Brando - Relatório Parcial IC 2016 - Final

8/19/2019 Brando - Relatório Parcial IC 2016 - Final

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Relatório Parcial de Iniciação Científica e Sumário Técnico

Bolsa PIC Modalidade RUSP Ciclo 2015/2016

PEA-LEP (Laboratório de Eletrônica de Potência)

Conversor CA-CC para Máxima Extração de Potência de um Gerador Movido por

Ondas do Mar

Aluno Bolsista: Brando Pascuineli de Morais (NUSP-7547969)

Professor Orientador: Lourenço Matakas Junior

São Paulo, 1 de fevereiro de 2016


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Sumário

1.Introdução ........................................................................................................................... 4

2. Estrutura geral da placa inversora ..................................................................................... 5

2.1 Funcionamento geral da placa ................................................................................. 5

2.2 Isolamento Galvânico ................................................................................................ 7

2.3 Inversor trifásico e Lógica acionamento ................................................................. 9

3. Ensaios ............................................................................................................................. 12

3.1 Testes do acoplador óptico .................................................................................... 12

3.2 Testes estáticos ........................................................................................................ 12

3.2.1 Verificação de chaveamento ................................................................................ 12

3.2.2 Queda de tensão nos transistores e chaves ..................................................... 13

3.2.3 Verificação dos diodos ......................................................................................... 14

3.3 Ensaios com modulação por largura de pulso (PWM) ........................................ 15

4. Conclusões ....................................................................................................................... 23

Anexo A Aprendizados da teoria de inversores e modulação de onda por largura de pulso............................................................................................................................................... 24

Anexo B: Detalhes de programação e hardware do microcontrolador STM32F4. ............. 28

Bibliografia ............................................................................................................................... 30


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Figura 1: Diagrama de blocos da placa..................................................................................... 5 Figura 2: Esquema elétrico da placa inversora. ....................................................................... 6 Figura 3: Esquema elétrico simplificado do optoacoplador HCPL-2200. ................................. 7 Figura 4: Tabela com as condições recomendas do optoacoplador HCPL-2200. [5] .............. 8

Figura 5: Tabela da verdade do optoacoplador HCPL-2200. [5] .............................................. 8 Figura 6: Esquema elétrico do optoacoplador HCPL-2200. [5] ................................................ 8

Figura 7: esquema elétrico do isolamento galvânico e enumeração dos acopladores ópticos..................................................................................................................................................... 9

Figura 8: Diagrama de bloco da Ponte H. [6] ............................................................................ 9

Figura 9: Esquema elétrico do inversor de quatro braços. [6] ................................................ 10

Figura 10: Encapsulamento do LM6203. [6] ........................................................................... 11 Figura 11: Funções dos pinos. [6] ........................................................................................... 11 Figura 12: Características elétricas e térmicas do LM6203. [6] ............................................. 12

Figura 13: Esquema elétrico do teste 3.2.2. ........................................................................... 14

Figura 14: Esquema elétrico dos ensaios dos diodos. ........................................................... 15 Figura 15: Diagrama lógico do CD4050. [8] ............................................................................ 16 Figura 16: Esquema elétrico do ensaio com modulação PWM. ............................................. 17

Figura 17: Sinais PWM de entrada EA (amarelo) e EB (azul). ............................................... 18

Figura 18: Sinal de saída no conversor trifásico VA-VB para um ciclo de 60Hz e frequênciade chaveamento de 3600Hz. ................................................................................................... 18 Figura 19: Tensão no resistor de carga e trem de pulsos modulados de saída. ................... 19 Figura 20: Sinal de tensão sobre a resistor de carga. ............................................................ 20 Figura 21: Tensão no resistor de carga e trem de pulsos modulados de saída. ................... 21

Figura 22: Esquema elétrico da simulação no PSIM. ............................................................. 22

Figura 23: Análise de Fourier do sinal VAB da simulação da Figura 21. ............................... 22 Figura 24: Análise de Fourier do sinal VAB mostrado na Figura 17 feita pelo programaMATLAB. .................................................................................................................................. 23

