Download PDF
ads:
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA ELÉTRICA - PPGEEL
Formação: Mestrado Profissional em Engenharia Elétrica
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR
Janderson Duarte
RETIFICADOR DE CORRENTE ISOLADO, PONTE COMPLETA – FLYBACK,
COM ELEVADO FATOR DE POTÊNCIA
Apresentada em 27 / 02 / 2009 Perante a Banca Examinadora:
Dr. Marcello Mezaroba - Presidente (UDESC)
Dr. Roger Gules (UTFPR)
Dr. Cassiano Rech (UDESC)
Dr. Leandro Michels (UDESC)
ads:
Livros Grátis
http://www.livrosgratis.com.br
Milhares de livros grátis para download.
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA – PPGEEL
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Mestrando: JANDERSON DUARTE – Engenheiro Eletricista
Orientador: Prof. Dr. MARCELLO MEZAROBA
Co-Orientador: Prof. Dr. LEANDRO MICHELS
CCT/UDESC – JOINVILLE
RETIFICADOR DE CORRENTE ISOLADO, PONTE COMPLETA – FLYBACK,
COM ELEVADO FATOR DE POTÊNCIA
DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA
OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM
ENGENHARIA ELÉTRICA DA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA
CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS
TECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADA PELO
PROF. DR. MARCELLO MEZAROBA
JOINVILLE
2009
ads:
FICHA CATALOGRÁFICA
NOME: DUARTE, Janderson
DATA DEFESA: 27/02/2009
LOCAL: Joinville, CCT/UDESC
NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 14 – CCT/UDESC
FORMAÇÃO: Ciência e Engenharia de Materiais
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Automação de Sistemas
TÍTULO: Retificador de Corrente Isolado, Ponte Completa – Flyback, com Elevado Fator
de Potência
PALAVRAS - CHAVE: Retificador de Corrente, Ponte Completa – F lyback, Correção do
Fator de Potência.
NÚMERO DE PÁGINAS: 166
CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC
PROGRAMA: Pós-graduação em Engenharia Elétrica - PPGEEL
CADASTRO CAPES: 41002016012P-0
ORIENTADOR: Dr. Marcello Mezaroba
PRESIDENTE DA BANCA: Dr. Marcello Mezaroba
MEMBROS DA BANCA: Dr. Roger Gules, Dr. Cassiano Rech, Leandro Michels
i
À minha família, que sempre me deu apoio em
todos os momentos desta difícil caminhada.
ii
AGRADECIMENTOS
Primeiramente à minha família que sempre me incentivou e me forneceu suporte para
realização deste trabalho.
À minha noiva Raquel pela sua compreensão e incentivo nesta jornada.
Ao Prof. Dr. Marcello Mezaroba cujos conhecimentos compartilhados foram
fundamentais para o desenvolvimento e conclusão deste trabalho.
Aos professores M. Alessandro Luiz Batschauer, M. Joselito Anastácio Heerdt, Dr.
Cassiano Rech e Dr. Leandro Michels pela fundamental contribuição fornecida para
desenvolvimento deste trabalho.
Ao Dr. Grover Victor Torrico Bascopé pela ajuda fornecida no início deste trabalho.
Aos mestres Neomar Giacomini e Jonathan Domini Sperb e ao mestrando Josué Dias
por todo auxílio e discussões relevantes que me ajudaram na conclusão do trabalho.
A todos os bolsistas do nPEE – Núcleo de Processamento de Energia Elétrica – da
UDESC pela amizade ao longo deste período e pelo auxilio nas diversas tarefas.
À Universidade do Estado de Santa Catarina pela bolsa de monitoria (PROMOP) que
possibilitou minha dedicação integral ao mestrado.
À empresa Texas Instruments pela doação do kit DSP utilizado no protótipo desta
dissertação.
À empresa Magmattec pela doação do indutor toroidal utilizado como filtro de entrada
do protótipo.
iii
RESUMO
Este trabalho apresenta o estudo e a implementação de um retificador de corrente
isolado, Ponte Completa – Flyback, com elevado fator de potência de entrada e controle
digital implementado em um DSP. O conversor proposto pode operar como elevador ou
abaixador da tensão de entrada, podendo ser utilizado como uma fonte de tensão CC variável.
As análises qualitativa e quantitativa do conversor, uma metodologia de projeto do circuito de
potência e o projeto de um protótipo são apresentados nesta dissertação. Além disso, os
modelos necessários para o projeto dos controladores assim como uma metodologia de
projeto dos controladores, baseado na resposta em freqüência, são incluídas no trabalho. O
protótipo foi desenvolvido para uma potência nominal de saída de 3500 W, freqüência de
operação de 75 kHz, tensão de saída variável de 0 a 400 V e tensão eficaz de entrada de 220
V. Resultados de simulação e experimentais são apresentados para validar o conversor e o
sistema de controle propostos.
