Conversor de Pulsos Elétricos de Alta Tensão em Elevada

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática
Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
CONVERSOR DE PULSOS ELÉTRICOS DE ALTA TENSÃO EM ELEVADA FREQUÊNCIA, PARA
GERAÇÃO DE OZÔNIO
ALEJANDRO H INCAPIÉ , M ARCOS G. ALVES, GUILHERME DE A. E MELO, C ARLOS A. C ANESIN
Laboratório de Eletrônica de Potência (LEP), Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira (FEIS), Universidade
Estadual Paulista (UNESP)
Av. Prof. José Carlos Rossi, 1370 - Ilha Solteira - SP - CEP: 15385-000
E-mails: [email protected], [email protected]
Abstract This paper proposes a power supply for ozone generation using a phase-shifted PWM full-bridge resonant inverter
preceded by a boost rectifier with power factor correction (PFC) to obtain an intermediate DC bus. A high-frequency highvoltage transformer is included to generate the high-voltage pulses for ozone generation in the discharge chambers. A resonant
circuit (Lr-Cr) is included to guarantee soft-commutations (ZVS-zero voltage switching and ZCS-zero current switching) for the
active switches of the inverter stage, considering a constant switching frequency (near to 10kHz) close to a certain established
resonant frequency. The circuit operation is discribed, the electrical and mathematical models of the transformer and discharge
chambers are included in order to determinate the instantaneous voltages and currents at the output. The advantage of the
proposed initial boost PFC rectifier in DCM (discontinous conduction mode) is its capability to allow a high power factor with
reduced harmonic distortion at the input current, acting as an input voltage follower. The effectiveness and performance of the
proposed power supply are analyzed, through simulation and experimental results, in order to produce the high voltages for
ozone generation applied to cleaning industrial processes using ozonized water.
Keywords High Electric Voltage Pulses, Pulsed Electric Fields, Ozone Production, Industrial Hygiene with Ozonized Water,
High Power Factor Boost Rectifier, Full-bridge PWM Resonant Inverter.
Resumo Este artigo propõe uma fonte de alimentação para a geração de ozônio usando um inversor PWM ressonante em ponte
completa, com controle por deslocamento de fase, precedido por um retificador boost com correção ativa do Fator de Potência
(FP) para a obtenção de um barramento CC intermediário. Um transformador de elevada tensão de saída e elevada frequência é
incluído para fornecer os pulsos de alta tensão às câmaras de descarga para geração de ozônio. Um circuito série-ressonante (LrCr) é incluído para garantir comutações suaves (ZVS, Comutação com tensão nula, e, ZCS, Comutação com corrente nula) para
os interruptores ativos do estágio inversor, considerando a freqüência de comutação constante (próxima a 10kHz) e pouco maior
que a freqüência de ressonância estabelecida. A operação do circuito é descrita, os modelos matemáticos e elétricos para o
transformador de alta frequência e para as câmaras de descarga são incluídos, com o propósito de determinar as tensões e
correntes instantâneas na saída do conversor. A vantagem do retificador boost de entrada com correção do FP, operando em
MCD (Modo de Condução Descontínua), é a sua capacidade de apresentar um alto fator de potência com reduzida distorção
harmônica para a corrente de entrada, atuando como um seguidor da tensão de entrada. A eficácia e o desempenho da fonte de
alimentação proposta para produzir em sua saída as tensões elevadas para a geração de ozônio, para uma aplicação em processos
de limpeza industrial com água ozonizada, são analisadas através de resultados de simulação e experimentais.
Palavras-chave Pulsos de Elevadas Tensões, Campos Elétricos Pulsados, Produção de Ozônio, Higienização Industrial com
Água Ozonizada, Retificador Boost com Elevado Fator de Potência, Inversor Ressonante em Ponte Completa com freqüência
constante.
1
gerado normalmente pela descarga de pulsos
elétricos de alta tensão em determinada frequência
em câmaras de descarga, geralmente construídas com
tubos concêntricos de aço inoxidável, onde as
moléculas de oxigênio são quebradas para,
eventualmente, formar moléculas de ozônio a partir
da união de átomos de oxigênio livres. O uso de
fontes com elevadas tensões e freqüências para a
geração de ozônio traz diferentes vantagens,
baseadas principalmente no aumento da intensidade
de campos elétricos aplicados nas câmaras de
descarga. Quanto maior a frequência da tensão
aplicada às câmaras, menor tensão de pico será
exigida no processo de geração de ozônio, para uma
dada potência elétrica de tratamento (Shimomura,
2003). Neste contexto, há uma diversidade de fontes
de alimentação em elevadas freqüências de operação,
com volume reduzido e alta eficiência (Rilize, 2011).
