Gilson 07 No Break

Embed Size (px)

Citation preview

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    1/218

    Centro de Tecnologia e Urbanismo

    Departamento de Engenharia Eltrica

    Programa de Mestrado em Engenharia Eltrica

    NO- BREAK 1,2KVA,SENOIDAL,OPERANDO EMMALHA FECHADA:CIRCUITO DE POTNCIA,

    CIRCUITO DE CONTROLE ANALGICO E CIRCUITO DECONTROLE DIGITAL COM DSC

    GILSON JUNIOR SCHIAVON

    Dissertao de Mestrado em Engenharia eltricarea de Concentrao: Eletrnica de Potncia

    Orientador(a): Prof. Dr. Carlos Henrique Gonalves Treviso

    Londrina, 17 dezembro de 2007

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    2/218

    2

    UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA

    NO- BREAK 1,2KVA,SENOIDAL,OPERANDO EM MALHAFECHADA:CIRCUITO DE POTNCIA,CIRCUITO DE

    CONTROLE ANALGICO E CIRCUITO DE CONTROLEDIGITAL COM DSC

    Dissertao submetida ao Departamentode Engenharia Eltrica da UniversidadeEstadual de Londrina, parapreenchimento dos pr-requisitos paraobteno do ttulo de Mestre emEngenharia Eltrica.

    GILSON JUNIOR SCHIAVON

    Londrina, 17 dezembro de 2007

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    3/218

    NO- BREAK 1,2KVA,SENOIDAL,OPERANDO EM MALHAFECHADA:CIRCUITO DE POTNCIA,CIRCUITO DE

    CONTROLE ANALGICO E CIRCUITO DE CONTROLE

    DIGITAL COM DSC

    GILSON JUNIOR SCHIAVON

    .

    _________________________________

    Prof. Dr. Carlos Henrique Gonalves Treviso UELUniversidade Estadual de Londrina

    Orientador

    Comisso Examinadora:

    _________________________________

    Prof. Dr. Carlos Henrique Gonalves Treviso - UELUniversidade Estadual de Londrina

    _________________________________

    Prof. Dr. Silvia Galvo de Souza Cervantes - UELUniversidade Estadual de Londrina

    _________________________________

    Prof. Dr. Joo Batista Vieira Jnior - UFUUniversidade Federal de Uberlndia

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    4/218

    2

    AGRADECIMENTOS

    Agradeo a todos os professores do departamento de engenharia eltrica daUniversidade Estadual de Londrina por terem contribudo de forma direta ou indireta

    em mais esta etapa de minha formao, o que me proporcionou um conhecimento

    mais aprofundado sobre os contedos relacionados a engenharia eltrica.

    Aos professores Dr. Joo Batista Vieira Jnior (UFU) e Dr. Silvia Galvo de

    Souza Cervantes (UEL) por aceitarem o convite de participar da comisso

    examinadora deste trabalho.

    Ao professor Dr. Carlos Henrique Gonalves Treviso por ter me orientado com

    muita calma e dedicao no desenvolvimento deste trabalho.

    Aos colegas de turma no qual tive uma tima convivncia e troca de

    conhecimentos no decorrer do curso.

    Ao tecnlogo Jos Junior Calin de Pierri e professor Srgio Ota, por terem me

    orientado no desenvolvimento do programa (software) utilizado no projeto.

    A minha esposa Fabiana P. Monteiro Schiavon por todo seu amor, pacincia,

    apoio e compreenso que foram fundamentais para concluso deste trabalho.

    Aos meus pais Pedro Schiavon e Maria Ap. Schiavon por terem me dado uma

    tima educao, estudo e muito amor sempre me incentivando a seguir em frente

    cada vez mais e nunca desistir frente a um obstculo, me fazendo acreditar em um

    futuro melhor.

    Aos meus irmos Johnnes Ap. Schiavon e Djeine Cristina Schiavon por todo seu

    apoio e incentivo.

    A Deus por ter me proporcionado a oportunidade de realizar este estudo, pois

    alm de acreditar na cincia, creio que existe uma fora maior criadora de tudo.

    Meu muito obrigado a todos!

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    5/218

    3

    EPGRAFE

    Uma coisa aprendi na minha longa vida: que toda nossa cincia,

    contraposta realidade, primitiva e infantil. E, apesar disso, a coisa

    mais preciosa que temos.

    Albert Einstein (Fsico alemo)

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    6/218

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    7/218

    5

    ABSTRACT

    NO-BREAK 1,2KVA,SINUSOIDAL,WORKING IN CLOSEDMESH:CIRCUIT OF POTENCY,CIRCUIT OF ANALOGICAL

    CONTROL AND CIRCUIT OF DIGITAL CONTROL WITH DSC

    GILSON JUNIOR SCHIAVON

    december, 2007

    This work consists of a wide project of power electronics that seeks at the and of

    the the implementation of the power board, the analogical control board and at last

    the digital control board of a no-break sinusoidal with an input of power of 1,2 kVA,

    with output voltage of 115VRMS, being the same projected and implemented in

    closed mesh with analogical control and soon afterwards digital with DSC (Digital

    Controller of Signs) for comparison.

    They will be presented the power board, the analogical control in closed mesh

    and the digital control for DSC of the no-break, the implementation of all of the

    functions, protections and signallings of the system that controls the no-break in an

    analogical and digital way.

    The presented experimental results are obtained starting from the implementedprototype, proving the functional of the technique experimentally used.

    Keywords: No-break, DC/DC converter, PWM, digital control, inverter.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    8/218

    6

    LISTA DE TABELAS

    Tabela 1: Caractersticas eltricas do diodo 6A6.................................................. 34

    Tabela 2: Tempo de recuperao reversa do UF5404.......................................... 49

    Tabela 3: Mxima tenso reversa, corrente mdia e corrente de pico repetitivo do

    UF5404.................................................................................................................. 50

    Tabela 4: Caractersticas do IRFZ45..................................................................... 65

    Tabela 5: Caractersticas do IRFP460................................................................... 76

    Tabela 6: Funes dos pinos do DSPic30F2010................................................. 169

    Tabela 7: Caractersticas do DSPic30F2010....................................................... 170

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    9/218

    7

    LISTA DE FIGURAS

    Figura 1 Forma de onda de sada dos inversores............................................20

    Figura 2 Diagrama de blocos do no-break .......................................................21

    Figura 3: Diagrama de blocos do no-break Stand-by..........................................21

    Figura 4: Diagrama de blocos do no-breakInterativo .........................................22

    Figura 5: Diagrama de blocos do no-breakon-line .............................................22

    Figura 6 Circuito retificador com filtro de linha e seletor 127V/220V................27

    Figura 7 Funcionamento do retificador em 220V I ...........................................27

    Figura 8 Funcionamento do retificador em 220V II ..........................................28

    Figura 9 Formas de onda de tenso na rede (A), tenso no capacitor

    equivalente (B), corrente nos diodos (C e D) ............................................................28

    Figura 10 Funcionamento do retificador em 127V I .........................................29

    Figura 11 Funcionamento do retificador em 127V II ........................................29

    Figura 12 Limitador de corrente de in-rush ......................................................34

    Figura 13 Filtro de interferncia eletromagntica.............................................36

    Figura 14 Circuito do seletor 127V / 220V .......................................................36

    Figura 15 Circuito completo do flyback ............................................................40

    Figura 16 Retificador do flyback.......................................................................41

    Figura 17 Diagrama de blocos do integrado 1M0380 ......................................41

    Figura 18 Circuito de potncia do flyback ........................................................42

    Figura 19 Conversor flybackmodo descontnuo com transformador...............43

    Figura 20 Flyback: Armazenamento de energia. [t0;t1].....................................43

    Figura 21 Flyback: Transferncia de energia. [t1;t2] .........................................43

    Figura 22 Flyback: Repouso. [t2;t3]...................................................................43

    Figura 23 Flyback: Principais formas de onda .................................................44

    Figura 24 Diagrama de blocos interno do TL431.............................................50

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    10/218

    8

    Figura 25 Circuito de controle do Flyback ........................................................51

    Figura 26 Circuito do limitador de corrente ......................................................52

    Figura 27 Circuito completo do conversor DC/DC ...........................................55

    Figura 28 Circuito do snubber..........................................................................56

    Figura 29 Circuito simplificado do conversor ...................................................57

    Figura 30 Circuito de um conversor Forwardconvencional .............................58

    Figura 31 Formas de onda de um conversor Forwardconvencional ...............58

    Figura 32 Formas de onda de tenso no diodo D8 e forma da corrente no

    indutor .......................................................................................................................59

    Figura 33 Esquemtico do circuito do inversor ................................................68

    Figura 34 Circuito de amostragem da tenso de sada....................................69

    Figura 35 Esquemtico do circuito dos drivesdas chaves...............................70

    Figura 36 Snubberdas chaves do inversor......................................................72

    Figura 37 Circuito simplificado do inversor ......................................................73

    Figura 38 Acionamento do rel........................................................................81

    Figura 39 Sada do retificador para uma entrada de 127V ..............................82

    Figura 40 Sada do retificador para uma entrada de 220V ..............................82

    Figura 41 Sada do conversor flybackdurante o carregamento das baterias ..83

    Figura 42 Sinal na entrada do conversor DC/DC, proveniente do controle......84

    Figura 43 Forma de onda no primrio do transformador do conversor DC/DC84

    Figura 44 Forma de onda no secundrio do transformador do conversor

    DC/DC.......................................................................................................................85

    Figura 45 Forma de onda de sada do conversor DC/DC................................86

    Figura 46 Sinais da onda PWM em PINV-1 e PINV-2 I....................................87

    Figura 47 Sinais da onda PWM em PINV-1 e PINV-2 II...................................87

    Figura 48 Forma de onda nos gates dos MOSFETs.......................................88

    Figura 49 Onda PWM antes do filtro de sada I ...............................................89

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    11/218

    9

    Figura 50 Onda PWM antes do filtro de sada II ..............................................89

    Figura 51 Sinal de 60Hz na sada do circuito...................................................90