PALAVRAS-CHAVE: Retificador de Corrente, Ponte Completa – Flyback,
Correção do Fator de Potência.
iv
ABSTRACT
This work presents the study and implementation of a Full Bridge - Flyback isolated
current rectifier with high input power factor and digital control implemented in a DSP. The
proposed converter can operate as a step-up or step-down converter, so that it can be used as a
variable DC voltage source. Qualitative and quantitative analysis of the proposed converter, a
methodology to design the power stage and a design example are presented in this
dissertation. Moreover, the plant models to design the voltage and current controllers as well
as a methodology to design these controllers, based on the frequency response, are included in
this work. The prototype was developed to a nominal output power of 3500 W, switching
frequency of 75 kHz, variable voltage output of 0 to 400 V and RMS input voltage of 220 V.
Simulations and experimental results are presented to validate the proposed converter and
digital control structure.
KEYWORDS: Current Rectifier, Full Bridge – Flyback, Power Factor Correction.
v
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Método clássico para realizar acorreção do fator de potência em um inversor de
freqüência. .............................................................................................................20
Figura 2 – Esquema de estágio único.......................................................................................20
Figura 3 – Topologia do conversor proposto............................................................................23
Figura 4 – Estratégia de modulação. ........................................................................................25
Figura 5 – Primeira etapa de operação no modo Buck.............................................................26
Figura 6 – Segunda e quarta etapas de operação no modo Buck. ............................................26
Figura 7 – Terceira etapa de operação no modo Buck. ............................................................27
Figura 8 – Principais formas de onda no modo Buck. .............................................................28
Figura 9 – Primeira e terceira etapas de operação no modo Boost...........................................29
Figura 10 – Segunda etapa de operação no modo Boost..........................................................30
Figura 11 – Quarta etapa de operação no modo Boost.............................................................31
Figura 12 - Principais formas de onda no modo Boost. ...........................................................32
Figura 13 – Regiões de operação do Buck e Boost..................................................................33
Figura 14 – Representação das correntes no indutor acoplado. ...............................................37
Figura 15 – Ondulação da corrente no primário do indutor acoplado norm
alizado em função
de ωt para alguns valores de índice de modulação e relação de transformação
unitária no modo Buck. .........................................................................................38
Figura 16 – Ondulação da corrente no primário do indutor acoplado norm
alizado em função
de ωt para alguns valores de índice de modulação e relação de transformação 2 no
modo Buck.............................................................................................................39
Figura 17 – Ondulação da corrente no primário do indutor acoplado normalizado em função
de ωt para alguns valores de índice de modulação e relação de transformação
unitária no modo Boost..........................................................................................50
Figura 18 – Ondulação da corrente no primário do indutor acoplado normalizado em função
de ωt para alguns valores de índice de modulação e relação de transformação 2 no
modo Boost............................................................................................................51
Figura 19 – Ganho estático do conversor no modo Buck+Boost.............................................58
Figura 20 – Razão cíclica em função do ângulo da tensão de entrada. ....................................59
vi
Figura 21 – Variação da ondulação de corrente no indutor acoplado em função do ângulo da
tensão de entrada. ..................................................................................................60
Figura 22 – Circuito equivalente de entrada.............................................................................61
Figura 23 – Esquemático da aquisição de dados do conversor. ...............................................71
Figura 24 – Diagrama do controlador.......................................................................................72
Figura 25 – Malha de tensão considerando a malha de corrente como um ganho...................72
Figura 26 – Malha de corrente para controle digital. ...............................................................73
Figura 27 – Malha de tensão para controle digital. ..................................................................73
Figura 28 – Circuito equivalente da primeira etapa para o modo Boost..................................74
Figura 29 – Circuito equivalente da segunda etapa para o m
odo Boost...................................75
Figura 30 – Circuito equivalente simplificado de segunda etapa de operação no m
odo Boost.
...............................................................................................................................76
Figura 31 – Modelo completo e modelo aproximado para o modo Boost para uma razão
cíclica de 0,99 e 0,56. ............................................................................................80
Figura 32 – Circuito equivalente da primeira etapa para o modo Buck...................................81
Figura 33 – Circuito equivalente da segunda etapa para o modo Buck. ..................................81
Figura 34 – Modelo completo e modelo aproximado para o modo Buck para uma razão cíclica
de 0,4 e 0,15...........................................................................................................85
Figura 35 – Malha equivalente de saída do conversor. ............................................................86
Figura 36 – Sinal de controle e portadora dente de serra.
