ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

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1 ISSN ELETRÔNICA DE POTÊNCIA REVISTA DA SOCIEDADE BRASILEIRA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA SOBRAEP VOL. 6,Nº,DEZEMBRO DE 00 ÍNDICE Corpo de Revisores... Ediorial... Reiicadores de ala qualidade com comuação em ala ou em baixa reqüência um esudo comparaivo José Anenor Pomilio, Giorgio Spiazzi, Simone Buso... Reiicador riásico isolado com correção do aor de poência empregando o conversor CC-CC SEPIC em condução conínua Denizar Cruz Marins, Anderson H. de Oliveira e Ivo Barbi... Novo reaor elerônico com elevado aor de poência para múliplas lâmpadas luorescenes ubulares Fabio Toshiaki Wakabayashi, Carlos Albero Canesin... Análise e Modelagem do Filro Aivo de Poência PWM Monoásico Fabricio L. Lirio, Márcio do Carmo Barbosa Rodrigues e Henrique A. C. Braga... Reiicador riásico isolado com alo aor de poência uilizando o conversor Zea no modo de condução conínua Denizar C. Marins, Márcio M. Casaro e Ivo Barbi... ii iii Normas para Publicação de Trabalhos na Revisa elerônica de poência... 4 Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00 i

2 Corpo de Revisores desa edição de Elerônica de Poência IvoBarbi UFSC Edison R. Cabral da Silva UFPb Wilson Aragão Filho UFES Fernando Anunes UFC Pedro Donoso Garcia UFMG Henrique Braga UFJF Hélio Leães Hey UFSM Valdeir José Farias UFU José Luiz F. Vieira UFES João Baisa Vieira Jr. - UFU Carlos Albero Canesin UNESP Waler Kaiser USP Fábio Wakabayashi UNESP Cláudio Duare UCPEL Giorgio Spiazzi Universidade de Pádua Alexandre Campos UFSM Domingos S. L. Simonei - UFES Waldir Pó USP ii Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00

3 EDITORIAL O ano de 00 marcou o Brasil com a iminência da crise energéica. A maioria de nós colaborou aivamene com a adesão orçada ao racionameno de energia elérica. Também a revisa Elerônica de Poência, da nossa Sociedade, passou o ano de 00 em baixa. A submissão de arigos oi basane reduzida, e o processo revisório demorado. Por um momeno viveu-se a sensação de que a revisa não represenava mais, aos esudiosos de Elerônica de Poência do nosso país e de alguns países mais ains, um órum balizado e conceiuado na área. Chegou-se a avenar a possibilidade de exinção da revisa. As discussões (provocadas) no COBEP 00, em Florianópolis, e depois via correio elerônico mosraram que o pensameno dos ailiados da SOBRAEP é jusamene de valorização da revisa. A inalização das discussões ocorreu ao mesmo empo em que conseguíamos echar um número correspondene a 00. Esperamos em 00 que haja uma maior submissão de arigos pelos diversos grupos de pesquisa em elerônica de poência e aplicações. Paralelamene, começamos a azer chamadas especíicas para seções emáicas. O assuno de esréia é a Reiicação com Alo Faor de Poência, cujo Edior de Seção é o Pro. Carlos Canesin. Os dealhes esão na chamada inserida nesa revisa. Aproveio para agradecer aos auores que submeeram rabalhos. Agradeço ambém aos nossos revisores, que garanem o alo índice écnico da publicação. E um agradecimeno especial ao nosso Edior Associado, Pro. Marcelo Godoy Simões. Aos leiores, a cereza que o próximo enconro com a Elerônica de Poência será menos demorado. Domingos Sávio Lyrio Simonei Edior Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00 iii

4 SOBRAEP Direoria (000-00) Presidene: José Anenor Pomílio - FEEC - UNICAMP Vice-Presidene: Domingos Sávio Lyrio Simonei - UFES. o Secreário: Carlos Albero Canesin - FEIS - UNESP. o Secreário: Enes Gonçalves Marra - EEE - UFG Tesoureiro: Carlos Rodrigues de Souza - FEEC UNICAMP Conselho Deliberaivo Alexandre F. de Souza ArnaldoJ.Perin Cícero Cruz Denizar C. Marins Edison R. C. da Silva Enio V. Kassick Falcondes J. Mendes de Seixas Fernando Anunes Ivo Barbi José Renes Pinheiro Wilson Aragão Filho Endereço aual SOBRAEP FEEC UNICAMP C. P Campinas SP Fone: Fax.: hp:// Elerônica de Poência Edior: Pro. Domingos Sávio Lyrio Simonei UFES - DEE C. P CEP Viória - ES Brasil Responsável pela edição:josé Anenor Pomilio Elerônica de Poência é disribuída grauiamene a odos os sócios da SOBRAEP iv Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00

