projeto e análise de um sistema gerador de ozônio operando em

Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012.
PROJETO E ANÁLISE DE UM SISTEMA GERADOR DE OZÔNIO OPERANDO EM ALTA FREQUÊNCIA COM CONTROLADOR DIGITAL DE SINAIS
GILSON J. SCHIAVON, CID M. G. ANDRADE, LUIZ M. M. JORGE, PAULO R. PARAÍSO
Departamento de Engenharia Química, Universidade Estadual de Maringá – UEM
Av. Colombo 5.790, Jd. Universitário, Maringá - Paraná – Brasil, CEP 87020-900
E-mails: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Abstract
 This paper presents the design and development of an ozone generator module with an output power of 55 W, using
automotive coil in flyback converter and digital control performed by a digital signal controller. The generator is designed based
on the principle of corona discharge and can be applied in oxidative processes in general, to do so, simply assign the required
number of modules to achieve the power and concentration of ozone required for the application. The converters are designed
and implemented closed-loop with proportional-integral action. The power stage consists of two high-frequency switching
converters, a buck converter and a flyback converter, both controlled digitally by a digital signal controller. Presents the power
stage, the digital control, the implementation of all functions, protections and signals the system that controls the ozone
generator digitally and the reactor developed. The experimental results of operation and applications presented were obtained
from the implemented prototype, demonstrating the functionality of the experimental technique developed.
Keywords
 Corona discharge, DC/DC converter, digital control, ozone generator.
Resumo
 Este trabalho apresenta o projeto e desenvolvimento de um módulo gerador de ozônio com potência de saída de 55
W, utilizando bobina automotiva no conversor flyback e controle digital realizado por um controlador digital de sinais. O gerador projetado é baseado no princípio de descarga corona e pode ser aplicado em processos oxidativos em geral, para tanto, basta
associar a quantidade necessária de módulos para alcançar a potência e concentração de ozônio necessária para a aplicação. Os
conversores foram projetados e implementados em malha fechada com ação proporcional-integral. A etapa de potência é constituída por dois conversores chaveados em alta frequência, sendo um conversor buck e um conversor flyback, ambos controlados
digitalmente por um controlador digital de sinais. São apresentados os estágios de potência, o controle digital, a implementação
de todas as funções, proteções e sinalizações do sistema que controla o gerador de ozônio de forma digital e o reator desenvolvido. Os resultados experimentais de funcionamento e aplicações apresentados, foram obtidos a partir do protótipo implementado,
comprovando experimentalmente a funcionalidade da técnica desenvolvida.
Palavras-chave
 Descarga corona, conversor CC/CC, controle digital, gerador de ozônio.
1
Introdução
Atualmente o ozônio tem sido muito estudado
em diversas aplicações, tais como tratamento de água, de efluentes domésticos e industriais, na medicina, na odontologia, na medicina veterinária, na agricultura, na desinfecção de ambientes, na conservação
de alimentos entre outros. A aplicação de ozônio é
um campo muito crescente o que torna fundamental a
melhoria na geração em sistemas geradores de ozônio.
O ozônio é conhecido como o segundo mais poderoso agente oxidante que pode ser utilizado em escala
para aplicações em tratamento de água e vem sendo
adotado por diversos países em milhares de sistemas
de tratamento.
O ozônio pode ser produzido de 3 formas: por eletrólise, UV (ultravioleta) e Efeito Corona. Nos geradores comerciais, o ozônio é produzido principalmente
por efeito corona e radiação UV. A radiação UV,
todavia, não atende as necessidades de produção em
grande escala, requeridas pela indústria. Assim a descarga elétrica do tipo corona é o método mais utilizado para se obter ozônio em quantidades significativas. No processo de descarga corona, o ozônio é
gerado por uma descarga elétrica em um tubo de inox
chamado de reator de ozônio.
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Tradicionalmente, fontes de baixa frequência são
utilizadas em geradores de ozônio. Estes sistemas
exigem uma tensão de saída muito alta, uma vez que
devem operar numa faixa de cerca de 20 kV para um
gap de 1 mm, a fim de atingir a densidade de potência necessária na descarga. Isto pode limitar a produção de ozônio devido às restrições impostas pela rigidez dielétrica do material dielétrico (Alonso et al,
2005).
Os sistemas de baixa frequência também apresentam
alto volume, baixa eficiência e dificuldade no controle da produção de ozônio (Alonso et al, 2005).