Figura A 1: Inversor autocomutado monofásico, tipo de tensão. [2] ...................................... 24 Figura A 2: Sinal de saída v_ce estado de S1. [2] .................................................................. 24

Figura A 3: Modulador com Portadora triangular - formas de onda de V_ref, v_c e ondatriangular. [2] ............................................................................................................................ 25 Figura A 4: Espectro da tensão v_c com modulação com portadora triangular. [3] .............. 26

Figura A 5: Filtro de corrente. [3] ............................................................................................. 27

Figura B 1: Digrama de blocos do STM32F4. [7] .................................................................... 29

Tabela 1: Valores de tensão e corrente medidos nos transistores. ....................................... 13

Tabela 2: Valores de tensão e corrente medidos nos diodos. ............................................... 15


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1.IntroduçãoAqui se explica quais são os objetivos do

projeto, bem como suas aplicações e uma visão

do que foi feito até esta etapa

Uma alternativa de geração de energia elétrica através de ondas do mar é autilização de um gerador linear preso verticalmente a um boia. As tensões geradas por essemétodo possuem amplitude e frequência variáveis de acordo a maré. Devido a essacaracterística, para que haja alta eficiência no processo, precisa-se de um conversor CA-CCcapaz de extrair a máxima potência do gerador, ou seja, extrair o máximo de corrente damáquina em fase com as tensões correspondentes. A proposta do trabalhado é justamenteprojetar um retificador trifásico controlado com tal característica.

Para a inclusão de alunos de iniciação científica ao projeto, realizou-se um estudodetalhado sobre [1] um conversor trifásico de baixa tensão produzido anteriormente poroutros alunos do LEP. O entendimento da placa calcou-se no funcionamento de cadaelemento, como circuitos integrados, capacitores e outros componentes, e a realização de

testes, estáticos e com modulação PWM.Neste relatório pretende-se documentar os detalhes do funcionamento da placa

inversora e os resultados dos ensaios realizados. A primeira parte deste projeto de IC, queenvolve o aprendizado dos princípios básicos de eletrônica de potência foi realizada emconjunto com a aluna de IC Luciana da Costa Marques do LEP.

A fim de explicar o que foi feito até o exato momento, apresenta-se no capítulo 2 adescrição geral da placa inversora, subdivida em três partes (isolamento galvânico, inversortrifásico e lógica de acionamento e funcionamento geral da placa), no capítulo 3, será feita aDescrição dos ensaios feitos com a placa inversora para fins de aprendizado. Por fim, nocapítulo, discorrerá sobre as conclusões desse estudo e quais paços serão dados parapróxima parte do projeto.


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2. Estrutura geral da placa inversora Aqui se explica a estrutura básica da placa

descrevendo o funcionamento de seus blocos

constituintes.

2.1 Funcionamento geral da placaO diagrama de blocos da placa é mostrado na Figura 1. Ela é dividida em 3 blocos

funcionais: i) isolação galvânica, ii) Lógica de acionamento e iii) inversor trifásico de quatrobraços. O primeiro é responsável pela proteção do circuito, isolando eletricamente o lado debaixa potência (sinais digitais de comando), do lado de alta potência. O segundo realiza ocontrole de acionamento da ponte H do inversor, garantindo que os transistores de ummesmo braço da ponte recebam sinais lógicos complementares, além de conter a função deenable para habilitar ou desabilitar o funcionamento do inversor e por fim também forneceum deadtime, tempo morto entre os acionamentos dos transistores do inversor para evitar

curtos-circuitos indesejados. Um detalhamento do funcionamento e uma descrição maisdetalhada dos blocos será feita nos próximos sub-tópicos.

Figura 1: Diagrama de blocos da placa.


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Figura 2: Esquema elétrico da placa inversora.

