Tópicos Especiais em Controle de Conversores Estáticos

Tópicos Especiais em Controle
de Conversores Estáticos
Prof. Cassiano Rech
[email protected]
Prof. Cassiano Rech
1
Aula de hoje
• O que é um conversor estático de potência?
• Por que devemos controlar um conversor estático?
• Por que necessitamos modelar o sistema?
• Modelo em regime permanente ou modelo CC
Prof. Cassiano Rech
2
O que é um conversor estático de
potência?
Eletrônica de Potência é uma ciência aplicada que aborda a conversão e
o controle de fluxo de energia elétrica entre dois ou mais sistemas
distintos, através de conversores estáticos de potência
E1
(v1, f1)
Retificador
Conversor
indireto de
freqüência
Conversor
CC-CC
Conversor
indireto
de tensão
Fontes de alimentação
Acionamento de
máquinas elétricas
Conversor direto
de freqüência
Prof. Cassiano Rech
Reatores eletrônicos
Fontes alternativas de
energia
Transmissão em CC
Compensadores
estáticos de reativos
Inversor
E2
Aplicações
(v2, f2)
...
3
O que é um conversor estático de
potência?
“Um conversor estático pode ser definido como um sistema constituído
por elementos passivos (resistores, capacitores, indutores, ...) e
elementos ativos (interruptores), associados de uma forma préestabelecida para o controle de fluxo de energia elétrica”
INTERRUPTORES
ENTRADA
CONVERSOR
ESTÁTICO
SAÍDA
Aberto, desligado ou bloqueado
Fechado, ligado ou conduzindo
Comutação entre os estágios acima
CARACTERÍSTICAS IDEAIS
Sinais de
controle
(interruptores)
Prof. Cassiano Rech
Queda de tensão nula em condução
Corrente nula quando bloqueado
Tempos de comutação nulos
4
O que é um conversor estático de
potência?
•
Uma alternativa para reduzir a tensão de saída, com elevada eficiência, é a
utilização de um conversor CC-CC em alta freqüência
•
A relação entre o tempo de condução do interruptor (ton) e o período de
comutação (T) é definida como razão cíclica (duty cycle) do interruptor. Logo:
onde:
Prof. Cassiano Rech
5
O que é um conversor estático de
potência?
•
Como resultado da operação do interruptor S, a tensão de saída é
recortada, caracterizada pela presença de Vin durante ton e ausência de Vin
durante toff. O valor médio da tensão de saída (Vo) é dado por:
1 ton
Vo = ∫ Vin dt
T 0
Vo ( RMS )
•
1 ton 2
=
Vin dt
∫
0
T
O valor médio da tensão de saída depende da tensão de entrada e da razão
cíclica. Logo, com o controle adequado da razão cíclica do interruptor
podemos ajustar o valor da tensão de saída, mesmo com variações na
tensão de entrada.
Prof. Cassiano Rech
6
Por que devemos controlar um
conversor estático?
•
Variações na entrada do conversor, variações paramétricas e/ou distúrbios
no sistema podem modificar a operação do conversor estático de potência
•
Os sinais de controle dos interruptores devem ser automaticamente e
adequadamente ajustados para atender as especificações impostas pela
aplicação (regime permanente, transitório e estabilidade)
ENTRADA
Alimentação direta
(feedforward)
CONVERSOR
ESTÁTICO
Sinais de
controle
SAÍDA
Realimentação
(feedback)
CONTROLADOR
Prof. Cassiano Rech
7
Por que devemos controlar um
conversor estático?
Prof. Cassiano Rech
8
Por que devemos controlar um
conversor estático?
Db
L
Lf
D1
iL(t)
D2
Cf
vin(t)
D3
S
C
R
D4
• CONVERSOR BOOST CCM OPERANDO COM CFP
Regulação da tensão de saída
Correção do fator de potência (corrente de entrada senoidal em fase com a
tensão de entrada)
Prof. Cassiano Rech
9
Por que devemos controlar um
conversor estático?
Rede
Pública
CA
CC
CC
Retificador/
Carregador
de Baterias
CA
Carga
Crítica
Inversor
Banco de
Baterias
• NO-BREAK DE DUPLA CONVERSÃO
Tensão de saída senoidal (baixa distorção) e regulada (amplitude e freqüência)
Correção do fator de potência (corrente de entrada senoidal em fase com a
tensão de entrada)
Controle da carga e descarga do banco de baterias
Sincronismo com a rede pública de energia
Prof. Cassiano Rech
10
Por que devemos controlar um
conversor estático?
• ACIONAMENTO DE MÁQUINAS COM VELOCIDADE VARIÁVEL
Controle da amplitude e da freqüência da tensão de saída senoidal (sistema
monofásico ou trifásico)
Ao usar um retificador em alta freqüência (retificador PWM), deve-se garantir um
elevado fator de potência na entrada e manter a tensão de barramento
controlado
Regeneração de energia
Prof. Cassiano Rech
11
Por que necessitamos modelar o
sistema?
