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 ISBN: 978-85-8001-069-5 5196 Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012. 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. ISBN: 978-85-8001-069-5 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 5197 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 ISBN: 978-85-8001-069-5 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). 5199 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 IEC62040-3 Iternational Standard. “Ununteruptible Power Systems” – PART3: Method of specifying the performance and test requirements. First edition, 1999. Sousa, Gean J. M.; Cícero M. T. Cruz; Carlos G. C. Branco; L. D. S. Bezerra; R. P. Torrico-Bascopé. “A Low Cost Flyback-Based High Power Factor Battery Charger For UPS Applications”. IEEE 2009. ON Semiconductors. “Switch Mode Power Supplies – Reference Manual and Design Guide”. Rev.3B jul2002. Rasmussen, Neil. “The Different Types of UPS Systems”. White Paper 1. American Power Conversion, 2003. Martinez, Maurício M. ; Cassiano Rech; Luciano Schuch; José R. Pinheiro. “Classificação e Pesquisa De Mercado Das Fontes Ininterruptas De Energia (IEC 62040-3)”. XVIII Congresso Regional De Iniciação Científica e Tecnológica CRICTE 2003. Universidade Federal de Santa Maria – UFSM. Furlong, Edward R. .“UPS Topologies for Large Critical Power Systems (> 500 KVA)”. As presented at the 13th Annual Power Quality Exhibition & Conference, October 30, 2002. IEEE STD 1184 - IEEE Guide for the Selection and Sizing of Batteries for Uninterruptible Powe Systems (1994). Sousa, Gean J. M.; Cícero M. T. Cruz; Carlos G. C. Branco; L. D. S. Bezerra; R. P. Torrico-Bascopé. “A Low Cost Flyback-Based High Power Factor 5201 Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012. Battery Charger For UPS Applications”. IEEE 2009. Villegas, J.; N. Vaquez L. Camacho C. Hernandez. “A Novel Battery Charger / Discharger Stage For Uninterruptible Power Supply Syslem”. 2004 35th Annual IEEE Power Elecrronics Specialistr Conference. Cheng, D.K. W.; and F.H. Leung. “Design of a Switching Mode Power Supply With UPS Features”. Department of Electronic Engineering The Hong Kong Polytechnic University, Hung Hom. Kon loon. Hong Kong. IEEE, 1995. Himag, Planar Transformers – E64 range: 1KW to 9KW, 2012. CSB GP12170, “Datasheet CSB BATTERY CO., LTD. (Taiwan) ” – 2012 Linden, David; Reddy, Thomas D. “Handbook of Batteries” – 3°ed McGraw-Hill, 2002 Graovac, Dusan ; Marco Purschel ; Andreas Kiep. “MOSFET Power Losses Calculation Using the Data Sheet Parameters”. Infineon Application Note – 2006. Barbi, Ivo. “Eletrônica de Potência”. 6°edição do autor. 2006. ISBN: 978-85-8001-069-5 5202