MARCUS VINÍCIUS MAIA RODRIGUES

CONVERSOR DC/DC BOOST DE 3KW E CONTROLE PWM APLICADO AO UPS TIPO PASSIVE STAND-BY

Londrina

2012

MARCUS VINÍCIUS MAIA RODRIGUES

CONVERSOR DC/DC BOOST DE 3KW E CONTROLE PWM APLICADO AO UPS TIPO PASSIVE STAND-BY

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual de Londrina. Orientador: Prof. Dr. Carlos Henrique Gonçalves Treviso

Londrina 2012

MARCUS VINÍCIUS MAIA RODRIGUES

CONVERSOR DC/DC BOOST DE 3KW E CONTROLE PWM

APLICADO AO UPS TIPO PASSIVE STAND-BY

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual de Londrina.

BANCA EXAMINADORA

____________________________________ Prof. Dr. Carlos Henrique Gonçalves Treviso

Universidade Estadual de Londrina

____________________________________ Prof. Dr. Aziz Elias Demian Júnior Universidade Estadual de Londrina

____________________________________ Prof. M.sc. André Luiz Batista Ferreira

Universidade Estadual de Londrina

Londrina, _____de ___________de _____.

Dedico este trabalho a meus pais,

Marcos e Rosana, meus maiores

incentivadores

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a DEUS pela minha vida, por minha família e

amigos, e por todas as coisas boas que nos tem concedido.

A meus pais, Marcos e Rosana; a minha irmã, Beatriz; a meus avós,

Diógenes, Maria Luiza, Angelin e Josepha e a toda minha família, por sempre me

apoiarem em qualquer momento e por contribuirem na formação dos meus valores

pessoais.

A minha namorada Mariane, por toda sua paciência, apoio e compreensão

que foram fundamentais para conclusão deste trabalho.

Agradeço ao meu orientador, Prof. Dr. Carlos Henrique Treviso, por sua

dedicação e orientação, por estar sempre presente na realização prática do projeto,

compartilhando seus conhecimentos acadêmicos e profissionais; por seu auxílio na

análise de circuitos e na confecção de layouts das placas.

Agradeço ao Willian e ao professor André, que também ajudaram a

desenvolver o projeto e também por suas amizades.

Aos técnicos do laboratório, por seus auxílios na confecção dos circuitos, e

dos testes em bancada.

A todos os amigos de graduação, especialmente, Marcio, José Carlos, Neto,

Guilherme, Alexandre, Charles e Heitor por esses anos juntos e a amizade

construída.

A persistência é o menor caminho do êxito.

Charles Chaplin

Rodrigues, Marcus Vinícius Maia. Conversor DC/DC Boost de 3kW e controle

PWM aplicado ao UPS tipo Passive Stand-by. 2012. 75 folhas. Trabalho de

Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – Universidade Estadual

de Londrina, Londrina, 2012.

RESUMO

Nesse trabalho foi desenvolvido um conversor DC/DC Boost e seu controle

PWM que fará parte de um Sistema Ininterrupto de Energia (UPS) do tipo Passive

Stand-by. O trabalho mostra a importância do UPS atualmente, principalmente em

lugares em que a queda da rede elétrica ocasiona grandes prejuízos. Foi feito

estudos sobre a normatização de UPS, como também a descrição dos blocos que o

compõem. O sistema permite a utilização de painéis solares, podendo tornar a carga

em questão menos dependente da rede elétrica, além da utilização da energia limpa.

O trabalho mostra o porquê da escolha da topologia Boost para o sistema e

detalha todos os blocos que compõem o circuito de controle. O controle

desenvolvido protege o circuito de potência contra correntes elevadas, além de

possuir também um sensor de temperatura.

Palavras-chave: Conversor. Boost. Controle PWM. UPS. Stand-by.

Rodrigues, Marcus Vinícius Maia. Converter DC / DC Boost 3kW and PWM control

applied to UPS type Passive Stand-by. 2012. 75 folhas. Trabalho de Conclusão de

Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – Universidade Estadual de Londrina,

Londrina, 2012.

ABSTRACT

This work was developed a DC/DC Boost converter and its PWM control

that will be part of an Uninterrupted Power System (UPS) type Passive Stand-by. The

work shows the importance of UPS today, especially in places where the collapse of

the power grid causes major damage. Studies have been done on the regulation of

UPS, as well as the description of blocks that compose it. The system allows the use

of solar panels, can make the load less dependent on the grid, and the use of clean

energy.

The work shows why the choice of Boost topology for the system and details

all the blocks that make up the control circuit. The developed control protects the

power circuit against high currents, and also have a temperature sensor.

Key words: Converter. Boost. PWM Control. UPS. Stand-by.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1.1 - Onda senoidal pura (A) e pseudo-senoidal (B) .................................... 15

Figura 1.2 – Diagrama de blocos simplificado da topologia Passive Stand-by da

norma IEC 62040-3 .................................................................................................. 16

Figura 1.3 – Diagrama de blocos do UPS proposto ................................................ 18

Figura 1.4 – Pulso com modulação PWM ............................................................... 21

Figura 2.1 – Conversor Boost .................................................................................. 24

Figura 2.2 – Formas de onda do Conversor Boost, no modo contínuo ................... 25

Figura 2.3 – Conversor Boost, chave saturada ....................................................... 26

Figura 2.4 – Conversor Boost, chave em corte ....................................................... 26

Figura 2.5 – Modo contínuo e descontínuo de funcionamento ................................ 30

Figura 2.6 – Modelo de Capacitor ........................................................................... 34

Figura 2.7 - Snubber dissipativo, proteção ao transistor ......................................... 36

Figura 2.8 - Snubber dissipativo, proteção ao diodo ............................................... 36

Figura 3.1 – Especificações do IRPF260 ................................................................ 43

Figura 3.2 – Especificações do 30EPH06 ............................................................... 44

Figura 3.3 – Circuito completo do Conversor Boost ................................................ 44

Figura 4.1 – Diagrama de blocos simplificado da conversão DC/DC com o circuito de

controle .................................................................................................................... 46

Figura 4.2 – Circuito interno SG5325 ...................................................................... 47

Figura 4.3 – Parte do circuito interno do SG5325 .................................................... 48

Figura 4.4 – Funcionamento do circuito integrado ................................................... 49

Figura 4.5 – Esquema simplificado do controle implementado................................ 50

Figura 4.6 – Circuito usado para a alimentação CI .................................................. 52

Figura 4.7 – Circuito com o CI SG3525 ................................................................... 53

Figura 4.8 – Circuito de amostragem de corrente ................................................... 54

Figura 4.9 – Circuito de amostragem da tensão de saída ....................................... 54

Figura 4.10 – Circuito com o sensor de temperatura ............................................... 55

Figura 4.11 – Circuito para alimentação .................................................................. 56

Figura 4.12 – Circuito temporizador ........................................................................ 55

Figura 5.1 – Vista frontal da placa do Conversor Boost .......................................... 59

Figura 5.2 – Face inferior (Bottom) da placa do Conversor Boost ........................... 59

Figura 5.3 – Face superior (Top) da placa do Conversor Boost .............................. 60

Figura 5.4 – Fotografia do Conversor Boost ............................................................ 60

Figura 5.5 – Vista frontal da placa de controle ........................................................ 61

Figura 5.6 – Placa de Controle ................................................................................ 61

Figura 5.7 – Face inferior da placa de controle ....................................................... 61

Figura 5.8 – Face superior da placa de controle ..................................................... 61

Figura 5.9 – Fotografia da placa de controle ........................................................... 62

Figura 5.10 - Curva de rendimento versus potência demandada na saída do

conversor.................................................................................................................. 63

Figura 5.11 – Pulsos nas chaves do Conversor ...................................................... 64

Figura 5.12 – Fotografia do protótipo em bancada .................................................. 64

Figura 5.13 – Fotografia do protótipo ...................................................................... 65

Figura 5.14 – Fotografia do protótipo ...................................................................... 65

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 – Valores de X para alguns tipos de núcleo ........................................... 31

Tabela 3.1 – Especificações para o projeto do conversor Boost ............................. 38

Tabela 5.1 – Dimensões das placas ........................................................................ 58

