Conversor Boost, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

Baixe Conversor Boost e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity!

PROJETO E SIMULAÇÃO

CONVERSOR BOOST PARA ESTAÇÃO DE

TELECOMUNICAÇÕES

Guilherme Zirr Mauro Fonseca Rodrigues Renan Hermes

Ijuí, 01 de julho de 2009.

APRESENTAÇÃO

Neste trabalho iremos projetar um conversor CC-CC elevador na configuração

Boost.

O intuito do trabalho, além de dominar e praticar as ferramentas matemáticas

usuais para projeto de conversores, é encontrar uma aplicação prática para um

conversor no dia-dia da Engenharia Elétrica.

No caso a expor iremos, hipoteticamente, gerar uma necessidade inusitada

ocasionada por uma implantação de novos equipamentos com tensão nominal diferente

dos antigos. Dessa forma, para não retardar a instalação e atender a nova

especificação de alimentação projetaremos o conversor para suprir as novas

necessidades.

INTRODUÇÃO

Existem casos que as trocas de equipamentos acarretam problemas na

alimentação dos mesmos gerando solicitações para a concessionária de energia e

revisões na planta instalada como carga e demanda do local.

No caso deste trabalho buscamos uma possibilidade real, que pode acontecer a

qualquer momento, onde a substituição de equipamentos gera a necessidade de

adaptação da tensão de entrada com a tensão de saída.

O exemplo utilizado situa-se numa estação de telecomunicações, provedora de

serviço de voz e dados para os clientes de uma pequena localidade. Essa estação

possui uma demanda total máxima de 15A e os novos equipamentos instalados

funcionam com 48V de tensão nominal. Os equipamentos antigos, substituídos,

funcionavam com 44V e estavam ligados diretamente na Unidade Retificadora que

convertia a tensão alternada fornecida pela concessionária.

De forma a não precisar substituir a Unidade Retificadora, UR, pode-se implantar

um Conversor CC-CC para ampliar a tensão de entrada com vista a atender a nova

tensão nominal do equipamento instalado. A opção, como a tensão de saída será maior

que a tensão de entrada, é implantar um conversor elevador ou Boost, como é mais

conhecido.

A seguir apresentaremos um pouco sobre a teoria de funcionamento deste

conversor e as etapas de projeto para o mesmo. Utilizaremos as metodologias

estudadas na Disciplina de Eletrônica de Potência da faculdade de Engenharia Elétrica

da Unijuí.

ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS

1.1.. Teoria conversores CC-CC

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, adaptando tensão de entrada e saída conforme especificado em projeto.

Figura 1-Conversor cc-cc e forma de onda de tensão de saída

Onde Fs é a freqüência de comutação. Esta freqüência tende a ser a mais alta possível, diminuindo assim o volume dos elementos magnéticos e capacitivos do conversor e melhorando ou eliminando os ruídos audíveis produzidos pela oscilação. A razão entre o intervalo de comutação (T s) e o intervalo de condução do interruptor S (T on ) é definida por razão cíclica e dada por:

A tensão média na saída deste conversor é calculada por:

Usando T on = D.Ts tem-se:

A relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada é definida por ganho estático do conversor e dada então por:

Pelo gráfico mostrado na Figura 2 pode-se notar que a variação da tensão de saída contra a razão cíclica é linear.

Gráfico 1-Ganho estático em função de D.

Os sinais de comando do interruptor podem ser gerados com freqüência de comutação fixa ou variável. Uma forma de gerar os sinais de comando com frequência fixa é através de modulação por largura de pulso (PWM). Na Figura 2 mostra uma forma simples de realizar PWM.

Figura 2-Exemplo de circuito PWM.

Algumas aplicações de conversores:

• Controle de velocidade de motores CC;
• Fontes chaveadas;
• Energias alternativas;
• Correção de fator de potência;

As principais características do conversor Boost são:

• Tensão de saída maior que de entrada.
• Utilizado na correção do fator de potência, com boa qualidade na corrente de entrada, operando em malha fechada ou malha aberta para, respectivamente, modo de operação contínua ou modo de operação descontínua.
• Pode apresentar descontinuidade, conforme temporização e chaveamento.

