CARREGADOR DE BATERIAS BIDIRECIONAL ISOLADO FABIO DV

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Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012.
CARREGADOR DE BATERIAS BIDIRECIONAL ISOLADO
FABIO D. V. ROCHA, CARLOS M. O. STEIN, RAFAEL CARDOSO, EMERSON G. CARATI
Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE), Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Pato Branco – Paraná – Brasil
E-mails: [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected]
Abstract This article presents a proposal for a Isolated Bidirectional battery charger. The charger in study has capacity to
supply power 4KVA in a line of
and battery charging capability of 4.5A at 192V. For isolation of the batteries and improve energy efficiency in the conversion was used Planar transformer coupled to the switching transistors MOSFETs and IGBTs
for low losses. To control the energy flow in both directions was used Full-Bridge Converter suitable for the power level required
at 400V bus. The charging of the batteries can be integrated into a network-smart grid, composed of alternative energy sources
like photovoltaic and / or wind, or be used in UPS systems "double conversion", whose load is less fault tolerant power. Test
simulations show that the full-bridge topology can provide a good efficiency at high power, if proper care is taken in the design
as low loss transistors, switching techniques, appropriate filtering and the use of the planar transformer.
Keywords bidirectional full-bridge converter, planar transformer, UPS, SLA battery charger, micro-grid.
Resumo Este artigo apresenta a proposta de um carregador de baterias bidirecional isolado. O carregador estudado apresenta
capacidade de fornecimento de potência de 4KVA em uma linha de
e capacidade de carregamento de bateria de 192V a
4,5A. Para isolamento das baterias e melhorar a eficiência energética na conversão foi utilizado um transformador planar, aliado
ao chaveamento de transistores IGBTs e MOSFETs de baixas perdas. Para controle do fluxo energético em ambas as direções
foi utilizado o conversor full-bridge, adequado ao nível de potência exigida no barramento de 400V. O carregamento das baterias poderá ser integrado à uma rede smart-grig, composta de fontes energéticas fotovoltaicas e/ou eólicas, ou ser utilizado em
sistemas UPSs Conversão Dupla, cuja carga é pouco tolerante a falhas de alimentação. Testes de simulações mostram que a
topologia full-bridge pode apresentar uma boa eficiência em alta potência, se forem tomados certos cuidados no projeto como
transistores de baixas perdas, técnicas de chaveamento adequadas, filtragens e o uso do transformador planar.
Palavras-chave conversor full-bridge bidirecional, transformador planar, UPS, carregador de baterias, micro rede.
1
Introdução
Eólico/ FV
As UPSs (Uninterruptible Power Supply) são
elementos essenciais em um rede onde estão inseridos equipamentos altamente sensíveis a falhas de
alimentação. Para manter seu funcionamento contínuo, estes equipamentos são alimentados pela tensão
alternada fornecida pela rede pública, que pode apresentar oscilações em seu fornecimento, chamadas
falhas. A proteção dos equipamentos sensíveis é
importante para manter seu funcionamento adequado, não só por causa do valor intrínseco destes, mas
pela probabilidade de haver perdas de dados relevantes armazenados no sistema. Pequenas falhas ou
oscilações, além de certo limite, podem produzir
resultados indesejáveis em circuitos eletrônicos.
O carregador de baterias proposto neste trabalho é
um elemento importante dentro de um sistema UPS,
pois é ele que mantém a potência na carga se alguma
falha ocorrer na linha pública. Adicionalmente, este
carregador poderá ser utilizado em um outro contexto, como um elevador de tensão em uma rede composta de células fotovoltaicas e/ou eólicas (microgrid), figura 1. Portanto, este carregador é flexível
para se adaptar a estas diferentes aplicações: em um
sistema UPS apenas, ou dentro de uma micro rede
com fontes alternativas de energia.
ISBN: 978-85-8001-069-5
Carga
Figura 1. Micro-Grid com fontes Alternativas de Energia
Para este trabalho será contextualizado o uso do
carregador em um sistema UPS. A estrutura de uma
UPS dentro de uma rede elétrica está resumida na
figura 2: é uma interface entre o fornecimento de
energia CA (entrada) e o consumidor (saída).
Entrada
UPS:
Inversor
Chaves
Baterias
Carregador
Saída
Figura 2. UPS básica
Segundo a norma vigente nesta área, IEC62040-3
(1999), as UPSs são equipamentos que mantém estável uma rede de consumo de energia elétrica, inclusi5195
Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012.
ve na ocorrência de suspensão de fornecimento. A
norma acima citada divide as topologias de UPS em
três categorias, conforme o nível de proteção exigido
pelo equipamento alimentado:



UPS linha prioritária ( “passive standby” ou
“off-line”).