5 RETIFICADORES DE ALTA QUALIDADE COM COMUTAÇÃO EM ALTA OU EM BAIXA FREQÜÊNCIA UM ESTUDO COMPARATIVO José Anenor Pomilio Faculdade de Engenharia Elérica e de Compuação Universidade Esadual de Campinas C. P Campinas Brasil anenor@dsce.ee.unicamp.br Giorgio Spiazzi, Simone Buso Deparameno de Elerônica e Inormáica Universidade de Pádua Via Gradenigo 6A Padova - Iália giorgio@dei.unipd.i - simone@.dei.unipd.i Resumo Reiicadores com alo aor de poência, em conormidade com normas inernacionais êm sido largamene esudados. São basane conhecidas as soluções que uilizam comuação em ala reqüência, enquano são mais recenes as opologias que uilizam comuação em baixa reqüência. Esas úlimas represenam uma alernaiva para aplicações de grande volume de produção nas quais não é necessária uma regulação precisa da ensão de saída, sendo possível aender às limiações da norma com valores de induância ineriores àqueles usados em soluções passivas. Além disso, devido à operação em baixa reqüência, as perdas de comuação se ornam desprezíveis e os valores de di/d e dv/d são ineriores aos dos circuios comuados em ala reqüência, minimizando a emissão de inererência eleromagnéica. Ese arigo revisa os princípios de uncionameno de alguns reiicadores dese ipo. São eias comparações com a solução de ala reqüência em ermos de complexidade circuial, volume dos induores e desempenho, permiindo esabelecer criérios de escolha denre as opologias. Absrac - High power acor reciiers, complying wih inernaional sandards have been deeply sudied. Two main approaches are usually used: high requency conrol o he inpu curren and line-requency commuaed reciiers. These las represen an alernaive or large volume applicaions ha do no need a precise oupu volage regulaion. They provide compliance wih he sandard using a smaller inducor as compared o a convenional reciier wih passive iler. Moreover, being he swich urned on and o only wice per line period, he associaed losses are very small and he di/d and dv/d are lower compared o high-requency commuaed reciiers, hus reducing he high-requency noise emission and EMI iler requiremens. This paper reviews he operaing principles o some line-requency commuaed reciier opologies. A comparison among low and high requency high power acor reciiers, in erms o circui complexiy, overall reacive componen size and perormance, is made, hus allowing selecion o he mos convenien opology or a given applicaion. I. INTRODUÇÃO Reiicadores de ala qualidade (em inglês Power Facor Correcors PFCs ) êm subsiuído reiicadores com ilro capaciivo devido aos limies para as componenes harmônicas imposos por normas inernacionais como a IEC []. Os PFCs com comuação em ala reqüência levam a um aor de poência praicamene uniário, além de permiirem regular a ensão de saída, às cusas de um aumeno no cuso e no volume oal do reiicador. O PFC baseado no conversor boos operando no modo de condução conínuo (MCC) com comuação em ala reqüência (AF boos), é a esruura aponada na lieraura como das mais indicadas para a implemenação de um reiicador de ala qualidade, devido à inerene baixa ondulação da correne de enrada, à excelene orma de onda e à acilidade de comando do ransisor. Não obsane, algumas aplicações de produção maciça, como elerodomésicos de maior poência, da chamada linha branca (aparelhos de ar condicionado, máquinas de lavar roupa, ec.) ainda uilizam opologias convencionais devido ao menor cuso e maior coniabilidade, com ilros passivos para se conormarem à norma, mesmo que iso signiique um signiicaivo aumeno no volume dos elemenos reaivos na medida em que aumena a poência []. Recenemene [3-7] oram proposas opologias que represenam uma solução de compromisso enre os reiicadores com comuação em ala reqüência (que normalmene comuam em dezenas de khz) e os com ilros passivos. Tais circuios azem uso de um inerrupor comuado no dobro da reqüência