Tabela 5.2 – Resultados obtidos experimentalmente .............................................. 63

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ELAT - Grupo de Eletricidade Atmosférica

INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais

IEC - International Electrotechnical Commission

NBR – Norma Brasileira

Sumário

CAPÍTULO 1 .............................................................................................................. 12

1.1 - Importância do uso de Sistema Ininterrupto de Energia ................................ 12

1.2 - O uso de painéis solares nos sistemas elétricos ........................................... 13

1.3 - Sistemas Ininterrupto de Energia .................................................................. 14

1.4 - Composição do Sistema Ininterrupto de Energia Desenvolvido .................... 18

1.4.1 - Circuito Retificador/Carregador ............................................................... 19

1.4.2 - Banco de Baterias ................................................................................... 19

1.4.3 - Circuito Inversor ...................................................................................... 19

1.4.4 - Comutador .............................................................................................. 19

1.4.5 - Painel Fotovoitáico .................................................................................. 19

1.4.6 - Conversor DC/DC Boost ......................................................................... 20

1.5 – Conclusão ..................................................................................................... 22

CAPÍTULO 2 – CONVERSOR BOOST ............................................................................. 24

2.1 - Análise e Funcionamento do Conversor Boost: ............................................. 24

2.2 - Deduções do equacionamento para o projeto do conversor Boost no modo contínuo ................................................................................................................. 27

2.2.1 - Transistor saturado: ................................................................................ 27

2.2.2 - Transistor Cortado: ................................................................................. 27

2.3 - Dimensionamento do indutor: ........................................................................ 28

2.4 - Dimensionamento do capacitor: .................................................................... 33

2.5 - Dimensionamento dos semicondutores ......................................................... 34

2.5.1 - Transistor ................................................................................................ 34

2.5.2 - Diodo ....................................................................................................... 35

2.6 - Snubbers ....................................................................................................... 35

2.6.1 – Dimensionamento do Snubber ............................................................... 37

2.7 - Conclusão: ..................................................................................................... 37

CAPÍTULO 3 - PROCEDIMENTO DE PROJETO DO CONVERSOR BOOST ............................. 38

3.1 - Especificações do projeto: ............................................................................. 38

3.2 - Razão Cíclica: ............................................................................................... 38

3.3 - Indutor: .......................................................................................................... 39

3.4 - Capacitores: .................................................................................................. 41

3.5 - Semicondutores: ............................................................................................ 42

3.5.1 - Transistor: ............................................................................................... 42

3.5.2 - Diodo: ...................................................................................................... 43

3.6 - Snubbers dissipativos .................................................................................... 44

3.6.1 - Mosfet: .................................................................................................... 44

3.6.2 - Diodo: ...................................................................................................... 45

3.7 - Conclusão ...................................................................................................... 45

CAPÍTULO 4 – CIRCUITO DE CONTROLE PARA O CONVERSOR BOOST ........... 46

4.1 - Introdução ...................................................................................................... 46

4.2 – O CI 3525 ..................................................................................................... 46

4.3 – Estratégia de Controle para o Boost ............................................................. 50

4.3.1 – Esquema simplificado do controle .......................................................... 50

4.3.2 – Detalhamento do controle ...................................................................... 51

4.4 – Conclusão ..................................................................................................... 56

CAPÍTULO 5 – RESULTADOS ...................................................................................... 58

5.1 - Confecção das placas: .................................................................................. 58

5.1.1 - Placa de Potência: .................................................................................. 58

5.1.2 - Placa de Controle: ................................................................................... 60

5.2 – Resultados experimentais: ............................................................................ 62

5.3 – Conclusão: .................................................................................................... 66

CAPÍTULO 6 – CONCLUSÃO GERAL .............................................................................. 67

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 69

APÊNDICES .............................................................................................................. 71

APÊNDICE A ......................................................................................................... 71

ANEXOS ...................................................................................................................... 73

ANEXO A ............................................................................................................... 73

12

CAPÍTULO 1

1.1 - Importância do uso de Sistema Ininterrupto de Energia

A rede elétrica em geral está constantemente sujeita a sofrer oscilações e

interrupções. Estes tipos de inconstância podem ocasionar o desligamento de

equipamentos, como também danificá-los, principalmente aqueles que possuem

circuitos eletrônicos mais sensíveis. Distúrbio é a palavra usada para englobar todos

os fenômenos que afetam a qualidade da energia elétrica.

Com o desenvolvimento da indústria eletro-eletrônica, é cada vez mais

comum que equipamentos eletrônicos estejam presentes nos setores essenciais da

sociedade, tais como centrais telefônicas, hospitais, fábricas e agências bancárias,

onde um determinado sistema eletrônico não pode ter seu fornecimento de energia

interrompido. Claro que por melhor que seja o sistema de fornecimento de energia

para estes consumidores, ainda haverá possibilidade de que ocorram distúrbios na

rede elétrica. Estes problemas são a grosso modo, considerados como fenômenos

de Qualidade da Energia Elétrica (QEE). (FERREIRA, 2009)

“A relação custo-benefício de proteger equipamentos sensíveis contra surtos

ou interrupção do fornecimento de energia é bastante vantajosa tanto para

ambientes domésticos, quanto para ambientes corporativos, onde é necessária a

proteção nas infraestruturas de TI (tecnologia da informação) e industriais, por

exemplo.”, explica Auster Nascimento, Diretor Geral da SMS. A SMS Tecnologia

Eletrônica é uma grande empresa fabricante de equipamentos para proteção de

energia do Brasil. (INFORMATION MANAGEMANT, 2012)

Muitas vezes, as oscilações da rede são imperceptíveis aos usuários, já que

a frequência de tais variações desgastam lentamente os componentes eletrônicos

destes produtos. “Equipamentos produzidos para durar anos tem sua vida útil

reduzida devido à má qualidade da energia fornecida e os usuários, que não têm

consciência desse fator, consideram a qualidade do produto ruim”. (INFORMATION

MANAGEMANT, 2012)

Segundo dados divulgados pelo Grupo de Eletricidade Atmosférica (Elat), do

Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), a estimativa é de que com a

13

frequente ocorrência de raios – responsáveis por cerca de 40% das quedas de

energia nas distribuidoras, o Brasil tenha anualmente prejuízos em torno de R$ 1

bilhão, sendo R$ 600 milhões só no setor elétrico. A queda de raios aumentou em

11% entre 2009 e 2010 segundo estudo realizado na região Centro-Sul e essas

quedas são responsáveis por danos muitas vezes incalculáveis, como o desgaste

dos usuários diante da perda de informações de projetos importantes.

(INFORMATION MANAGEMANT, 2012)

O uso de Sistemas Ininterrupto de Energia (UPS, do termo em inglês

Uninterruptible Power Supplies) surgiu como uma forma de solução a esses

problemas, sendo empregado em indústrias, atividades do ramo comercial e até

mesmo em residências.

Como exemplo, com o uso de UPS, o popular no-break, é possível manter

computadores ligados. Dessa forma, permite que o usuário não perca dados, ou os

corrompa, no caso de queda da rede elétrica.

Cada vez mais usuários estão se conscientizando e percebendo o quanto é

importante o uso de no-breaks, principalmente em lugares que a queda de energia

ocasiona grandes prejuízos.

1.2 - O uso de painéis solares nos sistemas elétricos

Um dos principais temas de discussão quando se trata de preservação

ambiental é a forma de concepção da energia. A energia elétrica vem ocupando

papel fundamental na sociedade moderna, propiciando o crescimento das indústrias,

do comércio e da vida social.

Adotar sistemas que possam atender a demanda social com grande

rendimento, causando o mínimo de impacto ambiental, é obrigação da sociedade

tecnológica do século XXI, uma vez que o consumo de energia elétrica e o bem-

estar social estão intimamente ligados. (G. B. Nunes, M. A. Silva e A. B. Marinho

Neto, 2012)

O uso painéis solares como energia alternativa renovável está sendo uma

forma muito utilizada, pois é uma solução até certo ponto, viável economicamente.