A Figura 2 apresenta os componentes elétricos da placa inversora, que sãocapacitores de desacoplamento, capacitores de speed-up, quatro optoacopladores,HPCL2200 e duas pontes H, LM6203. A figura também indica as duas alimentações da

placa: i) optoacoplador (VCC2 e GND2) e ii) LM6203 (VCC1 e GND1). São apresentadastambém as cinco entradas (E1, E2, E3, EN e Enable) e os quatro pinos de saída (A, B, C eN). Junto com as entradas, há também entrada para referência de terra (GND3) e outroterra junto aos pinos de saída da placa (GND4). Os pinos GND1, GND2 e GND3 estãointerligados na placa, mas não devem ser trocados entre si..


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2.2 Isolamento GalvânicoIsolação galvânica é um princípio de separação elétrica entre as partes de sistemas

elétricos para evitar fluxos de corrente de uma seção a outra que possam danificar oscircuitos envolvidos e/ou possíveis choques elétricos aos operadores. Essa isolação foi feitana placa através do optoacoplador HCPL-2200, no qual a troca de informação entre as

seções da placa é feita por radiação óptica. O diagrama elétrico do CI HPCL-2200 éapresentado na figura 3.As seções elétricas que precisam ser isoladas na placa são divididas em duas. A

primeira é a parte digital que contém as entradas EA: EN, sinais de controle de acionamentodos transistores da ponte H, En, sinal de referência do quarto braço do inversor, e ENABLE,usado para inibir/habilitar a operação do inversor. A segunda seção é a de potência na qualalimentação do LM6203 pode variar de 12V a 40V.

Figura 3: Esquema elétrico simplificado do optoacoplador HCPL-2200.

.

O Optoacoplador é um componente eletrônico bastante utilizado em estruturas onde

se deseja um isolamento total de sinal entre a entrada e a saída. Em diversas aplicações oterra da entrada não é o mesmo terra da saída. Dai a necessidade de uso deoptoacopladores.

O optoacoplador é mostrado na Figura 3. Verifica-se a presença do diodo emissorde luz (pinos 2 e 3) e um fotodetector integrado de alto ganho (entre pinos 7e 6). Assim, porexemplo, o circuito de entrada poderia ter o terra no pino 3 do circuito integrado e o circuitode saída teria o terra no pino 5, com isolamento total entre a seção digital e seção depotência.

As condições de operação recomendas pelo fabricante são mostradas na Figura 4.É feita uma ressalva para a corrente mínima de entrada (1,6mA), pois ela vai exigir que hajauma tensão de entrada mínima de 3,52 V devido à utilização de uma resistência de 2,2 kΩ

no circuito de speed-up, detalhado em 2.2.2. A entrada Enable da placa é ligado ao pino 6do acoplador. Esse enable possui lógica negativa, ou seja, é ativa para um sinal lógicobaixo. A tabela verdade do circuito integrado e o circuito esquemático são mostrados nasFigura 5. e 6. , respectivamente.


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Figura 4: Tabela com as condições recomendas do optoacoplador HCPL-2200. [5]

Figura 5: Tabela da verdade do optoacoplador HCPL-2200. [5]

Figura 6: Esquema elétrico do optoacoplador HCPL-2200. [5]

Conforme o data-sheet do CI HCPL-2200, era necessário que fossem adicionadoscapacitores do tipo “speed-up” para diminuir o tempo de atraso na borda do sinal de umaonda quadrada.

Da mesma forma que os capacitores speed-up, também foram adicionadoscapacitores de desacoplamento por recomendação no data-sheet. Eles foram conectadosaos terminais de alimentação do CI, próximos ao componente. A Figura 7 apresenta oesquema de todos os componentes que formam o isolamento galvânico.


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Figura 7: esquema elétrico do isolamento galvânico e enumeração dos acopladores ópticos.

2.3 Inversor trifásico e Lógica acionamentoO principal componente da placa é o CI inversor L6203. Nele está contido o inversor

trifásico a quatro braços e o circuito de acionamento, como mostrado na Figura 8. o seudiagrama de blocos.