Várias topologias de conversores têm sido propostas
a fim de melhorar a eficiência elétrica e o incremento
na concentração de ozônio produzido. Algumas
destas se baseiam em inversores ressonantes com
transformadores elevadores de tensão e elevada
Introdução
O ozônio é um poderoso desinfetante e agente
oxidante (Health and Safety Executive, 1996). Tem
aplicação bactericida, germicida, virucida, fungicida,
entre outras (Vijayan, 2010), e não deixa resíduos
poluentes nem contaminantes no ambiente (Rilize,
2011). Assim, misturado em água tem um número
cada vez maior de aplicações industriais em limpeza,
purificação e lavagem industrial (Kinnares, 2010). O
ozônio pode ser produzido industrialmente de quatro
formas principais: por eletrólise, pela incidência de
radiação ultravioleta, geração de plasma frio e
descarga elétrica por efeito corona (Health and
Safety Executive, 1996). Atualmente, o método de
descarga elétrica por efeito corona é o mais comum
na indústria para a produção de ozônio (Smith,
2013), reciprocamente, uma das principais aplicações
de campos elétricos pulsados na indústria é a geração
de ozônio (Schiavon, 2012). No processo de descarga
corona para aplicações de baixa potência, o ozônio é
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um pré-regulador retificador Boost com correção
ativa do fator de potência, operando no modo de
condução descontínua, reduzindo-se perdas por
comutações e simplificando seu controle, fornecendo
um barramento CC de modo a atender as normas
internacionais IEC 61000-3-2 (classe D) para a
corrente de entrada.
Portanto, a estrutura proposta consiste do arranjo
série de dois estágios, para os quais se torna
necessária a obtenção de elevadas eficiências
individuais, garantindo-se um elevado rendimento
global do sistema.
frequência. Outras topologias propõem circuitos LCL
ressonantes para obter altas tensões na saída, sem a
necessidade
de
transformadores
elevadores
(Ketkaew, 2007).
O objetivo da fonte de alimentação proposta neste
trabalho é sua aplicação na produção de ozônio para
ser dissolvido em água, aplicada na limpeza e
higienização industrial, principalmente lavagem de
recipientes de alimentos líquidos, equipamentos e
instalações de reserva/armazenamento de alimentos
líquidos. Portanto, resultando em processo com ação
germicida e bactericida, lavagem eficiente e sem
resíduos nocivos ao ser humano, como aqueles
decorrentes do uso de produtos químicos.
Na água de limpeza, o ozônio é muito mais eficiente
que o cloro. Com base no tempo necessário para
matar 99,99% de todos os microorganismos, o
ozônio é 25 vezes mais eficaz do que o ácido
hipocloroso, 2500 vezes mais eficaz do que o
hipoclorito, e 5000 vezes mais do que cloramina.
Por outro lado, equipamentos comerciais usados para
a lavagem na indústria química e na indústria de
alimentos líquidos, convencionalmente utilizam
múltiplas câmaras de descarga coaxiais, onde
geralmente se tem um conversor pulsante para cada
câmara. Isto leva, ao longo do tempo de utilização, a
divergência de operação e das concentrações de
ozônio produzidas em cada uma das câmaras.
Desta forma, a fim de homogeneizar e estabilizar a
produção de ozônio é proposto um único conversor
pulsante para as múltiplas câmaras de descarga
associadas em paralelo, melhorando-se a eficiência
desta produção (Amjad, 2013).
Ainda, tipicamente, a frequência de operação dos
conversores
nos
equipamentos
comerciais
normalmente é baixa (abaixo de 5kHz), com pouca
energia associada aos pulsos de alta tensão, e,
consequentemente, pouca eficiência na produção de
ozônio. Desta forma, gerar tensões em níveis
adequados e em alta freqüência (acima de 5kHz), de
modo a garantir uma grande densidade de produção
de ozônio a ser injetado em água, integra os objetivos
deste trabalho.
No entanto, trabalhar em alta frequência aumenta as
perdas de comutação, podendo reduzir muito a
eficiência do conversor, ainda mais para baixas
potências de operação. Desta forma, propõe-se
utilizar um estágio inversor ressonante para o estágio
de saída, possibilitando que as comutações sejam não
dissipativas nos interruptores, minimizando assim as
perdas por comutação e permitindo a operação com
frequências elevadas. Além disso, considerando a
utilização de um único conversor chaveado em
elevada freqüência (estágios de entrada e saída), com
câmaras em paralelo para produção de ozônio, tem-se
a redução do peso e volume da estrutura proposta,
incluindo-se o transformador elevador.
