PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁlaplima/ensino/tcc/concluidos/2018/... · 2018. 11. 21. · torno de 2 horas e 36 minutos, o prestador de serviços do exemplo citado,

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ

ESCOLA POLITÉCNICA

CURSO DE ENGENHARIA ELETRÔNICA

ERIC TAKASHI TAKARADA

RÔMULO FRANCISCO LEPINSK LOPES

PROJETO FÍSICO

NOBREAK CORRENTE CONTÍNUA

CURITIBA

2018

ERIC TAKASHI TAKARADA

RÔMULO FRANCISCO LEPINSK LOPES

PROJETO FÍSICO

NOBREAK CORRENTE CONTÍNUA

Trabalho apresentado ao curso de

graduação em Engenharia Eletrônica da

Pontifícia Universidade Católica do Paraná

como forma parcial de avaliação referente

à 2ª parcial da disciplina Trabalho Final de

Graduação II, para obtenção do título de

Engenheiro Eletrônico.

Orientador: Prof. Me. Janio Denis Gabriel

Coorientador: Prof. Me. Vilson Rodrigo

Mognon

Curitiba, 21 de novembro de 2018.

RESUMO

Este projeto propõe a construção de um nobreak de corrente contínua on-line

com uma topologia na qual busca-se reduzir o custo desse equipamento sem que sua

eficiência seja comprometida. Quando ocorre uma indisponibilidade momentânea de

energia na rede elétrica, o nobreak atua fornecendo energia proveniente das baterias

para que a carga consumidora permaneça ativa. O equipamento a ser desenvolvido

terá seu funcionamento simplificado utilizando apenas um estágio de conversão de

energia CA/CC, um controlador de carga para as baterias, um sistema acumulador de

energia feito por banco de baterias chumbo ácido e um conversor estabilizador de

tensão para garantir uma saída estabilizada buscando uma redução do custo do

dispositivo. O sistema é construído de forma a simplificar e minimizar a quantidade de

circuitos, o número de conversores e, consequentemente o volume do equipamento.

Todo o conjunto é controlado e supervisionado por um microcontrolador que

disponibilizará ao usuário informações como potência conectada na saída, autonomia

das baterias, indicador da presença de rede, sobrecarga e se o dispositivo está ativo

ou não. Os nobreaks são indicados para corrigir problemas de falha de energia como:

interrupção, queda de tensão, pico de tensão e outros. Este projeto está focado em

disponibilizar energia de forma ininterrupta para cargas consumidoras que possuem

fonte chaveada.

Palavras chave: Nobreak, Correção do Fator de Potência, Corrente Contínua,

On-line, Conversor.

Lista de Figuras

Figura 1 - Nobreak Comercial. .................................................................................. 10

Figura 2 - Nobreak Linha Interativa com Buck/Boost. ............................................... 13

Figura 3 – Nobreak Dupla Conversão. ...................................................................... 14

Figura 4 - Forma de Onda Nobreak Comercial. ........................................................ 15

Figura 5 - Esquema completo Nobreak CC. .............................................................. 16

Figura 6 - Conversor CA/CC. .................................................................................... 16

Figura 7 - Diagrama do Controlador PFC. ................................................................. 17

Figura 8 - Carregador das baterias. .......................................................................... 18

Figura 9 - Etapa do carregador. ................................................................................ 18

Figura 10 - Conversor de saída e proteções. ............................................................ 19

Figura 11 - Sinais de saída........................................................................................ 20

Figura 12 - STM32F103C8T6. ................................................................................... 21

Figura 13 - Sensor ACS712. ..................................................................................... 22

Figura 14 - Função de Transferência do ACS712. .................................................... 23

Figura 15 - Sensor de temperatura LM35 ................................................................. 23

Figura 16 - Taxas de descarga para bateria UP1290. ............................................... 24

Figura 17 - Faixa de temperatura para as baterias. .................................................. 26

Figura 18 - Nível de carga x Tensão em aberto. ....................................................... 26

Figura 19 – Grandezas medidas pelo microcontrolador. ........................................... 27

Figura 20 - Fluxograma do microcontrolador em regime inicial. ................................ 30

Figura 21 - Fluxograma do microcontrolador em regime permanente. ...................... 31

Figura 22 - Layout do circuito da fonte com conversor PFC. .................................... 36

Figura 23 - Placa do conversor Boost com PFC. ...................................................... 37

Figura 24 - Carregador de bateria analógico. ............................................................ 38

Figura 25 - Simulação Carregador de bateria analógico. .......................................... 39

Figura 26 – Esquemático do Carregador do banco de baterias. ............................... 40

Figura 27 - Board da placa do carregador de bateria. ............................................... 40

Figura 28 - Placa do carregador de baterias. ............................................................ 41

Figura 29 - Banco de bateria. .................................................................................... 42

Figura 30 - Funcão ISR. ............................................................................................ 43

Figura 31 - Função do Timer 0. ................................................................................. 43

Figura 32 - Função do Timer 1. ................................................................................. 44

Figura 33 - Circuito do conversor Buck. .................................................................... 45

Figura 34 - Formas de onda da simulação do conversor Buck. ................................ 45

Figura 35 - Formas de onda da saída da simulação do conversor Buck. .................. 46

Figura 36 - Potências da simulação do conversor Buck. ........................................... 46

Figura 37 - Circuito para isolar a parte de potência do conversor Buck. ................... 47

Figura 38 - Resposta do optoacoplador. ................................................................... 47

Figura 39 – Picos de tensão Vgs. .............................................................................. 48

Figura 40 – Picos de tensão Vds. .............................................................................. 48

Figura 41 - Código do PID ......................................................................................... 49

Figura 42 - Código para inicialização do ciclo de trabalho. ....................................... 49

Figura 43 - Modificações controle PWM .................................................................... 50

Figura 44 - Suavização do PWM. .............................................................................. 51

Figura 45 - Testes suavização. ................................................................................. 51

Figura 46 – Comportamento das modificações do circuito de controle. .................... 52

Figura 47 - Dimensões núcleo. .................................................................................. 53

Figura 48 - Medição do indutor. ................................................................................. 53

Figura 49 - Tensões no mosfet. ................................................................................. 54

Figura 50 - Sinal de saída do conversor Buck. .......................................................... 55

Figura 51 - Snubber .................................................................................................. 55

Figura 52 - Medição de tensão. ................................................................................. 56

Figura 53 - Medição de corrente ............................................................................... 56

Figura 54 - Esquema completo. ................................................................................ 57

Figura 55 – Placa do conversor Buck. ....................................................................... 57

Figura 56 - Montagem final e testes. ......................................................................... 58

Figura 57 - Esquemático do Conversor PFC. ............................................................ 68

Figura 58 - Cálculo do capacitor e do indutor. ........................................................... 68

Figura 59 - Cálculo do número de espiras. ............................................................... 69

Lista de Tabelas

Tabela 1 - Resultado do funcionamento da Fonte Chaveada como carga. ............... 34

Tabela 2 - Medidas da saída para diferentes cargas. ............................................... 59

Tabela 3 - Cronograma do Projeto. ........................................................................... 60

Tabela 4 - Tabela de Indisponibilidade Elétrica em Curitiba. .................................... 65

SUMÁRIO

RESUMO..................................................................................................................... 2

1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 8

2 DETALHAMENTO DO PROBLEMA .................................................................... 10

3 ESTADO DE ARTE .............................................................................................. 11

3.1 TIPOS DE NOBREAK ......................................................................................... 11

3.1.1 Linha Interativa ............................................................................................. 12

3.1.2 Dupla Conversão .......................................................................................... 13

3.1.3 Senoidal ......................................................................................................... 14

3.2 TIPOS DE SAÍDA E FORMATO DA ONDA ........................................................ 14

3.2.1 SENOIDAL PURA .......................................................................................... 14

3.2.2 SENOIDAL APROXIMADA OU SEMI-SENOIDAL ........................................ 15

4 PROPOSTA DO TRABALHO ............................................................................... 15

5 TECNOLOGIAS PREVISTAS ............................................................................... 20

5.1 MICROCONTROLADORES ............................................................................... 21

5.2 CONTROLADOR PFC ........................................................................................ 21

5.3 CONTROLADOR LIMITADOR DE CORRENTE ................................................. 22

5.4 SENSORES ........................................................................................................ 22

5.5 BATERIAS .......................................................................................................... 24

6 DETALHAMENTO DO PROJETO ........................................................................ 27

6.1 REGIME INICIAL ................................................................................................ 27

6.2 REGIME ESTACIONÁRIO .................................................................................. 30

7 TESTES E VALIDAÇÕES .................................................................................... 32

7.1 TESTE EM CAIXA PRETA ................................................................................. 33

7.2 TESTES EM CAIXA BRANCA ............................................................................ 33

8 ANÁLISE DE RISCOS .......................................................................................... 34

8.1 COMPRAS E ENTREGAS .................................................................................. 35

8.2 BATERIAS .......................................................................................................... 35

8.3 RISCOS ELÉTRICOS ......................................................................................... 36

9 IMPLEMENTAÇÃO DO PROTÓTIPO .................................................................. 36

9.1 CONVERSOR BOOST COM PFC CA/CC .......................................................... 36

9.2 CARREGADOR DE BATERIA ............................................................................ 38

9.3 BANCO DE BATERIA ......................................................................................... 41

9.4 MICROCOTROLADOR ....................................................................................... 42

9.5 CONVERSOR BUCK .......................................................................................... 44

10 ANÁLISE DOS DADOS ........................................................................................ 58

11 CRONOGRAMA DO PROJETO ........................................................................... 60

12 CONCLUSÃO ....................................................................................................... 61

13 REFERÊNCIAS .................................................................................................... 63

8

1 INTRODUÇÃO

A maioria das atividades desenvolvidas na sociedade moderna depende da

energia elétrica e por mais seguro e eficiente que o sistema de distribuição de energia

seja, está sujeito a falhas. Estas falhas podem causar prejuízos financeiros e em

alguns casos até levar à morte, como por exemplo os equipamentos médicos de

suporte a vida, que também são dependentes da energia elétrica para funcionar. O

gerador é um equipamento capaz de contornar a falha de indisponibilidade de energia,

porém utiliza combustíveis fósseis para atuar o que resulta na emissão de poluentes,

sem mencionar seu grande tamanho e elevado custo de aquisição, manutenção e

operação quando comparado a um nobreak.

Uma solução que pode ser utilizada para evitar a falta de fornecimento de

energia é a utilização de um nobreak. Este dispositivo eletroeletrônico é capaz de

armazenar a energia da rede elétrica em baterias e através de conversões fornece-la

ao equipamento consumidor no momento da indisponibilidade da rede ou de

oscilações que possam ocorrer e causar danos.

Os equipamentos consumidores são construídos para trabalhar em corrente

alternada (CA) e os nobreaks que existem em maioria no mercado fornecem uma

saída senoidal pura ou aproximada. Muitos equipamentos consumidores usuais como

computadores, notebooks, televisores e outros, possuem internamente fontes

chaveadas que recebem a corrente alternada e a transformam em corrente contínua

(CC).