........................................................88
Figura 37 – Geração da onda dente de serra.............................................................................89
Figura 38 – Filtro anti-aliasing considerado............................................................................90
Figura 39 – Filtro passa baixas de co
rrente..............................................................................90
Figura 40 – Modelo do sensor de tensão..................................................................................92
Figura 41 – Esquema do multiplicador. ...................................................................................93
Figura 42 – Malha de controle de corrente...............................................................................96
Figura 43 – Malha de controle de corrente sim
plificada..........................................................96
Figura 44 – Malha de controle de corrente no plano w.
...........................................................98
Figura 45 – Influência do controlador na malha de corrente..................................................100
vii
Figura 46 – Representação do bloco do controlador de corrente. ..........................................101
Figura 47 – Malha de controle de tensão................................................................................102
Figura 48 – Malha de controle de tensão simplificada...........................................................102
Figura 49 – Influência do controlador na malha de tensão.....................................................106
Figura 50 – Esquemático do circuito simulado. .....................................................................110
Figura 51 – Tensão de entrada (V
in
) e corrente de entrada multiplicada por 5 (5*I
in
) do
conversor. ............................................................................................................111
Figura 52 – Corrente no primário do indutor acoplado..........................................................111
Figura 53 – Tensão de saída (V
o
) e potência de saída (P
o
) do conversor. ..............................112
Figura 54 – Tensão de comando das chaves S
1
e S
4
, tensão de comando das chaves S
2
e S
3
,
tensão no primário do indutor e corrente no primário do indutor multiplicada por
5. ..........................................................................................................................113
Figura 55 – Tensão na chave S
1
(vS
1
), corrente na chave S
1
multiplicada por 5 (5*iS
1
), tensão
no primário do transformador (vL
p
) e corrente no primário do transformador
multiplicada por 5 (5*iLp)...................................................................................114
Figura 56 – Tensão do diodo D
3
(vD
3
), corrente no diodo D
3
multiplicada por 5 (5*iD
3
),
tensão no diodo D
5
(vD
5
) e a corrente no diodo D
5
multiplicada por 5 (5*iD
5
)..114
Figura 57 – Conteúdo harmônico de corrente. .......................................................................116
Figura 58 – Tensão de entrada (V
in
) e corrente de entrada multiplicada por 5 (5*I
in
) do
conversor. ............................................................................................................117
Figura 59 – Corrente no primário do indutor acoplado..........................................................117
Figura 60 – Diagrama de blocos da simulação - circu
ito de potência simulado. ...................118
Figura 61 – Diagrama de blocos da sim
ulação – digitalização dos sinais..............................118
Figura 62 – Diagrama de blocos da simulação – controlador de tensão. ...............................119
Figura 63 – Diagrama de blocos da simulação – controlador de corrente. ............................119
Figura 64 – Diagrama de blocos da simulação – modulador PWM. ......................................119
Figura 65 – Tensão de saída (Vo), tensão da rede (Vrede) e corrente de entrada (Irede).
.....121
Figura 66 – Tensão de saída e corrente de entrada quando sujeito a um
degrau de carga. ....122
Figura 67 – Tensão de saída e corrente de entrada quando sujeito a um degrau de carga.....123
Figura 68 – Diagrama de blocos do sistema...........................................................................126
viii
Figura 69 – Fluxograma do programa do DSP.......................................................................127
Figura 70 – Protótipo montado para testes.............................................................................129
Figura 71 – Esquemático do módulo de potência...................................................................130
Figura 72 – Módulo de potência do conversor desenvolvido.................................................131
Figura 73 – Snubber de Undeland do conversor. ...................................................................132
Figura 74 – Foto do driver utilizado.......................................................................................133
Figura 75 – Kit didático TMSF2812 eZdsp
TM
. ......................................................................134
Figura 76 – Circuito de condicionamento do sinal da corrente do primário do indutor.........134
Figura 77 – Circuito de condicionamento do sinal da tensão de saída...................................135
Figura 78 – Circuito de condicionam
ento do sinal da amostra da tensão da rede e sinal de off-
set.........................................................................................................................136
Figura 79 – Circuito de condicionam
ento de sinal do DSP para os drivers...........................137
Figura 80 – Circuito de condicionamento de sinal dos drivers para o DSP...........................137
Figura 81 – Placa de condicionamento de sinais....................................................................138
Figura 82 – Esquema elétrico da placa de amostra da tensão da rede....................................138
Figura 83 – Foto da placa de amostra da tensão da rede........................................................139
Figura 84 – Circuito da fonte auxiliar. ...................................................................................139
Figura 85 – Foto da fonte auxiliar. .........................................................................................140
Figura 86 – Tensão e corrente de entrada do conversor (100V/div, 10A/div, 5 ms/div). ......141
Figura 87 – Harmônicos de corrente no modo Boost e valor de referência da norm
a. ..........142
Figura 88 – Tensão de entrada e de saída do conversor (100V/div, 5 m
s/div). .....................142
Figura 89 – Tensão na chave S
1
e corrente no primário do indutor acoplado (50V/div, 5A/div,
2,5 μs/div)............................................................................................................144
Figura 90 – Degrau de carga de 244Ω para 122Ω (10V/div, 10A/div, 50m
s/div).................145
Figura 91 – Degrau de carga de 122Ω para 244Ω (10V/div, 10A/div, 50ms/div).................145
Figura 92 – Tensão de saída, tensão e corrente de entrada (50V/div, 10A/div, 2,5ms/div)...146
Figura 93 – Harmônicos de corrente no m
odo Boost+Buck e valor de referência da norma.146
Figura 94 – Corrente no primário do indutor Flyback (10A/div, 1m
s/div)............................147
ix
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Valores de projeto calculados.................................................................................68
Tabela 2 – Componentes especificados para o protótipo. ........................................................69
Tabela 3 – Dados de Projeto para o controlador de corrente....................................................98
Tabela 4 – Dados de projeto para o controlador de tensão.....................................................104
Tabela 5 – Esforços nos componentes, teórico e simulado. ...................................................115
x
LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIMBOLOGIA
(APRESENTADOS EM ORDEM ALFABÉTICA)
C
b
Capacitância do circuito de bloqueio CC do transformador.
