I (1996). Power recycler for DC power supplies burn-in test: design and experimentation. APEC, pp. 72-78.

[7] Lima, F. K. A. (2003). Retificador monofásico de reduzidas perdas de condução e alto fator de potência empregando snubber passivo não dissipativo. 153f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Ceará.

[8] Cruz, C. M. T. (2002). Técnicas de comutação não dssipativa aplicada a retificadores de três níveis operando com fator de potência unitário. 215f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Santa Catarina.

[9] Chehab, A. (2002). Retificador pwm trifásico de 26kW, três níveis, unidirecional, fator de potência unitário e alto rendimento para aplicação em centrais de telecomunicação. 187f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Santa Catarina.

[10] Vorperian, Vatché (1990), Simplified Analysis of PWM converters using model of PWM switch: Continuos Conduction Mode. IEEE Transactions on Aerospace and Eletronics Systems. pp. 490-496. [11] Dixon, L. (1991), Switching Power Supply Control

Loop Design, in Unitrode Power Supply Design Seminar Handbook: SEM800.

[12] Todd, P. C, UC3854 Controlled Power Factor Correction Circuit Design, Aplication Note U-134, Unitrode Integrated Circuits Corp.

[13] Microchip, 28/40-Pin-8-Bit CMOS FLASH Microcontrollers, Datasheet. Disponível em http://www.microchip.com/1010/pline/picmicro/categor y/embctrl/14kbytes/devices/16f870/index.htm.

[14] Delta Energy System (Curitiba),

http://www.deltaenergysystems.com.br.

[15] Andrade, J. M. M de, Mehl, E. L. M. (2003), Requisitos de energia para sistemas modernos de telecomunicações. Apostila . Mini-cursos COPEB.