UPS conversão dupla ( “on-line”).
UPS interativa com a linha.
Todas estas topologias fazem uso de baterias e carregadores, necessários para manter o sistema funcionando durante certo tempo, no caso de falha de fornecimento da linha pública. Por outro lado, o modo
como interage o bloco carregador e o inversor durante o funcionamento normal de abastecimento da linha
pública e durante a falha é que determina a sua topologia e consequente aplicação.
A UPS linha prioritária é a mais simples das topologias, pois quando não há falhas na linha pública a
energia segue direto para a carga, sem passar pelo
inversor. Apenas parte da energia é desviada para
carregar a bateria – figura 3, seta contínua. Neste
caso, o carregador consiste basicamente em um circuito flyback com uma pré-retificação. A figura 4 Sousa (2009) - mostra este circuito, o mais comum
neste tipo de UPS. Este sistema não apresenta proteção para cargas críticas e regulação de frequência/tensão da linha CA, uma vez que durante o funcionamento normal, acima descrito, sem ocorrência de
falhas, a energia não é condicionada pelo inversor,
que se mantém em estado de espera (standby). Por
outro lado, quando há falha no abastecimento, a linha
pública é automaticamente isolada da carga por uma
chave (ch), e a bateria imediatamente abastece o
inversor que mantém a carga alimentada por um
certo tempo (figura 3, seta tracejada).
Este circuito apresenta vantagem de permitir o isolamento da bateria, pelo uso do transformador de alta
frequência. No entanto apresenta vulnerabilidade em
surtos de tensão/corrente na sua entrada e limitação
de potência (máximo 250W) – ON Semiconductors
(2002).
A UPS interativa com a linha é muito parecida com
a topologia acima, se diferenciando pelo fato de que
um inversor está ligado em paralelo à linha e acumula a também a função de carregador (figura 5). Como na topologia anterior, há uma chave que conecta
e desconecta a linha vindo da rede pública, afim de
permitir à bateria alimentar a carga no momento de
falha. Destina-se a média potência (máximo 5KVA)
- Rasmussen (2003) - e o inversor deve trabalhar em
sincronismo de fase e frequência com a linha. Como
na topologia anterior, não se destina a cargas críticas,
o que é uma desvantagem, apesar de que apenas um
circuito isolado em alta frequência poderá ser utilizado para carregar a bateria e alimentar a carga na linha
CA (circuito bidirecional). Esta topologia admite
variações – conversão delta - como apresentadas por
Martinez (2003) e Furlog (2002), na qual um circuito
separado é apresentado para somente carregar a bateria, como ocorre na topologia anterior. Neste caso as
desvantagens são as mesmas já citadas naquela topologia.
Carga
ch
Linha
Pública
Figura 5. UPS Interativa com a Linha conforme IEC6204-3 (1999)
ch
Linha
Pública
Carga
Figura 3. UPS Linha Prioritária
A UPS conversão dupla (figura 6) atende a requisitos de estabilidade de frequência/regulação de tensão
que as outras não oferecem. Para isso ocorrer, no seu
funcionamento normal, sem falhas, a carga sempre
recebe energia do estágio retificador-inversor, que
compensa desvios de frequência e tensão da linha
pública. Se ocorrer uma falha na linha pública a
carga não será afetada, pois o circuito carregadorinversor está sempre ativo. Apresenta eficiência um
pouco inferior às outras e destina-se a potências de
10KVA ou mais, IEC62040-3 (1999). A eficiência
um pouco inferior às outras é compensada pela sua
estabilidade em frequência e tensão.
Figura 4. Carregador mais comum para Linha Prioritária
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5196
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ch
Carga
Linha
Pública
Figura 6. UPS Conversão Dupla
Esta topologia admite algumas variações no modo de
carregamento da bateria e por ser uma topologia
amplamente usada um carregador bidirecional isolado está sendo proposto neste trabalho.
2 Carregador de Bateria Bidirecional Isolado
Conforme a especificação da norma IEC62040-3
(1999) e as recomendações IEEE STD1184 (1994),
a carga da bateria na UPS linha prioritária é efetuada
diretamente por um carregador ligado à linha, em
paralelo, via uma pré-retificação. Este retificador é
dedicado apenas à alimentação da bateria. Isto torna
o sistema mais simples, e barato, mas torna as baterias muito vulneráveis a variações de tensão na linha, e
sua vida útil irá depender de proteções de circuitos
auxiliares. Para esta modalidade de UPS são muito
comuns o uso de carregadores flyback, Sousa (2009),
Villegas (2004), Cheng (1995), antecedido por uma
retificação, como descrito acima. Normalmente,
nesta topologia, o carregador usado é simples e econômico. Na topologia conversão dupla observa-se a
utilização de 2 soluções:
 Uso de carregador dedicado à bateria, como
proposto pela norma IEC62040-3 (1999). Essa solução é encontrada em Martinez (2003).