O nobreak CC busca evitar o excesso e a ineficiência das conversões entre

corrente alternada e corrente contínua, de maneira a aumentar a eficiência e reduzir

o custo quando comparado com nobreaks convencionais. O dispositivo a ser

desenvolvido se enquadra na categoria nobreak on-line, fará apenas uma conversão

CA/CC com correção do fator de potência e disponibilizará uma saída CC. Dessa

forma, busca prolongar ao máximo a disponibilidade de energia das baterias para

funcionamento do equipamento consumidor.

Este documento está estruturado em nove seções, sendo a primeira o

detalhamento do problema, na qual se apresenta a razão para o desenvolvimento de

um nobreak CC. Na segunda seção, encontram-se os tipos e as características dos

nobreaks comerciais disponíveis no mercado. A terceira apresenta o detalhamento do

9

projeto para a solução do problema relatado. Já na quarta seção são expostas as

tecnologias previstas para o desenvolvimento. A quinta seção é constituída pelos

procedimentos de testes e validações dos objetivos propostos. A análise dos riscos

que engloba o projeto é apresentada na sexta seção. Na sétima seção é mostrado o

cronograma proposto para execução do projeto. A oitava seção apresenta uma

conclusão. E, finalmente, a nona e última seção diz respeito às das referências

utilizadas para a elaboração desse documento.

10

2 DETALHAMENTO DO PROBLEMA

Para iniciar esse trabalho toma-se como referência um perfil de utilização de

um nobreak que se encaixaria no projeto a ser desenvolvido.

Analisando um caso de um prestador de serviços que possua em seu escritório

os equipamentos [1] [2]:

• 1 computador = 250 Watts;

• 1 monitor LCD = 21 Watts;

• 1 roteador de internet = 9 Watts;

• 1 impressora multifuncional jato de tinta = 50 Watts;

Totalizando uma potência de 330 Watts. Supondo um fator de potência 0,8,

teremos uma potência aparente de 412,5VA. Simulando as informações desse caso

em um site de fabricante de nobreak, SMS, teremos a seguinte recomendação de

produto representada pela Figura 1.

Figura 1 - Nobreak Comercial.

Fonte: Site da SMS.

11

Observa-se que a autonomia deste nobreak é de 17 minutos, o que permite que

o usuário encerre e salve seu trabalho de forma segura. Em questão de valores, o

equipamento citado acima é encontrado no mercado custando em torno de R$269,60

a R$319,90. Caso o prestador de serviços precise que os equipamentos fiquem mais

tempo em funcionamento, será necessário um nobreak com maior capacidade

energética, banco de baterias, consequentemente o custo deste equipamento será

maior.

Verificando alguns valores de indisponibilidade elétrica na região de Curitiba no

site da ANEEL, dados de 2017, foi elaborada a tabela apresentada no anexo A. É

observado que a duração de interrupção de energia na região foi em média de 19:10

horas durante o ano, 4:47 horas por mês, com uma frequência de ocorrências em

média de 12,6 vezes por ano e 3,14 vezes no mês. Já a duração de máxima de

interrupção contínua foi em média de 2:36 horas.

Sendo assim, em uma situação de ausência de energia com uma duração em

torno de 2 horas e 36 minutos, o prestador de serviços do exemplo citado, teria 2 horas

e 19 minutos de ociosidade e consequentemente um determinado prejuízo.

A proposta desse plano de projeto é criar um nobreak CC on-line com correção

do fator de potência de custo reduzido em comparação com os nobreaks encontrados

no mercado atual. A eficiência desse dispositivo será mensurada medindo a corrente

e tensão de entrada, sendo assim possível obter o valor da potência consumida e a

potência disponibilizada na saída. É interessante ressaltar que algumas cargas podem

não funcionar em corrente contínua, pois foram projetadas para trabalhar em corrente

alternada a 50Hz ou 60Hz, inclusive em algumas topologias de fontes chaveadas.

3 ESTADO DE ARTE

3.1 TIPOS DE NOBREAK

Como já foi descrito, o nobreak é um dispositivo eletroeletrônico alimentado

pela rede elétrica que fornece energia para a alimentação da carga consumidora. O

nobreak é responsável por realizar a conversão da tensão AC da rede em tensão CC,

armazenando parte da energia em acumuladores, no caso as baterias. Quando ocorre

uma ausência na rede ou alguma falha elétrica nos limites de tensão, ele fornece essa

12

energia para carga. Existem algumas categorias de nobreak classificadas em off-line

e on-line.

Para o nobreak classificado como off-line é necessária a detecção da

indisponibilidade de energia na rede elétrica para que seu inversor funcione, assim

disponibilizando tensão alternada na saída do dispositivo. Devido a isso a carga

consumidora está sujeita a um pequeno instante de interrupção de sua alimentação

quando ocorre a transição de energia da rede para as baterias. Esse instante de tempo

pode variar de 2ms a 10ms [3].

Para o nobreak classificado como on-line não existe esse tempo de transição

quando ocorre uma indisponibilidade de energia, visto que seu inversor sempre está

ativo [3]. A seguir é explicado os tipos de nobreaks encontrados no mercado.

3.1.1 Linha Interativa

O nobreak linha interativa é classificado como Offline e é o tipo de nobreak mais

comum no mercado visto que seu custo é o mais acessível.

Este tipo de nobreak, representado pela Figura 2, é acionado quando ocorre

ausência de energia na rede elétrica fazendo com que a chave de transferência

presente em sua saída comute, acionando o inversor de frequência transformando a

tensão contínua disponibilizada pelas baterias em tensão alternada para as cargas

acopladas na saída [4].

13

Figura 2 - Nobreak Linha Interativa com Buck/Boost.

Fonte: Site http://www.upspower.co.uk/ups-topologies-an-introduction-comparison/.

Com esta topologia o valor dos limites da tensão de saída fornecida pela rede

pode ser ajustado dentro de determinados limites quando é utilizado um transformador

tipo BUCK/BOOST. Esses valores limitantes controlam o acionamento da chave,

podendo acionar o inversor não só quando ocorrer ausência de energia, mas também

quando a energia fornecida pela rede for menor do que o valor estipulado. Quando a

tensão fornecida pela rede está dentro dos limites dados pelo transformador, a chave

permanece ligada ao transformador permitido a circulação direta da corrente alternada

disponível da rede elétrica para a saída. Quando a tensão está fora dos limites, a

chave comuta acionando o inversor [3].

3.1.2 Dupla Conversão

O nobreak de dupla conversão, representado pela Figura 3, é classificado como

on-line, possui uma maior complexidade em relação a linha interativa e não possui

uma chave de transferência, o que faz com que a energia fornecida seja ininterrupta

por mais que ocorra ausência da energia da rede. A energia fornecida pela rede

14

elétrica é convertida de CA para CC por meio de um circuito retificador, depois passa

por um circuito responsável por carregar as baterias e logo após essa energia é

convertida novamente de CC para CA para ser disponibilizada na saída [3] [4]. Por

realizar a conversão da energia duas vezes a eficiência desse nobreak diminui,

convertendo energia potencial em calor.

Figura 3 – Nobreak Dupla Conversão.

Fonte: http://www.apc.com/us/en/faqs/FA157448/.

3.1.3 Senoidal

São os nobreaks que independentemente da sua classificação, interativa ou

dupla conversão, possui em sua saída um circuito que através de chaveamento é

capaz de construir um sinal senoidal puro e de fato fornece energia na saída com as

mesmas características de frequência e formato de onda que a concessionária

fornece. Sendo assim, este tipo de nobreak oferece aplicações a qualquer tipo de

carga com um alto fator de potência e qualidade de energia por fornecer um sinal sem

ruídos harmônicos que podem existir na rede.

3.2 TIPOS DE SAÍDA E FORMATO DA ONDA

3.2.1 SENOIDAL PURA

O formato de onda senoidal pura é ideal para qualquer tipo de carga, pois conta

com características de frequência e amplitude similar a fornecida pela concessionária

[5].

15

3.2.2 SENOIDAL APROXIMADA OU SEMI-SENOIDAL

Os nobreaks que possuem esta característica de formato de onda apresentam

um sinal que se aproxima de uma onda senoidal, parecida com uma onda quadrada,

porém é constituída por degraus. Este sinal permite o funcionamento dos

equipamentos, mas podem ocorrer picos abruptos e oscilações no fornecimento da

energia, e consequentemente causar danos ou o mau funcionamento de

equipamentos mais sensíveis e muitas vezes pode ocasionar a redução da vida útil

dos equipamentos que estão conectados a esta forma de alimentação [5]. A Figura 4

ilustra as duas formas de saída dos nobreaks comerciais.

Figura 4 - Forma de Onda Nobreak Comercial.

Fonte: Os autores, 2018.

4 PROPOSTA DO TRABALHO

O projeto do nobreak CC é idealizado de forma a ser um dispositivo do tipo on-

line, buscando menor custo e volume em comparação com os existentes no mercado,

fornecendo energia para equipamentos que possuam fontes chaveadas na forma de

corrente contínua, evitando assim uma conversão CC/CA desnecessária. A Figura 5

apresenta o diagrama de blocos do Nobreak CC.

16

Figura 5 - Esquema completo Nobreak CC.


A Figura 6 mostra a primeira etapa do diagrama de blocos que é um conversor

CA/CC composto por um filtro e uma fonte chaveada com controle do fator de potência

ativo, reduzindo assim os problemas gerados por fontes não lineares e contribuindo

para melhoria na qualidade de energia. O conversor é concebido para suportar

variações na tensão de entrada na faixa de 100VAC até 150VAC. Inicialmente a

potência prevista era de 1000 watts, devido uma mudança das baterias utilizadas para

o banco de baterias, a potência será de 1500 watts, continuando com a frequência de

chaveamento na faixa de 50KHz.

Figura 6 - Conversor CA/CC.


Os benefícios que podem ser obtidos com um sistema PFC (Power Factor

Correction) são ligados diretamente à qualidade de energia [6] e a consequentemente

a eficiência do nobreak CC.

17

A Figura 7 apresenta o esquema básico de implementação do controlador do

fator de potência. Para esse projeto foi escolhido o circuito integrado modelo UC3854

da Texas Instrument [7]. A topologia deste conversor é do tipo boost.

Figura 7 - Diagrama do Controlador PFC.

Fonte: Datasheet UC3854 – Texas Instrument.

Este conversor CA/CC irá fornecer na saída a tensão efetiva máxima de

214VCC de forma a suprir as necessidades de carregamento do banco de baterias.

Esse mesmo valor será disponibilizado ao conversor de saída, topologia BUCK, de

forma a reduzir a tensão para 165VDC, que é o equivalente a 116,7Vrms.