Na placa foram utilizados dois deles, cada um tem duas pontes H completas, sendocada uma responsável pela implementação de duas fases do conversor (A+B e C+N).

Figura 8: Diagrama de bloco da Ponte H. [6]

2.3.1 Inversor trifásico de quatro braços

A Figura 9 apresenta um conversor trifásico a 4 fios que permite sua conexão asistema trifásicos com neutro. Cada braço é controlado por um sinal de entradacorrespondente, nos quais os transistores S1 e S2 correspondem ao sinal Ea, S3 e S4 aoEb e assim por diante.

A fonte de alimentação da ponte não é simétrica, por isso há a necessidade de umcircuito charge pump, mostrado na Figura 8. Sua função é garantir que a tensão entre o


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gate e o source do S1, por exemplo, seja tal que o transistor entre em saturação e sejaacionado. Infelizmente, o data-sheet do LM6203 trata esse circuito charge pump apenascomo um bloco funcional e não esclarece seu funcionamento.

Figura 9: Esquema elétrico do inversor de quatro braços. [6]

2.3.2 Lógica de acionamento

A lógica de acionamento da placa foi feita por portas lógicas digitais contidas dentrodo L6203 e o sinal de entrada Enable. Com essa lógica, é garantido que as chaves de ummesmo braço do inversor recebam sinais lógicos contrários, assim quando um transistor foracionado o outro estará cortado. A lógica de habilitação do Enable é positiva. Esse sinal étransmitido aos dois CI L6203 pelo opto 5(Figura 7). Há também um controle detemperatura “Thermal Shutdown” que desabilita o CI quando superaquecido. Para protegero dispositivo contra a condução simultânea em ambos os ramos da ponte, curto circuito, alógica de controle do circuito integrado fornece um deadtime (tempo morto) fixo de 100 ms.Como esse dead time é feito também não é esclarecido pelo fabricante.

2.3.3 CI L6203- detalhes

As Figuras 10, 11 e 12 mostram caraterísticas mais detalhadas no CI L6203, comoencapsulamento, pinagem e características elétricas e térmicas gerais.


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Figura 10: Encapsulamento do LM6203. [6]

Figura 11: Funções dos pinos. [6]


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Figura 12: Características elétricas e térmicas do LM6203. [6]

3. Ensaios

Mostram-se os resultados obtidos com

os ensaios e discute-se os dados dentro

da proposta do projeto.

A realização de ensaios justifica-se para verificar o funcionamento da placa dentrodas condições previstas assim como a consolidação do aprendizado dos princípios básicosda eletrônica de potência pelos alunos de iniciação científica. Estes ensaios podem serdivididos nas seguintes categorias: i) ensaio do acoplador óptico; ii) Testes estáticos e iii)Ensaios com modulação por largura de pulso (PWM).

3.1 Testes do acoplador ópticoOs testes referentes ao acoplador óptico foram a verificação de seu funcionamento e

os seus tempos de atraso. Para tais testes, foi escolhido como sinal de entrada uma ondaquadrada de 1kHz, 5 Vpp e 2,5 V de offset, assim era garantido uma corrente de entradamaior que 1.6 mA, como explicado no item 2.2.1.

Os quatros HCPL-2200 funcionaram perfeitamente e apresentaram um tempo deatraso de média de 0,920 us durante o tempo de subida e 0,15 us de descida.

3.2 Testes estáticosEsses testes foram feitos com tensões e sinais contínuos em prol da apuração do

funcionamento e eficiência dos transistores e diodos da ponte H.

3.2.1 Verificação de chaveamentoEra preciso conferir o comportamento dos transistores durante a saturação, se sua

atuação como uma chave era pertinente ao funcionamento da ponte. Esse teste tambémdeveria verificar a atuação completa dos transistores de um mesmo braço, enquanto umconduzia o outro deveria estar em aberto.