da rede, de modo que praicamene são eliminadas as perdas por comuação. O aendimeno às especiicações da norma é obido com imporane redução no valor dos elemenos reaivos, especialmene induâncias, quando comparado com a solução aiva. Além disso, os limiados valores de di/d e dv/d permiem a minimização de emissões de ala reqüência, possivelmene eliminando a necessidade de ilros de linha. Circuios dese ipo êm sido uilizados indusrialmene, como se veriica em [8] para o caso de aparelhos de ar condicionado. Algumas alernaivas para conversores riásicos ambém êm sido esudadas [9-] mas ogem do escopo dese arigo pois normalmene não ocorrem em aplicações domésicas. Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00

6 Nese arigo são revisas e analisadas quaro desas opologias. Uma comparação com o AF boos é realizada, observando aspecos como: disorção na correne de enrada, aor de poência, regulação da ensão de saída, complexidade do circuio, esorços de ensão e de correne nos inerrupores, amanho dos elemenos reaivos, ec. São esudados casos na aixa de poência enre 600 W e, kw. II. RETIFICADORES COM COMUTAÇÃO EM BAIXA FREQÜÊNCIA Além do AF boos, as demais opologias de reiicadores que serão consideradas nese arigo esão mosradas na igura. Cada uma possui um induor, L e um capacior, C, ambos dimensionados para operação em baixa reqüência. Além disso, as opologias T e T são comuadas em baixa reqüência e uilizam um circuio auxiliar que emprega um ransisor, S e um diodo, D. A opologia T ambém emprega induor e capacior auxiliares, L a ec a, respecivamene. Exceo pelo diodo D, odos os demais componenes são dimensionados para uma pequena ração da poência de saída. Eses conversores permiem aender aos limies imposos pelas normas de disorção harmônica da correne, azendo uso de componenes passivos (L e C) de valores ineriores aos uilizados em circuios que empregam apenas ilragem passiva para o mesmo im. Dado que a correne de enrada é desconínua, o posicionameno da induância pode ser eio anodoladocaquanodoladoccdoreiicador. Os princípios de uncionameno são brevemene descrios a seguir. Topologia T boos com comuação em baixa reqüência (BF boos): Ese circuio é opologicamene idênico ao conversor boos com comuação em ala reqüência, no enano o comando do ransisor se az no dobro da reqüência da rede, ou seja, apenas uma comuação em cada semiciclo. Quando o ransisor enra em condução, a ensão reiicada da rede, u g, é aplicada à induância e se em correne absorvida da rede com anecedência em relação ao que ocorreria sem a ação dese inerrupor. Quando o ransisor é desligado, ocorre uma ressonância enre L e C, aravés do diodo, aé que a correne se anule, assim permanecendo aé o próximo semiciclo. A orma de onda ípicaesámosradanaigura.a). Topologia T (BF - boos modiicado): Ese conversor opera de orma diversa do anerior. O inerrupor S é acionado nas proximidades do cruzameno da ensão da rede com o zero. Iso provoca uma descarga (parcial) do capacior C a aravés do induor L ª. Quando o ransisor é desligado o processo de descarga prossegue aravés de D a aé que a correne pelo induor auxiliar vá a zero. Ao inal dese inervalo o capacior esá carregado com uma ração da ensão de saída, levando a uma condução anecipada dos diodos da pone reiicadora. A correne de enrada varia de maneira ressonane, carregando C a, aé que o diodo D enre em condução. Enão se em a ressonância enre L e (C+C a ), que se maném aé que a correne se anule. Formas de onda ípicas esão mosradas na igura.b). b) c) a) u i i i + u i i i i i i + i g u g L i g L u g L S u g i g D C Circuio auxiliar i La D L a D a C R L R L U o U o + C C u a - - Ca S - Circuio auxiliar + U o Fig. Topologias de reiicados de alo aor de poência: a) Filro passivo; b) T: BF- boos; c)t:bf-boos modiicado. a) i i i i 0 T i / 0 T/ b) i Fig. Formas de onda ípicas da correne de enrada dos reiicadores com comuação em baixa reqüência: a) T; b) T. R L Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00