A princípio para o banco de baterias seriam utilizadas 12 baterias de 12V de

7Ah, porém devido questões de desenvolvimento como simplificação de topologia do

conversor CC/CC e ao range de tensão do banco de baterias optou-se na utilização

de 15 baterias de 12V de 9Ah.

Considerando que a tensão de cada bateria nunca seja superior a 14,26V e o

banco de baterias seja composto por 15 baterias. A potência consumida prevista deste

conversor é de 1500W, levando em consideração que a potência máxima necessária

para o carregamento das baterias seja de 383,4W e a potência de saída de 1117W,

será considerado uma potência nominal de saída de 1000W.

18

Na sequência a Figura 8 exibe o circuito de carregamento das baterias. Este

circuito é controlado pelo microcontrolador STM32F que busca controlar os

parâmetros de tensão e corrente de forma a preservar a vida útil das baterias [8].

Figura 8 - Carregador das baterias.


A fonte V2 representa uma saída analógica do microcontrolador utilizado, que

irá variar seu valor de tensão de acordo com a corrente medida por um sensor de

corrente colocado em série com o resistor R2. O resistor R2 por sua vez, representa

o banco de baterias. A seguir está a representação do sistema de carregamento das

baterias em forma de blocos, dada pela Figura 9.

Figura 9 - Etapa do carregador.


De acordo com o fabricante das baterias, recomenda-se que carga seja feita

com tensão fixa e corrente controlada. As especificações informadas referem-se as

19

células que constituem as baterias, sendo que cada bateria de 12V é formada pela

união de 6 células em série. Informações mais detalhadas sobre as baterias serão

apresentadas na Seção 5.5.

No último estágio, Figura 10, se faz necessário a estabilização da tensão que

será fornecida na saída do nobreak CC, as proteções e o controle para esta saída.

Todos estes procedimentos são monitorados e controlados pelo microcontrolador

STM32F conforme a ilustração.

Figura 10 - Conversor de saída e proteções.


O conversor de saída é do tipo BUCK e fornecerá a tensão na saída de

165VDC. O sistema de controle irá desabilitar a saída do nobreak em caso de curto

circuito, sobrecarga ou tensão mínima do banco de baterias. O microcontrolador é

responsável por fazer as leituras e o monitoramento do nobreak CC. Estas

informações serão disponibilizadas ao usuário. Toda a programação utilizada no

projeto será feita em linguagem C.

O nobreak CC terá em sua saída a forma de onda apresentada na Figura 11

(a). A Figura 11 (b) representa a fornecida na rede elétrica [9].

20

Figura 11 - Sinais de saída.


Como já mencionado, os nobreaks cuja saída é senoidal pura podem ser

aplicados em quaisquer tipos de carga, resultando em um alto fator de potência

quando a carga for puramente resistiva ou possuir um controlador de fator de potência

ativo. Para que o nobreak CC possa ser utilizado em cargas diferentes das fontes

chaveadas ou de resistores, se faz necessário uma etapa de chaveamento da sua

tensão de saída, algo que não está previsto nesse projeto.

5 TECNOLOGIAS PREVISTAS

O desenvolvimento do nobreak CC on-line será iniciado assim que as

simulações em softwares dedicados forem validadas, confirmando os valores e

resultados esperados de cada etapa. Conforme o diagrama de funcionamento do

nobreak, foi pesquisado algumas alternativas de tecnologias para serem utilizadas no

desenvolvimento do projeto e serão descritos na sequência.

21

5.1 MICROCONTROLADORES

Para a realização do controle e monitoramento do nobreak é necessário a

utilização de um microcontrolador que possua um processamento suficiente para

monitorar a energia presente na rede elétrica, realizar a conversão CC/CC, o controle

da saída do nobreak e controlar a corrente de carregamento das baterias de forma a

reservar sua vida útil. Foi analisado o microcontrolador Arduino Atmega 328P e o Arm

STM32F103C8T6. Entre eles optou-se por utilizar o STM32, representado pela Figura

12, no desenvolvimento do projeto por possui mais poder e velocidade de

processamento e por possuir um volume menor que o Arduino 328P. Também foi

optado por ser um desafio visto que este microprocessador não é apresentado durante

o curso de graduação. Os custos dos dois microcontroladores são próximos e ambos

estão disponíveis para serem utilizados.

Figura 12 - STM32F103C8T6.

Fonte: http://www.st.com/en/microcontrollers/stm32f103c8.html.

5.2 CONTROLADOR PFC

Como já mencionado, uma das características do nobreak é sua fonte com

controle do fator de potência, que utilizará em sua construção o circuito integrado

UC3854 da Texas Instrument. Este CI tem por função garantir o fator de potência

extremamente próximo a 1. Sua frequência de chaveamento é ajustável até 200Khz,

possui uma saída de driver amplificada de 1A, partida suave e pino enable/disable

além de proteções programáveis dos limites de corrente [7]. Como segunda opção

temos o circuito integrado NCP1653, que é o controlador da On Semiconductor [10],

suas características são similares ao componente da Texas, porém a disponibilidade

comercial do UC3854 é muito maior que o NCP1653.

22

5.3 CONTROLADOR LIMITADOR DE CORRENTE

Para a construção do carregador de baterias se faz necessário utilizar um

regulador de tensão fixa, porém ele deverá ser controlado para que permita a

passagem de corrente de forma a atender as especificações do projeto. Para esta

finalidade pode-se utilizar os reguladores ajustáveis LM1117, LM317 e até mesmo o

LM338. Como a corrente máxima que circulará pelo circuito é de 1,8A e a

disponibilidade comercial de todos os reguladores é muito similar, o componente que

será utilizado é o LM317 com encapsulamento TO-220.

Durante a análise do circuito e o estudo do datasheet do regulador LM317 foi

verificado que a queda de tensão máxima 40V sobre o componente é inferior a queda

de tensão que ocorrerá para o carregamento do banco de baterias pois a tensão do

banco de baterias trabalha de 165V a 214V, resultando em uma variação de 48V

Como opção ao regulador LM317 foram estudados os reguladores LR8K4,

LR12, TL783 e LM317HV que serão avaliados economicamente e na sequência em

simulações e testes físicos, se forem viáveis elegendo o regulador com o melhor custo

benefício para projeto.

5.4 SENSORES

Para medir a corrente de carga das baterias e a corrente fornecida na saída do

nobreak CC, optou-se por utilizar o sensor ACS712 devido a sua facilidade de

utilização e sua disponibilidade imediata. Esse sensor utiliza do efeito hall para realizar

as medições., representado na Figura 13. Esse sensor é capaz de realizar leituras de

corrente até ±20A contínuo, com sensibilidade de 100mV/A [11].

Figura 13 - Sensor ACS712.

Fonte: Site Baú da Eletrônica.

23

A saída desse sensor é um valor de tensão proporcional à corrente medida.

Para circuitos de corrente alternada, a saída do sensor será uma senóide de amplitude

proporcional a corrente consumida e com variação entre 0 e 5 volts, sendo o valor de

standby do sensor em 2,5V [11]. Como o microcontrolador só realiza leituras de 0 a

3,6V, o sinal resultante do ACS712 deve ser condicionado para atender essa

necessidade. A função de transferência do ACS712 é representada pela Figura 14.

Figura 14 - Função de Transferência do ACS712.

Fonte: Site Allegro Microsystems.

O sensor ACS712 será substituído por um resistor de shunt posteriormente

devido a finalidade do projeto ser a redução de custo de um equipamento nobreak.

Para a medição da temperatura será utilizado o LM35, representado na Figura

15. O LM35 possibilita realizar a medição da temperatura conforme sua tensão de

saída e responde na faixa de temperatura de -55ºC a 150ºC, com escala de 10 mV/ºC

[12].

Figura 15 - Sensor de temperatura LM35

Fonte: Site Baú da Eletrônica.

24

5.5 BATERIAS

Serão utilizadas no projeto 15 baterias UP1290 da Unipower, que possui as

especificações de 12V e capacidade de fornecer 9,0Ah. A previsão da autonomia do

nobreak é dada pela equação de potência em conjunto com a tabela da Figura 16 .

𝑃 = 𝑈 ∗ 𝐼

Supondo a carga do exemplo do prestador de serviços, 330Watts e

considerando que a tensão do banco, quando carregado 100%, é 214V, a corrente

consumida é de 1,55A, resultando em uma autonomia de aproximadamente 4,5 horas,

conforme destaque feito em vermelho. Na previsão de autonomia a plena carga,

1000Watts, a corrente consumida é de 4,69A, resultando em uma autonomia em torno

de 30 minutos e 1 hora, conforme destaque em amarelo.

Figura 16 - Taxas de descarga para bateria UP1290.

Fonte: Manual técnico UNIPOWER.

Como já mencionado, cada bateria de 12V é composta por 6 células em série.

Sendo considerado a bateria descarregada quando sua tensão é de 10,5V, ou seja,

1,75V/célula e bateria carregada quando 13,8V ou com 2,3V/célula. Considerando que

a queda de tensão de 13,8V para 10,5V caracteriza a descarga de 100% de sua

capacidade [13]. Para o projeto do nobreak CC consideramos que a bateria está

descarregada quando sua tensão é de 11V, desta maneira aumentamos a vida útil

das baterias.

O limite da corrente de carga deve ser mantido entre 0,1C e 0,20C, onde C

representa o valor nominal de corrente do acumulador, neste caso de 9Ah. Para a

tensão de carga o valor mínimo é de 14,10V e máximo de 14,40V. Utilizaremos a

tensão de 14,25V que é a ideal, de acordo com a Unipower.

25

Quando a bateria está submetida a flutuação os valores de tensão variam de

2,25V a 2,30V por célula, considerando um sistema de carregamento por tensão

constante e temperatura das baterias à 25ºC, conforme as informações do fabricante.

As especificações práticas obtidas no Reference Book Battery determinam que

quando em situações de descarga normais de trabalho, ou seja, 5% a 50% da

capacidade da bateria temos que:

• Tensão constante: 2.40 a 2.56V / célula.

• Limite de corrente: 10 a 15% da capacidade nominal.

• Tempo de carga: 10 a 18 horas. Caso a capacidade aparente da bateria

esteja diminuindo, deve-se aumentar o tempo de carga para 20 a 30

horas.

Quando em 50% a 100% da capacidade da bateria (situações de descarga

profunda) temos:

• Tensão constante: 2.45 a 2.50V/célula;

• Limite de corrente: 20 a 50% da capacidade nominal;

• Tempo de carga: 12 a 20 horas. Caso a capacidade aparente estar

diminuindo, deve-se aumentar o tempo de carga para 24 a 30 horas;

Quando está em carregamento contínuo e só atuará em caso de necessidade

(situação de flutuação) temos as seguintes especificações:

• Tensão constante: 2.28 a 2.30V/célula;

• Limite de corrente: 1 a 20% da capacidade nominal;

• Tempo de carga: continuo;

Com estas informações determina-se que o carregador deve respeitar os

seguintes critérios de trabalho:

• Tensão mínima do banco será de 165VDC, ou seja, 11V por bateria,

tensão máxima de 214VDC, sendo aplicados 14,26V por bateria;

26

• A variação da corrente de carga será entre 5% e 20% da corrente

nominal, ou seja, 450mA a 1800mA;

A temperatura ideal de operação das baterias é de 25°C, porém elas possuem

um range de operação específico para cada etapa de seu funcionamento,

representado pela Figura 17.

