DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR. Juliano Sadi Scholtz

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1 UNVERSDADE D ESTAD DE SANTA CATARNA UDESC CENTR DE CÊNCAS TECNLÓGCAS CCT DEPARTAMENT DE ENGENHARA ELÉTRCA DEE PRGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃ EM ENGENHARA ELÉTRCA - PPGEE Formação: Mesrado em Engenharia Elérica DSSERTAÇÃ DE MESTRAD BTDA PR Juliano Sadi Scholz PRJET DE UM RETFCADR TRFÁSC REGENERATV CM ELEVAD FATR DE PTÊNCA E CNTRLE EM CRDENADAS DQ0 MPLEMENTAD N DSP TMS0F8 Apresenada em 9/05/006 Perane a Banca Examinadora: Prof Dr Marcello Mezaroba UDESC Presidene Prof Dr José de liveira UDESC Prof Dr Luiz Carlos de Souza Marques UDESC Prof Dr Samir Ahmad Mussa UFSC

2 UNVERSDADE D ESTAD DE SANTA CATARNA UDESC CENTR DE CÊNCAS TECNLÓGCAS CCT DEPARTAMENT DE ENGENHARA ELÉTRCA - DEE PRGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃ EM ENGENHARA ELÉTRCA PPGEE DSSERTAÇÃ DE MESTRAD JULAN SAD SCHLTZ Engenheiro Elericisa rienador: Prof Dr MARCELL MEZARBA CCT/UDESC JNVLLE PRJET DE UM RETFCADR TRFÁSC REGENERATV CM ELEVAD FATR DE PTÊNCA E CNTRLE EM CRDENADAS DQ0 MPLEMENTAD N DSP TMS0F8 DSSERTAÇÃ APRESENTADA PARA BTENÇÃ D TÍTUL DE MESTRE EM ENGENHARA ELÉTRCA DA UNVERSDADE D ESTAD DE SANTA CATARNA, CENTR DE CÊNCAS TECNLÓGCAS CCT, RENTADA PEL PRF DR MARCELL MEZARBA, E C-RENTADA PEL PRF DR ALCND PRAD JÚNR Joinville 006

3 UNVERSDADE D ESTAD DE SANTA CATARNA - UDESC CENTR DE CÊNCAS TECNLÓGCAS CCT CRDENAÇÃ DE PÓS-GRADUAÇÃ - CPG Projeo de um Reificador Trifásico Regeneraivo Com Elevado Faor de Poência e Conrole em Coordenadas dq0 mplemenado no DSP TMS0F8 por Juliano Sadi Scholz Essa disseração foi julgada adequada para a obenção do íulo de MESTRE EM ENGENHARA ELÉTRCA na área de concenração "Auomação ndusrial", e aprovada em sua forma final pelo CURS DE MESTRAD EM ENGENHARA ELÉTRCA D CENTR DE CÊNCAS TECNLÓGCAS DA UNVERSDADE D ESTAD DE SANTA CATARNA Prof Dr Marcello Mezaroba - UDESC presidene Banca Examinadora: Prof Dr José de liveira UDESC Prof Dr Luiz Carlos de Souza Marques UDESC Prof Dr Samir Ahmad Mussa UFSC

4 FCHA CATALGRÁFCA NME: Scholz, Juliano Sadi DATA DEFESA: 9/05/006 LCAL: Joinville, CCT/UDESC NÍVEL: Mesrado Número de ordem: CCT/UDESC FRMAÇÃ: Engenharia Elérica ÁREA DE CNCENTRAÇÃ: Auomação ndusrial TÍTUL: Projeo de um Reificador Trifásico Regeneraivo Com Elevado Faor de Poência e Conrole em Coordenadas dq0 mplemenado no DSP TMS0F8 PALAVRAS - CHAVE: Conversor, Reificador, Regeneração de Energia, Conrole, DSP, dq0, Acionamenos Eléricos NÚMER DE PÁGNAS: xv, 70 p CENTR/UNVERSDADE: Cenro de Ciências Tecnológicas da UDESC PRGRAMA: Pós-graduação em Engenharia Elérica - PPGEE RENTADR: Prof Dr Marcello Mezaroba C-RENTADR: Prof Dr Alcindo Prado Júnior PRESDENTE DA BANCA: Prof Dr Marcello Mezaroba MEMBRS DA BANCA: Prof Dr José de liveira, Prof Dr Luiz Carlos de Souza Marques, Prof Dr Samir Ahmad Mussa

5 DEDCATÓRA Dedico ese rabalho a minha família, pelo amor, carinho e apoio sempre presene i

6 AGRADECMENTS À Deus, Pai, Filho e Espírio Sano - por meio do qual, e para quem odas as coisas são realizadas - pela vida, oporunidades e alegrias que me foram concedidas A minha família, por compreender a imporância, por renovar as energias, e por guiar os esforços para conclusão dese rabalho À Universidade do Esado de Sana Caarina UDESC e ao Programa de Pósgraduação em Engenharia Elérica - PPGEE pela realização do presene rabalho Ao Cenro de Ciências Tecnológicas e ao Deparameno de Engenharia Elérica pela infra-esruura oferecida À empresa SCHULZ SA pelos horários cedidos e pelo incenivo ao aperfeiçoameno profissional À Texas nsrumens TM pela doação dos kis de desenvolvimeno ezdsp F8 À Semikron TM pela doação dos GBT s GAL para o módulo de poência B6U B6 EF Ao amigo Prof Dr Marcello Mezaroba, que como orienador soube cobrar, mas ambém não mediu esforços em oferecer odas as condições necessárias à realização dese rabalho Ao amigo Prof Dr Alcindo Prado Júnior pelo auxílio na análise e projeo do sisema de comando e conrole Ao amigo Prof Dr Samir Ahmad Mussa pelo auxílio na implemenação do PLL e programação do DSP Ao amigo Prof Msc Alessandro Luiz Baschauer pelo auxílio nos eses de regeneração de energia Ao amigo Eng Msc Fabiano Luz Cardoso pelo auxílio múuo no comparilhameno de informações e solução de problemas A odos os professores do Curso de Mesrado em Engenharia Elérica que, de uma forma direa ou indirea, conribuíram para a realização dese rabalho Aos amigos, pelo apoio écnico e moral recebido durane o desenvolvimeno desse rabalho ii

7 RESUM / ABSTRACT RESUM: Ese rabalho apresena o projeo de um reificador rifásico regeneraivo com elevado faor de poência e conrole em coordenadas dq0 implemenado no DSP TMS0F8 da Texas nsrumens TM No conrole foram uilizadas as ransformações de Clark e Park e a equação bilinear de Tusin, de sore que o projeo dos conroladores digiais, realizado no domínio da freqüência, ornou-se significaivamene simples As equações de conrole consideraram ambém odos os ganhos reais oriundos da implemenação Desa forma, os sisemas obiveram boa represenação física DSP de úlima geração uilizado permie que a programação seja realizada em linguagem de alo nível, o que pode propiciar que as roinas sejam enendidas, reuilizadas e ou melhoradas sem grandes esforços Aé cero pono iso faciliará o comparilhameno das informações para projeos fuuros As principais vanagens associadas são: conrole robuso, excelene regulação da ensão do barrameno CC, regeneração de energia, baixa disorção harmônica nas correnes de enrada e elevado faor de poência ABSTRACT: This work presens he design of a regeneraive hree-phase swiching recifier wih high power facor and conrol in dq0 coordinaes implemened on DSP TMS0F8 of Texas nsrumens TM The conrols have used he Clark and Park ransformaions and he bilinear equaion of Tusin, so ha he design of he digials conrollers, carried hrough on he frequency domain, became i significanly simple The DSP of las generaion used allow he programming in a high level language can propiiae ha he rouines be undersood, reused and or improved wihou grea effors n general way, his will faciliae he sharing of he informaion for fuure designs The main advanages associaes are: robus conrol, excellen regulaion of he DC volage, energy regeneraion, low harmonic disorion in he inpu currens and high power facor iii

8 SUMÁR DEDCATÓRA i AGRADECMENTS ii RESUM / ABSTRACT iii SUMÁR iv LSTA DE FGURAS vii LSTA DE TABELAS x LSTA DE SÍMBLS xi nrodução nrodução Geral Breve Hisórico dos Conversores Reificadores Rerospeciva Busca por Melhorias Sínese Funcional 4 Análise e Projeo do Circuio de Poência 6 Apresenação 6 Comporameno 7 Considerações 7 Definição e Esboço das Regiões de peração 8 Equacionameno Preliminar e Modelagem Simplificada 4 Equacionameno Para as Razões de Modulação 5 5 Equacionameno Para o Dimensionameno Dos Componenes 7 5 nduores de Enrada 7 5 Capacior de Saída 5 Chaves de Poência GBT s 6 54 Diodos de Poência 0 6 Requisios de Projeo e Especificação Dos Componenes de Poência 4 6 Especificação Dos nduores de Enrada 4 6 Especificação do Capacior do Filro de Saída 5 6 Especificação Das Chaves GBT s 6 64 Especificação Dos Diodos 8 7 Conclusão 9 Análise do Sisema de Comando e Conrole 40 Apresenação 40 Análise Maemáica do Modelo 4 Transformação de Coordenadas abc Para dq0 4 4 Equações Para o Conrole de Correne do Conversor 44 5 Esboço dos Conroladores de Correne 47 6 Poências Aiva e Reaiva, e Alinhameno do Veor Tensão 48 6 Equações das Poências Aiva e Reaiva 48 6 Alinhameno do Veor Tensão Nas Coordenadas dq Diagrama de Conrole de Correne 49 8 Equações Para o Conrole da Tensão no Barrameno CC 5 9 Esboço do Conrolador de Tensão 5 0 Diagramas de Conrole de Tensão e Correne: Represenação Global 5 Esboço do Diagrama de Conrole no DSP 56 PWM Veorial 58 iv

9 Modulação Por Espaço Veorial Para um VSR 58 PWM Regular Trifásico Simérico 6 Conclusão 65 Projeo do Sisema de Comando e Conrole 66 Função Transferência do Sensor de Correne 66 Filros Ani-Aliasing e Passa-Baixas 68 Filro Ani-Aliasing 69 Filro Passa-Baixas 7 Função Transferência do Conversor A/D 7 4 Função de Transferência do Sensor de Tensão do Barrameno 74 5 Meodologia de Projeo Para os Conroladores Digiais 76 5 Mapeameno dos Planos S, Z e W 77 5 Disorções riundas do Mapeameno Enre os Planos S e W 78 6 Procedimeno de Projeo Dos Conroladores Digiais 79 7 Projeo dos Conroladores de Correne 80 8 Projeo do Conrolador de Tensão no Barrameno CC 87 9 Equações a Diferenças Dos Conroladores de Correne e de Tensão 94 0 Conclusão 97 4 Simulação do Conversor Proposo 98 4 nrodução 98 4 Diagramas de Blocos Para as Simulações 98 4 Plana de Poência 99 4 Sensores e Medições 00 4 Plana de Conrole 0 44 Resulados da Simulação 0 4 Conclusão 6 5 Esudo do DSP 8 5 nrodução 8 5 Processameno Digial Versus Processameno Analógico 8 5 Descrição 8 5 TMS0F8 9 5 Resumo 9 5 Diagrama de Blocos Esquemáico do TMS0F8 0 5 nformações Sobre os Sinais 54 CPU C8x 55 Barrameno de Memória Arquieura Harvard 56 Barrameno Para Disposiivos Periféricos 57 JTAG de Tempo Real e Análise 58 nerface Exerna XNTF 59 Memória Flash Somene Para a Linha F8x 50 Memórias SARAM M0 e M 4 5 Memórias SARAM L0, L e H0 4 5 Boo pela RM 4 5 Segurança 5 54 Bloco de Expansão de nerrupções Periféricas PE 6 55 nerrupções Exernas XNT, XNT, XNT e XNM 6 56 scilador Exerno e PLL Phase-Locked Loop 6 57 Wachdog Cão de Guarda 7 58 Clock dos Disposiivos Periféricos 7 v

10 59 Modos de Trabalho de Baixo Consumo de Energia 7 50 Quadros 0, e de Periféricos PFn 8 5 Muliplexador de Enradas e Saídas de Propósios Gerais GP 8 5 Temporizadores de Bis da CPU 9 5 Conrole de Periféricos 9 54 Pora de Comunicação Serial Para Periféricos 9 54 Placa de Desenvolvimeno ezdsp F Conclusão 6 mplemenação 6 nrodução 6 Fone de Alimenação Para Periféricos 6 Placa de Condicionameno de Sinais 4 64 Placa de Comando nerface 7 65 Placa de Conrole Sofware de Conrole mplemenado 4 67 Proóipo Final Resulados Experimenais Conclusão 58 7 Conclusões Gerais 59 7 Conribuições Alcançadas 60 7 Proposa de Melhorias Fuuras 60 REFERÊNCAS BBLGRÁFCAS 6 APÊNDCE A - ESBÇ D PRJET DS NDUTRES DE ENTRADA 65 APÊNDCE B - FLUXGRAMA D SFTWARE DE CNTRLE 67 ÍNDCE REMSSV 68 vi

11 LSTA DE FGURAS Figura - Circuio de Poência do Conversor 6 Figura - Correnes na Enrada do Conversor e Regiões de peração 8 Figura - Sinais de Correne, Comparação e Saída Dos Comparadores Região Segundo Momeno: posiiva 9 Figura -4 Senido Das Correnes Nas Fases no Momeno da Análise 9 Figura -5 Circuios Equivalenes Para as Eapas da Região 0 Figura -6 Pulsos de Comando Para ω90º Figura -7 Circuios Equivalenes Para as Eapas da Região Com ω90º Figura -8 Circuio Simplificado Equivalene do Conversor Pono nicial da Terceira Região de peração 4 Figura -9 nduância de Enrada Normalizada em Função de α 0 Figura -0 Capaciância de Saída p/ ala freqüência Normalizada em Função de α 4 Figura - Circuio de Poência do Conversor Com Conexão ao Neuro 6 Figura - Circuio de Poência Simplificado Com Conexão ao Neuro 6 Figura - Correne Eficaz Normalizada Nas Chaves em Função de α 9 Figura -4 Correne Média Normalizada Nas Chaves em Função de α 0 Figura -5 Correne eficaz normalizada nos diodos em função de α Figura -6 Correne Média em Qualquer um Dos Diodos em Função de α Figura - Modelo do Conversor Reificador Trifásico Com Modulação PWM 40 Figura - Esboço da Transformação de Coordenadas de abc Para dq0 4 Figura - Esboço do Acoplameno do Sisema 45 Figura -4 Esboço do Desacoplameno mposo Pelo Sisema de Conrole 46 Figura -5 Malhas de Correne Simplificadas Uilizando Conroladores P 47 Figura -6 Alinhameno do Veor Tensão Com o Eixo d 49 Figura -7 Diagrama de Conrole das Correnes no Domínio S 50 Figura -8 Dealhe do Barrameno CC do Conversor 5 Figura -9 Malhas de Conrole da Tensão no Barrameno CC 5 Figura -0 Malhas de Conrole de Correne Em Coordenadas dq0 : Represenação Global 54 Figura - Malha de Conrole da Tensão no Barrameno CC 55 Figura - Diagrama Esquemáico 56 Figura - lusração do Diagrama no DSP 57 Figura -4 lusração Das Possíveis Configurações de um VSR 59 Figura -5 lusração Dos Veores Correspondenes às Configurações 60 Figura -6 Seqüência Conveniene Para Redução de Número de Chaveamenos 6 Figura -7 Pulsos de Comando Para o PWM Regular Trifásico Simérico Seor 64 Figura - Diagrama Esquemáico do Sensor de Efeio Hall LA 55-P/SP 67 Figura - lusração do Fenômeno Aliasing 69 Figura - Diagrama Elérico do Filro Ani-Aliasing 70 Figura -4 Diagrama Elérico do Filro Buerworh de 4ª rdem fc50hz 7 Figura -5 lusração da Medição de Tensão de Uma Das Fases 7 Figura -6 Leiura de um Sinal Qualquer Por um Conversor A/D 7 Figura -7 Diagrama Esquemáico do Sensor Transduor de Tensão LV 0-P 74 Figura -8 Diagrama de Blocos Represenaivo: Planas no Domínio S e Z 77 Figura -9 Diagrama de Blocos Represenaivo: Planas no Domínio S, Z e W 78 Figura -0 Relação Enre as Freqüências v e Para Ta/0kHz 79 vii

12 Figura - Malhas de Conrole de Correne em Coordenadas dq0 8 Figura - Diagrama de Bode da FTMA de Correne em Coordenadas dq0 84 Figura - Diagrama de Bode da FTMA de Correne: Comparação Enre os Planos S e W 85 Figura -4 Diagrama de bode do Conrolador P: K P e K Pré-Ajusados 86 Figura -5 Diagrama de bode do Conrolador FTMA de Correne 87 Figura -6 Malha de Conrole da Tensão no Barrameno CC 88 Figura -7 Diagrama de Bode da FTMA de Tensão no Barrameno CC 9 Figura -8 Diagrama de Bode da FTMA de Tensão: Comparação Enre os Planos S e W 9 Figura -9 Diagrama de bode do Conrolador P: K P e K Pré-Ajusados 9 Figura -0 Diagrama de bode do Conrolador FTMA de Tensão 94 Figura - Esboço da Auação do Conrolador P 94 Figura 4- Diagrama de Blocos Geral da Simulação 99 Figura 4- Plana de Poência 99 Figura 4- Plana de Conrole Medições / Sensores 00 Figura 4-4 Plana de Conrole Malhas de Conrole de Tensão e Correne, e Sinais de Comando Para os GBTs 0 Figura 4-5 Plana de Conrole Emulação de Referências Veoriais njeção de Seqüência Zero 0 Figura 4-6 Plana de Conrole Comparador Triangular 0 Figura 4-7 Tensão no Barrameno CC 0 Figura 4-8 Tensão no Barrameno CC Maior Perspeciva 0 Figura 4-9 Tensão no Barrameno CC lusração da ndulação de 0Hz 04 Figura 4-0 Tensão e Correne em Uma Das Linhas de Enrada do Conversor 05 Figura 4- Tensão e Correne em Uma Das Linhas de Enrada do Conversor Dealhe da Reversão de Correne 05 Figura 4- Tensão e Correne em Uma Das Linhas de Enrada do Conversor Dealhe do Reorno Em Carga 06 Figura 4- Tensão e Correne em Uma Das Linhas de Enrada do Conversor Dealhe em Maior Perspeciva 07 Figura 4-4 Correne em Uma Das Linhas de Enrada do Conversor Dealhe do Ripple de Chaveameno: -0% 07 Figura 4-5 Correnes d, q e 0 Medidas 08 Figura 4-6 Tensões Vd, Vq e V0 Medidas 09 Figura 4-7 Correne na Enrada do Barrameno CC 09 Figura 4-8 Correne na Enrada do Barrameno CC Maior Perspeciva 0 Figura 4-9 Correne no Capacior de Saída Co 0 Figura 4-0 Correne no Capacior de Saída Co Maior Perspeciva Figura 4- Correne na Carga Ro Figura 4- Tensão e Correne em Um dos GBTs Figura 4- Tensão e Correne no Conjuno RL de Uma Das Fases Figura 4-4 Referência, Sinal Medido, Erro e Auação do Conrole de Tensão no Barrameno CC 4 Figura 4-5 Referência, Sinal Medido, Erro e Auação do Conrole de Correne de Eixo Direo d 4 Figura 4-6 Referência, Sinal Medido, Erro e Auação do Conrole de Correne de Eixo em Quadraura q 5 viii

13 Figura 4-7 Referências Pseudo-Veoriais Senoides Com njeção de Seqüência Zero 5 Figura 5- Diagrama de Blocos Esquemáico do TMS0F8 0 Figura 6- Circuio da Fone de Alimenação Para Periféricos: -5V / -A Figura 6- Placa de Circuio mpresso da Fone de Alimenação Para Periféricos: - 5V / -A Figura 6- Fone de Alimenação Para Periféricos: -5V / -A 4 Figura 6-4 Circuio da Placa de Condicionameno de Sinais 5 Figura 6-5 Lado Superior da PC da Placa de Condicionameno de Sinais 6 Figura 6-6 Lado nferior da PC da Placa de Condicionameno de Sinais 6 Figura 6-7 Placa de Condicionameno de Sinais 7 Figura 6-8 Circuio da Placa de Comando 8 Figura 6-9 Lado Superior da PC da Placa de Comando 8 Figura 6-0 Lado nferior da PC da Placa de Comando 9 Figura 6- Placa de Comando 40 Figura 6- Placa de Conrole: DSP TMS0F8 ki ezdsp F8 4 Figura 6- Diagrama Esquemáico lusraivo: Blocos de Sofware Programados nernamene ao DSP 4 Figura 6-4 Proóipo Final do Conversor Visa Superior 45 Figura 6-5 Diagrama Esquemáico lusraivo do Módulo de Poência 46 Figura 6-6 Proóipo Final do Conversor Visa Angular 46 Figura 6-7 Sinais de Comando do PWM Para as Chaves e 47 Figura 6-8 Sinais de Comando do PWM Para as Chaves e Respecivamene Após Passagem Por Filro Passa Baixas 47 Figura 6-9 Tensão 50V/div e Correne 5A/div na Fase, e Tensão 50V/div no Barrameno CC Conversor em Poência Nominal 48 Figura 6-0 Tensão 50V/div e Correne 5A/div No Conversor Quando o Conrole Não Aua 49 Figura 6- Harmônicos de Tensão em Uma Das Fases de Enrada 5 Figura 6- Harmônicos de Correne em Uma Das Fases de Enrada 5 Figura 6- Tensões Nas Fases, e na Enrada do Conversor 5 Figura 6-4 Correnes Nas Fases, e na Enrada do Conversor 5 Figura 6-5 Correne e Tensão em Uma das Fases de Enrada Degrau de Carga de 00% para 50% 54 Figura 6-6 Correne e Tensão em Uma das Fases de Enrada Degrau de Carga de 50% para 00% 54 Figura 6-7 Correne em Uma Das Fases e Tensão no Barrameno CC Degrau de Carga de 50% para 00% 55 Figura 6-8 Correne em Uma Das Fases e Tensão no Barrameno CC Degrau de Carga de 00% para 50% 56 Figura 6-9 Correne em Uma Das Fases e Tensão no Barrameno CC Enrada na Reversão do Fluxo de Energia 57 Figura 6-0 Correne em Uma Das Fases e Tensão no Barrameno CC Saída da Reversão do Fluxo de Energia 57 Figura 6- Tensão e Correne em Uma Das Fases de Enrada do Conversor Dealhe em Maior Perspeciva da Saída da Reversão do Fluxo de Energia 58 ix

14 LSTA DE TABELAS Tabela Seqüência de Chaveameno Para Região 0 Tabela Seqüência de Chaveameno Para a Região Com ω90º Tabela - Requisios de Projeo 4 Tabela Erro Esacionário em Sisemas de Conrole Com Reroação Uniária 50 Tabela Possíveis Esados do Conversor 6 Tabela Principais Caracerísicas do Sensor LA 55-P/SP 67 Tabela Principais Caracerísicas do Sensor LV 0-P 74 Tabela 4 Comparação Enre os Valores Calculados e Medidos Via Simulação 6 Tabela 5 Resumo TMS0F8 9 Tabela 5 Divisão da Prioridade de Acesso Tabela 5 Seleção do Modo de Boo 5 Tabela 54 Seções de Mapeameno dos Periféricos 8 Tabela 55 Principais Caracerísicas do ki ezdsp F8 0 Tabela 6 Resumo da Análise Com o Sofware WaveSar 49 Tabela 6 Análise Harmônica Com o Sofware WaveSar 50 Tabela 6 Medições Realizadas Com Waímero Digial 5 x

15 LSTA DE SÍMBLS Símbolo α η Símbolos adoados no equacionameno Descrição Relação enre a ensão de pico de enrada e a ensão de saída Rendimeno do conversor µ 0 Permeabilidade magnéica do vácuo ω ω S Ae Aw B C a C C d D n d Qn D Qn E d E q EV f fn f f a f c f CK f s G DA S, FT_DAS G dq S, FTMA_Gi_dqS G dq W, FTMA_Gi_dqW G dq Z, FTMA_Gi_dqZ G v S, FTMA_GvS G v W, FTMA_GvW G v Z, FTMA_GvZ GS GZ G FAA G P Freqüência angular das fones de enrada Freqüência de amosragem em rad/s Área efeiva do núcleo do induor Área de janela no núcleo do induor Fluxo magnéico Capaciância do filro ani-aliasing Capaciância de saída Capaciância de saída normalizada Razão cíclica de chaveameno valor insanâneo Diodo n da pone reificadora Razão cíclica para o GBT em um ciclo de chaveameno Razão cíclica de chaveameno para o GBT n ao longo do empo Erro de correne de eixo d Erro de correne de eixo q Erro de ensão no barrameno CC Freqüência da rede Função discrea no empo Função conínua no empo Freqüência de amosragem Freqüência de core Freqüência de clock do DSP Freqüência de chaveameno Função de ransferência auxiliar para análise do conversor D/A no plano S Função de ransferência auxiliar para análise das malhas de correne de eixo direo e em quadraura no plano S Função de ransferência para análise das Malhas de correne de eixo direo e em quadraura no plano W Função de ransferência auxiliar para análise das malhas de correne de eixo direo e em quadraura no plano Z Função de ransferência auxiliar para análise da malha de ensao no barrameno CC no plano S Função de ransferência para análise da malha de ensao no barrameno CC no plano W Função de ransferência auxiliar para análise da malha de ensao no barrameno CC no plano Z Função de ransferência qualquer no plano S Função de ransferência qualquer no plano Z Função ransferência do filro ani-aliasing Função ransferência do conrolador P genérico _ Correne de pico no capacior de saída Co pico xi

16 _ Correne eficaz no capacior de saída Co ef Co ef _ TS _ Correne eficaz no capacior de saída para um período de chaveameno Co_ ef Correne eficaz no capacior de saída normalizada _ Correne eficaz nos diodos D ef Correne eficaz normalizada nos diodos D _ ef _ Correne média nos diodos D D med _ Correne de pico nos diodos L pico _ Correne eficaz nos induores L ef _ Correne de pico nos induores Q pico _ Correne média nas chaves Q med _ Correne eficaz nas chaves Qn ef _ Correne eficaz na chave Qn Q ef _ Correne de pico nas chaves Q pico _ Correne eficaz normalizada nas chaves 0 Co i CR d ef d *, dref d0 Dn i Dn dq * i Ln i n k i n i P q q *, qref i Qn Ro i i J K AD K ADc K AD K conv K K P K P Correne de seqüência zero Correne no capacior de saída valor insanâneo Correne de barrameno insanânea Correne de eixo direo Correne de referência para o conrolador de correne de eixo d Pono de operação para a correne d Correne no diodo n Correne no diodo n ao longo do empo Correnes de referências inermediárias de eixos d e q Correne no induor n ao longo do empo Sinal de correne da fase n amosrado Correne na fase n ao longo do empo Correne de saída valor insanâneo Correne de saída ao longo do empo Correne de fase de pico Correne de eixo em quadraura Correne de referência para o conrolador de correne de eixo q Correne na chave Q n ao longo do empo Correne na carga valor insanâneo Correne de eixo esacionário Correne de eixo esacionário Densidade de correne Ganho do conversor A/D Ganho do conversor A/D para a malha de correne Ganho do conversor A/D para a malha de ensão Ganho do conversor reificador Parcela inegral do conrolador P genérico Parcela proporcional do conrolador P genérico Consane genérica do conrolador P xii

