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Relatório referente à pratica de laboratório referente ao conversor CC-CC BOOST. Contém introdução teórica sobre ponte retificadora com filtro capacitivo, mudulador PWM e conversores boost. Dados experimentais relacionados a teoria.
Tipologia: Notas de estudo
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UNIVESIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA DISCIPLINA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
Pedro Olesko S Rodrigo Brito S Rodrigo Espinoza S
Relatório apresentado na disciplina de Eletrônica de Potência do curso de Engenharia Industrial Elétrica. Professor: Eduardo Romaneli
Curitiba/PR Dezembro / 2009 ÍNDICE DE FIGURAS E TABELAS
1. Introdução Teórica
A tensão fornecida pela concessionária de energia elétrica é alternada ao passo que os dispositivos eletrônicos operam com tensão contínua. Então é necessário retificá-la e isto é feito através dos circuitos retificadores que convertem corrente alternada em corrente contínua. O funcionamento deste retificador pode ser descrito na figura 1:
Figura 1- Modelagem de um retificador monofásico de onda completa com ligação em ponte.
Quando a tensão Vab se encontra no semi-ciclo positivo, a corrente sai de A passa por D1, R, D3 e chega ao ponto B. Caso estiver no semi-ciclo negativo, a corrente sai de B passa por D2, R, D4 e chega ao ponto A. Assim conduzem somente dois diodos de cada vez.
Desta maneira, para qualquer polaridade de Vab, a corrente IL circula num único sentido em R e por isto, a corrente em R é contínua. Temos somente os semi-ciclos positivos na saída.
Uma observação importante é que freqüência de ondulação na saída é o dobro da freqüência de entrada.
Considerando diodos ideais, os formatos de ondas no circuito são exemplificados na figura 2.
Figura 2 - Formas de ondas considerando diodos ideais. A ondulação na saída do circuito retificador é muito grande o que torna a tensão de saída inadequada para alimentar a maioria dos circuitos eletrônicos.
É necessário fazer uma filtragem na tensão de saída do retificador com a introdução de um capacitor como mostra a figura 3. A filtragem nivela a forma de onda na saída do retificador tornando-a próxima de uma tensão contínua pura.
Figura 3 – Circuito do retificador em ponte com o acréscimo do capacitor C. A maneira mais simples de efetuar a filtragem é ligar um capacitor de alta capacitância em paralelo com a carga RL e normalmente, utiliza-se um capacitor eletrolítico.
A função do capacitor é reduzir a ondulação na saída do retificador e quanto maior for o valor deste capacitor menor será a ondulação na saída da fonte, esta redução é representada na figura 4.
Figura 4 – Demonstração da redução da ondulação
Figura 8 – Esquema de um circuito de conversor CC-CC elevador O circuito do conversor tem duas etapas de funcionamento, que são representadas na figura 9. Em um primeiro momento a chave CH está fechada, esta é a etapa de acumulação, o diodo D está inversamente polarizado e pode ser desconsiderado, O indutor L é carregado com a energia da fonte. Em um segundo momento, com a chave CH aberta, ocorre a etapa de transferência de energia, o diodo D entre em condução, a fonte e o indutor L fornecem energia à saída. A tensão da carga aumenta. Ao retornar para a primeira etapa, o capacitor C irá manter a tensão constante, idealmente, sobre a carga, enquanto L é carregado novamente.
Figura 9 – a) etapa de acumulação e b) etapa de transferência de energia. Para entender o funcionamento do conversor, será feita a análise de seu circuito em cada uma das etapas de funcionamento. A razão cíclica será chamada de D e o período de T. Sejam as seguintes definições: = tensão sobre o indutor L = Tensão sobre a chave CH = Tensão de entrada = Tensão de saída sobre a carga R A partir do princípio, a tensão média no indutor deve ser igual a zero, :
Ganho estático: (1)
Na primeira etapa, Através de análise de malhas:
Usando (2) e (5) em (3): (6) (7) Obtenção da capacitância: (8) (9) (10) (11) Usando (9) ,(10) e (11) em (8): (12) (13) Na segunda etapa, : (14) As formas de onda de interesse do conversor CC-CC estão representadas na figura 10.