Para isso, foi aplicado um sinal contínuo de 5V ou 0V em cada entrada (EA:EN),alimentando o CI LM60203 com 20V. Caso o sinal de entrada fosse de 5V, a chave a serfechada deveria ser a superior, logo a tensão medida entre a saída (A, B, C, ou N) e a


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referência VCC1 deveria ser 20V. Se o sinal de entrada fosse 0V, a saída também deveriaser 0V. Ou seja, a ponte deveria funcionar como explicado em 2.3.1.

Todos os transistores das duas pontes apresentaram bom funcionamento.

3.2.2 Queda de tensão nos transistores e chavesOs transistores usados pelo fabricante do CI LM60203 são do tipo MOS, por isso,

durante sua atuação como uma chave fechada, há uma queda de tensão que pode sermodelada como uma resistência ôhmica.

Assim, para levantar a característica aproximada dessa resistência dos transistores,precisou-se medir a queda de tensão na chave e a corrente que circula por ela. Para isso,precisou-se de uma fonte de tensão contínua variável e uma resistência. Essa montagem émostrada na Figura 13. Para este ensaio mediu-se a resistência de Q1, aplicando sinal deentrada correspondente com nível lógico alto. Como a tensão mínima recomendada pelofabricante é 12V, corrente muito baixas apresentaram dificuldades para serem ensaiadas foipreciso também variar a tensão de alimentação entre 12 a 30V, além de variar a resistência

(foram usadas resistências de 5,10,25 e 33Ω

). A Tabela 1 mostra os pares de tensão ecorrente obtidos nesses testes. A medição de corrente foi feita de forma indireta, através datensão no resistor utilizado. O valor médio da resistência encontrada foi de 0,326 Ω, comdesvio padrão de 0,0395.

Tabela 1: Valores de tensão e corrente medidos nos transistores.

Corrente na chave (A) V1- Tensão na chave (mV) Resistência decondução (Ω)

0,370 162,0 0,437

0,667 176,8 0,265 0,554 228,1 0,411\

1,033 307,5 0,297

1,187 329,5 0,277

0,840 332,6 0,395

1,300 348,5 0,268

1,658 427,8 0,258


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Figura 13: Esquema elétrico do teste 3.2.2.

3.2.3 Verificação dos diodosPara esse teste, nenhuma alimentação da placa foi ligada, apenas foi utilizado um

gerador de tensão e uma resistência shunt de 5 Ω, ilustrado na Figura 14 para obter um parde tensão e corrente no diodo. Desse modo, foi possível levantar a curva característica dodiodo e verificar seu funcionamento. Tais medições foram muito difíceis de serem feitas poisa tensão de condução é muito tênue para a precisão dos geradores utilizados, porém para oobjetivo do estudo foram suficientes. Com os valores coletados é possível mensurar aqueda de tensão nos diodos durante o funcionamento da placa podem variar em torno de0,6V a 0,9V.

A tabela 2 mostra valores tensão e correntes medidos do diodo, sendo a primeiramedida feita de maneira direta por um voltímetro e a segunda através da queda de tensãosobre o resistor do circuito.


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Figura 14: Esquema elétrico dos ensaios dos diodos.

.

Tabela 2: Valores de tensão e corrente medidos nos diodos.

Tensão direta no diodo (V) Corrente no diodo (A)

0,591 0,0056

0,664 0,0648 0,69 0,074

0,76 0,3

0,801 0,508

0,818 0,608

0,835 0,73

0,866 0,9

0,89 1

0,941 1,38

3.3 Ensaios com modulação por largura de pulso (PWM)

Para esse ensaio de modulação por largura de pulso (PWM) foi utilizado umprograma feito pelo aluno de mestrado do LEP, Felipe Yoshimatsu Abe, para ser executadono microcontrolador STMF432 [7].

3.3.1 Circuito amplificador

Devido a restrição de tensão de saída do microcontrolador de 3,3V máximo,

segundo o seu manual, inseriu-se um circuito amplificador através do CI CD4050(Figura 15)para elevar a tensão de entrada do optoacoplador para 5V e garantir que a corrente deentrada seja maior que 1.6mA.


