Kits Projetados na PUCRS - Faculdade de Engenharia

PLATAFORMA DIDÁTICA PARA O ENSINO DA
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
Fernando Soares dos Reis - [email protected]
A. Gross
R. Tonkoski,
L. W. Rodrigues
J. C. M. Lima
V. M. Canalli
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Faculdade de Engenharia - Departamento de Engenharia Elétrica
CEP 90619-900 - Avenida Ipiranga, 6681
Porto Alegre – RS – Brasil
Resumo – O objetivo principal deste trabalho é o de relatar e transferir a comunidade os resultados
obtidos em uma experiência de sucesso no ensino da Eletrônica de Potência ocorrida na Pontifícia
Universidade Católica do Rio Grande do Sul - PUCRS. Utilizando-se de componentes de baixo custo e
criatividade foi possível o desenvolvimento de uma plataforma didática para o estudo dos circuitos
inversores e das diferentes técnicas de modulação, a um custo verdadeiramente baixo.
Palavras-chave: Eletrônica de Potência, Ensino, Inversores, kits didáticos.
1. Introdução
Graças ao esforço desinteressado dos principais centros de excelência em Eletrônica de
Potência, esta área experimentou um significativo crescimento a nível nacional. Hoje o ensino desta
ciência é feito na maioria das instituições por docentes altamente qualificados cujos trabalhos são
reconhecidos a nível nacional e internacional. Porém, na maioria dos casos estes mesmos docentes não
dispõem de tempo para o desenvolvimento de experimentos didáticos. Assim, o objetivo principal
deste trabalho é a transferência de tecnologia para a confecção de “KITS DIDÁTICOS” voltados para o
ensino da Eletrônica de Potência, busca-se propiciar com estes, uma ampla variedade de experimentos
ao estudante de graduação e pós-graduação. Os diferentes módulos desenvolvidos neste projeto
permitem ao estudante ter uma experiência prática, em laboratório, dos seguintes conteúdos:
Estruturas Inversoras:
➥ Inversor Push-Pull;
➥ Inversor Meia-Ponte;
➥ Inversor em Ponte Completa;
Estruturas Chopper:
➥ Operando em quatro quadrantes;
Técnicas de Modulação PWM:
➥ Modulador PWM a dois níveis;
➥ Modulador PWM a três níveis;
➥ Modulador por deslocamento de fase;
➥ Modulador PWM senoidal;
➥ Proteção contra curto circuito do braço do
inversor;
Acionamento
quadrantes)
para
o
Motor
CC
(4
Gerador do Sinal de Referência:
➥ Nível de tensão continuo ajustável (+/-);
Circuito Modulador:
➥ Modulador PWM a dois níveis;
➥ Modulador PWM a três níveis;
Circuito de Driver
➥ Com ajuste de tempo morto;
➥ Proteção contra curto circuito do braço
do inversor;
Circuito de Driver
➥ Com ajuste de tempo morto;
Circuito Inversor:
➥ Inversor em Ponte Completa;
Tratam-se de estruturas bem conhecidas, mas que fascinam o estudante quando o mesmo pode
observar na prática o seu funcionamento. Os kits permitem o estudo dos diversos tipos de estruturas,
utilizando diferentes tipos de cargas tais como carga resistiva, carga indutiva, máquinas CC e CA e
cargas não lineares tais como retificadores. É gratificante para o estudante poder observar, na prática, o
funcionamento das diversas estruturas, visualizar os diferentes sinais, tais como: sinal modulante,
detetor de passagem por zero, sinal modulado e as tensões e correntes na etapa de potência. Com
certeza os modernos programas de simulação de circuitos constituem uma ferramenta importantíssima
para o estudo da Eletrônica de Potência, contudo estas ferramentas não substituem o contato físico com
o mundo real.
