Modelo de relatorio 2

Modelo de relatório - 2
Xxxxxxxxxxxxxxxx, yyyyyyyyyyyyyy
Departamento de Engenharia Elétrica – Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Campus Curitiba – Av. Sete de Setembro, 3165 Rebouças – 80230-901 – Curitiba – PR - Brasil
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Este modelo serve de referência para elaborar seu relatório:
estrutura, formatação e itens (mais importantes) do conteúdo, que
são:
- Introdução, procedimentos, levantamento de dados, resposta ao
questionário, cálculos, simulações, discussão de resultados, conclusões,
referências, apêndices e anexos.
Conversores CC-CC são sistemas formados por semicondutores de potência operando como
interruptores, e por elementos passivos, normalmente indutores e capacitores que tem por função
controlar o fluxo de potência de uma fonte de entrada para uma fonte de saída.
O conversor Boost é um conversor elevador de tensão, caracterizado por ter entrada em corrente e saída em tensão.
RETIRADO
Foi retirado propositalmente figuras, textos,
fórmulas e tabelas do relatório e está identificado com a
palavra RETIRADO
1. Introdução
O conversor Boost também chamado de
conversor step-up, elevador de tensão, é um
conversor CC/CC que converte a tensão de entrada
em um valor maior na saída.
RETIRADO
entanto a preferência pelos MOSFETs de canal N
está na sua menor resistência entre o dreno e a fonte
quando em condução (Rds(on)) que permite
controlar correntes mais intensas com menor
dissipação de calor.
Na operação, o transistor Q1 é continuamente
chaveado, ligando e desligando pela ação do circuito
de controle.
Esta ação faz com que seja criada uma corrente
pulsante através do diodo e do diodo CR1. Apesar
do indutor estar conectado ao capacitor C somente
quando o diodo conduz, uma filtragem L/C é obtida
de forma efetiva.
A função deste filtro é reduzir a oscilação do
trem de pulsos obtendo assim uma tensão contínua
na carga (Vo).
Modos de Operação
Figura 1 - Conversor Boost.
O elemento básico desta etapa é um transistor de
efeito de campo de potência de canal N que faz o
chaveamento da corrente principal pela carga e pelo
indutor.
Podem ser usados outros componentes como, por
exemplo, MOSFETs de canal P ou bipolares. No
No modo contínuo de condução a tensão de saída
depende do ciclo ativo e da tensão entrada. Neste
circuito as tensões de entrada, saída, corrente de
carga e ciclo ativo não devem variar.
Neste modo de operação, a etapa de elevação de
tensão (boost) assume dois estados em cada ciclo do
sinal de comutação. Estes ciclos são mostrados na
Figura 2.
RETIRADO
RETIRADO
Figura 4 - Tensão sobre o indutor.
Figura 2 - Representação dos Estados On e Off do
conversor Boost.
No estado ON, o transistor Q1 conduz e CR1 está
desligado. No estado OFF o transistor está cortado e
CR1 conduzindo.
A representação simplificada da Figura 2
possibilita a visualização das correntes nos dois
estados.
É importante observar as formas de onda nos
diversos elementos deste circuito neste modo de
operação. Estas formas de onda são mostradas na
Figura 3.
RETIRADO
Figura 3 - Formas de onda para condução contínua.
Veja que sempre existe uma corrente circulando
pelo indutor. Na Figura 4, é possível visualizar a
tensão sobre o indutor.
Como a tensão média sobre o indutor deve ser
nula, então:
1 𝐷𝑇𝑆
1 (1−𝐷)𝑇𝑆
(𝑉𝑜 − 𝑉𝑖 )𝑑𝑡
∫ 𝑉𝑖 𝑑𝑡 = ∫
𝑇𝑆 0
𝑇𝑆 0
𝑉𝑜
1
=
𝑉𝑖 1 − 𝐷
Na Figura 5 mostra-se a variação da tensão de
saída em função da razão cíclica para o conversor
Boost.
Figura 5 - Ganho estatístico em função de D.
No modo descontínuo, observando as formas de
onda mostradas na Figura 6.
Figura 6 - Formas de onda para condução descontínua.
Para isso consideramos o que ocorre quando a
corrente de carga diminui e o modo de condução
muda de contínuo para descontínuo.
Quando a corrente de carga cai abaixo de um
certo valor, durante uma parte do ciclo de comutação
a corrente pelo indutor será zero. A corrente
permanecerá nula até o início do ciclo seguinte.
2. Procedimento experimental
A realização deste ensaio envolveu
implementação do circuito da figura 7.
a
Figura 7 – Circuito Boost ensaiado.
Dessa forma, foram utilizados os equipamentos
listados na tabela 1.
Tabela 1 - Lista de Materiais e Equipamentos.
Componente
Circuito PWM
Circuito Retificador
Onda Completa
MOSFET IRF740
com dissipador
Indutor 4 mH
Diodo ultra rápido
UF4007
Capacitor
eletrolítico 100uF
350V
Lâmpada 220V
3.