7 III. COMPARAÇÕES ENTRE AS TOPOLOGIAS As abelas I e II mosram dados das quaro opologias selecionadas para a análise comparaiva, incluindo aquela com ilro passivo (LC com célula única). Todos os valores reerem-se a uma ensão de enrada de 30 V, como prescreve a norma. O valor da induância é o mínimo que permie a obediência aos limies da norma (classe A), endo sido obido por méodo numérico, seguindo procedimenos indicados em [4-7]. Para o conversor boos de ala reqüência, operando no MCC, o valor da induância oi calculado considerando os seguines valores: ondulação da correne de enrada (pico-apico) de,6 A, a 70 khz, com ensão de saída de 380 V. A. Conormidade às normas de disorção harmônica da correne Para o conversor com comuação em ala reqüência, supondo operação no modo de condução conínuo, com conrole pela correne média, a correne da rede reproduz a orma de onda da ensão de enrada, o que garane o aendimeno das resrições da norma. No modo de condução desconínuo, depois da ilragem da ala reqüência, em-se uma disorção harmônica mais elevada [], como mosra a igura 3, mas muio aquém dos limies da norma. 0 Fig. 3 Forma de onda ípica de reiicador boos no modo de condução desconínuo: ensão da rede e correne ilrada. A emenda 4, inroduziu alerações na norma IEC [3], deerminando que apenas aparelhos de TV e compuadores e moniores de uso pessoal, com poência aé 600 W são incluídos na classe D. Nesa classe os limies esabelecidos para cada harmônica são uma percenagem da componene undamenal. Foi abolida a deinição do envelope denro do qual a correne deveria se conormar, desa orma, não exise mais a possibilidade de se alerar ligeiramene a orma de onda de modoapassar-sedaclassedparaaclassea. Para os ouros aparelhos (exceo os de iluminação classe C, as erramenas poráeis classe B e os da classe D), o equipameno é considerado em classe A, exisindo valores absoluos a serem respeiados, independenemene da poência. Por exemplo, a erceira harmônica pode er um valor de pico de aé 3,5 A. Uilizando os valores indicados na Tabela I, oram veriicados os especros das correnes de enrada de um reiicador com ilro passivo e das opologias T e T, garanindo-se a mesma poência de saída (para 00 W). Os resulados esão mosrados na igura 4. Pode-se veriicar que para o circuio com ilro passivo o limie é dado pela componene de mais baixa ordem (3ª harmônica). A orma suave da onda limia oremene as componenes superiores. Na opologia T veriica-se que a redução nas componenes de baixa ordem vem acompanhada de uma elevação daquelas de ordem superior. Nese caso o limie oi dado pela 7ª harmônica. Na opologia T, por ambém apresenar um peril mais suave de variação da correne em relação a T, ese eeio de aumeno nas componenes de ordem elevada não se observa, e o limie de poência é dado pelas 5ª e 7ª harmônicas, que esão associadas à ondulação da orma de onda mosrada na igura. Observe-se que, de acordo com a Tabela I, a conormidade com a norma é obida com induância cada vez menor quando se passa do circuio passivo para as opologias T e T.,5 3,5,5, Limie Passivo T Ordem harmônica T Fig. 4 Comparação enre especros da correne de enrada de reiicadores com ilro passivo, opologias T e T e os limies da norma (valores de pico em [A]). P o = 00 W. B. Regulação da ensão de saída Para o AF boos é possível se ober uma excelene regulação da ensão de saída, ano para variações na carga quano para variações na enrada. A solução passiva não oerece nenhum ipo de regulação e, além disso, devido à queda de ensão sobre a induância, a ensão CC é signiicanemene menor do que o valor de pico da ensão de enrada. O eeio boos (elevação da ensão de saída em relação à de enrada) esá presene ambém nos conversores com comuação em baixa reqüência. A energia armazenada durane o inervalo de condução do inerrupor é ranserida subseqüenemene à saída, elevando a ensão CC. Esa elevação, por depender da energia acumulada na induância, esá direamene ligada à duração do inervalo de condução do ransisor, o qual é limiado pelo máximo esorço de correne admiido para ese disposiivo, como será discuido no próximo iem. Desa maneira, é possível se ober regulação da ensão de saída, numa aixa relaivamene ampla de variação da carga mas numa aixa limiada de variação da ensão da enrada. Uma vez que o criério de dimensionameno da induância é o de minimizar seu valor, manida a conormidade com a norma, o empo de condução do 0 0 Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00 3

