CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA. Exp. 2

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1 r od la ort no C UNESDADE DE MOG DAS CUZES - ENGENHAA EÉCA Prof. Joé oberto Marque CUSO DE ENGENHAA EÉCA EEÔNCA DE POÊNCA Ex. ONE CHAEADA PWM ABAXADOA BUCK Objetivo: O objetivo deta exeriência é demontrar a oeração de algun comonente báico de um itema de controle de tenão de um converor CC-CC. O rincíio báico é o de uma fonte chaveada do tio Buc com controle da tenão CC de aída atravé de um controlador PWM e com um itema de roteção contra obre corrente. Entre o elemento que fazem arte do arendizado odemo detacar: a A eecificação de uma fonte CC não controlada ara alta tenão 0 b A utilização de tranitore biolare em alta tenão. c A utilização de um E de otência. d A utilização de um C de controle PWM. e A utilização de um controlador roorcional integral no controle da tenão. f A utilização de um itema de deligamento em cao de obre corrente. ia cn tê oped A od la udo M P agr a C, 0 = C r E oda tu CC SUB r oãç te or MWP P =f er igura O diagrama de bloco da fonte é motrado na figura e é comoto de uma controlador PWM coração do itema que recebe o inal de erro atravé de um controlador P e ajuta a tenão média do PWM de modo a obter que é o valor de referência de tenão obre o reitor. O circuito oera de forma a manter eta tenão contante e reage ara forçar eta condição toda vez que ocorre uma variação de tenão na carga, que ode er

2 a íd acc M WP UNESDADE DE MOG DAS CUZES - ENGENHAA EÉCA Prof. Joé oberto Marque decorrente de variaçõe da carga regulação da carga ou de variaçõe da tenão de entrada regulação da fonte. Oeração do circuito:. A tenão gerada na aída da fonte. A tenão média na carga é definida elo temo ON do E, que or ua vez é controlado elo modulador PWM. A tenão CC de aída, na carga, é dada ela relação: CCaída on 0 dt * ON * com 0 onde α é o ciclo de erviço do recortador. o é motrado na figura: t o ff no igura. O inal de realimentação da fonte. O controle do eríodo on do PWM é realizado ela realimentação negativa da tenão de aída alimentando um comarador omador que gera um inal de erro ara um controlador PWM. A relação entre a tenão de aída e e a tenão de referência de é dada ela exreão: CCaida amo admitir que o reitor eja de Ω, então, e a tenão de alimentação da entrada for 0, o que gera um barramento CC de aroximadamente *0,ara obtermo 00 na aída teremo que utilizar um reitor de: CCaida* * 00*000 *000 9 com caacidade de diiar 0,W. Cao você ache que é muita otência ara controlar o circuito, aumente a reitência ara, or exemlo 3,3, com io a reitência deverá ter:

3 UNESDADE DE MOG DAS CUZES - ENGENHAA EÉCA Prof. Joé oberto Marque 3 CCaida 6 * *3300 * * e deve diiar 0,38W < ¼ W. 3. O controle de erro da fonte. O inal de erro é alicado a um controlador P conforme motra a figura 4 reultando em uma aída do tio: 0 C C Se admitirmo >> odemo imlificar a exreão acima ara: 0 C C C Note que é o erro de tenão, já que a referência de tenão é. Podemo modificar a exreão acima de modo que ela tenha a forma: 0 C C onde: Ganho da arte roorcional do controlador P C Ganho da arte ntegral do controlador P Erro trabalhado elo controlador P A figura 3 motra o controlador P C 0 - M igura 3 Controlador P da fonte. 4. A intonização da fonte. amo admitir que a tenão PWM gerada ela fonte eja roorcional a tenão na aída do controlador PWM, ou eja:

4 UNESDADE DE MOG DAS CUZES - ENGENHAA EÉCA Prof. Joé oberto Marque PWM PWM * o e que a dinâmica da carga oa er modlada ela eguinte equação abaixo, onde o elemento dominante é o indutor em érie com a carga e ara efeito dea análie conideramo o caacitor aena com um elemento armazenador de carga com nenhum efeito obre a comonente de PWM.: PWM PWM * o Da exreão do controlador P temo: PWM PWM * o PWM * Podemo aumentar a banda aante do itema, e com io o deemenho do memo, cancelando o ólo introduzido elo filtro da carga, ou eja, fazendo i, C teremo: * * / * * PWM PWM O que garante erro de regime zero na banda de oeração da fonte. 4. A roteção do elemento de otência contra obrecorrente tranitória. A roteção da fonte funciona na bae ON-O, ou eja, e for detectada uma condição de obrecorrente, o modulador de PWM uende a excitação do elemento de otência. Utilizamo um reitor de 0,Ω como elemento enor de corrente ligado a um comarador na forma motrada na figura 4. A tenão de comaração do limite de obrecorrente é obtida da relação: 4 lim_ SC 3 4 A tenão na entrada do comarador é dada or: 0,* Se 0 0 O PWM fica habilitado. com Se 0 0 O PWM fica deligado. com lim_ SC Se com > 0 o comarador deliga o modulador PWM. Aim, ara a oeração normal da fonte, é neceário que: lim_ SC ou 0* lim_ SC 0, amo admitir que 4 = 4,7Ω e 3 = 0Ω, então: 4