Em sistemas de alta frequência, quanto maior a frequência de operação, maior será a densidade de potência e menor a tensão aplicada no reator, permitindo assim um aumento na eficiência do gerador. Além
disso, o volume do equipamento é reduzido e a produção de ozônio pode ser facilmente controlada (Alonso et al, 2005). Alonso et al (2004) propôs um
gerador de ozônio de baixa potência operando em
alta frequência, os autores ficaram otimistas com os
resultados obtidos e possível ampliação do protótipo.
O reator de ozônio utilizado é composto por dois
eletrodos de inox e um dielétrico de vidro em um
arranjo de cilindros coaxiais, sendo o eletrodo externo submetido ao potencial de aterramento, seguido
por um espaçamento por onde o ar/oxigênio escoa e o
meio dielétrico em contato com o segundo eletrodo
submetido à alta tensão.
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A Figura 1 apresenta o esquema de geração de ozônio por meio de descarga corona.
Figura 1. Geração de ozônio por descarga corona (Rice, 1986).
Para estabelecer uma concentração constante de ozônio na saída dos geradores que utilizam o efeito corona, alguns cuidados são necessários, tais como,
manter a tensão de saída (da ordem de kV) constante,
uma vez que a concentração de ozônio é dependente
da tensão aplicada no reator (Alonso et al, 2005),
manter a corrente secundária constante, manter a vazão de ar/oxigênio em um ponto predeterminado e
um controle de temperatura.
A descarga eletrostática geralmente se dá com baixa
corrente entre os dois eletrodos separados pelo próprio oxigênio (Bonaldo e Pomilio, 2010b).
Neste contexto, o presente estudo trata-se do projeto
e desenvolvimento de um sistema gerador de ozônio
modular operando em alta frequência, sendo que, o
módulo padrão desenvolvido possui potência máxima
de 55 W e pode ser utilizado individualmente ou associado com outros módulos, conforme a necessidade
de concentração de O3 da aplicação. São integradas
tecnologias relacionadas à eletrônica de potência,
controle digital e energias renováveis buscando a
obtenção de um sistema estável, compacto, automático e com alto rendimento.
O presente trabalho tem como foco o detalhamento
do modelo elétrico ao invés do modelo matemático,
uma vez que as topologias de conversores utilizadas
são topologias já consagradas na literatura, tais como
Buck e Flyback (Mohan et al, 2003).
2 Modelo Proposto
Para o desenvolvimento do gerador de ozônio
foram utilizadas duas topologias de conversores
CC/CC, sendo um conversor Buck e um conversor
Flyback, para o controle destes conversores foi utilizada a modulação por largura de pulso (PWM) gerada digitalmente por um controlador digital de sinais
(DSC) em malha fechada com ação de controle PI,
objetivando tensões e correntes de saída constantes.
O gerador projetado conta com algumas sinalizações
e proteções para maior confiabilidade do sistema, tais
como sensor de temperatura com duas ações sendo a
primeira o acionamento de um sistema de refrigeração ventilado e a segunda o acionamento de um alarme juntamente com o bloqueio total de funciona-
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mento do gerador, protegendo assim os componentes
do gerador de sobreaquecimento. Possui ainda monitoramento do nível de tensão da rede elétrica sinalizando rede CA anormal (baixa ou alta) por meio de
um led, um limitador de corrente inrush para limitar a
corrente de partida do equipamento e acionamento
com partida suave.
O uso de um DSC possibilitou a implementação de
todas as sinalizações e proteções, assim como a geração dos pulsos PWM em malha fechada via programação, diminuindo significativamente a quantidade
de componentes eletrônicos e consequentemente o
tamanho e complexidade dos circuitos. Na Figura 2,
apresenta-se o diagrama de blocos do gerador de
ozônio proposto.
Figura 2. Diagrama de blocos do gerador de ozônio.
A estratégia apresentada na Figura 2 é justificada
pela adoção de uma bobina automotiva para o conversor Flyback, pela facilidade de aquisição, garantia
da qualidade quanto ao isolamento elétrico, fácil instalação, baixo custo e alta durabilidade, evitando
assim, os problemas de produção.
