3.a Aula_PAE_04_choppers - Professor Doutor Cesar da Costa

Prática de Acionamentos
Eletrônicos – PAE_04
Prof. Cesar da Costa
AULA 03: Choppers (Introdução)
1. Introdução
 O chopper é utilizado para obter uma tensão DC
variável a partir de uma fonte DC constante.
Controlando-se o tempo em que a saída fica ligada a
alimentação de entrada, controla-se o valor médio
da tensão de saída.
 Conversor de fonte DC fixa em uma fonte DC
variável. Um chopper converte diretamente de DC
para DC e é conhecido com um conversor DC-DC.
1.1 Os choppers são amplamente utilizados em:
 Controle de tração de motores em automóveis
elétricos;
Trolebus;
Guindastes;
Empilhadeiras;
Transporte em minas;
 Frenagem regenerativa de máquinas CC, para
devolver energia para sistemas de transporte com
paradas frequentes (Metrô).
 Eles fornecem controle de aceleração suave, alta
eficiência e resposta dinâmica rápida.
 Essa conversão pode ser obtida pela combinação
de um indutor e/ou capacitor e um dispositivo de
estado solido que opere no modo de chaveamento
em alta frequência.
 A principal técnica de chaveamento usada em
chopper’s DC e denominada PWM (Pulse Width
Modulation).
 Há dois tipos fundamentais de circuitos chopper:
 step-down ou buck e o step-up ou boost.
 O chopper buck tem como característica uma
tensão na saída menor ou igual a tensão de entrada.
 O chopper boost fornece uma tensão na saída
maior ou igual a tensão de entrada.
 Os dois tipos de choppers são bastante utilizados
na industria em aplicações que envolvem fontes
constantes, por exemplo:
 Controle de motores DC para tração elétrica;
 Chaveamento de alimentadores de potencia, UPS
(uninterruptible power supplies);
 Equipamentos operados por bateria.
2. Circuito Básico
 Uma chave é ligada a uma fonte DC (Vi) em série
ou em paralelo. A chave S pode ser um transistor
de potência, um SCR ou um tiristor GTO, que
quando acionada (Ton) permite um caminho
alternativo de corrente e quando aberta (Toff) cessa
este caminho, alterando assim o período de
alimentação da carga.
 Considerando condições ideais, a perda de
potência no chopper é zero. Assim, a potência de
saída é igual a potência de entrada:
V0 .I 0  Vi .Ii
 Suponha que a tensão de saída seja ajustável em
uma faixa de zero ao nível de entrada.
 A operação da chave será de tal modo que ela
esteja ligada (fechada) por um tempo TON e
desligada (aberta) por um tempo TOFF em cada
ciclo de período T prefixado.
 A forma de onda resultante da tensão de saída é
um trem de pulsos retangulares de duração TON,
como mostrado na figura abaixo:
 Pode-se observar que a tensão instantânea na
carga é zero (chave desligada) ou Vi (chave
ligada).
 A tensão média (DC) na saída em um ciclo é
dada de acordo com as áreas dos respectivos
retângulos:
V0  (Ton  Toff )  Vi  Ton
V0  (Ton  Toff )  Vi  Ton
V0 
Ton
(Ton  Toff )
V0 
Ton
T
 Vi
Onde:
T  Periodo(Ton  Toff )
(Igualando as áreas)
 Vi
 A frequência de chaveamento do chopper é:
1
f 
T
 Se utilizarmos a ideia de ciclo de trabalho (d) ,
que é uma relação entre largura de pulso e o
período da forma de onda temos:
d 
Ton
T
 Temos:
V0  Vi  d
 Se o chopper está ligado o tempo inteiro:
Toff  0
T  Ton  Toff
 Logo:
T  Ton
d 
Ton
T
 d  1  V0  Vi
 A equação mostra que a tensão de saída varia,
de modo linear, com o ciclo de trabalho. A figura
abaixo mostra a tensão de saída a medida que d
varia de zero a um.
 A corrente na carga é dada por:
I0 
V0
R
V0  d  Vi
 Logo:
I0 
d  Vi
R
 O valor eficaz (RMS) da tensão de saída:
V0 
Ton
(Ton  Toff )
V0 
Ton
T
(V0( RMS ) ) 
2
V0( RMS ) 
T
 Vi
Ton
Ton
 Vi
T
 (Vi )2
 (Vi )
2
 V0( RMS )  Vi
Ton
T
 V0( RMS )  Vi d
 Os valores médios de tensão de saída, de
potência de saída e de potência de entrada são
dados por:
V0  Vi  d
P0  V0  I 0
Pi  Vi  Ii
 Como os elementos são ideais (sem perdas) a
potência DC drenada da fonte deve ser igual a
potência DC absorvida pela carga:
V0  I 0  Vi  Ii
P0  Pi
 Logo temos:
I 0  Vi 
Ii
V0
I 0  Vi 
Ii
Vi  d