Figura 17 - Faixa de temperatura para as baterias.


A Figura 18 informa a o nível de carga da bateria quando não há dispositivos

acoplados em sua saída.

Figura 18 - Nível de carga x Tensão em aberto.


27

6 DETALHAMENTO DO PROJETO

O projeto terá seu funcionamento baseado na gerência realizada pelo

microcontrolador STM32F103C8T6 no qual monitorará diversas etapas para um

correto e eficiente funcionamento do nobreak CC. A Figura 19 representa as

grandezas das medições que o microcontrolador deve monitorar em cada etapa do

projeto.

Figura 19 – Grandezas medidas pelo microcontrolador.


Informações como nível do banco de baterias, indisponibilidade da rede

elétrica, subtensão e sobretensão serão disponibilizadas ao usuário por meio de

LED’s indicadores. Algumas das grandezas são monitoradas apenas para o

gerenciamento do nobreak.

6.1 REGIME INICIAL

Em regime inicial ao ligar o nobreak CC, o microcontrolador é alimentado

inicializando seus circuitos de gerenciamento, processadores e periféricos para poder

monitorar algumas etapas antes de entrar em regime de funcionamento permanente.

Primeiramente o STM32 irá verificar as condições do banco de baterias e depois a

situação da rede elétrica, se está entre o limite superior e inferior. Esse projeto possui

sua saída desabilitada como default. O conversor BUCK é iniciado e sua tensão

também será monitorada. Esta tensão será fornecida à saída somente após as

verificações iniciais.

28

Para o banco de baterias será realizado medidas de temperatura e de seu nível

de carga que, deve possuir no mínimo 50% de carga (189VDC) para disponibilizar

uma autonomia mínima, caso a rede elétrica não esteja presente.

A temperatura do banco de baterias será monitorada pois ela se relaciona com

desempenho e a vida útil das baterias. Caso ocorra o aquecimento indevido haverá

um LED informando sobre e a saída será desabilitada como forma de proteção.

Caso a temperatura do banco esteja superior à 40°C, determina-se que há

algum problema que deve ser levado em consideração pois as baterias em condições

normais de funcionamento não devem possuem elevadas temperaturas, desse modo

a saída do nobreak permanece desabilitada, quando em processo de carga ou

flutuação. A temperatura pode atingir até 50°C quando em processo de descarga.

Inicialmente o nível de carga do banco de baterias será monitorado através de

sua tensão, posteriormente será considerado a relação tensão 𝑥 corrente exigida por

uma carga, observando a queda da tensão do banco para um determinado tempo,

sendo possível indicar informações mais precisas sobre o nível de carga do banco

pois as baterias podem apresentar uma tensão quando não possuem carga acoplada

e outra quando acoplada.

O monitoramento de tensão se dá por meio de um divisor resistivo que

condiciona os valores de tensão do banco em valores que serão lidos na porta

analógica do microcontrolador. A medição de corrente do banco será fornecida pelo

sensor de corrente ACS712, indicado o fluxo de corrente através das baterias. O

conjunto de valores da tensão e da corrente das baterias, são utilizados pelo STM32

gerenciar o carregamento conforme as especificações técnicas explicadas na Seção

6.2.

Para realizar a medição da tensão fornecida pela rede elétrica é necessário

reduzir a tensão, pois a entrada analógica do STM32 que será utilizada para fazer a

leitura só funciona entre 0V a 3,6V. Sendo assim é necessário condicionar o sinal

proveniente da rede de modo a atenuar seu valor.

O sinal da rede será retificado e terá um resistor limitador de corrente para

carga de um capacitor eletrolítico de filtro. O valor de tensão sobre este capacitor é

aplicado em um divisor resistivo de forma que, sobretensão rms representa 3,2V e

29

2,81V que representa subtensão. O valor de sobretensão e subtensão considerados

são RMS, porém os valores medidos serão de pico, logo se faz necessário uma

consideração via firmware.

Caso ocorra a indisponibilidade da rede elétrica ou subtensão na rede, e o

banco de baterias esteja com no mínimo 50% de carga o nobreak CC irá habilitar a

saída para fornecer energia aos dispositivos acoplados, sinalizando o status e a

utilização do banco. Caso a rede elétrica esteja disponível e as baterias estiverem

com uma temperatura de acordo, o nobreak CC parte para o funcionamento em

regime estacionário sinalizando a situação. Se na rede estiver disponível uma tensão

acima da especificada, é caracterizado sobretensão, o nobreak irá habilitar a saída e

sinalizar esse status.

O projeto possuirá dois LEDs dual color, um verde e azul, outro amarelo e

vermelho. Para o primeiro LED a luz verde representa se a presença da rede elétrica,

quando ocorre ausência de energia, a luz azul é acesa ao invés da verde,

representando falta da energia. O segundo LED representa o status da rede elétrica,

sendo vermelho para indicar sobretensão e amarelo para quando a rede apresenta

subtensão.

A energia proveniente da rede elétrica alimenta o conversor Boost para dar

sequência ao projeto do nobreak CC.

Para conversor Boost, assim como para o monitoramento da rede, é necessário

um condicionamento de seu sinal de saída para ser monitorado pelo ADC. A saída do

conversor Boost é de aproximadamente 214V.

O conversor Boost fornecerá energia para a recarga do banco de baterias e

paralelamente à saída do nobreak. Caso ocorra ausência ou insuficiência da rede

elétrica o banco é utilizado para manter a alimentação da saída. Esse conversor é

projetado para ter em sua saída uma potência de 1500W. Não existe tempo de

transferência entre o conversor e o banco de baterias para fornecimento de energia

para a saída.

Após as verificações do estado da rede e do banco de baterias a tensão irá ser

estabilizada no valor de 165VDC pelo conversor Buck, conversor este que é

controlado pelo STM32. Este conversor terá um sensor de corrente e tensão

30

conectados a saída, que fornecerão informações para o ajuste do duty-cyle, controle

e atuação das proteções de potência excessiva e curto circuito.

O fluxograma do processo do microcontrolador em regime inicial é

representado pela Figura 20.

Figura 20 - Fluxograma do microcontrolador em regime inicial.


6.2 REGIME ESTACIONÁRIO

Para o regime estacionário o microcontrolador entrará em um loop no qual

realizará medições constantes para monitorar os estados do nobreak. Inicialmente

será monitorado a rede elétrica, em seguida o banco de baterias e por último a saída

do nobreak. A Figura 21 representa o fluxograma do microcontrolador em regime

permanente.

31

Figura 21 - Fluxograma do microcontrolador em regime permanente.


Saindo do regime inicial a rede elétrica começa a ser monitorada levando em

consideração sua tensão de operação, seus limites de trabalho e se há a sua

ausência, sinalizado o status da rede elétrica.

Paralelamente ao monitoramento da rede elétrica, o nível de carga do banco

de baterias é monitorado. Se o banco estiver 100% carregado o circuito responsável

por carregar as baterias manterá a tensão e corrente de flutuação já mencionadas na

Seção 5.5.

O circuito para o carregamento das baterias é comandado por uma saída

analógica do microcontrolador, de forma a controlar a corrente de acordo com as

informações de carregamento já mencionadas também na Seção 5.5. O nível da carga

32

das baterias será representado por 5 LEDs, cada um representando 20% de carga na

qual quando todos acesos totalizam 100% de carga.

A temperatura do banco de baterias será monitorada pelo sensor LM35 e terá

como parâmetros de intervenção no funcionamento os valores de temperatura

informados na Figura 17, Seção 5.5. Caso a temperatura esteja fora dos limites,

quando no processo de carga ou descarga, o microcontrolador irá desabilitar a saída,

interromperá o processo de carga e sinalizará o problema acionando o LED que

representa a proteção do nobreak.

Na saída do nobreak será utilizado um conversor Buck para realizar o controle

da tensão de saída, mantendo no valor fixo de 165VDC independentemente de

variações que possam ocorrer no banco de baterias, quando a rede está ausente.

No monitoramento da saída na qual é verificado o valor da tensão e corrente,

calcula-se a potência disponibilizada. Caso seja acoplada uma carga consumidora

maior que 1000W, valor para qual o nobreak CC foi projetado, a potência exigida na

saída será elevada, sobrecarregando a saída.

Se a potência de saída for 125% do valor nominal, durante 25 segundos, a

saída é desabilitada como forma de proteção pois os componentes do nobreak podem

ser comprometidos. Se a corrente de saída for 200% o valor da corrente nominal,

durante 5 ciclos da rede (em torno de 85ms), o microcontrolador desabilitará a saída

pois é interpretado essa corrente excessiva como um curto circuito na saída.

7 TESTES E VALIDAÇÕES

Os testes e validações do projeto serão realizados em partes de forma a reduzir

problemas futuros de mau funcionamento ao implementar o projeto como um todo. Os

resultados obtidos serão utilizados para validação dos objetivos do projeto.

Os circuitos que compõem a parte do hardware serão submetidos a testes de

desempenho com cargas não lineares acopladas observando assim o comportamento

do sinal de saída. Será verificado se a correção do fator de potência influencia, ou

não, na eficiência desses circuitos.

33

Os testes e validações para a parte do firmware serão realizados levando em

consideração os valores das leituras realizadas pelos sensores de corrente e de

tensão, conferindo os resultados com voltímetro e amperímetro para validação dos

dados obtidos pelo microcontrolador.

7.1 TESTE EM CAIXA PRETA

Para o usuário do nobreak CC ter o equipamento que está acoplado na saída

em funcionamento é fator principal quando a rede elétrica está ausente, subtensão ou

sobretensão. Os LEDS indicativos devem informar o status da rede elétrica, do nível

de bateria, da proteção se ativa e da utilização do banco de baterias caso a rede

elétrica estiver ausente.

Será testado cargas maiores do que 1200W para verificar se a proteção atua

quando a potência estiver igual ou superior a 125% o valor da corrente nominal, assim

como quando ocorrer curto circuito na saída.

Em relação ao tempo de autonomia do nobreak será verificado para

determinadas cargas padrões de modo a construir uma tabela com valores estimados.

7.2 TESTES EM CAIXA BRANCA

Analisando o nobreak CC pelo ponto de vista do sistema deve-se levar em

consideração se uma fonte chaveada projetada para ser alimentada com tensão AC

realmente funcionará com quando é aplicada em sua alimentação uma tensão DC.

Desse modo realizou-se um teste inicial na qual foi utilizado um varivolt

(equipamento que fornece tensão alternada variável), em conjunto com uma ponte

retificadora e banco de capacitores, obtendo assim uma saída em tensão contínua.