C
f
Capacitor do filtro LC de entrada.
C
o
Capacitância de saída.
D Razão cíclica.
D
1
a D
6
Diodos de saída do conversor.
f
a
Freqüência de amostragem do controle.
f
ck
Freqüência de Clock do DSP.
f
rede
Freqüência da tensão da rede de alimentação.
f
s
Freqüência de chaveamento.
G Ganho estático do conversor.
iD
x
Corrente no diodo x.
iL
P
Corrente no primário do transformador.
iL
PF
Corrente no primário do indutor acoplado.
iL
S
Corrente no secundário do transformador.
iL
SF
Corrente no secundário do indutor acoplado.
i
M
Corrente máxima no primário do indutor acoplado.
i
m
Corrente mínima no primário do indutor acoplado.
iS
x
Corrente na chave x.
K
AD
Ganho do conversor AD do DSP.
K
i
Ganho do sensor de corrente.
K
m
Ganho do multiplicador.
K
v
Ganho do sensor de tensão.
L
C
Indutância mútua do indutor acoplado.
L
f
Indutor do filtro LC de entrada.
L
p
Indutância do primário do transformador.
L
PF
Indutância do primário do indutor acoplado.
L
S
Indutância do secundário do transformador.
L
SF
Indutância do secundário do indutor acoplado.
m
a
Índice de modulação de amplitude.
N Relação de transformação do transformador e do indutor acoplado.
N
P
Número de espiras do primário do transformador.
N
PF
Número de espiras do primário do indutor acoplado.
N
S
Número de espiras do secundário do transformador.
N
SF
Número de espiras do secundário do indutor acoplado.
P
o
Potência eficaz de saída.
R
b
Resistência do circuito de bloqueio CC do transformador.
R
o
Resistência equivalente de saída.
S
1
a S
4
Chaves principais.
T
1
Transformador ponte completa.
T
a
Período de amostragem do controle.
t
c
Tempo em que a chave está conduzindo.
T
s
Período de chaveamento.
vD
x
Tensão no diodo x.
V
in
Tensão após a ponte retificadora.
vL
P
Tensão do primário do transformador.
vL
PF
Tensão no primário do indutor acoplado.
vL
S
Tensão no secundário do transformador.
xi
vL
SF
Tensão no secundário do indutor acoplado.
V
o
Tensão de saída.
V
o
’ Tensão de saída referida ao primário do transformador.
V
P
Tensão de pico da rede.
vS
x
Tensão na chave x.
V
T
Valor máximo da portadora dente de serra.
P
F
I
LΔ Ondulação da corrente no primário do indutor acoplado
parametrizado.
ΔIL
PF
Ondulação da corrente no primário do indutor acoplado.
ΔV
o
Ondulação da tensão de saída.
θ
1
e θ
2
Ângulos que definem o período de funcionamento do conversor no
modo Buck.
LISTA DE SUBÍNDICES E PREFIXOS PARA AS VARIÁVEIS ADOTADAS
_ef Referente ao valor eficaz, considerando a variação em baixa
freqüência, da variável em questão.
_ef_AF Referente ao valor eficaz em alta freqüência da variável em questão.
_max Referente ao valor máximo da variável em questão.
_med Referente ao valor médio, considerando a variação em baixa
freqüência, da variável em questão.
_med_AF Referente ao valor médio em alta freqüência da variável em questão.