Considerando-se os equipamentos comerciais,
infelizmente pela ausência de normatização nacional
específica, normalmente os mesmos operam com
reduzido fator de potência para a entrada. Desta
forma, propõe-se para o estágio de entrada o uso de
2
Conversor Proposto
O conversor proposto, mostrado na Figura 1, é
composto por dois estágios, sendo o primeiro estágio
um retificador Boost operando no Modo de
Condução Descontínua (MCD), responsável pela
obtenção de um barramento regulado em Corrente
Contínua (CC) e, atuando como seguidor da tensão
da entrada, apresenta um elevado fator de potência
com reduzida distorção harmônica para a corrente de
entrada; o segundo estágio consiste no uso de um
inversor em Ponte Completa (Full-bridge)
ressonante, com controle por deslocamento de fase
(Phase-shift), o qual garante comutações com
corrente nula num braço da ponte inversora e
comutações com tensão nula no outro braço,
minimizando-se as perdas de comutação, com
frequência constante e modulação bipolar. O estágio
inversor ressonante é composto pelo inversor em
ponte associado os elementos em série indutância
(Lr) e capacitância (Cr), para o ajuste da ressonância,
e um transformador elevador; resultando numa
estrutura com capacidade de geração de pulsos
elétricos na saída com amplitude de até 6kV, com
frequência em torno de 8kHz, os quais são aplicados
em um conjunto em paralelo de 14 (quatorze)
câmaras de descarga para geração de ozônio e
imediata injeção em água.
Transformador
elevador
Q1
Q4
Ilr
+
VAB
-
Q3
conversor Boost com
correção natural do fator de
potência
Controle PI
de tensão
Lr
Cr
Modelo
Câmara de
descarga
Q2
Inversor
Full-Bridge
Q1
Q2
Q3
Q4
Controle
PWM
PhaseShifted
ZVD
ZCD
VAB
Ilr
Figura 1 – Conversor Proposto para a geração de Ozônio.
2.1 Conversor Boost Corretor do Fator de Potência
O conversor retificador boost funciona como um
seguidor da tensão de entrada, apresentando um alto
fator de potência com baixa distorção harmônica na
corrente de entrada. Opera em modo de condução
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descontínua com uma frequência de comutação de
27kHz, considerando-se tensão de entrada de
220Veficazes, 60Hz, e saída com valores médios de
350V.
A vantagem deste conversor boost como estágio de
entrada é a capacidade de apresentar um alto fator de
potência com baixa distorção harmônica para a
corrente de entrada, com reduzida complexidade para
o controle e comutações ZCS (entrada em condução
do interruptor e bloqueio do diodo boost), devido
operação no modo de condução descontínua.
primário do transformador elevador de alta
freqüência, são incluídos para reduzir e fixar a
frequência de ressonância do circuito equivalente da
carga da ponte inversora. Neste trabalho, a
freqüência de ressonância é fixada perto de 8kHz.
2.2.2 Transformador de alta tensão e alta freqüência
Tensões em torno de 5kV já têm a capacidade de
gerar ozônio a partir de micro descargas no ar dentro
das câmaras empregadas neste trabalho (Health and
Safety Executive, 2013). Para atingir este nível de
tensão um transformador de alta tensão e alta
frequência com relação de transformação de 1:22 é
utilizado.
Pulsos bipolares têm vantagens ao reduzir os
problemas de saturação do núcleo do transformador,
além de propiciar o aumento da concentração de
produção de ozônio (Honn, 1976), aumentando-se a
densidade de seu fluxo a ser injetado em água. Ao
evitar a saturação do elemento magnético (pulsos
bipolares), aumenta-se a transferência de energia e
também se reduz o número de espiras e volume do
transformador. A fim de reduzir as perdas por
dispersão, a especificação de um núcleo com elevada
indução magnética é necessária (exemplo: núcleos
tipo Iron Powder).
2.2 Inversor Ressonante em ponte completa PhaseShift
Este inversor é responsável pela obtenção de uma
tensão alternada pulsada de alta freqüência, com
controle da largura de pulso, adequada para fins de
produção de ozônio. Entretanto, considerando-se os
níveis baixos da tensão na saída da ponte, utiliza-se
para sua elevação um transformador operando em
elevadas freqüências. Em série com o primário do
transformador elevador temos os elementos
ressonantes (Lr-Cr), os quais permitem, em conjunto
com a carga equivalente, um comportamento para a
evolução das tensões e correntes através dos
interruptores ativos do inversor, que resultam em
comutações não dissipativas. Para garantir uma
operação ZVS e ZCS para as comutações do estágio
de saída inversor, a frequência de operação do
mesmo deve ser pouco maior do que a frequência de
ressonância de sua carga equivalente.
A ponte inversora com controle PWM Phase-shift
(freqüência constante e deslocamento de fase), tem
vantagens em relação ao controle da tensão de saída
e ao aproveitamento ressonante da carga, fato que
permite a melhora da concentração de ozônio gerado,
em comparação com o controle convencional PWM.