Foram alimentadas fontes chaveadas de computadores e periféricos como impressora

e roteadores a esta tensão DC. Para comprovar o funcionamento correto das fontes,

também foi aplicada uma carga em sua saída. A Tabela 1 mostra os resultados

obtidos.

34

Tabela 1 - Resultado do funcionamento da Fonte Chaveada como carga.

Tensão AC

Tensão pico DC

Carga Resultado

81,3V 115V 7A e 0,13A

Fontes ATX não respondem, 1 fonte HP funciona irregular as outras não respondem.

100V 141,42V 7A e 0,13A

Fonte ATX Wise responde irregular e as fontes dos periféricos respondem irregularmente.

106,06V 150,00V 7A e 0,13A

Fontes ATX respondem irregularmente e fontes dos periféricos respondem regularmente.

115V 162,63V 7A e 0,13A

Fontes ATX respondem regularmente e as fontes dos periféricos regularmente.

120V 169,0V 7A Fontes ATX respondem regularmente e as fontes dos periféricos regularmente.


Foi observado que as fontes chaveadas com carga funcionam perfeitamente

quando o valor da alimentação em DC igual ou superior à tensão de pico igual

correspondente a 115VAC (rms). Desta forma é comprovado que o nobreak CC pode

atender esta demanda de equipamentos.

As fontes testadas são de marcas comuns encontradas no mercado e não

possuem PFC. Suas potências declaradas são de 200W à 250W. No decorrer do

projeto serão testadas fontes ATX com controle do fator de potência e fontes com

maior potência.

8 ANÁLISE DE RISCOS

Em relação do projeto como um todo, observamos que há a possibilidade de

não que o nobreak não forneça o mesmo rendimento que os encontrados no mercado.

Desta forma, buscamos contornar essa possibilidade utilizando componentes de boa

precisão e qualidade, de modo a procurar alcançar os resultados conforme as

simulações.

A utilização de componentes precisos e de boa qualidade é outro fator que

fornece o risco de que o nobreak possua um custo elevado no final do

desenvolvimento, o que vai contra um dos objetivos propostos. Outro aspecto que

deve ser observado é o modelamento dos componentes utilizados nas simulações,

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35

pois os resultados das simulações podem não condizer totalmente com os resultados

reais que serão obtidos.

8.1 COMPRAS E ENTREGAS

Buscando evitar que ocorram situações de indisponibilidade de componentes

eletrônicos ou atrasos em entregas, todas as aquisições serão feitas em quantidades

diferentes da unitária quando o custo permitir. Caso não possa ser adquirido um

componente ou este venha a sofrer atrasos que prejudicarão o andamento do projeto,

será usada a segunda opção do componente, conforme o descritivo já feito na

previsão de tecnologias.

8.2 BATERIAS

As baterias utilizadas são do tipo VRLA (valve-regulated lead-acid) ou bateria

de chumbo ácido regulada por válvula. Este modelo é construído de forma que seja

evitado vazamento do eletrólito em qualquer posição exceto de cabeça para baixo. No

processo de carga/descarga irá ocorrer a liberação de vapores ácidos que são

controlados pelas válvulas, sendo necessário que nos momentos da realização de

testes, seu manuseio seja feito em local ventilado para evitar possíveis danos. Em

caso de vazamento do eletrólito, deve-se isolar a área e limpar todo o líquido de

acordo com as normas do laboratório.

Destaca-se a utilização de baterias chumbo-ácido, muito utilizada no comércio

e também em aplicações como o nobreak. Como esse tipo de bateria é muito utilizado,

é necessário um local correto para seu descarte que esteja em conformidade com as

resoluções da legislação ambiental. A vida útil de baterias VRLA é em torno de 5 anos.

O descarte correto deve ser realizado em postos de coleta específicos ou diretamente

com o comerciante/fornecedor da bateria, na qual as destinam para as fábricas de

origem onde são submetidas à um processo de reciclagem e descarte correto de seus

resíduos. Segundo a resolução CONAMA 401/08 os comerciantes/fornecedores são

obrigados a receber as baterias descartadas, sendo facultativo a coleta de baterias de

marcas que não são comercializadas pelo estabelecimento [14].

36

8.3 RISCOS ELÉTRICOS

Os níveis de tensão em corrente contínua são consideráveis, visto que o banco

de baterias e os conversores CC/CC trabalham com tensões próximas à 180VCC,

deste modo deve ser tomada devidas precauções para evitar choques elétricos. Deve-

se também sempre revisar as conexões e ligações elétricas que envolverem o banco

de baterias, já que os acumuladores podem fornecer 90Ah em situação de curto

circuito.

9 IMPLEMENTAÇÃO DO PROTÓTIPO

A construção do projeto foi realizada em módulos de forma a apresentar os

blocos funcionais de cada parte constituinte projeto, inicialmente validando o

funcionamento individual e após o funcionamento em conjunto.

9.1 CONVERSOR BOOST COM PFC CA/CC

O conversor Boost com PFC foi confeccionado no início do projeto. O memorial

de cálculos para seu desenvolvimento e seu esquemático estão situados no Anexo B.

A Figura 22 apresenta o layout da placa do conversor com PFC.

Figura 22 - Layout do circuito da fonte com conversor PFC.


37

A Figura 23 mostra a placa do conversor Boost com PFC após ser

confeccionada e montada. Foram realizados diversos testes, porém não foi obtido um

resultado satisfatório com a necessidade do projeto. No decorrer dos testes, observou-

se a existência de sinal PWM na frequência correta e com o ciclo de trabalho

esperado, porém não houve uma variação do ciclo de trabalho em função da variação

da tensão de saída.

Figura 23 - Placa do conversor Boost com PFC.


Diversas tentativas de correção da placa foram realizadas até sua queima.

Como o conversor Boost com PFC da entrada é um elemento de desenvolvimento

complexo e não essencial à função principal do nobreak, por indicação do professor

orientador, sua implementação foi postergada para não comprometer o

desenvolvimento das etapas críticas da funcionalidade de um nobreak.

Devido as dificuldades encontradas no desenvolvimento do conversor Buck de

saída, não foi houve tempo hábil para retomar o desenvolvimento do conversor PFC.

38

9.2 CARREGADOR DE BATERIA

Inicialmente o carregador de baterias seria controlado pelo microcontrolador.

Com o desenvolvimento dos módulos do projeto, foi decidido que o carregamento das

baterias deixaria de ser microcontrolado e passaria a ser analógico, tendo uma

resposta mais rápida e deixando os módulos do projeto mais independentes. A

corrente máxima permitida para carga das baterias para este circuito é de 1.9A.

O circuito apresentado na Proposta do trabalho, Figura 8, foi alterado pelo

circuito apresentado pela Figura 24.

Figura 24 - Carregador de bateria analógico.


A corrente que é fornecida para o banco de baterias é regulada constantemente

pela queda de tensão no resistor R4, quando esta queda de tensão é de

aproximadamente 690mV, o transistor bipolar Q2 entra em condução, diminuindo a

tensão na base do transistor mosfet M2 e limitando a corrente fornecida ao banco de

baterias.

O circuito desenvolvido possui funcionamento independentemente da tensão

de entrada, sendo apenas necessário ajustar o resistor R4 de forma a obter a corrente

que se deseja como limite máximo. Desta forma o circuito pode ser ajustado para

qualquer tamanho de banco de baterias, bem como qualquer valor de corrente

máxima.

39

Conforme a simulação representada pela Figura 25, a curva vermelha é a

potência dissipada sobre o mosfet que corta a corrente fornecida para a bateria, já a

curva verde é a que representa a corrente que fluirá para a bateria. Deste modo, as

curvas de carga da bateria, demonstram que a corrente segue constante, mesmo que

a bateria solicite uma corrente maior da fonte PFC.

Figura 25 - Simulação Carregador de bateria analógico.


O esquemático do circuito carregador das baterias é apresentado na Figura 26.

Neste circuito, a potência fornecida pelo conversor PFC é disponibilizada ao circuito

limitador de corrente, destacado pela letra A. Este circuito é responsável por manter a

corrente de carga das baterias de forma constante e respeitando os limites já

abordados anteriormente. O diodo D3 tem a função de realizar um by-pass onde

permite que a opção com maior tensão entre a fonte PFC ou o banco de baterias

forneça energia, a corrente I2 (destacada) circulará para a SAIDA BUCK.

Quando ocorrer uma variação na tensão da rede ou a interrupção da tensão da

rede, a corrente I1 e I2 são interrompidas e I3 irá circular, fornecendo energia para o

conversor BUCK. Com este sistema bypass, aplicamos o conceito de nobreak on-

line, sem que ocorram transições quando em queda ou variações na rede elétrica.

40

Figura 26 – Esquemático do Carregador do banco de baterias.


O board da placa para o carregador do banco das baterias é apresentado pela

Figura 27.

Figura 27 - Board da placa do carregador de bateria.


O transistor mosfet e o diodo utilizados no circuito do carregador de baterias,

Figura 28 , ambos de encapsulamento TO-220 são montados com um dissipador de

calor e estão expostos a ventilação forçada para não superaquecer.

41

Figura 28 - Placa do carregador de baterias.


9.3 BANCO DE BATERIA

No primeiro processo de carga, utilizando a placa de controle para o carregador

de baterias, o banco de baterias atingiu 210V com 79,7mA, conforme a Figura 29. O

tempo do carregamento foi de 20h ininterruptas. Simulando o conversor Boost com

PFC que iria fornecer 214VCC ao carregador de bateria, foi utilizado um varivolt em

conjunto com uma ponte retificadora de 35A, modelo KBPC3510, e um capacitor

eletrolítico de 3300uF/400V.

42

Figura 29 - Banco de bateria.


Como as baterias utilizadas durante os testes do conversor Buck são

seminovas, adquiridas por meio da doação da Pontifícia Universidade Católica do

Paraná, a tensão do banco era constantemente monitorada e sempre deixada o mais

próximo possível do valor de 214V, conforme as características do projeto inicial.

Após diversos testes com o conversor Buck, foi necessário um novo processo

de carga. O processo foi de 7+7 horas, sendo interrompido devido ao horário de

utilização dos laboratórios da universidade.

9.4 MICROCOTROLADOR

Para a implementação do firmware foi utilizado IDE AVR Studio para

desenvolvimento dos códigos e o programa SinaProg para gravar o firmware no

microcontrolador ATmega328P.

O Timer0, 8 bits, é responsável por monitorar a leitura dos ADC utilizados. As

leituras são realizadas a cada 1 milissegundo. A Interrupção é dada pela função ISR,

Figura 30, na qual ativa a flag de conversão do ADC (ADCRA_ADSC) e o pino 2 do

PORTD, responsável por setar a interrupção.

43

Figura 30 - Funcão ISR.


O TCCR0A é responsável por configurar o modo de operação do timer, em

contador, PWM, Fast-PWM ou CTC e também habilitar os pinos de saída do timer. Já

o TCCR0B, seta o prescaler, que é o valor que divide o clock do ATmega328P

(16MHz) para fornecer uma frequência desejada para o timer.