_pico Referente ao pico da variável em questão.
xii
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO GERAL .......................................................................................................19
1 ANÁLISE DA TOPOLOGIA PROPOSTA .................................................................23
1.1 INTRODUÇÃO........................................................................................................23
1.2 ANÁLISE QUALITATIVA.....................................................................................23
1.2.1 Estratégia de Modulação ..................................................................................24
1.2.2 Operação no Modo Buck..................................................................................25
1.2.3 Operação no Modo Boost.................................................................................29
1.2.4 Operação nos Modos Buck e Boost..................................................................33
1.3 ANÁLISE QUANTITATIVA NO MODO BUCK..................................................34
1.3.1 Ganho Estático..................................................................................................34
1.3.2 Razão Cíclica em Função do Ângulo da Tensão de Entrada............................34
1.3.3 Fundamental da Corrente de Entrada ...............................................................35
1.3.4 Corrente Máxima no Primário do Indutor Acoplado........................................36
1.3.5 Equacionamento para o Cálculo da Indutância do Indutor Acoplado..............37
1.3.6 Esforços no Indutor Acoplado..........................................................................40
1.3.6.1 Corrente Média no Primário.........................................................................40
1.3.6.2 Corrente Média no Secundário.....................................................................40
1.3.6.3 Corrente Eficaz no Primário.........................................................................41
1.3.6.4 Corrente Eficaz no Secundário.....................................................................41
1.3.6.5 Corrente de Pico no Primário .......................................................................41
1.3.6.6 Corrente de Pico no Secundário ...................................................................42
1.3.7 Esforços no Capacitor de Saída........................................................................42
1.3.7.1 Corrente Eficaz.............................................................................................42
1.3.8 Esforços nas Chaves.........................................................................................42
1.3.8.1 Corrente Média nas Chaves..........................................................................42
1.3.8.2 Corrente Eficaz nas Chaves..........................................................................43
1.3.8.3 Tensão Máxima nas Chaves .........................................................................43
1.3.9 Esforços no Transformador ..............................................................................43
1.3.9.1 Corrente Eficaz no Primário do Transformador...........................................43
1.3.9.2 Corrente Eficaz no Secundário do Transformador.......................................44
1.3.10 Esforços nos Diodos D
1
e D
2
............................................................................44
1.3.10.1 Corrente Média nos Diodos D
1
e D
2
.........................................................44
1.3.10.2 Corrente Eficaz nos Diodos D
1
e D
2
.........................................................45
1.3.10.3 Tensão Reversa Máxima ..........................................................................45
1.3.11 Esforços nos Diodos D
3
e D
4
............................................................................45
1.3.11.1 Corrente Média nos Diodos D
3
e D
4
.........................................................45
1.3.11.2 Corrente Eficaz nos Diodos D
3
e D
4
.........................................................46
1.3.11.3 Tensão Reversa Máxima ..........................................................................46
1.3.12 Esforços nos Diodos D
5
e D
6
............................................................................46
1.3.12.1 Corrente Média nos Diodos D
5
e D
6
.........................................................46
1.3.12.2 Corrente Eficaz nos Diodos D
5
e D
6
.........................................................47
1.3.12.3 Tensão Reversa Máxima ..........................................................................47
1.3.13 Esforços nos Diodos Retificadores de Entrada ................................................47
1.3.13.1 Corrente Média.........................................................................................47
1.3.13.2 Corrente Eficaz.........................................................................................48
1.4 ANÁLISE QUANTITATIVA NO MODO BOOST................................................48
xiii
1.4.1 Ganho Estático..................................................................................................48
1.4.2 Razão Cíclica em Função do Ângulo da Tensão de Entrada............................48
1.4.3 Corrente Máxima no Primário do Indutor Acoplado........................................48
1.4.4 Equacionamento para o Cálculo do Indutor Acoplado.....................................49
1.4.5 Esforços no Indutor ..........................................................................................51
1.4.5.1 Corrente Média no Primário.........................................................................51
1.4.5.2 Corrente Média no Secundário.....................................................................52
1.4.5.3 Corrente Eficaz no Primário.........................................................................52
1.4.5.4 Corrente Eficaz no Secundário.....................................................................53
1.4.5.5 Corrente de Pico no Primário do Indutor......................................................53
1.4.5.6 Corrente de Pico no Secundário do Indutor..................................................53
1.4.6 Esforços no Capacitor de Saída........................................................................54
1.4.6.1 Corrente Eficaz.............................................................................................54
1.4.7 Esforços nas Chaves.........................................................................................54
1.4.7.1 Corrente Média nas Chaves..........................................................................54
1.4.7.2 Corrente Eficaz nas Chaves..........................................................................55
1.4.7.3 Máxima Tensão nas Chaves .........................................................................55
1.4.8 Esforços no Transformador ..............................................................................55
1.4.8.1 Corrente Eficaz no Primário do Transformador...........................................55
1.4.8.2 Corrente Eficaz no Secundário do Transformador.......................................56
1.4.9 Esforços nos Diodos D
3
, D
4
, D
5
e D
6
...............................................................56
1.4.9.1 Corrente Média nos Diodos..........................................................................56
1.4.9.2 Corrente Eficaz nos Diodos..........................................................................57
1.4.9.3 Tensão Reversa Máxima nos Diodos D
3
e D
4
..............................................57
1.4.9.4 Tensão Reversa Máxima nos Diodos D
5
e D
6
..............................................57
1.4.10 Esforços nos Diodos Retificadores de Entrada ................................................57