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Figura 15: Diagrama lógico do CD4050. [8]

3.3.2 Ensaio em aberto

O objetivo desse ensaio foi observar a modulação PWM na placa inversora. Com

sinais digitais da modulação sendo gerados pelo ARM, foi verificado que a modulaçãoocorreu de maneira satisfatória. Como em geral, o trem de pulsos gerado por essamodulação precisa ter um valor médio nulo, ou seja, os níveis de tensão devem ser +V ou -V, por isso, para esse ensaio, a tensão de saída foi medida entre dois braços da Ponte H, atensão VAB, como ilustrado na Figura 16.Para o braço A atuar de forma complementar deB, utilizamos uma saída complementar própria do microcontrolador do sinal PWM paraacionar o braço B da Ponte. A Figura 17 mostra os dois sinais complementares nasentradas EA e EB do optoacoplador.Por fim, os trens de pulsos gerados podem serobservados na Figura 18.


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Figura 16: Esquema elétrico do ensaio com modulação PWM.


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Figura 17: Sinais PWM de entrada EA (amarelo) e EB (azul).

Figura 18: Sinal de saída no conversor trifásico VA-VB para um ciclo de 60Hz e frequência de chaveamento de3600Hz.


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3.3.3 Ensaio com filtro de corrente

A teoria prevê que sinal de saída é composto de um senoide idêntica a referência ea soma de harmônicos que se situam nas proximidades dos múltiplos da frequência dechaveamento. Para comprovar isso, foi adicionado um filtro de corrente, RL série comresistor de 2,2 Ω e indutor de 143 mH, para que pudesse ser visto na prática uma corrente

senoidal com os componentes de alta frequência atenuados. A corrente foi obtidaindiretamente através da tensão medida sobre o resistor da carga, pois sua tensão ecorrente são instantaneamente proporcionais. Essa corrente é mostrada nas Figuras 19 e20. Na Figura 21, aumentou-se a escala de tempo do osciloscópio para apontar ocomportamento de carga e descarga exponencial do circuito de carga RL em concordânciacom o sinal PWM.

Figura 19: Tensão no resistor de carga e trem de pulsos modulados de saída.


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Figura 20: Sinal de tensão sobre a resistor de carga.


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Figura 21: Tensão no resistor de carga e trem de pulsos modulados de saída.

Para se obter uma análise mais precisa do processo de modulação, coletou-se osinal de tensão de VAB na montagem da Figura 16 sendo submetido a uma análise de

Fourier no programa MATLAB, cujos os resultados são apresentados na Figura 24. Paraque houvesse um parâmetro de comparação, simulou-se essa mesma modulação noprograma PSIM, como mostra a Figura 22. Para essa simulação adotou-se um sinal dereferência uma senoide de valor de pico de 4,39 V e frequência 60Hz, já para sinal daportadora triangular, adotou-se 44Vpp e frequência 3600Hz, por fim, para tensão dealimentação VCC1 utilizou-se 22V.A Figura 23 mostra a análise de Fourier da simulação.Comparando-se a Figura 23 e 24, observa-se a concordância das raias espectrais emrelação as frequências e amplitudes. Nas duas figuras é possível destacar uma raiasignificativa no 60 Hz associada a senoide de referência e raias em 3600Hz e seusmúltiplos referentes ao sinal da portadora. Com esses resultados, concluiu-se que o modeloadotado nas simulações descreve bem o inversor real.


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Figura 24: Análise de Fourier do sinal VAB mostrado na Figura 17 feita pelo programa MATLAB.

4. Conclusões Uma avaliação do que foi feito nos seis

primeiros meses de trabalho, explicando como

os resultados obtidos se encaixam na próxima

etapa do projeto.