No sistema desenvolvido ora apresentado, procurou-se manter uma das principais vantagens dos
sistemas virtuais, que no nosso entender é a segurança do usuário. Deste modo, os kits foram
concebidos visando a total segurança dos estudantes, os quais muitas vezes ainda não possuem a
intimidade necessária para trabalhar com sistemas energizados e com instrumentos de precisão, como
por exemplo, os osciloscópios digitais. Assim, os diversos circuitos de tratamento de sinais são
alimentados a partir de fontes isoladas e as etapas de potência operam com baixos níveis de tensão,
reduzindo-se assim os riscos de choque elétrico e curto-circuito através do terminal de terra do
osciloscópio. No decorrer deste artigo serão descritos passo a passo, os diversos módulos
desenvolvidos. Este trabalho foi desenvolvido em um trabalho de conclusão de curso, com o apoio do
CNPq e da FAPERGS através de bolsas de iniciação científica e com a colaboração de diversos outros
alunos vinculados ao Laboratório de Eletrônica de Potência da PUCRS - LEPUC.
II. DESCRIÇÃO DO SISTEMA DESENVOLVIDO
O sistema inicialmente foi concebido para incorporar todos os circuitos necessários para
implementar um Sistema de Alimentação Ininterrupta (SAI), tais como:
Gerador de Onda Senoidal 60 Hz:
➥ Oscilador a cristal estabilizado
freqüência;
➥ Filtro passa-baixa;
em
Circuito de Driver
➥ Com ajuste de tempo morto;
➥ Proteção contra curto circuito do braço do
inversor;
Circuito de sincronismo:
➥ Detetor de passagem por zero;
➥ Acoplador óptico;
Circuito Inversor:
➥ Inversor Push-Pull;
➥ Inversor Meia-Ponte;
➥ Inversor em Ponte Completa;
Circuito Modulador:
➥ Modulador PWM a dois níveis;
➥ Modulador PWM a três níveis;
Filtros:
Gerador de onda senoidal. Os sistemas SAI comerciais necessitam atender a especificações técnicas
estritas no tocante a distorção harmônica e estabilidade em freqüência. A estabilidade em freqüência
pode ser obtida utilizando-se osciladores a cristal. Neste projeto utilizou-se uma base de tempo com
cristal de 3 MHz a partir da qual obteve-se a freqüência de 60 Hz dividido-se o sinal de saída do
oscilador por 50000. A figura 1 representa este circuito.
CI4:A
CI:2
1
SINC.
3
2
11
RST
10
CLK
4071
Q1
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
Q9
Q10
Q11
Q12
Q13
Q14
12
9
7
5
4
6
13
12
14
15
1
2
3
CI3:D
11
13
4081
1
8
CI3:A
3
2
CI3:C
10
9
CI3:B
5
4
6
4081
4081
4081
4020
CI1:D
XTAL
8
CI1:E
9
10
11
SINC.
3MHz
4069
R1
R2
1k8
1k8
4069
+15V
CI5:A
CI5:B
CI1:A
1
2
C1
CI1:B
3
CI1:C
4
5
6
10nF
4069
4069
4069
10
11
12
13
S
J
K
R
CLK
Q
Q
9
15
14
6
5
4
3
J
K
R
CLK
S
Q
Q
7
1
2
4027
4027
66Hz
GND
Figura 1. Oscilador de 60 Hz.
Na saída do circuito representado na figura 1 tem-se uma onda quadrada. Tendo em vista as restrições
já citadas, se faz necessária a sua filtragem, para total eliminação dos seus componentes harmônicos.
Optou-se pela implementação de dois filtros passa-banda (Sallen-Key) em cascata obtendo-se uma
onda senoidal de 60Hz. A estrutura de um dos filtros utilizados esta representada na figura 2.
R2
R1
C2
+Vi
+
+Vo
R3
R5
C1
R4
Figura 2. Filtro Sallen-Key utilizado.
Circuito de sincronismo. O objetivo deste circuito é fazer com que a onda senoidal gerada no bloco
anterior esteja sincronizada com a rede elétrica comercial. Trata-se de um detetor de passagem por
zero modificado a fim de considerar apenas o semiciclo positivo da rede. Optou-se pela utilização de
um optoacoplador para evitar o uso de retificadores de precisão necessários devido ao efeito da
significatica queda de tensão nas junções dos diodos detetores de passagem por zero em sistemas de
baixa tensão e para apresentar ao estudante mais esta forma de solução para o problema. O circuito
utilizado é apresentado na figura 3.