O inversor com controle PWM Phase-shift permite
manter constante a tensão de saída aplicada nas
câmaras, frente a eventuais variações de frequência.
Em uma ponte inversora com controle PWM
convencional a tensão de saída decresce com o
aumento da frequência de comutação, principalmente
devido ao efeito da alta frequência sobre o
transformador, impedindo o aumento da produção de
ozônio através do aumento da frequência (Rilize,
2011). Portanto, com o controle por deslocamento de
fase (phase-shift) resolve-se este problema,
mantendo-se constante a tensão de saída com o
aumento da freqüência, melhorando-se a eficiência
da produção de ozônio nas câmaras de descarga.
Ligado a uma carga de natureza ressonante, o estágio
inversor opera no modo ressonante para tensões e
correntes de saída. Assim, a tensão e corrente nas
câmaras de descarga e a corrente na saída do inversor
apresentam formas de onda quase senoidais,
portanto, bipolares.
2.2.3 Câmaras de Descarga
Fisicamente, as câmaras de descarga para produção
de ozônio são geralmente fabricadas a partir de tubos
concêntricos ocos. O eletrodo central está coberto
por um tubo de vidro de isolamento para impedir a
geração de arcos indesejados, então é no espaço e
volume de ar do canal de descarga, contido pelo
eletrodo cilíndrico externo, onde é gerado o ozônio.
O modelo elétrico para uma câmara de descarga pode
ser representado por uma capacitância, formada pelo
espaço (dielétrico) entre os elétrodos, em paralelo
com uma resistência, a qual representa as
microdescargas de corrente que rompem o dielétrico
equivalente, durante a geração de ozônio, modelo
este convencionalmente usado, devido à sua
simplicidade e linearidade (Sung, 2013).
Parâmetros elétricos do modelo da câmara de
descarga podem ser obtidos a partir da geração do
fenômeno de ressonância, fazendo-se uma analogia
com o funcionamento de qualquer circuito ressonante
RLC básico, onde o modelo da câmara faça parte do
mesmo e as equações de seu comportamento em
frequência sejam analisadas. Na determinação dos
parâmetros elétricos das câmaras de descarga sabe-se
que a capacitância equivalente aumenta o seu valor
com o aumento da freqüência de operação perto da
freqüência de ressonância e que a resistência
equivalente reduz o seu valor com o aumento da
freqüência de operação (Rilize, 2011).
Portanto, o conjunto retificador boost e inversor FullBridge Phase-Shift associado ao modelo equivalente
do transformador com as câmaras de descarga,
resultam num conversor ressonante.
2.2.1 Indutor e Capacitor serie
O indutor e o capacitor série-ressonantes (Lr-Cr),
mostrados na Figura 1, em série com o enrolamento
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Desta forma, este artigo apresenta a análise do
conversor ressonante de alta frequência e alta tensão
proposto, conversor este capaz de variar a tensão de
saída e o formato das correntes na ponte inversora e
circuito ressonante. Consequentemente, controlando
a quantidade de produção de ozônio (Fukawa, 2008),
a partir do ajuste da frequência de ressonância e do
ângulo de deslocamento de fase (phase-shift) na
operação da ponte inversora, tal que se obtenha uma
tensão com valor de pico e frequência constante,
desejável, aplicada aos elétrodos das câmaras de
descarga.
A simulação da fonte proposta e os resultados
experimentais são apresentados na sequência, para
confirmar as características da tensão de saída, da
corrente ressonante, das comutações ZVS e ZCS para
os interruptores do estágio inversor e o elevado fator
de potência para o estágio retificador de entrada, e,
finalmente, o aumento da concentração de ozônio a
ser injetado em água, através da comparação com um
produto comercial.
Logo, o valor adotado para a indutância Boost foi de
0,27mH, implementada no núcleo EE30/15/7.
Considerando-se a resposta em freqüência do estágio
de entrada, através de seu diagrama de Bode, admitese para a condição de estabilidade uma margem de
fase maior do que 45 graus com uma derivada de 20dB/dec em torno da frequência de cruzamento,
apresenta-se em (3) os dados para o compensador
empregado.
( )
(
)
(
)
(3)
Na Figura 2 apresenta-se o comportamento da tensão
e corrente de saída do estágio boost, frente a um
degrau de exclusão e inclusão de 50% da carga,
sendo que o sinal intermediário corresponde ao sinal
de controle.
Vo
370
360
350
340
330
Voc2
3
0.6
Análise da Operação via simulação
0.5
0.4
3.1 Conversor Boost com elevado fator de potência
0.3
Para o modo de condução descontínua, o projeto do
retificador Boost concentra-se em determinar a
indutância máxima que assegura uma condução
crítica, próxima aos valores de pico da forma de onda
de corrente no indutor Boost e da tensão de
alimentação.