Conclui-se que a placa inversora usada funciona conforme o esperado. As quedasde tensões verificadas nas chaves e diodos não interferem significativamente namodelagem da placar inversora como uma ponte H completa ideal, mostrado na Figura 22 .O seu estudo foi útil no aprendizado da teoria de inversores e elementos de eletrônica. Essabase teórica auxiliará na segunda parte do projeto, confeccionar um conversor CA-CCcapaz de extrair a máxima potência do gerador de ondas do mar.


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Anexo A Aprendizados da teoria de inversores e

modulação de onda por largura de pulso.

A.1 Conversor CA-CC (inversor) monofásico.

A figura A1 mostra o circuito de um conversor CA-CC monofásico do tipo de tensão,também conhecido como inversor. As chaves S1 e S2 operam de modo complementar, ouseja, quando uma abre a outra fecha. Essas chaves devem ser auto comutadas, devem sercontroladas por uma lógica de acionamento independente da carga do circuito. A forma deonda da saída será um trem de pulsos retangulares com a tensão assumindo doispatamares, . A duração de cada nível de tensão é determinada pela duração do estadodas chaves, como mostra a figura A2. Não há necessidade dos gráficos de estados de S1 eS2 pois são complementares.

Figura A 1: Inversor autocomutado monofásico, tipo de tensão. [2]

Figura A 2: Sinal de saída v_ce estado de S1. [2]

A2. Modulação em largura de pulso

Devido a impossibilidade de se obterem valores instantâneos intermediários a,para obter-se um sinal arbitrário (t) deve-se variar a largura dos pulsos do sinal desaída de tal forma que a média local seja igual à do sinal arbitrário num período T. Essesinal modulado em largura de pulso pode ser obtido pelo método da portadora triangular. Osinal (t) é comparado ao uma onda triangular de amplitude , caso o primeiro seja

maior, a S1 é fechada e S2 aberta, caso seja menor, o contrário.


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Usando como exemplo um (t) como uma senoide de valor de pico e 100V e

frequência de 60Hz e o valor das tensões de 100V também. Deseja-se que a média local

de seja igual à de (t) em período =

, ou seja =0,83333 ms. A Figura A3 mostra

essa onda modulada. É possível perceber visualmente a variação da largura do pulso comos valores instantâneos da senoide de referência, na proximidade das passagens por zero,

a largura dos pulsos aproxima-se do zero, assim como próximo ao valor de pico, permanece todo tempo em .

Figura A 3: Modulador com Portadora triangular - formas de onda de , e onda triangular. [2]

Realizando análise de Fourier em , percebe-se que o sinal é composto por uma

senoide idêntica a de referência e por uma soma de senoides com frequências localizadasnas vizinhanças dos múltiplos da frequência da portadora triangular. Adotando W como afrequência de e Ws como a da portadora, pode-se ver o espectro de na Figura A4.


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Figura A 4: Espectro da tensão v_c com modulação com portadora triangular. [3]

A presença dos grupos de harmônicas nos múltiplos da frequência chaveamento,

impõe que a frequência de chaveamento seja bem maior que a da referência para se evitarque as raias das harmônicas venham a se sobrepor à própria frequência de referência.

A Figura A4 mostra que é possível filtrar esse sinal com um filtro passa baixa paraque se possa ter um sinal limpo idêntico a desejado. Para projetar-se um filtro, épreciso antes saber qual tipo de carga será usada: uma que necessita tensão filtrada ou decorrente filtrada. A filtragem de corrente pode ser mostrada na Figura A5. Como o circuitoequivalente é linear, pode-se aplicar o teorema da superposição, se calculando-se kcircuitos, um para cada frequência contida no espectro de , obtendo a corrente paracada uma delas. A corrente ic pode ser obtida somando-se os diversos componentes acimacalculados, ou seja:

(1)

As amplitudes dos componentes do espectro de são inversamente proporcionais aordem do harmônico (k), pois como se pode ser na Figura A4 é decrescente com k e aimpedância do indutor cresce com a frequência.


