Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência – Buck
Propaganda
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA Disciplina de Eletrônica de Potência – ET66B Aula 21 – Conversores CCCC-CC, Conversor Buck Prof. Amauri Assef [email protected] UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 1 Eletrônica de Potência – Conversores CCCC-CC Principais funções dos conversores estáticos CC-CC – Choppers CC (CC-CC) CA-CC – retificador CC-CA – inversor CA-CA – gradador/cicloconversor UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 2 Eletrônica de Potência – Conversores CCCC-CC Descrição funcional e definições O conversor CC-CC pode ser conceituado como um sistema, formado por semicondutores de potência operando como interruptores, e por elementos passivos, normalmente indutores e capacitores, que tem por função controlar o fluxo de potência da fonte de entrada (E1) para a fonte de saída (E2) Variável de controle do sistema: D = razão cíclica ou ciclo de trabalho (duty (duty cycle cycle)) 0≤D≤1 UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 3 Eletrônica de Potência – Conversores CCCC-CC Na representação simplificada de um conversor CC-CC A fonte de tensão contínua E1 funciona como uma fonte de energia e E2 funciona como uma carga Em algumas aplicações práticas a carga pode ser constituída Resistor Motor de corrente contínua Banco de baterias Dispositivo de soldagem elétrica a arco Outro conversor estático E1 UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef I1 CONVERSOR CC-CC I2 E2 4 Eletrônica de Potência – Conversores CCCC-CC No modelo ideal de conversor, as perdas internas são nulas e a potência entregue à carga é igual a potência cedida pela fonte E1 P1 = E1I1 P2 = E2 I 2 E1I1 = E2 I 2 O ganho estático é definido por: G= E2 E1 É necessário o emprego de algum dispositivo que seja capaz de "dosar" a quantidade de energia transferida UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 5 Eletrônica de Potência – Conversores CCCC-CC Atuador linear queda de tensão proporcional à sua impedância Inconveniente a perda de energia sobre a resistência série Utilização de chaves maneira mais eficiente e simples de manobrar valores elevados de potência UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 6 Eletrônica de Potência – Conversores CCCC-CC Vantagens: Rendimento prático: 70% a 98% Controle do fluxo de energia elétrica, com elevada eficiência Como uma chave ideal apresenta apenas os estados de condução (quando a tensão sobre ela é nula) e de bloqueio (quando a corrente por ela é nula), não existe dissipação de potência sobre ela, garantindo a eficiência energética do arranjo Na maior parte dos casos, a frequência de comutação da chave é muito maior do que a constante de tempo da carga UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 7 Eletrônica de Potência – Conversores CCCC-CC Classificação dos conversores CC-CC não isolados Quanto a topologia e ganho estático Conversor Ganho estático Buck D Boost 1 / (1 − D ) Buck-boost D / (1 − D ) Cúk D / (1 − D ) Sepic Zeta Buck – abaixador (step-down) Boost – elevador (step-up) UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef D / (1 − D ) D / (1 − D ) D < 0,5 Vo < Vi (buck (buck)) D > 0,5 Vo > Vi (boost (boost)) 8 Eletrônica de Potência – Conversores CCCC-CC UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 9 Eletrônica de Potência – Conversores CCCC-CC Exercício: Considerando uma chave ideal S abrindo e fechando periodicamente, com frequência f, e com razão cíclica D: a) Determinar as expressões dos valores médio e eficaz da tensão da carga b) Determinar a expressão da potência transferida a carga c) Determinar os valores de tensão e corrente médias na chave S d) Demonstrar que a potência dissipada na chave é igual a zero. VR(t) V1 V1 DT UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef T 10 Eletrônica de Potência – Modulação PWM Modulação PWM (Pulse Width Modulation) Em Modulação por Largura de Pulso opera-se com frequência constante, variando-se o tempo em que o interruptor permanece conduzindo Onda portadora (dente de serra) Onda moduladora UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 11 Eletrônica de Potência – Modulação PWM O sinal de comando é obtido, geralmente, pela comparação de um sinal de controle (modulante) com uma onda periódica (portadora) como, por exemplo, uma "dente-de-serra“ Para que a relação entre o sinal de controle e a tensão média de saída seja linear, como desejado, a portadora deve apresentar uma variação linear e, além disso, a sua frequência deve ser, pelo menos, 10 vezes maior do que a modulante fácil filtrar o valor médio do sinal modulado, recuperando, sobre a carga, uma tensão contínua proporcional à tensão de controle (vc). UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 12 