8 inerrupor é relaivamene curo, uma vez que empos maiores exigiriam induâncias mais elevadas com a inalidade de limiar a correne que circularia pelo inerrupor. Sendo pequeno ese inervalo de empo, sua redução pode compensar um aumeno na ensão de enrada apenas numa pequena aixa. Não é possível azer compensação de sub-ensão, pois isso implicaria no aumeno do empo de condução, com o conseqüene aumeno no esorço de condução de correne. Em ermos da variação da carga, na medida em que a correne da carga se reduz, o empo de condução do ransisor deve ser reduzido de maneira a maner consane a ensão de saída. Para um dado valor mínimo de correne consumida, o inervalo on se anula e o reiicador passa a se comporar como um conversor com ilro passivo. Abaixo dese valor de correne da carga não é possível regular a ensão de saída, a qual ende a se elevar, chegando ao valor de pico da ensão de enrada. Quano maior o valor da induância do circuio, maior a queda de ensão sobre esa. Assim, na opologia T veriicase uma signiicaiva diminuição da ensão CC, enquano em T consegue-se aproximar do valor da ensão de pico da enrada em oda aixa de poência esudada. C. Esorços de ensão de correne Para os circuios com comuação em baixa reqüência, o esorço de correne do inerrupor depende ano do valor da induância quano do empo de condução do ransisor. Quano maior or ese inervalo de empo maior a aixa de regulação da ensão de saída. Mas iso implica em um maior valor de pico da correne pelo induor ou em uma maior induância, o que raz implicações no aumeno do volume do induor. A opologia T apresena um maior esorço de correne, uma vez que uiliza induância menor aravés da qual se az a descarga do capacior auxiliar. A igura 5 mosra ormas de onda de ensão e de correne no circuio auxiliar. Além do ransisor e do diodo, ambém o capacior ica submeido a um imporane esorço de correne, indicando a necessidade de uso de um componene com baixa resisência série equivalene a im de limiar as perdas nese componene. O esorço de correne para o AF - boos, no modo de condução conínuo, é igual ao valor de pico da correne pelo induor. O esorço de ensão ao qual esão submeidos os inerrupores é igual à ensão de saída para odos os rês conversores, mas normalmene será maior para o caso de ala reqüência devido à maior ensão de saída obida. D. Faor de Poência Considerando as ormas de onda mosradas na igura, é possível deerminar as respecivas disorções harmônicas oais (DTH), aores de deslocameno da componene undamenal (cos φ ) e os conseqüenes aores de poência (FP). Consulando a Tabela I, veriica-se que os resulados para o AF boos são os melhores, enquano a opologia com ilro passivo apresena o pior desempenho em ermos de aor de deslocameno e aor de poência. Devido à orma de onda suave, sua DHT é inerior às das opologias T e T. Fig. 5 Formas de onda no circuio auxiliar: {}: Tensão no ransisor (00 V/div.) {}: Tensão no capacior auxiliar (00 V/div.) {3}: Correne no induor auxiliar (0 A/div.) Horiz.: ms/div. Quano aos reiicadores com comuação em baixa reqüência, os resulados para T são melhores do que para T. Iso se explica considerando que a correne de enrada para a opologia T apresena-se com menores valores de pico e eicaz, o que implica numa redução da disorção e um aumenodofp. E. Tamanho do induor Uma esimaiva do amanho dos induores pode ser obida por meio do produo de áreas A e A w (sessão ransversal do núcleo x área da janela ocupada pelo enrolameno), basane uilizado nos procedimenos de dimensionameno dese ipo de elemeno. A abela I mosra os valores dese produo considerando os parâmeros e caracerísicas dados a seguir. Para os conversores com operação em baixa reqüência considera-se