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Figura A 5: Filtro de corrente. [3]


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Anexo B: Detalhes de programação e hardware domicrocontrolador STM32F4.

O microcontrolador utilizado nesse projeto foi o STM32F4 Discovery. Trata-se de umDSP dividido em duas partes: um microcontrolador e um kit de desenvolvimento. Esta placafoi escolhida pela facilidade de se trabalhar com ela, pelo seu custo ser relativamentemenor, ter baixo consumo de energia e também por ela já ter sido usada anteriormente peloaluno de mestrado Felipe Abe, que prestou apoio para esse projeto no que envolvia o seuuso.

Era necessário também que o microcontrolador escolhido fosse de Ponto Flutuante(Floating Point Unit ou FPU), requisito atendido pelo processador embutido na placa (ARMCortex-M4F, que é de 32 bits e possui um clock de 168MHz).

As características mais importantes do kit, além do processador, que foram úteis noprojeto são o cabo de programação embutido, LEDs, e alimentação através da porta USB.[3]

O ambiente de desenvolvimento integrado (Integrated Development Environment)escolhido foi o IAR Embedded Workbench. O programa gerador de PWM foi escrito em cpela familiaridade com a linguagem e a simplicidade de se trabalhar com ela. A porta USBda placa faz a comunicação desta com o funcionamento do programa.


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Figura B 1: Digrama de blocos do STM32F4. [7]


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Bibliografia

1. Oliveira, Moreno de Plataforma Para a Implementação de ConversoresMonofásicos e Trifásicos Auto-Comutados de Baixa Tensão Para Uso em

Laboratório Didático, Relatório final de Iniciação Científica PIBIC/CNPq, PEA-EPUSP 14/15

2. Oliveira, Moreno de Plataforma Para a Implementação de ConversoresMonofásicos e Trifásicos Auto-Comutados de Baixa Tensão Para Uso em

Laboratório Didático, Relatório final de Iniciação Científica PIBIC/CNPq, PEA-EPUSP 14/15

3. Matakas, Lourenço Jr., Roteiros Experimentais Laboratório de Qualidade deEnergia - parte e - Inversores Operando com Modulação em Largura de Pulso –EPUSP

4. Komatsu, Wilson; Kaiser, Walter; Matakas Jr., Lourenço. Eletrônica de Potência(apostila do curso PEA2487), 2012.

5. Hayashi, Pedro Henrique Itio Plataforma Para a Implementação de ConversoresTrifásicos Auto-Comutados Empregando Controle Digital, Relatório Final deIniciação Científica PIBIC/CNPq, PEA-EPUSP 13/14

6. HP. HCPL-2200 Datasheet. Disponível em: <http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/64620/HP/HCPL-2200.html>.

7. STMicroelectronics. L6203 Datasheet. Disponível em: <http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/579784/STMICROELECTRONICS/L6203.html>.

8. STM32F4 Discovery. Disponível em: < http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/data_brief/DM00037955.pdf >.

9. FAIRCHILD. CD4050 Datasheet. Disponível em: <http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/50859/FAIRCHILD/CD4050.html >.


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Sumário Técnico (elaborado pelo orientador):

O projeto de pesquisa do bolsista envolve a retificação controlada dastensões de saída de um gerador linear empregado para a obtenção de energiaelétrica a partir das ondas do mar. Este projeto esta sendo desenvolvido juntamente

com o aluno de mestrado Felipe Abe. O aprendizado dos princípios básicos deeletrônica de potência, incluindo o desenvolvimento de experimentos e simulaçõesnuméricas, foi realizado juntamente com a bolsista de IC Luciana da Costa Marquesnesta primeira etapa do projeto.

Todas as etapas foram satisfatoriamente cumpridas, permitindo que obolsista se concentre nas estratégias de controle do retificador controlado e suaimplementação na segunda etapa deste projeto de IC.

_______________________ Prof. Lourenço Matakas JuniorPEA-EPUSP nº Funcional USP 1101018

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Brando - Relatório Parcial IC 2016 - Final