Figura 31 - Função do Timer 0.


Para o chaveamento do conversor Buck, inicialmente foi utilizado o Timer0, de 8

bits, para gerar os 30KHz, porém foi necessário a redução da frequência para 15KHz,

deste modo foi necessário a utilização do Timer1, representado pela Figura 32, é um

timer de 16bits, para compor a frequência desejada pois com o timer de 8 bits não foi

possível alcançar a frequência desejada. A redução da frequência de chaveamento e

as ações do microcontrolador com o conversor Buck serão explicadas na Seção 9.5.

44

Figura 32 - Função do Timer 1.


Na função do Timer1 é habilitado um Fast-PWM com as saídas A e B

habilitadas. O ICR1 é utilizado para definir o valor máximo do PWM, 1024, que é o

valor do ADC que realiza a leitura do conversor Buck e resulta em uma frequência de

15KHz.

9.5 CONVERSOR BUCK

Para o conversor de saída foi necessário calcular e confeccionar um indutor

para atender as necessidades do circuito Buck. Tendo uma tensão de entrada de 214V

e o objetivo de ter uma saída de 165V, o valor calculado do indutor é de 1.598mH e o

capacitor de 1.267µF. A Figura 33 apresenta o circuito do conversor Buck, os cálculos

estão situados no memorial de cálculo no Anexo B.

45

Figura 33 - Circuito do conversor Buck.


Na simulação foi utilizado capacitor de 8µF pois é o valor real mais próximo

utilizado. Os resultados da simulação estão representados na Figura 34.

Figura 34 - Formas de onda da simulação do conversor Buck.


O primeiro gráfico apresenta a tensão de saída, o segundo apresenta a corrente

do indutor junto com a tensão entre dreno e source do mosfet. A última forma de onda

apresenta a tensão no gate do mosfet.

46

A Figura 35Figura 34 apresenta as formas de onda da tensão de saída, corrente

no resistor e a potência da saída respectivamente. Na simulação a potência da saída

não confere com o esperado na prática.

Figura 35 - Formas de onda da saída da simulação do conversor Buck.


A potência dissipada no mosfet é representada no primeiro gráfico da Figura

36, o segundo gráfico apresenta a potência no diodo e o último, a potência no indutor.

Figura 36 - Potências da simulação do conversor Buck.


Na implantação do conversor Buck utilizou-se um optoacoplador em conjunto

com um transistor NPN na entrada do circuito para isolar o microcontrolador da etapa

47

de potência, conforme Figura 37. Foram realizados testes com diversos

optoacopladores, o que melhor respondeu à frequência de 30kHz foi o 6N135.

Figura 37 - Circuito para isolar a parte de potência do conversor Buck.


A resposta e entre o sinal de PWM do microcontrolador e o sinal PWM que o

mosfet receberá é representada pela Figura 38.

Figura 38 - Resposta do optoacoplador.


48

Nos gráficos, o sinal em amarelo é gerado pelo microcontrolador e o sinal em

verde é o recebido pelo mosfet. Existe defasagem entre os sinais, o que pode ser

observado comparando-se o ciclo de trabalho das duas ondas. Foi obtido a mínima

defasagem possível ajustando-se os resistores utilizados.

Durante os testes foi observado picos indesejáveis de tensão entre o gate e o

source do transistor. A tensão Vgs máxima é de aproximadamente 20V e estes picos

ocasionavam a queima do mosfet, representado pela Figura 39

Figura 39 – Picos de tensão Vgs.


Buscando eliminar estes surtos de tensão, foi inserido um diodo supressor entre

o dreno e o source, de modo que o diodo limite a tensão e evite a queima do transistor.

Outros surtos indesejáveis foram observados entre dreno e source do mosfets,

a tensão Vds no instante do chaveamento teve picos de até 400V, com duração

aproximada de 1us. Após a implementação de um circuito amortecedor ou snubber, a

tensão Vds durante o chaveamento foi reduzida a valores mínimos. Os picos de

tensão entre o dreno e o source são observados na Figura 40.

Figura 40 – Picos de tensão Vds.

49


Para a obtenção dos 165VDC na saída do conversor Buck é necessário que o

ciclo de trabalho do PWM esteja em torno de 77%. Para esse controle foi desenvolvido

um código de controle PID no microcontrolador. O microcontrolador faz a aquisição

da tensão de saída através do ADC 3 e realiza operações internas ele gerencia a

largura do pulso do PWM de forma a obter a tensão de saída desejada.

Quando a tensão de saída sofre alguma variação o controlador PID busca

estabiliza-la e corrigir o erro da forma mais rápida possível. Todo este conjunto busca

fornecer na saída uma tensão estabilizada.

Figura 41 - Código do PID


Quando é iniciado pela primeira vez o circuito Buck, o microcontrolador irá

modificar a largura de pulso de forma suave, simulando um soft starter e evitando que

ocorra a circulação de correntes elevadas instantaneamente.

Figura 42 - Código para inicialização do ciclo de trabalho.


No decorrer dos testes, observou-se que os ruídos do circuito aumentavam

proporcionalmente ao fornecimento de potência na saída do conversor, que

ocasionava a queima do mosfet ou o aquecimento excessivo do capacitor de saída.

O orientador nos auxiliou no processo de testes desta etapa, observou

comportamento da corrente e constatou que o conversor Buck estava trabalhando em

modo descontínuo, diferente do que foi projetado inicialmente.

A forma encontrada para que o conversor operasse sem que ocorram os ruídos

e comportamentos indesejados, foi a implementação de modificações no circuito de

50

controle do mosfet, buscando suavizar as transições de nível lógico no gate do mosfet,

a confecção de um novo indutor e redução da frequência de chaveamento para 15kHz.

Foram realizadas três modificações no circuito de controle do PWM, conforme

a Figura 43. A eliminação de um transistor entre o optoacoplador e o driver

apresentado no destaque M1. A adição de um circuito push-pull, destaque M2, que

busca fornecer o máximo de potência ao sinal de PWM no gate do mosfet. Por fim a

suavização das transições do sinal PWM, que é feito pelo circuito RC, destaque M3.

Figura 43 - Modificações controle PWM


De modo a validar o funcionamento do driver IR2113, do conversor Buck, foi

adicionado uma carga resistiva de 100Ohms em sua saída, o que resultou no sinal de

PWM de mesma amplitude que quando sem carga e com uma corrente de saída de

98mA.

O circuito push-pull construído com um par complementar TIP122 e TIP127 foi

validado da mesma forma que o driver. A suavização do sinal PWM é representada

pela Figura 44 e seu teste, pela Figura 45. Deste modo obteve-se os resultados

desejados para o conversor.

51

Figura 44 - Suavização do PWM.


Figura 45 - Testes suavização.


Com as mudanças apresentadas não houve necessidade para a utilização do

diodo supressor em VGS (tensão gate source) e os ruídos de tensão em todo o circuito

foram reduzidos drasticamente. Obtivemos formas de onda sem ruídos e consistentes

com o esperado da teoria.

52

O comportamento do optoacoplador, quando operando em 15KHz, foi

semelhante ao comportamento anterior, quando operando em 30KHz, acrescentando

uma pequena variação de 2% na forma de onda.

Na Figura 46, é apresentado em amarelo a forma de onda fornecida pelo

microcontrolador e em verde a forma de onda no gate do transistor. Observa-se que

a suavização do sinal ocorreu e a variação entre o sinal do microcontrolador e o sinal

no gate é muito pequena, sendo assim desprezada.

Figura 46 – Comportamento das modificações do circuito de controle.


Para a confecção do novo indutor, foi substituído o núcleo toroidal por um

núcleo NEE. No comércio local não foi encontrado núcleos grandes, então o núcleo

utilizado foi reaproveitado. Como especificações iniciais, foi tomado como referência

de cálculo as características no núcleo Thornton NEE-42/21/15.

A Figura 47 apresenta as dimensões do núcleo utilizado na confecção do

indutor utilizado.

53

Figura 47 - Dimensões núcleo.


Devido a mudança da frequência de chaveamento, seria necessário o aumento

da indutância, porém como não encontramos núcleos maiores ou com maior

permeabilidade magnética para a o novo indutor. Na frequência de 30kHz, o indutor

teria que ser de 1.6mH aproximadamente, já na frequência de 15kHz o calculado

dever ter 4mH. O novo indutor foi confeccionado para se obter a máxima indutância

possível, alcançando o valor de 2.833mH conforme a Figura 48.

Figura 48 - Medição do indutor.


54

Após as mudanças mensionadas, foram amostradas as formas de ondas no

conversor em modo de trabalho normal. Durante os testes, foi aplicada uma carga de

47Ohms imersa em água na saída do conversor Buck. O barramento CC foi utilizado

para retificar a tensão da tomada e aplicando um valor aproximado de 180VCC na

entrada do conversor.

A Figura 49 apresenta o sinal VGS (tensão gate-source) em verde e o sinal

VDS (tensão dreno-source) em amarelo do mosfet. Observa-se que as formas de

onda estão perfeitas e sem a presença de ruídos.

Figura 49 - Tensões no mosfet.


As tensões de saída e entrada do conversor Buck são apresentadas na Figura

50. A tensão de entrada é representada pela cor amarela e possui transientes nos

instantes que ocorre a comutação do mosfet, observa-se que é pequena a amplitude

destes sinais. Já sinal apresentado em verde, representa a tensão de saída do

conversor Buck. Observa-se que ele possui uma tensão de ripple de 8V, o que

representa uma oscilação de 5,228% da tensão nominal.

55

Figura 50 - Sinal de saída do conversor Buck.


Um circuito snubber foi adicionado entre dreno e source do mosfet, com a

finalidade de dissipar energias indesejadas durante as comutações do transistor. Este

circuito fui dimensionado com um resistor Rs de 47Ohms/20W, um conjunto de

capacitores Cs de poliéster formando 220nF/400V e um diodo Ds schottky de 3A. A

Figura 51 ilustra a disposição desses componentes no circuito.

Figura 51 - Snubber


Realizou-se a adição de um circuito isolador para a medição da tensão de

saída, utilizando um optoacoplador como dispositivo isolador, conforme apresenta a

Figura 52. Este circuito tem a função de converter a tensão de 0 à 165VCC da saída

em 0 à 5VCC, valores os quais o microcontrolador pode realizar a leitura em um pino

AD. Conforme o valor lido pelo pino AD, a largura do pulso PWM é alterada. Durante

os testes, foi configurado o optoacoplador de modo que seu transistor de saída esteja

56

na região linear de trabalho e tenha uma resposta linear em relação a tensão de saída

do conversor BUCK.

Figura 52 - Medição de tensão.


Para a medição de corrente, optamos por utilizar um sensor de efeito hall, o

sensor ACS712 que foi apresentado anteriormente. O circuito é apresentado na Figura

53.