um núcleo de Ferro - Silício, uma densidade de campo magnéico B max =,5 T, uma densidade de correne J = 5 A/mm, e coeiciene de ocupação da janela pelo enrolameno k R = 0,4. Para o AF boos, considera-se o emprego de errie (Micromeals) com densidade de campo magnéico B max = 0,5 T, no caso de poência de saída de 600 W. Um núcleo de pó de erro, ipo kool-µ (Magneics) com B max = 0,6 T oi considerado para poências mais elevadas (900 e 00 W). A elevação de emperaura admiida é de 40 º C. Na abela II êm-se esimaivas dos volumes exernos do induor e apenas do núcleo, com base em valores ípicos de produos comerciais. Como esperado, o conversor com comuação em ala reqüência apresena os menores valores de volume do induor. A dierença se orna mais signiicaiva à medida que aumena a poência. Denre as soluções de baixa reqüência, T é a que apresena menores valores, mesmo adicionando-se no cômpuo o volume do induor auxiliar. 4 Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00

9 TABELA I. COMPARAÇÃO ENTRE RETIFICADORES PARA DIFERENTES POTÊNCIAS: ESFORÇOS DE TENSÃO E DE CORRENTE E FATOR DE POTÊNCIA P o [W] U o [V] U o /U Spk [V] L [mh] L a [mh] I gpeak [A] I grms [A] I gavg [A] I Speak [A] I Lapeak [A] I Larms [A] DHT cos(φ ) FP A e A w [cm 4 ] A e A w [cm 4 ] P 94,8 0,90 6,5 8,6 3,68,04 0,87 0,938 0,708 6, T 303,4 0,93 4,5 8,84 3,63,98,33 0,9 0,964 0,76 4,8 600 T 35, 0,97 3 0,8 8,6 3,48,9 7,74 7,74,0 0,88 0,994 0,747,87 0, AF 380,7 0,5 3,7,6,35 4,33 4,33,6 ~0 ~ ~, P 58,9 0,80 8,5 9,8 5, 3,47 0,5 0,86 0,763 30, T 90 0,89 9 0,0 4,8 3,,66 0,6 0,95 0,8 4,5 900 T 36, 0,97 5, 8,34 4,54,96 4,4 4,4 3,35 0,59 0,999 0,86 6,56, AF 380,7 0,5 5,53 3,9 3,5 5,53 5,53 3,9 ~0 ~ ~ 4, P 30,7 0,7 9, 6,97 5, 0,3 0,799 0,76 73, T 73,6 0,84 6, 6,6 4,4 3,53 0,43 0,93 0,846 36,8 00 T 30,6 0,95 6,8, 9,5 5,65 4,3 34,4 34,4 4,84 0,4 0,997 0,9, 6, AF 380,7 0,5 7,38 5, 4,7 7,38 7,38 5, ~0 ~ ~ 4,84 P = ilro passivo; T =BF-boos; T =BF boos modiicado, AF boos. P o : poência de saída; U o : ensão de saída; U Sp : valor de pico da ensão de enrada; I g : correne (eicaz e pico) de enrada; I S : correne no inerrupor (eicaz e pico); I La : correne no induor auxiliar (eicaz e pico); P o [W] TABELA II. COMPARAÇÃO ENTRE RETIFICADORES PARA DIFERENTES POTÊNCIAS: VOLUME E PERDAS V ex V e V ex V e P Cu * P Fe * P rec P swich ** P cap Área do [cm 3 ] [cm 3 ] aux aux [W] [W] [W] [W] [W] dissipador [cm 3 ] [cm 3 ] [cm ] Volume do ilro de IEM [cm 3 ] P 48 38,4 4,08 0,9 4, T 38,4 30,7 3, 0,73 3,96, T 6,,5 3,58,8,59 0,58 3,84,94 0, AF 6,84 5,3,47 4,70 0, P 4 3,6,67 6, T ,04,7 6, 3,4 7,6 900 T 48 38,4 6,,5 6,0,4 5,9 3,8 7,76 7, AF 0,5 3,35,84 7,04 3, P ,8 4,88 0, T ,8 3, 8,84 4,5 5,6 00 T ,4 0,5,33 8,6 4,64 5, 6, AF,3 3,76,8 9,40 43, * Inclui o induor auxiliar para T ** Inclui o ransisor e os diodos P o : poência de saída; V ex : volume exerno do induor; V e : volume do núcleo; P: perda de poência no enrolameno (P Cu ), no núcleo (P Fe ), no reiicador de enrada (P rec ), no inerrupor e no diodo auxiliar (P swich ) e no capacior auxiliar (P cap ). F. Perdas As perdas de poência associadas aos elemenos magnéicos e ao reiicador de enrada oram calculadas para odas as opologias e níveis de poência. Foi suposa uma queda de V por diodo e, sendo conhecida a correne média de enrada, deermina-se a poência. No reiicador de enrada não há perda de comuação signiicaiva em nenhuma das opologias. Para os induores oram consideradas as perdas no núcleo (com base em dados de caálogo que indicam as perdas em unção da reqüência, do valor de B e da massa do núcleo) e no enrolameno. Os valores não são signiicanemene dierenes enre si, exceo pelas perdas nos enrolamenos, que são muio maiores nos induores das opologias com comuação em baixa reqüência. A razão para al é que oi uilizado, para eeio comparaivo, o mesmo valor de densidade de correne (5 A/mm ) no dimensionameno de odos induores. Ese não é um bom valor para induores de baixa reqüência, uma vez que o número de espiras exigido implica em uma resisência elevada. As perdas no capacior