    Figura 52 Diagrama de blocos do No-breake seu controle analgico.............94

    Figura 53 Diagrama de blocos do controle de um conversor DC/DC...............96

    Figura 54 Conversor DC/DC (Topologia Forward)...........................................98

    Figura 55 Diagrama de blocos do circuito integrado 3525...............................98

    Figura 56 Circuito de sincronismo..................................................................100

    Figura 57 Circuito de controle do conversor DC/DC......................................102

    Figura 58 Inversor em ponte completa...........................................................105

    Figura 59 PWM senoidal bipolar ....................................................................107

    Figura 60 PWM senoidal unipolar..................................................................107

    Figura 61 Diagrama de blocos da tcnica utilizada para o controle do inversor

    ................................................................................................................................108

    Figura 62 Oscilador com Ponte de Wien.......................................................109

    Figura 63 Circuito gerador Senoidal...............................................................111

    Figura 64 Circuito de controle de Corrente ....................................................112

    Figura 65 Circuito gerador de onda triangular................................................113

    Figura 66 Circuito do soft-start e alterador do nvel da senide.....................115

    Figura 67 Circuito de realimentao de tenso..............................................116

    Figura 68 Circuito limitador de nvel...............................................................117

    Figura 69 Diagrama interno do TL431 ...........................................................118

    Figura 70 Circuito de gerao de pulsos para o inversor...............................119Figura 71 Circuito de sinalizao ...................................................................122

    Figura 72 Circuito de proteo contra sobre aquecimento.............................125

    Figura 73 Circuito controlador do disparo do rel ..........................................127

    Figura 74 Circuito bloqueador de pulsos........................................................128

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    12/218

    10

    Figura 75 Pulsos de controle da converso DC/DC.......................................131

    Figura 76 Pulsos para o sincronismo dos conversores..................................132

    Figura 77 Onda senoidal de referncia..........................................................133

    Figura 78 Onda triangular de alta freqncia.................................................134

    Figura 79 Pulsos da modulao PWM Senoidal............................................135

    Figura 80 Pulsos de controle do inversor.......................................................136

    Figura 81 Pulsos de controle do inversor.......................................................136

    Figura 82 Forma de Onda na Carga ..............................................................137

    Figura 83 Soft-start da onda senoidal ............................................................138

    Figura 84 Soft-start da onda na carga............................................................139

    Figura 85 Comutao do rel em relao a alimentao do sistema.............140

    Figura 86 Diagrama de blocos de uma converso A/D..................................152

    Figura 87 Representao do sinal analgico e digital....................................152

    Figura 88 Diagrama de blocos da converso A/D..........................................153

    Figura 89 Conversor A/D de 4 bits.................................................................154

    Figura 90 Sinal digitalizado............................................................................158

    Figura 91 Retificao e amplificao de um sinal de udio ...........................158

    Figura 92 Ciclo de vida clssico de software .................................................160

    Figura 93 Diagrama de blocos da placa de controle digital............................162

    Figura 94 Pinos DSPic30F2010 28-Pin SDIP ................................................168

    Figura 95 Diagrama de blocos do DSPic30F2010.........................................171

    Figura 96 Circuito de amostragem de rede eltrica .......................................175

    Figura 97 Circuito de adequao +12V/+5V ..................................................176

    Figura 98 Circuito interface dos pulsos PWM do DC/DC ...............................176

    Figura 99 Circuito interface shunt ..................................................................177

    Figura 100 Circuito de adequao do sinal de sada do inversor ..................178

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    13/218

    11

    Figura 101 Sinalizao de temperatura alta...................................................179

    Figura 102 Circuito de sinalizao de bateria e falha de rede .......................180

    Figura 103 Foto da placa de controle digital com DSC..................................180

    Figura 104 Giga para teste do DSC...............................................................181

    Figura 105 Foto da placa giga de testes para DSC .......................................182

    Figura 106 Foto da placa giga de testes acoplada placa de controle digital

    ................................................................................................................................182

    Figura 107 Conversor DC/DC tipo Buck ........................................................183

    Figura 108 Foto do conversor BuckLCD medindo tenso.............................183

    Figura 109 Foto placa DSC e LCD com chave de leitura V/I .........................183

    Figura 110 Foto banco de carga com cooler e resistor shunt ........................184

    Figura 111 Foto conversor bucke placa controle com SG3524 ....................184

    Figura 112 Programador e depurador ICD2BR ...............................................185

    Figura 113 Placa de controle digital DSC e ICD2 BRinterligados....................185

    Figura 114 Placa interface chave de sinais....................................................186

    Figura 115 Buck, giga de testes e controle digital interligados ......................186

    Figura 116 Placa potncia, interface chaves e controle digital interligados ...186

    Figura 117 Conjunto utilizado no desenvolvimento do projeto.......................187

    Figura 118 Placa de potncia com controle analgico em protoboard...........187

    Figura 119 Pulsos PWM para o conversor DC/DC ........................................189

    Figura 120 Pulsos PWM para o inversor........................................................190

    Figura 121 Onda senoidal na carga...............................................................191Figura 122 Soft-Start da onda senoidal de sada...........................................192

    Figura 123 Sinal de comutao do rel..........................................................193

    Figura 124 Partida do DC/DC com controle PID............................................194

    Figura 125 Partida do DC/DC sem controle PID............................................194

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    14/218

    12

    Figura 126 - Diagrama mostrando a correspondncia entre a faixa primria no

    plano s e o crculo unitrio no plano z. ....................................................................205

    Figura 127 - Diagrama mostrando o mapeamento do plano s ao z e do plano z

    ao w.........................................................................................................................207

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    15/218

    13

    SUMRIO

    Introduo Geral .................................................................................................18

    1 - Circuito Retificador.....................................................................................26

    1.1 - Introduo ...............................................................................................26

    1.2 - Procedimentos de Projeto .......................................................................27

    1.2.1 - Retificador.........................................................................................27

    1.2.2 - Rel e o Resistor Limitador de Corrente In-rush...............................34

    1.2.3 - Filtro de Linha...................................................................................35

    1.2.4 - Seletor 127V / 220V..........................................................................36

    1.3 - Concluso (Circuito Retificador)..............................................................38

    2 - Carregador de Baterias..................................................................................39

    2.1 - Introduo ...............................................................................................39

    2.2 - Procedimentos de Projeto .......................................................................40

    2.2.1 - Retificador de Entrada ......................................................................40

    2.2.2 - Flyback .............................................................................................41

    3 - Conversor DC/DC..........................................................................................54

    3.1 - Introduo ...............................................................................................54

    3.2 - Procedimentos de Projeto .......................................................................55

    3.2.1 - Circuitos Adicionais ..........................................................................55

    3.2.2 - Snubber............................................................................................56

    3.2.3 - Conversor .........................................................................................57

    3.3 - Concluso (Conversor DC/DC) ...............................................................66

    4 - Inversor..........................................................................................................67

    4.1 - Introduo ...............................................................................................67

    4.2 - Procedimentos de Projeto .......................................................................69

    4.2.1 - Circuitos para o Controle e Proteo................................................69

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    16/218

    14

    4.2.2 - Drives das Chaves............................................................................70

    4.2.3 - Snubber............................................................................................72

    4.2.4 - Funcionamento do Inversor..............................................................72

    4.2.5 - Carga Proposta.................................................................................74

    4.2.6 - Dimensionamento das Chaves.........................................................75

    4.2.7 - Clculo do Filtro de Sada.................................................................76

    4.3 - Concluso (Circuito Inversor)..................................................................78

    5 - Resultados Experimentais .............................................................................80

    5.1 - Resultados para o Retificador.................................................................80

    5.2 - Resultados para o Carregador das Baterias ...........................................82

    5.3 - Resultados para o Conversor DC/DC .....................................................83

    5.4 - Resultados para o Inversor .....................................................................86

    6 - Consideraes Finais (Etapa de Potncia)....................................................91

    7 - Circuito de Controle Analgico.......................................................................93

    7.1 - Introduo ...............................................................................................93

    8 - Controle do Conversor DC/DC.......................................................................96

    8.1 - Introduo ...............................................................................................96

    8.2 - Conversor Forward..................................................................................97

    8.3 - CI 3525....................................................................................................98

    8.4 - Sincronismo...........................................................................................100

    8.5 - Malha Fechada......................................................................................100

    8.6 - Ajuste da Tenso em 260V ...................................................................101

    8.7 - Circuito em Malha Fechada...................................................................101

    8.8 - Concluso (Circuito de Controle Analgico do DC/DC) ........................102

    9 - Inversor........................................................................................................103

    9.1 - Introduo .............................................................................................103

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    17/218

    15

    9.2 - Inversor de Tenso Monofsico em Ponte Completa............................104

    9.3 - Estratgias de Modulao.....................................................................105

    9.4 - Tcnica Utilizada para o Controle do Inversor.......................................108

    9.4.1 - Gerador Senoidal............................................................................108

    9.4.2 - Controle de Corrente ......................................................................111

    9.4.3 - Gerador de Onda Triangular...........................................................113

    9.4.4 - Soft-start e Bloco para Alterar o Nvel da Onda Senoidal...............114

    9.4.5 - Realimentao de Tenso..............................................................115

    9.4.6 - Circuito Limitador de Nveis Superior e Inferior ..............................116

    9.4.7 - Circuito de Gerao dos Pulsos: Lgica e Proteo.......................118

    9.5 - Concluso (Circuito de Controle Analgico do Inversor).......................120

    10 - Proteo e Sinalizao ..............................................................................122

    10.1 - Circuito Sinalizador e Alarme Sonoro..................................................122

    10.1.1 - Sinalizao da Rede Eltrica........................................................123

    10.1.2 - Sinalizao da Carga da Bateria por Leds....................................123

    10.1.3 - Sinalizao Sonora.......................................................................124

    10.2 - Proteo Contra Aquecimento ............................................................124

    10.3 - Comutao do Rel.............................................................................126

    10.4 - Circuito Bloqueador dos Pulsos ..........................................................127

    10.5 - Concluso (Circuito de Proteo e Sinalizao Analgico).................129

    11 - Resultados Experimentais .........................................................................130

    11.1 - Introduo ...........................................................................................130

    11.2 - Controle do Conversor DC/DC............................................................130