3. A estação de telecomunicações

Uma estação de pequeno porte para telecomunicações possui, geralmente, uma configuração mínima com central telefônica – para serviços de voz, meio de transmissão – para transporte da voz, UR (Unidade Retificadora) – para transformar a tensão senoidal da rede em contínua e alimentar banco de baterias e os equipamentos. No caso específico deste projeto, estamos utilizando como exemplo hipotético a estação de Linha Santo Antônio, localizada no município de Cerro Largo e alimentada com 220VAC a partir da concessionária de energia. Os antigos equipamentos eletromecânicos possuíam diversas tensões de alimentação que foram sendo padronizadas em 48VCC. Para aplicarmos o conversor boost na planta estamos simulando uma possível troca de equipamentos alimentados com a tensão 44VCC para outros mais novos com alimentação de 48VCC. Os conversores eram muito utilizados nas estações de telecomunicações devido às várias faixas de alimentação dos equipamentos. Hoje, no entanto, estão sendo retirados para economizar energia e uma única fonte integrada (UR) realiza a conversão de energia para os equipamentos. A estabilidade da saída é atingida através do banco de baterias que funciona como filtro e fonte de alimentação para os casos de falta de energia a partir da concessionária. Para os dados apresentados até agora ficaria mais ou menos assim quanto à distribuição de corrente para os consumidores principais, onde Ic = corrente consumidor:

• central telefônica => Ic = 3,5A
• sistema de transmissão via ondas de rádio => Ic = 2A
• equipamento de 48 portas de dados ADSL => Ic = 2,25A
• sistema de climatização => Ic = 3A
• alarme e outros pequenos consumidores => Ic = 0,25A
• Somatório de consumo estimado => It max = 11,00A Como margem de segurança e previsão de maiores correntes nestes consumidores configura-se uma UR e banco de baterias para uma demanda de 15A, no mínimo. Com isso, pode-se ter uma variação superior a 10% do consumo na estação que a fonte irá suprir a demanda. Além disso, as URs de pequeno porte, geralmente, vêm equipadas em pequenos módulos de 3A cada um. Assim, ganha-se uma margem maior de segurança quanto à possibilidade de defeito em algum desses módulos pois a UR ficará operacional atendendo a demanda até mesmo com a perda de um de seus módulos de corrente.

1.. Circuito e aplicação

O nosso conversor será analisado a partir do diagrama em bloco abaixo apresentado. Sua função é atuar como adaptador de tensão e suprir o banco de

baterias com a nova tensão de projeto, sem a necessidade de substituição da UR

empregada na estação. Além disso, mantém monitoramento sobre a demanda de energia fornecida pelo

banco de baterias, buscando suprir variações de carga e transitórios que, porventura, apareçam durante o funcionamento.

Figura 7 - Diagrama em bloco da estação de telecom

Figura 8 - Diagrama do conversor Boost a implementar

C = 54,68uF

Chave semicondutora controlada S 1 e o diodo de saída D 1 : as correntes de pico da

chave e no diodo são iguais às do indutor. Uma vez que é estabelecido um equilíbrio de energia no indutor, a corrente média da chave e do diodo é igual à metade da corrente média de entrada. A corrente de entrada tem a forma de uma senóide retificada, assim o valor médio para a condição de operação nominal é dado por: IS(media) = 14,73A

Quando a chave semicondutora controlada está no estado de condução a tensão de saída recai sobre o diodo. Quando a chave é bloqueada o diodo passa a conduzir e com isso a tensão de saída é aplicada diretamente à chave semicondutora. Como a operação se dá em alta frequência o diodo a ser usado deve ser do tipo rápido. Como chave semicondutora controlada pode-se usar IGBT (Isulated Gate Bipolar Transistor) ou MOSFET. (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) Assim as exigências para o diodo e a chave semicondutora controlada são:

• Corrente de pico máxima: 25,63A
• Corrente eficaz nominal: 15A
• Corrente média nominal: 14,73A
• Tensão reversa mínima (diodo): Vo + ∆Vo = 48 + 2,4 = 50,4V
• Tensão direta de bloqueio (chave): Vo + ∆Vo = 48 + 2,4 = 50,4V

3.. Circuito Projetado e Simulado

Abaixo o diagrama do circuito desenvolvido e as simulações.

Circuito implementado

Tensão de entrada (retificador) e saída (banco de baterias)

Tensão média de entrada e de saída

VS1 - Tensão sobre a chave

VL – Tensão sobre o indutor (geral e ampliada)

CONCLUSÃO

As aplicações envolvendo conversores são vastas. Abrangem um rol imenso de

possibilidades onde podem ser empregados para melhorar o sistema, como otimizar

recursos de tensão, diminuir ondulações, amplificar corrente ou fixar saída para uma

entrada variável.

De posse das especificações da necessidade a ser suprida pode-se adotar a

melhor configuração disponível para empregar ou pesquisar formas inovadoras de

atender àquela demanda.

Neste trabalho projetamos e simulamos um conversor elevador de tensão de

forma que atendesse uma estação de telecomunicações, a partir das especificidades

desta. A aplicação prática dos conceitos de Eletrônica de Potência melhorou o

entendimento sobre o funcionamento de fontes chaveadas, alimentadores de bateria,

etc. Enfim, equipamentos que utilizam conversores para realizarem suas funções.

Sendo assim, obtivemos uma chance de vislumbrar um campo novo de

aplicações técnicas para os conceitos por nós aprendidos nas aulas da Engenharia

Elétrica e mais especificamente na área de eletrônica de potência.