17 K SC Ganho do sensor de correne K ST Ganho do sensor de ensão do barrameno CC K V Ganho do sensor de ensão de fase filro passa-baixas k w Faor de preenchimeno da janela do núcleo do induor L nduor em série com as fones de enrada L n nduor em série com a fone da fase n L nduância normalizada P Poência aiva P n Pólo n do filro Buerworh P Poência de saída Q Poência reaiva Q n Chave GBT n da pone reificadora R Resisência de polarização do sensor de ensão R a Resisência do filro ani-aliasing R b Resisência do filro ani-aliasing R M Resisor de saída do sensor de ensão R n Resisência R n do nduor n na enrada do conversor R Resisência de saída carga S AN Sinal analógico S DG Sinal de ensão digializado pelo conversor A/D S H Sinal de ensão analógica de enrada máxima para o conversor A/D S L Sinal de ensão analógica de enrada mínima para o conversor A/D Tempo T a Período de amosragem T S Período de chaveameno f Transformada de Laplace da função f u* Tensão de referência para o PWM u idq k Ação de conrole discrea para as correnes de eixo direo e em quadraura u v k Ação de conrole discrea para a ensão no barrameno CC u A, u B, u C Tensões insanâneas nos braços A, B e C do conversor, respecivamene U d Tensão de eixo d no conversor relaiva às ensões nos braços U d Tensão de conrole de eixo d anes do descoplameno U dq * Tensões de referências de eixos d e q para o PWM U dq * Tensões de referências inermediárias de eixos d e q U q Tensão de eixo q no conversor relaiva às ensões nos braços U q Tensão de conrole de eixo q anes do descoplameno V 0 V d V dp V N v Ln v n k v n V V *, V ref -V in, V in V osc V P Tensão de seqüência zero Tensão de eixo direo Pono de operação relacionado à ensão de pico de enrada Tensão de enrada Tensão no induor da fase n ao longo do empo Sinal de ensão da fase n amosrado Tensão na fase n ao longo do empo Tensão de saída barrameno CC Tensão de referência para a ensão no barrameno CC Tensão difererencial para o filro ani-aliasing Tensão de saída do sensor de correne Pono de operação para o conrole de ensão no barrameno CC xiii

18 V P V q V Q Tensão de fase de pico nas fones de enrada Tensão de eixo em quadraura Tensão sobre as chaves V RM x n k y n k Tensão sobre o resisor R M Enrada do conrolador, valor discreo em k Saída do conrolador, valor discreo em k Z f n Transformada Z da função fn Z W Zero do conrolador P L Q Co V Variação de correne no induor - ripple Variação de carga no capacior de saída Variação de empo Variação da ensão de saída Sub índices adoados no equacionameno Sub índice Descrição % Percenual relaivo ao valor nominal ef Relaivo ao valor eficaz i Relaivo à correne max Relaivo ao valor máximo med Relaivo ao valor médio pico Relaivo ao valor de pico SAT Relaivo ao valor de sauração T s Relaivo ao período de chaveameno v Relaivo à ensão Sub índice C C D Dz L P Q R V Símbolos de componenes adoados Descrição Capacior Circuio inegrado Diodo Diodo Zener nduor Poenciômero Chave GBT Resisor Fone de ensão Sub índice A/D AC Anacronismos Descrição Analógico-Digial Valor alernado xiv

19 BS CC CMS CPU D/A DSP EVA EVB FTMA / GBT McBSP MSPS TP PLL PWM RAM RM SARAM SP SC UART UPS Basic mpu/upu Sysem Valor conínuo Complemenary Meal xide Semiconducor Cenral Process Uni Digial-analógico Digial Signal Process Even Manager A Even Manager B Função de ransferência de malha abera mpu oupu solaed Gae Bipolar Transisor Muli-channel Buffered Serial Por 0 6 amosras por segundo ne Time Programmable Phase Locked Loop Pulse Widh Modulaion Random Acces Memory Ready nly Memory Single Access RAM Serial Peripherical nerface Serial Conroller nerface Universal Asynchronous Receiver Transmier Uninerrupable Power Supply xv

20 nrodução nrodução Geral As inovações ecnológicas surgem, muias vezes, em função de necessidades práicas Acredia-se esa ser uma das razões pela qual a elerônica de poência ornou-se, nas úlimas décadas, uma das áreas mais aivas da engenharia elérica e elerônica, enconrando-se aualmene nas mais variadas aividades do campo ecnológico e cienífico, seja na conversão pura e simples de energia elérica, ou no comando e conrole de sisemas elerônicos [] A miniaurização de componenes e a expansão de memórias em microprocessadores, ambém faciliaram a proliferação das ecnologias desa ciência, por ornar os sisemas elerônicos indusriais mais simples, eficienes, baraos e mais acessíveis Enre os avanços na área de elerônica de poência pode-se ciar o desenvolvimeno de opologias de conversores esáicos baseados em chaves de alo desempenho como GBT s insulaed gae bipolar ransisor, ST s saic inducion ransisor, STH s saic inducion hyrisor e MCT s MS conrolled hyrisor Desas, os GBT s êm dominado o mercado de aplicações em média poência [] e [] Denre as caracerísicas desejadas de um ransisor robuso os GBT s possuem pora de enrada MS meal oxide semiconducor, ala velocidade de chaveameno, baixa queda de ensão direa e ala capacidade de correne bservando-se o cenário energéico nacional aual fica ineviável a engenharia de equipamenos econômicos, de ala eficiência, que possuam elevado faor de poência, baixa disorção harmônica, e que possibiliem a recuperação ou regeneração de energia Preende-se nese rabalho propor e apresenar o projeo de um reificador rifásico regeneraivo com elevado faor de poência e conrole em coordenadas dq0 implemenado no DSP TMS0F8 da Texas nsrumens i, que possa ser uilizado como pré-regulador de ensão, e que ambém possa funcionar como inversor de ensão, e por conseqüência de correne, nos momenos de regeneração de energia, saisfazendo ainda as necessidades que a engenharia conemporânea deermina

21 Breve Hisórico dos Conversores Reificadores Rerospeciva A elerônica de poência eve seu inicio na indúsria elerônica e vem avançando gradaivamene em ecnologia há aproximadamene 00 anos Alguns momenos marcaram sua hisória [0] No início do século XX ocorreu a invenção do diodo semiconduor ipo crisal Peer Cooper Hewi invenou o reificador a arco de mercúrio, o qual possibiliou o surgimeno dos conroladores de redes de elericidade baseados nesa ecnologia Nessa linha, foram realizadas diversas pesquisas na Europa e na América durane as décadas de 90 e 90 As décadas de 90 e 40 marcaram o impulso inicial da elerônica de poência, por assim dizer, com a exensiva uilização de válvulas, principalmene nos reificadores a arco de mercúrio Sua uilização abrangia desde fones de alimenação para moores eléricos na indúsria, linhas de rens e bondes, locomoivas diesel-eléricas, a esações de inversores esáicos de linhas de ransmissão nessa época foi desenvolvida a primeira linha de ransmissão HVDC high volage direc curren de 50kV No final da década de 0, William Schockley observou pela primeira vez o funcionameno de um semiconduor e imaginou que o recém descobero princípio poderia ser uilizado no conrole da energia elérica A invenção do ransisor só ocorreu quase dez anos depois A daa oficial é o dia de dezembro de 947, nos laboraórios Bell [4] Por vola de 950 ocorreu o desenvolvimeno do reificador de conao baseado na eoria de ranspore em semiconduores Pouco mais arde a General Elecric anunciou a invenção do irisor, que foi inicialmene chamado de SCR silicon conrolled recifier para ser diferenciado do diodo normal silicion recifier Esa invenção deu início a era da elerônica de poência baseada em semiconduores, a qual vem sendo esudada e evoluindo aé os dias de hoje No final da década de 50 foi elaborado o primeiro reificador diodo semiconduor, e na década de 960 ocorreu a primeira insalação com correne maior do que 00kA; Pouco anes da década de 70 ocorreu o desenvolvimeno do primeiro reificador a irisor, e a primeira unidade reificadora a diodos e irisores com correne maior do que 00kA foi elaborada em poucos anos Anes do adveno dos disposiivos de esado sólido, os reificadores a arco foram o meio mais eficiene de se converer correne alernada em conínua A parir da década de

22 970, o desenvolvimeno de disposiivos de esado sólido de ala ensão fez com que os reificadores a arco de mercúrio ficassem obsoleos para aplicações de correne conínua em ala ensão Na década de 980 houve a inrodução da ecnologia GT e GBT, e por vola de 5 anos mais arde ocorreu a primeira insalação de um reificador a irisor para fundição de alumínio Poseriormene, na década de 990 foi insalado o primeiro reificador a irisor para fornos a arco, e por vola de 995 foi uilizado o primeiro reificador Chopper no processo de elerolise ecnologia GCT Busca por Melhorias s primeiros conversores esáicos com semiconduores desenvolvidos foram projeados para funcionarem com diodos Eses conversores apresenavam baixo faor de poência e ala THD oal harmonic disorsion Desde o início, buscou-se a correção de faor de poência, inicialmene com écnicas passivas, uilizando filros induivos e capaciivos A poseriori, surgiram os conversores conrolados, que operavam com valores bem melhores de faor de poência s primeiros filros aivos para correção de faor de poência surgiram na década de 70 suprindo a necessidade de conversores de melhor rendimeno [] A evolução dos reificadores rifásicos bidirecionais se confunde com a dos filros aivos, pois são uma paricularidade deses e esão cada vez mais sendo uilizados em aplicações indusriais em subsiuição aos reificadores a diodos convencionais pois possibiliam rabalhar com faor de poência próximo a unidade, logo, com baixas disorções de ensão e correne [0] A necessidade de buscar novas soluções para o problema relaivo ao faor de poência levou ao desenvolvimeno dos conversores reificadores rifásicos com modulação PWM pulse widh modulaion, pois ese ipo de modulação permie conrolar a correne no conversor obendo-se praicamene qualquer forma de onda de correne Embora o chaveameno uilizando écnicas PWM enha obido popularidade em aplicações com reificadores inicialmene a parir de conroladores analógicos desde 98 e poseriormene digiais desde 998, exisem ouras écnicas de chaveameno abordadas na lieraura ais como Hiserese desde 984 e modulação veorial desde 997 [7] Com relação às esraégias de conrole, êm-se os conroles clássicos P, P, PD, adapaivos, dead bea, prediivo, modos deslizanes, lógica nebulosa ou fuzzy logic [8],

23 PT, coordenadas 0, coordenadas dq0, linearização, hiserese, pseudo-hybrido, e redes neurais adapaivas [9] Sínese Funcional s conversores reificadores rifásicos com modulação PWM esão cada vez mais sendo uilizados em aplicações indusriais em subsiuição aos reificadores a diodos convencionais [9] Além das imposições da engenharia conemporânea, essa subsiuição ambém é impulsionada por normas ais como a EEE 59-99, e a EC / EC , que objeivam limiar os harmônicos de correne de conversores elerônicos de poência [9] Nos reificadores comuns o fluxo de energia se faz da rede de energia para o reificador Enreano, em ceras siuações o fluxo de energia pode ser reverido, fazendo com que a energia circule do reificador para a rede Como exemplo de aplicação práica, pode-se ciar os acionamenos com conversores CA/CC/CA, nos quais, ou a energia é queimada sobre um resisor inserido no elo CC para dissipar a energia excedene, proegendo assim a queima do equipameno, ou a energia pode ser recuperada durane a frenagem e reversão da velocidade do moor Exisem diversas opologias de reificadores chaveados conrolados e para cada uma exise uma série de esraégias de conrole relacionadas Vanagens como a robusez na regulação da ensão do barrameno CC, correnes de enrada com baixas disorções harmônicas e senoidais, faor de poência próximo a unidade e fluxo de energia em dois senidos esão denre as principais caracerísicas consideradas na hora da escolha por uma ou por oura opologia e esraégia de conrole A opologia que uiliza uma esruura de poência semelhane à de um inversor PWM oferece uma série de caracerísicas posiivas como, por exemplo, a possibilidade de conrole da ensão no barrameno CC com resposas ransiórias rápidas, baixa disorção harmônica e regulação das correnes de enrada de forma a se ober faor de poência praicamene uniário Uma das mais populares esraégias de conrole uilizadas em conversores reificadores PWM é a esraégia de conrole por ensão orienada volage oriened conrol VC [4] No VC, em sua configuração convencional, medem-se as ensões de linha do conversor, ransformam-se esas em coordenadas giranes, e oriena-se, de forma 4

24 propícia, o veor resulane, de al sore que algumas simplificações possam ser realizadas Uma esraégia derivada do VC será uilizada nese rabalho 5

25 6

26 Análise e Projeo do Circuio de Poência Ese capíulo em por objeivo apresenar a análise e o projeo do circuio de poência do conversor proposo Para al serão apresenados alguns ópicos indicando de forma simplificada os conceios eóricos para o enendimeno do mesmo Serão ambém esboçados os procedimenos para obenção das principais equações e, sempre que cabível, após a apresenação desas, serão especificados os componenes Apresenação circuio de poência do conversor proposo pode ser observado na Figura - Nesa, v, v e v represenam a rede de alimenação em baixa ensão, L, L e L represenam o somaório enre as induâncias de linha e as de enrada do conversor, as quais deerminam as derivadas de correne, Q Q 6 represenam as chaves, D D 6 represenam os diodos, C represena a capaciância de saída, que em a função de filrar o ripple da ensão de saída, e R represena a impedância da carga, que deve drenar a poência nominal do conversor Q D Q D Q5 D5 v L v L C R v L Q D Q4 D4 Q6 D6 - Figura - Circuio de Poência do Conversor Aravés de écnicas de conrole apropriadas pode-se comandar as chaves do circuio de forma a se ober as caracerísicas desejadas para as ondas de correne de enrada Assim, pode-se aplicar e implemenar equações de conrole de modo que o conversor drene poência reaiva nula da rede, e manenha seu faor de poência uniário 6

27 Comporameno comporameno do circuio de poência é basane conhecido no meio cienífico bserva-se em [6], por exemplo, um esudo bem dealhado e uma análise aprimorada das eapas de funcionameno do conversor Com base em regiões de operações e na observação dos ponos críicos, aravés de algumas simplificações, pode-se equacionar e mensurar os esforços em cada componene do circuio, de sore que eses possam ser especificados e ou projeados de forma propicia Considerações Serão apresenadas a seguir algumas considerações e simplificações para faciliar o esboço das eapas de operação e, por conseqüência, propiciar as especificações e projeos dos componenes do conversor proposo: As fones de ensão na enrada do conversor represenam o sisema de alimenação rifásico convencional com ondas senoidais defasadas de 0 enre si; Parindo-se do princípio de que o sisema deve operar com elevado faor de poência, praicamene uniário, as correnes que circulam pelos induores devem ser senoidais e esar em fase com as respecivas ensões da rede de alimenação; Conforme com o que será exposo, poderá ser observado que sempre rês semiconduores, quer sejam as chaves ou os diodos, conduzem simulaneamene, um em cada braço, de forma que as correnes nos inerrupores ou chaves não sejam inerrompidas; Para um período de chaveameno dos inerrupores do conversor será considerado que as ensões e correnes na enrada de alimenação possuem comporameno consane; A ensão de saída ambém será considerada consane no barrameno CC; São excluídas da análise o comporameno do circuio durane os regimes ransiórios 7

28 Definição e Esboço das Regiões de peração Algumas regiões de operação disinas podem ser observadas analisando o funcionameno do conversor, em especial as correnes circulanes nos induores L, L e L ao longo de um período da rede, como ilusra a Figura - Por conveniência, deermina-se que cada região de operação inicia seu inervalo quando as ampliudes de duas correnes se igualam em módulo, encerrando-se na próxima equalização i i i Figura - Correnes na Enrada do Conversor e Regiões de peração Como pode ser observado, em cada uma das regiões de operação, sempre uma correne é maior do que as demais, oura é menor do que as demais, e oura possui valor inermediário Seus valores insanâneos modificam-se ao longo dos inervalos, mas suas posições relaivas não Parindo-se da idéia de um PWM riangular rifásico senoidal, conforme indica a Figura -, pode-se afirmar que denro de uma mesma região de operação exise uma única seqüência de evenos, independene da região analisada, e que ocorrem sempre seis ransições nos sinais gerados a parir da comparação do sinal da poradora com os sinais de conrole Cada espaço de empo enre as referidas ransições dia uma eapa diferene do conversor 8

29 i* i* stri i* v v4 v56 Eapa Eapa Eapa Eapa 4 Eapa 5 Eapa 6 Figura - Sinais de Correne, Comparação e Saída Dos Comparadores Região Segundo Momeno: posiiva Para se descobrir quais chaves esarão habiliadas e quais chaves esarão efeivamene conduzindo pode-se fazer uma análise considerando-se as correnes insanâneas em cada braço do conversor Por exemplo, num deerminado insane ou eapa, pode-se avaliar as correnes nos induores e aribuir seus respecivos senidos conforme ilusra a Figura -4 v L v L v L Figura -4 Senido Das Correnes Nas Fases no Momeno da Análise Respeiando-se os senidos adoados, pode-se descobrir quais chaves esão habiliadas e quais esão conduzindo Por exemplo, para que a correne media sobre o induor L enha senido posiivo, da fone para o conversor por convenção, a chave Q deve conduzir mais empo do que Q Seguindo o raciocínio proposo, agruparam-se as informações que descrevem o comporameno do conversor para a erceira região de operação, conforme ilusra a Tabela e a Figura -5 apenas os períodos em que as correne inermediária i é posiiva Embora não seja mosrado nese rabalho, podem-se repeir os mesmos procedimenos aqui comenados para a obenção das informações das demais regiões de operação 9

30 Tabela Seqüência de Chaveameno Para Região Correne i Posiiva Eapa Chave Habiliada Chave Conduzindo Braço Braço Braço Braço Braço Braço Q Q 4 Q 6 D Q 4 D 6 Q Q 4 Q 6 Q Q 4 D 6 Q Q 4 Q 6 D Q 4 D 6 4 Q Q Q 6 D D D 6 5 Q Q Q 5 D D Q 5 6 Q Q Q 6 D D D 6 Q D Q D Q5 D5 Q D Q D Q5 D5 v L v L v L C R v L C R v L v L Q D Q4 D4 Q6 D6 - Q D Q4 D4 Q6 D6 - Eapa Eapa Q D Q D Q5 D5 Q D Q D Q5 D5 v L v L v L C R v L C R v L v L Q D Q4 D4 Q6 D6 - Q D Q4 D4 Q6 D6 - Eapa Eapa 4 Q D Q D Q5 D5 Q D Q D Q5 D5 v L v L v L C R v L C R v L v L Q D Q4 D4 Q6 D6 - Q D Q4 D4 Q6 D6 - Eapa 5 Eapa 6 Figura -5 Circuios Equivalenes Para as Eapas da Região 0

31 Equacionameno Preliminar e Modelagem Simplificada bservando-se a Figura - pode-se verificar que, mesmo apresenando um funcionameno disino, as regiões de operação são siméricas e passiveis de análise semelhane Dessa forma, com base em uma região, pode-se conseguir um modelo válido para odos os eságios de operação do conversor A alimenação do conversor, conforme já mencionado, pode ser definida como: v v v V P V V P P sen w sen w 0 sen w 0 onde, V P é o valor de pico e w é a freqüência angular em [rad/s] o o pono onde bservando-se a erceira região de operação, definida para o w 90, pode-se afirmar que: v v V max VP v v P o 90 w 50 o, no Nese pono de operação a correne i ainge o seu pono máximo posiivo, enquano i e i aingem ponos iguais negaivos Nesa paricularidade, a razão cíclica do pulso v, que conrola as chaves e, é uniária enquano a razão cíclica dos pulsos v 4 e v 56, que conrolam as chaves, 4, 5 e 6 respecivamene, são idênicas e possuem ransições simulâneas, conforme pode ser observado na Figura -6 stri i* i* i* v v4 v56 Eapa Eapa Eapa Figura -6 Pulsos de Comando Para ω90º

32 Como os pulsos de comando v 4 e v 56 apresenam ransições simulâneas e v não apresena ransições, consegue-se uma simplificação das eapas de operação Esa condição é ilusrada abaixo na Tabela e na Figura -7 Tabela Seqüência de Chaveameno Para a Região Com ω90º Eapa Chave Habiliada Chave Conduzindo Braço Braço Braço Braço Braço Braço Q Q 4 Q 6 D D 4 D 6 Q Q Q 5 D Q Q 5 Q Q 4 Q 6 D D 4 D 6 Q D Q D Q5 D5 Q D Q D Q5 D5 v L v L v L C V R v L C V R v L v L Q D Q4 D4 Q6 D6 - Q D Q4 D4 Q6 D6 - Eapa e Eapa Eapa Figura -7 Circuios Equivalenes Para as Eapas da Região Com ω90º bservando-se a Eapa da Figura -7 chega-se facilmene a seguine relação: v v v v L L V V v v L L v 0 v 0 Das equações ilusradas em, somando-se a primeira linha com a segunda chega-se: v vl V vl vl v v 0 4 Considerando-se os senidos das correnes na enrada do conversor, no insane analisado, em-se que: i i L i L L 5

33 Da equação 5, derivando-se e muliplicando-se pelo ermo L ambos os lados da igualdade, em-se: d di L d di L d di L L L L Como a ensão em um induor qualquer é a sua induância caracerísica muliplicada pela derivada de sua correne no empo, da equação 6 em-se que: v v v L L L Subsiuindo-se a equação 7 na equação 4 em-se que: 0 v v V v v L Levando-se em cona as considerações iniciais das ensões na enrada do conversor, e considerando-se que esas não esão desequilibradas ausência de seqüência zero, em-se que: 0 v v v v v v Subsiuindo-se a equação 9 na equação 8 em-se que: L L V v v V v v 0 Repeindo-se a mesma meodologia para os demais induores, chega-se: L L V v v V v v

34 Para a Eapa da Figura -7, semelhanemene à análise descria para a Eapa, chega-se aos seguines resulados: v v v L L L v v v Da opologia de inerrupores em braço uilizada, sabe-se que o comando é exclusivo, ou seja, se a chave superior esa conduzindo a chave inferior deve esar bloqueada e vice-versa bservando-se as figuras Figura -6 e Figura -7, percebe-se que, no período analisado, o conjuno formado pelo inerrupor Q e o diodo D esa permanenemene fechado Apenas os conjunos de chaves do segundo e do erceiro braço são comandados de forma a ficarem aberos ou fechados Desa maneira, o modelo do conversor pode ser simplificado como ilusra a Figura -8 v L D4 v L Q Co - v L Q5 R D6 Figura -8 Circuio Simplificado Equivalene do Conversor Pono nicial da Terceira Região de peração circuio simplificado equivalene apresenado em, denre ouras uilidades, a função de faciliar o enendimeno do comporameno do conversor e simplificar o seu equacionameno Assim, observando-se a Figura -8, absrai-se que seu funcionameno é semelhane a um duplo boos a energia que inicialmene é armazenada nos conjunos de induores L -L e L -L, é poseriormene ransferida para o capacior de saída C 4

35 5 4 Equacionameno Para as Razões de Modulação Sabe-se que a ensão de saída de um conversor do ipo boos é regida pela seguine expressão: V N D V onde, V é a ensão de saída, V N a ensão de enrada e D a razão cíclica Definindo-se D Q e D Q5 como sendo as razões cíclicas de condução das chaves Q e Q 5 respecivamene, a parir do circuio da Figura -8, pode-se escrever: v v v v v v v v v v L Q L L Q L onde v Q e v Q5 são as ensões, em função do empo, nas chaves Q e Q5 respecivamene Podem-se aproximar as ensões médias nas chaves Q e Q 5 como sendo: Q Q Q Q V D v V D v 5 5 De 4, considerando-se as equações 7 e 9, resolvendo-se o sisema chega-se a: Q Q L Q Q L V D V D v v V D V D v v Deseja-se que o conversor proposo opere com faor de poência uniário Desa forma, conforme comenado previamene, as correnes nos induores devem esar em fase com as respecivas ensões, ou seja: 0 0 o P o P P w sen i w sen i w sen i

36 onde, P é o valor de pico e w é a freqüência angular em [rad/s] Muliplicando-se as ensões pelas correnes e arranjando-se alguns ermos, chega-se facilmene a seguine expressão para a poência média de saída do conversor: P VP P η onde, P represena a poência de saída em [W], e o rendimeno do conversor 8 solando-se a correne de pico em-se: P P V η P 9 Novamene, considerando-se que a ensão sobre um induor qualquer é a sua induância caracerísica muliplicada pela derivada de sua correne no empo, e subsiuindo as equações e 9 em 6 em-se que: D D 0 o d P o VP sen w 0 L sen w 0 V Q Q d η VP 5 0 E, D D 0 o d P o VP sen w 0 L sen w 0 V Q Q5 d η VP De 0 e, derivando-se e realizando-se algumas operações maemáicas e considerando-se as razões cíclicas das chaves como sendo iguais para o insane analisado, chega-se à seguine expressão: 6

37 VP P η V VP P η V o o sen w 0 sen w 0 w L o o cos w 0 cos w 0 V D P o o sen w 0 sen w 0 w L o o cos w 0 cos w 0 V D P Q Q5 0 0 Desa forma, das equações descrias em, aravés de algumas idenidades rigonoméricas, obém-se: D D Q Q5 V V V V P P sen w 0 sen w 0 o o P w L cos w 0 η V P P w L cos w 0 η V P o o No recho analisado, em função da meodologia uilizada para a simplificação do circuio, a razão cíclica D Q da chave Q é uniária considerou-se a chave sempre fechada Quando w possui valor em orno de 90º, para fins de simplificações, pode-se desprezar as parcelas dos co-senos da equação, pois suas magniudes possuem pouca influencia sobre o resulado final Dessa forma em-se uma equação resumida aproximada para as razões cíclicas conforme segue: D D Q Q5 V V P V V P sen sen o w 0 o w Equacionameno Para o Dimensionameno Dos Componenes 5 nduores de Enrada s induores enre o conversor reificador e a rede devem ser projeados de forma a maner o ripple de correne denro dos limies desejados 7

38 Conforme já mencionado, sabe-se que num induor qualquer a ensão é o produo da induância pela derivada de correne, e que a correne é defasada da ensão em 90º Para pequenos inervalos de empo essa derivada pode ser aproximada à uma equação a diferenças, e a ensão no induor pode ser represenada, sem erros significaivos, pela equação 5 conforme segue: v L i L L i L v L 5 L onde, i L represena a variação de correne em [A], e a variação de empo em [s] Percebe-se pela equação 5 que quao maior a ensão sobre o induor L, maior a variação de correne num deerminado inervalo de empo Como a correne é defasada da ensão em 90º, pode-se dizer que a maior variação de correne ocorre nos cruzamenos por zero Quando w90º, as razões cíclicas D Q e D Q5 assumem o mesmo valor, ou seja, os inerrupores Q e Q 5 abrem e fecham no mesmo insane de forma que exisam apenas duas eapas de operação possíveis, conforme mosrado na Tabela e na Figura -7, pois as eapas e são idênicas Assim, para a primeira e a erceira eapa, considerando-se o inerrupor Q fechado e os inerrupores Q e Q 5 aberos, a ensão sobre o induor L é igual a v menos dois erços de V, conforme já ilusrado aravés da equação 0 Durane esa eapa a correne i apresena derivada negaiva pois o valor de V V o [5] Na segunda eapa, considerando-se que as chaves Q, Q e Q 5 esão fechadas, a ensão sobre o induor L é igual a v, conforme já ilusrado aravés da equação Durane esa eapa a correne i apresena derivada posiiva inervalo de empo em que as rês chaves permanecem conduzindo, calculado a parir da definição de D Q e D Q5 é dado por: p o o DQ w 90 DQ5 w 90 V V P sen0 o 6 o Como sen 0 /, assim: 8