Quantidade
1
1
1
1
1
1
2
Confecção da placa
A montagem do circuito foi realizada em placa
universal perfurada visto que conforme orientação
do professor este circuito deveria estar localizado na
mesma placa onde foi construído o retificador de
onda completa com filtro capacitivo em ponte junto
com o circuito PWM. Na Figura 8, é possível
verificar a montagem do Conversor Boost.
Figura 8 - Conversor Boost Montado.
Figura 10 - Forma de onda na saída do PWM (Vg).
Figura 11 - Forma de onda da tensão de entrada do
conversor Boost.
4. Simulação
Para realizar o ensaio do circuito em simulador
foi utilizado o software PSIM (Figura 9).
Objetivando aumentar a acurácia dos resultados,
aplicou-se na fonte de entrada um valor de pico de
49,6VP, visto que este foi o valor medido no
secundário do transformador. Para a resistência de
carga utilizou-se o valor medido para as resistências
internas das lâmpadas 577,27Ω.
RETIRADO
Figura 9 - Circuito Simulado no PSIM.
Realizando a simulação do circuito, obtém-se as
formas de onda conforme as figuras 10 a 13 a seguir:
Figura 12 - Forma de onda da tensão de saída do
conversor Boost .
Figura 14 - Forma de onda da saída do circuito PWM.
Figura 13 - Forma de onda da tensão no indutor.
5. Desenvolvimento
prático
Levantamento de dados
-
Com a montagem do conversor Boost, pode-se
visualizar no osciloscópio várias formas de onda de
interesse para responder às questões feitas na folha
de experimento. Vale destacar que a tensão média de
saída imposta durante o laboratório foi de 120V,
usando esse valor como base no momento da
obtenção de todas as formas de onda. Utilizando as
duas lâmpadas em série, mediu-se a resistência dessa
carga que será utilizada. Utilizando a Lei de Ohm,
tendo medido uma corrente de 220mA e uma tensão
de 127V, é possível encontrar um valor de
resistência para as lâmpadas em série de 577,27Ω.
Durante as medições, foi pedido que a tensão de
saída não ultrapassasse a tensão máxima de 250V, de
forma a garantir a segurança do ensaio, considerando
que a tensão do próprio capacitor era de 250V. Por
isso, utilizamos na implementação do circuito, um
capacitor de 350V, de forma que a prática pudesse
nos fornecer valores de tensão maiores, garantindo
um gráfico mais preciso.
Para auxílio na interpretação das questões,
obteve-se algumas formas de onda de interesse.
Foi possível retirar a forma de onda da saída do
circuito PWM, de forma a obter a frequência de
comutação do circuito. (Figura 14), além disso
obteve-se a forma de onda da tensão de entrada
(Figura 15) e saída (Figura 16), de forma a encontrar
a ondulação destas.
RETIRADO
Figura 75 - Forma de onda da tensão de entrada, saída
retificador.
Figura 86 - Forma de onda da tensão de saída.
Para continuação da análise do circuito, obtevese a forma de onda da corrente do indutor (Figura 17
e 18), vale ressaltar que a ponta de prova e o
osciloscópio estavam com atenuação de 1x e que o
resistor shunt utilizado para a medição da forma de
onda da corrente, foi de 0,1Ω. Assim, o valor de
tensão medido deve ser multiplicado por 10, de
forma a obter o valor real da corrente.
RETIRADO
RETIRADO
Figura 97 - Forma de onda da corrente no indutor.
Figura 119 - Gráfico da tensão média da saída versus
DutyCycle.
1 – Qual a freqüência de comutação?
R: Na Figura 14 é possível visualizar a forma de
onda na saída do PWM, tendo como base a largura
do pulso positivo, tem-se um valor para Ton de
19,46µs, com isso, é possível encontrar a frequência
de comutação:
RETIRADO
Figura 108 - Forma de onda da corrente no indutor,
ressaltando a sua ondulação.
2 – Qual a razão cíclica D?
R: A forma de onda da saída do PWM pode ser
vista na Figura 14, tendo vista que a frequência do
PWM é de 31,95kHz, é possível encontrar assim seu
período e consequentemente a razão cíclica para uma
tensão de 120V.
6. Questionário
Eleve a razão cíclica de 0 até 1 em intervalos de 0,1.
Anote a tensão média de saída e faça um gráfico de
Vsmédia x D.
R: Como pode ser visto na Figura 9, o período da
saída do PWM é de 31,2 µs com esse valor, é
possível construir a tabela dos diferentes valores
para o período em que a saída está em nível alto. Os
valores de tensão anotados podem ser visualizados
na Tabela 2, por questão de segurança, não foi
alcançado a tensão de 350V. Com esses valores, foi
possível gerar o gráfico de Vsmédia x D como pode
ser visto na Figura 19.
Tabela 2 - Valores medidos de Vsmédio para diferentes
DutyCycles.