    11.3 - Onda Senoidal.....................................................................................132

    11.4 - Onda Triangular ..................................................................................133

    11.5 - Pulsos de Chaveamento do Inversor ..................................................134

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    18/218

    16

    11.6 - Forma de Onda na Carga....................................................................137

    11.7 - Soft-Start .............................................................................................138

    11.8 - Sinal para Comutao do Rel............................................................139

    11.9 - Concluso (Resultados Experimentais) ..............................................140

    12 - Consideraes Finais (Etapa de Controle Analgico)................................141

    13 - Circuito de Controle Digital por DSC..........................................................143

    13.1 - Introduo ...........................................................................................143

    13.2 - Microprocessadores, Microcontroladores, DSPs e DSCs.................146

    13.3 - Processamento em Tempo Real.........................................................150

    13.4 - Converso A/D e D/A..........................................................................151

    13.5 - Segurador de Ordem Zero (ZOH) .......................................................155

    13.6 - Efeito Da Amostragem Aliasing........................................................155

    13.7 - Ponto Fixo e Ponto Flutuante..............................................................156

    13.8 - Processamento Digital de Sinais.........................................................157

    13.9 - Planejamento e Projeto de um Software.............................................158

    13.10 - Linguagem de Programao C..........................................................160

    14 - Dsc Utilizado..............................................................................................162

    14.1 - Diagrama de Blocos da Placa de Controle Digital...............................162

    14.2 - Caractersticas do DSC Utilizado (DSPic30F2010).............................165

    14.3 - Fluxograma do Programa (DSPic30F2010) ........................................172

    15 - Placa de Controle Digital ...........................................................................175

    15.1 - Circuito de Amostragem de Rede Eltrica ..........................................175

    15.2 - Circuito de Adequao do Sinal +12V/+5V .........................................175

    15.3 - Circuito Interface dos Pulsos PWM do DC/DC e Inversor...................176

    15.4 - Circuito de Amplificao e adequao do Sinal do Shunt ...................177

    15.5 - Circuito de Adequao do Sinal de Sada do Inversor........................177

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    19/218

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    20/218

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    21/218

    19

    Estes setores possuem a sua disposio unidades de alimentao alternativa

    capazes de prover energia eltrica temporariamente. Estas unidades de alimentao

    alternativa so denominadas de fontes ininterruptas de energia (UPS

    Uninterruptible Power Supplies) ou no-break.

    Basicamente uma fonte ininterrupta de energia composta por um retificador,

    que converte as tenses alternadas de alimentao em corrente contnua, um banco

    de baterias para armazenar energia, um inversor de tenso, e circuitos eletrnicos

    responsveis para o controle do sistema. O inversor de tenso de um no-break

    serve para gerar uma tenso alternada (AC) a partir de uma tenso contnua (DC),

    normalmente proveniente de uma bateria. Esta tenso alternada deve ter freqncia,

    forma e amplitude invariantes, independentemente das eventuais alteraes na

    alimentao provenientes da bateria ou na carga.

    Por se tratar de uma fonte alternativa de tenso, a amplitude e a freqncia so

    os mesmos encontrados na rede eltrica, ou seja, uma tenso de 115V alternada

    com uma freqncia de 60Hz. J quanto a sua forma, a onda de sada do inversor

    pode ser quadrada, semi-senoidal ou senoidal.

    A onda quadrada no indicada para cargas indutivas, seus principais

    inconvenientes so: peso (utiliza um transformador de baixa freqncia bastante

    pesado), apresenta alta distoro harmnica total de tenso (THDv), superior a 40%,gera rudos, aquecimentos, funcionamentos defeituosos e a eficincia baixa, em

    torno de 60 a 80% [29].

    No caso da onda semi-senoidal que uma forma de onda intermediria entre a

    onda quadrada e a onda senoidal pura, reduz a distoro harmnica total de tenso

    (THDv em torno de 15 a 35%), aumenta o valor de pico at o da senide pura, e

    aumenta consideravelmente a eficincia (80 a 95%). Este tipo de equipamento

    atende a maioria das necessidades domsticas e profissionais de pequeno porte

    [29].

    com inversor de onda senoidal pura que os aparelhos eletro-eletrnicos tm

    seu desempenho mximo, pois no geram rudos ou distores em aparelhos de

    som, vdeo, DVD e estreo. Proporcionam partidas suaves a motores e evitam

    aquecimentos indesejveis ou zumbidos desagradveis. Tm a vantagem de

    oferecer um melhor controle da freqncia e da amplitude da tenso e sua eficincia

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    22/218

    20

    fica em torno de 85 a 95% e apresenta baixa THDv (1 a 5%), o que torna o inversor

    senoidal tecnicamente desejvel. No entanto, o seu alto preo torna-o invivel em

    muitas aplicaes [29].

    Figura 1 Forma de onda de sada dos inversores.

    Este trabalho, consiste de um amplo projeto em eletrnica de potncia que visa

    ao final do mesmo a implementao da placa de potncia de um no-breaksenoidal

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    23/218

    21

    com uma potncia de entrada de 1,2 kVA, sendo o mesmo projetado e

    implementado em malha fechada, a qual ser referida a seguir apenas como no-

    break. Apresenta-se na Figura 2, o diagrama de blocos do no-breakproposto.

    Figura 2 Diagrama de blocos do no-break.

    As principais topologias de no-break existentes so, stand-by, interativo e on-

    line. O projeto aqui implementado trata-se de um no-break on-line. Ser feito a

    seguir uma comparao entre eles.

    Figura 3: Diagrama de blocos do no-break Stand-by.

    Em um no-break stand-by, Figura 3, quando a rede eltrica est presente a

    chave CH mantida fechada. A carga alimentada pela rede eltrica, onde a tensoe freqncia de sada so portanto totalmente dependentes da tenso e freqncia

    de entrada. Em caso de falha de rede eltrica a chave CH aberta e dada a

    partida no inversor. A carga passa a ser alimentada pelo conjunto inversor/banco de

    baterias.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    24/218

    22

    Figura 4: Diagrama de blocos do no-breakInterativo.

    No caso do no-break interativo visto na Figura 4, um nico conversor

    desempenha as funes de carregador de baterias, condicionador de tenso e

    inversor, onde na presena de rede eltrica, a rede condicionada pelo conversor,

    que tambm mantm as baterias carregadas. As freqncias de entrada e sada so

    iguais, enquanto na ausncia de rede eltrica a chave CH aberta e este conversor

    inverte o sentido de potncia passando a operar como inversor, alimentando a carga

    com a energia das baterias.

    Figura 5: Diagrama de blocos do no-breakon-line.

    Em um no-break on-line, Figura 5, quando a rede eltrica est presente, o

    circuito retificador alimenta o inversor, enquanto o banco de baterias mantido

    carregado pelo circuito carregador de baterias. A carga continuamente alimentada

    pelo inversor, enquanto na falta de rede eltrica a energia armazenada no banco de

    baterias utilizada pelo inversor para alimentar a carga, sem interrupo ou

    transferncia.

    Como pode-se observar, a topologia on-line, utilizada neste trabalho a nica

    no qual a carga sempre alimentada pelo circuito inversor, ou seja, com rede

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    25/218

    23

    eltrica ou sem rede eltrica as imperfeies da rede no so refletidas na carga,

    pois no processo de retificao e inverso da tenso todas estas imperfeies so

    removidas ou filtradas pelo no-break.

    O no-breakproposto neste trabalho trata-se ento de um no-break on-linecomum aperfeioamento, comparando as Figuras 2 e 5 pode-se observar que a Figura 2

    possui um bloco a mais (HB4) do que a Figura 5. Isto porque normalmente um no-

    break on-linetrabalha em baixa freqncia, ou seja, reduz a tenso da rede atravs

    de um transformador, retifica e filtra esta tenso para da ento alimentar o circuito

    inversor com uma tenso prxima ao valor da tenso do banco de baterias e assim

    tambm acontece com o circuito carregador de baterias. Com isto na falta de rede

    eltrica, o circuito inversor alimentado diretamente pelo banco de baterias.

    O bloco HB4 que aparece no diagrama de blocos da Figura 2, que o proposto

    neste trabalho, trata-se de um conversor DC/DC elevador de tenso chaveado em

    alta freqncia que ir alimentar o circuito inversor na falta da rede eltrica. Isto

    porque eliminou-se do projeto um dos maiores componentes e que apresenta um

    baixo rendimento, o transformador de baixa freqncia.

    A entrada do no-break retificada e filtrada sem transformador o que resulta em

    uma tenso DC, que ser o valor de pico da tenso da rede eltrica alimentando-se

    assim o circuito inversor com uma tenso de alto valor.Para o circuito carregador de baterias tambm eliminou-se o transformador de

    baixa freqncia, implementando um conversor DC/DC flyback chaveado em alta

    freqncia que ir manter o banco de baterias carregado enquanto existir rede

    eltrica presente. Esta tecnologia de chaveamento em alta freqncia utilizada no

    carregador de baterias, conversor DC/DC elevador de tenso e tambm na ponte do

    circuito inversor, apresentou uma considervel diminuio no tamanho final do

    equipamento (maior robustez).

    Tambm possibilitou a implementao de uma estratgia de controle e proteo

    analgicos assim como a implementao destes de maneira digital utilizando um

    DSC (Controlador Digital de Sinais) de baixo custo e podendo ento realizar uma

    comparao de desempenho destas duas tecnologias, visto ainda que a tecnologia

    de controle digital com processamento em tempo real tema de muitas pesquisas

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    26/218

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    27/218

    25

    imperfeies da rede j mencionadas nesta seo. E o bloco HB3 carregar as

    baterias, quando elas estiverem descarregadas, at que atinjam a carga completa.