39 D Q D Q5 V V V P 7 Considerando-se a represenação de expressão: T por D w / T pode-se chegar à seguine V V fsv onde, fs represena a freqüência de chaveameno em [Hz] P 8 Enão, subsiuindo-se a equação 8 na equação 5, e considerando-se que durane o inervalo de empo definido por a ensão sobre o induor L é igual a V p, e ainda considerando-se que L L L L, em-se que a variação de correne nese inervalo pode ser considerada como sendo: i L V P V V L fsv P 9 Definindo-se: i il % i L L 0 Com base nas equações 9 e 9, isolando-se L, chega-se à seguine expressão: P L V V V L η 4 i % fsv P onde, i L % represena a máxima ondulação percenual de correne admiida P Faz-se ineressane uma abordagem gráfica para faciliar o dimensionameno dos induores de enrada Nese senido, pode-se definir α como sendo a relação enre a ensão de pico de enrada e a ensão de saída conforme segue: α V V P 9

40 Desa forma, da equação, obém-se a seguine expressão: P L α η V L 4 i % fs P Definindo-se a induância normalizada como sendo: i L % fs P L L η V P η VP L L i % fs P L 4 Tem-se que: L α onde, para que a equação seja válida, 0 α < / 5 A Figura -9 ilusra os valores normalizados de L em função de α Percebe-se que quano maior o valor de α menor o valor de L, e vice versa L Figura -9 nduância de Enrada Normalizada em Função de α α 0

41 Como os induores esão em série com as fases da rede de alimenação de energia, a correne eficaz que circula em cada induor é igual a correne eficaz em cada fase correspondene Desa forma, com base na equação de poência rifásica, pode-se chegar à seguine expressão: P L _ ef V η P 6 conversor onde L_ef represena a correne eficaz em cada um dos induores na enrada do 5 Capacior de Saída bservando-se o circuio equivalene apresenado na Figura -8, e considerando-se que a correne de saída do conversor, doravane denominada de o, seja consane denro de um ciclo de chaveameno, e ambém desprezando-se as componenes de ala freqüência do sinal, pode-se escrever que: [ D ] i [ D ] i Q Q5 7 u enão, realizando-se uma análise de equilíbrio de energia e manendo-se as considerações comenadas, pode-se dizer que: P P η o in 8 onde, P o represena a poência de saída, P in represena a poência de enrada, e represena o rendimeno do circuio como sendo: Para um circuio rifásico equilibrado, a poência de enrada pode ser considerada P in v i FP 9 onde, P in represena a poência de enrada, v e i represenam a ensão [V RMS ] e a correne [A RMS ] em um das fases, respecivamene, e FP represena o faor de poência do circuio E ambém, a poência na saída pode ser considerada como sendo:

42 P V o o onde, V o e o represenam a ensão e a correne na saída do circuio sobre o capacior C o, respecivamene o 40 Subsiuindo-se as equações 9 e 40 na equação 8, e considerando-se que o circuio esa operando com rendimeno e faor de poênica uniário, em-se que: Vo o v i 4 Da equação 4, isolando-se a correne de saída em-se que: v i o Vo 4 u enão, da equação 4, considerando-se que a ensão e correne são puramene senoidais, pode-se escrever: VP P VP o V V o o P 4 onde, V P e P represenam a ensão e a correne de pico em uma das fases de enrada, e V o e o represenam a ensão e correne na saída do circuio, respecivamene Assim, percebe-se que a correne de saída, respeiando-se as devidas considerações, não apresena ondulação de baixa freqüência Desa forma, faz-se necessário que o capacior de saída apenas filre as componenes de ala freqüência do sinal, onde capaciâncias de baixo valor podem ser uilizadas A práica, no enano, em demonsrado que ende-se a uilizar uma capaciância de valor elevado para ese ipo de aplicação Com relação ao balanço de carga elérica no capacior, quando Q e Q 5 esão fechadas não circula energia da rede de alimenação para a carga resisor R o Nese

43 inervalo o capacior fornece oda a energia drenada pela carga resisor R o Assim, chegase na seguine expressão: Q Co T 0 d V VP fs V 0 P V d onde, Q Co represena a variação de carga no capacior C 44 Resolvendo-se a equação 44, considerando-se que V % V / V, chega-se na seguine expressão: Q Co C V C V % V P V V fsv P 45 onde, V % represena a máxima variação percenual da ensão de saída Rearranjando-se a equação 45 chega-se facilmene a seguine relação: C P fsv V V V P % 46 Fazendo-se ambém ineressane uma abordagem gráfica para o dimensionameno do capacior de saída, considerando-se as equações e 46, em-se que: C o Po 4 fsv 4 α o V o % 47 Definindo-se, enão, a capaciância de saída normalizada como sendo: C o o 4 fsv Co P o V % 48 Desa forma, chega-se a seguine expressão: C 4 α 49

44 A Figura -0 ilusra a equação 49 de forma gráfica Percebe-se que quano maior o valor de menor o valor da capaciância normalizada e vice-versa Co Figura -0 Capaciância de Saída p/ ala freqüência Normalizada em Função de α α Além do que foi descrio, sabe-se que a correne eficaz é um faor deerminane para o correo dimensionameno do capacior de saída Para esboçar o cálculo da correne eficaz, será uilizada a meodologia observada em [6], conforme as equações seguines: Co Ts _ ef _ Ts ic d o Ts 0 50 onde, Ts represena um período de chaveameno, e i Co represena a correne que passa pelo capacior C o Resolvendo-se a equação 50, chega-se a seguine expressão: Co _ ef _ Ts Ts Ro Ro Ro Ro 4 Ro 5 4 Ro 6 5 Ro 6 TS 5 4

45 5 onde,, e são as correnes insanâneas na enrada do conversor, Ro é a correne drenada pela carga R o, e Co_ef represena a correne eficaz que circula pelo capacior de saída C denro de um período de chaveameno T s Para a solução da equação anerior, de uma análise comparaiva enre a poradora riangular e as rês correnes de enrada, em-se que: S P S P S P T T T 4 4 α α α E ambém: P S P S P S P S S P S T T T T T T α α α α α Desa forma, expandindo-se a solução para um período da rede pode-se dizer que: _ 6 π π ω π d Ts ef Co ef Co

46 5 Chaves de Poência GBT s Considerando-se o sisema equilibrado, rede balançeada com ausência de sequência zero, pode-se reescrever o circuio da Figura - da seguine forma: Q D Q D Q5 D5 v L v L Co Ro v L Co Q D Q4 D4 Q6 D6 - Figura - Circuio de Poência do Conversor Com Conexão ao Neuro Conforme pode ser observado, opou-se por dividir o capacior do barrameno em duas pares, e inseriu-se uma ligação de neuro enre ambos os capaciores Sabe-se que em circuios equilibrados a correne que circula pelo neuro é nula, de forma que o circuio apresenado, salvo as considerações mencionadas, pode ser considerado válido Tal aleração em o objeivo de faciliar o equacionameno que será apresenado circuio da Figura - pode ser aproximado a rês conversores boos monofásicos que rabalham em paralelo conforme ilusra a figura seguine: Q5 D5 Vo v L u abc Co Ro Co Q46 D46 - Figura - Circuio de Poência Simplificado Com Conexão ao Neuro 6

47 As ensões médias inermediárias de cada braço de chaveameno podem ser consideradas como sendo: u enão, U abc U D Ts Ts V o V d T s 0 D Ts abc Vo Vo V D D o d D Para a ensão no primeiro braço, desconsiderando-se a queda de ensão sobre o induor, pode-se dizer que: U a ω V ω V sen ω in p 57 Semelhanemene ao ilusrado em, de acordo com as considerações realizadas, pode-se dizer que: V V o p α 58 Assim, U a V o ω α sen ω 59 Reescrevendo-se, enão, U a ω em função da razão cíclica d ω pode-se chegar a seguine expressão: U a V o ω d ω 60 E enão, igualando-se as duas equações aneriores: d ω α sen ω 6 Deerminando-se a correne de enrada do conversor em função dos parâmeros de poência de saída pode-se chegar a seguine expressão: 7

48 i P η V o ω sen ω sen ω p p 6 Denro de um período de chaveameno, a correne eficaz na chave pode ser considerada como sendo: D Ts _ ef _ Ts i d T Q s 0 D 6 Das rês equações aneriores, expandindo-se a análise para um período da rede emse: π Po sen η Vp ω α sen w Q _ ef π 0 dω 64 Resolvendo-se a equação anerior chega-se: Q _ ef 6 Po 8 η V p 8α π π 65 A fim de simplificar a análise pode-se definir a correne eficaz normalizada conforme segue: 8 η V p Q _ ef 6 Po Q _ ef 66 Assim, das duas equações aneriores chega-se: Q _ ef 8α π π 67 A correne eficaz enconrada para a chave pode ser expandida para qualquer chave, pois seus valores são iguais denro de um período de rede Desa forma, a Figura 8

49 - ilusra a correne eficaz normalizada, para qualquer uma das chaves do conversor, em função de α Percebe-se que quano maior o valor de α, maior o valor da correne Q_ef Figura - Correne Eficaz Normalizada Nas Chaves em Função de α α De forma semelhane à correne eficaz, para a correne média pode-se escrever que: D Ts Q _ med _ TS d D π 0 68 Novamene, expandindo o equacionameno para um período da rede: Q _ med π π 0 Po η V p sen ω α sen ω 4 α π Po dω π η V p 69 E assim, Q _ med 4 α π Po π η V p 70 Definindo-se, enão, a correne média normalizada como sendo: 9

50 Q _ med Q _ med π η V P o p 7 Desa forma, das duas equações aneriores em-se que: Q _ med 4 πα 7 Novamene, a correne média enconrada para a chave pode ser expandida para qualquer chave, pois seus valores são iguais denro de um período de rede Desa forma, a Figura -4 ilusra a correne média normalizada, para qualquer uma das chaves do conversor, em função de α Percebe-se que quano maior o valor de α, maior o valor da correne Q_med Figura -4 Correne Média Normalizada Nas Chaves em Função de α α Conforme comenado, embora o procedimeno de cálculo enha sido deerminado para a chave Q, o mesmo pode ser considerado válido para odas as chaves, pois o conversor é simérico 54 Diodos de Poência dimensionameno dos diodos pode ser feio de forma semelhane às chaves GBT s Sabendo-se que o empo de condução do diodo D é complemenar ao da chave 0

51 Q, e uilizando-se das premissas apresenadas no cálculo dos inerrupores, pode-se ober a seguine expressão: D_ ef _ Ts Ts id d T s D Ts D 7 Novamene, expandindo-se o equacionameno para um ciclo da rede chega-se na seguine equação: π P o D_ ef sen π η V 0 p ω α sen ω dω 74 Que por sua vez, resula na seguine expressão: Po 8 η V 6 π π 8α D_ ef p 75 Devido a simeria do circuio, pode-se generalizar o resulado obido para qualquer diodo do circuio Desa forma: D _ ef Po 8 η V p 6 π π 8α 76 Pode-se definir a correne eficaz normalizada em cada diodo como sendo: 8 η V p D _ ef Po D _ ef 77 Desa forma, a parir das duas equações aneriores, chega-se na seguine expressão: D _ ef 6 π π 8 α 78

52 A Figura -5 ilusra a correne eficaz normalizada, em qualquer um dos diodos do conversor, em função de α Percebe-se que quano maior o valor de α, menor o valor da correne D_ef Figura -5 Correne eficaz normalizada nos diodos em função de α α Semelhanemene à correne eficaz, a correne média nos diodos denro de um ciclo de chaveameno pode ser escria como sendo: D_ med _ Ts Ts id d π D Ts D 79 Da equação anerior, expandindo-se a análise para um período da rede: π Po D _ med sen ω α sen ω dω π 0 η Vp 80 Resolvendo-se a equação 80, obém-se a seguine expressão: D_ med 4 α π Po π η V P 8

53 Novamene, devido a simeria exisene na operação do conversor, pode-se generalizar o resulado obido para a correne em qualquer diodo do circuio como segue: D _ med 4 α π Po π η V P 8 Pode-se definir ambém a correne média normalizada em cada diodo como sendo: D _ med D _ med π η V P o P 8 Dessa forma, chega-se a seguine expressão: D _ med 4 πα 84 A Figura -6 ilusra a correne média normalizada, em qualquer um dos diodos do conversor, em função de α D_med Figura -6 Correne Média em Qualquer um Dos Diodos em Função de α α

54 Conforme pode ser observado, a correne média que passa por qualquer diodo do circuio diminui com o incremeno de e vice-versa 6 Requisios de Projeo e Especificação Dos Componenes de Poência Como o objeivo final dese rabalho é a monagem práica de um Conversor Reificador Trifásico Chaveado Reversível Com Elevado Faor de Poência, faz-se necessário a deerminação dos requisios de projeo que servirão de subsídios para a especificação e projeo dos componenes de poência Desa forma, em-se que: Tabela - Requisios de Projeo Poência de saída Tensão de saída P o 500W V o 400V Tensão de pico da fase de alimenação V p 79,6V ndulação de correne percenual máxima i L % 0,0 0% ndulação na ensão de saída V o % 0,05 5% Freqüência de chaveameno Freqüência da rede de alimenação fs 0kHz f 60Hz Rendimeno esperado para o conversor η 0,87 6 Especificação Dos nduores de Enrada bservando-se o equacionameno prévio, os valores que especificam as induâncias de enrada podem ser deerminados aravés das equações a 6, e do ábaco da Figura -9 Assim, subsiuindo-se os parâmeros de requisios de projeo em-se: V α V P 79,6 0, E, aravés do ábaco ilusrado na Figura -9: 0,5 L 86 4

55 Assim, aravés da equação 4: η VP 0,8779,6 L L 0,5 L, 74mH i % fs P 0, L 87 De forma semelhane, a correne eficaz em cada um dos induores de enrada pode ser obida aravés da equação 6: P 500 L _ ef L _ ef 7, 54A V η 79,60,87 P 88 Considerando-se uma onda puramene senoidal, a correne de pico pode ser considerada como sendo: L _ pico L _ ef 7,54 L _ pico 0, 67A 89 Desa forma, os induores podem ser projeados para aender aos requisios desejados de acordo com os valores enconrados Uma possível monagem para ais induores pode ser composa por dois conjunos de 7 espiras com 5 fios AWG em paralelo, e enreferro de,95mm, monados sobre dois núcleos NEE-65//9 similares ao da empresa Thornon Maiores dealhes do projeo podem ser observados no Apêndice A Esboço do Projeo dos nduores de Enrada 6 Especificação do Capacior do Filro de Saída Novamene, observando-se o equacionameno prévio, os valores que especificam a capaciância do filro de saída podem ser deerminados aravés das equações 85 e 49, e do ábaco da Figura -0 Assim, subsiuindo-se os requisios de projeo em-se que:,65 C 90 E enão, 5

56 Po 500 C C,65 C 5,4 µ F 4 fsv V % ,6 0,05 o 9 A correne eficaz no capacior de saída pode ser obida aravés das equações 50 a 54 Desa forma, subsiuindo-se os valores das correnes de enrada e dos empos de acordo com as eapas de operação denro de um período de chaveameno, e após expandindo-se a análise para um período da rede chega-se ao seguine resulado: π π Co _ ef Co _ ef _ Ts 54 6 π ω d 5, A 9 A correne de pico no capacior pode ser considerada como sendo igual a correne de pico nos induores: Co _ pico L _ pico 9 Desa forma em-se que: Co _ pico L _ ef 7,54 Co _ pico 0, 67A 94 Embora fora calculado o valor de Co, será uilizado para a fase de implemenação práica o módulo de poência B6UB6ElF da empresa Semikron, pois ese se enconra disponível no laboraório de elerônica de poência da UDESC local de desenvolvimeno da presene disseração módulo descrio possui uma capaciância de 500 F, e ese é o valor que deverá ser considerado para cálculos poseriores 6 Especificação Das Chaves GBT s Mais uma vez, observando-se o equacionameno prévio, os valores que especificam as chaves GBT s podem ser deerminadas aravés das equações 85, 66, 67, 7, 7, e dos ábacos das figuras Figura - e Figura -4 Assim, subsiuindo-se os requisios de projeo em-se que: 6

57 Q _ ef,04 95 E enão, 6 Po 6500 Q _ ef Q _ ef,04 Q _ ef 4, 44A 8 η V 80,8779,6 p 96 A correne de pico pode ser considerada como sendo igual a correne de pico na enrada do conversor Assim, em-se que: Po 500 Q _ pico 0, 67A V η 79,60,87 p 97 Semelhanemene, Q _ med 5,4 98 Assim, Po 500 Q _ med Q _ med 5,4 Q _ med, 0A π η V π0,8779,6 p 99 A ensão reversa máxima em cada chave pode ser considerada como sendo a ensão de saída média mais a máxima ondulação Desa forma: VQrev V V % 400 0,05 VQrev 40V 00 bservando-se os valores enconrados, e ambém em função da disponibilidade aual verificada no laboraório de elerônica de poência da UDESC Joinville, especificamse as chaves como sendo similares ao modelo SK 45 GB 06, presene no módulo B6UB6ElF da empresa Semikron 7

58 64 Especificação Dos Diodos Novamene, observando-se o equacionameno prévio, os valores que especificam os diodos podem ser deerminadas aravés das equações 85, 77, 78, 8, 84, e dos ábacos das figuras Figura -5 e Figura -6 Assim, subsiuindo-se os parâmeros de requisios de projeo em-se que: D _ ef, 0 E assim, Po 500 D _ ef D _ ef, D _ ef, 95A 8 η V 80,8779,6 p 0 Considerando-se ambém uma onda puramene senoidal, a correne de pico pode ser considerada como sendo: Po 500 V η 79,60,87 D _ pico p 0,67 0 Semelhanemene, D _ med,58 04 Desa forma, Po 500 D _ med D _ med,58 D _ med, 09A π η V π0,8779,6 P 05 gualmene às chaves, a ensão reversa máxima em cada diodo pode ser considerada como sendo a ensão de saída média mais a máxima ondulação Desa forma: V V V % 400 0,05 V Drev Drev 40 V 06 8

59 Novamene, especificam-se os diodos como sendo similares do módulo B6UB6ElF da empresa Semikron 7 Conclusão No presene capíulo apresenou-se uma breve descrição eórica do funcionameno do circuio de poência do conversor proposo Aravés de algumas considerações chegou-se a um circuio simplificado equivalene, o qual foi uilizado para faciliar a análise do conversor Também foram esboçados de forma sucina os procedimenos para a obenção das principais equações que raduzem as caracerísicas e condições mais relevanes na análise do sisema de poência A parir das equações geram-se ábacos para faciliar o dimensionameno, e eses por sua vez foram usados na deerminação e na especificação dos principais componenes Saliena-se que os elemenos do circuio foram deerminados observando-se o maerial disponível no laboraório de elerônica de poência da UDESC Joinville, de sore que algumas aproximações viram-se necessárias 9

60 Análise do Sisema de Comando e Conrole Ese capíulo em por objeivo apresenar e analisar o sisema de comando e conrole do conversor proposo, no qual serão uilizadas as écnicas de ransformação de coordenadas de Clark e Park, alinhameno de veores e desacoplameno de equações, de forma que sua complexidade seja reduzida Será ilusrado o diagrama de conrole denro do DSP e apresenado algumas écnicas para a geração de modulação PWM veorial Para al, serão apresenados alguns ópicos indicando de forma simplificada os conceios eóricos e esboçados os procedimenos para obenção das principais equações Apresenação A Figura - ilusra o modelo simplificado do circuio do conversor reificador com modulação PWM, onde v, v e v represenam as ensões de fase, L, L e L represenam as induâncias de enrada, R, R e R represenam as resisências de enrada, i, i e i represenam as correnes de fase, u A, u B e u C represenam as ensões nos ponos cenrais do primeiro, segundo e erceiro braço de chaveameno, respecivamene, Q a Q 6 represenam as chaves GBT s, D a D 6 represenam os diodos ani-paralelos às chaves, i CR represena a correne e V a ensão no barrameno CC, C represena a capaciância do filro de ripple da ensão de saída, e a correne drenada pela carga R bserva-se que o modelo do circuio do conversor conemplou, além das induâncias, as resisências de enrada, que serão uilizadas na abordagem fuura das malhas de conrole v ~ v ~ v ~ L L L R R R Q i i i Q D ua D Q Q4 D ub D4 Q5 Q6 D5 uc D6 Vo icr Co o Ro Figura - Modelo do Conversor Reificador Trifásico Com Modulação PWM 40

61 4 Análise Maemáica do Modelo bservando-se a Figura -, a parir de uma análise de malha, chega-se facilmene ao seguine sisema de equações de ensões: u v v v u v v v u v v v C R L B R L A R L onde, conforme já mencionado, v, v e v represenam as ensões da rede de alimenação, v L, v L, v L, v R, v R e v R represenam as quedas de ensões devido às impedâncias induivas e resisivas da linha, respecivamene, e u A, u B e u C represenam as ensões nos ponos cenrais dos braços A, B e C, respecivamene Escrevendo-se a equação de oura forma em-se que : u i R i L d d v u i R i L d d v u i R i L d d v C B A De, separando-se as derivadas de correne, em-se que: [ ] [ ] [ ] u i R v L d di u i R v L d di u i R v L d di C B A Escrevendo-se a na forma maricial, pode-se chegar a seguine expressão:

62 u v u v u v L L L i i i L R L R L R d di d di d di C B A De forma semelhane, realizando-se uma análise de correne no capacior de saída C, chega-se a seguine expressão: i i CR Co u, de oura forma: d dv C i CR Separando-se a derivada de ensão em-se que: [ ] i C d dv CR Transformação de Coordenadas abc Para dq0 Convencionalmene, o conrole de conversores rifásicos é realizado em coordenadas dq0 [] A ransformação de abc para dq0 é realizadas aravés das ransformadas de Clark e Park A primeira ransforma o sisema de coordenadas abc para 0, esacionário A segunda ransforma o sisema de coordenadas 0 para dq0, girane a uma velocidade arbirária w S, que pode ser escolhida de forma propícia para se ober variáveis conínuas no empo A Figura - ilusra ais ransformações

63 m m Vb q V 0 o 0 o 0 o W Va Re Vq 0 d Ws Vd s Re Vc Figura - Esboço da Transformação de Coordenadas de abc Para dq0 A mariz de ransformação do sisema de coordenadas abc para dq0, em apenas uma operação, pode ser observada conforme segue: MT abc dq0 cos sen w S w S cos w S sen w S π π cos w S sen w S π π 8 Aplicando-se a equação 8 na equação rearranjada na forma maricial, e fazendo-se w S igual a w em-se que: v v v d q cos sen w w π π cos w cos w π π sen w sen w v v v 0 9 Na equação 9, considerando-se um sisema equilibrado, em-se que 4

64 44 v 0 v v v 0 Semelhanemene ao realizado para as ensões, para as correnes do sisema em-se que: cos cos cos 0 i i i w sen w sen w sen w w w i i i q d π π π π Novamene, na equação 0, considerando-se um sisema equilibrado, em-se que i 0 i i i 0 4 Equações Para o Conrole de Correne do Conversor Considerando-se que as resisências e as induâncias de enrada do conversor sejam iguais, L L L L e R R R R, e aplicando-se a mariz de ransformação 8 à equação 4, em-se que: u v u v L i i L R w w L R d di d di q q d d q d q d Agora, aplicando-se a ransformada de Laplace à equação, chega-se a seguine expressão no domínio S : S U V S U S V L S S L R w w L R S S S q q d d q d q d u enão, de oura forma: 0

65 L S L S d q S R d S L w S L w d S R q q S V S V q d S U S U q d S S solando-se d S e q S, que são as variáveis que se objeivam conrolar, em-se: L w q S Vd S U d S S L S R L w d S Vq S U q S S L S R d q 4 bservando-se as equações a 4 percebe-se um acoplameno enre os eixos direo e de quadraura aravés da variável w so ambém pode ser observado aravés do diagrama de blocos seguine: VdS UdS Ud'S - - LSR ds wl wl UqS Uq'S - LSR qs VqS Figura - Esboço do Acoplameno do Sisema Para eliminar o acoplameno observado, pode-se fazer com que U d S e U q S assumam valores ais que compensem de forma inversa o inercruzameno enre as variáveis de eixo direo e em quadraura Assim, pode-se fazer: 45

66 U U d q S V S V d q S w L S w L q d S U S U d q ' S ' S 5 onde, U d S e U q S podem ser projeados por qualquer méodo conveniene, já considerando o sisema desacoplado A Figura -4 ilusra o acoplameno inerene ao conversor e o desacoplameno imposo pelo sisema de conrole conforme segue: VdS VdS d*s - EdS P Ud'S - - UdS - - Ud'S LSR ds wlqs wlqs VqS VqS q*s - EqS P Uq'S - UqS - Uq'S LSR qs wlds wlds Figura -4 Esboço do Desacoplameno mposo Pelo Sisema de Conrole Em ouras palavras, o sisema de conrole deverá fazer com que as ensões inermediárias de cada braço, u A, u B e u C, sejam ais que, quando ransformadas em coordenadas dq0, as variáveis de ineresse esejam desacopladas, e ainda fazendo com que as correnes de cada fase sigam as referências, aravés da aplicação dos valores u A, u B e u C Assim, considerando-se a equação 5, a equação 4 pode ser reescria como segue: d q U d ' S S L S R U q ' S S L S R 6 46

67 d S e q S Desa forma, conrolando-se as ensões U d S e U q S conrolam-se as correnes 5 Esboço dos Conroladores de Correne conrole de correne é a pare essencial do conrole do reificador chaveado, uma vez que ele deermina o desempenho global do sisema [7] Várias relações maemáicas são uilizadas para a obenção da saída de conrole, a parir do erro enre o valor desejado e o medido ou esimado As leis de conrole descrevem o relacionameno enre o pono de referência, valor de realimenação, e saída do conrolador As écnicas de conrole de correne uilizadas na maioria das vezes são essencialmene as mesmas aplicadas aos inversores de ensão [8] Tendo sido observado em diversas publicações e disserações de rabalhos relacionados, e não sendo o conrolador propriamene dio o foco principal dese rabalho, serão uilizados ambém nese basicamene conroladores P Nos conroladores dese ipo sabe-se que a pare proporcional fornece uma rápida auação de conrole, enquano a pare inegraiva garane um erro de regime nulo Assim, a parir da equação 6, pode-se desenhar os seguines diagrama de blocos para o conrole das correnes: d*s Ud'S Kp Ki - S LSR ds q*s Uq'S Kp Ki - S LSR qs Figura -5 Malhas de Correne Simplificadas Uilizando Conroladores P Percebe-se que os diagramas ilusrados na Figura -5 esão basane simplificados, não levando em cona ouras variáveis e ganhos, como por exemplo efeios da amosragem e reenção, ganhos dos sensores, filros, ec, que serão considerados fuuramene em 47