• Existem inúmeros conversores estáticos, que são aplicados nas mais diversas
aplicações
• O comportamento e as especificações destes sistemas não são iguais. Logo, a
definição e o projeto dos sistemas de controle também não é padronizado
• ANALOGIA: Desejamos fazer uma viagem e precisamos definir a forma de
deslocamento
O que desejamos? (Especificações)
Informações para tomada de decisão
Metodologia para, a partir das informações obtidas, escolher o transporte
• Desejamos controlar um conversor estático e precisamos definir a estrutura e o
projeto do controlador
Especificações
Modelo matemático que descreva o comportamento do conversor
Metodologia de projeto do sistema de controle
Prof. Cassiano Rech
12
Modelagem de conversores
estáticos
• Representação matemática do comportamento físico do sistema
• Modelagem do comportamento dominante do sistema, ignorando
fenômenos insignificantes
• Modelos simplificados permitem um melhor entendimento dos
fenômenos físicos existentes
• As aproximações usualmente desprezam fenômenos pequenos,
porém complexos ou de difícil representação
• Após a compreensão dos principais fenômenos envolvidos, caso
seja necessários os modelos podem ser refinados para incluir os
fenômenos previamente desprezados
Prof. Cassiano Rech
13
Modelagem de conversores
estáticos
• Modelo em regime permanente ou modelo CC
Cálculo de esforços de tensão e corrente para dimensionamento
dos elementos
Estimativa do rendimento
• Modelo dinâmico ou modelo CA
Utilizado para avaliar como distúrbios (variações) na fonte, carga
e nos parâmetros do circuito, além de perturbações nos sinais de
controle afetam as variáveis de interesse
Projeto dos controladores
Prof. Cassiano Rech
14
Modelo em regime permanente
(modelo CC)
• Princípios de análise em regime permanente:
Balanço Volt-segundo no indutor (inductor volt-second balance)
Balanço de carga no capacitor
Aproximação de pequenas ondulações
(small-ripple aproximation)
Prof. Cassiano Rech
15
Modelo em regime permanente
(modelo CC)
• Aproximação de pequena ondulação
Prof. Cassiano Rech
16
Modelo em regime permanente
(modelo CC)
• Aproximação de pequena ondulação
Prof. Cassiano Rech
17
Modelo em regime permanente
(modelo CC)
• Balanço Volt-segundo no indutor
Corrente no indutor
Prof. Cassiano Rech
18
Modelo em regime permanente
(modelo CC)
• Balanço Volt-segundo no indutor
Tensão média no indutor é
nula em regime permanente
Prof. Cassiano Rech
19
Modelo em regime permanente
(modelo CC)
• Balanço de carga no capacitor
Corrente média no capacitor é
nula em regime permanente
Prof. Cassiano Rech
20
Modelo em regime permanente
(modelo CC)
• Exemplo 1:
Conversor buck ideal em modo de condução contínua
Prof. Cassiano Rech
21
Modelo em regime permanente
(modelo CC)
Prof. Cassiano Rech
22
Modelo em regime permanente
(modelo CC)
• Exemplo 2:
Conversor boost ideal em modo de condução contínua
Prof. Cassiano Rech
23
Modelo em regime permanente
(modelo CC)
8
7
6
5
M
4
3
2
1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
D
Prof. Cassiano Rech
24
Modelo em regime permanente
(modelo CC)
Prof. Cassiano Rech
25
Modelo em regime permanente
(modelo CC)
Análise do rendimento:
Potência de entrada
Potência de saída
Pin = Vg Ig = Vg I
V2
Po =
R
Vg 2
Po = 2
D' R
Pin = Vg
Prof. Cassiano Rech
Vg
2
D' R
=
Vg 2
D '2 R
26
Modelo em regime permanente
(modelo CC)
• Exemplo 3:
Conversor boost CCM com perdas no indutor
Prof. Cassiano Rech
27
Modelo em regime permanente
(modelo CC)
Prof. Cassiano Rech
28
Modelo em regime permanente
(modelo CC)
Prof. Cassiano Rech
29
Modelo em regime permanente
(modelo CC)
Análise do rendimento:
Potência de entrada
Pin = Vg Ig = Vg I
2
Vg
V
Pin = Vg
= 2
D ' R D ' R 1 + RL D '2 R
(
)
Potência de saída
V2
Po =
R
Po =
Prof. Cassiano Rech
2
Vg 2
(
2
D ' R 1 + RL D ' R
)
2
30
Modelo em regime permanente
(modelo CC)
Análise do rendimento:
Prof. Cassiano Rech
31
Bibliografia
• R. W. Erickson, D. Maksimovic, “Fundamentals of
Power Electronics”, Second edition.
• J. G. Kassakian, M. F. Schlecht, G. C. Verghese,
“Principles of Power Electronics”.
Prof. Cassiano Rech
32