 Uso de conversores CC-CC bidirecionais que
aproveitam a tensão CC gerada pelo retificador principal da UPS para alimentar a bateria.
Esta última opção traz inúmeras vantagens como:
permitir apenas um circuito isolado bidirecional
carregar a bateria e liberar sua carga para o inversor;
reduzir espaço, pois apenas um circuito acumula
duas funções; maior controle do fluxo energético e
isolamento galvânico em alta frequência. Para este
isolamento, o uso de transformadores planares é uma
nova tecnologia disponível atualmente, na qual os
enrolamentos primário e secundário são realizados
sobre uma placa PCI multi-layer. Esta tecnologia
apresenta algumas vantagens em relação ao enrolamento convencional por apresentar tamanho reduzido, alta eficiência (tipicamente 99,5%) – Himag
(2012) - e baixas perdas por acoplamento magnético.
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Quanto ao conversor, a topologia full-bridge é uma
das mais utilizadas nesta aplicação. Este conversor é
usado para adequar a tensão contínua da UPS conversão dupla para o nível da bateria e no sentido
inverso, permitir elevar a tensão da bateria à tensão
contínua do barramento (inversor). Este circuito dual
permite maior economia, já que circuitos dedicados
para carregamento e descarregamento são evitados.
Conversores full-bridge bidirecionais são usados para
potências mais elevadas, como a proposta neste trabalho (4KVA), e quando aliado ao transformador
planar para o isolamento em alta frequência torna-se
uma estrutura apropriada para UPSs.
3 Conversor Full-Bridge Bidirecional
Conversores full-bridge bidirecionais (figura 7)
são usados para permitir, em apenas um circuito
isolado, o controle de corrente CC em ambas as direções. Operando em uma direção, o circuito carrega
um banco de baterias (modo Buck). Operando na
direção oposta ele libera a carga da bateria para o
barramento do inversor (modo boost).
A relação entre a tensão de entrada e saída do conversor é estabelecida pela fórmula abaixo. Esta relação depende da razão cíclica aplicada a um bloco de
transistores e a razão de enrolamento “n” do transformador.
(1)
BOOST
BUCK
Figura 7. Conversor CC-CC Full-Bridge Bidirecional
4 Operação
4.1 Descarregamento da Bateria
Será abordado o descarregamento da bateria para um barramento CC de 400V a 10A (figuras 7 e
figura 8, seta tracejada). Para isso, foi utilizado um
banco de baterias de 16x12V/17A. A tensão de 192V
é adequada para a faixa de potência requerida
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Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012.
Carga
Linha
Pública
𝟒𝟎𝟎 𝑽𝑪𝑪
Carregador
acima. Esta operação visa manter uma razão cíclica
mínima para que o barramento de 400V absorva
4KVA. Para isso ocorrer, foi colocada uma carga
resistiva no barramento de 400V, para que dissipe tal
potência nesta tensão, ou seja,
:
(2)
Durante o descarregamento da bateria, a razão cíclica
irá variar de um valor inicial (para tensão de bateria
de 16x12V) para um valor final (para tensão de bateria de 16x10V). Neste caso um valor entre 8 e 10V
para cada bateria é sugerida pelo fabricante, CSB
GP12170 (2012). Na situação de descarregamento, a
razão cíclica irá aumentar lentamente para compensar
a perda de tensão na bateria.
Desde que a corrente drenada da bateria pode ser
determinada pela simulação, e consultando o gráfico
da figura 9, pode-se saber o tempo estimado de fornecimento. O parâmetro fixo “C” da figura 9 representa a corrente nominal da bateria (17A), maiores
detalhes serão expostos no item 5.
V Bat
(4KVA) afim de manter uma corrente de descarregamento viável (não muito alta). Os transistores
utilizados são: IGBTs IRGP50B60PD1, MOSFETs
IRFP4332 e transformador planar IMAG E64 8KW
10+10:10+10. Dados dos transistores, transformador
e condições de chaveamento estão no quadro 1.
