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Prof. Yales Rômulo de Novaes UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PCE – Projeto de Conversores Estáticos Aula 2

PCE – Projeto de Conversores Estáticos Aula 2 · Retificadores com filtro capacitivo ... chaveado (Buck, boost, buck-boost) Características:

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PCE – Projeto de Conversores Estáticos

Aula 2

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● Introdução

● Estágio de entrada

● Retificadores com filtro capacitivo

● Monofásico convencional

● Monofásico dobrador

● Circuitos de pré carga

● Qualidade de energia

Tópicos

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Introdução

● Eletrônica de potência: trata do processamento de energia elétrica através de conversores estáticos.

● Ciência aplicada, multidisciplinar, envolve controle, isolação galvânica, eletromagnetismo (projetos de indutores transformadores, EMI), dimensionamento térmico, circuitos eletrônicos.

Diversas áreas de aplicação: fontes, inversores, retificadores, reguladores, filtros ativos, iluminação, geração de energia...

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Introdução

● Projetos de conversores estáticos

● Foco da disciplina em: conversores isolados c.c.-c.c.

● Aplicações típicas: fontes de alimentação, carregadores inteligentes, iluminação com led, etc.

● Necessidade de isolação por questões de segurança, a isolação básica para 184 < Vin < 354 é de 1,5kV RMS.

● UL1950, VDE0805 (EN60950, IEC950), and CSA C22.2, No. 950-95

● Transformador pode ainda ser usado para adaptar grande diferença entre tensões de entrada e saída.

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Introdução

● Estrutura típica de fontes de alimentação não-chaveadas monofásicas

● Características negativas:

● Transformador em baixa frequência, volume, peso, custo

● Regulador linear: perdas elevadas, eficiência baixa, volume de dissipadores considerável.

● Dificuldade de operação com tensão universal

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Introdução

● Possível alternativa para estrutura típica, com regulador chaveado

● Possibilidade de substituir o regulador linear por regulador chaveado (Buck, boost, buck-boost)

Características:

● Conversor isolado, eficiência alta, robustez elevada.

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Introdução

● Estrutura típica de fontes de alimentação monofásicas chaveadas

● Características principais

● Volume do transformador reduzido pela frequência de operação.

● Capacitor do barramento e retificador devem suportar tensão da rede comercial.

● Possibilidade de atender aos valores universais de tensão.

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RETIFICADOR

ESTÁGIO DE ENTRADA

● Retificador meia-onda: apresenta circulação de corrente c.c. (nível médio) na entrada. Seu uso deve ser evitado, limite de circulação de corrente c.c. em transformadores de distribuição é de 0,5%.

● Retificador de onda completa:

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RETIFICADOR

OPERAÇÃO EM REGIME PERMANENTE

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RETIFICADOR

OPERAÇÃO DURANTE TRANSITÓRIO DE PARTIDA

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RETIFICADOR

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00Tim e [m s ]

-375.00

-250.00

-125.00

0.00

125.00

250.00

375.00

Y1

[V]

-20.00

5.00

30.00

55.00

80.00

105.00

123.86

E1

.I [A

]

Simplorer1E1 Probe 0 ANSOFT

Curve Info Y Axis

E1.ITR E1.I

E1.VTR Y1

C1.VTR Y1

Transitório de carga com pequena ondulação de tensão.

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RETIFICADOR

Transitório de carga com circuito de pré-carga

0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 125.00 150.00 175.00 200.00Tim e [m s ]

-375.00

-250.00

-125.00

0.00

125.00

250.00

375.00

Y1

[V]

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

5.00

10.00

15.00

E1

.I [A

]

Simplorer1E1 Probe 0 ANSOFT

Curve Info Y Axis

E1.ITR E1.I

E1.VTR Y1

C1.VTR Y1

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RETIFICADOR

Transitório de carga com circuito de pré-carga

0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 125.00 150.00 175.00 200.00Tim e [m s ]

-375.00

-250.00

-125.00

0.00

125.00

250.00

375.00

Y1

[V]

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

5.00

10.00

15.00

E1

.I [A

]

Simplorer1E1 Probe 0 ANSOFT

Curve Info Y Axis

E1.ITR E1.I

E1.VTR Y1

C1.VTR Y1

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RETIFICADOR

circuitos de pré-carga

Circuito com NTC

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RETIFICADOR

I p=Vin pR

● A corrente de pico deve ser limitada para não danificar os diodos e o próprio capacitor.