    Quando houver uma falta de energia na rede, o bloco HB4 atuar, convertendo a

    tenso das baterias para uma tenso mais elevada (260V). Finalmente o inversor,juntamente com um filtro, converter esta tenso em uma onda senoidal de 115V,

    60Hz, enquanto houver carga nas baterias. Eliminando, assim faltas rpidas na rede,

    e ainda permitindo que equipamentos delicados sejam adequadamente desligados e

    dados sejam salvos, antes que a carga das baterias cesse.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    28/218

    26

    1 - Circuito Retificador

    1.1 - Int roduo

    Este primeiro captulo tratar do primeiro bloco do diagrama de blocos

    apresentado na Figura 2 na introduo geral deste trabalho. Este primeiro blocotrata-se de um conversor AC/DC, que converte a forma de onda da rede eltrica,

    podendo esta ter 127V ou 220VRMS, com freqncia de 60Hz.

    Este bloco converte a tenso alternada da rede em uma tenso contnua que

    alimenta o barramento de entrada do inversor. Assim, como a entrada deste bloco

    alimentada pela rede, ele s estar ativo quando a rede estiver presente, quando a

    rede sair, o mesmo barramento de sada deste bloco ser alimentado pelo conversor

    DC/DC alimentado pela bateria.

    Adicionalmente, neste mesmo captulo ser citado tambm o filtro de linha, que

    filtra as impurezas da rede, tais como picos de tenso de alta freqncia e outros

    rudos, para que estas no prejudiquem componentes do circuito, bem como seu

    correto funcionamento. Um resistor na entrada inserido no circuito apenas no incio

    do funcionamento, para limitar a corrente de partida ( in-rush), quando os capacitores

    do retificador esto descarregados, que curto-circuitado por um rel cuja bobina

    acionada pelo controle.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    29/218

    27

    1.2 - Procedimentos de Projeto

    1.2.1 - Retificador

    Para o projeto deste retificador, as equaes utilizadas foram retiradas de

    [TREVISO, 2005]. A Figura 6, mostra o circuito retificador implementado neste

    projeto, com um seletor 127V/220V, que ser explicado a seguir. tambm

    importante lembrar que este circuito no ligado diretamente rede, passando

    antes por um filtro de linha e um rel que habilita um resistor no incio do

    funcionamento da placa.

    Figura 6 Circuito retificador com filtro de linha e seletor 127V/220V.

    Quando a tenso de entrada de 220VRMSo rel fica em NF, assim o circuito

    funciona como um retificador de onda completa comum, como se pode notar na

    Figura 7.

    Figura 7 Funcionamento do retificador em 220V I.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    30/218

    28

    Quando as tenses positiva e negativa da rede esto como mostrado na Figura

    7, os diodos em destaque iro conduzir, carregando os capacitores com a tenso de

    pico da rede, e, no outro semi-ciclo da rede o funcionamento ocorrer conforme a

    Figura 8.

    Figura 8 Funcionamento do retificador em 220V II.

    Assim, o retificador ir carregar os capacitores com a tenso de pico da rede a

    cada semi-ciclo da mesma, conforme se pode observar na Figura 9.

    Figura 9 Formas de onda de tenso na rede (A), tenso no capacitor equivalente(B), corrente nos diodos (C e D).

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    31/218

    29

    Ainda, quando a tenso de entrada de 127V, o rel chaveado na posio NA

    e o circuito passa a funcionar como um dobrador de tenso, conforme Figura 10.

    Figura 10 Funcionamento do retificador em 127V I.

    Na Figura 10, no semi-ciclo positivo da rede apenas os dois capacitores de cima

    so carregados com a tenso de pico da rede, e no semi-ciclo negativo da rede os

    dois capacitores de baixo tambm so carregados com a tenso de pico da rede,

    conforme a Figura 11. Assim, o capacitor equivalente dos dois capacitores de cima

    mais os dois capacitores de baixo ter uma tenso de 2Vp. Com apenas o diodo em

    destaque conduzindo.

    Figura 11 Funcionamento do retificador em 127V II.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    32/218

    30

    1.2.1.1 - Clculos para o Retificador como Onda Completa

    A capacitncia utilizada no equacionamento a capacitncia equivalente dada

    pelas associaes em srie e paralelo entre os capacitores. Assim, a energia

    acumulada neste capacitor equivalente em cada semi-ciclo dada por:

    [Equao 1]

    Como a energia acumulada no capacitor tambm pode ser dada por:

    f

    PW inin [Equao 2]

    E a tenso mnima pode ser escrita como:

    capacitordocargadeTempo

    )2cos(min

    c

    cp

    t

    tfVV [Equao 3]

    O tempo de carga pode ser dado pela equao a seguir:

    f

    VV

    t p

    c

    2

    cos min1

    [Equao 4]

    A carga que o capacitor absorve e cede a cada meio ciclo de funcionamento da

    rede calculado pela equao a seguir.

    capacitordocargadecorrentedePico

    chg

    cchg

    i

    VCtiQ [Equao 5]

    Assim, a corrente de carga pode ser estipulada por:

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    33/218

    31

    c

    p

    c

    chgt

    VVC

    t

    VCi

    )( min

    [Equao 6]

    Igualando-se as equaes 1 e 2 tem-se:

    [Equao 7]

    portanto:

    2min2 VVfP

    C

    p

    in

    [Equao 8]

    Considerando:

    Ichg Valor eficaz da componente alternada da corrente de carga.

    IDC Valor mdio da corrente de carga.

    Ic1ef Valor eficaz da corrente total de carga do capacitor.

    Ento:

    221

    222

    1

    DCefcchg

    chgDCefc

    III

    III

    [Equaes 9 e 10]

    E, como:

    T

    tiI

    T

    tiI

    c

    chgefc

    c

    chgDC

    2

    2

    1

    [Equaes 11 e 12]

    Assim:

    2

    2

    222

    )2(2

    42

    ftftiI

    T

    ti

    T

    tiI

    ccchgchg

    cchg

    cchgchg

    [Equaes 13 e 14]

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    34/218

    32

    No capacitor circula apenas a componente alternada da corrente ichg, produzindo

    perdas em sua resistncia srie equivalente (RSE), o que provoca aquecimento.

    Assim, pode-se calcular o retificador, com uma potncia de sada de 700W,

    adotando um rendimento de 90%, uma tenso de entrada de 220V com variao de

    10% e uma tenso mnima de 260V, e pela equao 8, tem-se:

    Assim, cada um dos capacitores deve ter o dobro do valor mostrado acima, uma

    vez que esto em srie, ou este mesmo valor se estiverem em srie-paralelo, como

    o caso, conforme a Figura 6. E a corrente de carga, que a corrente de pico

    repetitivo que os diodos devem suportar, pode ser calculada pelas equaes 4 e 6.

    Ams

    Fi

    mst

    chg

    c

    78,2301,1

    )260280(1199

    01,1377

    280

    260cos

    1

    E a corrente mdia nos diodos dada por:

    AV

    P

    I in

    Dmdia 94,12002

    77,777

    2

    1.2.1.2 - Clculos para o Retificador como Dobrador

    Para o clculo da tenso mnima neste modo de operao, tem-se que levar em

    conta que esta ocorrer quando um dos capacitores estiver em seu nvel mnimo de

    tenso, enquanto o outro, neste momento estar ainda no meio de sua descarga,

    tendo uma tenso dada pela mdia entre a sua tenso de pico e a sua tenso

    mnima, assim:

    2

    2min2

    min1min

    min2min1

    21

    pcC

    C

    CC

    pCpC

    VVVV

    VV

    VV

    [Equaes 15, 16 e 17]

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    35/218

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    36/218

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    37/218

    35

    No circuito da Figura 12, na situao inicial (NF) o resistor est inserido no

    circuito e a nica carga que a rede enxerga, uma vez que os capacitores esto

    descarregados.

    Decorrido algum tempo, conforme implementado no controle, os capacitores jtero efetuado suas cargas iniciais. O controle enviar um sinal positivo, que ir

    saturar o nico transistor apresentado no circuito. Desta forma surgir uma tenso

    de 12V VSAT na bobina, acionando o rel, que mudar de posio, curto-

    circuitando o resistor e ligando a rede (h um filtro de linha entre a rede e o rel) ao

    retificador.

    Para uma situao extrema, em que a rede ligada em 220V, com uma tenso

    10% acima do valor nominal, estando os capacitores descarregados, tem-se uma

    corrente de partida (in-rush), pela lei de Ohm, de:

    AI 5,1522

    22201,1

    1.2.3 - Filtro de Linha

    O filtro de linha apresentado na Figura 13, tem a funo de filtrar interferncias

    eletromagnticas que, de outra maneira poderiam interferir no circuito e at mesmoreduzir a vida til dos componentes, bem como causar outros problemas, servindo

    tambm para amenizar o envio de rudos para a rede, enviados do prprio

    equipamento.

    Com este propsito utiliza-se um filtro de resistores, capacitores e indutores. Os

    capacitores utilizados devem ser dos tipo X e Y. Estes capacitores so destinados

    supresso de interferncia porque possuem baixas resistncia e indutncia srie

    equivalentes, alta capacidade de absoro de transientes, boa resistncia

    ionizao devido impregnao do dieltrico, excelente propriedade de auto-

    recuperao aps ionizaes momentneas do dieltrico, alm de altas freqncias

    de ressonncia.

    A Figura 13 mostra a implementao do filtro de linha.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    38/218

    36

    Figura 13 Filtro de interferncia eletromagntica.

    1.2.4 - Seletor 127V / 220V

    O circuito da Figura 14, identifica se a tenso de alimentao de 127V ou

    220V, e conforme for, aciona o rel do dobrador de tenso, de forma a ajustar o

    retificador. Se a tenso for de 127V, aciona o rel de forma a obter-se um retificador

    dobrador, e, se for de 220V, um retificador de onda completa.

    Figura 14 Circuito do seletor 127V / 220V.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    39/218

    37

    Na Figura 14, as sadas A1 e A2 so conectadas nos terminais da bobina do

    rel. Os resistores de 47ke o paralelo entre os resistores de 180e 1kformam

    um divisor resistivo, que saturar o transistor BC546 ao atingir por volta de 0,7V. A

    seguir tem-se o clculo que leva tenso necessria para saturar este transistor.