No descarregamento o conversor funciona como
elevador de tensão (boost). Para isso ocorrer os seguintes procedimentos devem ser realizados: 1) Chaveamento dos transistores do bloco L, mantendo os
transistores IGBTs do bloco H desligados (ponte de
diodos). 2) O chaveamento PWM dos transistores do
bloco L se dá de forma diagonal, isto é, no descarregamento S1 e S4 são acionados mantendo S2 e S3
desligados intercalados por um dead-time. Depois,
inverte-se a ordem.
192 𝑽𝑪𝑪
Figura 8. Carregador Full-Bridge Bidirecional
1.29C = 22A
≈25 min
Quadro 1. Especificação do Conversor
Tensão Polarização
Corrente DC
Capacitância de
saída
Resistência (ON)
/enrolamento
(Leakage)
/enrolamento
(Leakage)
(Magnetização)
Razão Cíclica
Razão de
enrolamento “n”
IGBT
Bloco H
600V
75A
MOSFET
Bloco L
300V
54A
TRANSFORMADOR
PLANAR
-
320pF
530pF
61m Ω
29m Ω
-
-
-
1uH
-
-
1uH
-
-
Modo Buck:
<50%
Modo
Boost:
<50%
-
-
-
Modo Buck:
1:1
Modo Boost:
1:3
Frequência de
chaveamento
1mH
100Khz
No bloco H optou-se pelo uso de IGBTs uma vez que
neste lado do circuito temos uma tensão elevada
(400V), e no bloco L foram colocados MOSFETs
por se adequarem a uma menor tensão (bateria) e
baixa resistência dreno-source.
Para o descarregamento das baterias, ou seja, para o
fornecimento de energia ao barramento CC do inversor os IGBTs foram todos desligados e o controle
PWM passado aos MOSFETs, conforme descrito
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Figura 9. Tempo de descarregamento da Bateria, CSB GP12170
(2012)
4.2 Carregamento da Bateria
Nesta operação o conversor funciona como abaixador de tensão ou buck (figura 7 e figura 8, seta contínua). Dados dos elementos utilizados estão especificados no Quadro 1. Para operar neste modo os seguintes procedimentos devem ser realizados: 1) Chaveamento dos transistores do bloco H, mantendo os
transistores MOSFETs do bloco L desligados (ponte
de diodos). 2) O chaveamento PWM dos transistores
do bloco H se dá de forma diagonal, isto é, no carregamento S5 e S8 são acionados mantendo S6 e S7
desligados intercalados por um dead-time. Depois,
inverte-se a ordem.
Durante o carregamento a corrente na bateria deve
ser constante no valor de 4,5A, até que o banco de
baterias atinja 16x13,8V = 220,8V. A corrente de
4,5A corresponde a uma corrente escolhida, inferior
ao valor 0,3C (neste caso 7,2A) que é a máxima
corrente de carga aconselhada para baterias seladas.
Este valor está amplamente discutido em Linden
(2002).
5198
Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012.
5 Resultados da Simulação
(4)
Para simulação do processo de descarregamento
e carregamento da bateria, foi utilizado o programa
PSIM. Os dados do Quadro 1 foram utilizados nos
circuitos da figura 10 e 13.
5.1 Descarregamento da Bateria
Para o circuito da figura 10, as capacitâncias
e
indutãncias
foram escolhidas tendo como
critério manter uma ondulação máxima de
tensao/corrente na saida (bateria ou linha) dentro de
uma tolerância < 5% do valor nominal de trabalho.
Valores da tensão direta no diodo,
, resistência
interna,
(datasheet do fabricante) e correntes no
diodo (simulação) conduzem a uma perda aproximada de:
⁄
A corrente drenada da bateria situou-se em 22A, e
levando-se em consideração que a bateria possui
corrente nominal de 17A o descarregamento é aproximadamente 1,294C (C é a corrente nominal da
bateria). Consultando a figura 9, chegamos a um
tempo médio de fornecimento de 25 minutos, considerando que a tensão final de cada bateria será de
10V (tensão do banco de baterias chegará a 160V).
BOOST
Figura 10. Circuito Simulado - Descarregar
Estes valores também contribuem para melhorar a
tensão/corrente média na carga. A resposta em
transitório e em regime no descarregamento está
representado na figura 11. Para amenizar picos de
tensão/corrente nos semicondutores no transitório,
foi ulilizado partida suave (soft-start) cuja razão
cíclica no acionamento convergiu até o seu valor
maximo (25%)
em aproximadamente 1ms. O
primeiro gráfico da figura 12 representa o
chaveamento dos pares de transístores de forma
diagonal. No intervalo de acionamentos, temos um
tempo morto, e conforme o segundo gráfico (tensão
no primário e tensão no secundário) há uma pequena
oscilação, já esperada neste tipo de chaveamento.