● O resistor deve ser curto-circuitado, no momento adequado. Atenção com o segundo pico de corrente, que ocorre ao curto-circuitar o resistor.

0.33 25.00 50.00 75.00 100.00 125.00 150.00 175.00 189.01Tim e [m s]

-335.97

-250.00

-125.00

0.00

125.00

250.00

371.57

Y1

[V]

-60.00

-50.00

-40.00

-30.00

-20.00

-10.00

-0.00

10.00

19.59

E1

.I [A

]

Simplorer1E1 Probe 0 ANSOFT

Curve Info Y Axis

E1.ITR E1.I

E1.VTR Y1

C1.VTR Y1

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RETIFICADOR

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00Time [ms]

-375.00

-250.00

-125.00

0.00

125.00

250.00

375.00

Y1

[V]

-15.00

-10.00

-5.00

-0.00

5.00

10.00

15.00

E1

.I [A

]

Simplorer1E1 Probe 0 ANSOFT

Curve Info Y Axis

E1.ITR E1.I

E1.VTR Y1

C1.VTR Y1

● Além disso, a carga só deve ser conectada após a “retirada” do resistor de pré-carga do circuito.

● Outros componentes que auxiliam na redução da corrente de pré-carga (in-rush current): impedância da rede/transformador, resistência série do capacitor.

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RETIFICADOR

● Qualidade de energia

0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00Spectrum [Hz]

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

ma

g(E

1.I)

[A]

Simplorer1XY Plot 8 ANSOFT

Curve Info

mag(E1.I)TR

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RETIFICADOR

● Retificador dobrador

● Utilizado para manter aproximadamente a mesma tensão de barramento com tensões de 110V e 220V na entrada.

● Necessita de realização de conexão de ponto médio do barramento à fonte de entrada.

Fonte: curso de fontes chaveadas – INEP, I. Barbi, A.F. De Souza

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RETIFICADOR

● Tensão de saída média sofre pequena redução em comparação com operação normal.

● Durante esse modo de operação apenas 2 diodos são usados, porém a ondulação de tensão em cada capacitor é maior (2 retificadores de meia onda).

Fonte: curso de fontes chaveadas – INEP, I. Barbi, A.F. De Souza

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RETIFICADOR

Fonte: curso de fontes chaveadas – INEP, I. Barbi, A.F. De Souza

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RETIFICADOR

Cabe salientar que em diversas aplicações o conversor permite operação com tensão de entrada universal, não sendo necessário o uso de dobradores de tensão.

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RETIFICADOR

Fonte: curso de fontes chaveadas – INEP, I. Barbi, A.F. De Souza

Cálculo:

BARBI , Ivo. Projeto de Fontes Chaveadas, pgs 7-55Barbi, I. (2006), Eletrônica de Potência, 6 ed., Edição do Autor, pgs 247-269

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RETIFICADOR

Exercício:

1) Projetar o estágio de entrada de uma fonte chaveada (retificador com filtro capacitivo) para atender as seguintes especificações:

Tensão de entrada nominal: 220VPotência: 250 WOndulação da tensão e saída 10% do valor médio.

2) Realizar simulação numérica e obter:a) Corrente eficaz no capacitorb) Corrente média nos diodos

3) Realizar a escolha dos componentes reais

4) Calcular perdas nos diodos e no(s) capacitor(es).

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Revisão sobre retificadores:Comutação em retificadores

Este material foi elaborado com informações e algumas figuras obtidas

na referência [1]

(rev 5: 27/2/015)

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● Complementar informação sobre o funcionamento de retificadores

● Introduzir fenômenos de comutação

● Consolidar o conhecimento sobre a operação de diodos

Objetivos

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Fenômeno da comutação

● É comum a presença de indutância parasita na entrada de

retificadores (dispersão de transformadores, cabos).

● Se a indutância estiver em série com os diodos do retificador, esta

pode provocar uma redução no valor médio da tensão de saída devido

ao fenômeno da comutação (além da queda de tensão do próprio

indutor).

● O fenômeno está baseado no fato de que a variação de corrente em

uma indutância não é instantânea.