    Vk

    V

    R

    RRV

    RR

    RV

    k

    217152

    471527,0

    1

    217,0

    7,021

    1

    1521801000

    1801000180//1

    Para que a rede atinja uma tenso de 217V (pico), a tenso RMS na rede deverser de:

    VVRMS 153

    2

    217

    Portanto, o transistor BC546 ir saturar para tenses acima de 150V, o que ir

    provocar a descarga do capacitor de 47F em paralelo com o mesmo, colocando,

    assim o transistor MPSA42 em corte e o capacitor em srie com o mesmo ir

    descarregar-se. Deixando o rel em sua posio normal, ou seja, permanecer

    fechado em NF (normalmente fechado), e aberto em NA (normalmente aberto), o

    que far com que o retificador funcione em modo onda completa, conforme as

    Figuras 7 e 8.

    Para tenses abaixo de 150V, como o caso de uma tenso de 127V, O BC546

    no ir saturar, e o capacitor de 47F em paralelo com o mesmo ser carregado

    pelo resistor de 33ke injetar corrente suficiente para que a juno base-emissor

    do MPSA42 mantenha-se polarizada, e o mesmo opere em saturao, o que

    permitir a carga do capacitor em paralelo com A1 e A2, ligados bobina do rel,ativando-o. Assim, o rel passar posio acionado, abrindo em NF e fechando

    em NA, o que ir fazer com que o circuito funcione como um retificador dobrador,

    como pode ser observado nas Figuras 10 e 11.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    40/218

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    41/218

    39

    2 - Carregador de Baterias

    2.1 - Int roduo

    Como j mencionado na introduo geral, o carregador das baterias foi

    implementado atravs de um conversor flyback no modo descontnuo comtransformador, controlado pelo integrado 1M0380 [5].

    A tenso do carregador ser controlada por um regulador ajustvel de preciso,

    o TL431 [6], tambm contando com um circuito de controle de corrente. O circuito

    completo do carregador de baterias ser analisado neste captulo.

    O carregador das baterias deve fornecer uma tenso de sada de 28V, uma vez

    que foram utilizadas duas baterias de 12V em srie, e as mesmas apresentam uma

    tenso de flutuao um pouco acima da nominal.

    Este circuito possui um limitador de corrente de 1A, pois o equipamento ter um

    longo perodo para carregar as baterias, quando houver energia da rede. A potncia

    relativamente baixa, da ordem de 30W, torna simplificado o circuito e a robustez dos

    componentes utilizados no mesmo.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    42/218

    40

    Figura 15 Circuito completo do flyback.

    2.2 - Procedimentos de Projeto

    Para o projeto do conversor flyback, as equaes utilizadas foram as de

    [MELLO, 1987].

    2.2.1 - Retif icador de Entrada

    A parte do circuito mostrada na Figura 16 o circuito retificador que ir alimentar

    o flyback.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    43/218

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    44/218

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    45/218

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    46/218

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    47/218

    45

    Assim que o diodo comea a conduzir, por ele passa uma corrente que decresce

    linearmente, conforme a forma de onda (D) da Figura 23, at chegar a zero, no

    tempo T (onde dado por 1-). Essa corrente se relaciona com a corrente de

    pico no primrio IM, pois a energia no instante do corte deve ser constante e igual a:

    2

    2

    1Mpp

    ILE [Equao 25]

    Que no secundrio poder ser expressa por:

    2

    2

    1DSS

    ILE [Equao 26]

    Igualando as equaes 25 e 26 tem-se:

    MD II [Equao 27]

    como

    S

    p

    N

    N [Equao 28]

    Pode-se escrever:

    T

    ILV MSS

    [Equao 29]

    Assim, para compensar variaes em IMdeve-se variar , portanto, o ngulo de

    conduo do secundrio diretamente proporcional corrente de sada. Entretanto

    a energia em cada ciclo deve ser a energia necessria para manter a corrente de

    sada a uma tenso constante, assim:

    f

    PE S [Equao 30]

    Igualando as equaes 25 e 30, encontra-se:

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    48/218

    46

    p

    SM

    Lf

    PI

    2

    [Equao 31]

    Substituindo o IMda equao 31 na Equao 24, pode-se obter o Lp.

    fP

    VL

    S

    E

    p.2

    2

    [Equao 32]

    Substituindo PSporS

    SR

    V2

    , na Equao 32, obtm-se:

    p

    SES

    Lf

    RVV

    2 [Equao 33]

    A Equao 33 fornece a funo de transferncia do conversor Flyback modo-

    descontnuo. Nota-se que tanto variaes em VE quanto em RS, contribuem para

    variaes em . Assim, dever ser mximo para VEmine ISmax, o que implicar em

    max, logo para VEmine ISmaxdeve-se ter:

    1maxmax [Equao 34]

    A relao de espiras deve ser calculada por:

    maxminmax

    1

    S

    E

    V

    VN [Equao 35]

    O ngulo de conduo pode ser calculado por:

    S

    S

    R

    Lf

    2 [Equao 36]

    E o capacitor pode, ento, ser calculado pela equao a seguir:

    fVIN

    R

    LfIIN

    CCM

    S

    SSM

    2

    22

    [Equao 37]

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    49/218

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    50/218

    48

    Ncleo EE30/15/7: Ap=0,71cm4; le=6,69cm; Ae=0,597cm

    2

    22422

    /3654402

    3,010597,0

    2espnH

    E

    BAAl e

    [Equao

    39]

    .50365

    900esp

    nA

    LN

    l

    p

    p

    [Equao

    40]

    Assim, tem-se 50 espiras no primrio, para o ncleo EE30/15/7, conforme

    [DATASHEET EE30/15/7]. E a rea de cobre calculada a seguir:

    2

    max

    212,0

    001005,0402

    404

    40435,0989,03

    /4029,0397

    cmm

    J

    IACu

    mAII

    cmAAkJ

    RMS

    RMS

    p

    Mp

    j

    pj

    [Equaes 41, 42 e43]

    Assim, para o enrolamento primrio um fio 26AWG ser suficiente, com 50

    voltas. Para o secundrio, da Equao 32 substituindo VEpor VSe PSpor SSR

    V2

    , tem-

    se,

    Hkf

    RL SS

    2,52

    67.2

    285,0

    2

    22

    max

    [Equao

    44]

    E da Equao 40, retira-se:

    .1295,11365

    2,52esp

    nA

    LN

    l

    SS

    Assim, tem-se que o secundrio dever apresentar 12 espiras, com a rea de

    cobre calculada a seguir, utilizando as equaes 27, 42 e 43.

    2

    max

    00418,0402

    68,1

    68,13

    5,012,43

    12,4989,012

    50

    cmJ

    IACu

    AII

    AINI

    RMS

    RMS

    S

    DS

    MD

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    51/218

    49

    Assim, para o secundrio 12 voltas de dois fios 24AWG sero suficientes.

    2.2.2.2.2 - Clculo do Capaci tor

    Para o clculo do capacitor basta substituir os valores j calculados na equao

    37, com uma variao de tenso na sada no maior que 0,5%, o que equivale a

    14mV.

    F

    km

    k

    fVIN

    R

    LfIIN

    CCM

    S

    SSM

    305671412,42

    28

    2,52672112,4

    2

    222

    Assim, pode-se utilizar um capacitor de 470F, com certa folga.

    2.2.2.2.3 - Clculo do Diodo

    O diodo deve suportar uma corrente mdia de 1A, que a corrente de sada,

    com picos repetitivos no valor de IDque de 4,12A, e suportar altas freqncias, por

    isso utiliza-se um diodo UF.

    Foi utilizado o diodo UF5404, que satisfaz com folga as necessidades, pois tem

    um tempo de recuperao reversa de menos de 50ns, conforme a Tabela 2 esuporta uma corrente mdia de 3A e uma corrente de pico repetitivo de 30A,

    conforme a Tabela 3.

    Tabela 2: Tempo de recuperao reversa do UF5404

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    52/218

    50

    Tabela 3: Mxima tenso reversa, corrente mdia e corrente de pico repetitivo do

    UF5404

    2.2.2.3 - Circuito de Contro leO principal elemento do circuito de controle o integrado TL431[6]. Este

    componente um regulador de preciso ajustvel, a seguir tem-se seu diagrama de

    blocos interno para maior compreenso.

    Figura 24 Diagrama de blocos interno do TL431.

    E o circuito de controle encontra-se na Figura 25:

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    53/218

    51

    Figura 25 Circuito de controle do Flyback.

    A lgica do controle apresentada no circuito da Figura 25, funciona da seguinte

    maneira: primeiramente o TL431[6] mantm uma tenso de 2,5V na referncia,

    assim atravs do divisor resistivo obtido atravs dos resistores de 2,2k e 270,

    bem como do trimpot de 1k, regula-se a tenso que se deseja na sada, com estes

    resistores obtm-se uma tenso entre 22,87V e 32,13V, conforme segue:

    V

    kkV

    kR

    Vk

    V

    R

    VR

    RRV

    VRR

    RV

    trimpot

    trimpot

    REF

    REF

    13,325,2270

    12,2270

    2,2

    87,225,2270

    02,2270

    0

    0

    0

    1

    210

    0

    21

    1

    Assim, quando a tenso na sada passa do valor estipulado, o TL431[6] ir

    consumir mais corrente em seu catodo, o que ir provocar um aumento na corrente

    no diodo do optoacoplador 4N25, diminuindo a tenso sobre o transistor acoplado ao

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    54/218

    52

    mesmo (4N25), fazendo com que a tenso que vai ao pino de realimentao do

    1M0380 [5] diminua, reduzindo-se, assim, a razo cclica.

    E, quando a tenso na sada cai abaixo do nvel correto, o catodo do TL431[6]

    ir deixar de demandar corrente, fazendo com que a corrente no diodo dooptoacoplador diminua, o que ir provocar um aumento na tenso coletor emissor do

    transistor do optoacoplador, aumentando assim, a tenso na realimentao do

    1M0380[5], fazendo com que a razo cclica do mesmo aumente. Mantendo, assim,

    a tenso na sada estvel no valor desejado. Os capacitores do circuito funcionam

    como filtro para os rudos.

    2.2.2.4 - Limi tador de CorrenteO circuito limitador de corrente ser analisado utilizando a Figura 26:

    Figura 26 Circuito do limitador de corrente.