+15V
U1
6
1
5
R1
1
2
TIL 111
1N4007
5K6/5W
1
D1
R2
1A
D2
C1
2
2
3
F1
AC 127V
4
Q1
BC640
5K6/5W
SINC.
4,7nF
1N4148
R6
R5
R4
R3
10k
15k
3.3K
100K
0
0
0
0
Figura 3. Detetor de Zero da Rede.
Circuito Modulador. O circuito modulador PWM baseia-se na comparação de uma onda do tipo
triangular ou dente de serra (portadora) e o sinal que se quer modular (modulante). Optou-se por
utilizar um gerador de onda triangular, para reduzir o conteúdo harmônico do sinal de potência, no
caso de se utilizar um sinal modulante senoidal. No presente projeto o gerador de onda triangular foi
baseado no CI LM566, associado a este um amplificador para adaptação de níveis. O circuito
modulador é capaz de implementar modulação em dois e três níveis os circuitos comparadores que
integram este bloco foram implementados a partir do CI LM 339, a inversão do sinal modulante
necessária para modulação em três níveis foi implementada com um AMPOP na configuração
inversora. O gerador de onda triangular pode ser visto na figura 4 e o circuito comparador na figura 5.
R5
+15V
1k5
Triangular Wave
R4
R7
C6
R1
10k
3
100n
+
2
10k
180
CI2
7
+15V
6
-
-15V
1
4
5
CA3140
C5
5
8
6
R6
1,5n
7
1N4100
D21
4
3
2
1
CI1 LM566
D22
POT2 10k
10k
0
R9
0
1N4100
R8
180
0
10k
-15V
POT1 20k
10k
R3
R2
10k
Figura 4. Gerador de Onda Triangular.
+15V
3
+15V
R11 10k
IN Senoidal
5 -
IN Triangular
4 +
CHA
10k
7
R14
2
10k
3
LM339
A
-15V
R18
10k
10k
0
CI4
+
R13
10k
6
-
CA3140
+15V
1
4
5
R16
Q1
D3
R15
+15V
R17
1k5
12
R12
CI3:A
2
2
5k6
0
1
3
POT3 10k
1 2
CHB
11
10
R12
10k
+
CI3:D
13
-
LM339
R19
Q2
1k5
B
D4
R20
10k
0
Figura 5. Circuito Modulador PWM.
Circuito de Driver. A função principal deste circuito é a de ser uma interface entre os dispositivos de
potência (MOSFETs) e os sinais disponíveis na saída do circuito modulador. O circuito de potência
básico utilizado no presente trabalho esta constituído por um circuito em meia ponte o qual como se
sabe apresenta o inconveniente de ter um transistor flutuando para comandar este dispositivo
basicamente existem duas soluções: utilizar um drive isolado com transformador de pulso ou uma
solução integrada optamos por esta última. O circuito proposto incorpora tempo morto variável e
proteção de curto-circuito no braço. A solução desenvolvida se encontra representada na figura 6.
3
2
22k
5
4
R3
6
1k
CD4093B
7
7
2
CD4093B
2
U7B
1
R1
1
X
J6
RCA JACK
Driver
U7A
1
14
Dead Time
14
RCA JACK
J3
1
C40
CD4093B
1
10
9
1N4148
4
A
C20
5
470n
6
7
7
7
CD4093B
3
D2
UF4007
C4
.
COM VSS
VCC LIN
.
SD
VS
HIN
VB VDD
HO
.
14
1
13
12
X
11
10
9
Y
C60
100n
J5
RCA JACK
1
8
IR2110
22p
2
12
D8
470n
U7C
8
2
11
22k
2
14
14
Y
1n
U7D
13
R2
LO
2
C66
2
J2
RCA JACK
1
J4
RCA JACK
U4
C1
22p
Figura 6. Circuito Driver.