● Elementos parasitas são considerados à medida que a compreensão

de fenômenos importantes se faz necessária, níveis diferentes de

idealização são usados para aproximar da realidade a representação de

interesse.

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Fenômeno da comutação

Durante esta etapa o diodo D1

está conduzindo a corrente de

carga I. Esta etapa termina

quando o diodo D2 entra em

condução.

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Fenômeno da comutação

Esta etapa inicia quando a

amplitude da tensão V2 se

iguala à V1, colocando em

condução o diodo D2.

O indutor Lc impede a

anulação instantânea da

corrente, assim os diodos D1 e

D2 conduzem simultaneamente

iD1(ω t)+iD2(ω t)=I (ω t )

μIntervalo de tempo:

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Fenômeno da comutação

Esta etapa inicia com o

bloqueio do diodo D1

Durante este intervalo de

tempo o diodo D2 conduz toda

a corrente de carga I.

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Fenômeno da comutação

−v1(ω t)+vLC+vL(ω t )=0

v1(ω t )=Lcd i1(ω t)dt

+vL(ω t)

v2(ω t)=Lcd i2(ω t)dt

+vL(ω t)

d i1(ω t )dt

=v1(ω t )−vL(ω t)

Lc

d i2(ω t)dt

=v2(ω t )−vL(ω t)

Lc

Qual o impacto causado pela

comutação na tensão da carga?

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Fenômeno da comutação

i1(ω t)+i2(ω t)=I (ω t )

d i1(ω t )dt

+d i2(ω t )dt

=d I (ω t)dt

d I (ω t)dt

=v1(ω t )−v L(ω t)

Lc+v2(ω t)−vL(ω t)

Lc

d I (ω t)dt

=0

vL(ω t )=v1(ω t)+v2(ω t)

2

Tensão instantânea na carga

durante o intervalo de comutação

Fonte: [1]

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Fenômeno da comutação

vLc(ω t)=Lcd i2(ω t)dt

A tensão média na carga sofre uma redução, dada por:

V Lc=m2π

∫0

Iω Lc di2

V Lc=m⋅ω⋅LC⋅I

A queda de tensão é proporcional à:

● Corrente média na carga

● Indutância

● Número de pulsos deste tipo de retificador (m)

● Frequência angular (ω)

Fonte: [1]

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Fenômeno da comutação

Cálculo da duração do intervalo (ver Barbi, I. “Eletrônica de Potência”,

pg 123.)

μ=arccos (1−2ω⋅LC⋅I

√3⋅√2⋅Vo)

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Fenômeno da comutação

Exercício:

Seja um retificador trifásico com ponto médio com os seguintes

parâmetros.

Vinef=220VI=15 ALC=5mHfr=60Hz

a) Calcule a queda de tensão média provocada pela presença das

indutâncias.

b) Determine a duração da comutação

V L=m⋅ω⋅LC⋅I

2πμ=arccos (1−

2ω⋅LC⋅I

√3⋅√2⋅Vo)

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Fenômeno da comutação

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Fenômeno da comutação

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Fenômeno da comutação

Comutação no retificador ponte de Graetz

O retificador por ser considerado como uma associação

série de 2 retificadores de 3 pulsos.

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Fenômeno da comutação

A duração da comutação tem o mesmo valor do caso do

retificador 3 pulsos, portanto a equação abaixo é válida.

μ=arccos (1−2ω⋅LC⋅I

√3⋅√2⋅Vo)

A queda de tensão média ocorre tanto no grupo superior quanto no

grupo inferior.

Equação válida:

V Lc=3⋅ω⋅LC⋅I

π

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Fenômeno da comutação

Exemplo

Seja um retificador trifásico ponte de Graetz com os seguintes

parâmetros.

Vinef=220VI=15 ALC=5mHfr=60Hz

Resposta:V LC=27V

μ=26,5o

Portanto, o valor médio da queda do retificador em ponte

de Graetz tem o dobro do valor do retificador com ponto

médio.

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Atividades e comentários finais

Leitura sobre projeto de retificador com filtro capacitivo, incluindo

dobrador (Livro texto: projeto de fontes chaveadas) + capítulo sobre

comutação do livro “Eletrônica de Potência”, Ivo Barbi.

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Referência bibliográfica

[1] Barbi, I. “Eletrônica de Potência”, 6 ed. Edição do autor,

Florianópolis.