14

Como se sabe, a energia solar é abundante e permanente, renovável. A

energia solar é a solução ideal para áreas afastadas e ainda não eletrificadas,

especialmente num país como o Brasil onde se encontram bons índices de insolação

em qualquer parte do território. (G. B. Nunes, M. A. Silva e A. B. Marinho Neto, 2012)

Enfim, no uso de energia de painéis solares há vantagens e desvantagens.

Vantagens como exemplo: não influir no efeito estufa, não precisar de turbinas ou

geradores para a produção de energia elétrica; mas tem como desvantagem a

exigência de altos investimentos para o seu aproveitamento em projetos que a

demanda de potência é alta.

1.3 - Sistemas Ininterrupto de Energia

Sistemas ininterruptos de energia, definidos como no-breaks, são sistemas

responsáveis pelo fornecimento de energia condicionada para cargas críticas sem

interrupções, mesmo durante uma falta no fornecimento de energia das

concessionárias. Além de possibilitar uma energia elétrica confiável, evitando assim

o desgaste dos componentes eletrônicos sensíveis em diversos equipamentos de

informática, áudio e vídeo.

Para esse projeto, foi desenvolvido um UPS com potência de 3kVA e tem

aplicabilidade tanto no setor residencial quanto no comercial. O sistema é

alimentado por 10 baterias 12V/7A em série.

O sistema UPS desenvolvido gera ondas pseudo-senoidais, ou quase-

quadrada, (ver figura 1.1) de 127Vac para carga, com tensão de pico de 180V.

15

Figura 1.1 - Onda senoidal pura (A) e pseudo-senoidal (B)

Há normas internacionais que regulamentam as características e

especificações de UPS, são as normas IEC 62040-3. Ela apresenta uma

classificação padrão para as UPS baseadas no desempenho estático e dinâmico.

Esta norma especifica determinados códigos relacionados a qualidade de energia

entregue a carga, à forma de onda das tensões de saída e o desempenho dinâmico

sob transitórios.

Assim, a classificação do UPS proposto, segundo a norma internacional IEC

62040-3/1999, é de Topologia Passive Stand-by, indicando que o UPS somente

alimentará a carga quando a rede estiver com uma ou mais fases interrompidas. A

norma IEC 62040-3 também classifica um sistema UPS segundo sua

susceptibilidade frente aos fenômenos de Qualidade de Energia Elétrica. Assim, o

UPS desenvolvido neste trabalho é classificado como VFD (Voltage and Frequency

Dependent), em que a saída do UPS é dependente das variações de frequência e

tensão da fonte de entrada de alimentação, no modo rede; SX, que significa saída

senoidal no modo rede e quase-quadrada no modo UPS e 333, o que indica o

desempenho na mudança no modo de operação com o tempo de comutação entre

rede-UPS é superior a 10ms para cargas lineares e não-lineares. (MAURÍCIO M.

MARTINEZ, CASSIANO RECH, LUCIANO SCHUCH, JOSÉ R. PINHEIRO)

16

No Brasil, a NBR 15014/2003 e a NBR 15204/2005 são as normas que

regulamentam o setor. Ambas são baseadas na norma IEC 62040-3. O Ups

desenvolvido é classificado como Standby pela norma brasileira e deve-se ressaltar

que funcionamento e as características desta topologia são idênticas as da IEC

62040-3. (F. D. GONÇALVES E M. A. GONÇALVES DE OLIVEIRA)

Muitos equipamentos eletrônicos não necessitam de uma tensão de

alimentação senoidal pura, como é o caso do computador, monitor de vídeo e

outros. Porém há equipamentos como os de eletrônica de precisão, utilizados pela

medicina moderna, que possuem motores internos com rotação controlada pela

frequência da rede elétrica e necessitam de alimentação por uma tensão senoidal

pura, porém é restrita a quantidade desses equipamentos.

A topologia Passive Stand-by para potências acima de 3kW é uma boa

forma de atingir o mercado consumidor, pois se trata de uma solução de baixo custo

quando comparado as outras topologias de UPS.

Nessa topologia existem duas condições de operação, definidas pela

situação da rede de alimentação. Enquanto a rede está presente, a chave é mantida

fechada. A carga permanece alimentada pela rede elétrica, onde a tensão e a

frequência de saída são totalmente dependentes da tensão e frequência de entrada.

Figura 1.2 – Diagrama de blocos simplificado da topologia Passive Stand-by da

norma IEC 62040-3

17

Essa topologia fornece proteção à carga para situações em que a energia é

totalmente interrompida (falta de rede); na sub-tensão, que é a queda momentânea

no valor da tensão da rede elétrica, sendo o distúrbio mais comum encontrado nos

sistemas de distribuição; e na sobre-tensão, que ao contrário da anterior, nessa

situação ocorre a elevação momentânea no valor da tensão da rede elétrica, e pode

ocorrer no retorno da energia após uma interrupção ou também por descargas

atmosféricas.

Sempre que a rede C.A. apresentar características que excedam os

parâmetros preestabelecidos, a chave é aberta e é dada a partida no inversor. A

carga passa a ser alimentada pelo conjunto banco de baterias/conversor/inversor.

O sistema é controlado de forma que o UPS tenha uma comutação rápida

com a rede elétrica, de forma a respeitar a norma internacional IEC 62040-3 de

1999.

O equipamento desenvolvido funciona por histerese, ou seja, através de dois

níveis de carga do banco de baterias, onde será utilizada a energia proveniente da

rede ou do banco de baterias, conforme a condição do funcionamento. Por exemplo,

se um painel solar estiver acoplado, a energia provida será a do banco de baterias,

enquanto sua carga armazenada estiver dentro da faixa que varia de 100% a 70%.

Ao atingir 70%, a energia provida será da concessionária, mantendo assim um limite

mínimo de 70% de carga nas baterias do no-break para uma eventual

descontinuidade no fornecimento de energia elétrica da concessionária. (Carlos H.

G. Treviso, Aziz E. Demian Jr., André L. B. Ferreira)

A figura (1.3) traz o diagrama de blocos completo do Sistema Ininterrupto de

Energia.

18

Figura 1.3 – Diagrama de blocos do UPS proposto

1.4 - Composição do Sistema Ininterrupto de Energia Desenvolvido

O sistema ininterrupto de energia desenvolvido (ver figura (1.3)) é composto

por:

- Circuito retificador/carregador de baterias (Conversor Full-Bridge);

- Banco de baterias;

- Inversor;

- Circuito comutador;

- Painel fotovoltaico;

- Circuito Conversor DC/DC (Boost);

- Conversor DC/DC (Fly-Back);

- Circuito para controle geral do sistema.

19

1.4.1 - Circuito Retificador/Carregador

Converte tensão alternada em contínua para realizar a recarga do banco de

baterias. É composto de um retificador CA/CC e um conversor DC/DC Full-Bridge.

1.4.2 - Banco de Baterias

Responsável pelo armazenamento de energia do UPS, utilizado para

alimentar o sistema durante falhas da rede elétrica e deve ser capaz de fornecer por

um período mínimo de tempo a potência máxima. O Banco de baterias alimenta o

Conversor DC/DC Boost e o Conversor Fly-back.

1.4.3 - Circuito Inversor

Converte a tensão contínua proveniente do Conversor DC/DC Boost em

tensão alternada para alimentar a carga.

O inversor possui um controle exclusivo. Para tal, utilizam-se interruptores

ou chaves eletrônicas. Estas chaves controladas podem ser IGBT ou MOSFETs.

1.4.4 - Comutador

Transfere a carga da rede elétrica para o UPS ou vice-versa, com um

período de comutação rápido.

1.4.5 - Painel Fotovoitáico

O Painel fotovoltaico é um dispositivo utilizado para converter

a energia da luz do Sol em energia elétrica. Os painéis solares fotovoltaicos são

compostos por células solares, assim designadas já que captam, em geral, a luz do

Sol. Estas células são, por vezes, e com maior propriedade, chamadas de células

fotovoltaicas, ou seja, criam uma diferença de potencial elétrico por ação da luz. O

20

Painel voltaico terá o papel de carregar o banco de baterias, sem que o último

precise ser carregado pela rede elétrica.

1.4.6 - Conversor DC/DC Boost

Os conversores DC/DC são utilizados para a obtenção de uma tensão DC

variável a partir de uma fonte de tensão constante, onde a tensão média na saída

depende do tempo em que a saída permanece ligada à entrada, ou seja, da razão

cíclica.