Como o ozônio é um gás que possui uma meia vida
relativamente curta (cerca de 15 minutos, à pressão
atmosférica e temperatura de 25°C), o seu armazenamento é inviável. Por razões práticas, necessita ser
gerado no local de sua aplicação, tendo um alto poder
de desinfecção e oxidação sendo altamente solúvel
em água. Por esses motivos, o gerador foi projetado
para operar com a rede elétrica, com sistema solar ou
ambos, possibilitando a geração de ozônio para tratamento sustentável para desinfecção de águas, conservação de alimentos ou utilização em regiões remotas, além da contribuição ambiental por fazer uso de
uma forma de energia limpa e renovável.
A alimentação do conversor Flyback em 36,6 V possibilita a alimentação do sistema por meio da rede
elétrica (retificador e conversor Buck) ou ainda por
meio de um sistema fotovoltaico, sem a necessidade
de um conversor elevador de tensão (Boost). Um
timer digital foi adicionado ao sistema para operação
de forma automática, conforme programado. A corrente de entrada do conversor Flyback é limitada
digitalmente em 1,5 A, protegendo desta forma a
bobina automotiva.
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2.1 Circuito Retificador
O circuito retificador é formado por uma ponte
de diodos, filtro de linha e limitador de corrente inrush. A tabela 1 apresenta as especificações técnicas
para o circuito retificador.
Tabela 1. Especificações para o circuito retificador.
Entrada
Fin = 50/60 Hz
Vin_mín = 90 Vrms
Vin_máx = 240 Vrms
Saída
Iout_máx = 500 mA
Vout_mín = 127 V
Vout_máx = 339 V
Utiliza-se um filtro RFI contendo resistores, capacitores e indutores. Os capacitores utilizados são do
tipo X e Y destinados a supressão de interferências.
O circuito limitador de corrente inrush, na condição
inicial (NF), inseri um resistor de 47Ω/5W no circuito para limitação da corrente de partida. O comando
temporizado do relé para retirada do resistor é enviado digitalmente pelo DSC após 2 segundos. A entrada está protegida por um fusível de 0,5 A. O circuito
completo do retificador é apresentado na Figura 3.
Figura 3. Circuito retificador completo.
2.2 Conversor Buck
O bloco conversor Buck tem a função de reduzir
o valor da tensão retificada e filtrada pelo bloco retificador. O nível de tensão ajustado na saída é de 36,6
V para alimentação do conversor Flyback, possibilitando o uso de um sistema de energia solar em conjunto com um banco de baterias de 36 V. A tabela 2
apresenta as especificações para o conversor Buck.
Para o conversor Buck, foi implementada uma estratégia de controle em malha fechada por tensão, com
ação Proporcional e Integral (PI), onde uma entrada
analógica do dsPIC monitora o nível de tensão da
saída deste conversor, fazendo a compensação no
sinal PWM quando necessário. O resistor variável
RV1 fornece o sinal de realimentação para uma entrada analógica do dsPIC.
2.3 Conversor Flyback
A tensão de saída do conversor Buck ou proveniente do banco de baterias (36,6 V) é utilizada como
alimentação pelo bloco conversor Flyback, que tem a
função de gerar a alta tensão (aproximadamente 2,5
kVrms) para estabelecer o efeito corona no reator de
ozônio. Para tanto, utiliza uma bobina automotiva
comum. A tabela 3 apresenta as especificações técnicas para o conversor Flyback.
Tabela 3. Especificações para o conversor Flyback.
Fpwm = 1 kHz
Vin = 36,6 V
Iin_máx = 1,5 A
Vds = 1 V
Bobina: Bosh F 000 ZS0 105
Vout = 2,5 kVrms
Iout_máx = 20 mA
Para este conversor, foi adotada uma estratégia de
controle para limitação da corrente de entrada, cujo
sinal extraído do resistor shunt é adequado e enviado
a uma entrada analógica do dsPIC, que é responsável
pela redução da largura de pulso do sinal PWM do
conversor Flyback, caso a corrente de entrada ultrapasse 1,5 A, desta forma efetuando a limitação.
A frequência de chaveamento do conversor Flyback é
de 1 kHz. O circuito completo deste conversor é apresentado na Figura 5.
Tabela 2. Especificações técnicas para o conversor Buck.