1.4.10.1 Corrente Média.........................................................................................57
1.4.10.2 Corrente Eficaz.........................................................................................58
1.5 ANÁLISE QUANTITATIVA NO MODO BUCK+BOOST ..................................58
1.5.1 Cálculo do Valor da Indutância do Indutor Acoplado
......................................59
1.5.2 Cálculo do Valor do Capacitor de Saída ..........................................................60
1.5.3 Filtro LC de Entrada.........................................................................................60
1.5.4 Esforços nos Componentes no Modo Buck+Boost..........................................62
1.6 METODOLOGIA PARA PROJETO.......................................................................63
1.6.1 Especificações do Conversor............................................................................63
1.6.2 Cálculo da Relação de Transformação (N)
.......................................................64
1.6.3 Determinar os Ângulos dos Modos de Operação.............................................64
1.6.4 Cálculo da Indutância do Indutor Acoplado.....................................................64
1.6.5 Cálculo da Capacitância de Saída.....................................................................64
1.6.6 Cálculo do Filtro de Entrada.............................................................................65
1.6.7 Cálculo do Circuito de Bloqueio CC no Primário do Transformador..............65
1.6.8 Cálculo dos Esforços nos Componentes...........................................................66
1.6.9 Especificação e Cálculo Térmico dos Componentes........................................66
1.6.10 Projetar e Especificar os Materiais Magnéticos ...............................................66
1.7 PROJETO DO CONVERSOR.................................................................................66
1.7.1 Especificações do Projeto.................................................................................67
1.7.2 Cálculo da Relação de Transformação .............................................................67
1.7.3 Determinação dos Modos de Operação............................................................67
1.7.4 Cálculos de Projeto...........................................................................................67
1.8 CONCLUSÕES........................................................................................................69
xiv
2 MODELAGEM E CONTROLE...................................................................................70
2.1 INTRODUÇÃO........................................................................................................70
2.2 VISÃO GERAL DO DIAGRAMA DE CONTROLE .............................................70
2.3 DETERMINAÇÃO DOS MODELOS DO SISTEMA............................................73
2.3.1 Modelo da Planta de Corrente ..........................................................................74
2.3.1.1 Modelo da Planta de Corrente para o Modo Boost ......................................74
2.3.1.2 Modelo da Planta de Corrente para o Modo Buck .......................................80
2.3.2 Modelo da Planta de Tensão.............................................................................85
2.3.3 Modelo do Modulador PWM............................................................................87
2.3.4 Modelo do Filtro Anti-Aliasing ........................................................................89
2.3.5 Modelo do Filtro Passa-Baixas.........................................................................90
2.3.6 Modelo do Conversor A/D ...............................................................................91
2.3.7 Modelo do Sensor de Corrente.........................................................................91
2.3.8 Modelo do Sensor de Tensão............................................................................92
2.3.9 Modelo do Multiplicador..................................................................................92
2.3.10 Modelo do Retentor..........................................................................................93
2.4 METODOLOGIA PARA PROJETO DOS CONTROLADORES..........................93
2.5 PROJETO DOS CONTROLADORES DIGITAIS..................................................94
2.5.1 Projeto do Controlador de Corrente..................................................................95
2.5.2 Projeto do Controlador de Tensão..................................................................101
2.6 CONCLUSÕES......................................................................................................107
3 RESULTADOS DE SIMULAÇÃO.............................................................................109
3.1 INTRODUÇÃO......................................................................................................109
3.2 SIMULAÇÃO DO CIRCUITO DE POTÊNCIA...................................................109
3.3 SIMULAÇÃO COM TENSÃO DE SAÍDA DE 200V..........................................116
3.4 SIMULAÇÃO DO SISTEMA DE CONTROLE...................................................118
3.5 CONCLUSÕES......................................................................................................124
4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ..........................................................................125
4.1 INTRODUÇÃO......................................................................................................125
4.2 PLATAFORMA EXPERIMENTAL .....................................................................125
4.2.1 Programação...................................................................................................126
4.2.2 Circuitos Eletrônicos ......................................................................................129
4.2.3 Unidade De Potência ......................................................................................129
4.2.4 Circuitos Grampeadores De Tensão...............................................................131
4.2.5 Drivers ............................................................................................................132
4.2.6 Módulo Dsp....................................................................................................133
4.2.7 Placa De Condicionamento De Sinais............................................................134
4.2.8 Placa Amostra Da Tensão De Rede................................................................138
4.2.9 Fonte Auxiliar De Alimentação......................................................................139
4.3 RESULTADOS OBTIDOS....................................................................................140
4.4 CONCLUSÕES......................................................................................................148
CONCLUSÃO GERAL .......................................................................................................150
APÊNDICE A – ESPECIFICAÇÃO E CÁLCULO TÉRMICO DOS COMPONENTES
................................................................................................................................................155
APÊNDICE B - PROJETO FÍSICO DO INDUTOR ACOPLADO................................160
APÊNDICE C - PROJETO FÍSICO DO TRANSFORMADOR PONTE COMPLETA
................................................................................................................................................164
xv
19
INTRODUÇÃO GERAL
O estudo de conversores chaveados com elevado fator de potência na entrada é de
grande interesse, principalmente ao que se refere à eficiência energética e a qualidade de
energia. O baixo fator de potência é originado pelas altas taxas de distorção harmônica
geradas pelas cargas não-lineares conectadas a rede elétrica.