Para efetivar tal conversão, são utilizados indutores, capacitores e

dispositivos de estado sólido que sejam capazes de chavear em altas frequências,

como por exemplo, os MOSFET’s (metal-oxide semiconductor field-effect

transistors), que possuem um bom custo-benefício, já que sua resistência interna é

pequena, dando-lhes a capacidade de conduzir uma maior corrente dissipando

menos calor desde que trabalhem em frequências elevadas (acima de 50kHz). (N.

MOHAN, T. M. UNDELAND, and W.P. ROBBINS)

Para chavear o conversor, foi utilizada a técnica de PWM (pulse-with

modulation), onde as chaves estão ou no estado bloqueado ou em plena condução,

de forma que a tensão média de saída depende da relação entre o intervalo em que

a chave permanece no estado de condução, denominado Ton, e o período de

chaveamento T, definindo assim a razão cíclica, D, fornecida pela equação (1.1).

(FERREIRA, 2009)

(1.1)

Assim, o pulso de sinal da chave opera com frequência constante, variando

apenas a largura do pulso, e, como consequência, o tempo de condução da chave.

A Figura (1.4) mostra um pulso comum de modulação PWM.

Ajustando-se a razão cíclica, a tensão na saída pode ser alterada, ou

preferencialmente, mantida estável, através de um controle adequado

(realimentação).

21

Figura 1.4 – Pulso com modulação PWM

A principal vantagem do controle PWM é que a perda de energia nos

dispositivos de comutação é muito baixa. Quando um interruptor é desligado não

existe praticamente nenhuma corrente, e quando ele é ligado, não há quase

nenhuma queda de tensão através do interruptor, portanto a dissipação de energia

nos interruptores pode ser bastante baixa em comparação com a energia a ser

fornecida para a carga.

Para que o UPS tenha um bom rendimento e longa durabilidade a escolha

da topologia de conversor a ser empregada deve ser feita com cuidado, levando em

consideração a potência de trabalho, tensão de entrada, tensão e corrente sobre as

chaves, tamanho e complexidade. (FERREIRA, 2009)

Foi escolhida a topologia Boost, principalmente, por razão deste conversor

possuir um indutor na entrada, fazendo com que a corrente de entrada seja

contínua, com isso será bastante reduzida a derivada de corrente na saída,

consequentemente tem-se menor poluição harmônica.

Os transistores MOSFET´s são acionados por nível de tensão. Portanto,

como exemplo, para o acionamento da chave do conversor DC/DC Buck é

necessário o uso de drive, que serve para isolar o pulso, para o correto acionamento

do transistor. (MELLO, 2011)

No Conversor Boost, não é necessário o uso de drive, por razão do

Source do MOSFET estar no referencial do circuito.

22

Uma outra característica da topologia Boost é possuir alto rendimento de

potência em comparação a outra topologias de conversores DC/DC. Como exemplo,

o conversor Full-Bridge por possuir também um transformador em seu circuito,

ocasiona um rendimento inferior ao do conversor Boost. (MELLO, 2011)

Outra vantagem da topologia Boost é que os semicondutores do circuito

estarão sujeitos a valores de tensão menores que os valores encontrados em outras

topologias, como a Forward, por exemplo, tornando possível a escolha de

semicondutores com limites de tensão menores, consequentemente reduzindo o

custo.

O circuito Conversor DC/DC Boost desenvolvido possui como entrada o

Banco de baterias e sua saída alimenta o Inversor.

Por se tratar de um projeto extenso, foram envolvidos outros

colaboradores, ficando à execução desse trabalho de conclusão de curso, o

desenvolvimento completo do estágio elevador, ou seja, o conversor Boost, como

também o seu controle.

O controle desenvolvido protege o circuito de potência contra correntes

elevadas. Pelo fato da temperatura ser um fator crítico quando se trata de um

sistema de grande potência, principalmente para o funcionamento correto dos

semicondutores, o controle possui também um sensor de temperatura para

acionamento de ventiladores e desligamento total do circuito.

Assim, esse trabalho terá 6 capítulos, sendo eles:

CAPÍTULO 2: Conversor Boost

CAPÍTULO 3: Procedimento de projeto do conversor Boost

CAPÍTULO 4: Circuito de Controle para o conversor Boost

CAPÍTULO 5: Resultados experimentais

CAPÍTULO 6: Conclusão Geral

1.5 – Conclusão

23

Cada vez mais usuários estão se conscientizando e percebendo o quanto é

importante o uso de UPS. Os danos em aparelhos, como o desgaste dos usuários

diante da perda de informações de projetos importantes são os principais fatores

que levam a adoção dos sistemas ininterruptos de energia.

O sistema ininterrupto desenvolvido tem uma grande gama de aplicações,

além de ter baixo custo, quando comparado as outras topologias de UPS, possuindo

portanto, um ótimo custo-benefício.

Como se sabe, um dos principais temas de discussão quando se trata de

preservação ambiental é a forma de concepção da energia. Dentre as diversas

formas de geração, a energia solar, que também é uma fonte alternativa de energia,

pode ser usada no sistema desenvolvido.

O UPS desenvolvido é de Topologia Passive Stand-by, indicando que

somente alimentará a carga quando a rede estiver com uma ou mais fases

interrompidas, ele possui como características: saída senoidal no modo rede e

quase-quadrada no modo UPS e também o tempo de comutação entre rede-UPS

superior a 10ms.

24

CAPÍTULO 2 – CONVERSOR BOOST

2.1 - Análise e Funcionamento do Conversor Boost:

Para a compreensão do funcionamento do conversor Boost, a figura (2.1)

mostra o seu circuito básico.

Figura 2.1 – Conversor Boost

O funcionamento do Boost compreende em duas etapas (Ton e Toff), como

constam na figura (2.2).

25

Figura 2.2 – Formas de onda do Conversor Boost, no modo contínuo

Etapa 1: 0<T<Ton

Nesta etapa o transistor está saturado (fechado), portanto o indutor (L)

possui a mesma tensão de entrada (Vin). O diodo (D) está cortado, logo não há

corrente fluindo por ele, portanto a corrente no indutor aumenta.

26

Figura 2.3 – Conversor Boost, chave saturada

Etapa 2: Ton<T<Toff

Nesta etapa o transistor está em corte (aberto), logo a tensão no indutor é a

diferença entre as tensões de saída e de entrada do conversor. Como Q está

cortado, o único caminho oferecido a corrente no indutor é através do diodo D, do

capacitor C e da carga. Isto resulta em transferência de energia acumulada durante

o estado on (transistor saturado) para o capacitor.

Figura 2.4 – Conversor Boost, chave em corte

Deve-se ressaltar que o conversor Boost tem como característica a tensão

de saída com a mesma polaridade e maior valor do que a entrada.

O funcionamento do conversor Boost no modo de condução contínuo

minimiza o ruído injetado na rede e reduz o pico de corrente nas chaves e diodos.

27

2.2 - Deduções do equacionamento para o projeto do conversor Boost no modo contínuo

Para a análise e equacionamento do conversor Boost foram considerados os

seguintes critérios:

- Diodo ideal, ou seja, não foi considerada a queda de tensão no diodo;

- Indutor ideal, ou seja, não foi considerada a resistência série que representa as

perdas nos condutores da bobina;

- Valor do capacitor suficientemente grande para manter a tensão de saída

constante.

Analisando a figura (2.1) e sabendo que funcionamento do Boost

compreende basicamente nas etapas Ton e Toff, tem-se:

2.2.1 - Transistor saturado:

Sabendo-se que a tensão no indutor é:

(2.1)

Logo, podemos escrever, com base na figura 2.2:

(2.2)

Isolando ), temos:

(2.3)

2.2.2 - Transistor Cortado:

Quando o transistor cortado, a tensão no indutor é a diferença entre as

tensões de saída e de entrada do conversor, logo, podemos escrever:

28

(2.4)

Isolando ), temos:

(2.5)

Igualando as equações (2.3) e (2.5), temos:

(2.6)

Logo:

(2.7)

Se a tensão de saída for constante, a largura de pulso máxima será obtida

com a tensão Vin mínima.