68 momeno oporuno Conforme será ilusrado, o conversor pode ser represenado apenas por um ganho denominado Kconv, sem considerar seu araso de resposa, que é função do período de chaveameno, pois ese araso é muio pequeno quando comparado com a consane de empo da plana de correne 6 Poências Aiva e Reaiva, e Alinhameno do Veor Tensão 6 Equações das Poências Aiva e Reaiva As poências aiva e reaiva absorvidas da rede pelo conversor reificador ambém podem ser represenadas no sisema de coordenas dq0 [] e [] Considerando-se nulas as ensões e correnes de seqüência zero, pode-se dizer que: P S V Q S V d d S S d q S V S V q q S S q d S S 7 nde V d S e V q S são as ensões, e d S e q S as correnes de eixos direo e em quadraura respecivamene Como pode ser observado aravés da equação 7, as poências aiva e reaiva na enrada do conversor dependem ano das componenes de eixo direo quano das de eixo em quadraura No enano, nas ensões de enrada não se pode auar, sendo seus valores fixos pela concessionária de disribuição de energia em baixa ensão, ou por uma subesação paricular qualquer Assim, somene pode-se auar nas correnes de enrada do conversor, uma vez que esas respondem aos valores de U d S e U q S, conforme já comenado Desa forma, conrolando-se as correnes d S e q S, conrola-se as poências aiva e reaiva drenadas da rede de alimenação pelo conversor reificador 6 Alinhameno do Veor Tensão Nas Coordenadas dq0 Do pono de visa de conrole, é ineressane o alinhameno do veor ensão da rede de alimenação com o eixo direo d, no sisema de coordenadas dq0, esando ese por sua vez girando no referencial síncrono, pois, desa forma, em-se que a ensão de eixo q é nula, e as equações de poência aiva e reaiva são simplificadas 48

69 esboço do veor ensão resulane na enrada do conversor em coordenadas dq0 pode ser observado na figura abaixo: m q 0 s V d Ws Re Figura -6 Alinhameno do Veor Tensão Com o Eixo d Como pode ser observado aravés da Figura -6, com o alinhameno esboçado, em-se que a componene de ensão de eixo q é nula Desa forma, a equação 7 pode ser simplificada como segue: P S V Q S V d d S S d q S S 8 Assim, conrolando-se apenas a correne d S, conrola-se a poência aiva, e conrolando-se apenas a correne q S, conrola-se a poência reaiva, ambas absorvidas da rede de alimenação Dessa forma, fazendo-se q S igual a zero, obriga-se que a poência reaiva seja nula, e por conseqüência, que o faor de poência seja uniário 7 Diagrama de Conrole de Correne diagrama de conrole de correne no domínio S pode ser observado na Figura -7 Nesa, considerou-se as equações de desacoplameno enre os eixos dq0 de forma que uma mudança na correne de eixo d, na regeneração de energia, por exemplo, não afee a correne de eixo q, e vice versa Desa forma os diagramas foram simplificados, conforme segue: 49

70 d*s - EdS Kp Ki S Ud'*S UdS Ud*S Ud'S LSR ds Conrolador P Conversor PWM Plana de Correne q*s - EqS Kp Ki S Uq'*S UdS Ud*S Uq'S LSR qs Conrolador P Conversor PWM Plana de Correne Figura -7 Diagrama de Conrole das Correnes no Domínio S Quando o veor ensão V esa alinhado com o eixo d, a ensão V d S possui o valor de pico da senoide de enrada, de forma consane, enquano a ensão V q S possui valor nulo Uma das grandes vanagens de se uilizar a ransformação dq0 é que o conrole rabalha, desconsiderando-se as pequenas oscilações causadas pelos desalinhamenos ransiórios, com variáveis conínuas Dessa maneira, a uilização de um conrolador P, por exemplo, garane erro de regime nulo [6] Conforme a Tabela, para um sisema Tipo em-se que o erro em regime à uma enrada em degrau é zero, enquano que o erro em regime à uma enrada em aceleração é /K Tabela Erro Esacionário em Sisemas de Conrole Com Reroação Uniária Sisema Enrada em Degrau Enrada em Rampa Enrada em Aceleração r r r / Tipo 0 /K Tipo 0 /K Tipo 0 0 /K 50

71 8 Equações Para o Conrole da Tensão no Barrameno CC conrole da ensão no barrameno CC ambém é muio imporane para o correo funcionameno do conversor Além disso, no caso dese ipo de conversor ser uilizado como pré-regulador de ensão para um inversor, por exemplo, sua regulação orna-se ainda mais críica A Figura -8 esboça as correnes e a ensão nesse barrameno: icr o Vo Co Ro Figura -8 Dealhe do Barrameno CC do Conversor A equação dinâmica que relaciona a ensão do capacior C com a correne de eixo direo i d é obida a parir da equação de balanço de poência [] Desa forma em-se que: V dv C vd id d 9 Da equação anerior, considerado-se ambém a poência drenada pela carga R emse que: V f V C V vd id 0 R 0 Linearizando-se a equação 0 em orno de um pono de operação P arbirado chega-se na seguine expressão: f V P f f V V 0 d V d P P 5

72 E assim, resolvendo-se a equação anerior obém-se: V V VP C V VdP d 0 R onde, V P e V dp são os ponos de operação arbirados, e represenam a ensão de referência no capacior C, e a ensão de enrada da rede de alimenação, respecivamene E ambém, V e i d represenam as perurbações de ensão e de correne respecivamene Reescrevendo-se a equação no domínio S, e rearranjando-se na forma de função de ransferência pode-se ober a seguine expressão: V S d S V P VdP V C S R P Do funcionameno práico de conversores similares ao dese rabalho [7], sabe-se que o pono com maior esforço para o conrolador de ensão aconece quando o conversor esá rabalhando a vazio, iso é, com resisência de carga infinia Considerando-se o comenado, é ineressane que a equação seja reescria conforme segue: onde, em poência nominal: V S VdP S C V d P S V V C R dp P 79,6V 400V 500µ F 64Ω 4 5 A equação 4, linearizada em orno do pono de operação arbirado V dp e V P, fornece, de forma paricular, o comporameno ou relação enre a ensão de saída V barrameno CC e a correne de eixo direo d enrada do conversor proposo 5

73 9 Esboço do Conrolador de Tensão Novamene, endo sido observado em diversas publicações e disserações de rabalhos relacionados, e não sendo o conrolador propriamene dio o foco principal dese rabalho, será uilizado no conrole da ensão no barrameno CC ambém um conrolador P A Figura -9 ilusra o diagrama de blocos para o conrole da ensão, considerandose a equação, num modelo para pequenos sinais Como as malhas de correne, já apresenadas, possuem dinâmicas muio mais rápidas do que a dinâmica da malha de ensão, para uma análise aproximada, esas podem ser desconsideradas d0 d0 Vo*S0 - E VoS Kp Ki S Conrolador P d*s d*s ds d*s ~ Malha de Correne ds - ds VoS ds Plana de Tensão VoS Figura -9 Malhas de Conrole da Tensão no Barrameno CC bs: d0 represena o pono de operação que deve ser arbirado para a malha de correne de eixo direo Para o diagrama ilusrado aravés da Figura -9, desejando-se que VoS seja nulo, ou seja, que a ensão medida na saída do conversor seja igual a ensão de referência, deve-se fazer Vo * S 0 Em ouras palavras, se ocorrer uma variação na ensão V S no barrameno CC, deve ocorrer uma variação na correne de eixo direo ds a correne de ds conrola a ensão V S 0 Diagramas de Conrole de Tensão e Correne: Represenação Global Na configuração normal de operação, ese ipo de conversor requer basicamene rês ipos de sensores: sensores para as medições das ensões alernadas de fase, sensores para as medições das correnes alernadas de fase, e sensor para a medição da ensão no barrameno CC As figuras Figura -7 e Figura -9 esboçam os diagramas de conrole de correne e de ensão, respecivamene, de forma simplificada, não considerando ouros faores 5

74 relevanes para uma análise mais abrangene No enano, para que eses esejam compleos é necessário considerar ambém ouros faores significaivos como, por exemplo, os efeios ou ganhos dos sensores, dos filros, das conversões, do processameno, ec A Figura -0 mosra o diagrama de conrole das correnes de eixo d e q, de forma mais complea, cada malha já considerando os efeios do sensor de correne, do filro ani-aliasing, do conversor analógico-digial A/D e da amosragem e reenção s blocos acrescenados são muio imporanes para que o projeo dos conroladores, que será realizado no capíulo seguine, seja mais eficaz, eviando ou reduzindo possíveis ajuses de ganhos no momeno da implemenação práica Uma ferramena maemáica comumene uilizada na análise e sínese de sisemas de conrole em empo discreo é a ransformada Z papel da ransformada Z em sisemas de empo discreo é similar à ransformada S de Laplace em sisemas de empo coninuo [5] bserva-se, assim, que os diagramas de blocos que serão raados digialmene pelo DSP foram represenados inernamene em função do plano Z, e exernamene em função do plano S EdZ Ud'Z Ud*Z d*'z Conrolador - - P - Conversor D/A Ud'*S Kconvē TsS Ud'S LSR ds Conversor PWM Plana de Correne wlqz VdZ d'z DSP VdigMax n Conversor A/D Ta Kfaa SKfaa Filro Ani- Aliasing Ksc Sensor de Correne EqZ Uq'Z Uq*Z q*'z Conrolador - - P Conversor D/A Uq'*S Kconvē TsS Uq'S LSR qs Conversor PWM Plana de Correne wldz VqZ q'z VdigMax n Conversor A/D Ta Kfaa SKfaa Filro Ani- Aliasing Ksc Sensor de Correne Figura -0 Malhas de Conrole de Correne Em Coordenadas dq0 : Represenação Global 54

75 Nos diagramas ilusrados pela Figura -0 não foram indicados os níveis dc que devem ser acrescenados para ajusar os sinais de acordo com as enradas dos conversores analógico-digiais A/D do DSP a ser uilizado enradas em ensão de 0 a V As somas desses níveis dc aos sinais a serem lidos foram ignoradas em ais diagramas devido ao fao de que eles serão compensados inernamene ao DSP De forma similar às malhas de correne, para a malha de ensão foram ambém acrescenados os blocos que consideram os efeios do sensor de correne, do filro anialiasing, do conversor analógico-digial A/D e da amosragem e reenção, já mencionados Assim, a Figura - ilusra a malha de ensão, numa forma mais abrangene, como segue: d0 d0 Vo*Z 0 - E VoZ Conrolador P DSP d*z d*z dz d*z Malha de Correne dz - dz D/A Conversor D/A ds VoS ds Plana de Tensão VoS Vo'Z VdigMax n Conversor A/D Ta Kfaa SKfaa Filro Ani- Aliasing Ks Sensor de Tensão Figura - Malha de Conrole da Tensão no Barrameno CC Saliena-se que os blocos que poderiam er sido acrescenados ao diagrama compleo, como por exemplo, o bloco dos drives de poência, não o foram devido ao fao de possuírem ganhos praicamene uniários ou não relevanes do pono de visa de conrole As descrições dealhadas de cada um dos blocos de ineresse serão apresenadas em oporunidade fuura Conforme pode ser observado, aravés das figuras Figura -0 e Figura -, para que ocorra uma variação da ensão no barrameno CC, deve ocorrer uma variação da correne de eixo direo d Assim as malhas de ensão e correne esão inerligadas A malha mais exerna conrola a ensão no barrameno CC, enquano as malhas mais inernas conrolam as correnes d e q, que por sua vez, quando ransformadas em coordenadas abc, são as correnes na enrada do conversor reificador 55

76 Esboço do Diagrama de Conrole no DSP Para as medições de ensões e correnes alernadas, considerando-se que as fases esão equilibradas ausência de seqüência zero, ou seja, a parir de duas em-se a erceira medição No enano, nese rabalho, por uma quesão comparaiva, serão realizadas rês medições de correne i, i e i e duas de medições de ensão v e v A Figura - ilusra o diagrama esquemáico conemplando as medições, o acoplameno dos filros ani-aliasing, a inerligação com o DSP, e a uilização dos drives de poência Percebe-se que são necessárias a uilização de seis enradas e seis saídas do DSP As primeiras são basicamene conversores A/D com enradas em ensão, e as segundas saídas pull-up, que acionam os drives de poência v ~ v ~ v ~ L R i ua L R i ub L R i uc Q D Vo icr Co o Ro Condicionador de Sinais Drives Cond de Sinais Filros Ani-Aliasing po- soladores Filro Ani-Aliasing Enradas de a 5 DSP Saídas de a 6 Enrada 6 Figura - Diagrama Esquemáico A Figura - mosra o diagrama de blocos inerno ao DSP s sinais de ensão e correne medidos são amosrados, reidos e converidos em forma binária Poseriormene são aplicados alguns algorimos, para a deerminação da erceira componene de ensão, e de ransformação de coordenadas de abc para dq0, gerando as variáveis de ensão v d, v q, v 0 e V ensão no barrameno, e de correne i d, i q e i 0, que são uilizadas pelo algorimo geral de conrole, represenado de forma conveniene por um diagrama de blocos virual 56

77 E E E E4 E5 E6 Q Q Q Q4 Q5 Q6 i Ta i Ta i Ta v Sample Ta and Hold v Ta Vo Ta Algorímo B Roina PWM 0kHz ik ik ik Algorimo A vk vk vk Permie o chaveameno somene depois que Vok>6^0,57V, e bloqueia se Vok>500V Transformada de Clark i k i k i0k Transformada de Park w v k Transformada de Clark v k v0k PLL w Transformada de Park DSP uak ubk uck idk iqk i0k w vdk vqk v0k Variáveis Vok iqk wlidk Vqk Transformação " 0" "abc" Vo*k - EVo'k q*k Conrolador P id*k - Eq'k Ed'k - Conrolador P Conrolador P Uq'k Ud'k Uq*k Ud*k 0 u k u k u0k Transformação "dq0" " " 0 w Vok idk wliqk Vdk Figura - lusração do Diagrama no DSP Conforme pode ser observado, a plana de conrole é composa basicamene por blocos de ransformações de coordenadas de abc para dq0 - referencial síncrono, conroladores P s, somadores, diferenciadores, limiadores, amplificadores e de geração de sinais de PWM valor desejado para o barrameno CC serve como referência inicial do conrole A diferença enre a ensão desejada e a medida é submeida a um conrolador P, resulando em sua saída a referencia de correne de eixo d A diferença enre essa correne de referencia e a medida é aplicada em ouro conrolador P, resulando em sua saída uma referência de ensão de eixo d De forma semelhane, desejando-se que a correne de eixo q seja igual a zero, aplica-se a diferença enre zero e a correne de eixo q medida, à ouro conrolador P, resulando em sua saída uma referencia de ensão As referências de ensões obidas servem de parâmeros para a geração do comando PWM, o qual fornece os sinais de chaveameno para os GBT s 57

78 PWM Veorial Na ulima década muios rabalhos uilizando a modulação por espaço veorial Space Vecor Modulaion - SVM em sido publicados A maioria deles em uilizado a modulação SVM nos inversores fones de ensão Volage Source verers - VS, e nos reificadores fones de ensão Volage Source Recifier - VSR [] Nese rabalho será uilizada uma modulação por largura de pulso veorial Assim, serão, a seguir, ilusrados os principais ponos para o enendimeno de algumas das diversas formas e variações da modulação PWM veorial, de forma a possibiliar uma implemenação fuura Modulação Por Espaço Veorial Para um VSR Para ese ipo de modulação é necessário represenar o sisema rifásico em um veor de espaços, que gira na mesma velocidade angular do referido sisema rifásico As ensões fundamenais nos ponos cenrais de cada braço do conversor reificador, conforme ilusra a Figura -, podem ser consideradas como sendo: u u u A B C V V V máx máx máx sen w o sen w 0 o sen w 0 onde, V máx esa relacionada com a ensão V do barrameno CC 6 Assim, para um sisema represenado por 6, o veor de espaços pode ser expresso como segue: u a u a u A B V C 7 onde, j a e π 8 Desa forma, num reificador VSR, o sisema rifásico das ensões inermediárias de cada braço é conrolado aravés de um sisema de referências ambém rifásico, que é 58

79 represenado por um espaço veorial correspondene Assim, a Figura -4 ilusra as configurações básicas de chaveameno, enquano a Figura -5 apresena os veores correspondenes às referidas configurações S S S5 icr o S S S5 icr o i i ua ub Vo Co i i ua ub Vo Co i uc i uc S S4 S6 S S4 S6 Configuração Configuração S S S5 icr o S S S5 icr o i i ua ub Vo Co i i ua ub Vo Co i uc i uc S S4 S6 S S4 S6 Configuração Configuração 4 S S S5 icr o S S S5 icr o i i ua ub Vo Co i i ua ub Vo Co i uc i uc S S4 S6 S S4 S6 Configuração 5 Configuração 6 S S S5 icr o S S S5 icr o i i ua ub Vo Co i i ua ub Vo Co i uc i uc S S4 S6 S S4 S6 Configuração 7 Configuração 8 Figura -4 lusração Das Possíveis Configurações de um VSR 59

80 u Seor u u u4 Seor u7 Seor V u8 Seor Seor V u u Seor V u5 u6 Figura -5 lusração Dos Veores Correspondenes às Configurações Com base na Figura -5, pode-se represenar os veores uu8 na forma de uma equação discrea, como segue: u k V e u7 u8 0 k j π, k,,,6 9 As ensões de fase de enrada podem ser represenadas da seguine maneira: v v v S S S A B C S S S A S S S A S S S onde, S A, S B e S C represenam os esados das chaves superiores dos braços A, B e C respecivamene chave fechada e 0 chave abera A B B B C C C V V V 0 A Tabela ilusra os esados das chaves para cada uma das oio possíveis configurações do veor ensão u, sendo que, no mesmo braço, quando uma chave esa fechada, a chave complemenar esa abera, e vice-versa 60

81 Tabela Possíveis Esados do Conversor Esado do conversor [S A, S B, S C ] [S A, S B, S C ] [, 0, 0] [S A, S B, S C ] [,, 0] [S A, S B, S C ] [0,, 0] 4 [S A, S B, S C ] [0,, ] 5 [S A, S B, S C ] [0, 0, ] 6 [S A, S B, S C ] [, 0, ] 7 [S A, S B, S C ] [,, ] 8 [S A, S B, S C ] [0, 0, 0] Conforme pode ser observado, a modulação por espaço veorial represena o veor de espaços aravés da combinação de oio veores básicos Pode-se escolher a seqüência desses veores de forma conveniene, de sore a ober-se a menor mudança possível dos esados das chaves Por exemplo, para o Seor pode-se fazer: u 8, u, u, u 7, u, u, u 8 Essa seqüência é represenada da figura, como segue: S A S B S C To T T To To T T To Ts Figura -6 Seqüência Conveniene Para Redução de Número de Chaveamenos equação: valor de referência desejado para o veor ensão u pode ser obido da seguine 6

82 / u * Ts u onde, Ts é o período de chaveameno 8 T0 T0 u T u T u 7 que: Pode-se descrever o veor de espaços em coordenadas reangulares, assim em-se [ u *cos α j u * sen α ] Ts / V T o o [ / V cos60 j / V sen60 ] T E finalmene, de pode-se ober a seguine equação: o u * Ts sen60 α T o / V sen60 u * Ts sen α T o / V sen60 Ts T0 T T Assim, conforme é alerada a posição do veor ensão u * em relação aos seores, alera-se ambém os empos T, T e T 0 Além do que foi ilusrado, exisem diversas possibilidades de chaveameno de forma a se ober uma menor ampliude da correne de ripple, menor disorção harmônica, aquecimeno das chaves e ec PWM Regular Trifásico Simérico princípio desa écnica baseia-se em calcular as larguras de pulso de maneira a impor, de forma fundamenal, as ensões desejadas [9] De modo similar à écnica anerior, cada chave de um braço conduz durane um cero empo e deixa de conduzir por um ouro empo, denro de um período de chaveameno Assim assumindo que o sisema é equilibrado, quando odas as chaves superiores esiverem conduzindo, a ensão aplicada sobre o capacior de saída C erá valor 6

83 6 nulo Analogamene, quando as chaves esiverem aberas, a ensão aplicada ambém será nula PWM Regular Trifásico Simérico em como objeivo fazer com que os empos em condução sejam iguais aos em bloqueio, denro de um mesmo período de chaveameno S T Aplica-se o empo em que odas as chaves esão aberas no início e no fim de S T, e o empo em que odas as chaves esão fechadas no meio Expressando-se as ensões nos ponos cenrais de cada braço, em função da ensão de saída, em-se que: V S u V S u S V u onde, S, S e S são os esados das chaves superiores de cada braço conduzindo e 0bloqueada, sendo que, no mesmo braço, quando uma chave esa conduzindo a oura esa bloqueada e vice-versa Considerando o sisema equilibrado, pode-se chegar a seguine expressão: S S S V u u u Assim dependendo-se dos esados das chaves, em-se como ensão de braço cenral, em períodos de chaveameno disinos, frações da ensão do barrameno conínuo Considerando-se a equação 5, e ambém os empos em que as chaves irão conduzir ao invés dos esados das chaves, pode-se represenar as ensões médias da seguine forma: C B A S T T T T V U U U Assim, conhecendo-se os valores médios das ensões cenrais de cada braço, resolvendo-se o sisema da equação 6, chega-se aos períodos de empo 4 5 6

84 Porém, o sisema 6 possui infinias soluções Conudo, considerando-se uma solução para algum T, os ouros erão apenas um único valor Desa forma, conhecendose os valores das ensões em um dado insane pode-se ordenar esas ensões de acordo com os valores máximos, médios e mínimos u seja, pode-se deerminar U max > U med > U min e ambém seus respecivos empos T > max T > med T min A Figura -7 ilusra os pulsos de comando das chaves superiores para o PWM Regular Trifásico Simérico S A T mín S B T med S C T máx Ts Figura -7 Pulsos de Comando Para o PWM Regular Trifásico Simérico Seor Conforme o ilusrado, percebe-se que o inervalo referene a T S Tmax corresponde jusamene ao empo de aplicação em que odas as chaves esão aberas, enquano que T min corresponde ao empo em odas as chaves esão fechadas Assim, se esses dois inervalos forem iguais, em-se que: T T min max T S 7 Desa forma, a parir da deerminação de V med, pode-se uilizar as equações 6 e 7 para enconrar T med, e poseriormene, com os valores de V max e V min, calcular T max e T min Assim, em-se que: 64

85 T T T med min max T S T T med med T S T S V V V V med V V med med V V min V V max 8 Para esa écnica, a faixa de variação linear enre a componene fundamenal da ensão aplicada aos ponos cenrais de cada braço e a ensão de referência é de V /, o que corresponde a um aumeno de aproximadamene 5%, quando comparada a ouras écnicas convencionais [] Nesa mesma comparação, a axa de disorção harmônica ponderada ambém é menor [9] Conclusão Nese capíulo foram apresenados o modelo maemáico, as principais equações, a mariz de ransformação de coordenadas, as malhas e os diagramas de conrole de correne e de ensão, as écnicas de alinhameno de veores e desacoplameno, e a proposa dos conroladores para o conversor reificador rifásico, objeo dese rabalho Também foram apresenadas duas écnicas de geração para o PWM veorial, e ilusrou-se como deverá ser a ieração enre o conversor e o mundo analógico com o DSP, o qual erá a função de processar e conrolar odo o sisema de conrole aravés da implemenação digial das equações e leis de conrole observadas Ese capiulo deve servir de base para o projeo do sisema de comando e conrole propriamene dio, no qual serão calculados numericamene odos os conroladores do conversor 65

86 Projeo do Sisema de Comando e Conrole Ese capíulo em por objeivo sineizar, analisar e projear o sisema de comando e conrole do conversor proposo, seguindo o raciocínio e a écnica apresenados no capíulo anerior Primeiramene será explicado em dealhes cada bloco do diagrama de conrole, e após será apresenado e jusificado o méodo de ransformação bi-linear que propicia o projeo dos conroladores de forma similar às écnicas convencionais no domínio da freqüência, comumene conhecidas no meio cienífico bserva-se em [7], por exemplo, um esudo bem dealhado desse ipo de abordagem Por fim os conroladores serão projeados e calculados, e a parir deses serão obidas as equações a diferenças que fuuramene, durane a fase de implemenação práica, serão uilizadas na programação do DSP Função Transferência do Sensor de Correne Sabe-se que o DSP a ser uilizado para a implemenação práica possui conversores A/D com enradas em ensão de 0 a V Para os sinais a serem medidos, sempre que possível, a fim de se ober a melhor resolução dos conversores A/D com relação à excursão, 0V deve equivaler ao pico negaivo mínimo, e V ao pico posiivo máximo Em função da obrigaoriedade de enrada em ensão, os sinais de correne deverão ser primeiro converidos em ensão e ajusados anes da submissão ao DSP Exisem vários disposiivos que podem ser uilizados para a ransformação de um sinal de correne em ensão Pode-se mencionar, por exemplo, os ransduores e os sensores de efeio Hall Eses possuem, em sua forma padrão, um laço fechado de correne que assegura precisão ano para medições DC quano para AC Além disso, possuem isolação elérica enre o sinal de enrada e o de saída Por quesões práicas, será uilizado ese ipo de sensor durane a fase de implemenação Um sensor de efeio Hall que possui excelene precisão e muio boa linearidade é o sensor LA 55-P/SP da empresa LEM Componens proporcional ao sinal de enrada e sua saída é em correne Nese o sinal de saída é diagrama esquemáico desse sensor pode ser observado na Figura -, e suas principais caracerísicas podem ser observadas na Tabela conforme segue: 66

87 P Vs V M -V Vo_sc R M S -Vs Figura - Diagrama Esquemáico do Sensor de Efeio Hall LA 55-P/SP Tabela Principais Caracerísicas do Sensor LA 55-P/SP Relação Enre a Correne do Primário P e do Secundário S Correne nominal RMS do primário PN : Correne do secundário S : 50A S P /000A Faixa de valores permiidos para a resisência de medição R M : Alimenação do sensor Temperaura Ambiene Ta Faixa de medição P T a 70ºC T a 85ºC -V -5V 50 A P 50A 0Ω R M 00Ω 60Ω R M 95Ω 50Ω R M 60Ω 5Ω R M 55Ω Para o sensor represenado pela Figura -, a expressão que relaciona a ensão de saída com a correne de enrada é mosrada a seguir: n R 000 P V _ SC onde, conforme já mencionado, P é a correne no primário correne a ser medida, n é o número de volas, e R M é a resisência de medição de saída, calculada em função da ensão desejada e da faixa de valores admissíveis pelo fabricane valor 000 represena o ganho inerno do sensor relação :000 M 67

88 Como a correne nominal de cada fase a ser medida na enrada do conversor é de 7,54A RMS, conforme equação 88, opa-se por uilizar o sensor LA 55-P/SP com duas volas, para melhorar a precisão Assim, em-se que a correne máxima em módulo visa pelo primário do sensor corresponde ao seguine valor: máx 7,54, A onde, o muliplicador represena duas volas no sensor valor de R M para uma emperaura ambiene de 70ºC, conforme Tabela, esa limiado enre 50 e 60 Para a implemenação práica será uilizado um poenciômero de precisão de 0 volas Desa forma o valor de R M poderá ser ajusado de forma propícia Assim, uilizando-se um valor de 00, em-se que a ensão de saída, para uma variação do sinal de enrada de -,A a,a, excursionará enre a seguine faixa:,07 V V _ C, 07V Desa forma, com base na equação, pode-se considerar a função de ransferência do sensor de correne como sendo um simples ganho conforme segue: V R _ SC M n P 000 K SC 00 K SC 0, 000 onde, n é o número de volas, e R M é a resisência de medição 4 Além do que foi considerado, deve-se somar um nível DC pré-ajusado de forma conveniene ao sinal V _SC, de sore que o pono equivalene a 0A no sinal de enrada a ser lido corresponda ao pono cenral da faixa de leiura do conversor A/D no DSP, ou seja,,5v Filros Ani-Aliasing e Passa-Baixas Conforme pode ser observado aravés das figuras Figura -0 e Figura -, opouse por uilizar filros ani-aliasing para as malhas de correne e para a malha de ensão no elo CC 68