Figura 53 - Medição de corrente


Com o valor da corrente lido pelo ADC do sensor Hall, juntamente com

o valor obtido da leitura da tensão de saída do conversor Buck é realizado operações

internas de modo a exibir o display a porcentagem da carga máxima que o projeto foi

dimensionado.

57

O esquemático contendo a etapa do carregador, by-pass e o conversor Buck é

apresentado na Figura 54.

Figura 54 - Esquema completo.


A montagem do carregador com o bypass já foi apresentado na Figura 28, a

montagem do conversor buck com os sensores de tensão e corrente na Figura 55.

Figura 55 – Placa do conversor Buck.


58

Na Figura 56 é apresentada a montagem final durante a fase de testes, na qual

foi aplicado uma carga de aproximadamente 700W, formada por um conjunto de

resistores imersos em água e uma lâmpada incandescente.

Figura 56 - Montagem final e testes.


10 ANÁLISE DOS DADOS

Os dados mensurados para o nobreak DC foram obtidos utilizando osciloscópio

Agilent Technologies InfiniiVision DSO-X 2002A e multímetro FLUKE F117. Foram

levantados os valores de tensão e corrente da entrada e da saída em corrente

contínua para diversas etapas do projeto e calculados os valores de potência e

eficiência do nobreak em diversas situações, conforme apresentado na Tabela 2.

Os valores medidos são apresentados na tabela abaixo:

59

Tabela 2 - Medidas da saída para diferentes cargas.

CARGA

ENTRADA CC SAÍDA CC EFICIÊNCIA

% Tensão V Corrente A Potência

W Tensão V Corrente A Potência W

Ripple V

Resistor 94Ohms 210 2,1 441 170 1,8 306 8 69,4

Resistor 47Ohms 210 5,8 1218 172,2 3,89 669,858 9 55,0

Resistor 47Ohms + Lâmpada 60W 210 6,68 1402,8 172,2 4,1650 717,213 9 51,1

Lâmpada 60W 180 0,25 45 165,2 0,271 44,7692 3,8 99,5

Lâmpada 60W + Fonte ATX 170 0,67 113,9 165,2 0,597 98,6244 3,8 86,6


É importante destacar que, os testes realizados quando a tensão de entrada é

inferior a 210V, foram apresentados e mensurados apenas para efeitos de

apresentação no momento da defesa, em virtude que o laboratório alocado para a

apresentação dos trabalhos de conclusão de curso não dispunha de uma tomada

220V, inviabilizando a utilização do variac como opção a falta do conversor Boost PFC.

Não foram levantados dados de autonomia devido à falta de confiabilidade nas

baterias utilizadas, uma vez que são usadas e foram adquiridas por meio de doação.

60

11 CRONOGRAMA DO PROJETO

Tabela 3 - Cronograma do Projeto.


Em relação ao cronograma, o projeto do nobreak CC não seguiu rigorosamente devido às diversas dificuldades encontradas

no decorrer do desenvolvimento tanto da parte do hardware, firmware como os dois em funcionamento em conjunto.

61

12 CONCLUSÃO

No decorrer de todo o desenvolvimento do projeto, utilizaram-se conceitos de

circuitos elétricos, microprocessadores, sinais e sistemas, sistemas de controle,

conversão de energia, materiais elétricos, eletrônica, eletrônica de potência,

programação, química, física e entre outros, para resolver o problema de

indisponibilidade da rede elétrica por meio da utilização de um nobreak CC.

Com o processo de desenvolvimento do protótipo, foram encontradas diversas

dificuldades, o que tomou algum tempo para soluciona-las, ocasionando atrasos no

cronograma apresentado inicialmente, como por exemplo a confecção do PFC, os

problemas do conversor Buck e a falta de contato com o microcontrolador escolhido

para o projeto. Em virtude destas dificuldades, se fez necessário determinadas

mudanças no projeto, gerando assim atrasos, porém obtendo melhoras significativas

no desenvolvimento do projeto.

O auxílio dos professores orientadores foi de grande ajuda, devido a

experiência em eletrônica e programação, foram sugeridas mudanças e novas ideias

para solucionar as dificuldades, em específico com o conversor Buck. Foram

sugeridas simulações para testar e validar o conversor Boost PFC, variando a tensão

de entrada e a corrente que circulava sobre o shunt de modo a observar a variação

no ciclo de trabalho, infelizmente sem resultados. Após pesquisas em fóruns

específicos foi encontrado um possível ponto problemático, é indicada a existência de

apenas um único ponto de conexão à terra em toda a etapa de controle, diferente do

plano terra que foi desenvolvido, nas simulações do carregador e do conversor Buck

através do software LT Spice. Foi orientado como construir um modelo melhorado do

banco de bateria e também com os resultados das simulações foi adquirido

conhecimentos para o dimensionamento real de dissipadores de calor. Pode-se

validar diversos conceitos e adquiridos novos conhecimentos de eletrônica e

eletrônica de potência bem com construídos novos conceitos e conhecimentos que

extrapolam o foco ministrado em aula.

O desejo da equipe é que o projeto possa se tornar comercialmente viável no

futuro, porém se faz necessário ainda um longo período de pesquisa,

desenvolvimento, melhorias e aprimoramentos nas etapas de controle das variáveis

de tensão, corrente, maior eficiência e um estudo na redução dos custos do projeto, a

implementação dos sistemas de proteção contra curto circuito e sobre potência,

62

sistemas esses que foram mencionados anteriormente porém em virtude das

dificuldades encontradas não foi possível concretiza-los.

A principal função do nobreak foi demonstrada nos testes, fazendo com que a

tensão de saída não seja interrompida durante queda da rede ou baixa tensão. A

tensão de saída possui uma pequena variação, necessitando de um ajuste fino de

controle. Durante os testes, optamos por fixar a tensão de saída em 170VCC, quando

em cargas superiores a 500W, o conjunto de variáveis que constitui o controlador PID

está configurado de modo a agir produzindo uma variação no ciclo de trabalho de 70%

à 100% de ciclo, corrigindo o erro e buscando estabilizar a tensão de saída; de acordo

com as medições a eficiência do nobreak ficou em torno de 55% quando aplicado uma

carga de aproximadamente 700W, fornecendo em sua saída a tensão de 170V com

ripple de 8V. A eficiência é de difícil determinação, pois as baterias não são novas e

o barramento de corrente contínua não possui controle do fator de potência, quando

em testes utilizando o variac, observa-se que o mesmo não possui potência suficiente,

então parte da energia fornecida à saída é entregue pelo banco de baterias. Quando

ligado diretamente à rede elétrica, porém em tensão inferior ao projetado, ou seja,

180VCC, o banco de baterias não é utilizado enquanto a rede puder fornecer energia

de modo a manter a tensão de saída estabilizada.

63

13 REFERÊNCIAS

1. COOPERLUZ. Energia e Desenvolvimento, 2018. Disponivel em:

<http://www.cooperluz.com.br/informacoes_ao_cooperado/tabela_de_consumo.

php>. Acesso em: 10 abril 2018.

2. PROCEL INFO. Centro Brasileiro de Informação de Eficiência Energética,

2018. Disponivel em:

<http://www.procelinfo.com.br/main.asp?View=%7BE6BC2A5F-E787-48AF-

B485-439862B17000%7D>. Acesso em: 10 abril 2018.

3. UPS topologies - An introduction & comparison. Kohler UPS. Disponivel em:

<http://www.upspower.co.uk/ups-topologies-an-introduction-comparison>.

Acesso em: 29 abril 2018.

4. EMADI, S. B. B. A. A. Uninterruptible Power Supplies: Classification, Operation,

Dynamics, and Control. Applied Power Electronics Conference and

Exposition, Chicago, 2002.

5. ENGETRON. Formas de Onda de Energia: Qual é melhor pra você?

Disponivel em:

<https://www.engetron.com.br/loja/blog/forma_de_onda_senoidal_nobreak>.


6. ENGELÉTRICA. Manual de Correção de Fator de Potência. Disponivel em:

<http://www.engeletrica.com.br/fatordepotencia-manual-fatordepotencia.html>.


7. ALL Datasheet. UC3854 Datasheet. Disponivel em:

<http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/29383/TI/UC3854.html>.


8. CROMPTON, T. R. Battery Reference Book. [S.l.]: Newnes, v. Second edition,

1996.

9. FEIRA de CIências. Sinais Elétricos e suas Formas de Ondas. Disponivel em:

<http://www.feiradeciencias.com.br/sala15/15_07.asp>. Acesso em: 15 abril

2018.

10

.

COMPACT, Fixed-Frequency,Continuous Conduction Mode PFC Controller. ON

Semiconductor. Disponivel em:

<https://www.onsemi.com/pub/Collateral/NCP1653-D.PDF>. Acesso em: 15 abril

2018.

11

.

ACS712: Fully Integrated, Hall Effect-Based Linear Current Sensor with 2.1

kVRMS Voltage Isolation and a Low-Resistance Current Conductor. Allegro

Microsystems. Disponivel em:

<https://www.allegromicro.com/en/Products/Current-Sensor-ICs/Zero-To-Fifty-

64

Amp-Integrated-Conductor-Sensor-ICs/ACS712.aspx>. Acesso em: 15 abril

2018.

12

.

LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors. Texas Instruments.

Disponivel em: <http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf>. Acesso em: 18 abril

2018.

13

.

ROBOCORE Tecnologia. Manual Tecnico - Unipower. Disponivel em:

<https://www.robocore.net/upload/ManualTecnicoBateriaUnipower.pdf>. Acesso

em: 15 abril 2018.

14

.

PILHAS E BATERIAS - PROPOSTA DE RESOLUÇÃO QUE DISPÕE SOBRE

PILHAS E BATERIAS. Resolução CONAMA Nº 401/2008, 2008. Disponivel em:

<http://www2.mma.gov.br/port/conama/legiabre.cfm?codlegi=589>. Acesso em:

10 novembro 2018.

15

.

ANEEL - Agencia Nacional de Energiia Elétrica. Indicadores, 2018. Disponivel

em: <http://www.aneel.gov.br/indicadores>. Acesso em: 10 abril 2018.

16

.

BARBI, I. Eletrônica de Potência. 6ª. ed. Florianópolis: Universidade Federal

de Santa Catarina, 2006.

17

.

BOYLESTAD, R. L. N. L. Dispositovos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 8ª.

ed. [S.l.]: Pearson, 2004.

18

.

BARBI, I.; SOUZA, F. P. D. Conversores CC-CC Isolados de Alta Frequência

com Comutação Suave. dos Autores. ed. Florianópolis: [s.n.], 1999.

19

.

MELLO, L. F. P. D. Análise e Projeto de Fontes Chaveadas. 1ª. ed. [S.l.]:

Erica Ltda, 1996.

65

ANEXO A

Tabela 4 - Tabela de Indisponibilidade Elétrica em Curitiba.