(2.8)

Obviamente, a largura de pulso mínima será obtida com a tensão Vin

máxima.

(2.9)

Observa-se que a tensão de saída não depende da corrente de saída, tendo,

portanto boa regulação contra variações de corrente, que é uma característica do

modo contínuo. (MELLO, 2011)

2.3 - Dimensionamento do indutor:

A corrente fornecida pelo indutor à carga é a corrente média que passa pelo

diodo.

29

(2.10)

Resolvendo a equação (2.10) (Resolução no Apêndice A), obtemos:

(2.11)

Utilizando-se da equação (2.2) e (2.11), pode-se calcular .

(2.12)

E,

(2.13)

Fazendo (ponto limiar entre o modo contínuo e descontínuo de

operação, figura (2.5)), encontra-se o valor mínimo da indutância (L) para a corrente

de saída.

(2.14)

Portanto:

(2.15)

30

Figura 2.5 – Modo contínuo (a) e descontínuo (b) de funcionamento

Observa-se que apesar de ter boa regulação de tensão, o conversor Boost

PWM convencional no modo contínuo não possui boa resposta a transientes de

corrente, pois a corrente de saída (equação (2.11)) depende, diretamente do período

Toff do transistor, e quando a corrente de saída aumenta, o Toff diminui, não

cooperando assim, para a correção de carga.

Sabendo que a energia máxima que o núcleo deve armazenar é dada por:

(2.16)

Todo núcleo possui uma área efetiva (Ae), por onde flui o campo magnético

e uma área de janela (Aj) que é o espaço disponível para enrolar as espiras, sendo

que ambas se relacionam com a energia do núcleo da seguinte forma:

(2.17)

Em que

Onde:

Ku – Fator de utilização das janelas;

31

Kj – Coeficiente de densidade das correntes nos fios;

Bmax – Densidade de fluxo (Tesla);

E – Energia máxima no indutor (Joule);

Z -

– Tabela (2.1)

NÚCLEO X

POTE 0,17

EE 0,12

X 0,14

RM 0,13

EC 0,13

PQ 0,13

Tabela 2.1 – Valores de X para alguns tipos de núcleo

O coeficiente Kj relaciona a densidade de corrente nos fios das espiras com

o Ap na equação:

(2.18)

Onde, J = densidade de corrente

Tendo a forma de onda da corrente no indutor na figura (2.2), é possível

calcular seu valor RMS.

(2.19)

Logo, é possível determinar a área do cobre necessária do fio ou da fita de

cobre das espiras do indutor.

32

(2.20)

A energia em um determinado tipo de núcleo se relaciona com o fator de

indutância da seguinte forma:

(2.21)

E o número de espiras pode ser escrito pela equação (2.22):

(2.22)

Sabendo também que as equações que determinam o entreferro necessário

são:

(2.23)

E,

(2.24)

Onde:

le – Comprimento efetivo do núcleo (cm)

lg – Comprimento total do entreferro necessário

Desta forma, com todo equacionamento mostrado, é possível calcular todos

os parâmetros necessários do indutor para o projeto do conversor Boost.

Sabendo que os parâmetros são:

- Máxima energia armazenada no indutor, para consequentemente fazer a

escolha do modelo do núcleo a ser usado no projeto;

-Indutância mínima (modo contínuo);

- Número de espiras;

33

- Espessura do entreferro;

- Bitola dos fios ou espessura da fita de cobre das espiras no núcleo.

2.4 - Dimensionamento do capacitor:

O valor do capacitor de saída deve ser estimado em função da ondulação

(Ripple), e como a variação pico-a-pico da tensão do capacitor depende da carga

armazenada a cada ciclo é possível escrever as seguintes equações ((2.25) e

(2.26)):

(2.25)

E,

(2.26)

Logo:

(2.27)

Assim:

(2.28)

Todo capacitor possui uma resistência série equivalente (RSE), que varia de

acordo com seu modo de fabricação e capacitância, que não pode ser desprezada.

Portanto, a equação (2.28) é apenas parte da ondulação referente ao capacitor. É

possível modelar o capacitor da seguinte forma:

34

Figura 2.6 – Modelo de Capacitor

Logo a ondulação relativa a resistência série equivalente (RSE) é dada por:

(2.29)

Portanto, a ondulação total na saída é:

(2.30)

De modo empírico, será considerado que mais de 90% da variação da

tensão de saída é em função do RSE do capacitor, logo:

(2.31)

Usando capacitores em paralelo, diminuímos a RSE e aumentamos a

capacidade de corrente máxima no capacitor equivalente, o que torna esse tipo de

solução muito usada.

2.5 - Dimensionamento dos semicondutores

2.5.1 - Transistor

Analisando o circuito da figura (2.1), quando o transistor está em corte, a

tensão máxima reversa sobre ele é a própria tensão de saída do Conversor. Logo:

(2.32)

35

Analogamente, a equação (2.11) (ver Apêndice A), a corrente média na

chave é:

(2.33)

E a corrente de pico é:

(2.34)

2.5.2 - Diodo

Analisando o circuito da figura (2.1), quando o transistor está saturado, a

tensão máxima reversa sobre o diodo é a própria tensão de saída do conversor.

Logo:

(2.35)

A corrente média no diodo já foi calculada na equação (2.11) (ver Apêndice

A).

E a corrente de pico é:

(2.36)

2.6 - Snubbers

Durante o processo de chaveamento do conversor, podem surgir oscilações

de alta frequência nos transistores e também nos diodos de potência devido a

indutâncias e capacitâncias parasitas existentes nos semi-condutores e nas trilhas

do circuito impresso, com altas derivadas de tensão e corrente. (TREVISO, CARLOS

HENRIQUE GONÇALVES, 1999)

Um modo de evitar tais problemas é utilizando um Snubber, podendo estar

em série ou em paralelo com o componente a ser protegido. Isso pode manter o

dispositivo - quer seja ela um ela um MOSFET/IGBT ou um DIODO - em uma área

de operação segura.

36

Pode ser do tipo dissipativo (quando o elemento resistivo dissipa calor) ou

do tipo não-dissapativo (quando a dissipação ocorre apenas devido as não

idealidades da chave).

O Snubber é capaz de fornecer um caminho alternativo para a corrente, de

modo que o elemento indutivo pode ser descarregado de forma segura, tendo suas

características maximizadas quando sua posição na placa de circuito impresso for o

mais próximo possível do semi-condutor a ser protegido (TREVISO, CARLOS

HENRIQUE GONÇALVES, 1999).

É recomendado que sejam colocados em todos os semicondutores de

potência os snubbers, sendo que os mesmos são de baixa potência, com pouco

número de componentes e de tamanho reduzido, não ocupando espaço significativo

na placa de circuito impresso.

As Figura (2.7) e (2.8) mostram o esquema elétrico para os tipos mais

comuns de Snubbers dissipativos.

Figura 2.7 - Snubber dissipativo, proteção ao transistor

Figura 2.8 - Snubber dissipativo, proteção ao diodo

37

2.6.1 – Dimensionamento do Snubber

Para fins de cálculo podemos adotar as equações (2.37) e (2.38). O valor

para o resistor está na equação (2.37).

(2.37)

Onde a tensão é o valor máximo em que o semicondutor a ser protegido

estará sujeito e P é a potência a ser dissipada pelo resistor.

A equação (2.38) fornece o valor para a capacitância:

(2.38)

Considerando que o tempo de carga sendo igual ao período de

chaveamento do conversor.

2.7 - Conclusão:

Foi feita a análise do funcionamento do Boost, que compreende

basicamente em duas etapas Ton (chave fechada) e Toff (chave aberta), explicando-

as detalhadamente.

Também foi feita toda a dedução do equacionamento para o projeto do

conversor Boost no modo contínuo, com a finalidade de dimensionar indutor,

capacitor, semicondutores e snubbers.

Deve-se ressaltar que esse conversor tem como característica a tensão de

saída com a mesma polaridade e maior valor do que a entrada, e também que a

tensão de saída não depende da corrente de saída, tendo, portanto boa regulação

contra variações de corrente, que é uma característica do modo contínuo.