Devido ao baixo fator de potência ocorre uma circulação de energia reativa na rede
elétrica, obrigando um dimensionamento para suportar a potência ativa mais a reativa que
circula na rede. Isso implica em elevados custos, uma vez que os transformadores necessitam
serem projetados para uma potência maior, bem como a bitola dos condutores da rede elétrica
e das linhas da transmissão. Devido a essa circulação de energia reativa na rede também há
um aumento nas perdas, pois a corrente que circula nos condutores é maior.
As harmônicas de corrente que conversores sem correção do fator de potências drenan
da rede elétrica também provocam distorções na tensão da rede e quedas de tensão nas
impedâncias dos transformadores, contribuindo para uma má qualidade da energia utilizada
por todos os consumidores.
No Brasil não existe nenhuma norma para limites de harmônicos de corrente em
equipamentos, no entanto na Europa, por exemplo, existem as normas IEC 61000-3-2 (2005)
e IEC 61000-3-4 (1998), que tratam dos limites de emissões de harmônicos de corrente para
equipamentos com corrente eficaz inferior a 16 A e superior a 16 A respectivamente.
Hoje em dia o problema do baixo fator de potência vem se agravando, visto que é
crescente a utilização de cargas não-lineares. Por exemplo, nas indústrias a utilização de
inversores de freqüência e Soft-Startes. E nas residências microcomputadores e lâmpadas
alimentadas com reatores sem correção do fator de potência.
Existe um grande número de estudos de topologias pré-reguladoras que realizam a
correção do fator de potência, eliminando as harmônicas de corrente injetadas na rede elétrica
por fontes que alimentam equipamentos em geral. As topologias mais conhecidas são os
conversores clássicos Buck, Boost e Flyback, onde a mais difundida é o conversor Boost
utilizado como pré-regulador de tensão para a correção do fator de potência.
Grande parte dos conversores utilizados na indústria no Brasil, como inversores de
freqüência, não possuem correção de fator de potência. Quando existe a correção do fator de
potência, geralmente utiliza-se o método clássico.
20
O método clássico seria um conversor específico para fazer a correção do fator de
potência na entrada da rede, por exemplo, um conversor Boost, e outro conversor CC-CC para
fazer a adequação da tensão necessária e para fazer a isolação galvânica, conforme o
esquemático da Figura 1.
Figura 1 – Método clássico para realizar acorreção do fator de potência em um inversor de
freqüência.
Por outro lado, nos últimos anos, tem crescido o estudo de conversores de estágio
único que realizam a correção de fator de potência e são isolados galvanicamente com
transformadores operando em alta freqüência. Os principais estudos de conversores que são
com estágio único e operam com alta potência são apresentados por (BASCOPÉ, 1996;
JIANN-FUH et al., 2008; EM-SUNG PARK et al., 2004; YAKUSHEV et al., 1999; MASET
et al., 2005). O estudo destes conversores busca reduzir o volume e o custo destes conversores
comparados com as topologias clássicas utilizadas. A Figura 2 apresenta o esquemático de
conversores estágio único.
ESTÁGIO ÚNICO
CA
CARGA
Figura 2 – Esquema de estágio único.
Estes conversores que realizam a correção do fator de potência e são isolados
galvanicamente em alta freqüência são conhecidos como retificadores de corrente, pelo fato
de ser entrada em corrente e na saída possuir uma tensão CC.
