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7/22/2019 Gilson 07 No Break
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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
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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
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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
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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!
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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)
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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:
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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]
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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]
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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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]
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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
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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
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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:
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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
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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
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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.
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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
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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:
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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.
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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.
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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.
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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:
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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]
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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:
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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]
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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.
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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.
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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