38

CAPÍTULO 3 - PROCEDIMENTO DE PROJETO DO CONVERSOR

BOOST

3.1 - Especificações do projeto:

Vimax 150V

Vimin 100V

Fs 50kHz

Vo 180V

ΔVo 1%

Io 17A

Iomin 1,7A

Tabela 3.1 – Especificações para o projeto do conversor Boost

3.2 - Razão Cíclica:

Usando a equação (2.8) e (2.9), encontramos respectivamente Dmax e

Dmin:

(3.1)

E,

(3.2)

39

3.3 - Indutor:

Para o indutor, será usado como base o Núcleo EE 65/33/26 da Thornton

(ver Anexo A), por ter esse modelo no laboratório, que possui os seguintes

parâmetros:

Ap = 30,67 cm4

Ae = 5,13 cm2

Le = 16,7 cm

Para determinar a energia máxima suportada por um núcleo EE 65/33/26 é

usada a equação (2.17).

Assumindo que:

Ku = 0,4

Kj = 397

Bmax = 0,3T

Z = 1,136

Logo:

(3.3)

Logo:

E = 0,0484J (energia suportada por um núcleo EE 65/33/26)

40

Como visto no capítulo 2, a indutância do conversor Boost no modo contínuo

deve ter um valor mínimo, como mostra a equação (2.15), portanto quando é

necessário usar mais de um núcleo é conveniente deixa-los em série.

Usando 2 núcleos em série para o projeto, E = 0,0968J, e:

(3.4)

Sendo Leq a indutância equivalente do conversor.

Usando a equação (2.16), temos:

(3.5)

Então:

(3.6)

E sabendo que (equação (2.12)):

(3.7)

Igualando as duas equações (3.6) e (3.7) temos o valor da indutância série

equivalente do circuito:

Leq = 1,7809.10-4H

Portanto cada indutor terá:

L = 8,9045.10-5H

Substituindo o valor de Leq na equação (2.12) e na equação (2.13),

obtemos:

IM =33,06A

Im = 28,07A

Sabendo que a energia em um determinado tipo de núcleo se relaciona com

o fator de indutância da seguinte forma (equação 2.21):

41

(3.8)

Para o cálculo do entreferro usamos as equações (2.23) e (2.24).

(3.9)

E,

(3.10)

A indutância pode ser escrita pela equação (2.22):

(3.11)

Usando agora a equação (2.20):

(3.12)

Foi usado fita de cobre com área de 0,12cm2 de seção transversal.

3.4 - Capacitores:

Sendo:

ΔVo = 1%

Logo, ΔVo = 1,8V

Usando a equação (2.31):

(3.13)

Logo, Rse≤ 0,049Ω

42

Foram escolhidos 12 Capacitores Samsung de 470uF/200V modelo MIK09,

Rse = 0,35Ω.

Calculando a resistência série equivalente final e a capacitância equivalente

final:

(3.14)

E,

(3.15)

Fazendo a verificação da variação total da tensão:

Usando as equações (2.30) e (2.28):

(3.16)

Logo, atende a especificação do projeto.

3.5 - Semicondutores:

3.5.1 - Transistor:

Usando a equação (2.32), (2.33) e (2.34), temos:

(3.17)

(3.18)

(3.19)

43

Para suportar as especificações, foram utilizados 4 MOSFET´S IRPF260 em

paralelo.

Segue as especificações do componente utilizado:

Figura 3.1 – Especificações do IRPF260

3.5.2 - Diodo:

Usando a equação (2.35), (2.11) e (2.36)

(3.20)

(3.21)

(3.22)

Para suportar as especificações foram utilizados 2 DIODOS 30EPH06 em

paralelo.

Segue as especificações do componente utilizado:

44

Figura 3.2 – Especificações do 30EPH06

3.6 - Snubbers dissipativos

3.6.1 - Mosfet:

Utilizando as equações (2.37) e (2.38) para obtermos o valor da resistência e

da capacitância dos snubbers:

(3.23)

Onde a tensão é o valor máximo em que o semicondutor a ser protegido

estará sujeito e P é a potência a ser dissipada pelo resistor, sendo que, para valores

de potência acima de 500W é recomendável que P = 1,5W.

Foram escolhidos 4 resistores de 100kΩ/0,25W em paralelo.

A equação (2.38) fornece o valor para a capacitância:

(3.24)

Considerando que o tempo de carga sendo igual ao período de

chaveamento do conversor, de 20μs.

Foram escolhidos 2 capacitores cerâmicos de 33nF em paralelo . O diodo

escolhido, para completar o Snubber é o UF4004 que suportará as condições

previstas em projeto.

45

3.6.2 - Diodo:

Para o snubber que estará junto com os diodos temos:

(3.25)

Em que também foram escolhidos 4 resistores de 100kΩ/0,25W em paralelo.

A equação (2.38) fornece o valor para a capacitância:

(3.26)

Considerando que o tempo de carga sendo igual ao período de

chaveamento do conversor, de 20μs.

Também foram escolhidos 2 capacitores cerâmicos de 33nF em paralelo e o

diodo, para completar o Snubber é o UF4004.

O circuito completo do conversor Boost projetado está no ANEXO B.

3.7 - Conclusão

Com as especificações para o projeto do conversor Boost, sabendo em que

sua entrada terá o banco de baterias e que sua saída alimentará o Inversor, foram

dimensionados todos os componentes (indutores, capacitores, semicondutores e

snubbers).

Foram escolhidos os componentes levando em consideração, obviamente,

as especificações mínimas exigidas, como também a disponibilidade dos mesmos

no laboratório.

46

CAPÍTULO 4 – CIRCUITO DE CONTROLE PARA O CONVERSOR

BOOST

4.1 - Introdução

Como foi mostrada, a razão cíclica relaciona o tempo de condução das

chaves e o período de chaveamento, equação (4.1).

(4.1)

Para o conversor atuar como esperado (tensão de saída estável), o valor da

razão cíclica deve ser corrigida continuamente para evitar variações, quando da

ocorrência de uma variação de tensão de entrada ou de carga. (MELLO, 2011)

A correção e geração dos pulsos são feitas pelo circuito de controle de

largura de pulso. A figura (4.1) mostra o diagrama de blocos da conversão DC/DC

com o circuito de controle. (MELLO, 2011)

Figura 4.1 – Diagrama de blocos simplificado da conversão DC/DC com o circuito de

controle

4.2 – O CI 3525

47

Foi utilizado o CI SG3525 para o controle, que possui os seguintes

benefícios:

• Soft-start ajustável;

• Pino Shutdown para desligar os pulsos de forma imediata;

• Pino de sincronismo

Figura 4.2 – Circuito interno SG3525

O circuito integrado funciona da seguinte forma: o oscilador carrega e

descarrega o capacitor entre dois níveis de tensão determinados, cuja frequência de

repetição é dada por um valor de resistor e de capacitor escolhido.

Como a carga do capacitor é feita por corrente constante, a tensão no

capacitor tem a forma de uma rampa. Na descarga do capacitor, o oscilador fornece

48

um pulso positivo de curta duração que ocasiona o “reset” do “latch”, muda a

condição de saída do “flip-flop” e inibe as saídas. O “latch” é usado para armazenar

o estado do comparador. Ao receber o pulso de “clock”, o “latch” vai para o estado

“zero” até que a tensão de erro seja menor do que a tensão do que a tensão Vcap,

quando então passa para um nível alto e mesmo que a tensão de erro aumente de

valor, ultrapassando Vcap, o estado “alto” fica armazenado até receber um novo

pulso de “clock”.

O “Flip-flop” garante que apenas uma saída fornecerá pulso. Ao colocar as

duas saídas do CI em paralelo, obtem-se a variação da largura de pulso de 0 a

100%. Se utilizar apenas uma das saídas tem-se no máximo 50% do ângulo de

condução.

Figura 4.3 – Parte do circuito interno do SG5325

49

Figura 4.4 – Funcionamento do circuito integrado

O CI SG3525 possui comparadores internos que podem alterar a largura dos

pulsos de saída. Com a amostragem da tensão de saída, é possível modificar a

largura do pulso da seguinte forma: se esta se eleva acima do valor estabelecido, a

largura dos pulsos diminui, fazendo com que as chaves do conversor conduzam por

um tempo menor e como consequência, diminuindo a tensão na saída. Para o caso

de a tensão estar abaixo de sua normalidade, o oposto ocorre, aumentando a

largura dos pulsos.