89 Ressala-se, conudo, que para a leiura das ensões de linha faz-se necessário a uilização de filros passa-baixas com freqüência de core menor 50Hz, por exemplo so se deve ao fao de que as ensões de fase, ou de linha, são influenciadas pela freqüência de chaveameno dos GBT s, de forma que um filro ani-aliasing, sinonizado para uma freqüência de core em orno da meade da freqüência de amosragem, que é a freqüência de projeo para esse ipo de filro como será apresenado no próximo ópico, não aende correamene ao propósio de sua uilização Para as leiuras de correne de linha e da ensão do elo CC a influência do chaveameno dos GBTs não é relevane uma vez que as próprias induâncias de linha e o capacior do barrameno CC funcionam como filros naurais Filro Ani-Aliasing Para que um sinal possa ser reproduzido inegralmene, a freqüência de amosragem deve ser maior ou igual ao dobro da maior freqüência conida no sinal a ser amosrado - Teorema de Nyquis Nos sisemas amosrados pode ocorrer um fenômeno chamado Aliasing, ou freqüências réplicas, que ocorre quando um sinal de ala freqüência assume a idenidade de um sinal de freqüência inferior, conforme ilusra a Figura - abaixo: Valores Amosrados Figura - lusração do Fenômeno Aliasing Como não é possível garanir que um sinal a ser medido não eseja misurado com ouros sinais, ais como disorções, inerferências e ruídos, por exemplo, que podem possuir elevadas freqüências, é necessário passar o sinal de ineresse aravés de um filro 69

90 passa-baixas com freqüência de core igual ou menor a meade da freqüência de amosragem Esse filro é denominado de ani-aliasing Conforme comenado, o filro ani-aliasing objeiva eliminar as componenes de freqüência superior à meade da freqüência de amosragem bserva-se em [7] o projeo simplificado de um filro com as caracerísicas ciadas A função de ransferência do filro pode ser represenada da seguine forma: kfaa G FAA S S kfaa 5 onde, kfaa π fa fa freqüência de amosragem A Figura - ilusra o diagrama esquemáico de monagem Deve-se aplicar o filro ani-aliasing para odos os sinais a serem medidos e amosrados Ca -Vin Vin Rb Rb - Ra Vou Ca Ra Figura - Diagrama Elérico do Filro Ani-Aliasing Para o circuio represenado pela Figura -, fazendo-se -Vin igual a zero, a função de ransferência pode ser considerada conforme segue: Vou S Ra / Rb V S S C R in a a 6 Da equação 6, fazendo-se Ra Rb, em-se que: 70

91 V V ou in S S S C R a a S C R a C R Por comparação enre as equações 5 e 7 em-se que: a a a 7 kfaa C a R a 8 onde, C R / π fa fa freqüência de amosragem a a Filro Passa-Baixas Conforme comenado, a operação chaveada do conversor provoca uma conaminação harmônica das ensões de fase a serem lidas: [] e [] Como o conrole proposo baseia-se na orienação do veor ensão resulane das ensões lidas em coordenadas dq0, essa conaminação pode ser consideravelmene prejudicial para o correo funcionameno do conversor A Figura -4 ilusra um filro aivo passa-baixas Buerworh de quara ordem com freqüência de core de 50 Hz que pode ser uilizado para eliminar as componenes harmônicas indesejadas A equação 9 represena a função de ransferência genérica para esse filro Si k k 50nF 0k 50nF - k k k 50nF 0k 50nF - 5k So Figura -4 Diagrama Elérico do Filro Buerworh de 4ª rdem fc50hz T S K ω N o S P S P S P N 9 onde, K represena o ganho, o represena a freqüência de projeo ou core, e P, P P N represenam os pólos do filro 7

92 Conudo, o filro mosrado na Figura -4 inroduz um defasameno no sinal lido, fao que precisa ser levado em cona pela roina de leiura, raameno e PLL no DSP [] apresena um algorimo de compensação de fase que se baseia na curva de resposa de fase do filro Em resumo, esse algorimo decompõe o veor ensão lido em coordenadas dq0, e na ransformação inversa, dq0 para ABC, ao invés de uilizar ângulo zero, ípico dessa ransformação, uiliza um ângulo obido do cálculo de defasagem do filro pono chave do algorimo esa associado ao cálculo correo do ângulo, que pode ser deerminado com o auxílio de um osciloscópio digial bviamene, o sinal de ensão deve ser condicionado a valores compaíveis com a enrada do filro filro da Figura -4 possui ganho de,5 Assim, pode-se uilizar um ransformador de baixa poência 0VA, por exemplo com relação de :00 aproximadamene A Figura -5 ilusra o esquema de medição para as ensões de fase, conforme segue: Tensão de Fase Trafo Divisor Filro PB fc50hz Somador de Nível DC Vai para Conversor A/D no DSP 08,8: :,5 79,6V pico 0,86V pico,0v pico,80v pico 0,0V vale Figura -5 lusração da Medição de Tensão de Uma Das Fases - Desa forma, pode-se chegar a seguiane função de ransferência para o sensor de ensão de fase e filro passa-baixas: Vf Vf ou Kv Kv 0, 007 in,0 79,6 0 onde, Vf ou represena a ensão de pico na saída do filro passa-baixas e Vf in a ensão de pico de fase na enrada do conversor 7

93 Função Transferência do Conversor A/D s conversores analógicos digiais êm a função de raduzirem sinais analógicos em sinais digiais, ou numéricos na forma de bis A Figura -6 ilusra o diagrama de blocos da leiura de um sinal qualquer Sinal Analógico ~ ~ Filro Passa-Baixas Amosragem Conversor A/D Reenção Sinal Digial Figura -6 Leiura de um Sinal Qualquer Por um Conversor A/D A relação enre o valor analógico e o digializado pelo conversor A/D pode ser represenada pela seguine equação: DG S AN S L S S S H onde, S AN é o sinal analógico, S L e S H são os sinais de nível baixo e alo, respecivamene, e n segnifica o número de bis do conversor A/D L n s DSP s 407 e 8 da Texas nsrumens TM possuem conversores A/D com enradas em ensão, sendo S L 0V e S H V conversor do 407 é de 0 bis resolução de 0 04 níveis, enquano o conversor do 8 é de bis resolução de 4096 níveis Nauralmene, o sinal a ser medido deve esar condicionado denro dos limies S L e S H do conversor A/D Desa forma, da equação, considerando-se S L 0, é possível calcular o ganho devido à amosragem de um sinal, o qual pode ser represenado conforme segue: K AD S S DG AN S n H 7

94 4 Função de Transferência do Sensor de Tensão do Barrameno Para a medição da ensão no barrameno CC será uilizado o sensor LV 0-P da empresa LEM Componens, que possui excelene precisão, muio boa linearidade, baixo deslocameno érmico, resposa rápida, boa largura de banda e ala imunidade a inerferências exernas A Figura -7 ilusra o diagrama esquemáico do sensor LV 0-P, onde R represena a resisência primária, que deve ser calculada em função da correne nominal admissível e da precisão desejada, HT e HT represenam as enradas diferenciais de ensão, ou seja, sinal a ser medido, V e V- represenam as enradas de alimenação, S a correne do sinal de saída, proporcional ao sinal de enrada, e R M represena a resisência de medição, calculada em função do ganho desejado e dos valores admissíveis desa resisência obém-se o sinal de saída de ensão V _ST A Tabela mosra as principais caracerísicas desse sensor Vo R V HT LV 0-P M -HT - s RM Vo_s V- Figura -7 Diagrama Esquemáico do Sensor Transduor de Tensão LV 0-P Tabela Principais Caracerísicas do Sensor LV 0-P Faixa de Medição de Tensão V PN : 0V a 500V Relação Enre a Correne do Primário PN e do Secundário SN Correne nominal RMS do primário PN : Correne nominal do secundário SN : 0mA 5mA Relação SN / PN,5 Faixa de Valores Permiidos Para a Resisência de Medição R M : 74

95 Alimenação do sensor -V -5V Faixa de Correne P 0 ma P 0mA Valores Permiidos de R M 0Ω R M 90Ω 00Ω R M 50Ω Valor da resisência R Calculada em Função de PN : R V PN /0m Conforme as informações relaadas, a função ransferência para o sensor de ensão no barrameno CC pode ser considerada como um simples ganho conforme segue: Vou Vin V _ ST,5 R V R M Ks valor de R pode ser obido da relação enre a magniude da ensão a ser medida e a correne nominal do primário do sensor Considerando-se que a ensão poderá variar em orno de 5% durane ransiórios, em-se que: 400V ± 5% R 40kΩ ± 6 0kΩ 0mA 4 Respeiando-se o pior caso e observando-se um valor comercial opou-se por uilizar o seguine resisor: R 47kΩ 5 Considerando-se que o sensor em quesão será alimenado com uma fone simérica de 5V, conforme dados do caálogo, opou-se por uilizar o valor de R M, aravés de um poenciômero ajusado Desa forma, subsiuindo-se os valores de R e R M na equação chega-se ao seguine ganho: Vou Vin V Ks,5, 6,5m 47k V 6 Assim, para uma ensão no barrameno de 400V, a ensão sobre o resisor de medição apresenará o seguine valor: 75

96 V SC 4006,5m, 6V _ 7 5 Meodologia de Projeo Para os Conroladores Digiais projeo dos conroladores digiais pode ser dividido em duas fases: modelameno maemáico e projeo Na primeira fase busca-se o equacionameno que descreve o processo, e que deve ser uilizado para análise e esudo do sisema de conrole Na segunda fase realiza-se o projeo propriamene dio A fim de uilizarem-se as écnicas de projeo convencionais de resposa em freqüência no domínio S, amplamene conhecidas no meio cienífico, será nese rabalho realizada a ransformação bi-linear do plano Z para o plano W [5], [5] Conforme será apresenado, ese ulimo plano possui comporameno equivalene ao plano S, quando ceros criérios são respeiados méodo de resposa em freqüência em sido freqüenemene uilizado no projeo de conroladores, principalmene devido à sua simplicidade bserva-se em [7], por exemplo, o projeo dos conroladores digiais uilizando os criérios de esabilidade de Rouh e de Hurwiz, onde um roeiro de projeo pode ser observado Segue abaixo um resumo dos passos que podem ser seguidos: A parir da função de ransferência da plana no plano Z, aplicando-se a ransformação ZW referida, obém-se a função de ransferência no plano W período de amosragem deve ser apropriadamene escolhido para eviar desvios e disorções Subsiuindo-se jω por jυ em Gjω, raçam-se os diagramas de Bode para Gjυ bservam-se o erro esáico, a margem de fase e a margem de ganho do diagrama Gjυ raçado 4 Assumindo-se que o ganho em baixas freqüências da função de ransferência do conrolador HW é uniária, deermina-se o ganho do sisema que saisfaz a consane de erro esáica 5 Aravés das écnicas de projeo convencionais para sisemas de conrole conínuos no empo, deerminam-se os pólos e os zeros da função de ransferência do conrolador digial 76

97 6 Uilizando-se a ransformação bi-linear inversa, reescreve-se HZ a parir de HW, obendo-se, assim, a função de ransferência amosrada do conrolador digial 7 Por fim, implemena-se a função amosrada HZ uilizando-se as equações a diferenças, aravés de um algorimo compuacional A Figura -8 ilusra uma plana no domínio discreo sendo observada no domínio conínuo, aravés da aplicação do bloco ZohS denominado segurador de ordem zero Domínio Conínuo Domínio Discreo Ta - e TaS S GS GZ ZohS Plana Plana Figura -8 Diagrama de Blocos Represenaivo: Planas no Domínio S e Z 5 Mapeameno dos Planos S, Z e W Conforme já comenado, pode-se projear os conroladores no domínio W uilizando-se as écnicas convencionais de resposa em freqüência Assim, pode-se uilizar o diagrama de Bode para verificar a necessidade de modificação da resposa em freqüência do sisema pela inserção de um compensador ou conrolador Para realizar o mapeameno do plano S para o plano Z pode-se uilizar a seguine equação: Z e Ta S 8 onde, T a represena o empo de amosragem De forma semelhane, para realizar o mapeameno do plano Z para o plano W pode-se uilizar a seguine equação: W Ta Z Z 9 A equação 9 é conhecida como ransformação bi-linear 77

98 A Figura -9 esboça graficamene o mapeameno do plano S para o plano W, passando pelo plano Z Plano "S" Plano "Z" Plano "W" m 0 jws -jws Re m 0 Re Z e TaS W Ta Z - Z Ta m 0 Re Figura -9 Diagrama de Blocos Represenaivo: Planas no Domínio S, Z e W Conforme pode ser observado aravés Figura -9, as equações 8 e 9 realizam uma ransformação dos valores conidos no plano S para o plano W semiplano esquerdo do plano S é primeiro mapeado denro do círculo uniário no plano Z, e ese por sua vez é mapeado no semi-plano esquerdo do plano W 5 Disorções riundas do Mapeameno Enre os Planos S e W Tende-se a uilizar as écnicas convencionais de resposa em freqüência para o projeo dos conroladores devido principalmene ao domínio e a facilidade dese ipo de abordagem Ressala-se, conudo, que o mapeameno do plano S para o plano W inroduz uma disorção em módulo, conforme ilusra a seguine equação: ω Ta v an Ta onde, v represena uma freqüência ficícia relacionada a freqüência real, e Ta represena o empo de amosragem 0 De acordo com [5], variando-se a freqüência v de zero a infinio, a ransformação π bi-linear comprime a variação da freqüência ω de zero a Ta Freqüência de Nyquis Quano menor o empo de amosragem maior a faixa de freqüência em que v e podem ser consideradas correlaas linearmene so jusifica a alas freqüências de amosragem observadas em rabalhos que uilizam ese ipo de abordagem 78

99 gráfico da Figura -0 mosra a relação enre as freqüências v e, de acordo com a equação 0, para uma freqüência de amosragem de 0kHz ou 68krad/s x v [rad/s] x 0 4 w [rad/s] Figura -0 Relação Enre as Freqüências v e Para Ta/0kHz Conforme pode ser observado, com uma freqüência de amosragem de 0kHz freqüência a ser uilizada na fase de implemenação, para aé 5krad/s praicamene não exise disorção enre as freqüências v e s sinais a serem amosrados possuem freqüência fundamenal de 60Hz Para os projeos dos conroladores, conforme procedimenos que serão ilusrados no capíulo seguine, a freqüência de core das malhas de correne, que são as mais rápidas do sisema, esarão abaixo de 5krad/s Desa forma, espera-se não haver disorções significaivas enre as funções represenadas no plano W e suas correlaas no plano S 6 Procedimeno de Projeo Dos Conroladores Digiais Conforme já comenado, uma vez obida as funções de ransferências dos blocos de conrole e medição que descrevem o comporameno do conversor, aravés das ransformações dos planos SZ e ZW pode-se projear os conroladores digiais de forma análoga ao procedimeno ou méodo de análise de resposa em freqüência Considerando-se o conversor proposo, segue abaixo um resumo dos criérios ou procedimenos dese méodo: 79

100 Margem de fase deve esar enre 45 o e 90 o ; A inclinação da curva de ganho para o sisema em laço abero deve ser de - 0dB/década na frequência de cruzameno ; erro esáico deve ser nulo; 4 Para as malhas de correne a freqüência de cruzameno da curva de ganho com o eixo de 0dB, para o sisema em laço abero, deve ser no mínimo quaro vezes menor do que a freqüência de chaveameno: fs fc < ou 4 ωs ω c < 4 nde, fc e c represenam a freqüência de core, e fs e s represenam a freqüência de chaveameno do conversor, em Herz e rad/s respecivamene 5 Para a malha de ensão a freqüência de cruzameno deve ser da ordem de dezenas de Herz É recomendado ainda por [] que a freqüência de amosragem seja da ordem de 0 vezes maior que a freqüência de chaveameno Porém como será uilizado um DSP de alo desempenho, o qual garanirá que os cálculos do conrole serão realizados em empo hábil para amosrar, processar e auar nas chaves de poência denro de um período de chaveameno, será considerado uma freqüência de amosragem igual à freqüência de chaveameno De cera forma al consideração elimina processamenos que seriam realizados sem a devida auação direa, pois mesmo que o resulado do cálculo de conrole esivesse prono à uma freqüência elevada, ese somene refliiria auação nas chaves de acordo com a freqüência de chaveameno 7 Projeo dos Conroladores de Correne Como o projeo dos conroladores será realizado uilizando-se as écnicas convencionais de resposa em freqüência, os arasos do conversor PWM serão desconsiderados, pois eses são despresíveis quando comparados ao empo de auação dos conroladores so é aceiável uma vez que a análise é feia em malha abera, sendo que os arasos são realmene significaivos em malha fechada 80

101 Sabendo-se que as malhas de conrole realizarão a compensação de forma inversa ao acoplameno enre as componenes de eixos direo e em quadraura, para a análise e o projeo dos conroladores, al acoplameno poderá ser desprezado Tal consideração já foi ilusrada aravés das figuras Figura -5 e Figura -7 Desa forma, a Figura -0 pode ser simplificada, conforme ilusra a Figura - a seguir: d*'z - EdZ Conrolador P Ud*Z Conversor D/A Ud*'S Kconv UdS LSR ds Conversor PWM Plana de Correne GidS d'z K AD c Ta Kfaa SKfaa Ksc DSP Conversor A/D Filro Ani- Aliasing Sensor de Correne q*'z - EqZ Conrolador P Uq*Z Conversor D/A Uq*'S Kconv UqS LSR qs Conversor PWM Plana de Correne GiqS q'z K AD c Ta Kfaa SKfaa Ksc Conversor A/D Filro Ani- Aliasing Sensor de Correne Figura - Malhas de Conrole de Correne em Coordenadas dq0 Para o conversor D/A pode-se uilizar a função de ransferência observada em [5], que é deerminada aravés de resposas à impulsos A equação ilusra a referida função de ransferência: e FT _ DA S S STa Aravés dos diagramas de blocos ilusrados na Figura - pode-se ober a seguine função de ransferência em malha abera no domínio S conforme segue: 8

102 K FTMA _ Gi _ dq S conv SC L S R S K faa faa K K K AD Na equação ilusrada por, para fins de projeo dos conroladores, a parcela que represena o ganho do filro ani-aliasing será desprezada, pois seu pólo esa localizado numa freqüência consideravelmene afasada da banda de ineresse Assim, sabendo-se Ta S que Z e, equação 8, e considerando-se o conversor D/A, equação,chegase a seguine expressão no domínio Z : FTMA _ Gi _ dq Z Z ΖK conv K SC K AD S L S R 4 Considerando-se K K K K, e uilizando-se da propriedade de conv SC AD muliplicação por uma consane das ransformadas Z [5], em-se que: FTMA _ Gi _ dq Z Z K Ζ S L S R 5 Expandindo-se em frações parciais chega-se a seguine expressão: FTMA _ Gi _ dq Z Z L K Ζ R R S L S R 6 em-se que: Realizando-se a ransformação do plano S para o plano Z, dos ermos falanes, FTMA _ Gi _ dq Z K Z Z Z R R Z Ta L Z e 7 Reescrevendo-se a equação 7 chega-se a seguine expressão: 8

103 FTMA _ Gi _ dq Z K R Z Z e R Ta L 8 Da equação 8, para se ober a função de ransferência no plano W, pode-se subsiuir a variável Z com o uso da ransformação bi-linear de Tusin conforme segue: Assim, obém-se: FTMA _ Gi _ dq W Ta W Z Ta W K R Ta W Ta W Ta W R L e Ta W Ta 9 0 A equação 0 pode ser resumida conforme segue: K FTMA _ Gi _ dq W R R e Ta Ta L W e R Ta L W onde, para a aplicação em quesão, as consanes possuem os seguines valores: K KCNV K SC K ADc 8,7 R 0, Ω L,74 mh Ta 50µ s V K CNV,5 VTH K SC 0, K ADc 68,67 400,5 750,670 8

104 Agora, pode-se realizar a análise de resposa em freqüência do sisema em quesão Assim, a Figura - ilusra o diagrama de Bode da função de ransferência de malha abera FTMA de correne no plano W, equação, conforme segue: Angf Gf f [Hz] Gf0logFTMA_Gi_dq_Wf Angf80/piarg[FTMA_Gi_dq_Wf] f [Hz] Figura - Diagrama de Bode da FTMA de Correne em Coordenadas dq0 0 Em função das caracerísicas da aplicação, deseja-se que o conversor possua freqüência de core de,5khz, ou seja, f s /8 A Figura - ilusra a FTMA de correne, em coordenadas dq0, nos planos S e W respecivamene Conforme pode ser observado, aé a freqüência de 4kHz para o ganho e 00Hz para a fase praicamene não exisem diferenças enre ambos os planos Como a freqüência de core desejada é de,5khz, as análises no plano W podem ser realizadas de forma similar às análises no plano S sem erros significaivos Conforme pode ser observado, exise uma diferença de aproximadamene 0º enre as fases dos planos S e W na freqüência de core Acredia-se que esa diferença não cause desvios significaivos na abordagem de conrole por coordenadas dq0 84

105 GSf GWf AngSf AngWf GSf0logFTMA_Gi_dq_Sf GWf0logFTMA_Gi_dq_Wf f [Hz] AngSf80/piarg[FTMA_Gi_dq_Sf] AngWf80/piarg[FTMA_Gi_dq_Wf] f [Hz] Figura - Diagrama de Bode da FTMA de Correne: Comparação Enre os Planos S e W bserva-se aravés da Figura - que na passagem por um oiavo da freqüência de chaveameno, fs 8,º,5kHz, o ganho é de aproximadamene -,60db e a fase de - Em função do comporameno do sisema, e ambém conforme já jusificado aneriormene, para o conrole das malhas de correne serão uilizados conroladores P A equação ilusra a função de ransferência desse ipo de conrolador no plano W conforme segue: G P W K P W Zw W onde, Zw represena o zero do conrolador, K K e K K Zw P P P zero da equação deve ser alocado de forma conveniene para se ober margem de fase enre 45º e 90º, e inclinação de 0dB na freqüência de cruzameno valor de K P pode ser obido da seguine equação: 85

106 K P 0 [ ganho _ FTMA fc] db 0 4 Como o ganho na freqüência de core é de -,6dB, aravés da equação 4 emse que K 4, 78 Assim, chega-se aos seguines valores para os conroladores de correne P: P K K P K K P P 4,78 Zw 4,78* onde, do pono de visa de conrole, as malhas de correne são siméricas, e ambos os dois conroladores, ano o de eixo direo quano o de eixo em quadradura, possuem os mesmos valores A Figura -4 mosra o diagrama de Bode do conrolador P, equação, com os valores de K P e K enconrados, equação 5 De forma semelhane a Figura -5 ilusra o comporameno global do sisema: conrolador P FTMA de correne, conforme segue: 45 Gf0logG_P_Wf 5 Gf 5 5 Angf f [Hz] Angf80/piarg[G_P_Wf] f [Hz] 00 0 Figura -4 Diagrama de bode do Conrolador P: K P e K Pré-Ajusados 86

107 Angf Gf0logG_P_Wf*G_FTMA_Gi_dq_Wf Gf f [Hz] Angf80/piG_P_Wf*G_FTMA_Gi_dq_Wf f [Hz] Figura -5 Diagrama de bode do Conrolador FTMA de Correne Conforme pode ser observado aravés da Figura -5, o conrolador P faz com que o sisema possua margem de fase em orno de 68º, margem de ganho de 8,74dB, inclinação de 0 db / década e cruzameno por 0 db em fs / 8 500Hz, de acordo, porano, com as especificações de projeo desejadas 8 Projeo do Conrolador de Tensão no Barrameno CC A malha de ensão é a malha mais exerna do sisema de conrole A faixa de freqüência desa malha é bem menor do que a da malha de correne s conversores reificadores pones a diodo rifásicos comuns possuem uma ondulação de 60Hz no barrameno CC, que é inrínseca à sua arquieura de funcionameno Nos conversores reificadores chaveados, conforme objeivo dese rabalho, o sisema de conrole deve comandar as chaves de poência de forma propícia a fim de se ober uma ondulação de ensão no barrameno mínima, e ambém maner as correnes de enrada senoidais e em fase com as respecivas ensões de enrada Caso seja uilizado uma freqüência muio elevada para esa malha o conrole de ensão orna-se basane robuso deixando a ensão no barrameno praicamene consane e 87

108 com uma auação rápida durane os ransiórios Porém, em conraparida à esa robusez, as ondulações inrínsecas ao sisema acabam modulando as correnes de enrada do conversor, fazendo com que o faor de poência deixe de ser uniário em suma, ou a ondulação aparece no barrameno ou nas correnes so deve ser levado em cona na deerminação dos criérios de projeo A Figura -6 mosra novamene o diagrama de blocos para a malha de ensão: d0 d0 Vo*Z 0 - E VoZ Conrolador P DSP d*z d*z dz d*z Malha de Correne dz - dz D/A Conversor D/A ds VoS ds Plana de Tensão VoS Vo'Z VdigMax n Conversor A/D Ta Kfaa SKfaa Filro Ani- Aliasing Ks Sensor de Tensão Figura -6 Malha de Conrole da Tensão no Barrameno CC As malhas de correne, já apresenadas, são muio mais rápidas do que a malha de ensão Desa forma, pode-se considerar que para uma deerminada referência de ensão, a resposa em correne é praicamene insanânea bservando-se os diagramas ilusrados na Figura -, em regime permanene as funções de ransferência das malhas de correne de eixo direo em quadraura podem ser represenadas pelo inverso dos ganhos da malha de realimenação conforme segue: dq S Kfaa dq*' K K Kfaa SC ADc 6 Assim, aravés da malha de ensão ilusrada pela Figura -6 e das equações e 6, pode-se chegar a seguine função de ransferência em malha abera: S K faa FTMA_ Gv S 7 K SC K ADc K faa VdP C V P S faa K K ST K S K faa AD 88

109 Simplificando-se a equação 7 chega-se facilmene a seguine expressão: K FTMA_ Gv S K K K ADc VdP C V P S ST AD SC 8 Ta S Da equação 8, sabendo-se que Z e, equação 8, e considerando-se a represenação do conversor D/A, equação, chega-se a seguine expressão: FTMA_ Gv Z Z K K K K VdP C V Z S ST AD SC ADc P 9 As consanes da equação 9 podem ser agrupadas conforme segue: K K K K ADc VdP C V ST AD SC P C 40 Desa forma, da equação 9, considerando-se a equação 40, uilizando-se de uma abela observada em [5], que relaciona funções e ransformadas enre os planos S e Z, e desconsiderando-se os arasos, chega-se a seguine equação: FTMA _ Gv Z Z C Ta Z Z 4 A equação 4 pode ser resumida conforme segue: Ta FTMA _ Gv Z C Z 4 Também, da equação 4, para se ober a função de ransferência no plano W, pode-se subsiuir a variável Z com o uso da ransformação bi-linear conforme segue: 89

110 Assim, obém-se: T W Z T W Ta FTMA _ Gv W C TaW TaW 4 44 A equação 44 pode ser resumida conforme segue: Ta W FTMA _ Gv W C W 45 onde, para a aplicação em quesão, as consanes possuem os seguines valores: K K K K V V C SC ST AD ADc dp P 0, VdP C C V 0, ,4 68, ,6 P K K 6 ST SC K K AD ADc 8,9 46 De forma semelhane à meodologia empregada para as malhas de correne, pode-se realizar uma análise de resposa em freqüência do sisema em quesão Assim, a Figura -7 ilusra o diagrama de bode da equação 45 A Figura -8 ilusra a função de ransferência de malha abera FTMA de ensão, nos planos S e W respecivamene Conforme pode ser observado, aé a freqüência de 5kHz para o módulo e 00Hz para a fase, praicamene não exisem diferenças enre ambos os planos, de sore que as análises no plano W podem ser realizadas de forma similar às análises no plano S sem erros significaivos, pois, 90