Vin_mín = 127 V
Vin_máx = 339 V
Núcleo: Tipo EE
Vd = 0,5 V
Vds = 1 V
Fpwm = 24 kHz
Vout = 36,6 V
Iout = 1,5 A
Pout = 55 W
O circuito completo do conversor Buck é apresentado na Figura 4, enquanto o drive de pulsos para o
conversor Buck é apresentado na Figura 8.
Figura 5. Circuito completo do conversor Flyback.
2.4 Reator de Ozônio
Figura 4. Circuito do conversor Buck.
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O bloco reator de ozônio é o responsável pela
quebra da molécula de oxigênio e consequente geração do ozônio em ambiente de descarga elétrica (efeito corona).
Uma geometria adequada para campo não uniforme e
que frequentemente é usada na construção de dispositivos de alta tensão é o arranjo cilindros coaxiais.
Escolhendo-se corretamente as dimensões radiais dos
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cilindros, é possível otimizar tal sistema para se obter
uma descarga corona máxima, livre de ruptura (Kuffel et al, 2000).
Nesta configuração a distribuição do campo é simétrica com referência ao eixo central do cilindro. As
linhas de força são radiais e o campo E é função apenas da distância x do centro do cilindro. A Figura 6
(Kuffel et al, 2000) apresenta a configuração utilizada para a confecção do reator de ozônio.
Figura 7. Circuito completo do conversor CA/CC.
2.6 Blocos Auxiliares
Figura 6. Configuração cilindros coaxiais.
Os cilindros possuem superfície uniformemente carregada com uma carga por unidade de comprimento
Q/l, se uma tensão V é aplicada aos dois eletrodos,
usando a Lei de Gauss, a intensidade do campo E(x)
é dada pela equação (1).
E (x ) =
Q l 1
V
1
=
2πε x ln (r2 / r1 ) x
(1)
Quando o nível de tensão no cilindro menor atingir o
nível de ruptura, ocorrerá na sequência uma descarga
corona estabilizada ou ruptura completa (Kuffel et al,
2000). A configuração ótima deve ser definida em
termos de segurança para não romper, e não no ponto
de máxima tensão para descarga.
O reator projetado possui as seguintes dimensões:
Diâmetro do cilindro externo: 5 cm.
Diâmetro do cilindro interno: 4,5 cm.
Comprimento dos cilindros: 30 cm.
2.5 Conversor CA/CC
O bloco conversor CA/CC é uma fonte auxiliar
chaveada em alta frequência de baixa potência, sendo
esta em torno de 11 W, proposta em (Chip-Rail,
2009). Este conversor tem a função de fornecer a
tensão de alimentação aos circuitos auxiliares e controle PWM digital, para o início do funcionamento
dos conversores e manutenção destes. O conversor
CA/CC auxiliar fornece uma tensão de 12 V e uma
corrente máxima de 900 mA. A tabela 4 apresenta as
especificações técnicas para o conversor CA/CC.
Tabela 4. Especificações para o conversor CA/CC.
Fin = 50/60 Hz
Vin_mín = 90 Vrms
Vin_máx = 240 Vrms
Pout = 11 W
Iout_máx = 900 mA
Vout_mín = 12 V +/- 5 %
Fpwm = 60 kHz
η > 87 %
O circuito completo do conversor CA/CC é apresentado na Figura 7.
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Os blocos “Drive” possuem a função de fornecer
a tensão e corrente necessárias para colocar os mosfets em condução e no caso do conversor Buck, isolar
os pulsos PWM. A Figura 8 apresenta o circuito
completo do drive para o conversor Buck.
Figura 8. Circuito drive para o conversor Buck.
O bloco “Adeq. Nível” tem a função de reduzir o
nível de tensão das baterias de 36 V para 12 V, atuando apenas nos casos de falta de rede elétrica, com
o sistema operando em conjunto com um banco de
baterias ou no caso de utilização apenas com sistema
fotovoltaico. Nesta condição, o bloco DSC recebe o
sinal de falta de rede elétrica e desabilita o sinal
PWM de chaveamento do conversor Buck.
No caso de instalação com energia solar, o bloco
“Painel Fotovoltaico” é o responsável pela manutenção da carga das baterias, mantendo-as em carga ou
flutuação durante todo o período de insolação.
O bloco “Controlador de Carga” é responsável pelo
monitoramento e controle dos níveis de carga e descarga das baterias, desconectando os painéis em caso
de carga completa e desconectando a bateria do sistema em caso de descarga a um determinado nível,
evitando assim uma descarga profunda das mesmas e
garantindo sua vida útil.