0
Ton
(µs)
0
Vsmédio
(V)
44
0,1
3,1
50
0,2
6,2
56
0,3
9,3
65
0,4
12,5
75
0,5
15,6
90
0,6
18,7
113
0,7
21,8
145
0,8
25
213
0,9
28,1
342
1
31,2
-
D (DutyCycle)
𝑇𝑃𝑊𝑀 =
1
𝑓𝑃𝑊𝑀
→ 𝑇𝑃𝑊𝑀 = 31,30𝜇𝑠
Dessa forma, é possível encontrar o valor do
DutyCycle com o valor de Ton igual a 19,46µs, visto
na Figura 14:
RETIRADO
𝐷 = 62,17%
3 – Qual o tipo de condução (contínua ou
descontínua)?
R: A forma de onda da corrente no indutor pode
ser vista na Figura 17, é possível verificar que o
modo de condução é o contínuo, pois é verifica-se
que a corrente no indutor não assume o valor zero,
sendo que essa corrente parte de um valor de
corrente mínimo até um valor máximo, não
ocorrendo a descontinuidade característica.
4 – A tensão de saída depende da carga varie a
resistência de carga e anote os valores)?
R: Sim, na Figura 16 temos a forma de onda para
uma carga formada por duas lâmpadas 220V em
série, com essa carga de aproximadamente 577,27Ω,
RETIRADO
5 – Qual a ondulação de corrente de entrada
(indutor)?
R: Na Figura 18 é possível verificar a forma de
onda da corrente no indutor, sabendo que o resistor
utilizado para a medição é de 0,1Ω e que a ponta
atenuadora estava com uma atenuação de 1x, então
o valor da ondulação da corrente é igual ao valor
mostrado no osciloscópio multiplicado por 10, assim
de 200mA.
Com estes valores, é possível obter um gráfico
do erro do ensaio comparado ao resultado teórico.
6 – Qual a ondulação de tensão de saída (determinar
valores mínimos e máximos)?
RETIRADO
7 – Qual a menor tensão de saída que este conversor
pode gerar? E a maior?
R: Na Tabela 2 é possível verificar todos os
valores de tensão medidos, o valor mínimo de tensão
anotado foi de 44V, que seria aproximadamente a
mesma tensão da entrada. O valor máximo,
teoricamente, seria infinito, como pode ser visto na
Figura 5 (relação entre a saída e o Duty Cycle) a
tensão de saída pode chegar a valores muito altos
tendendo ao infinito, porém, o valor máximo
alcançado no ensaio foi de 342V, um valor de tensão
relativamente alto.
8 – Explique como gerar uma tensão de saída 2x
maior que a tensão de entrada.
R: Para o conversor Boost, tem-se a relação de
ganho exibida a seguir:
Figura 121 - Gráfico do erro entre valores de entrada e
saída.
11 – Questão adicional 2 - Obter, por meio da
simulação do circuito, o erro de:
i)
VSmédio;
ii)
VEmédio;
iii)
Ondulação de VS;
iv)
Ondulação de VE;
v)
ILmédia;
vi)
Ondulação de IL;
Grandeza
Simulado
Prático
Erro (%)
RETIRADO
Vs
122,53
38,9
68,25267
Vs
40,31
45
-11,6348
Para gerar uma tensão de saída 2x maior que a
entrada, basta substituir VS = 2.VE:
Vs
20,62
8
61,20272
Vse
14,29
5,6
60,81176
ILmédio
0,751
0,8
-6,52463
Ilripple
0,2
0,2
0
RETIRADO
Logo, para obter a tensão de saída desejada, basta
ajustar uma razão cíclica de 50% no PWM.
Conclusões
9 – Questão adicional 1 - Levantar a curva VS x D
teórica.
R: Utilizando a relação entre entrada e saída
aplicada no exercício anterior, é possível levantar a
curva teórica e prática da tensão de saída em função
da razão cíclica.
Analisando os resultados, é possível notar diferenças
consideráveis entre os valores simulados e
ensaiados, porém esta diferença leva em
consideração o fato de os instrumentos de
laboratório possuírem certa imprecisão, bem como
as formas como a aquisição das grandezas foram
feitas.
RETIRADO
Figura 20 - Tensão de saída simulada e prática.
Ainda assim, é possível confirmar o
funcionamento correto do circuito Boost, que atua
como um elevador de tensão CC, sendo essa tensão
útil para o funcionamento de diversos circuitos que
atuam em conjunto com a fonte de tensão original,
que fornece um valor acima do necessário. Foi
possível constatar também a proporcionalidade entre
a tensão de saída e a razão cíclica D: quanto maior o
valor do ciclo útil, maior a tensão de saída se torna,
a partir do valor inicial da tensão de entrada.
7. Referências
[1] Barbi, Ivo; Souza, Fabiana Pöttker de. Conversores
CC-CC isolados de alta frequência com comutação suave.
Florianópolis: 1999.
[2] Multiplicadores de tensão (ART014). Disponível em
<http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/artigos/54dicas/423-multiplicadores-de-tensao-art014.html> Acesso
29 de Novembro.
RETIRADO