111 conforme será deerminado logo a seguir, a freqüência de core para esa malha deverá ficar em orno de 6Hz Gf Angf Gf0logFTMA_Gv_Wf f [Hz] Angf80/piarg[FTMA_Gv_Wf] f [Hz] Figura -7 Diagrama de Bode da FTMA de Tensão no Barrameno CC GSf GWf AngSf AngWf GSf0logFTMA_Gv_Sf GWf0logFTMA_Gv_Wf f [Hz] AngSf80/piarg[FTMA_Gv_Sf] AngWf80/piarg[FTMA_Gv_Wf] f [Hz] Figura -8 Diagrama de Bode da FTMA de Tensão: Comparação Enre os Planos S e W 9

112 Conforme já mencionado, caso seja uilizado uma freqüência de core muio elevada para a malha de ensão, o ripple de ensão no barrameno CC é reduzido, e o sisema de conrole apresena auação rápida durane os ransiórios Conudo, em conraparida à essa robusez, as ondulações inrínsecas ao sisema acabam modulando as correnes de enrada do conversor, fazendo com que o faor de poência deixe de ser uniário Assim, como um dos principais objeivos desse rabalho é maner o faor de poência praicamene uniário, para o projeo do conrolador de ensão opa-se por uilizar uma freqüência de core baixa de aproximadamene 6Hz, que deve aender aos requisios funcionais, uma vez que as reversões de energia não são abrupas, mas possuem um inervalo de empo da ordem de milesegundos bserva-se aravés da Figura -7 que na passagem pela freqüência de core de 6 Hz desejada, o ganho é de aproximadamene -5,9db e a fase de -90,º Também nese caso, em função do comporameno do sisema, e ambém conforme já jusificado aneriormene, para o conrole da malha de ensão será uilizado um conrolador P A equação 47 ilusra mais uma vez a função de ransferência dese conrolador no plano W conforme segue: G P W K P W Zw W 47 onde, Zw represena o zero do conrolador, K K e K K Zw P P P Novamene, o zero da equação 46 deve ser alocado de forma conveniene para se ober margem de fase enre 45º e 90º, e inclinação de 0dB na freqüência de cruzameno E ambém, o valor de K P pode ser obido da seguine equação: K P 0 [ ganho _ FTMA fc] db 0 48 onde, fc represena a freqüência de core, que para a aplicação em quesão é de 6Hz Assim, chega-se ao se ao seguine valor: 9

113 K P 5,9db 0 0 5,8 49 Desa forma, calculando-se as consanes, chega-se aos seguines valores para o conrolador de ensão P: K K P K K P P 5,8 Zw 5,8*50 90,6 50 A Figura -9 mosra o diagrama de Bode do conrolador P, equação 47, com os valores de K P e K enconrados, equação 50, conforme segue: 5 Gf0logG_P_Wf 0 5 Gf f [Hz] 0 Angf80/piarg[G_P_Wf] 0 Angf f [Hz] Figura -9 Diagrama de bode do Conrolador P: K P e K Pré-Ajusados de ensão A Figura -0 ilusra o comporameno global do sisema: conrolador P FTMA 9

114 Gf Angf f [Hz] Gf0logG_P_Wf*G_FTMA_Gv_Wf Angf80/piG_P_Wf*G_FTMA_Gv_Wf f [Hz] Figura -0 Diagrama de bode do Conrolador FTMA de Tensão Conforme pode ser observado aravés da Figura -0, o conrolador P faz com que o sisema possua margem de fase em orno de 77º, margem de ganho em orno de inclinação de 45db, 0 db / década e cruzameno por 0 db em 6Hz, de acordo, porano, com as especificações de projeo desejadas 9 Equações a Diferenças Dos Conroladores de Correne e de Tensão Conforme observado, serão uilizados conroladores P para a compensação das malhas de correne e de ensão A Figura - indica, de forma simplificada, a auação desse ipo de conrolador sobre o erro enre os sinais de referência e medido Valor de Referência Erro Conrolador - P Auação do Conrolador Valor Medido Figura - Esboço da Auação do Conrolador P 94

115 Na equação ou 47 ilusrou-se a função de ransferência desse ipo de conrolador no domínio W Conudo, a implemenação do algorimo de conrole no DSP requer que as equações sejam escrias no empo discreo, ou na forma de equações a diferenças Exisem vários méodos que podem ser uilizados para realizar essa arefa Um dos méodos mais simples uiliza a aproximação por soma rapezoidal conforme segue: K P e K τ 0 e k K e τ dτ K i 0 P k Ta [ e i e i ] 5 onde, K P represena o coeficiene proporcional, K represena o coeficiene inegral, e represena o erro no empo conínuo, ek represena o erro no empo discreo, Ta represena o empo de amosragem e k o empo discreo indexado: 0,,,, sendo k*ta Pode-se simplificar o coeficiene inegraivo de forma conveniene conforme segue: K ' Ta K 5 conrole: Desa forma, o conrolador P no empo discreo apresena a seguine lei de u k K P e k K ' k i 0 [ e i e i ] 5 Assim, para a implemenação no DSP, deve-se uilizar os coeficienes projeados, conforme os valores das equações 5 e 50 Desa maneira, os conroladores de correne apresenam a seguine equação a diferenças: u _ i dq Ta k 4,78 e k 478,40 k i 0 [ e i e i ] 54 95

116 E ambém, o conrolador de ensão no barrameno CC apresena a seguine equação a diferenças: Ta u _ v k 58 e k 906 k i 0 [ e i e i ] 55 ura maneira de se ober as equações a diferenças é a parir da função de ransferência do conrolador P no plano Z conforme segue: G P K Z P K Ta Z K Z Ta K P 56 Assim, para os conroladores de correne, subsiuindo-se os valores de K P e K enconrados e descrios pela equação 5 na equação 56, chega-se a seguine expressão: G P _ i dq U Z 4, Z 4, Z E Z Z 57 E desa forma, 4, Z 4, U Z Z E Z 58 Da equação 58, considerando-se o eorema do deslocameno, chega-se a seguine equação a diferenças para os conroladores de correne: u _ i dq k 4, e k e k u _ i k dq 59 De forma semelhane, para o conrolador de ensão no barrameno CC, subsiuindo-se os valores de K P e K enconrados e descrios pela equação 50 na equação 56, chega-se a seguine expressão: 96

117 G P U Z 5, Z _ v Z E Z Z 60 E assim, Z U Z Z E Z 6 E ambém, da equação 6, considerando-se o eorema do deslocameno, chegase a seguine equação a diferenças para o conrolador de ensão no barrameno CC: u _ v k 5, e k 5, e k u _ v k 6 0 Conclusão No presene capíulo foram sineizados, analisados e projeados o sisema de comando e conrole para o conversor proposo objeo desa disseração Todos os elemenos ais como sensores, filros e conversores foram considerados para a obenção das malhas de conrole de correne e de ensão globais Apresenou-se a écnica de projeo de conroladores discreos no domínio W, que é similar à écnica convencional no domínio da freqüência, e ambém foram analisados os efeios das disorções provenienes das aproximações do méodo uilizado Por fim, foram projeados numericamene odos os conroladores de correne e de ensão que serão uilizados na eapa de implemenação práica A análise do sisema em malha abera não considerou os arasos de amosragem e de auação do conversor reificador, que muda seu esado nas chaves de poência à axa da freqüência de chaveameno, uma vez que eses arasos são despresíveis quando comparados ao empo de auação dos conroladores, em especial o conrolador de ensão que possui freqüência de core da ordem de dezenas de Herz Saliena-se que, conforme já mencionado, os arasos do sisema são relevanes quando a análise é realizada em malha fechada, e desa forma, eses serão considerados durane as simulações numéricas que serão realizadas no próximo capíulo 97

118 4 Simulação do Conversor Proposo 4 nrodução Uma vez definidas e deerminadas as leis de conrole do conversor, faz-se ineressane realizar uma simulação de operação dese, a fim de se observar o funcionameno dinâmico e averiguar possíveis erros e ou elemenos desconsiderados durane as eapas aneriores, e homologar os conroladores projeados Desa forma, serão apresenados os resulados sob condições de operação nominais incluindo o comporameno do sisema durane os ransiórios decorrenes do início e do érmino da regeneração de energia A simulação será realizada no sofware Simulink TM que é pare inegrane do pacoe Malab TM, o qual foi escolhido em função das ferramenas observadas que podem ser uilizadas para a elerônica de poência - em especial, o conjuno de blocos conido na guia SimPowerBlock, pela facilidade de rabalho, e ambém por ser basane conhecido no meio cienífico 4 Diagramas de Blocos Para as Simulações A parir dos diagramas ilusrados nas figuras Figura -, Figura - e Figura -6 monaram-se os diagramas de blocos dos sisemas de poência e de conrole que represenam o conversor proposo Conforme pode ser observado na Figura 4-, o sisema para a simulação de operação do conversor foi dividido em rês pares disinas: Plana de Poência, Plana de Conrole e Gráficos Desa forma, na Plana de Poência buscou-se desacar os elemenos ou componenes de poência, na Plana de Comando buscou-se desacar os elemenos ou leis de conrole, e nos Gráficos buscou-se desacar as variáveis a serem medidas ou observadas durane a simulação 98

119 Plana de Poência v A A B v B C v Vabc C abc i v_ i_ R L ua ub uc [chaves] A B C - pulsos GBTs icr Co - v Vo - regd Carga Gráficos [Vo] Vo [v_] [i_] v_i [dk] Medições [qk] [0K] dq0 Plana de Conrole [VdK] [VqK] Medições / Sensores Kv [v_] -K- /796 5 offse_i [i_] Ksc 0 [Vo] Ks 65e- Sauração v_ Sauração i_ Sauração Vo ZH v_ ZH i_ ZH Vo Conv A/D v_ Cnv A/D i_ Conv A/D Vo Kad 5*Kad off se_o Kad Kad DSP v_k i_k VoK [i_k] sin_cos [v_k] sin_cos abc dq0 sin_cos abc_para_dq0 abc dq0 sin_cos abc_para_dq0 dk qk 0K VdK VqK V0K [V0K] 0 vi_l vi_gbt [icr] i_co Vdq _vi_l vi_gbt icr i_co_ 400 Vo Ref [VoK] K_d e[k] -K- e[k-] z Delay d -K- Ks*Kad K_d -K- K_Vo e[k] -K- e[k-] z Delay Vo K_Vo -K- Somador Vo u[k] u[k-] z Delay Vo Sauração P_Vo [dk] Somador d u[k] u[k-] z Delay d [VdK] Ud' Sauração P_d Ud* i_ro _i_ro_ Powergui -Discree, Ts e-006 s [qk] -K- -K- wlq wld? Sobre a Simulação [dq0] sin_cos dq0 abc sin_cos dq0_para_abc n u PWM_Veorial chaves 0 qk Ref e[k] z K_q -Ke[k-] wl K_q -K- Somador q u[k] u[k-] z Uq' Sauração P_q [VqK] Uq* [0K] dq0 Delay q Delay q Figura 4- Diagrama de Blocos Geral da Simulação 4 Plana de Poência A Figura 4- mosra a Plana de Poência em maior perspeciva, conforme segue: Plana de Poência v v A B A B C R L A B C Co - v Vo - Carga v C Vabc abc v_ i_ [chaves] pulsos GBTs - regd Medições Figura 4- Plana de Poência A Plana de Poência é composa basicamene pela alimenação da rede, represenada por rês fones de ensão defasadas enre si de 0º, rês impedâncias de linha, 99

120 que represenam as induâncias dos induores de enrada e suas resisências, uma pone universal de dois níveis à GBT s e diodos de roda-livre, que represenam as chaves de poência, o capacior de saída, e a carga a ser alimenada, represenada por uma resisência que drene a poência nominal do conversor Além do mencionado, o diagrama de poência apresena as conexões das medições a serem realizadas, ensões e correnes de enrada e ensão no barrameno CC, e ambém um bloco denominado regd que em a função de emular uma regeneração de energia durane um período pré-deerminado 4 Sensores e Medições A Figura 4- ilusra a represenação dos sensores de ensão e correne, além dos ganhos, ajuses, conversões, eliminação de níveis DC, e ransformações de coordenadas de abc para dq0 Teve-se como objeivo aproximar a simulação do real funcionameno do DSP a ser uilizado durane a implemenação práica Desa forma, uilizaram-se blocos de sauração que limiam os sinais de enrada de 0 a V, e ambém conversores com a escala de bis apropriada, além da uilização do bloco ZH que represena o amosrador de ordem zero Plana de Conrole Medições / Sensores Kv [v_] -K- /796 5 offse_i [i_] Ksc 0 [Vo] Ks 65e- Sauração v_ Sauração i_ Sauração Vo ZH v_ ZH i_ ZH Vo Conv A/D v_ Cnv A/D i_ Conv A/D Vo Kad Kad Kad 5*Kad off se_o DSP v_k i_k VoK [i_k] sin_cos abc dq0 sin_cos abc_para_dq0 dk qk 0K [v_k] sin_cos abc dq0 sin_cos abc_para_dq0 VdK VqK V0K Figura 4- Plana de Conrole Medições / Sensores 00

121 4 Plana de Conrole A Figura 4-4 ilusra o diagrama de conrole propriamene dio, onde as leis e equações que deerminam o funcionameno do conversor foram implemenadas Plana de Conrole 400 Vo Ref [VoK] K_d e[k] -K- e[k-] z Delay d -K- Ks*Kad -K- K_Vo e[k] -K- e[k-] z Delay Vo K_Vo -K- Somador Vo u[k] u[k-] z Delay Vo Sauração P_Vo [dk] K_d -K- Somador d u[k] u[k-] z Delay d [VdK] Sauração P_d Ud' wlq Ud* [qk] -K- wld [dq0] sin_cos dq0 abc sin_cos dq0_para_abc n u PWM_Veorial chaves 0 qk Ref K_q e[k] -K- e[k-] z Delay q K_q -K- wl Somador q u[k] u[k-] z Delay q Sauração P_q [VqK] Uq' Uq* [0K] dq0 Figura 4-4 Plana de Conrole Malhas de Conrole de Tensão e Correne, e Sinais de Comando Para os GBTs A plana de conrole é composa basicamene por conroladores P s implemenados no formao de equações a diferenças, somadores, diferenciadores, limiadores, amplificadores, bloco de ransformação e coordenadas de dq0 para abc num referencial síncrono, gerador de referências pseudo-veorial, e um bloco de geração de sinais PWM valor desejado para o barrameno CC serve como referência inicial do conrole A diferença enre a ensão desejada e a medida é submeida a um conrolador P, que resula em sua saída a referencia de correne de eixo d A diferença enre essa correne de referência e a medida é aplicada enão a ouro conrolador P, que fornece como resulado a referência de ensão de eixo d U d De forma semelhane, desejando-se que a correne de eixo q seja igual a zero, aplica-se a diferença enre zero e a correne de eixo q medida, à ouro conrolador P, que resula em sua saída uma referencia de ensão de eixo q U q A parir das referências de ensões de eixos d e q obidas, e ambém com base nas correnes d e q medidas, realiza-se o arifício do desacoplameno das equações ou malhas de conrole de eixo d e q Por fim, chegam-se aos parâmeros U d * e U q * que 0

122 servem de subsídio para o bloco de geração de PWM, o qual fornecerá, em sua saída, os sinais de chaveameno para os GBT s As Figura 4-5 e Figura 4-6 ilusram a geração de referências pseudo-veorial e a geração dos sinais PWM, respecivamene A fim de simplificar a simulação, aproximouse a écnica de PWM veorial a um comparador riangular com injeção de seqüência zero Mesmo exisindo diferenças obvias enre ambos os méodos, para fins de análise da simulação al aproximação mosrou-se aceiável Plana de Conrole u n Swich Swich Swich5 Vmed / Swich Swich4 Figura 4-5 Plana de Conrole Emulação de Referências Veoriais njeção de Seqüência Zero Plana de Conrole n VH nu Senoides Com Terceira Harmônica -K- < Relaional peraor - 0 Ce0 - u Repeaing Sequence Ce0 Figura 4-6 Plana de Conrole Comparador Triangular 44 Resulados da Simulação s resulados da simulação do conversor foram agrupados na forma de figuras para faciliar a observação dos resulados Assim, a Figura 4-7 ilusra o comporameno da ensão no barrameno CC Conforme pode ser observado, a ensão ainge rapidamene a referência de ensão 400V Em 0,5s é emulada uma regeneração abrupa de energia, de forma que a correne nominal do conversor seja inverida so faz com que a ensão sofra uma pequena elevação Conudo, o conrolador de ensão percebe o erro enre o sinal medido e o de 0

123 referência e aua rapidamene, o que faz com que a ensão no barrameno orne ao valor de referência De mesma forma, em 0,40s emulou-se um reorno abrupo de carga onde novamene o conrole auou rapidamene Vo [V] Tempo [s] Figura 4-7 Tensão no Barrameno CC 06 A Figura 4-8 mosra a ensão do barrameno CC em maior perspeciva Noa-se que, mesmo numa regeneração abrupa de 00% de energia, a sobre-elevação de ensão não ulrapassa os 450V so equivale a um erro máximo de,5% Vo [V] Tempo [s] Figura 4-8 Tensão no Barrameno CC Maior Perspeciva 0

124 A Figura 4-9 ilusra uma pequena ondulação verificada na ensão do barrameno CC so se deve ao fao de que a energia não é enregue de forma coninua Para a opologia em quesão pode-se considerar que ela é enregue na forma de pacoes numa freqüência de 0Hz, pois a correne esa em fase com a respeciva ensão No caso de reificadores rifásicos a diodos comuns, onde aconecem dois pulsos de correne a cada semi-ciclo da rede, os pacoes de energia ocorrem numa freqüência de 60Hz valor da ondulação ambém é reduzido porque o capacior de saída Co possui um valor consideravelmene elevado 500uF Vo [V] Tempo [s] Figura 4-9 Tensão no Barrameno CC lusração da ndulação de 0Hz A Figura 4-0 mosra a ensão e a correne em uma das rês linhas de enrada do conversor Percebe-se que a correne esá em fase com a ensão numa ondulação senoidal so significa que, desconsiderando a axa de disorção harmônica THD do sinal de correne, o faor de poência é uniário 04

125 00 50 Tensão Correne va [V] 0 0 ia [A] Tempo [s] Figura 4-0 Tensão e Correne em Uma Das Linhas de Enrada do Conversor -50 As figuras Figura 4- e Figura 4- ilusram a ensão e a correne em uma das linhas de enrada do conversor, dealhando a reversão de correne e energia Tensão Correne va [V] 0 0 ia [A] Tempo [s] Figura 4- Tensão e Correne em Uma Das Linhas de Enrada do Conversor Dealhe da Reversão de Correne Conforme pode ser observado, percebe-se que em T0,5s inicia-se a regeneração de energia A parir dese insane o conrolador de ensão fornece para o conrolador de correne de eixo d uma referência de correne defasada de 80º Como a referência do 05

126 conrolador de correne de eixo q é nula, em-se que as correnes na enrada do conversor ambém apresenam a defasagem de 80º com relação as ensões de fase relacionadas De forma semelhane, em 0,40s emulou-se um reorno abrupo de carga onde novamene o conrole auou rapidamene e a correne volou a ficar em fase com a respeciva ensão Tensão Correne va [V] 0 0 ia [A] Tempo [s] -50 Figura 4- Tensão e Correne em Uma Das Linhas de Enrada do Conversor Dealhe do Reorno Em Carga A Figura 4- ilusra um ciclo da correne de enrada e a Figura 4-4 mosra seu ripple de chaveameno o qual apresenou valor em orno de ±0% conforme segue: 06

127 50 40 Tensão Correne va [V] ia [A] Tempo [s] Figura 4- Tensão e Correne em Uma Das Linhas de Enrada do Conversor Dealhe em Maior Perspeciva ia [A] Tempo [s] Figura 4-4 Correne em Uma Das Linhas de Enrada do Conversor Dealhe do Ripple de Chaveameno: -0% A Figura 4-5 mosra o comporameno das correnes de eixo d, q e 0 durane o inervalo de simulação de T0 a T0,55s Conforme o esperado, percebe-se que em T5s inicia-se a regeneração de energia e a correne de eixo d invere seu valor, fazendo com que as correnes na enrada do conversor apresenem defasagem de 80º em relação as suas respecivas ensões de fase 07

128 bservou-se que durane o ransiório da reversão a correne de eixo q apresenou um pequeno desvio da referência zero, porém logo recuperou seu valor não afeando nas defasagens das correnes de enrada, uma vez que a recuperação ocorreu em menos de meio ciclo das senoides da rede Percebe-se que as malhas de desacoplameno auaram de forma correa, pois a variação na correne de eixo direo alerou muio pouco a correne de eixo em quadraura De forma semelhane, em T40s simulou-se o reorno em carga e novamene o conrole auou de forma eficiene A correne de eixo 0 permaneceu consanemene nula, indicando que não houveram componenes de seqüência zero no sisema dq0 [A] Tempo [s] Figura 4-5 Correnes d, q e 0 Medidas d q 0 De forma semelhane, a Figura 4-6 ilusra o comporameno das ensões de eixos d, q e 0 fao da ensão Vd apresenar valor consane diferene de zero, e as demais ensões Vq e V0 apresenarem valores nulos, indica que o alinhameno do veor ensão de eixo direo ocorreu de forma correa, conforme o esperado 08

129 Vd Vq V Vdq0 [ V] Tempo [s] Figura 4-6 Tensões Vd, Vq e V0 Medidas As Figura 4-7 e Figura 4-8 mosram o comporameno da correne na enrada do barrameno CC, conforme segue: idc [A] Tempo [s] Figura 4-7 Correne na Enrada do Barrameno CC Conforme já comenado, a energia que sai da rede de alimenação de energia e vai para a carga do conversor é enregue em pacoes discreos Tal fao fica evidenciado na Figura 4-8, onde percebe-se a ondulação da correne na enrada do barrameno CC com uma envolória de freqüência de 0Hz 09

130 5 05 idc [A] Tempo [s] Figura 4-8 Correne na Enrada do Barrameno CC Maior Perspeciva De forma semelhane, as figuras Figura 4-9 e Figura 4-0 apresenam o comporameno da correne no capacior de saída Co Co [A] Tempo [s] Figura 4-9 Correne no Capacior de Saída Co 0

131 6 4 Co [A] Tempo [s] Figura 4-0 Correne no Capacior de Saída Co Maior Perspeciva A Figura 4- ilusra a correne na carga Ro Sendo a carga puramene resisiva, a correne que circula por Ro é um espelho da ensão no barrameno CC, porém em menor proporção Percebe-se que se uilizou uma carga que exigiu uma poência um pouco acima da nominal do conversor 857W so se deve ao fao de que será uilizado um banco de 56/4kW durane a fase de implemenação práica, de maneira que al simulação ornou-se ineressane Ro [A] Tempo [s] Figura 4- Correne na Carga Ro

132 Na Figura 4- são apresenados os sinais de ensão e de correne em um dos GBTs do conjuno de chaves dos braços do conversor, no qual, conforme já mencionado, foi uilizado uma opologia a dois níveis Conforme pode ser observado, a ensão varia de 0V a 400V, e a envolória da correne apresena comporameno senoidal v_gbt [V] Tensão Correne , i_gbt [A] Tempo [s] Figura 4- Tensão e Correne em Um dos GBTs A Figura 4- apresena do comporameno da ensão e da correne em um dos induores de enrada do conversor As ensões aplicadas aos induores de enrada do conversor são resulados dos chaveameno dos GBTs, da ensão no barrameno CC, e dos valores insanâneos das senoides da rede de alimenação chaveameno dos GBTs é realizado de forma a se ober correnes senoidais e faor de poência uniário

133 00 Tensão Correne vlr [V] 0 0 ilr [A] Tempo [s] Figura 4- Tensão e Correne no Conjuno RL de Uma Das Fases Nas Figura 4-4, Figura 4-5 e Figura 4-6 são apresenados os erros enre os sinais de referência e os medidos, e os sinais de saída dos conroladores de ensão e de correne do conversor, respecivamene Na Figura 4-4, Vo_ref represena a ensão de referência ensão desejada, Vo represena a ensão medida, Erro represena o sinal de erro enre o valor medido Vo e o valor de referência Vo_ref, e Auação represena o sinal de saída do conrolador de ensão para o barrameno CC Na Figura 4-5, d_ref represena a correne de eixo direo de referência correne desejada, d represena a correne medida após ransformação, Erro represena o sinal de erro enre o valor medido d e o valor de referência d_ref, e Auação represena o sinal de saída do conrolador de correne de eixo direo Na Figura 4-6, q_ref represena a correne de eixo em quadraura de referência correne desejada, q represena a correne medida após ransformação, Erro represena o sinal de erro enre o valor medido q e o valor de referência q_ref, e Auação represena o sinal de saída do conrolador de correne de eixo em quadraura

134 Vo_ref Vo Erro Auação Tempo [s] Figura 4-4 Referência, Sinal Medido, Erro e Auação do Conrole de Tensão no Barrameno CC d_ref d Erro Auação Tempo [s] Figura 4-5 Referência, Sinal Medido, Erro e Auação do Conrole de Correne de Eixo Direo d 4

135 q_ref q Erro Auação Tempo [s] Figura 4-6 Referência, Sinal Medido, Erro e Auação do Conrole de Correne de Eixo em Quadraura q A Figura 4-7 esboça os sinais pseudo-veoriais a serem aplicados ao comparador riangular, ilusrado na Figura 4-6 Esses sinais foram obidos aravés da injeção de seqüência zero às referências senoidais do sisema de conrole 6000 Ref A Ref B Ref C Tempo [s] Figura 4-7 Referências Pseudo-Veoriais Senoides Com njeção de Seqüência Zero 5

136 A íulo de comparação, a abela abaixo ilusra os valores calculados e medidos via simulação para as correnes eficazes e médias nos principais componenes conforme segue: Tabela 4 Comparação Enre os Valores Calculados e Medidos Via Simulação Componene Grandeza Valor Resulado da Calculado Simulação Capacior Correne Eficaz 5,54A 5,5A Diodo Correne Eficaz,95A,67A Correne Média,09A 0,40A GBT Correne Eficaz 4,44A 4,96A Correne Média,0A,70A Como os valores enconrados durane a fase de especificação dos componenes foram calculados uilizando-se de ábacos, ocorreram pequenas diferenças enre os valores calculados e os verificados durane as simulações Conudo, de uma forma geral, os valores enconrados validam a meodologia uilizada 4 Conclusão Nese capíulo apresenou-se os procedimenos, os diagramas de blocos, as ferramenas, as considerações e os resulados obidos das simulações do conversor proposo, objeo desa disseração, realizadas no aplicaivo Simulink TM, que é pare inegrane do pacoe Malab TM As principais informações de ineresse verificadas foram resumidas na forma de gráficos Conforme pode ser observado, os resulados enconrados aferem as equações, resulados e conclusões apresenadas nos capíulos aneriores em especial a deerminação das malhas de ensão e de correnes, e os projeos dos conroladores Na monagem dos diagramas para as simulações procurou-se absrair o funcionameno do DSP, de sore a anecipar e evidenciar possíveis problemas a serem observados durane a fase de implemenação práica, que será realizada nas eapas fuuras Por fim, saliena-se que os resulados obidos aravés das simulações aprovam e 6

137 jusificam os méodos e arifícios uilizados de forma a viabilizar a implemenação do conversor 7