Neste trabalho é utilizada uma tensão de alimentação
de entrada de 220V (eficazes), uma potência de saída
no barramento CC do estágio boost de 200W, uma
tensão média de saída do estágio boost de 350V e
uma frequência de operação de 27kHz. Para
minimizar o ripple na tensão de saída do estágio
boost emprega-se um filtro capacitivo de
220µF/450V.
Observa-se que, quanto maior o ganho estático do
conversor Boost, no MCD, maior será o valor da
tensão de saída no barramento CC e melhor será a
correção natural do fator de potência. Por outro lado,
maiores serão os esforços nos semicondutores (diodo
e interruptor).
Desta forma, através de (1) e (2) pode-se especificar
o valor máximo para a indutância Boost (indutância
crítica), para o conversor Boost operando no MCD.
0.6
Io
( )
( )
√
[
(
√
0.4
0.2
0
0.2
0.6
Time (s)
0.8
1
Figura 2 – Tensão controlada de saída, sinal de controle e corrente
na carga/saída do retificador boost.
Considerando-se os dados de projeto do estágio de
entrada boost, os resultados de simulação obtidos
com o PSIM, admitindo-se atraso entre fundamentais
da tensão e da corrente de entrada desprezível, com
tensão de entrada senoidal, o Fator de Potência (FP)
resultou aproximadamente em 0,96.
3.2 Inversor em ponte completa Phase-shift com
carga ressonante
A Figura 3 mostra as características de operação e
sequência dos pulsos de controle dos interruptores da
ponte inversora. Considerando-se operação PWM
Phase-Shift, permitindo-se comutação ZCS no braço
esquerdo (interruptores Q1 e Q3) e ZVS no braço
direito (interruptores Q2 e Q4), admitindo-se
frequência de comutação do inversor pouco maior do
que a frequência de ressonância da carga equivalente.
O período de funcionamento pode ser representado
por dez subintervalos de tempo, sendo que cinco
subintervalos podem ser diferenciados a cada meio
período de funcionamento. Os sinais para os
interruptores têm uma defasagem φ, conforme Figura
4, caracterizando-se a natureza da operação PWM
Phase-Shifted. A tensão de saída pode ser variada
alterando-se o valor do ângulo de defasagem φ.
(1)
)]
0.4
(2)
Onde:
Vp= Valor de pico da tensão de alimentação; D=
Razão cíclica; fs= Freqüência de comutação;
Pout(max)= Máxima potência ativa de saída; = Vp/Vo;
Vo= Valor médio da tensão de saída.
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(5)
(
)
Fazendo a parte imaginaria igual a zero em (5) temse (6).
(6)
Isolando a capacitância CR, conforme (7), pode-se
determinar o seu valor a partir de dados conhecidos
(comerciais) e com tal especificação fixa-se a
frequência de ressonância desejada para o sistema,
conforme (6). Na caso desta proposta, como os
parâmetros das câmaras de descarga já são
conhecidos para uma frequência perto da frequência
de ressonância e perto da frequência de chaveamento,
o indutor Lr é fixado em 2,2mH, valor que compõe o
parâmetro LT, onde as indutâncias de dispersão do
transformador também são conhecidas.
Figura 3 - Sequência de funcionamento e chaveamento do estágio
inversor proposto.
4
Análise da Carga Equivalente
O circuito equivalente aproximado do conjunto,
associação do transformador de alta frequência,
elementos ressonantes, câmaras de descarga e os
pulsos de tensões bipolares gerados pelo inversor
PWM Phase-Shift é mostrado na Figura 4. Em
conjunto, o transformador, o circuito série-ressonante
e as câmaras de descarga constituem a carga
ressonante equivalente da ponte inversora.
Com o circuito equivalente aproximado simplificado
mostrado na Figura 4 pode-se obter, agrupando-se as
indutâncias de dispersão do transformador do
primário e do secundário refletida ao primário, junto
com a indutância de ajuste Lr, a equivalente LT, e
com as resistências dos enrolamentos do
transformador e do indutor Lr, a equivalente RT.
A resistência da carga equivalente diminui seu valor
com o incremento da frequência de operação. A
capacitância equivalente CT aumenta seu valor com o
incremento da frequência de operação. Lembrando-se
que, quanto maior a frequência de operação maior
poderá ser a concentração da produção de ozônio
(Rilize, 2011).
Para fixar a frequência de operação ou ressonância
do circuito pode-se começar do circuito equivalente
da Figura 4, onde a frequência de ressonância
corresponde ao ponto onde a parte reativa da
impedância total faça-se zero, assim a impedância
total do circuito pode ser definida pelas expressões
(4) e (5).