O circuito de soft-start (partida lenta) é ajustável a apenas ao valor da

capacitância ligada no pino 8. Nos pinos 5 e 6 são conectados um capacitor e um

50

trimpot, respectivamente, que determinaram a frequência do oscilador. Os pulsos de

saída (pinos 11 e 14) estão defasados 180º e são conectados para o disparado das

chaves.

O pino 10, “pino de shutdown”, é de grande utilidade, pois inibe os pulsos de

saída e descarrega o capacitor externo do soft-start, quando recebe pulso em nível

alto.

O pino 3, pino de sincronismo, permite o sincronismo externo do sistema,

vindo do DSC, que é de suma importância para a redução de ruídos do UPS como

um todo. (NUNES, WILLIAN RICARDO BISPO MURBAK, 2012)

4.3 – Estratégia de Controle para o Boost

4.3.1 – Esquema simplificado do controle

Figura 4.5 – Esquema simplificado do controle implementado

51

4.3.2 – Detalhamento do controle

Para melhorar a dinâmica de controle do conversor, foi modificado o

esquema mostrado no diagrama de blocos da figura (4.1). No controle implementado

também é possível controlar os pulsos limitando a corrente a um valor pré-estipulado

que serve como referencial, protegendo o circuito de potência contra correntes

elevadas. A corrente de entrada é amostrada através de uma resistência de 3 fios

em paralelo de Constantan, atuando então como sensor de corrente (ver figura

(4.8)).

Quando há um aumento de carga, o próprio indutor do conversor Boost,

instantaneamente, não fornece o aumento de corrente, ocasionando uma diminuição

da tensão de saída; logo na entrada não-inversora do comparador de erro do CI de

controle ocorre um aumento de tensão. Simultaneamente, ocorre um aumento da

corrente amostrada, ocasionando uma diminuição da tensão na entrada inversora do

comparador de erro do CI. Observa-se, então, quando há mudança de carga, ocorre

uma maior diferença entre as tensões de entrada do comparador de erro, fazendo

com o sistema tenha uma resposta dinâmica melhor.

Para a alimentação do CI é usado o esquema da figura (4.6). Inicialmente o

transitor Q está saturado e quem fornece potência ao circuito de controle é o banco

de baterias (VIN), nesse instante o conjunto R1, R2, Q, D1 e C1 é quem desenvolve

VCC. Porém durante o funcionamento normal do circuito, a alimentação do circuito

de controle provem de pulsos gerados por um enrolamento auxiliar acoplado no

indutor do próprio Boost. Durante a operação normal, VCC é desenvolvido por D2,

D3, D4, D5, C2 e o regulador de tensão, estando o transitor Q cortado.

52

Figura 4.6 – Circuito usado para a alimentação CI

No circuito também foi previsto uma entrada para alimentação de uma fonte

externa, caso for necessário.

O circuito possui uma entrada para sincronismo externo do sistema inteiro,

que é de fundamental importância para a redução de ruídos do No-break como um

todo. Também possui uma entrada, diretamente no pino 10 do CI, para interromper

os pulsos quando necessário. (NUNES, WILLIAN RICARDO BISPO MURBAK, 2012)

A temperatura é um fator crítico quando se trata de um sistema de potência

elevada, principalmente para o funcionamento correto das chaves, pelo fato de

serem os componentes mais sensíveis do sistema, ou seja, com maior risco de

danos. Portanto, foi empregado um sensor de temperatura NTC no controle, cuja

resistência varia de maneira inversamente proporcional à temperatura.

Quando a temperatura na área do dissipador próxima ao contato com os

transistores de potência atinge 40 graus centígrados, são acionados ventiladores

para a refrigeração do sistema. Atingindo o valor de 60°C, os pulsos para os

transistores são cortados e os ventiladores mantidos ligados. Para evitar que o

53

circuito fique em estado intermitente próximo ao valor da temperatura de corte, uma

lógica com comparadores com histerese impede que o circuito seja religado assim

que a temperatura diminua ao valor de 60°C, permitindo uma maior refrigeração do

circuito de potência (ver figura (4.10)). (FERREIRA, 2009)

Figura 4.7 – Circuito com o CI SG3525

54

Figura 4.8 – Circuito de amostragem de corrente

Figura 4.9 – Circuito de amostragem da tensão de saída

55

Figura 4.10 – Circuito com o sensor de temperatura

Figura 4.11 – Circuito temporizador

56

Figura 4.12 – Circuito para alimentação

4.4 – Conclusão

Para o conversor atuar como esperado (tensão de saída estável), o valor da

razão cíclica deve ser corrigida continuamente para evitar variações, quando da

ocorrência de uma variação de tensão de entrada ou de carga. A correção e geração

dos pulsos são feitas pelo circuito de controle.

Foi usado o CI SG3525 para o controle. No controle implementado é

possível controlar os pulsos a um certo valor pré-estipulado de corrente, protegendo

o conversor contra correntes muito elevadas.

57

Também foi implementado um sensor de temperatura no sistema para

acionar ventiladores e inibir os pulsos das chaves do conversor quando houver um

super aquecimentos nos semicondutores

O circuito também possui uma entrada para sincronismo externo do sistema

(UPS inteiro), com a finalidade de reduzir ruídos. (NUNES, WILLIAN RICARDO

BISPO MURBAK, 2012)

58

CAPÍTULO 5 – RESULTADOS

5.1 - Confecção das placas:

De posse do circuito elétrico, iniciou-se o desenvolvimento das placas de

circuito impresso. O Layout de ambas as placas (placa de potência e de controle)

foram desenvolvidos no software PROTEUS. Os layouts foram confeccionados para

obter um bom desempenho dos circuitos. Ambas as placas são dupla face, e com as

seguintes medidas:

Placa de Potência Placa de Controle

Comprimento (cm) 25,7 11,6

Largura (cm) 11,7 4,0

Área (cm2) 300,7 46,4

Tabela 5.1 – Dimensões das placas

5.1.1 - Placa de Potência:

Nas Figuras (5.1), (5.2) e (5.3) podem ser visto o layout da placa de potência

(Conversor Boost) e na Fig. (5.4) a fotografia da mesma finalizada.

59

Figura 5.1 – Vista frontal da placa do Conversor Boost

Figura 5.2 – Face inferior (Bottom) da placa do Conversor Boost

60

Figura 5.3 – Face superior (Top) da placa do Conversor Boost

Figura 5.4 – Fotografia do Conversor Boost

5.1.2 - Placa de Controle:

Para a placa de controle, foram usados menores componentes possíveis,

para a confecção de uma placa com tamanho reduzido.

Nas Figuras (5.5), (5.6), (5.7) e (5.8) podem ser visto o layout da placa de

controle.

61

Figura 5.5 – Vista frontal da placa de controle

Figura 5.6 – Placa de Controle

Figura 5.7 – Face inferior da placa de controle

Figura 5.8 – Face superior da placa de controle

62

Figura 5.9 – Fotografia da placa de controle

5.2 – Resultados experimentais:

Os resultados foram obtidos em testes preliminares do protótipo em

laboratório. Testes posteriores serão acrescidos em uma versão final.

Para a obtenção dos resultados experimentais, foram utilizados

amperímetros e voltímetros TRUE RMS e um osciloscópio digital.

Para os testes foram usados um variavolt monofásico, uma ponte

retificadora e foram usados como carga 4 reostatos de 50Ω/1kW. Os ensaios se

mostraram satisfatórios, a saída estabilizou-se em 180Vdc, com boa resposta a

variações da tensão de entrada.

O controle também respondeu de forma adequada aos aumentos e reduções

abruptas de corrente, com entrada e saída de carga.

A Tabela (5.2) mostra a curva de rendimento do conversor.