138 5 Esudo do DSP 5 nrodução Nese capiulo será apresenado, de forma sucina, um resumo do processador digial de sinais DSP a ser uilizado durane a fase de implemenação práica Conforme já mencionado, preende-se uilizar o DSP TMS0F8 e, desa forma, será realizada uma breve descrição desse componene 5 Processameno Digial Versus Processameno Analógico processameno digial de sinais possui um série de vanagens sobre o processameno analógico de sinais [8] DSP esá apo a realizar arefas ou aplicações que seriam muio difíceis ou impossíveis uilizando a elerônica analógica Exemplos dessas aplicações incluem sínese e reconhecimeno de voz e modem de ala velocidade que uilizam codificação com correção de erros Como o processameno analógico de sinais uiliza componenes analógicos ais como resisores, capaciores e induores, a inerene olerância associada a esses componenes, mudanças de emperaura e de ensão, e vibrações mecânicas podem afear drasicamene o funcionameno de circuios analógicos Por ouro lado, o processameno digial de sinais é inerenemene esável, confiável, flexível e repeível [0], e nas úlimas décadas ese campo cresceu ano em eoria quano em ecnologia [6] 5 Descrição s DSPs da geração TMS0C8x, inegranes da plaaforma TMS0C000, são alamene inegrados e de ala performance C8x pode processar de forma muio eficiene códigos C/C Pode-se realizar operações maemáicas, que ipicamene são manipuladas por microconroladores Sua eficiência dispensa a necessidade de um segundo processador em muias aplicações A capacidade MaC x bis e seus 64bis de processameno habiliam o o C8x a manipular, de forma eficiene, problemas de ala resolução numérica, que necessiariam, de 8

139 oura forma, de um processador de pono fluuane mais expansivo Somado a isso, a resposa rápida às inerrupções, com salvameno auomáico de conexo dos regisradores críicos, resulam em um disposiivo que é capaz de aender muias chamadas assíncronas com mínima laência 5 TMS0F8 5 Resumo Segue abaixo abela que raz as principais informações do TMS0F8 de forma resumida: Ciclo de nsrução Memória Gerenciadores de Evenos Conversores A/D Comunicação Serial Conrolador de Rede / Digiais nerrupções exernas Alimenação Temperaura de Tabela 5 Resumo TMS0F8 A duração de cada ciclo de insrução do TMS0F8, em 50MHz, é de 6,67ns amanho da memória RAM de acesso único SARAM, com 6 bis de word, inerna ao chip, é de 8k amanho da memória FLASH, com 6 bis de word, inerna ao chip e que é gravada ou apagada com,v, é de 8k Não possui memória RM inerna ao chip Possui código de segurança de 8 bis para as memórias SARAM, FLASH e TP inernas ao chip Permie realizar boo com memória RM amanho da memória RM TP, com 6 bis de word, inerna ao chip, de k Permie inerfaceameno com memórias exernas Possui gerenciadores de evenos, EVA e EVB, composos por: 4 emporizadores de caracerísicas gerais GP; 6 comparadores CMP ou PWMs 6 / canais para capura CAP ou para pulsos de encoder em quadraura QEP Possui 6 canais de conversores A/D de bis Possui módulo de comunicação serial de 4 pinos para disposiivos periféricos SP Possui inerfaces de comunicação serial SC, que uilizam os regisradores SC-A e SC-B Possui módulo com pora serial mulicanal bufferizada McBSP Possui modulo conrolador de área de rede CAN, com axa de dados de aé Mbps Possui 56 pinos de / digiais comparilhadas Permie aivar inerrupções exernas aravés de pinos disindos,9v para o processador em 50MHz, e,v para as / Pode rabalhar nas emperauras de -40 o C a 85 o C, ou de -40 o C a 9

140 rabalho CPU de Bis Conrole de Clock e Sisema 5 o C, dependendo da especificação Possui CPU de ala performance de bis, sendo as operações em 6x6 e x MAC, numa arquieura de barrameno HARWARD Possui conrole de CLCK e SSTEMA, conemplando: PLL dinâmico; oscilador inerno ao chip; módulo de emporizador WATCHDG 5 Diagrama de Blocos Esquemáico do TMS0F8 A Figura 5- ilusra, de forma simplificada, o diagrama de blocos esquemáico do processador digial de sinais TMS0F8, conforme segue: Diagrama de Blocos Esquemáico do TMS0F8 XNTF* Código Proegido Expansível Para 8k Words de Flash/RM Expansível Para 0k Words de RAM Bus de Memória 4k Words de Boo RM C8x Gerenciador De Evenos A Gerenciador De Evenos B ADC De -Bi Gerenciameo de nerrupções Wachdog GP MPS C8xTM -BT DSP McBSP Muliplicador x-bi Timers -Bi JTAG Tempo-Real ALU Aômica R-M-W Arquivo Regisrador -Bi CAN 0B SC-A SC-B SP Figura 5- Diagrama de Blocos Esquemáico do TMS0F8 0

141 5 nformações Sobre os Sinais Todas as enradas digiais são compaíveis com circuios inegrados C TTL, mas não suporam níveis de sinais de 5V Todas as saídas digiais são de,v com níveis CMS s pinos de / uilizam pull-up / pull-down de 00A ou 0A 54 CPU C8x s DSP s C8x TM fazem pare da plaaforma TMS0C000 TM código fone da geração C8x é compaível com o da geração C4x, ou seja, é possível realizar a migração desa úlima para a primeira Possui compilador C/C muio eficiene, que possibilia o desenvolvimeno de sofwares em linguagem de alo nível Pode realizar, de forma eficiene, arefas maemáicas para a implemenação de sisemas de conrole, e devido a sua eficiência, em muios desses sisemas elimina a necessidade de se uilizar um segundo processador, que de oura forma seria necessário Sua capacidade MACxbis e seus 64bis de processameno habiliam o DSP a realizar arefas de ala resolução numérica, que de oura forma demandariam um processador de pono fluuane significaivamene mais caro Também possui resposa rápida à inerrupções, que salvam auomaicamene os dados de regisradores críicos, resulando em um disposiivo que é capaz de aender, com laência mínima, muios evenos discreos assíncronos Possui pipeline de 8 níveis de profundidade proegido com acesso de memória pipelined que habilia o DSP a rabalhar em ala velocidade sem a necessidade de se uilizar memórias de ala performance, que são mais caras hardware especial branch-look-ahead minimiza a laência para desconinuidades condicionais operações de armazenameno condicional aumenam a performance do disposiivo 55 Barrameno de Memória Arquieura Harvard Como em muios ouros DSPs, múliplos barramenos são uilizados para mover dados enre memórias, disposiivos periféricos e a CPU A família C8x uiliza uma arquieura que conempla barrameno de leiura de programa, de leiura de dados, e de escria de dados barrameno de leiura de programa é composo por linhas de

142 endereços e linhas de dados s barramenos de leiura e escria de dados consisem de linhas de endereços e linhas de dados cada A arquieura de barrameno múliplo, comumene chamada de Barrameno Harvard, é capaz de realizar uma insrução de busca, de leiura ou de escria de valor de dado em um único ciclo Todos os disposiivos periféricos e ouras memórias conecadas ao barrameno de memória erão acesso de forma priorizada Em sua forma básica, a prioridade do acesso pode ser resumida conforme segue: Tabela 5 Divisão da Prioridade de Acesso Maior Prioridade Escria de dados * Escria de programa * Leiura de dados Leiura de programa ** Menor Prioridade Busca ** bs: * Não podem ocorrer escrias de dados e de programa simulaneamene ** Não podem ocorrer leiura de programa e busca simulaneamene 56 Barrameno Para Disposiivos Periféricos Para possibiliar a migração de disposiivos periféricos enre varias famílias de DSPs da Texas nsrumens TM T, a geração F8x ou C8x adoam um barrameno padrão para disposiivos periféricos inerconecados barrameno padrão é muliplexador de vários ouros barramenos que ransformam esse barrameno de memória em um único barrameno de 6 linhas de endereço e 6 ou linhas de dados e sinais de conrole associados 57 JTAG de Tempo Real e Análise A geração F8x ou C8x possuem implemenada uma inerface JTAG de acordo com o padrão EEE 49 Adicionalmene, suporam modo de operação real-ime, por meio do qual os coneúdos de memórias, de disposiivos periféricos e de regisradores podem ser modificados enquano o processador esa rodando, execuando códigos, e aendendo

143 inerrupções modo real-ime é implemenado inernamene à CPU, onde não é necessário sofware monior usuário pode ambém realizar análise em passo único passo a passo, em empo não real, para verificar códigos críicos sem inerferência, enquano habilia inerrupções para serem aendidas Pode ainda configurar ponos de parada por hardware, dados ou endereços, ou enão por empos pré-deerminados 58 nerface Exerna XNTF Essa inerface assíncrona consise de 9 linhas de endereços, 6 linhas de dados, e 0 linhas para seleção de componene chip-selec As linhas para seleção de componene são mapeadas para cinco zonas exernas: zona 0,,, 6 e 7 As zonas 0 e comparilham um único chip-selec, e de mesma forma, as zonas 6 e 7 ambém comparilham um único chip-selec Cada uma das cinco zonas pode ser programada com um número diferene de esados de espera, configuração paricular do sinal de srobe e empo de reenção disino Alem disso, cada zona pode ser programada para esender os esados de espera exernamene ou não s esados de espera ajusáveis, seleção de componene e empo de srobe programável podem ser esendidos para memórias exernas e periféricos 59 Memória Flash Somene Para a Linha F8x A geração F8 possui 8k x 6bis de memória flash, segregados em quaro seores de 8k x 6bis, e seis seores de 6k x 6bis Alem disso, ambém possui k x 6bis de memória TP faixa de endereço 0xD xD 7BFF usuário pode individualmene apagar, programar e validar um seor de memória flash enquano deixa ouros seores inacos Conudo, não é possível usar um seor de memória, flash ou TP, para execuar algorimos que apaguem ou programem ouros seores Uma configuração de ligações e conexões especiais habilia o modulo de memória flash à aingir uma performance elevada Ambas as memórias, flash e TP, esão mapeadas ano para espaço de programa quano para espaço de dados Desa forma, elas podem ser uilizadas ano para execuar código de programa, quano para armazenar informações de dados

144 Pode-se especificar o DSP para que ese seja fornecido com memória RM ao invés da memória flash Para al, deve-se subsiuir a lera F por C exemplo: TMS0C8 50 Memórias SARAM M0 e M Todos os disposiivos C8x possuem dois blocos de acesso único de memória, denominados de M0 e M, cada um com k x 6bis de amanho aponador de pilha sack poiner apona para o inicio do bloco M quando o processador é reiniciado bloco M0 sobrepõe o os blocos B0, B e B dos disposiivos da série 40x, e por isso, o mapeameno das variáveis de dados desses disposiivos podem esar no mesmo endereço físico s blocos M0 e M, como odas os ouros blocos de memória dos disposiivos da série C8x, são mapeados ano para espaços de programa quano para espaços de dados Desa forma, ambém neses, é possível execuar código de programa ou armazenar variáveis de dados paricionameno é realizado com o linker Para o programador, o mapa de memória apresena-se unificado so possibilia realizar programação em linguagem de alo nível 5 Memórias SARAM L0, L e H0 s disposiivos das linhas F8x e C8x possuem 6k x 6bis adicionais de memória RAM de acesso único, divididos em blocos: 4k 4k 8k Cada bloco pode ser independenemene acessado e, desa forma, o congesionameno do pipeline é reduzido Novamene, cada bloco é mapeado ano para espaço de programa quano para espaço de dados 5 Boo pela RM Todos os disposiivos saem de fábrica com um sofware de boo carregado na RM, denominado de boo RM programa boo RM é execuado após o disposiivo reiniciar Ele verifica vários pinos GP para deerminar qual modo de boo deve ser inicializado Por exemplo, o usuário pode selecionar um código prono para execuar na memória flash inerna, ou enão realizar o download de um novo sofware para a RAM inerna aravés de uma das muias poras seriais 4

145 Também exisem ouras formas e maneiras de se realizar o boo boo RM ambém pode acessar abelas de informações, al como abelas de seno e co-seno, para uso em algorimos maemáicos A Tabela 5 mosra em dealhes como vários ipos de boo pode ser selecionados e realizados conforme segue: Tabela 5 Seleção do Modo de Boo GPF4 GPF GPF GPF SCTXDA MDXA SPSTEA SPCLK Modo selecionado PU NPU NPU NPU Desvio para o endereço Flash / RM 0xF 7FF6 Uma insrução de desvio precisa er sido programada previamene x x x para reiniciar e redirecionar a execução do código de acordo com o desejado Chamada SP Boo para carregar de uma serial SP EEPRM 0 x x exerna Chamada SC Boo para carregar da SC-A 0 0 Desvio para o endereço H0 SARAM 0xF Desvio para o endereço TP 0xD Chamada Parallel Boo para carregar da GP Por B PU pino possui Pull Up inerno NPU pino não possui Pull Up inerno 5 Segurança s DSPs das linhas F8x e C8x suporam níveis elevados de segurança para proeger o firmware de cópia por engenharia reversa, pois possuem uma senha de segurança de 8 bis Um modulo de segurança de código CSM é uilizado para proeger as memórias flash / RM / TP, e os blocos SARAM L0 e L As caracerísicas de segurança previnem que usuários não auorizados examinem os coneúdos das memória aravés da pora JTAG, execuando códigos de memórias exernas, ou enando carregar algum sofware de boo indesejável, que poderia exporar o coneúdo da memória de segurança 5

146 Para habiliar o acesso aos blocos de segurança, o usuário precisa escrever a chave de 8 bis, que é comparada com o valor da chave correa armazenada na flash / RM 54 Bloco de Expansão de nerrupções Periféricas PE bloco de expansão de inerrupções periféricas PE fornece para o muliplexador de inerrupções várias fones de inerrupções em um pequeno conjuno de enradas No F8x e no C8x, 45 das 96 inerrupções possíveis são uilizadas por periféricos As 96 inerrupções são agrupadas em blocos de 8, e cada grupo é alimenado por 0 das linhas de inerrupções da CPU NT aé NT Cada uma das 96 inerrupções é auxiliada pelo seu próprio veor armazenado em um bloco de memória RAM dedicado, que pode ser sobre-escrio pelo usuário Cada veor é auomaicamene acessado pela CPU no aendimeno das inerrupções São necessários 8 ciclos do clock da CPU para acessar cada veor e salvar regisradores críicos Desa forma, a CPU pode rapidamene responder aos evenos de inerrupções A prioridade das inerrupções é conrolada por hardware e por sofware Cada inerrupção individual pode ser habiliada ou desabiliada com o bloco PE 55 nerrupções Exernas XNT, XNT, XNT e XNM A família F8x e C8x suporam rês inerrupções exernas mascaradas XNT, e XNT é combinada com uma inerrupção exerna não mascarada XNM nome do sinal combinado é XNM_XNT Cada uma das inerrupções pode ser configurada para sensibilidade de rigger com borda posiiva ou negaiva, e pode ambém ser habiliada ou desabiliada incluindo o XNM As inerrupções mascaradas ambém coném um conador ascendene de 6bis, que é zerado quando uma borda de inerrupção válida é deecada Esse conador pode ser uilizado para verificar o empo de execução de cada inerrupção 56 scilador Exerno e PLL Phase-Locked Loop s DSPs F8x e C8x podem uilizar o clock de um oscilador exerno, ou de um crisal exerno conecado ao circuio oscilador do próprio chip Um circuio PLL implemenado pode suporar aé 0 valores de escalas de clock As escalas do PLL podem ser aleradas por sofware, habiliando o usuário a programar 6

147 uma deerminada freqüência de clock reduzida quando operações de baixa poência são desejadas bloco PLL ambém pode ser ajusado para o modo bypass 57 Wachdog Cão de Guarda A geração F8x e C8x supora um emporizador wachdog para verificar evenuais anomalias no funcionameno do sofware carregado no DSP sofware do usuário precisa regularmene reiniciar o conador do emporizador do wachdog em um cero inervalo de empo Caso conrario, o wachdog reinicializará o processador wachdog poderá ser desabiliado se necessário 58 Clock dos Disposiivos Periféricos clock de cada disposiivo periférico pode ser habiliado ou desabiliado individualmene para reduzir, por exemplo, o consumo de poência, quando esses disposiivos não esão sendo uilizados Adicionalmene, o clock do sisema para as poras seriais exceo ecan e para o gerenciador de evenos, blocos CAP e QEP, podem ser escalonados, de forma relaiva, para o clock da CPU sso habilia a emporização dos disposiivos periféricos a rabalharem de forma desacoplada do incremeno de velocidade do clock da CPU do DSP 59 Modos de Trabalho de Baixo Consumo de Energia s chips F8x e C8x são disposiivos CMS esáicos Desa forma, e possível rabalhar com esses disposiivos nos seguines modos de consumo de energia: DLE: faz com que a CPU rabalhe no modo de baixo consumo de energia s clocks dos periféricos podem ser desligados seleivamene, com exceção daqueles necessários para o modo DLE ficar operane Uma inerrupção habiliada de um periférico aivo reira o processador dese modo; STANDBY: desliga o clock da CPU e periféricos Esse modo deixa o oscilador e o PLL funcionais Um eveno de inerrupção exerno pode ornar a ligar a CPU e periféricos A execução começa no próximo ciclo válido após a deecção do eveno de inerrupção; HALT: desliga o oscilador Esse modo basicamene desliga o disposiivo, colocando-o no menor modo de consumo de energia possível Somene um rese ou XNM ornará a ligar o disposiivo 7

148 50 Quadros 0, e de Periféricos PFn A família F8x e C8x segregaram os disposiivos periféricos em rês seções, conforme ilusra a abela resumida abaixo: Tabela 54 Seções de Mapeameno dos Periféricos XNTF nerface de configuração de regisradores exerna somene para 8 PF0 PE Habilia inerrupções PE e abela de regisradores de conrole Plus PE Vecor Flash Conrola, programa, apaga e verifica regisradores flash Timers Regisradores de empo 0, e da CPU CSM Regisradores do módulo da chave de segurança PF ecan Regisradores de conrole e Mailbox ecan SYS Regisradores de conrole do sisema GP Regisradores de conrole e configuração do muliplexador do GP EV Regisradores de conrole do gerenciameno de evenos EVA / EVB PF McBSP Regisradores de ransmissão / recepção TX / RX e conrole McBSP SC Regisradores de recepção / ransmissão RX / TX e conrole da inerface serial de comunicação SC SP Regisradores de recepção e ransmissão RX / TX e conrole da inerface serial de periféricos SP ADC Regisradores dos conversores A/D de bis 5 Muliplexador de Enradas e Saídas de Propósios Gerais GP A maioria dos sinais periféricos são muliplexados com o GP sso habilia o usuário a uilizar qualquer um dos pinos do disposiivo, que não esá sendo uilizado para comunicação periférica, para a função de GP No rese, odos os pinos GP são configurados como enradas usuário pode enão individualmene programar cada pino para o modo GP ou para o modo de sinais periféricos Para algumas enradas específicas, o usuário pode ambém selecionar o número de ciclos de qualificação so serve para filrar pulsos aleaórios de ruídos indesejados 8

149 5 Temporizadores de Bis da CPU s emporizadores imers 0, e de bis da CPU possuem períodos ajusáveis e divisor de clock prescaler de 6 bis Eles possuem um regisrador conador decrescene de bis que gera uma inerrupção quando ainge zero conador é decremenado na velocidade do clock da CPU dividido pelo valor ajusado no prescaler Quando o valor chega a zero, ele é auomaicamene recarregado com um valor de período de bis emporizador é reservado para aplicações Real-Time S RTS / BS emporizador é reservado para funções de sisema emporizador 0 esa conecado ao n4 da CPU emporizador pode ser conecado ao n da CPU emporizador 0 é para uso geral e esá conecado ao bloco PE 5 Conrole de Periféricos s DSPs F8x e C8x conemplam e suporam os seguines periféricos que são usados para conrole e comunicação: EV: o módulo gerenciador de evenos possui emporizadores de propósios gerais, unidades full-compare/pwm, enradas de capura CAP e circuios de pulso de encoder em quadraura QEP Dois gerenciadores de evenos são providos para comandar dois moores rifásicos aravés de drives, ou quaro moores bifásicos / monofásicos s gerenciadores de evenos do F8x e C8x são compaíveis com os gerenciadores do disposiivos 40x com alguns pequenos ajuses; ADC: o bloco ADC é um conversor de bis, com erminação única, de 6 canais Ele conem duas unidades amosradoras e reenoras sampleand-hold para leiuras simulâneas 54 Pora de Comunicação Serial Para Periféricos A família F8x e C8x ambém possuem os seguines periféricos de comunicação serial: ecan: é uma versão melhorada do periférico CAN Supora mailboxes, empo de marcação de mensagens, e é compaível com CAN 0B; 9

150 McBSP: é uma pora serial mulicanal bufferizada que é uilizada para conecar linhas E/T, aplicações de modem e disposiivos Audio DAC de ala qualidade s regisradores de ransmissão e recepção do McBSP recebem o supore de uma pilha FF de 6 níveis sso reduz significaivamene o esouro de dados no aendimeno à periféricos; SP: é uma pora / serial síncrona de ala velocidade que permie correr serialmene bi a bi, num passo programado de a 6 bis, dados para denro e para fora do disposiivo, numa axa de ransferência de bis programada Normalmene o SP é uilizado para comunicação enre o DSP e periféricos exernos ou ouro processador SC: a inerface de comunicação serial SC é uma pora serial assíncrona a dois fios, comumene conhecida como UART Nos F8x e C8x esa pora supora uma pilha FF de 6 níveis, para ransmissão e recepção, que reduz o esouro de dados na comunicação 54 Placa de Desenvolvimeno ezdsp F8 A placa ezdsp F8 é fornecida pela Texas nsrumens T como uma ferramena ou ki de desenvolvimeno Ese ki provem um ambiene compleo de desenvolvimeno, incluindo a placa e o processador DSP propriamene dio, fone de alimenação, emulador JTAG on-bord, conecores para inerface de sinais com ouros disposiivos, e uma versão específica do Code Composer Sudio TM sofware de programação Além disso, possui ambém DE Debugger, e compiladores ANS C e C Seguem abaixo as principais caracerísicas do ki ezdsp F8 : Tabela 55 Principais Caracerísicas do ki ezdsp F8 Caracerísicas de Hardware: Processameno em 50MHz; 0 Kwords de SARAM; 64 Kwords de SRAM; 56-Kbi de EEPRM serial; Clock de enrada de 0MHz; JTAG on-bord com conexão USB; Supore para emulador exerno via JTAG principal Caracerísicas de Sofware: Sofware Code Composer Sudio: ferramenas de programação e debug, compiladores C/C, monador e linker; Emulação via plug-n-play por conexão USB; Debug em Assembly e C de alo nível 0

151 55 Conclusão Nese capíulo foram apresenadas, de forma sucina, as principais caracerísicas funcionais e um diagrama esquemáico do DSP TMS0F8, o qual possui uma série de recursos, como por exemplo, de leiura, processameno, inerrupção, comunicação, auação, implemenação das equações e roinas, e disponibilização dos sinais de conrole Também ilusrou-se as caracerísicas do ki ezdsp F8, que é uma ferramena de desenvolvimeno na área de processameno digial de sinais para a família conemporânea de bis da Texas nsrumens TM Por fim, o DSP de úlima geração apresenado propicia uma programação em linguagem de alo nível, o que, pela facilidade de enendimeno e aleração, pode conribuir para o comparilhameno de informações, e melhorias fuuras de sofware Na práica, pares do programa podem ser reaproveiadas ou enão servir de subsídio para novas roinas

152 6 mplemenação 6 nrodução Nese capiulo serão apresenados os dealhes da implemenação práica do conversor proposo objeo desa disseração Serão apresenadas as placas para o condicionameno dos sinais provenienes dos sensores, fones, drives de auação, induores, filros, comando, conrole, e esruura de poência Por fim, ambém serão apresenados os resulados experimenais e peculiaridades de forma a comprovar os esudos e simulações eóricas realizados nos capíulos aneriores 6 Fone de Alimenação Para Periféricos Para alimenar os circuios periféricos uilizou-se uma fone monofásica pone complea com pono médio uilizando os reguladores de ensão 785 e 795 conforme ilusra o circuio da Figura 6- seguine: 4V 5V Vin Vou 88V / A Led d N4007 d4 N4007 C 00nF C 00uF/5V GND C 785 C7 00nF C8 470uF/5V -5Vcc VAC N d N4007 K d5 N4007 C4 00nF C 00uF/5V GND Vin Vou C9 00nF C0 470uF/5V Vou C 795 Led K R D N448 K LED LED N Figura 6- Circuio da Fone de Alimenação Para Periféricos: -5V / -A A Figura 6- apresena uma ilusração da placa de circuio impresso da respeciva fone de alimenação, conforme segue:

153 Figura 6- Placa de Circuio mpresso da Fone de Alimenação Para Periféricos: -5V / -A A fone é significaivamene simples e não necessia de maiores exclarescimenos e dealhes de seu funcionameno Conudo, mosrou-se eficaz para a aplicação Segue abaixo uma descrição resumida de suas caracerísicas de alimenação: Enrada: proveniene de um ransformador com saída em -8Vac com ap cenral; Saída: ±5Vcc com capacidade para aé ±A Por se raar de um circuio simples, para a confecção da placa de circuio impresso PC uilizou-se o méodo da ransposição das rilhas a quene e corrosão com percloreo de ferro diluído A Figura 6- mosra a foo da fone de alimenação após elaboração e monagem final conforme segue:

154 Figura 6- Fone de Alimenação Para Periféricos: -5V / -A 6 Placa de Condicionameno de Sinais s sinais de ensão e correne de ineresse do conversor foram coleados e condicionados anes de serem submeidos à placa de conrole s sinais de ensão de fase v e v foram lidos aravés de dois ransformadores de poencial e divisores resisivos ajusados por poenciômeros de forma conveniene s sinais provenienes dos divisores resisivos foram aplicados a filros passa-baixa Buerworh de 4º ordem a fim de eliminar as disorções do chaveameno na enrada do conversor Por fim, foram somados níveis de,5v de ensão consane, adequando-se as ampliudes e o casameno das impedâncias aravés dos amplificadores operacionais De forma semelhane, os sinais de correne de enrada i, i e i foram lidos aravés dos sensores LA-55P e divisores resisivos ajusados por poenciômeros de forma conveniene Após foram somados níveis de,5v de ensão consane, e uilizaram-se amplificadores operacionais para realizar a adequação e o casameno das impedâncias, e para a elaboração dos filros ani-aliasing 4