O bloco “Banco de Baterias” é composto por três
baterias de 12 V ligadas em série, totalizando 36 V, a
capacidade de fornecimento de corrente é projetada
de acordo com o consumo do sistema e autonomia
requerida.
O sistema gerador de ozônio possui ainda um timer,
onde o usuário efetua a programação conforme necessidade, fazendo o acionamento e parada do sistema de forma automática, sem a necessidade de inter-
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venção humana, o que é muito útil para o tratamento
e manutenção de piscinas por exemplo.
2.7 Controle Digital
O bloco “controle digital, proteções e sinalizações (DSC)”, é o bloco inteligente do gerador de
ozônio e tem a função de controlar e monitorar todo
o sistema, gerar os pulsos PWM para os conversores
CC/CC, efetuar o fechamento da malha com ação PI
para o conversor Buck, limitar a corrente para o conversor Flyback, monitorar o nível de tensão da rede
elétrica, monitorar e controlar os níveis de temperatura, temporizar o relé de corrente inrush, realizar a
partida suave do sistema e fornecer os sinais visuais e
sonoros da condição atual do gerador de ozônio.
A escolha de um DSC se deve ao fato deste unir as
características dos microcontroladores e DSP’s em
um único chip, dispensando desta forma, a utilização
de plataformas de DSP para o controle digital, proteções e sinalizações, reduzindo consideravelmente o
custo final do equipamento. A placa deve ser projetada conforme as necessidades do equipamento.
Para a correção do sinal PWM por meio da ação PI
para o conversor Buck, foi utilizada uma rotina fornecida pela Microchip, denominada pid.s, também
utilizada em (Schiavon e Treviso, 2011).
A Figura 9 apresenta o diagrama de blocos da placa
de controle digital implementada, com suas respectivas sinalizações, proteções e alimentação.
Figura 9. Diagrama de blocos da placa de controle digital.
Conforme diagrama de blocos da Figura 9, o DSC
utilizado foi o dsPIC30F2010 fabricado pela Microchip que é um DSC de 28 pinos e opera a 30 Mips. O
circuito do DSC é apresentado na Figura 10.
Figura 10. Circuito do DSC.
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O bloco “sinalizações locais” é o responsável por
sinalizar as condições da rede elétrica e bloquear os
pulsos PWM por temperatura alta acionando o alarme nesta condição, como apresentado na Figura 10.
O sinal de “temperatura” é proveniente de um sensor
de temperatura NTC10k montado na placa de potência. Após adequação o sinal de temperatura
(EA_TEMP) é responsável por duas ações, acionar
um cooler na placa de potência e bloquear os pulsos
PWM dos conversores CC/CC desligando o equipamento.
O bloco “interface pulsos conversores CC/CC” recebe os sinais PWM enviados pelo DSC em 5 V
(Pcon_1 e Pcon_2) e faz a amplificação destes pulsos
para 12 V (PWM_BUCK e PWM_FLYBACK), utilizando amplificadores operacionais.
O sinal de saída “SD_RELÉ” é um sinal com amplitude +5 V proveniente de uma saída digital do DSC.
Quando o sistema é iniciado, após 2s, o DSC libera
este sinal, que é responsável pela limitação da corrente de partida via resistor de 47Ω/5W apresentado na
Figura 3.
O sinal “+12 V” passa pelo bloco “regulador”, que é
o responsável por gerar +5 V para alimentação do
DSC e referência para comparações, para isto é utilizado um circuito integrado regulador de tensão 7805.
O sinal “SD_ALARME” tem amplitude +5 V, é enviado para a placa de potência, onde aciona um buzzer responsável pela indicação de bloqueio do equipamento por temperatura alta.
O bloco “interface shunt” recebe um sinal da ordem
de mV (V_SHUNT) proveniente do shunt e realiza a
amplificação deste sinal para os níveis de 0 a 5 V
para a entrada analógica (EA_SHUNT) responsável
pela limitação da corrente de entrada do conversor
Flyback, reduzindo a largura do pulso PWM do Flyback em caso de sobrecorrente.
Os sinais “VCA1 e VCA2” correspondem a uma amostra da rede elétrica para monitoramento via DSC.
Para tanto, foi projetado um circuito que gera de 0 à
5 V em sua saída (EA_REDE), quando alimentado
por uma tensão de 0 à 300 Vca, proporcionalmente,
bloco retificação e adequação de rede.