2
2
Circuito Inversor. Desde a concepção inicial deste projeto, adotou-se como princípio a construção de
experimentos versáteis a um baixo custo. A idéia inicial foi a de desenvolver um único módulo que
permitisse ao estudante uma vivência prática com a grande maioria das estruturas inversoras. Um
circuito que incorpora estas funções para o estudo dos inversores está representado na figura 7, o qual
topologicamente nada mais é que um circuito em ponte completa, implementado a partir de MOSFETs
(IRFP-460).
1
IRFP 460
L
3
3
1
R
IRFP 460
2
2
Vdc
1
IRFP 460
3
3
1
IRFP 460
Figura 7. Circuito Inversor em Ponte
Filtros. O sinal de potência deve necessariamente ser filtrado devido as características intrínsecas da
modulação PWM. O filtro proposto é do tipo LC conforme se pode observar na figura 8.
L
C
Figura 8. Filtro LC.
O sistema foi montado sobre uma base de madeira a qual conferi ao equipamento a rigidez
necessária para a sua utilização em um laboratório de ensino. Devido ao elevado nível de interferências
gerado pela etapa de potência o inversor apresentava instabilidade no seu funcionamento. A solução
encontrada para este problema foi composta pelo revestimento da base de madeira por uma chapa
galvanizada, pela redução geral do cabeamento e por um novo layout do sistema sob a referida base.
Uma visão geral do sistema implementado é apresentada na figura 9.
Figura 9. Sistema Implementado.
III. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Para validar o funcionamento dos kits didáticos, foram implementados experimental-mente, um
inversor senoidal utilizando a modulação a dois níveis e um inversor senoidal utilizando a modulação a
três. Para estes dois experimentos obtiveram-se as formas de onda da tensão na carga antes e após o
filtro LC. A distorção harmonica da tensão de saída para a versão em três niveis também foi obtida.
Estes sinais encontram-se representados nas figuras 10 à 12 respectivamente.
T
1>
TT
2>
1) Ch 1:
2) Ch 2:
50 Volt
50 Volt
2 ms
2 ms
Figura 10. Tensão de Saída após o filtro LC e o respectivo sinal PWM de potência. (2 níveis)
Como pode-se observar, os resultados obtidos experimentalmente aproximam-se em muito, dos
resultados teóricos descritos na bibliografia, como por exemplo, os encontrados em Barbi [1], Rashid
[2] e em Kassakian [3]. Esta aproximação entre os resultados teóricos e práticos ocorreu graças ao
superdimensionamento dos dispositivos semicondutores. Este superdimensionamento trouxe também
como benefício, o aumento da vida útil dos kits descritos neste trabalho.
TT
1>
T
2>
1) Ch 1:
2) Ch 2:
50 Volt
50 Volt
2 ms
2 ms
Figura 11. Tensão de Saída após o filtro LC e o respectivo sinal PWM de potência. (3 níveis)
1.7%
1.5%
1.3%
1.2%
1.0%
0.8%
0.7%
0.5%
0.3%
0.2%
0.0%
2
4
6
8
10
12
Figura 12. Conteúdo harmônico da tensão de saída após filtro LC. (3 níveis)
IV AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio do CNPq dado este trabalho sob a forma de uma bolsa de IC do
programa PIBIC e a Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul - PUCRS pelo aporte
econômico que viabilizou esta iniciativa.
V. CONCLUSÃO
Neste artigo um conjunto de kits didáticos voltados para o ensino da eletrônica de potência básica
foram descritos. Este trabalho esta inserido no contexto de uma sólida proposta pedagógica para o
ensino da Eletrônica de Potência calcada no binômio teórico-prático, notadamente no campo dos
inversores e acionadores de corrente continua. Além de permitir aos estudantes a implementação de
diversos experimentos, os kits didáticos possibilitam também ao estudante uma maior familiarização
com as topologias clássicas de inversores existentes.