LT
CR
(
)
(7)
Assim, para uma frequência de ressonância ω de
aproximadamente 8kHz, levemente inferior à
frequência de operação do estágio inversor,
determina-se o valor da capacitância ressonante CR
de 1µF, e, com estes dados, obtém-se o ponto de
operação adequado para a aplicação.
A frequência de ressonância pode ser verificada no
diagrama de bode da função de transferência que
relaciona a tensão de saída com a tensão bipolar
fornecida pelo estágio inversor, conforme Figura 6,
assim como na função de transferência que relaciona
a corrente ressonante no primário do transformador
com a tensão bipolar do inversor. Na Figura 5 a linha
superior representa o comportamento em frequência
da função de transferência para a tensão de saída e a
linha inferior o comportamento da função de
transferência para a corrente ressonante, pode-se
verificar que a ressonância ocorre perto dos 8kHz,
sendo que, para uma frequência de chaveamento
igual ou superior a esta frequência de ressonância
garante-se um bom comportamento ressonante para o
circuito, com comutações ZCS e ZVS nos
semicondutores da ponte inversora.
A função de transferência da tensão nas câmaras de
descarga em relação à tensão de entrada (saída do
inversor em ponte) é apresentada em (8).
RT
(8)
vinv
Cc
Rc
A partir da simulação da estrutura no ponto de
operação ressonante adotado, a tensão obtida nas
câmaras de descarga e a corrente de saída do inversor
são suficientes para a geração de ozônio com a
estrutura proposta.
Figura 4 - Circuito equivalente simplificado, estágio de saída.
(
)
(4)
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é controlado de forma digital através de um DSC
(Digital Signal Controller) de baixo custo.
Na Figura 10 apresenta-se a tensão e corrente de
entrada do sistema, entrada do estágio retificador
boost.
A Distorção Harmônica Total (DHT) para a corrente
de entrada é de aproximadamente 30%. Entretanto,
mesmo com tal distorção, devido reduzida relação de
ganho estático do estágio de entrada, todas as
componentes harmônicas da corrente estão abaixo
dos limites estabelecidos pela IEC 61000-3-2, na
classe mais restritiva (classe D).
Figura 5 - Diagrama de bode da tensão e corrente de saída do
estágio inversor ressonante.
A Figura 6 mostra detalhadamente a tensão e
corrente no interruptor superior Q1 da ponte
inversora, pertencente ao braço com comutação ZCS.
Obviamente, para comutação ZCS durante o
bloqueio, o interruptor mais recomendado seria um
IGBT com diodo em antiparalelo encapsulado.
Entretanto, considerando-se custos relativos para a
potência da aplicação, mesmo com as 14 câmaras
associadas em paralelo, utilizou-se um MOSFET.
Figura 8 - Conversor proposto e desenvolvido para geração de
ozônio e aplicação em processos de limpeza industrial.
Figura 6 - Detalhe de comutação com corrente nula, ZCS, para a
tensão e corrente no transistor Q1.
A Figura 7 mostra a defasagem entre a tensão de
saída nas câmaras de descarga e a corrente ressonante
de saída do estágio inversor, podendo-se verificar
que em tensão máxima a corrente é nula e vice-versa.
Tal operação relaciona-se diretamente como o
chaveamento ZVS, mostrado também na Figura 8
para a tensão e corrente através de Q2, interruptor do
braço direito da ponte inversora. Ou seja, a entrada
em condução dos interruptores deste braço ocorre
com tensão nula, considerando-se a condução
preliminar por seus diodos em antiparalelo
(interruptores do tipo MOSFET).
Figura 9 - Tensão e corrente de entrada do estágio retificador
boost.
A Figura 10 mostra as formas de onda da tensão nas
câmaras de descarga de formato senoidal, com
frequência de aproximadamente 8kHz e tensão pico
de aproximadamente 6kV, junto com a corrente
ressonante no primário do transformador de formato
quase senoidal e de 2,3A em valores eficazes. Podese verificar que a defasagem entre estas formas de
onda está próxima dos 90 graus, fato que garante
comutação com tensão nula quando a corrente é
máxima em um dos braços e comutação com
corrente nula quando a tensão é máxima, nos braços
à direita e à esquerda do estágio inversor,
respectivamente.
Na parte direita da Figura 10 se mostra a tensão Vab
de saída da ponte inversora e a sua correspondente
corrente de saída ressonante, pode-se verificar como
em cada pulso positivo e negativo a corrente é
incrementada de maneira ressonante. Deve-se
observar que a aplicação de pulsos bipolares nas
câmaras de produção de ozônio melhoram a
eficiência do processo (aumento da concentração de
Figura 7 - Tensão nas câmaras de descarga e corrente ressonante
no primário do transformador; Detalhe de comutação com tensão
nula, ZVS, para Q2.