É desejável que os retificadores de corrente possuem tensão de saída regulável. Se o
retificador de corrente for o estágio de entrada de inversor de freqüência a tensão de saída
21
regulável permite variar a tensão de barramento de entrada de inversor, permitindo assim,
obter uma tensão de saída com baixa Taxa de Distorção Harmônica. Uma vez que se a tensão
de saída do inversor for muito menor que a tensão de barramento o inversor opera com razões
cíclicas muito pequenas, fazendo com que as derivadas de corrente sejam elevadas,
aumentando assim as hormônicas na tensão de saída. Se o barramento for variável esse
problema é eliminado.
Este trabalho tem por objetivo o estudo de um conversor CA-CC estágio único, com
elevado fator de potência e tensão de saída regulável. A principal aplicação para este
conversor é de servir de estágio de entrada de um inversor de freqüência. Ou utilizado como
fonte CC para testes em laboratório desde que não seja necesário zero de ondulação da tensão
de saída.
Uma topologia com estágio único é o retificador de corrente do tipo Ponte Completa
proposto por Jiann-Fuh (2008). Trata-se da topologia Ponte Completa tradicional com a
diferença que o indutor está na entrada do conversor e não mais na saída. Esta estrutura possui
um grave problema caso ocorra por algum motivo a abertura das quatro chaves, pois neste
caso, é gerada uma sobretensão devido à interrupção do caminho de circulação de corrente no
indutor. Esta sobretensão pode danificar os interruptores do conversor. Outra desvantagem
desta estrutura é que ela opera somente como elevador de tensão.
Outra topologia estudada é o retificador de corrente do tipo Flyback Push-Pull,
proposto por Bascopé (1996). Esta topologia realiza a correção do fator de potência, faz a
isolação galvânica em alta freqüência, pode operar com uma tensão maior ou menor do que o
pico da tensão de entrada, e ainda não necessita de um circuito auxiliar para limitar a corrente
de partida. Este conversor por ser do tipo Push-Pull tem como desvantagens: o problema de
saturação do transformador, operação somente para médias e baixas potências e elevadas
tensões nos interruptores.
A proposta deste trabalho é o estudo de um retificador de corrente isolado, do tipo
Ponte Completa – Flyback, com elevado fator de potência. Este conversor tem como
características: Elevado fator de potência; Isolação galvânica em alta freqüência; operação
como elevador (modo Boost) ou abaixador (modo Buck); Unico estágio de processamento de
energia; não necessita de circuito auxiliar para limitar a corrente de partida.
O conversor proposto possui as seguintes vantagens quando comparado com o
retificador Flyback Push-Pull: pode operar com potências maiores; não existe o problema de
saturação do transformador e possui menor tensão nos interruptores.
22
Este trabalho tem o objetivo de realizar um estudo teórico do conversor proposto,
propor uma metodologia para projeto do estágio de potência, fazer o projeto e um protótipo,
utilizar simulações numéricas para validar o estudo teórico da parte de potência e apresentar
os resultados experimentais com um protótipo implementado em laboratório. Este trabalho
também contempla o estudo de controladores digitais baseado na resposta em freqüência, o
projeto dos controladores digitais de tensão de saída e corrente de entrada, simulações
numéricas para validar o projeto dos controladores e testes experimentais no protótipo
implementado para analisar a dinâmica do controle implementado.
O sistema de controle digital foi implementado no DSP TMS320F2812 da Texas
Instruments
®
. A técnica de controle utilizada é de controle por valores médios instantâneos da
corrente de entrada, onde se deseja que a tensão de saída seja CC controlada e a corrente de
entrada possua o formato senoidal em fase com a tensão da rede, obtendo assim fator de
potência próximo da unidade.
Este trabalho está organizado da seguinte maneira:
No capítulo 1 será apresentado o estudo do conversor, enfocando as etapas de
operação no modo Buck e no modo Boost através da análise qualitativa. Será apresentado
também o equacionamento para obtenção de uma metodologia de projeto e finalizando o
capítulo será apresentado o projeto de um protótipo.
No capítulo 2 serão abordados os tópicos necessários para o projeto do controle
digital, onde é apresentada a metodologia para projeto dos controladores digitais baseados na
resposta em freqüência, os modelos necessários para a elaboração do projeto do controle
digital, a técnica de controle utilizada, e os projetos dos controladores propriamente ditos.
No capítulo 3 serão apresentados os resultados obtidos via simulação numérica da
parte de potência para validar o estudo teórico do conversor, e os resultados da simulação para
analisar a dinâmica do controle projetado.
No capítulo 4 serão apresentados todos os circuitos que são necessários para o
funcionamento correto do sistema implementado, bem como os resultados experimentais
encontrados tanto da parte de potência quanto do controle do protótipo implementado.
Finalmente serão apresentadas as conclusões gerais deste trabalho, apresentando os
pontos fundamentais relativos ao conversor estudado.