Figura 10 – (a) Tensão sobre indutor, (b) corrente sobre o indutor, (c) Corrente sobre a chave CH (d) corrente sobre o diodo, (e) tensão sobre o diodo e (f) tensão sobre a chave. 1.4 Objetivos
Com isso, o tempo de condução, apresenta o valor:
O indutor apresenta um valor de 12mH, pode-se calcular a ondulação da corrente:
O capacitor utilizado na saída do conversor apresenta um valor de 100 micro faraday, pode-se calcular a ondulação da tensão de saída:
O valor da corrente de saída pode ser calculado, sabendo a tensão e a potência de saída (lâmpada):
Logo:
Para um caso específico em que se queira atingir uma tensão de saída que seja o dobro da entrada (no caso, entrada = 60 V), tem –se:
O que resulta em um tempo de condução:
3.2 Prático Inicialmente foi conectado na saída do conversor o osciloscópio para monitorar a tensão, principalmente pelo fato de essa não poder ultrapassar valor de 250 V.Foi acoplada juntamente, a carga (lâmpada) e a partir do zero no trimpot, foi variada a razão cíclica afim de obter uma tensão de saída de 220 V.Com isso mediu-se alguns parâmetros principais do circuito, conforme será descrito abaixo. Observando a figura 11 descreve os pulsos na saída do modulador, observa-se que a freqüência de comutação do circuito apresenta um valor de 16,15kHz e um período de 61,93 microssegundos.
Figura 11 - Forma de onda na saída do modulador PWM. O objetivo da experiência, que é a obtenção do valor de 220 V na saída, foi atingido conforme ilustra a figura 12, medida com o osciloscópio na saída do conversor.
Figura 12 - tensão de saída. A forma de onda obtida, no entanto, não apresenta um valor perfeitamente constante sofrendo variações causadas pela atuação do capacitor e
É importante ressaltar que as formas de onda do indutor expressas acima são referentes à tensão, porém, sabe-se que no resistor as formas de tensão e corrente apresentam-se em fase, logo a forma de corrente possui o mesmo formato.O resistor utilizado apresenta um valor de 0,1ohms, aplicando a expressão nos resultados medidos e mostrados nas figuras 17 e 18 acima, a corrente no indutor apresenta um valor médio de 0,652 A, e uma variação de corrente de 0,42 A. A variação da razão cíclica é o fator que possibilita a obtenção de tensão na saída conforme necessário. As figura 19 e 20 mostram as formas de onda referentes à uma tensão duas vezes maior na saída, tomando 60 V como valor de entrada.
Figura 19 -Tensão na saída na situação descrita acima.
Figura 20 - Tempo ligado para a situação descrita acima.
No momento em que se liga o conversor existe um valor de saída mínimo com aproximadamente 90 V tal como descrito na figura 21.
Figura 21 - Mínima onda de saída.
3.3. Confecção do Circuito Na montagem do circuito foram utilizadas duas placas de circuito impresso do tipo placa padrão, com as ilhas de cobres prontas. A montagem do circuito e a soldagem de seus componentes foram feitas conforme visto na teoria apresentada anteriormente neste relatório. Foram adicionados resistores de baixa resistência (0,1 Ω) para medição de correntes ao longo do circuito, e cabos nas laterais da placa padrão para se aplicar a tensão a qual será retificada e a alimentação CC do controlador.
Na figura 22 se tem uma imagem do circuito em seu estágio final, o mesmo foi utilizado para todos os ensaios realizados em aula. Na placa esquerda se encontra o retificador e conversor e na direita o controlador.
Figura 22 – Imagem do circuito retificador utilizado nos ensaios em aula.
4. Conclusão A seguir segue a tabela 1, comparativa entre valores práticos e teóricos. Parâmetros Valores Teóricos Valores Práticos Razão cíclica (D). 0,7273 0, Tempo de condução (microssegundos).
Ondulação de corrente no Indutor (Ampères).
Ondulação de tensão na Saída (Volts).
Para o dobro de tensão na saída. Razão cíclica (D). 0,5 0, Tempo de condução (microssegundos).
5. Referências Bibliográficas
AHMED, A. Eletrônica de Potência. Prentice Hall, p. 168 – 173. São Paulo –
BARBI, Ivo. Eletrônica de Potência. 4ª Edição, Florianópolis, Ed. do Autor,
GUIRARDELLO, A. ”Apostila sobre Modulação PWM – Curso Técnico em Eletrônica Industrial ”. Colégio POLITEC, 2005.