6
Resultados Experimentais
O protótipo implementado é apresentado na Figura 8,
sendo que todo o sistema, estágios de entrada e saída,
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ozônio), sendo uma importante vantagem para a
estrutura proposta.
No mesmo período de tempo de 5ms (500µs por
divisão) são gerados aproximadamente 40 pulsos
senoidais pelo conversor desenvolvido contra 5
pulsos pelo conversor comercial. Em termos da
frequência dos pulsos de tensão, uma frequência
pouco maior que 8kHz é obtida no conversor
proposto, em relação aos 1,25kHz obtidos com o
conversor comercial. Portanto, uma maior densidade
de energia é transferida pelo conversor desenvolvido
às câmaras de descarga.
Em relação às medições experimentais de produção
de ozônio, foram realizados um total de 5 testes
oficiais como cada equipamento (produto comercial
e o desenvolvido), com o objetivo de avaliar os
níveis de ozônio residual obtidos ou produzidos por
cada equipamento, considerando-se a injeção em um
mesmo fluxo constante de água.
Figura 10 - Tensão nas câmaras de descarga e corrente ressonante
no primário do transformador elevador, e, tensão pulsada de saída
do inversor.
A Figura 11 mostra detalhadamente a tensão e
corrente no interruptor inferior Q3, à esquerda,
pertencente ao braço com comutação ZCS. Na parte
direita se mostra as formas de onda de tensão e
corrente em um dos interruptores do braço com
comutação ZVS, Q2. A comutação ZVS é um
importante instrumento para a redução das perdas em
comutação e volume reduzido do dissipador
empregado no conversor implementado.
Figura 13 – Detalhe pulsos de tensão gerados pelo conversor
desenvolvido.
Figura 11 - Detalhe da tensão e corrente em um interruptor do
braço ZCS, Q3, e, em um interruptor do braço ZVS, Q2.
A Figura 14 mostra a comparação visual dos
melhores resultados obtidos para cada equipamento,
sendo a amostra à esquerda para o equipamento
comercial, e, à direita o resultado obtido com o
conversor desenvolvido. Nestes ensaios de
colorimetria, quanto mais escura a amostra em cor
rosa, maior a concentração de ozônio na amostra.
Conforme se observa nos registros do equipamento
utilizado, a concentração obtida com o produto
comercial, em seu melhor resultado, atingiu 0,2mg/l,
e, 0,5mg/l (mg/l: miligramas/litro).
Em relação à tensão de saída gerada pelo conversor
proposto, a Figura 12 mostra uma comparação das
formas de onda de tensão de saída geradas por um
produto comercial e pelo sistema proposto, no
mesmo período de tempo correspondente a 5ms.
Observa-se à esquerda, para o conversor comercial, a
ocorrência de 5 pulsos de curta duração e uma tensão
máxima de 8kV, e, à direita, para o conversor
proposto, obtém-se um maior número de pulsos no
mesmo período, com uma tensão máxima menor de
aproximadamente 5,5kV. Apesar deste fato, pode-se
inferir que para o conversor proposto tem-se uma
maior densidade de energia transferida às câmaras.
Em relação à densidade de energia transferida às
câmaras de descarga, o menor nível de tensão obtido
com o conversor desenvolvido é compensado com o
aumento da frequência e o formato senoidal, bipolar,
dos pulsos gerados, de acordo com detalhe da Figura
13.
Figura 14 – Comparação das máximas concentrações obtidas de
ozônio residual com o equipamento comercial e o conversor
desenvolvido.
Figura 12 - Pulsos de tensão gerados pelo conversor comercial em
comparação com o conversor desenvolvido (em 5ms).
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Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática
Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
7
Analysis of an Ozone Generator System
Operating at High Frequency with Digital Signal
Controller”, Revista Ciência e Tecnologia,
ISSN:1677-9649, vol. 15, n. 27, pp. 23-35, 2012.
Health and Safety Executive, “Ozone: health hazards
and precautionary measures. Guidance Note
EH38,”
1996.
[Online].
Avaible:
http://www.hse.gov.uk/pubns/priced/eh38.pdf.
[Acesso em 23 Outubro 2013].
J. M. Alonso, J. Cardesín, E. Lopez Corominas, M.
Rico-Secades e J. García, “Low-Power HighVoltage High-Frequency Power Supply for
Ozone Generation”, IEEE Transactions on
Industry Applications, vol. 40, n. 2, p. 414, 2004.
K. V. Honn, G. M. Glezman e W. Chavin, “A High
Capacity Ozone Generator for Use in
Aquaculture and Water Processing”, Marine
Biology 34, pp. 211-216, 1976.