63

Carga

Tensão

de

saída

(V)

Tensão de

entrada (V)

Corrente

de saída

(A)

Corrente

de entrada

(A)

Rendimento

4 reostatos de

50Ω em série

180,8 129,8 0,866 1,35 0,90

181,0 145,7 0,866 1,21 0,89

2 reostatos de

50Ω em série

180,3 131,1 1,71 2,53 0,93

179,8 145,0 1,71 2,29 0,92

2 reostatos de

50Ω em

paralelo com

2 reostatos de

50Ω

180,0 121,3 3,44 5,40 0,95

Tabela 5.2 – Resultados obtidos experimentalmente

Logo, observando a tabela (5.2), foi constatado que os melhores

rendimentos do Conversor Boost foram obtidos com cargas que demandaram uma

potência maior.

Figura 5.10 - Curva de rendimento versus potência demandada na saída do

conversor

64

Para averiguar a reação do sistema exposto a temperatura elevadas,

também foram feitos testes, obtendo sucesso. Atingindo o valor de 60°C, os pulsos

para os transistores foram cortados.

Na figura (5.11) pode ser visto o pulso no GATE das chaves do conversor,

com frequência de 50kHZ e razão cíclica de aproximadamente 0,38.

Figura 5.11 – Pulsos nas chaves do Conversor

Figura 5.12 – Fotografia do protótipo em bancada

65

Figura 5.13 – Fotografia do protótipo

Figura 5.14 – Fotografia do protótipo

66

5.3 – Conclusão:

Os Layouts das placas de circuito impresso foram desenvolvidos de forma a

obter um bom desempenho dos circuitos em um espaço reduzido.

Os resultados obtidos nos testes do sistema em bancada foram satisfatórios,

respondendo de forma adequada aos aumentos e reduções abruptas de corrente e

também com uma boa resposta a variações na entrada.

Por fim, foi constatado que os melhores rendimentos do Conversor Boost

foram obtidos com cargas que demandaram uma potência maior.

67

CAPÍTULO 6 – CONCLUSÃO GERAL

Como se sabe, a rede elétrica está sujeita a sofrer distúrbios, que podem ser

oscilações e interrupções na mesma, podendo ocasionar o desligamento de

equipamentos, como também danificá-los, principalmente os eletroeletrônicos, os

quais estão muito presente na sociedade atual.

O uso de UPS surgiu como uma forma de solução a esses problemas, sendo

empregado em indústrias, atividades do ramo comercial e até mesmo em

residências.

A importância do No-break está em evitar o desligamento desses

equipamentos que são responsáveis por danos muitas vezes incalculáveis, como o

desgaste dos usuários diante da perda de informações de projetos e também evitar

o desgaste lento dos equipamentos, ou seja, ter sua vida útil reduzida devido a essa

má qualidade da energia (sub-tensão ou sobre-tensão).

O Sistema Ininterrupto de Energia projetado é de potência 3kVA, gera ondas

com tensão de pico de 180V, e segundo a norma IEC 62040-3/1999, é de Topologia

Passive Stand-by. Ainda de acordo com a norma IEC 62040-3/1999 é classificado

como VFD, em que a saída do UPS é dependente das variações de frequência e

tensão da fonte de entrada de alimentação; SX, que é a configuração de saída

senoidal no modo rede e pseudo-senoidal no modo UPS e por fim, 333, que indica o

desempenho na mudança no modo de operação com o tempo de comutação entre

rede-UPS superior a 10ms.

O UPS projetado permite o uso de painéis solares em seu sistema, podendo

então tornar a carga em questão menos dependente da rede elétrica, além da

utilização da energia limpa, que é um assunto mundialmente discutido.

Neste trabalho, especificamente, foi desenvolvido um conversor DC/DC

Boost e seu controle PWM que fará parte do UPS. Foi escolhida a topologia Boost,

principalmente, por razão de esse conversor gerar uma menor poluição harmônica,

em comparação a outros conversores, minimizando assim o ruído injetado no

sistema.

68

Os resultados obtidos nos testes do conversor Boost e seu controle em

bancada foram satisfatórios, respondendo de forma adequada as variações abruptas

de corrente e tendo uma boa resposta a inconstâncias na entrada. Também foi

obtido sucesso nos testes do sistema exposto a temperatura elevadas, cortando os

pulsos para os transistores.

Como sugestões futuras para este trabalho, fica a adoção do circuito

microprocessado de controle na conversão DC/DC, que possui como vantagens a

menor suscetibilidade a fatores externos, como ruído e temperatura; a redução do

volume de equipamentos e a redução de custos de desenvolvimento.

.

69

REFERÊNCIAS

MELLO, LUIZ FERNANDO PEREIRA. Projetos de fontes chaveadas. 2011.

TREVISO, CARLOS HENRIQUE GONÇALVES. Retificador de 6kW, fator de

potência unitário, trifásico, comutação não dissipativa na conversão CC/CC e

controle sincronizado em frequência. Tese, Universidade Federal de Uberlândia,

1999.

FERREIRA, ANDRÉ LUIZ BATISTA. UPS de 5KVA, tipo Passive Stand-by, com

integração de painéis solares. Tese, Universidade Estadual de Londrina, 2009.

INFORMATION MANAGEMANT. Alerta sobre a importância do uso de nobreaks.

Disponível em:< http://docmanagement.com.br/04/12/2012/alerta-sobre-a-

importancia-do-uso-de-nobreaks/>. Acesso em: 25 de setembro de 2012.

G. B. NUNES, M. A. SILVA e A. B. MARINHO NETO. Uso de painéis solares e sua

contribuição para preservação do meio ambiente. Disponível em

<http://www.essentiaeditora.iff.edu.br/index.php/BolsistaDeValor/article/viewFile/180

9/987>

CARLOS H. G. TREVISO, AZIZ E. DEMIAN JR., ANDRÉ L. B. FERREIRA. No-

break para aplicações residenciais, comerciais e industriais de 5kW com

interface para painel solar. Londrina. Agosto 2009.

MAURÍCIO M. MARTINEZ, CASSIANO RECH, LUCIANO SCHUCH, JOSÉ R.

PINHEIRO. Classificação e pesquisa de mercado das fontes ininterruptas de

energia (IEC 62040-3). Universidade Federal de Santa Maria – UFSM, Centro de

Tecnologia. Santa Maria

70

FABRICIO DOUGLAS GONÇALVES E MARCO AURÉLIO GONÇALVES DE

OLIVEIRA. Conceito de Resiliência para Classificação de UPS Estáticos Frente

aos Fenômenos de Qualidade da Energia Elétrica. - Universidade de Brasília -

Campus Darcy Ribeiro

N. MOHAN, T. M. UNDELAND, and W.P. ROBBINS. Power eletronics. John Wiley

e Sons, Nova Yorque, 1995.

NUNES, WILLIAN RICARDO BISPO MURBAK. Circuito de controle com DSC

para UPS de 3kW, tipo Passive Standby com integração de painel fotovoltaico.

Universidade Estadual de Londrina, 2012.

THORNTON. Catálogo de Ferrites, 2012. Disponível em

<http://www.thornton.com.br/pdf/nee_65_33_26.pdf>. Acesso em: 10 de Setembro

de 2012.

71

APÊNDICES

APÊNDICE A

Equacionamento para a determinação da corrente média no diodo do Conversor

Boost

Graficamente, o valor médio pode ser representado como “área sob a curva,

no intervalo T, dividido pelo período T”. O período T é o intervalo de tempo de

repetição da onda periódica, ou seja:

(1)

Logo a corrente média do diodo do Conversor Boost é:

(2)

Como já visto a forma de onda da corrente no diodo é:

Figura – Forma de onda da corrente no diodo

1º Passo:

Determinar a equação de reta onde 0 ≤ t ≤ Toff.

72

Sabendo que o coefiente angular da reta é:

(3)

Então a equação é:

(4)

2º Passo:

Cálculo da integral do valor médio

Usando a equação:

(5)

Logo:

(6)

Resolvendo a integral tem-se:

(7)

Sabendo que:

(8)

E,

(9)

Logo, chegamos ao seguinte resultado:

(10)

73

ANEXOS

ANEXO A

Catálogo do fabricante THORNTON para o núcleo EE 65/33/26

12

ANEXO B

Circuito Completo do Conversor Boost

12

ANEXO B

Circuito completo do conversor Boost e seu controle