155 Semelhanemene, para a leiura da ensão no barrameno CC uilizou-se o sensor LV-5P e um divisor resisivo Novamene uilizaram-se amplificadores operacionais para realizar o casameno das impedâncias e para a elaboração do filro ani-aliasing Todos os sinais passaram por diodos zeners para a limiação dos valores de ensão, para que eses auem no caso de irregularidades dos circuios de leiura e condicionameno, anes da submissão aos conversores A/D do DSP A Figura 6-4 mosra o circuio da placa de condicionameno de sinais uilizada, assim como as figuras Figura 6-5 e Figura 6-6 mosram a placa de circuio impresso correspondene - primeiramene em visa superior e após em visa inferior, respecivamene 5V L -5V - M LA-55P R R00k P 00K Pk K R R00k 00K -5V P P0k 0K 9 0 R R00k 00K 5V 4 CC TL V R4 R0k 0K C C68p 68pF R6 R0k R7 0K R0k 0K C 5V C68p 4 CD 68pF TL R5 R0k -5V 0K _m R8 R0 0 DZ Zener V npu Vfase Neuro Vfase npu Vfase C7 C00n 00nF P8 P0k 0K R9 Rk k R Rk R k R0k 0k 5VC6 C C50n 4 C00n 50nF 00nF R R0 Rk Rk k CA k C5 TL084-5VC00n 00nF C C50n 50nF R5 R5k R6 5k R0k 0k 5V C4 C50n 4 CB 50nF 6 TL084 7 R4 5 Rk k -5V C C50n 50nF Jumper Jumper R9 5V L -5V - M LA-55P R9 R00k P 00K Pk K R0 R00k 00K -5V P4 P0k 0K 9 0 R R00k 00K 5V 4 CC TL V R5 R0k 0K C C68p 68pF R R0k R4 0K R0k 0K C4 5V C68p 4 CD 68pF TL R R0k -5V 0K _m R5 R0 0 DZ Zener V R7 R00k 00K R8 R00k 00K P9 P0k 0K -5V R00k 00K 5VC4 4 C00n 6 00nF 7 5 CB C TL084-5VC00n 00nF Vfase_m R40 R0 0 DZ5 Zener V 5V L -5V - M LA-55P R6 R00k P5 00K Pk K R7 R00k 00K -5V P6 P0k 0K 9 0 R8 R00k 00K 5V 4 CC TL V R9 R0k 0K C5 C68p 68pF R R0k R 0K R0k 0K C6 5V C68p 4 CD 68pF TL R0 R0k -5V 0K _m R R0 0 DZ Zener V npu Vfase Neuro Vfase npu Vfase C8 C00n 00nF P0 P0k 0K R4 Rk k R44 Rk R4 k R0k 0k 5VC0 C5 C50n 4 C00n 50nF 00nF R45 R4 Rk Rk k k C4A C9 TL084-5VC00n 00nF C6 C50n 50nF R5 R48 R5k R47 5k R0k 0k 5V C C7 C50n 4 50nF 6 C00n 00nF 7 R46 5 Rk C4B k C TL084-5VC00n 00nF C8 C50n 50nF Jumper Jumper -5V GND 5V C9 C0 npu Power R00k 00K 5V 9 0 5V 4 C4C TL V R4 R0k 0K C7 C68p 68pF R6 R0k R7 0K R0k 0K C8 5V C68p 4 C4D 68pF TL R5 R0k -5V 0K Vo- Vo_m R8 R0 0 DZ4 Zener V Vo R54 R0k LV-5P Vo- 9k HT 5V -HT -5V - M LV-5P P7 Pk K C00n C00n 5V 00nF 00nF Ground R49-5V R00k npu Power 00K Vo npu VCC Vo Vo- npu Vcc GND Fla_LeiuraVo_m _m _m 4 _m 5 6 Vfase_m 7 8 Vfase_m Fla_Leiura R50 R00k 00K P P0k 0K -5V CB TL V Vfase_m R5 R0 0 DZ6 Zener V Figura 6-4 Circuio da Placa de Condicionameno de Sinais 5

156 Figura 6-5 Lado Superior da PC da Placa de Condicionameno de Sinais Figura 6-6 Lado nferior da PC da Placa de Condicionameno de Sinais Por se raar de um circuio com cera complexidade, e ambém devido ao fao de que possíveis ruídos, induânias e capaciâncias parasias poderiam compromeer o correo funcionameno do conversor, para a confecção da PC uilizou-se o méodo da prooipagem por comando numérico compuadorizado CNC Todas as malhas de erra foram inerligadas no inuio de eliminar inerferências eleromagnéicas indesejadas A Figura 6-7 mosra uma foo da placa de condicionaeno de sinais após elaboração e monagem final conforme segue: 6

157 Figura 6-7 Placa de Condicionameno de Sinais 64 Placa de Comando nerface s sinais de auação provenienes da placa de conrole foram amplificados e ajusados, anes da aplicação ao circuio de poência, aravés de uma placa denominada placa de comando s sinais foram isolados por meio de acopladores ópicos fazendo com que evenuais defeios no circuio de poência não ocacionem danos no circuio de conrole e vice-versa circuio ambém conempla rês leds que indicam as auações das proeções de cada braço do circuio de poência do conversor No caso de falhas por sobrecorrene o led do correspondene braço com a respeciva falha ou desarme acenderá e indicará que aquele braço esá com a proeção auada Para rearmar o circuio basa acionar um boão de rese A Figura 6-8 mosra o circuio da placa de comando uilizada, assim como as figuras Figura 6-9 e Figura 6-0 mosram a placa de circuio impresso correspondene - primeiramene em visa superior e após em visa inferior, respecivamene 7

158 V 5V V 5V 5V R R0 0 PWM V C NC 4 NC * 8 R R0 7 0 TP 6 R Rk 5 k 5V R4 R0 0 PWM V C NC 4 NC * 8 R5 R0 7 0 BT 6 R6 Rk 5 k 5V ERR R9 Rk k DS LED R0 Rk k C7 NC 4 NC V XNT 8 R Rk 7 k D 6 R Rk 5 k Diode N448 R7 R0 0 PWM C NC 4 NC * R8 R0 0 TP R9 Rk k R0 R0 0 PWM4 C4 NC 4 NC * R R0 0 BT R Rk k 5V R Rk k * V 5V V PWM5 C C00n 00nF C7 C00n 00nF ERR V R R0 0 C C00n 00nF C8 C00n 00nF RST 4 CN C5 * C C00n 00nF C9 C00n 00nF NC NC C4 C00n 00nF C5 C00n 00nF BT TP C6 C00n 00nF 5V 5V R5 Rk k V 5V ERR R4 R0 0 DSP Power u P8 pinos e npu Power npu Power RST TP CN PWM6 PWM PWM V R6 R0 0 PWM BT TP C6 4 * Conecor P8 pinos 9 a 5V NC NC PWM PWM4 ERR PWM6 RST 5V XNT CN R8 Rk k R7 R0 0 BT 5V R Rk k Rese BT TP RST DS4 LED 5V DS ERR LED R4 Rk k 5V R7 Rk k DS ERR LED R8 Rk k C8 NC 4 NC * C9 NC 4 NC * 8 R5 Rk 7 k D 6 R6 Rk 5 k Diode N448 V 8 R9 Rk 7 k D 6 R0 Rk 5 k Diode N448 Header 7X Header 7X Header 7X Figura 6-8 Circuio da Placa de Comando Figura 6-9 Lado Superior da PC da Placa de Comando 8

159 Figura 6-0 Lado nferior da PC da Placa de Comando Novamene, por se raar de um circuio com cera complexidade, e ambém devido ao fao de que possíveis ruídos, induânias e capaciâncias parasias poderiam compromeer o correo funcionameno do conversor, para a confecção da PC uilizou-se o méodo da prooipagem por comando numérico compuadorizado CNC Demesma forma, odas as malhas de erra foram inerligadas no inuio de eliminar inerferências eleromagnéicas indesejadas A Figura 6- mosra uma foo da placa de comando após elaboração e monagem final, conforme segue: 9

160 Figura 6- Placa de Comando 65 Placa de Conrole Para realizar a leiura dos sinais, roinas de PLL e sincronismo, odos os cálculos e implemenações dos algoríimos de conrole e PWM do conversor proposo uilizou-se o DSP TMS0F8 da Texas nsrumens, mais precismanee o ki ezdsp TM F8, conforme já comenado A Figura 6- mosra a foo da placa conrole: DSP TMS0F8 ki ezdsp F8 As principais caracerísicas desa placa já foram apresenadas na Tabela 55 do capíulo Esudo do DSP anerior Conforme pode ser observado, as conexões com as placas de condicionameno de sinais e de auação foram realiadas uilizando cabos fla flexíveis, similares àqueles enconrados em compuadores deskop Embora se enha uilizado capaciores cerâmicos para eliminar evenuais induções e ruídos indesejados, os amanhos dos cabos fla mosraram-se basane imporane para o correo funcionameno do conversor Em suma, quano menor possível o amanho e quano mais disane da fone emissora de ruídos melhor 40

161 Figura 6- Placa de Conrole: DSP TMS0F8 ki ezdsp F8 66 Sofware de Conrole mplemenado sofware de conrole foi implemenado uilizando-se da linguagem C/C, a qual pode ser considerada como uma linguagem de alo nível A programação foi realizada uilizando-se a ferramena e ou ambiene de programação Code Composer TM da Texas nsrumens TM T, o qual é fornecido em conjuno a placa ou plaaforma ezdsp TM da Specrum Digial, nc TM, que conempla o processador digial TMS0F8 e alguns periféricos conjuno Code Composer TM ezdsp TM formam um ki compleo de desenvolvimeno que, com o auxílio de um compuador, podem ser uilizados para elaborar os sofwares, emular, fazer debbug, moniorar, alerar e ler variáveis, inclusive em empo real de execução fabricane ambém disponibiliza com o CD de insalação, ou enão aravés do sie wwwicom, uma série de exemplos e biblioecas de diversas aplicações relacionadas ao processameno digial de sinais A Figura 6- mosra o diagrama esquemáico que represena os blocos de sofware programados inernamene ao DSP Nese diagrama procurou-se simplificar a visualização da esruura funcional de cada roina implemenada 4

162 E E E E4 E5 E6 Q Q Q Q4 Q5 Q6 i Ta i Ta i Ta v Sample Ta and Hold v Ta Vo Ta Algorímo B Roina PWM 0kHz ik ik ik Algorimo A vk vk vk Permie o chaveameno somene depois que Vok>6^0,57V, e bloqueia se Vok>500V Transformada de Clark i k i k i0k Transformada de Park w v k Transformada de Clark v k v0k PLL w Transformada de Park DSP uak ubk uck idk iqk i0k w vdk vqk v0k Variáveis Vok iqk wlidk Vqk Transformação " 0" "abc" Vo*k - EVo'k q*k Conrolador P id*k - Eq'k Ed'k - Conrolador P Conrolador P Uq'k Ud'k Uq*k Ud*k 0 u k u k u0k Transformação "dq0" " " 0 w Vok idk wliqk Vdk Figura 6- Diagrama Esquemáico lusraivo: Blocos de Sofware Programados nernamene ao DSP fluxograma dealhado do sofware implemenado pode ser observado no Apêndice B Fluxograma do Sofware de Conrole Conforme pode ser observado aravés do fluxograma, primeiramene odas as variáveis e consanes são definidas e carregadas na memória de programa Por uilizar-se de uma linguagem de alo nível, muias biblioecas desenvolvidas podem ser uilizadas para faciliar a programação Após a eapa anerior, realiza-se a configuração inicial de odo o sisema, onde são ajusados e seados os periféricos, poras /, conversor A/D, gerenciador de inerrupções, emporizadores, modulador PWM e ec Toda a roina principal é processada denro de um laço de inerrupção, a qual é execuada oda vez que ocorre um esouro e rese do Timer so aconece numa freqüência de 0kHz Nese laço, quando as roinas começam a ser execuadas, primeiramene reseam-se os conversores A/Ds, liberam-se as aquisições e aguardam-se aé que esas sejam concluídas de forma sequencial, de acordo com um empo pré-deerminado com a ajuda de um prescaler 4

163 Após a leiura das variáveis, realiza-se o ajuse das bases das variáveis para Q aravés de um delocameno para a direia de 4bis, pois o regisrador dos A/Ds possui 6bis No caso das ensões e correnes de fase, são ambém realizados alguns ajuses de forma a se ober novamene os sinais senoidais com passagem por zero, pois eses são deslocados em função das enradas dos A/Ds, conforme já comenado nos capíulos aneriores Como são realizadas apenas as leiuras das ensões de fase e v e v, são ambém realizados os cálculos para a obenção do valor da ensão da fase v, pois são necessárias as rês ensões para que as ransformações de coordenadas possam ser realizadas Na seqüência, é implemenada uma roina que verifica se a ensão no barrameno CC esa denro de limies pré-esabelecidos de segurança módulo de poência uilizado não supora ensões acima de 600V sobre as chaves, e a roina do PLL, conforme foi ajusada, não responde de forma eficaz para baixas ensões de fase Desa forma, a roina implemenada somene libera o chaveameno para os drives de poência se a ensão no barrameno CC esiver acima de 00V e abaixo de 500V Após, de posse das variáveis ajusadas, são realizadas as ransformações de Clark onde são obidas as variáveis num referencial bifásico esáico Aravés dessas variáveis é implemenada uma roina de PLL que uiliza equações de poência e um conrolador P para a obenção do valor de w sincronizado com a ensão de fase v De posse do valor insanâneo de w e das variáveis de enrada ajusadas, realiza-se a ransformação de Park onde são obidas as variáveis num referencial bifásico girane síncrono Ao final desa eapa são disponibilizados os valores de V d, V q, d e q para a uilização nas malhas de conrole do conversor Após, são implemenadas as roinas das malhas de conrole de ensão no barrameno CC, e das correnes de eixo direo d e em quadraura q A malha de ensão no barrameno CC compara o valor medido com o valor de referência, que é ajusado no início do sofware aravés de uma consane, e gera um erro que serve de enrada para uma equação a diferenças de um conrolador P, que é elaborado conforme a equação 6 Na saída desse conrolador P exise um saurador que limia os valores de mínimo e máximo admissíveis Ao final desa eapa é disponibilizado o valor de correne de eixo direo de referência, que serve de parâmero para a malha de correne d 4

164 De posse do valor de correne de eixo direo de referência, a malha de correne d realiza uma comparação enre o valor de referência e o valor medido e ajusado, gerando um erro que serve de enrada para uma equação a diferenças de um conrolador P, que é elaborado conforme a equação 59 Novamene, na saída desse conrolador P exise um saurador que limia os valores de mínimo e máximo admissíveis Ao final desa eapa é disponibilizado o valor de ensão de eixo direo de referência U d De forma semelhane, a malha de correne q realiza uma comparação enre o valor de referência, que no caso é zero, e o valor medido e ajusado, gerando um erro que serve de enrada para uma equação a diferenças de um conrolador P, que é elaborado conforme a equação 59 Novamene, na saída desse conrolador P exise um saurador que limia os valores de mínimo e máximo admissíveis Ao final desa eapa é disponibilizado o valor de ensão de eixo em quadraura de referência U q Após, são uilizados os valores de d, q, U d, U q e wl para a implemenaçao de uma * roina de desacoplameno que disponibiliza em sua saída os valores de U d e U * q, os quais servem de base para as eapas seguines De posse dos valores U * d, U * q e w realiza-se a ransformação inversa de Park, de modo a se ober os valores U a, U b e U c num referencial rifásico esáico, os quais servem de subsídio para a roina de PWM, a qual, após realizar uma série de operações maemáicas, disponibiliza em sua saída os valores U * a, U * b e U * c, os quais são os próprios valores de referência para as ensões desejadas nos braços do conversor Por fim, é implemenada uma roina de comparação riangular rifásica, a qual fornece as razões cíclicas para cada chave do conversor Assim, são disponibilizados os sinais de comando para os drives dos GBTs por meio das saídas configuradas Ao final desa eapa complea-se o ciclo de processameno, e o aponador de código vola para a linha inicial do loop, e espera pela próxima inerrupção do Timer Pelo fao de er sido uilizada uma liguagem de alo nível, o sofware implemenado pode servir de subsídio para a implemenação de ouros programas, exisindo ou não uma relação direa enre eles, pois muias roinas podem ser uilizadas, reaproveiadas e ou melhoradas de forma relaivamene simples 44

165 67 Proóipo Final A Figura 6-4 ilusra a configuração da monagem final do proóipo do conversor proposo Além das placas de conrole, comando, condicionameno de sinais e fone de alimenação para periféricos, a monagem conempla os induores de enrada, ransformadores abaixadores e isoladores para a fone de alimenação de periféricos, e para a medição das ensões de fase, e o módulo de poência à GBTs, o qual inclui os drives de acionameno das chaves, dissipador e cooler refrigerador para a carcaça Conforme pode ser observado, as ligações à rede de energia rifásica de 7Vrms devem ser realizadas do lado esquerdo, enquano que as ligações à carga a ser alimenada devem ser realizadas do lado direio do conversor observando-se de uma visa superior Enrada Fone Auxiliar Transformadores Placa de Conrole Placa de Auação Placa Condicionameno de Sinais nduores Módulo de Poência Saída Figura 6-4 Proóipo Final do Conversor Visa Superior A Figura 6-5 apresena um diagrama esquemáico ilusraivo do módulo de poência uilizado: Módulo Semikron B6U B6 EF 45

166 Q D Q D Q5 D5 La Lb Co Vo Lc Q D Q4 D4 Q6 D6 - GAL Módulo Semikron B6U B6 EF Figura 6-5 Diagrama Esquemáico lusraivo do Módulo de Poência A Figura 6-6 ambém ilusra a monagem final do conversor, porém observando-se de uma visa angular Figura 6-6 Proóipo Final do Conversor Visa Angular 46

167 68 Resulados Experimenais s resulados experimenais obidos foram resumidos na forma de abelas, gráficos e figuras, de sore a apresenar as informações e peculiaridades do comporameno dinâmico, de regime, ransiórios de carga, e regeneração de energia do conversor projeado e implemenado Assim, as figuras Figura 6-7 e Figura 6-8 mosram o sinal PWM riangular senoidal com injeção de seqüência zero uilizado Conforme pode ser observado, a primeira figura ilusra os sinais aplicados às chaves e, na frequência de chaveameno, enquano a segunda figura ilusra eses mesmos sinais, na frequência da rede, após aplicação à um filro passa-baixa Percebe-se claramene a envolória do sinal em 60Hz e o achaameno do pico devido à injeção de seqüência zero Figura 6-7 Sinais de Comando do PWM Para as Chaves e Figura 6-8 Sinais de Comando do PWM Para as Chaves e Respecivamene Após Passagem Por Filro Passa Baixas 47

168 A Figura 6-9 mosra a ensão e correne na fase com o conversor operando em poência nominal bserva-se que o formao da correne é senoidal e esá em fase com a respeciva ensão de enrada Conforme pode ser observado, percebe-se um leve achaameno no formaao da ensão de enrada quando w é igual a múliplos ineiros de 90º considerando v V P senw Em ouras palavras, as ensões de pico apresenam leves afundamenos Tais afundamenos indicam que a rede de alimenação apresenava harmônicos de ensão de erceira ordem no momeno do ese Esses harmônicos de ensao podem er sido ocasionados por harmônicos de correne sobre as impedâncias de linha Figura 6-9 Tensão 50V/div e Correne 5A/div na Fase, e Tensão 50V/div no Barrameno CC Conversor em Poência Nominal Aravés da Figura 6-9, observa-se ambém uma leve disorção no formao das correnes quando das passagens por zero Amperes, o que se deve à não linearidade para pequenos sinais do sensor de correne uilizado Afora o comenado percebe-se ambém a influência do chaveameno dos GBTs sobre a correne, fazendo com que esa seja senoidal, porém apresenando o ripple naual da operação do conversor A Tabela 6 mosra um resumo do comporameno das ensões e correnes no conversor, realizado com o sofware WaveSar da Tekronix TM, conforme segue: 48

169 Tabela 6 Resumo da Análise Com o Sofware WaveSar THD de Tensão 5,09% THD de Correne 6,65% Faor de Deslocameno,76 Faor de Poência 0,996 Em função da THD de ensão, as correnes de enrada apresenaram THD um pouco acima do esperado Conudo, o faor de poência apresenou valor consideravelemne próximo da unidade, validando a aplicação e uilização do conversor, conforme o principal objeivo proposo no início dese rabalho A íulo de comparação, a Figura 6-0 mosra o comporameno da ensão e correne em uma das fases de enrada, e da ensão no barrameno CC do conversor quando o conrole não esá auando, ou seja, quando ele se orna um reificador pone a diodos comum Percebem-se claramene as grandes vanagens do conversor proposo nese rabalho, quando se realiza uma comparação com um reificador comum Figura 6-0 Tensão 50V/div e Correne 5A/div No Conversor Quando o Conrole Não Aua Com base nos resulados da Figura 6-9, realizou-se ambém uma análise harmônica de ensão e correne na fase mais dealhada, novamene uilizando o sofware 49

170 WaveSar da empresa Tekronix Desa forma, a Tabela 6 mosra os valores das harmônicas de ensão e correne aé a ordem 5ª Tabela 6 Análise Harmônica Com o Sofware WaveSar Harmônicas Tensão [V] Correne [A] % da fundamenal Fase % da fundamenal Fase fundamenal ,09-8,6, ,94-5,9 0,64-6,49 4 0,045 65,9 0,7 56,57 5 4,948-58,74 5,767-7,75 6 0,06 77,65 0,4 86,997 7,9-57,57,66-9, 8 0,06-74,559 0,97 0,8 9 0,7-4,95 0,7-09,9 0 0,04 87,49 0,49 07,59 0, -4,07,0-58,9 0,09-0,59 0,86 65,5 0,4-69,476 0,874-56, 4 0,04 4,97 0,05,74 5 0,06 95,858 0,089 -, ,05 7,9 0,98 05,7 7 0,08-77,57 0, ,0 6,4 0,97 9,0 9 0,07 -,59 0,4 -,56 0 0,05-98,40 0,57 76,4 0,0 7,695 0,4 9,9586 0,08-9,77 0,5-6,6 0,04,45 0,77-66,0 4 0,0 8,06 0,49-69,58 5 0,098 6,4 0,6-4, ,09-6, 0,0 50,4 7 0,084-5,98 0,05-0,54 8 0,0-85,08 0,047-8, ,0 0,8 0,7 80,65 0 0,0 44,8 0,054 4,9 0,0-80,687 0,075 5,9 0,05 06, 0,059 5,48 0,075 -,40 0, -6,9 4 0,0-55,5 0, 04,59 5 0,0 65,0 0,4 46,77 6 0,0 0,54 0,086 9,47 7 0,06-64,004 0,05,7 8 0,05 7,0 0,05 6,767 50

171 9 0,06-4,8 0,44-8, ,0 -,74 0,087 68, ,048-4,9 0,4 7, 4 0,009-7,954 0,08 85,69 4 0,0-89,945 0,055 78,0 44 0,08 9,45 0,074 8, ,04-5,6 0,08-9,6 46 0,07 46,94 0,098 9, ,05 -,66 0,05-77,0 48 0,08,78 0,047 8,9 49 0,0-5,4 0,0 6, ,04 49,804 0,048 9,49 5 0,04 6,605 0,055-4,46 As figuras Figura 6- e Figura 6- ilusram os valores da Tabela 6 na forma gráfica para faciliar a visualização das informações Figura 6- Harmônicos de Tensão em Uma Das Fases de Enrada Aravés da Figura 6-, percebe-se que a forma de onda de ensão da fase de enrada possui influência significaiva da 5ª e 7ª harmônicas, sendo que a 5ª ainge quase 5% do valor da ensão fundamenal 5

172 Figura 6- Harmônicos de Correne em Uma Das Fases de Enrada De forma semelhane, aravés da Figura 6-, percebe-se que a forma de onda de correne da fase de enrada possui influência significaiva da ª, 5ª, 7ª, ª, e ª harmônicas, sendo que a 5ª ainge quase 5,7% do valor da correne fundamenal As figuras Figura 6- e Figura 6-4 mosram os formaos das rês ensões e correnes na enrada do conversor, respecivamene Figura 6- Tensões Nas Fases, e na Enrada do Conversor 5

173 Figura 6-4 Correnes Nas Fases, e na Enrada do Conversor Mais uma vez percebem-se os leves achaamenos nos formaos das ensões de enrada do conversor devido à presença de harmônicos de erceira ordem, os quais podem er ocorrido por moivos diversos De forma semelhane, ambém se percebe novamene a influência do chaveameno dos GBTs sobre as curvas das correnes, fazendo com que esas sejam senoidais, porém apresenando os ripples naurais da operação do conversor Realizou-se ambém uma análise do comporameno do conversor operando em poência nominal aravés da uilização de um medidor Waímero digial, conforme moram os resulados agrupados na forma da Tabela 6 a seguir: Linha Tensão [Vrms] Tabela 6 Medições Realizadas Com Waímero Digial Correne [Arms] Poência Aparene [VA] Poência Aiva [W] Poência Reaiva [VAr] Faor de Poência Faor de Deslocameno 8,4 7,07 907,9 906,6 50,0 0,9985, 8,9 7,07 906,6 905, 50,7 0,9984, 9, 6,974 90,9 900,0 57,8 0,9979,7 Média / Toal 8,64 7,09 76,4 7,7 57, 0,998,4 5

174 Conforme pode ser observado, mais uma vez percebe-se que o faor de poência apresenou valor consideravelmene próximo da unidade, o que valida a aplicação e uilização do conversor, conforme principal objeivo proposo no início dese rabalho As figuras Figura 6-5 e Figura 6-6 apresenam o comporameno da correne em uma das fases de enrada do conversor durane o ransiório proveniene de um degrau de carga de 00% para 50%, e de 50% para 00%, respecivamene Figura 6-5 Correne e Tensão em Uma das Fases de Enrada Degrau de Carga de 00% para 50% Figura 6-6 Correne e Tensão em Uma das Fases de Enrada Degrau de Carga de 50% para 00% 54

175 Conforme pode ser observado, percebe-se que a correne permaneceu em fase com a respeciva ensão, e alerou seu valor na mesma proporção da mudança de carga na saída do conversor De forma semelhane, as figuras Figura 6-7 e Figura 6-8 mosram o comporameno da ensão no barrameno CC e da correne em uma das fases de enrada do conversor durane o ransiório proveniene de um degrau de carga de 50% para 00%, e de 00% para 50%, respecivamene Conforme pode ser observado, a correne alerou seu valor de forma a maner a ensão no CC no barrameno esabilizada na ensão de referência de 400V Para cada um dos casos, a ensão no barrameno CC levou enre 50ms e 00ms para recuperar seu valor inicial, anerior às perurbações de carga Figura 6-7 Correne em Uma Das Fases e Tensão no Barrameno CC Degrau de Carga de 50% para 00% 55

176 Figura 6-8 Correne em Uma Das Fases e Tensão no Barrameno CC Degrau de Carga de 00% para 50% Para comprovar e validar o comporameno do conversor proposo nese rabalho referene à reversibilidade do fluxo de energia, fez-se uma injeção de poência no barrameno CC de saída aravés do acoplameno e fornecimeno de energia por pare de um conversor auxiliar à carga As figuras Figura 6-9 e Figura 6-0 ilusram os resulados obidos durane o início e érmino da reversão do fluxo de correne e energia, respecivamene Conforme pode ser observado, percebe-se que os conroladores auaram de forma rápida, primeiramene diminuindo as ampliudes, e poseriormene realizando a reversão das correnes na enrada do conversor, de forma a recuperar o valor de ensão no barrameno CC Para cada uma das siuações a ensão no barrameno CC levou enre 00ms e 400ms para recuperar seu valor inicial, anerior às perurbações de injeção ou reirada de poência, respecivamene 56

177 Figura 6-9 Correne em Uma Das Fases e Tensão no Barrameno CC Enrada na Reversão do Fluxo de Energia Figura 6-0 Correne em Uma Das Fases e Tensão no Barrameno CC Saída da Reversão do Fluxo de Energia A Figura 6- ilusra o comporameno do conversor durane um ransiório de reversão de energia, mosrando que a correne, primeiramene reduzindo sua ampliude e poseriormene reverendo sua direção, maneve-se em fase com a respeciva ensão de enrada 57

178 Figura 6- Tensão e Correne em Uma Das Fases de Enrada do Conversor Dealhe em Maior Perspeciva da Saída da Reversão do Fluxo de Energia 69 Conclusão A parir dos ensaios e medições realizadas pode-se dizer que o conversor apresena desempenho saisfaório conversor apresenou faor de poência consideravelmene próximo da unidade, mosrou-se robuso a variação abrupa de carga, e ambém conseguiu reverer o fluxo de energia manendo-se em fase durane os ransiórios, devolvendo assim a energia excedene para a rede de alimenação rifásica Mesmo apresenando uma disorção harmônica um pouco elevada para as correnes de enrada, foremene influenciadas pelas suas respecivas ensões, pode-se afirmar que o conversor projeado e consruído, uilizando as écnicas e méodos descrios nos capíulos aneriores, esá apo para a aplicação a qual foi proposo Com relação ao DSP, o amanho do programa final apresenou valor em orno de 0k byes de memória, e o empo de execução de odas as roinas de conrole denro de um loop de processameno levou 9s 58