Conjunto DIC

Anual / Mensal FIC

Anual / Mensal DMIC

Anual / Mensal

Afonso Pena 19,82 / 4,95 12,95 / 3,23 2.77

Alto da Gloria 17,43 / 4,35 11,95 / 2,98 2.35

Araucaria 20,3 / 5,07 12,7 / 3,17 2.86

Atuba 19,34 / 4,83 12,7 / 3,17 2.69

Bacacheri 18,38 / 4,59 12,45 / 3,11 2.52

Bairro Alto 18,86 / 4,71 12,45 / 3,11 2.6

Barigui 19,82 / 4,95 12,7 / 3,17 2.77

Batel 17,91 / 4,47 11,95 / 2,98 2.43

Bom Retiro 18,86 / 4,71 12,45 / 3,11 2.6

Boqueirao 19,34 / 4,83 12,7 / 3,17 2.69

Campina do Siqueira 19,82 / 4,95 12,7 / 3,17 2.77

Campo Comprido 19,82 / 4,95 12,95 / 3,23 2.77

Capanema 17,43 / 4,35 11,95 / 2,98 2.35

Centro 16,47 / 4,11 11,45 / 2,86 2.18

Cidade Industrial 19,34 / 4,83 12,7 / 3,17 2.69

Fazenda Iguacu 21,25 / 5,31 13,45 / 3,36 3.03

Fazenda Rio Grande 21,25 / 5,31 13,45 / 3,36 3.03

Guatupe 20,3 / 5,07 12,95 / 3,23 2.86

Jardim das Americas 18,38 / 4,59 12,45 / 3,11 2.52

Mercês 18,38 / 4,59 12,45 / 3,11 2.52

Novo Mundo 18,86 / 4,71 12,45 / 3,11 2.6

Parolin 18,38 / 4,59 12,45 / 3,11 2.52

Pilarzinho 20,3 / 5,07 12,95 / 3,23 2.86

Pinheirinho 19,34 / 4,83 12,7 / 3,17 2.69

Santa Felicidade 19,82 / 4,95 12,7 / 3,17 2.77

Santa Quitéria 18,38 / 4,59 12,45 / 3,11 2.52

Sao Jose dos Pinhais 20,3 / 5,07 13,2 / 3,3 2.86

Taruma 18,86 / 4,71 12,45 / 3,11 2.6

Tatuquara 19,82 / 4,95 12,95 / 3,23 2.77

Uberaba 18,38 / 4,59 12,45 / 3,11 2.52

Xaxim 19,34 / 4,83 12,7 / 3,17 2.69

Média 19,17 / 4,78 12,61 / 3,14 2.65 Fonte: ANEEL.

Onde temos:

• DIC = Duração de interrupção individual.

66

• FIC = Frequência de interrupção individual.

• DMIC = Duração máxima de interrupção contínua.

Observando os dados DMIC que correspondem a “tempo máximo de

interrupção contínua de energia elétrica, em uma unidade consumidora ou ponto de

conexão” [14].

ANEXO B – MEMORIAL DE CÁLCULO

Cálculo para PFC

A baixo estão os cálculos para os componentes do PFC.

67

68

Esquemático do conversor PFC

Figura 57 - Esquemático do Conversor PFC.


Cálculo do conversor Buck

Definição dos valores do capacitor e indutor do conversor.

Figura 58 - Cálculo do capacitor e do indutor.


Determinando o número de espiras necessárias para o indutor calculado.

69

Figura 59 - Cálculo do número de espiras.


ANEXO C – CÓDIGO COMPLETO

//*********************************************************************************

//

// Project : TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO II

// Date : 21/11/2018

// Author : Eric e Rômulo

//

// Chip type : ATmega328p

//

//**********************************************************************************

#define F_CPU 16000000

// inclusão de arquivos especificos AVR

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <avr\io.h>

#include <avr\interrupt.h>

#include <util\delay.h>

#include "macros.h"

#include "lcd.h"

#include <math.h>

70

//**********************************************************************************

// Variáveis globais

//----------------------------------------------------------------------------------

///***************LCD

char linha1[16];

char linha2[16];

volatile uint16_t PWM;

uint16_t v_out = 0;

uint16_t v_out_med = 0;

float v_out_PID = 0;

uint16_t i_out = 0;

uint16_t i_out_med = 0;

float potencia = 0;

float pwm = 0;

uint8_t k = 0;

uint8_t m = 0;

int cont_timeout;

volatile char flag_update_display;

int cont_read_adc;

volatile char flag_read_adc;

float resultado = 0;

int16_t error = 0;

float erro_anterior;

float integral = 0;

int16_t setpoint = 523;

float Kp=0.55, Ki=0.007, Kd=0.001; //Kp=0.68, Ki=0.25, Kd=0.01; Kp=0.7570, Ki=0.245,

Kd=0.005;

//;***********************************************************************************

//; Inicialização do pwm

//;-----------------------------------------------------------------------------------

71

void init_timer1()

{

TCCR1A=0xA2;

//COM1 COM1 COM1 COM1 WGM11

WGM10

//COM1, COM1, COM1, COM1: Compare

Output Mode for Channel

//WGM1n: Waveform Generation Mode -

FAST PWM

TCCR1B=0x19;

// ICNC1 ICES1 _ WGM13 WGM12 CS12

CS11 CS10

// ICNC1: Input Capture Noise Canceler

// ICES1: Input Capture Edge Select

// WGM12, WGM13: Waveform Generation

Mode

// CS10, CS11, CS12: Clock Select

TCNT1H=0x00;

// TCNT1H[7:0]: Timer/Counter 1 High byte

TCNT1L=0x00;

// TCNT1L[7:0]: Timer/Counter 1 Counter

Value Low byte

ICR1=1023; //15khz

// Input Capture Register 1

OCR1A=0;

//Output Compare Register 1 A

OCR1B=0;

//Output Compare Register 1 B

}

//;***********************************************************************************

//; Inicialização do TIMER 0 - Interrupção a cada ms

//;-----------------------------------------------------------------------------------

72

void init_timer0()

{

TCCR0A = 0x00;

//COM0A1 COM2A0 COM0B1 COM0B0

WGM01 WGM00

//Compare Output Mode for Channel A/B

//WGM2n: Waveform Generation Mode

TCCR0B = 0x03;

//FOC0A FOC0B WGM02 CS0

//FOC2A: Force Output Compare A

//WGM22: Waveform Generation Mode

//CS2[2:0]: Clock Select

// 1 = 1; 2 = 8; 3 = 32; 4 = 64; 128; 256; 1024

TIMSK0 = 0x01;

//_ _ _ _ _ _ OCIEB OCIEA TOIE

//OCIEB: Output Compare B Match Interrupt

Enable

//OCIEA: Timer/Counter2, Output Compare A

Match Interrupt Enable

//TOIE: Timer/Counter2, Overflow Interrupt

Enable

sei();

}

//;***********************************************************************************

//; Interrupção a cada 1 ms

//;-----------------------------------------------------------------------------------

ISR( TIMER0_OVF_vect)

{

ADCSRA_ADSC = 1; // Inicia a conversão (ADC) //mascara q

representa um bit dentro do registrador adcsra //definido dentro do .h

PORTD = PORTD^0b00000010; // interrupção PD1

73

cont_timeout++;

if(cont_timeout >= 500)

{

cont_timeout = 0;

flag_update_display = 1;

}

cont_read_adc++;

if(cont_read_adc >= 100)

{

cont_read_adc = 0;

flag_read_adc = 1;

}

}

//******************************************************************************

// Configura ADC

//------------------------------------------------------------------------------

// FreqADC = 16M / 2^7 = 125k

// FreqSample = 125k/13 = 9.6 k

//------------------------------------------------------------------------------

void init_adc(void)

{

ADMUX = 0x43; //0100 0010 = 5V, sem deslocamento p/ dir

ADCSRA = 0x87; //1000 0111 = liga ADC

}

//;***********************************************************************************

//; Inicialização das portas IO

//;-----------------------------------------------------------------------------------

74

void init_io()

{

DDRC = 0xF0 ; //// MAPEAR PINOS PARA HABILITAR LEITURA (entrada =

0, saida = 1)

PORTC = 0xFF ; //A0~A5 // 0 = alta impedância; 1 = com resistor de pull-up

}

//;***********************************************************************************

//; PID

//;-----------------------------------------------------------------------------------

float PID(int16_t error)

{

integral = error + erro_anterior; //Estabiliza o valor quando o erro for zero

resultado = (Kp * error) + (Ki * integral);// + (Kd * (error - erro_anterior));

erro_anterior = error;

return resultado;

}

//**********************************************************************************

// Atualiza Display

//----------------------------------------------------------------------------------

void atualiza_lcd(){

//lcd_clear();

lcd_gotoxy(0,0);

lcd_string(linha1);

lcd_gotoxy(0,1);

lcd_string(linha2);

75

delay_ms(50);

}

//**********************************************************************************

// Função principal

//----------------------------------------------------------------------------------

int main(void)

{

init_io();

delay_ms(50);

lcd_init();

init_timer0();

init_timer1();

init_adc();

//**********************************************************************************

// Soft Starter

//----------------------------------------------------------------------------------

for(uint8_t i =0; i <500; i++)

{

OCR1A += i;

delay_ms(1);

}

//**********************************************************************************

// Laço principal

//----------------------------------------------------------------------------------

while(1)

76

{

if (ADCSRA_ADSC == 0)

{

//**********************************************************************************

//

V_OUT

//----------------------------------------------------------------------------------

if(flag_read_adc)

{

ADMUX = (0x40 | (3 & 0x1F) ); // Seleciona o canal e a

referencia de tensão

_delay_us(10); // Delay para a

estabilização do sinal

if (k < 10)

{

v_out += ADCW;

k++;

}else

{

v_out_med = v_out/10; //retira média de

leituras

v_out = 0;

k = 0;

}

error = setpoint - v_out_med; //Calculo do erro

v_out_PID = PID(error);

pwm = OCR1A + v_out_PID;

if (pwm > 1023) pwm = 1023;

if (pwm < 700) pwm = 700;

77

OCR1A = pwm;

}else

{

//**********************************************************************************

//

I_OUT

//----------------------------------------------------------------------------------

ADMUX = (0x40 | (2 & 0x1F) ); // Seleciona o canal e a

referencia de tensão

_delay_us(10); // Delay para a

estabilização do sinal

if (m < 10)

{

i_out += ADCW;

m++;

}else

{

i_out_med = i_out/10;

i_out = 0;

m = 0;

}

}

}

potencia = (((v_out_med/10) * (i_out_med/10)) / 104.6529);

if (flag_update_display)

{

flag_update_display = 0;

sprintf(linha1,"%d ,%d ,%d ", OCR1A, v_out_med, potencia);

sprintf(linha2,"%d , %d ", error, i_out_med);

78

atualiza_lcd();

}

} //end while

}

//----------------------------------------------------------------------------------

Documents

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁlaplima/ensino/tcc/concluidos/2018/... · 2018. 11. 21. · torno de 2 horas e 36 minutos, o prestador de serviços do exemplo citado,