5 UNESDADE DE MOG DAS CUZES - ENGENHAA EÉCA Prof. Joé oberto Marque 0 0* *, 4A , 0 agr a C, 0 = moc C igura 4 Proteção contra obrecorrente 4. O atuador de otência Noo atuador, ou dioitivo de controle de otência é um E otência de canal P 9630 com D. = 6 A, DSmax = 00 e DS < 0,8Ω ty = 0,Ω. Em geral, o C de acionamento não ão contruído ara oerar em alta tenõe, e o C de controle, que vamo utilizar, o 494 é eecificado ara aena 40, aim temo que adatá-lo ara oerar com um barramento de aroximadamente. Para criar uma interface de tenão entre o elemento de controle e o atuador de otência, utilizamo um tranitor PNP de baixa otência e alta tenão N3440 que oera com tenão CE max = 0, C Max = A, W, h femin =. A interface é motrada na figura. S 0369 D G 0443 N igura Coniderando A tenão de acionamento do E GS = e admitindo uma corrente de coletor de 0mA ara o tranitor N3440, teremo:

6 UNESDADE DE MOG DAS CUZES - ENGENHAA EÉCA Prof. Joé oberto Marque A otência dete reitor deverá er: P 0,W / 4W 00 Para o reitor 6 teremo: com otência: P 6, 4W 4000 Note que o cálculo realizado acima ão conervadore, uma vez que no regime de chaveamento a otência erão roorcionai ao quadrado do ciclo de erviço, ou eja: x Px x x x No cao acima que é o valor máximo do ciclo de erviço. Admitindo que o C oere com CC = 40, temo: CC BE 40 *0, C 0.0 h fe min Uando um fator de egurança dimenionamo 7 = 47Ω. O reitor 8 tem a função de fixar o otencial do C em zero na condiçõe em que o memo flutua, aim eu valor não tem outro elemento de criticalidade enão o efeito do conumo de energia. Com io fixamo o valor do memo no memo valor de A alimentação do C de controle. Não queremo montar um fonte de alimentação a arte ara o C de PWM aim teremo que alimentá-lo a artir da tenão de. o é feito utilizando o circuito da figura N =z cc 9 Admitindo uma corrente de 0mA ara o C e ma ara o circuito de controle teremo: 6

7 UNESDADE DE MOG DAS CUZES - ENGENHAA EÉCA Prof. Joé oberto Marque 40 9, Com diiação de: 40 P 9, 3W 700 uaremo W. O cálculo aqui realizado não ão crítico. 6. Cálculo da freqüência de oeração do PWM Em geral a fonte chaveada oeram com freqüência entre 0 e 0. Pra não oerarmo de modo muito aertado com exceo de diiação do E, vamo oerar no limite mínimo. f fonte 0Hz O 498 tem uma fórmula ara cálculo de freqüência da or:, f fonte C * CC Adotado o caacitor com C C =,n, então:, C *,.0 uaremo 47Ω, o que reulta em uma freqüência róxima a 0Hz. POCEDMENOS EXPEMENAS:. Utilizando um voltímetro eletrônico meça a tenão do barramento CC da rede retificada no onto de medição deignado como. O valor eerado da tenão nete onto é * 0 Ob: CUDADO PAA NÃO OMA CHOQUES EÈCOS.. Com um ocilocóio de qualidade, verifique a tenão no onto de medição. Quando eta tenão etá em nível alto o tranitor N3440 etá cortado o que ignifica que o E de otência também etá cortado. Modifique a tenão de aída ara 0 e 7 ara verificar a variação do ciclo de erviço da fonte. 3. Com o multímetro meça a tenão do onto de tete 3 verificando a tenão do circuito de alimentação do 494, que deve er róxima de 39 ou Ainda com o multímetro verifique a tenão do onto de tete 4 que deve ter,00. Eta tenão é utilizada elo C como referência ara a realimentação de tenão de aída que ajuta o ciclo PWM, aim como ara o circuito de roteção contra obrecorrente.. Com o ocilocóio verifique a tenão dente de erra no onto de tete, mude o jumer vermelho ara verificar o aumento na freqüência de PWM ela dobra, ma aó a verificação volte com o jumer ara a oição original ara diminuir a erda or chaveamento no E de otência. 6. Ainda utilizando o ocilocóio HP, verifique a forma de onda no catodo do diodo ráido onto 6 oberve que o diodo oera quando o E de otência corta. Se você etiver utilizando dua onta de rova NÃO USE DE OMA AGUMA DOS EAS ara evitar curto circuito indeejávei que imedirão a continuação de eu exerimento. 7. erifique a forma de onda da tenão na carga onto de tete 7 verifique que o rile é muito equeno em toa a tenõe fornecida ela fonte. 8. erifique a tenão do onto 8. eja e ela e aroxima de. Por que ito ocorre? 7

8 UNESDADE DE MOG DAS CUZES - ENGENHAA EÉCA Prof. Joé oberto Marque 9. Para finalizar verifique com o ocilocóio a tenão no ino 9, você deverá obervar uma tenão quadrada de 40 de ico e cujo ciclo de erviço varia ara a tenõe, 0 e 7. on Meça o valor de ara a trê condiçõe e verifique e: o * * 0 e ara a outra tenõe de aída. 0. Para terminar, com a chave em 7, obtenha a corrente que aa ela carga e calcule a 7 otência diiada no diiador ara o cao linear: P linear 7*. eita ete cálculo ara a outra tenõe.. A róxima ágina contem um diagrama equemático do controlador Buc PWM etudado. eja o que você não entendeu e dicuta com o rofeor. 8

9 zh06 - fe0 A A D? egdirb C u 0 0 C 0 M 9 K C n 8 K K K U 3 C CD N -N NEPMC -N N G N D ONC E 4,0 C C W C E C E N ZD 3 9 Q 6 0 W 7,4 3 K, 4 7 K 043N Q Q 4 3 W K D? 4394N edoid? nor rotcudn Hm0 6 3,3 C? lop ac 0 0 C C A,0=xam UNESDADE DE MOG DAS CUZES - ENGENHAA EÉCA Prof. Joé oberto Marque 9