Esta oscilação representa a interação das indutâncias
do transformador com capacitâncias parasitas dos
transistores. As correntes no primário e secundário
apresentaram comportamento não oscilatório e com
valores médios de
e
A corrente no MOSFET apresentou valor de
. Portanto, as perdas por condução em cada MOSFET - Graovac (2006) - é:
(3)
, o que é um
valor aceitável. A perda por condução no diodo de
cada IGBT pode ser calculado por - Barbi (2006):
ISBN: 978-85-8001-069-5
Figura 11. Resposta em Transitório (partida) e Regime da Corrente na Bateria, Tensão de Linha (V) e Corrente de Linha (A).
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Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012.
Nesta simulação foi considerado o seguinte critério:
tensão final em cada bateria será 13,8V (Banco de
baterias com 13,8 x 16 = 220,8V). Corrente de carga
aproximadamente 4,5A, portanto
Ω.
A resposta em transitório e em regime para a fase de
descarregamento está representada na figura 14. Para
partida dos transistores foi utilizado soft-start com
constate de tempo 1ms, o que permite uma
convergencia suave até 7% de razão cíclica.
Figura 12. Descarregamento - Resposta ao PWM Aplicado de 25%
(de cima para baixo: Chave 1_4 e Chave 2_3 - PWM nas chaves;
V_P , V_S - Tensão no Primário e Secundário; I_P, I_S - Corrente
no Primário e Secundário; I_BAT - Corrente na Bateria ; I_L Corrente no barramento; Vcc_INV – Tensão no barramento CC).
Figura 14. Resposta em Transitório (partida) e Regime da Corrente na Bateria e Corrente de Linha (A).
5.2 Carregamento da Bateria
O circuito para carregamento está representado na
figura 13:
BUCK
As correntes no primário e secundário apresentaram
comportamento não oscilatório e com valores médios
de
e
A corrente em
qualquer IGBT é
e sua perda por
condução é
. A perda por condução no diodo de cada
MOSFET - Barbi (2006) - apresentou valor aproximado de:
⁄
,
o que é um valor aceitável. A corrente drenada da
linha situou-se em
.
Figura 13. Circuito Simulado - Carregamento
ISBN: 978-85-8001-069-5
5200
Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012.
limite de fornecimento. Nesta condição final foi
chegou-se a uma razão cíclica de 37%. A corrente
nos MOSFETs chega a
. Portanto,
na fase de descarregamento a razão cíclica operará
entre 25-37%, indicando uma boa margem de trabalho.
Na fase de carregamento mostrado nas figuras 14 e
15, foi considerada uma situação estática em que a
bateria está com 220,8V. Para situação em que o
banco de baterias está descarregado (supondo 160V)
a impedância
será maior e a razão cíclica necessária será >7%. Portanto, um valor não muito alto de
operação da razão cíclica é benéfico, tendo em vista
a necessidade de maior potência de carregamento
quando as baterias individuais estiverem com 10V.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao apoio financeiro da CAPES
por meio de uma bolsa de Mestrado. Agradecimentos
também a UTFPR Pato Branco e às agencias de
fomento que direta ou indiretamente contribuíram
para este trabalho: CNPq, FINEP, Fundação Araucária e SETI.
Referências Bibliográficas
Figura 15. Carregamento - Resposta ao PWM Aplicado de 7% (de
cima para baixo: Chave 5_8 e Chave 6_7 - PWM nas chaves; V_P
, V_S - Tensão no Primário e Secundário; I_P, I_S - Corrente no
Primário e Secundário; I_L - Corrente no barramento; I_BAT Corrente na Bateria).
6 Conclusão e Considerações Finais
Como foi exposto no item 5, a potência de fornecimento de 4KVA foi alcançado com uma razão cíclica
de 25%, uma valor adequado tendo em vista que a
operação máxima é de 50%. Também este valor dá
boa margem para sua variação, já que a medida que
as baterias se descarregam a razão cíclica deve aumentar (compensação). A corrente na saída apresentou uma ondulação entre 9,6A e 10,4A, não levando em consideração a alta capacitância inerente
ao barramento CC de saída. Portanto, na implementação física é esperado uma diminuição ainda maior
da ondulação na entrada do inversor, tendo em vista
esta capacitância extra. Aqui cabe ressaltar que a
análise das condições de descarregamento da bateria
levaram em consideração uma situação estática inicial de fornecimento de 16x12V a 22A, dados computados nas figuras 11 e 12. Conforme dados da figura
9, dentro de 25 min a bateria apresentará diminuição
da tensão até o valor mínimo de 16x10V, situação de
ISBN: 978-85-8001-069-5
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