Eletrônica de Potência – Modulação PWM Exemplo: Sinal PWM com portadora triangular produzindo sinal de 2 níveis UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 13 Eletrônica de Potência – Modulação PWM Exemplo: Formas de onda de tensão com modulação PWM de 2 e de 3 níveis UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 14 Eletrônica de Potência – Modulação PWM Tempo morto (dead-time): Os interruptores nunca podem conduzir ao mesmo tempo Devido aos tempos distintos para acionar e bloquear os interruptores, por questões de segurança, existe um período, chamado de tempo morto, em que o sinal de comando das duas chaves está em nível baixo (chave aberta) Q1 Sinais de controle Q2 Tempo morto UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 15 Eletrônica de Potência – Modulação PWM CIs comerciais para geração dos sinais PWM: Simplificação dos circuitos eletrônicos de modulação e controle Inclusão de diversas funções importantes Ajuste de tempo morto (dead-time control) Partida suave (soft start) Limitadores de corrente Compensadores Exemplo: uC3525 Microcontroladores, DSCs e DSPs Microcontroladores, www.microchip.com www.freescale.com www.ti.com UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 16 Eletrônica de Potência – Buck Conversor CC-CC abaixador de tensão - Buck: Produz um valor médio de tensão na saída < médio da tensão de entrada Corrente média de saída > corrente média de entrada Teoricamente, possibilita uma variação da tensão de média na carga desde zero até o valor da tensão de alimentação VR(t) E IR Tensão na carga tc ta T UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 17 Eletrônica de Potência – Buck Se a chave S fechar e abrir periodicamente, o valor médio é: 1T 1 tc tc = ∫ vR (t )dt = ∫ Edt = ⋅ E T0 T0 T VRmed onde: tc tempo em que a chave S permanece conduzindo ta tempo em que a chave S permanece aberta T = tc + ta = 1/f período de chaveamento Definindo a razão cíclica D (duty cycle): D= tc T IR Obtém-se: VRmed = D ⋅ E UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 18 Eletrônica de Potência – Buck Potência de entrada: 1T 1 T vR (t ) PE = ∫ vR (t ) ⋅ iR (t )dt = ∫ dt T0 T0 R 1 tc E 2 E2 PE = ∫ dt =D T0 R R 2 A potência transferida à carga pode der controlada por D A tensão média na carga varia de zero à E O controle da tensão média na carga é realizado através da razão cíclica D Para tc = 0 (chave permanentemente aberta) D = 0 Para tc = T (chave permanentemente fechada) D = 1 UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef IR 19 Eletrônica de Potência – Buck Princípio de funcionamento com carga RLE: io iE iD iE Io=IE Etapa 1 iD = 0 UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef Etapa 2 iE = 0 Io=ID iD 20 Eletrônica de Potência – Buck Equações: Etapa 1 Etapa 2 diE + Ec dt di 0 = R ⋅ i D + L ⋅ D + Ec dt E = R ⋅ iE + L ⋅ Soluções das equações: −t ( ) E − Ec iE = I m ⋅ e τ + ⋅ 1 − e τ −t Etapa 1 R −t Etapa 2 −t Ec iD = I M ⋅ e τ − ⋅ 1 − e τ R Onde: IM é o valor máximo da corrente de carga Im é o valor mínimo da corrente de carga UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef τ= L R 21 Eletrônica de Potência – Buck Formas de onda: IM – Valor máximo de io Im – Valor mínimo de io tc – tempo S conduzindo ta – tempo S aberta UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 22 Eletrônica de Potência – Buck Formas de onda: Controle da tensão Vo em função da razão cíclica D, mantendo a frequência de de chaveamento constante UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 23 Eletrônica de Potência – Buck Condução contínua e descontínua: DCM – Discontinuous conduction mode Se a corrente de carga io se anular antes que o tempo ta seja esgotado, a corrente é descontínua CCM – Contínuous conduction mode Se a corrente de carga io não se anular antes que o tempo ta seja esgotado, a corrente é contínua CCM UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef DCM 24 Eletrônica de Potência – Buck Exemplo de formas de onda com condução contínua e descontínua: UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 25 Eletrônica de Potência – Buck Referências bibliográficas: - BARBI, Ivo. & MARTINS Denizar Cruz. Conversores CC-CC Básicos Não-Isolados, 1ª edição, UFSC, 2001 MUHAMMAD, Rashid Eletrônica de Potência; Editora: Makron Books, 1999 ERICKSON, Robert W.; MAKSIMOVIC, Dragan. Fundamentals of power electronics. New York: Kluwer Academic, 2001. MOHAN, Ned; UNDELAND, Tore M.; ROBBINS, William P. Power electronics: converters, applications, and design, New York: John Wiley, 1995 AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência; Editora: Prentice Hall, 1a edição, 2000 José A. Pomilio, “Eletrônica de Potência”, UNICAMP. Disponível em: <http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/> - - UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 26