    Quando a corrente de sada, representada na Figura 26 por I1, cresce, ela causa

    um aumento da tenso nos resistores em srie com a sada, cuja associao em

    paralelo pode ser representada por um resistor de 0,5, assim, para correntes

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    55/218

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    56/218

    54

    3 - Conversor DC/DC

    3.1 - Int roduo

    Ser apresentado neste captulo o circuito do conversor DC/DC elevador, que

    funcionar sempre que a rede cair, retirando energia da bateria, com uma tensoentre 22V e 28V (cada uma das baterias tem uma tenso nominal de 12V,

    totalizando 24V), e convertendo para uma tenso DC de 260V.

    Alm do conversor, sero tratados alguns circuitos adicionais, como a

    alimentao da placa de controle, a amostragem da carga da bateria e os drivesdas

    chaves (MOSFET), bem como a amostragem da realimentao, que ir para o

    controle.

    A Figura 27 mostra o circuito completo do conversor DC/DC, que apresenta

    tanto caractersticas de um conversor forward quanto do push-pull. Seu

    funcionamento ser detalhado no decorrer deste captulo.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    57/218

    55

    Figura 27 Circuito completo do conversor DC/DC.

    3.2 - Procedimentos de Projeto

    Para o projeto deste conversor, as equaes utilizadas so provenientes de[TREVISO, 2005].

    3.2.1 - Circui tos Adicionais

    Neste tpico trata-se de alguns circuitos para o conversor DC/DC.

    Primeiramente pode-se observar na Figura 27, as fontes de tenso V5e V6no lado

    esquerdo do esquemtico, que representam as baterias em srie. Ligado ao mesmo

    ponto que o plo positivo da bateria est a sada VBAT, que vai para o controle, e

    amostra a tenso da bateria.

    Ligado ao mesmo ponto est a entrada do regulador LM7812, que fornece um

    barramento de 12V que alimenta o controle, por meio das sadas +12 e GND, e os

    drivesdos MOSFETs. Entre o GND e a entrada e entre o GND e a sada existem

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    58/218

    56

    capacitores de 470F para garantir estabilidade ao regulador, bem como prximo

    aos drives, para filtrar o barramento.

    H, tambm, no canto direito da Figura 27, um divisor resistivo (resistor de

    220k e trimpot de 20k), que amostra a tenso na sada, e envia estarealimentao ao controle atravs da sada FB. E, finalmente, um fusvel na sada

    das baterias limitando a sua corrente em 50A, e em paralelo com as baterias, depois

    do fusvel, um diodo UF5404, que dever entrar em conduo quando os plos das

    baterias forem ligados invertidos, queimando o fusvel.

    3.2.2 - Snubber

    Estes dispositivos so utilizados para se amortecer as oscilaes de altafreqncia geradas durante a comutao dos semicondutores de potncia, devido s

    suas indutncias parasitas e capacitncias intrnsecas e so usados para evitar

    picos elevados de tenso nos semicondutores, evitando que os mesmos sejam

    danificados. E, por ser um circuito de baixa potncia, este no adiciona grande custo

    ao projeto, propiciando ao mesmo, qualidade. Tem-se a seguir o circuito do snubber

    implementado para proteger as chaves do conversor DC/DC.

    Figura 28 Circuito do snubber.

    3.2.2.1 - Clculo do Snubber

    Primeiramente dimensiona-se o resistor para que este dissipe 1,0W para a

    tenso mxima que a chave dever suportar. Para o circuito adota-se o dobro da

    tenso mxima de entrada, 28V, assim:

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    59/218

    57

    kV

    R iRMS 1,31

    56

    1

    2 22

    Porm, como pode-se notar utiliza-se um resistor maior, de 4,7k. Para o

    capacitor, deve-se dimensionar uma queda para 90% de sua tenso:

    F

    kC

    V

    VR

    tC

    eVV

    C

    C

    tRC

    CC

    6,1349,0ln7,4

    7,66

    kHz)51(fperododovalordodescargadetempoumPara

    ln0

    1

    1

    01

    Como se pode notar na Figura 28, foi usado um capacitor de 47nF e um diodo

    UF4004, mas os valores aqui calculados, como j dito so empricos, assim, os

    valores utilizados podem apenas ser prximos dos calculados, como visto.

    3.2.3 - Conversor

    3.2.3.1 - Funcionamento do Circuito

    Para explicar o funcionamento deste conversor, foi montado um circuitoesquemtico, apresentado na Figura 29, que simplifica o circuito, retirando-se

    componentes em srie e paralelo, bem como componentes adicionais para melhorar

    seu desempenho.

    Figura 29 Circuito simplificado do conversor.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    60/218

    58

    Este circuito, como se pode notar, compe-se de nada mais que dois

    conversores forwardcompartilhando do mesmo indutor e capacitor do secundrio, e,

    cada um trabalhando alternadamente, ou seja, funcionando entrelaados.

    Figura 30 Circuito de um conversor Forwardconvencional.

    Figura 31 Formas de onda de um conversor Forwardconvencional.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    61/218

    59

    A partir daqui, todas as referncias dos componentes levaro em conta a Figura

    29, enquanto que todas as referncias formas de onda levaro em considerao a

    Figura 31. Assim, num primeiro momento, a chave T1 posta em conduo,

    colocando uma tenso igual a Vi em L1, e passando pela mesma uma corrente

    apresentada na forma de onda 3, enviando energia para a sada, aparecendo assim

    uma corrente representada pela forma de onda 4 no diodo D6, que ir para o

    indutor.

    Aps essa etapa, a chave T1 ser colocada em corte, surgindo uma corrente de

    desmagnetizao em L3 e D2 (forma de onda 6), surgindo ainda uma tenso na

    chave T1. A corrente do indutor Lindfechar o lao atravs do diodo D8.

    Aps alguns instantes, a chave T2 entrar em conduo, porm nada mudar

    para as formas de onda mencionadas acima, que esto relacionadas com um outro

    transformador, independentemente. Surgir agora a tenso Vi no enrolamento L1,

    passando a corrente da forma de onda 3, porm atrasada em meio perodo, pela

    chave T2. Assim, essa energia ser enviada para a sada atravs do enrolamento

    L2, passando pelo diodo D7, com a corrente da forma de onda 4, porm tambm

    atrasada em meio ciclo de chaveamento.

    Ao abrir a chave T2, passar pelo diodo D3, uma corrente de desmagnetizao,

    como mostrada em 6 porm tambm atrasada de 180. E o diodo D8 voltar aconduzir a corrente do indutor Lind.

    Assim, as formas de onda dos dois circuitos (de cada transformador) sero as

    mesmas, como mostrado na Figura 31, porm defasadas de 180 uma da outra,

    tendo uma razo cclica menor que 0,5 para cada chave. Assim, tem-se na sada a

    forma de onda da Figura 32.

    Figura 32 Formas de onda de tenso no diodo D8 e forma da corrente no indutor.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    62/218

    60

    3.2.3.2 - Clculo dos Transformadores

    Como os dois transformadores devero ser iguais, apenas um clculo ser

    efetuado. Assim projetou-se o transformador para uma entrada entre 22V e 28V,

    uma tenso de sada de 130V (metade da tenso de sada desejada, uma vez queusou-se dois transformadores), uma freqncia de trabalho de 15kHz e uma

    potncia de sada de 350W, pois cada transformador fornecer metade da potncia

    de sada desejada, e a potncia de sada total dever ser de 700W. Primeiramente

    ser definido a mxima razo cclica como 0,45, deixando certa folga em relao

    razo cclica mxima terica, de 0,5, assim pode-se obter a razo cclica mnima:

    353,028

    2245,0

    22

    2845,0

    min

    min

    min

    max

    min

    max

    D

    D

    V

    V

    D

    D

    [Equao

    45]

    Para a obteno da relao de espiras, utiliza-se a funo de transferncia do

    conversor para uma razo cclica mxima. Assim, obtm-se a seguinte relao de

    espiras:

    0757,045,05,1130

    2245,0

    max0

    minmax

    0

    0

    DVV

    VDN

    N

    VDDVV

    DVN

    VDV

    D

    i

    iD

    Di

    [Equao 46]

    A seguir calcula-se a densidade de fluxo, para a variao da tenso de entrada,

    de modo que a densidade de fluxo nunca ultrapasse o valor em que o ncleo

    comea a saturar. Assim:

    TBV

    VB 275,035,0

    28

    22max

    max

    min [Equao 47]

    De posse destes dados calculados pode-se calcular o coeficiente de densidade

    de corrente nos fios (kj), utilizando um T de 30, e o Ap do ncleo necessrio:

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    63/218

    61

    4

    136,144

    54,0

    615275,036,464

    1035065,21065,2

    36,4644035.63

    cmkfBkj

    PAp

    kj

    z

    S

    [Equaes 48 e

    49]

    O ncleo determinado o EE42/21/20, conforme [DATASHEET EE 42/21/20],

    cujo Ap de 6,14cm4; le=9,7cm; Ae=2,4cm2. Agora, a partir da escolha do ncleo,

    calcula-se o nmero de espiras no enrolamento primrio.

    .54,433275,0104,2

    45,0224

    maxmin1 esp

    kfBA

    DVN

    e

    i

    [Equao 50]

    Adota-se, ento, 5 espiras no primrio. Como j foi calculado a relao de

    espiras, pode-se obter o nmero de espiras no secundrio.

    .660757,0

    512

    2

    1 espN

    NN

    N

    NN [Equao 51]

    A densidade de corrente nos fios ser:

    212,012,0 /48,37314,636,464 cmAApkjJ [Equao 52]

    Calculados os nmeros de espiras no primrio e no secundrio, pode-se passar

    para o clculo da rea de cobre que ser necessria para esses mesmos

    enrolamentos. Primeiramente, para um fator de indutncia do ncleo de

    Al=4000nH/esp (dado do fabricante), pode-se calcular a indutncia no primrio.