Como vantagens adicionais pode-se citar a grande economia obtida em relação aos kits
educacionais disponíveis no mercado, a versatilidade, a facilidade de utilização e a possibilidade de
empregar todos os tipos de carga, como por exemplo, cargas puramente resistivas, cargas RL,
máquinas CC e cargas não lineares.
O sistema que agora se apresenta esta inserido em uma proposta mais ampla iniciada com a
elaboração de kits para o estudo dos circuitos retificadores apresentado em [5]. Após a implantação
dos kits, observou-se expressiva melhoria do processo de ensino-aprendizado, obtendo-se elevados
índices de aprovação, o que não ocorria quando a disciplina era apresentada da forma tradicional e
dispunha apenas de ferramentas de simulação.
Na PUCRS o ensino de eletrônica de potência é abordado atualmente em duas disciplinas. A
primeira de cunho teórico chamada Eletrônica de Potência tem duração de 60 horas. Nesta disciplina
adota-se como texto básico o conhecido livro do prof. Ivo Barbi [4]. A segunda disciplina oferecida
denomina-se Laboratório de Eletrônica de Potência cuja finalidade é desenvolver experimentalmente
os conteúdos teóricos já abordados na disciplina de Eletrônica de Potência, tendo uma carga horária de
30 horas.
A partir do segundo semestre de 2001 pretende-se potencializar a utilização do presente sistema na
disciplina de Laboratório de Eletrônica de Potência possibilitando desta forma uma abordagem teóricoprática destes importantes conteúdos.
Gostaríamos de salientar a importância da divulgação deste tipo de trabalho, que aborda aspectos
pedagógicos e que está preocupado com a formação de uma nova metodologia de ensino dos cursos de
eletrônica de potência.
Cabe ressaltar que o trabalho aqui apresentado se enquadra em uma primeira etapa de um projeto
mais ambicioso no qual se buscará desenvolver kits que atendam ao ensino da Eletrônica de Potência
na forma mais ampla possível.
Finalmente encoraja-se os colegas a trilhar caminhos como este na busca da excelência acadêmica.
Devido aos bons resultados obtidos nesta experiência pensa-se em dar continuidade a este tipo de
desenvolvimento em cursos mais avançados de Eletrônica de Potência.
VI. REFERÊNCIAS
[1] Barbi, Ivo and Denizar Cruz Martins. Eletrônica de Potência II e Princípio de Acionamento
Elétrico volume I. Florianopolis - UFSC.
[2] M. H. Rashid, Power Electronics - circuits, devices and applications, Prentice-Hall Inc., 1993.
[3] Kassakian, J. G., Schlecht M. F. e Verghese G. C. - Principles of Power Electronics - AdisonWesley Publishing Company - Cambridge, MA - 1991
[4] Barbi, Ivo - Eletrônica de Potência, Edição do Autor - Florianópolis - 1997. [email protected]
[5] F. S. Dos Reis, R. M. Susin, J. C. M. Lima, M. Canalli, "Laboratório de Ensino da Eletrônica de
Potência - Uma Experiência Construída Para e Pelos Estudantes", V Congresso Brasileiro de
Eletrônica de Potência - COBEP'99, pp 773 - 778, Setembro 19 - 23, 1999 em Foz do Iguaçu BRASIL.
1
3
2
22k
5
4
R3
6
1k
CD4093B
7
7
2
CD4093B
2
U7B
1
R1
1
X
Driver
U7A
14
Dead Time
14
RCA JACK
J3
J6
RCA JACK
C66
1
C40
2
CD4093B
U7C
10
9
CD4093B
7
7
D8
8
2
11
12
470n
1
13
R2
22k
3
D2
UF4007
4
A
C20
5
470n
6
7
.
COM VSS
VCC LIN
.
SD
VS HIN
VB VDD
HO
.
14
1
13
12 X
11
10 Y
C60
9
100n
8
J5
RCA JACK
1
C4
1N4148
22p
IR2110
2
2
14
14
1n
U7D
LO
2
C1
22p
J2
RCA JACK
Y
1
J4
RCA JACK
U4