I
0
 Vale lembrar que:
Ii
I0

V0
Vi
d

Ii
d
4. Técnicas de Controle
 O controle da tensão de saída (Vo) e realizada por
meio do chaveamento que pode ocorrer de duas
formas:
a) Modulação por largura de pulso (PWM – pulse
width modulation);
b) Modulação por frequência de pulso (PFM – pulse
frequency modulation).
PWM – Pulse Width Modulation
 Neste
método
de
controle, a largura do
pulso ligado (ton) varia
enquanto o período de
chaveamento total (T) é
constante.
 A figura abaixo mostra como as formas de onda de
saída variam a medida que o ciclo de trabalho
aumenta:
d 
Ton
T
 Exercícios de Aplicação:
1.Observe a figura abaixo e determine o valor da
tensão de entrada e o valor rms da tensão de saída.
 Exercícios de Aplicação:
Solução:
1. A tensão de entrada pode ser determinada por:
V0  d  Vi  91,67 
5 103
12 10
3
 Vi  Vi  220V
2. A tensão RMS de saída fica:
V0( rms )  Vi d  V0( rms )  220
5  103
12 10
3
 142V
PFM – Pulse-Frequency Modulation
Neste
método
de
controle, a largura do
pulso ligado (ton) é
constante enquanto o
período (frequência)
de chaveamento total
(T) varia.
Técnicas de Controle
 No método PFM é necessário reduzir a frequência
de chaveamento do chopper para obter um tensão
de saída mais baixa.
 Isto pode resultar em descontinuidade nas baixas
frequências; sendo que a redução na frequência
aumenta
a
ondulação
na
saída
e
consequentemente aumento das perdas na carga
(potencia e calor).
Técnicas de Controle
 O método PWM tem a vantagem da baixa
ondulação, o que significa menores componentes
para o filtro.
5. Topologias de CHOPPERS
 Básicamente os Chopper podem apresentar as
seguintes topologias:
 Choppers step-down (Buck).
 Choppers step-up (Boost).
 Choppers Buck-Boost ou ainda Cúk
6. Choppers step-down (Buck)
 Um arranjo prático do Buck é mostrado na figura
que inclui um indutor L e um diodo D (FWD) para
eliminar as pulsações de corrente. Este circuito
fornece uma corrente
DC linear para cargas
práticas como um motor DC.
6. Choppers step-down (Buck)
 Quando a chave S for fechada, o diodo D ficara
desligado (reversamente polarizado) e ficara assim
durante todo o tempo TON.
 A corrente cresce e flui através do indutor e da
carga.
• A tensão de saída e igual a Vi.•
6. Choppers step-down (Buck)
 Quando a chave e aberta, a corrente no indutor
começa a cair (não varia de modo instantâneo).
 Dessa forma, é induzida no indutor uma tensão
de polaridade oposta.
6. Choppers step-down (Buck)
 O diodo D ficara diretamente polarizado,
proporcionando um caminho de circulação de
corrente.
• Esse circuito proporciona uma corrente DC linear
satisfatória na carga, para varias aplicações.
6. Choppers step-down (Buck)
• Quando a frequência de chaveamento for alta,
uma indutância relativamente pequena será
suficiente para reduzir a ondulação a um grau
aceitável.
Modo de Corrente Contínua
A
onda (a) mostra a