    HNAlLp 1005104262

    1 [Equao 53]

    Donde pode-se obter a corrente de magnetizao no primrio:

    AkfL

    VDIp

    img 6,6

    151002245,0minmax [Equao 54]

    Sendo o seu valor RMS:

    AD

    IImgmgRMS

    556,23

    45,06,63

    max [Equao 55]

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    64/218

    62

    O que implicar uma rea de cobre de:

    20055,036,464

    556,2cm

    J

    IA RMSCu [Equao 56]

    Assim, tem-se que o enrolamento da desmagnetizante dever ter a rea de

    cobre calculada acima, sendo que trs fios 24 AWG sero suficientes, tendo o

    mesmo 5 espiras, como o primrio. A corrente RMS no secundrio ser:

    ADIIISRMS 985,145,0269,069,2maxmin00 [Equao57]

    E a rea de cobre no enrolamento secundrio, conforme a equao 56, deve ser

    de:

    200427,036,464

    985,1cm

    J

    IA RMSCu

    O que d 3 fios 24 ou 25 AWG, enquanto para o primrio usa-se fita de cobre

    para os enrolamentos, cuja corrente RMS respectiva rea de cobre devem ser:

    206197,036,46478,28

    78,2856,20757,0

    985,1

    cmJIA

    AIN

    II

    RMSCu

    mgRMS

    SRMS

    pRMS

    Finalizando-se, assim, o clculo dos transformadores.

    3.2.3.3 - Clculo do Filtro de Sada

    Para o clculo do filtro de sada, tanto do indutor, quanto do capacitor, utilizam-

    se as equaes de um push-pull [Treviso, 2005], assim, a indutncia mnima do

    indutor de sada deve ser:

    mHkfIN

    VDDL

    S

    i

    ind378,2

    152269,00757,02

    28353,021353,0

    22

    21

    min

    maxminmin

    [Equao

    58]

    Para a escolha do ncleo precisa-se primeiramente calcular a energia mxima

    no indutor, dada pela Equao 59:

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    65/218

    63

    mJmIILESSind 41,10269,069,2378,2

    2

    1

    2

    1 22min

    [Equao 59]

    A partir da energia calculada, pode-se fazer a escolha do ncleo, considerando

    um fator de utilizao (ku) de 0,4, e uma variao de temperatura de 30C, o que

    nos leva a um kj de 397, segundo a Equao 48, tem-se um Ap de:

    4

    136,144

    48,435,03974,0

    1041,102102cm

    m

    Bkjku

    EAp

    z

    [Equao 60]

    Assim, o ncleo a ser utilizado deve ser o ncleo EE 42/21/15, que tem um Apde

    4,66 cm4, Ae=1,82 cm e le=9,7 cm. Calcula-se, agora, o fator de indutncia.

    2

    2242

    max

    2

    89,19441,102

    35,01082,1

    2 espnH

    mE

    BAA el

    [Equao 61]

    E, portanto, o indutor dever ter um entreferro, cuja largura calculada a seguir:

    mmcml

    n

    A

    lA

    e

    e

    e

    ele

    17,165,82

    7,9lg

    65,821082,1104

    107,989,19447

    2

    0

    [Equaes 62 e 63]

    Assim, a largura deixada entre as duas partes do ncleo deve ser da metade

    deste valor, uma vez que o fluxo passar duas vezes pelo entreferro, sendo que o

    entreferro deixado deve ser de 0,587mm. A seguir, tem-se o clculo do nmero de

    espiras:

    .46,11089,194

    378,2esp

    n

    m

    A

    LN

    l

    ind [Equao 64]

    A densidade de corrente pode ser obtida atravs da Equao 52:

    212,012,0 /33066,4397 cmAApkjJ

    Superdimensiona-se a corrente RMS usando a corrente de pico, de 2,96A.

    Assim, tem-se uma rea de cobre, conforme a equao 56, de:

    200897,0330

    96,2cm

    J

    IA RMSCu

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    66/218

    64

    O que leva a 3 fios 22 AWG.

    Para o clculo do capacitor, deve-se arbitrar a mxima variao na tenso de

    sada, que ser considerada 0,5%, ou 1,3V. Assim, a capacitncia necessria de:

    Fm

    VV

    ILC

    ss

    S 45,252603,12

    69,2378,2

    2

    22

    [Equao 65]

    Porm, um ponto crtico no projeto do capacitor a perda atravs da resistncia

    srie equivalente (ESR), que dada por:

    24,069,22

    3,1

    2

    2

    S

    ESR

    SESR

    I

    VESR

    ESRIV

    [Equao 66]

    O capacitor utilizado foi o de 220F/400V, que tem 0,25de ESR, como pode

    ser visto em [DATASHEET CAPACITORES ELETROLTICOS], e este, ainda est

    em paralelo com os capacitores do retificador, que possuem resistncia srie

    equivalente ainda mais baixa. Assim, uma vez que o capacitor equivalente utilizado,

    tem 10 vezes mais capacitncia e uma ESR menor que suficiente, de se esperar,

    de acordo com as equaes 65 e 66, um ripplemenor que o mximo dimensionado.

    3.2.3.4 - Clculo dos Semicondutores

    Os diodos D2 e D3 da Figura 29, devem suportar uma corrente de pico repetitivo

    de 3A, como encontrado na equao 54. Bem como uma tenso reversa de duas

    vezes a entrada mxima, ou seja, 56V. Assim, o diodo UF5404 suprir essas

    caractersticas com folga, como j apresentado na Tabela 3.

    J os diodos D6 e D7 devem suportar uma corrente de 3,4A, como calculado

    pela Equao 57, e uma tenso de pico repetitivo do dobro da tenso dos pulsos nosecundrio.

    VN

    VV i 740

    757,0

    2822 max

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    67/218

    65

    Para suportar estas necessidades foram colocados 4 diodos UF5404 em srie

    paralelo, o que permite o dobro da corrente e da tenso do diodo, apresentados na

    Tabela 3, satisfazendo, assim, as necessidades do projeto.

    O diodo D8 dever suportar uma tenso reversa no valor desses picos nosecundrio, de 370V, sendo suficiente um diodo UF5406, cujos dados tambm se

    encontram na Tabela 3.

    Os transistores devem tambm suportar uma tenso do dobro da tenso mxima

    de entrada, ou seja, 56V, e uma estimativa da corrente que eles devem suportar

    conduzir, dada pela corrente na sada, dividida pela relao de transformao.

    AN

    II S 53,35

    0757,0

    69,2

    Assim, utiliza-se 3 MOSFETs IRFZ45 em paralelo, satisfazendo assim as

    necessidades, como pode ser conferido na Tabela 4:

    Tabela 4: Caractersticas do IRFZ45

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    68/218

    66

    3.3 - Concluso (Conversor DC/DC)

    Assim, pode-se dizer que as chaves (MOSFETs) e diodos utilizados devem

    satisfazer com folga s necessidades do circuito, conforme mostrado na seo

    3.2.3.4. O transformador calculado utiliza um ncleo de ferrite EE 42/21/20, com 5espiras no primrio, de fita de cobre, com rea de cobre de 0,0564 cm, 66 espiras

    no secundrio, com 3 fios 25 AWG, e 5 espiras na desmagnetizante, de 3 fios 24

    AWG.

    O indutor calculado, dever usar ncleo de ferrite EE42/21/15, com 110 espiras,

    utilizando 3 fios 22 AWG. E, finalmente, foi utilizado um capacitor de 220F, com

    tenso de 400V.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    69/218

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    70/218

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    71/218

    69

    4.2 - Procedimentos de Projeto

    4.2.1 - Circuitos para o Controle e Proteo

    Conforme Figura 33, h um pequeno sensor de corrente (RS) ligado ao

    barramento DC, que possui uma resistncia muito baixa. Assim, toda a corrente que

    vai para o terra passa por ele, gerando uma pequena tenso, proporcional corrente

    na carga, tendo-se assim uma amostragem da forma de onda na sada, que

    enviada para o controle.

    Tem-se ainda as sadas SADA 1 e SADA 2, que correspondem a uma

    amostragem da tenso de sada, conforme pode-se notar na Figura 34:

    Figura 34 Circuito de amostragem da tenso de sada.

    Este circuito, tem um divisor resistivo, que divide a tenso na carga em cerca de

    cem vezes, e dois buffers para manter o sinal, enviando-o para o controle, uma

    amostragem da diferena de potencial sobre a carga.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    72/218

    70

    Ainda na Figura 34, tem-se um triac, que acionado sempre que a tenso de

    sada vence os quatro diodos zener de 51V, totalizado 204V, assim, quando a

    tenso de sada ultrapassa esse valor no pico, o triac dever ser acionado,

    causando um curto e rompendo o fusvel de proteo existente entre os capacitores

    do barramento e o inversor.

    4.2.2 - Drives das Chaves

    Os drives das chaves servem para fornecer a tenso e corrente necessrias

    para coloc-las em conduo ou em corte rapidamente, bem como para isolar os

    pulsos das mesmas. Na Figura 35, tem-se o esquemtico do circuito dos drives.

    Figura 35 Esquemtico do circuito dos drivesdas chaves.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    73/218

    71

    Na Figura 35 tem-se apenas o esquemtico dos drives da entrada PINV-1,

    sendo que o circuito para os drivesda entrada PINV-2 o mesmo e cada uma das

    entradas gera dois sinais, definidos como B e C, no caso de PINV-1, e D e E, no

    caso de PINV2 (Figura 33). Cada um desses sinais acionar duas chaves em

    paralelo, para aumentar sua capacidade de corrente. Tanto os sinais B e C, quanto

    os sinais D e E so iguais, acionando dois grupos de chaves ao mesmo tempo.

    Agora ser explicado o funcionamento dos circuitos dos drives, para apenas um

    sinal, pois todos os quatro circuitos sero iguais.

    Logo na entrada de PINV-1 h um par de transistores. Se o sinal em PINV-1 for

    de nvel alto, o transistor BD139 entrar em conduo levando a tenso de 12V ao

    gatedo IRF840, fazendo-o entrar em conduo.

    Surgir ento 12V na bobina primria do transformador, que dobrar esta tenso

    em seu secundrio, j que a relao de transformao deste transformador de

    pulsos de 1:2. Quando houver nvel baixo em PINV-1 o transistor BC327 entrar

    em saturao, descarregando o capacitor no gatedo IRF840, fazendo-o entrar em

    corte.