Os níveis de sinalização para CA baixa e CA alta
foram ajustados em 90 Vca e 240 Vca, respectivamente.
O sinal de saída “SD_VENT” é proveniente de uma
saída digital do DSC e tem a função de acionar um
cooler, via transistor bipolar, na ocorrência de temperatura elevada, enquanto esta permanecer fora dos
níveis normais.
O sinal de entrada “EA_OUT_BUCK” é um sinal de
amostragem da tensão de saída do conversor Buck,
utilizado para fazer o fechamento da malha por tensão e consequentemente o controle automático da
largura dos pulsos PWM do conversor Buck, conforme mostrado na Figura 4.
Por último tem-se o sinal de entrada “EA_BAT” que
monitora o nível de tensão das baterias, além de um
conector para gravação in-circuit do DSC.
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3 Resultados Experimentais
Buck, obtendo uma rápida estabilização no sinal de
saída.
Neste tópico serão apresentados os resultados
obtidos experimentalmente para o conversor Buck,
conversor Flyback, controle digital por DSC e concentração de ozônio na saída do reator, medida pelo
método de titulação iodométrica.
3.1 Conversor Buck
O conversor Buck desenvolvido apresentou rendimento de 89% para as condições apresentadas na
tabela 5:
Figura 13. Partida sem ação PI, alimentado em 220 Vrms.
Tabela 5. Rendimento do conversor Buck.
Entrada
Vin = 175,3 V
Iin = 336 mA
Pin = 58,90 W
Saída
Vout = 36,65 V
Iout = 1,425 A
Pout = 52,23 W
Rendimento
η = 0,89
A Figura 11 apresenta o comportamento do sinal
PWM para o conversor Buck sem carga e alimentado
em 220 Vrms.
Figura 14. Partida com ação PI, alimentado em 220 Vrms.
As Figuras 15 e 16 apresentam a aplicação de degraus de carga, com entrada e saída de carga de 0 a
50% e entrada e saída de carga de 50 a 100%.
Figura 11. Sinal PWM sem carga, alimentado em 220 Vrms.
A Figura 12 apresenta o sinal na saída do conversor
Buck quando alimentado em 220 Vrms.
Figura 15. Degrau de carga de 0 a 50%, entrada e saída de carga.
A Figura 15 mostra que no momento da entrada da
carga de 50% houve uma variação de 2,4 V durante
um intervalo de 140 ms, enquanto no momento da
retirada de carga houve uma variação de 2,4 V durante um intervalo de 220 ms.
Figura 12. Saída sem carga, alimentado em 220 Vrms.
O sinal obtido na saída do conversor Buck é estável e
apresenta baixo nível de ruído. Quando submetido a
um degrau de carga de 50% e 100% manteve suas
características.
As Figuras 13 e 14 apresentam a saída do conversor
Buck no ato da partida, alimentado em 220 Vrms e
nas condições, sem ação PI e com ação PI, respectivamente. Comparando estas figuras, fica claro a eficácia do controle PI implementado para o conversor
Figura 16. Degrau de carga de 50 a 100%, entrada e saída.
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A Figura 16 mostra que no momento da variação de
carga de 50 para 100% houve uma variação de 1,6 V
durante um intervalo de 90 ms, enquanto no momento da variação de carga de 100 para 50% houve uma
variação de 2,0 V durante um intervalo de 140 ms.
3.2 Conversor Flyback
A Figura 17 apresenta a relação entre as tensões
de entrada e saída para o conversor Flyback. É possível observar que o crescimento da tensão de saída,
possui um comportamento quase linear, se aproximando muito dos resultados obtidos por Alonso et al
(2005).
Figura 19. Sinal PWM do conversor Flyback.
A Figura 20 apresenta uma amostra do sinal de saída
do conversor Flyback a qual evolui de acordo com o
gráfico apresentado na Figura 17 e é aplicada ao reator de ozônio. O valor eficaz é de aproximadamente
2,5 kV.
Figura 17. Gráfico Vsaída x Ventrada para o conversor Flyback.
A Figura 18 apresenta a relação entre a potência de
entrada e o crescimento da tensão saída para o conversor Flyback. É possível observar que o crescimento possui um comportamento não linear, sendo mais
acentuado no início da curva.