M. Amjad e Z. Salam, “Analysis, Design, and
Implementation of Multiple Parallel Ozone
Chambers for High Flow Rate”, Transactions on
Industrial Electronics, vol. 61, n. 2, pp. 753-765,
2013.
N. Shimomura, M. Wakimoto, H. Togo, T. Namihira
e H. Akiyama, “Production of ozone using
nanosecond short pulsed power”, 0-7803-79152/03 IEEE., pp. 1290-1293, 2003.
Rilize, “Informe del Ozono”, 21 Setembro 2011.
[Online].
Available:
http://www.rilize.com/OZONO%20RILIZE.pdf.
[Acesso em 23 Outubro 2013].
S. Ketkaew, “The Case Study of 5 kHz – 25 kHz
High Frequency Adjustment in Converter Circuit
to Generate Ozone Gas”, AU J.T. 11(1), pp. 4247, 2007.
T.-L. Sung, S. Teii, C.-M. Liu, R.-C. Hsiao, P.-C.
Chen, Y.-H. Wu, C.-K. Yang, K. Teii, S. Ono e
K. Ebihara, “Effect of pulse power
characteristics and gas flow rate on ozone
production in a cylindrical dielectric barrier
discharge ozonizer”, Vacuum 90, pp. 65-69,
2013.
T. Vijayan e J. G. Patil, “High-tension corona
controlled ozone generator for environment
protection”, Journal of Physics: Conference
Series 208 (2010) 012140, p. 1, 2008.
V. Kinnares e P. Hothongkham, “Circuit Analysis
and Modeling of a Phase-Shifted Pulsewidth
modulation Full-Bridge-Inverter-Fed Ozone
Generator With Constant Applied Electrode
Voltage”, IEEE Transactions on Power
Electronics, vol. 25, n. 7, p. 1739, Julho 2010.
Wayne Smith, Watertec Engineering Pty Ltd ,
“Principles of Ozone Generation”, 7 Setembro
2012.
[Online].
Available:
http://watertecengineering.com/TZ000002%20Pr
inciples%20of%20Ozone%20Generation.pdf.
[Acesso em 21 Outubro 2013].
Conclusão
O conversor ressonante implementado consegue
gerar tensões de elevada tensão e elevada freqüência,
necessárias para a geração de ozônio através do
emprego de câmaras de descarga. O ozônio gerado é
injetado em água e através de um conjunto motorcompressor permite sua utilização (água ozonizada)
em processos de limpeza e higienização industrial.
O estágio retificador boost de entrada atende o
objetivo de impor uma corrente de entrada com
reduzidas distorções harmônicas, resultando num
elevado fator de potência para a estrutura proposta,
com simplicidade e baixo custo de implementação.
O estágio de saída inversor garante, em conjunto com
sua carga equivalente ressonante, uma operação com
comutações não dissipativas, ZCS e ZVS, resultando
em baixa dissipação de energia na ponte inversora.
Com o conversor comercial foi obtida uma
concentração média de ozônio de 0,18mg/l e com o
conversor desenvolvido foi obtida uma concentração
média de 0,46mg/l. Ou seja, ficou demonstrado que o
conversor desenvolvido consegue produzir uma
maior concentração de ozônio residual do que aquela
produzida com o conversor comercial testado.
A operação com frequência de chaveamento
constante, pouco superior à frequência de
ressonância, garante a correta operação e comutações
não dissipativas para o estágio inversor, assim como,
permite elevada eficiência na produção de ozônio nas
câmaras de descarga, considerando-se as tensões
bipolares (bidirecionais), em relação às estruturas dos
pulsadores convencionais para produção de ozônio.
Portanto,
considerando-se
os
resultados
apresentados, conclui-se que com o conversor
desenvolvido obtém-se uma maior transferência de
energia às câmaras de descargas, fato que leva a uma
maior produção de ozônio residual em fluxo de água
para aplicações em processos de limpeza e
higienização industrial, o que garante a maior
eficácia germicida e bactericida para a aplicação.
Agradecimentos
Os autores gostariam de agradecer ao apoio do CNPq
e FEPISA para o desenvolvimento deste trabalho.
Referências Bibliográficas
F. Fukawa, H. Togo e N. Shimomura, “Consideration
of parallel reactors for ozone production using
nanosecond pulsed power discharge”, 0-78038586-1/04 IEEE, pp. 387-390, 2004.
F. Fukawa, N. Shimomura, T. Yano, S. Yamanaka,
K. Teranishi e H. Akiyama, “Application of
Nanosecond Pulsed Power to Ozone Production
by Streamer Corona”, IEEE Transactions on
Plasma Science, vol. 36, n. 5, pp. 2592-2597,
2008.
G. J. Schiavon, C. M. Gonçalves Andrade, L. M.
Matos Jorge e P. R. Paraíso, “Design and
576