    Assim que o MOSFET entrar em corte, a bobina dever desmagnetizar-se

    atravs dos trs diodos zener em srie, de 150V cada, assim a tenso de

    desmagnetizao ser de 450V, muito maior que a tenso dos pulsos, tendo-seassim, uma rpida desmagnetizao, permitindo-se razes cclicas bem altas. Note

    que o MOSFET dever suportar esta tenso, por isso foi usado um IRF840, que

    suporta tenses de 500V.

    No secundrio do transformador, quando houver pulso positivo o diodo na sada

    do enrolamento conduzir, carregando o capacitor de 47F via resistor de 1k e

    diodo 1N4148, travando sua tenso em 10V, graas ao zener 1N4740, assim, entre

    B1 e B2 tem-se: 24V - 10V - 2V = 12V.

    Na desmagnetizao, a tenso ser de 900V no secundrio, e far com que o

    transistor BC327 (PNP) entre em saturao por meio do divisor resistivo,

    descarregando o capacitor do gatedo MOSFET, enquanto o capacitor de 47F, far

    com que uma tenso negativa de -10V aparea entre B1 e B2, garantindo, assim, o

    corte das chaves. Os diodos zener 1N4747 garantiro uma proteo de tenso nas

    chaves, protegendo-as contra transitrios rpidos superiores a 20V.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    74/218

    72

    4.2.3 - Snubber

    Como este assunto j foi tratado na seo 3.2.2, passa-se diretamente ao

    clculo dos componentes para o mesmo. A seguir tem-se a Figura 36 com o snubber

    para as chaves do inversor:

    Figura 36 Snubberdas chaves do inversor.

    Agora adota-se os mesmos clculos anteriores dos snubbers, assim, para uma

    dissipao de 1,0W, e uma tenso do valor do pico de tenso do retificador como

    dobrador, que pode ser vista na seo 1.2.1.2, obtem-se uma resistncia de:

    kV

    R 1561

    395

    1

    22

    max

    Assim, utiliza-se uma resistncia de 150k. A seguir, calcula-se os capacitores

    para uma descarga mxima de 90%, segundo os mtodos utilizados anteriormente.

    F

    kC

    1,2

    9,0ln150

    3,33

    Foi deixada uma boa folga para o capacitor, e o diodo usado foi o UF4007, que

    suporta 700V de tenso reversa.

    4.2.4 - Funcionamento do Inversor

    A seguir simplifica-se o circuito do inversor, apenas para explicar o seu

    funcionamento, retirando-se os snubbers, circuitos para controle e proteo, bem

    como unindo componentes em srie e paralelo em um s.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    75/218

    73

    Figura 37 Circuito simplificado do inversor.

    Quando houver um pulso positivo em PINV-1, as chaves T1 e T4 sero

    fechadas, ento surgir a tenso do barramento DC em BRA1, e do terra em BRA2,

    e quando houver um pulso positivo em PINV-2 as chaves T2 e T3 sero fechadas,

    aparecendo a tenso do barramento DC em BRA2 e 0V em BRA1.

    Adotando BRA2 como referncia, e a tenso do barramento de 260V (apenas

    para explicar o circuito). Sempre que houver um pulso em PINV-1, tem-se em BRA1

    260V, e, quando houver um pulso em PINV-2, tem-se em BRA1 uma tenso de -

    260V, assim, obtm-se uma onda PWM de 30kHz (freqncia adotada para o

    inversor).

    A tenso mdia dessa onda PWM ser positiva sempre que a razo cclica de

    PINV-1 for maior que a de PINV-2, sendo mxima quando a razo cclica de PINV-1

    for mxima, e ser negativa sempre que a razo cclica de PINV-2 for maior que a

    de PINV-1, sendo mxima quando a razo cclica de PINV-2 for mxima. Sendo nula

    quando as duas razes cclicas forem iguais.

    Assim, pode-se controlar a tenso mdia da onda PWM, atravs dos pulsos de

    PINV-1 e PINV-2, de modo que este controle resulte em uma onda senoidal de

    60Hz, e 115VRMS. Da, o filtro se encarrega de transformar a onda PWM em uma

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    76/218

    74

    onda senoidal, filtrando as freqncias altas dos pulsos de 30kHz e deixando passar

    a senoidal de 60Hz, modulada.

    4.2.5 - Carga Proposta

    Para uma potncia de sada de 700W, e uma tenso RMS de 115V, pode-se

    facilmente calcular a corrente RMS para uma carga resistiva, atravs da equao de

    potncia para cargas puramente resistivas, a seguir.

    AV

    PI

    IVP

    RMS

    RMS

    RMSRMS

    086,6115

    700

    [Equao 67]

    Porm, nem todas as cargas so puramente resistivas, e um caso crtico,

    embora comum, o de um retificador como carga. Assim, supe-se um retificador

    como carga, com potncia de entrada de 700W, e ripplede 10%, com uma tenso

    de entrada estvel em 115V, como o caso da sada do no-breakprojetado. Tem-

    se, ento uma tenso de pico e uma tenso mnima de:

    VVV

    VV

    p

    p

    37,1469,0

    63,1622115

    min

    Assim, segundo a equao 8, a capacitncia para esta carga dever ser de:

    FVVfP

    Cp

    in 232237,14663,16260

    700222

    min

    2

    Adota-se para o capacitor da carga um valor de 2200F. Assim, atravs das

    equaes encontradas em [BOLOGNINI, 2004], pode-se calcular a corrente mxima

    que os indutores devero suportar:

    AV

    VI

    VmRCf

    VV

    R

    R

    p

    L

    p

    ripple

    48,6661,322

    211521

    115

    700

    221

    61,3289,182,2602

    2115

    2

    89,18700

    115

    max

    2

    [Equaes 68 e 69]

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    77/218

    75

    Da Equao 4 pode-se calcular o tempo de carga e, finalmente, atravs da

    equao 6, a corrente de carga:

    Ams

    Fi

    msf

    VV

    t

    chg

    p

    c

    56,31196,1

    )37,14663,162(2322

    196,1377

    9,0cos

    2

    cos 1min1

    Assim, pode-se utilizar estas cargas estimadas para clculos a seguir.

    4.2.6 - Dimensionamento das Chaves

    As chaves MOSFET usadas foram MOSFETs IRFP460, pois como a tenso

    mxima que as chaves devem suportar a tenso mxima do barramento, de quase

    400V, conforme visto na seo 4.2.3.

    E a corrente RMS na carga, para uma carga resistiva mxima ser em torno de

    6 A, calculado pela Equao 67, como cada uma das chaves conduzir durante

    apenas metade do tempo, tem-se uma corrente mdia nas chaves de:

    AImed 04,3

    2

    087,6 [Equao 70]

    Assim, para dar certa folga foram colocados dois MOSFETs IRFP460 em

    paralelo, cada um com uma corrente direta de 13A, a 100C, para uma corrente DC,

    como mostrado na Tabela 5. Considerando que esta capacidade devido ao efeito

    pelicular caia para 25%, tem-se uma corrente de 3,25A. Com os dois MOSFETs em

    paralelo tem-se uma corrente de 6,5A, suportando, ainda as estimativas, bem como

    uma margem de segurana.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    78/218

    76

    Tabela 5: Caractersticas do IRFP460

    4.2.7 - Clculo do Fil tro de Sada

    Para o clculo do filtro arbitra-se uma freqncia de corte de 500Hz (60 vezes

    menor que a freqncia da onda triangular), assim, pode-se calcular os valores de

    capacitncia e indutncia de modo a se obter este filtro. Primeiramente apresenta-se

    o clculo do LC.

    7

    22

    10013,15002

    1

    2

    1

    2

    1

    C

    C

    fCL

    CL

    f

    [Equao 71]

    Assim, ao utilizar dois indutores de 500 H, pode-se obter uma capacitncia de:

    FmL

    C 66,502

    10013,110013,1 77

    Utiliza-se 4 capacitores, e adota-se para cada capacitor de um valor de 16F,

    totalizando, assim, 64F, donde obtm-se a freqncia de corte de:

    HzmCL

    fC 85,444

    6422

    1

    2

    1

    Dada a corrente mxima encontrada atravs da equao 69 na seo 4.2.5,

    pode-se calcular a energia que o ncleo dever suportar, atravs da Equao 59.

  • 7/22/2019 Gilson 07 No Break

    79/218

    77

    JmiLEDind 21,248,661

    2

    1

    2

    1 22max

    A partir do clculo da energia, pode-se fazer a escolha do ncleo, considerando

    um fator de utilizao (ku) de 0,4, e uma variao de temperatura de 30C, o queleva a um kj de 397 segundo a Equao 48, ento tem-se um Ap segundo a

    Equao 60, de:

    4

    136,144

    197235,03974,0

    1021,22102cm

    Bkjku

    EAp

    z

    Assim, nota-se que no ser possvel a implementao desse ncleo, devido ao

    Apser muito grande, no estando disponvel no laboratrio um ncleo com esse Ap.

    Assim, a partir do ncleo EE65/33/26, conforme [DATASHEET EE65/33/26],encontra-se as seguintes condies: aumenta-se a freqncia de corte para 1681Hz,

    com os mesmos capacitores e propem-se uma carga com uma capacitncia de

    1000F. Recalcula-se ento, o ncleo.

    4

    136,144

    54,0

    22

    max

    99

    9

    22

    max

    28,3635,036,4644,0

    1071,762102

    36,4644035.63

    71,768,46702

    1

    2

    1

    14064

    1096,81096,82

    1096,816812

    1

    2

    1

    8,4674,712

    211521

    115

    700

    221

    63,15289,181602

    2115

    2

    cmm

    Bkjku

    EAp

    kj

    mJiLE

    HC

    L

    fCL

    AV

    VIi

    VmRCf

    VV

    z

    Dind

    ind

    C

    R

    p

    LD

    p

    ripple

    Para o ncleo EE 65/33/26, tem-se um Apde 36,28 cm4, Ae=5,25 cm e le=14,7

    cm. Calcula-se, agora, o fator de indutncia.

    2

    2242

    max

    2

    07,22071,762

    35,01025,5