Figura 20. Amostra da tensão de saída do conversor Flyback.
A Figura 21 apresenta o comportamento do sinal de
saída do conversor Flyback em crescimento a partir
do instante em que o equipamento é energizado, sob
influência do sistema de partida suave implementado
no DSC.
Figura 18. Gráfico Vout x Pin para o conversor Flyback.
O efeito da descarga corona pode ser visto no sinal
de saída, especialmente no semi ciclo positivo da
Figura 20. Estas micro descargas são a base para a
geração de ozônio. Portanto o ozonizador é também
um gerador de EMI por natureza. Um estágio de filtro deve ser adicionado na entrada do conversor para
evitar a interferência conduzida. Além disso, o reator
de ozônio deve ser aterrado, tanto para segurança
quanto para evitar a interferência irradiada (Alonso et
al, 2005).
A Figura 19 apresenta o sinal PWM do conversor
Flyback em operação normal, ou seja, sendo alimentado com uma tensão de 36,65 V e uma corrente de
entrada de 704 mA, o que resulta numa potência de
entrada de 25,8 W.
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Figura 21. Crescimento da tensão de saída com ação do soft-start.
A Figura 22 apresenta uma fotografia do protótipo
implementado em testes.
Figura 22. Ensaios de desempenho do gerador de ozônio.
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3.3 Produção de Ozônio
A Figura 23 apresenta a produção de ozônio do
equipamento. Na condição dos ensaios de produção
de ozônio o gerador apresentava em sua saída uma
tensão eficaz de aproximadamente 2,5 kV enquanto o
conversor Flyback era alimentado por uma tensão de
36,65 V e consumia uma corrente de 704 mA, o que
atribui uma potência de entrada de 25,8 W.
Observa-se na Figura 23 que o gerador de ozônio
obteve melhor relação concentração/vazão quando
submetido a uma vazão de ar alimentador em torno
de 9 L/min, permanecendo praticamente constante
para maiores vazões.
sultados de Alonso et al (2005). A diferença de potencial gerada pelo conversor Flyback nos reatores
foi de aproximadamente 2,5 kV eficaz.
O sistema de forma modular possibilitou a obtenção
de maiores concentrações de ozônio, um sistema com
6 reatores foi montado em nível de protótipo, para
tanto foram utilizados 6 conversores Flyback com
bobinas automotivas, cada um alimentando um reator. Os reatores foram ligados em série, forçando o ar
a passar pelos 6 reatores. Para realização destes ensaios, os conversores Flyback foram alimentados com
36,6 V por meio de uma fonte de bancada de maior
potência ao invés do conversor Buck, um forte odor
de ozônio foi obtido na saída, não sendo mensurado
até o momento. A topologia proposta é uma opção
excelente para fornecimento de descarga corona.
Referências Bibliográficas
Figura 23. Concentração de ozônio na saída do gerador.
4 Conclusão
O uso de alimentação em alta frequência permitiu um aumento na densidade de potência aplicada ao
reator e um aumento na produção de ozônio, enquanto diminuiu o nível de tensão necessário para a produção de ozônio.
Conforme resultados apresentados, o controle digital
aplicado apresentou bom desempenho, tanto nas etapas de controle quanto nas etapas de proteções e sinalizações, o que deu maior confiabilidade no uso do
equipamento devido a redução de componentes.
A estratégia de controle digital adotada satisfaz as
necessidades de potência dos conversores projetados,
além de fornecer um tempo de resposta muito pequeno na correção do sinal PWM, devido processamento
em tempo real realizado pelo DSC.
Ao final dos ensaios de concentração de ozônio,
constatou-se que o melhor rendimento alcançado para
um reator, foi a uma vazão de alimentação de ar ambiente de 9 L/min, o que produziu em torno de 20,8
mgO3/min ou 1,25 gO3/h, conforme mostrado na Figura 23, para tanto, o gerador de ozônio consumiu
uma potência de 25,8 W. Alonso et al (2005) alcançou com sua topologia proposta, uma produção de
ozônio máxima de 8 gO3/h, com um protótipo de 50
W e alimentado com oxigênio puro. De acordo com a
literatura, se o gerador de ozônio for alimentado com
oxigênio puro, a produção de ozônio na saída do reator aumenta consideravelmente, esperando-se um
aumento de até cinco vezes, se aproximando dos re-
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