forma de onda da
tensão
na
carga,
quando a chave S esta
ligada e ainda a tensão
que aparece na carga
quando o diodo D esta
ligado.
Modo de Corrente Contínua
 No
momento em que
a chave S e aberta, a
tensão
de
saída
mantém em zero pela
ação do diodo D, que
fornece um caminho
para a corrente na
carga.
Modo de Corrente Contínua
Na onda (b) tem-se a
forma de onda da
corrente no diodo. E a
mesma
da
carga
durante TOFF.
• Em TON a corrente
de saída Io e a mesma
da de entrada Ii.
Modo de Corrente Contínua
 Quando a chave for
aberta, a corrente na
carga cairá de seu
valor Maximo Imax a
um valor final Imin.
Modo de Corrente Contínua
 Quando tiver caído a
um valor Imin, ocorrerá
o
fechamento
da
chave, a corrente no
diodo para de fluir e a
corrente fornecida pela
fonte vale Imin.
Modo de Corrente Contínua
 A corrente na carga
começa a aumentar e
alcança
novamente
Imax, depois de um
tempo TON, quando
novamente a chave S
abre e o ciclo se
repete.
Modo de Corrente Contínua
 A corrente na carga
oscila entre Imax e
Imin.
A
ondulação
incluída na corrente de
saída
reduz-se
a
medida
que
a
frequência
de
chaveamento aumenta.
Modo de Corrente Contínua
 Embora a corrente na
carga de um chopper
seja
basicamente
constante, na entrada
ela ainda consiste em
um trem de pulsos
agudos. A onda (c)
mostra a forma de
onda para a fonte de
corrente.
Modo de Corrente Contínua
 Um filtro capacitivo
costuma ser usado em
paralelo com a fonte de
potencia de entrada
para
manter
a
linearidade da corrente
de entrada.
Modo de Corrente Contínua
 As formas de onda apresentadas pressupõem uma
frequência de chaveamento e uma carga, tal que
T<< .
 Aqui,  e a constante de tempo do circuito e
depende da relação L / R.
 Pode-se observar que a corrente de saída é linear e
a ondulação, bem pequena, devido a constante de
tempo grande.
Modo de Corrente Contínua
 Como a corrente na saída (Io) esta sempre
presente, esse modo de operação e chamado modo
de corrente contínua de operação.
 A corrente na saída é contínua porque o indutor
absorve energia durante TON e a descarrega em
TOFF.
 Pode-se reduzir a corrente de ondulação
aumentando-se a frequência de chaveamento do
chopper ou o valor do indutor.
6. Buck : Modo contínuo
d
Ton
T
V0  d  Vi
I0 
Ii
(Ciclo de Trabalho)
(Tensão Média de Saída)
(Corrente Média de Saída)
d
V0(rms )  Vi  d
(Tensão Eficaz de Saída)
6. Buck : Modo contínuo
I max 
V0
R

V0
2L
 TOFF
(Corrente Máxima de Saída)
V0 V0
I min    TOFF (Corrente Mínima de Saída
R 2L
I pp 
V0
ID 
L
 TOFF
TOFF
T
 I0
(Corrente de Ondulação ou pico a
pico)
(Corrente Média no Diodo)
Exercício de Aplicação
Na figura abaixo, a frequência de chaveamento é de
25Hz e TON = 3ms. Determine a fonte de corrente
media se o valor médio da corrente de saída for de
40A.
Exercício de Aplicação
Solução:
Ii  d  I 0 
T0 N
TON  TOFF
Ii  3  10
3
 I0 
TON
T
 I 0  TON  f  I 0
 25  40  3 A