auxiliar, associadas à sua resisência série equivalene, (opologia T) êm valor próximo às do induor, por causa do alo valor da correne eicaz que circula por C aux. Para os semiconduores (exceo a pone reiicadora) oram uilizados dois méodos diversos. Para os circuios de baixa reqüência as perdas oram esimadas considerando ensão e correne médias pelo ransisor e diodo, desprezando perdas de comuação. Para a opologia AF boos, oi omado como base um valor de rendimeno global de 95%, reqüenemene reporado na lieraura, válido para a aixa de poência esudada. Subraindo as ouras perdas esimadas aneriormene, aribui-se a dierença ao ransisor e ao diodo. Os valores obidos são cerca de dez vezes maiores do que aqueles dos circuios com comuação em baixa reqüência, Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00 5

10 podendo-se aribuir ese aumeno essencialmene às perdas de comuação. G. Dissipador de calor Para odos os conversores oi suposo que o os inerrupores (diodo e ransisor) ivessem encapsulameno TO-47 (resisência érmica R θjc = 0,7 º C/W). A área do dissipador de calor oi calculada considerando a resisência érmica de uma placa de alumínio brilhane de mm de espessura, em posição verical [4]. Os valores elevados obidos para a opologia com comuação em ala reqüência êm um imporane impaco no volume oal deses conversores. U o Especro u g i i H. Filro de Inererência Eleromagnéica - IEM Devido à comuação em baixa reqüência, as opologias com ilro passivo, T e T não necessiam de ilros de IEM, o que já não ocorre com o AF boos. Uma vez que o projeo de ais ilros não é objeo dese arigo, a Tabela II indica o volume de ilros comerciais (aenuação enre 50 e 60 dbµv enre 50 khz e 30 MHz). Noe-se que o volume do ilro é muio maior do que o do induor, sendo similar ao volume do induor esipulado para o reiicador com ilro passivo. I. Circuios elerônicos O circuio elerônico usado ano em T quano em T é essencialmene um gerador de pulso sincronizado com a rede. Se or implemenada a regulação da ensão de saída, orna-se necessário um circuio adicional para ajusar a largura do pulso. Ese circuio poderia ser acilmene implemenado, por exemplo, com um TCA 785. Para o reiicador com comuação em ala reqüência, seria empregado um circuio inegrado comercial, que exige rês sinais de enrada: ensão reiicada, ensão de saída e correne pelo induor. Embora ese úlimo caso apresene uma complexidade um pouco maior, não há dierenças muio imporanes nese aspeco enre os reiicadores. Obviamene, o reiicador com ilro passivo não az uso de nenhum circuio elerônico. VI. RESULTADOS EXPERIMENTAIS As iguras 6 e 7 mosram ormas de onda para as opologias T e T. Em ambos os casos o coneúdo harmônico esá denro dos limies da norma. O valor de induância uilizado para T é aquele indicado na Tabela I. Os resulados experimenais são consisenes com os eóricos apresenados na mesma abela. Para a opologia T, por er sido esada em 60 Hz, o valor oi recalculado, obendo-se, como esperado, valores ineriores àqueles de 50 Hz. O esorço de correne é de 0A. O aor de poência medido oi 0,85, sendo deerminado pela disorção da correne, que equivale a uma DHT de 59%. O rendimenos da opologia T oi de 97%, enquano para T oi obido 96%, o que é coerene com os valores expressos na Tabela II. O menor rendimeno de T deve-se ao aumeno das perdas devido ao modo de uncionameno do circuio auxiliar. Fig. 6 Tensão de enrada reiicada (00 V/div), correne de enrada ( A/div) e seu especro (0,4 A rms /div) U i = 5 V rms,u o = 84 V, 50 Hz e P o = 600 W. Fig. 7 Tensão de enrada U i (00 V/div), correne de enrada i i (5 A/div) U i = 30 V rms,u o = 9 V, P o = 900 W, 60 Hz, L = 6 mh, L a =mh,c a =44µF. V. CONCLUSÕES Esa análise comparaiva enre reiicadores de ala qualidade empregando comuação em ala ou em baixa reqüência visou dar inormações para a escolha de uma solução que considere aspecos relacionados com o volume dos elemenos magnéicos empregados, o volume oal do reiicador, a possibilidade de regulação da ensão de saída, a geração de IEM e ouros aspecos, sempre garanindo a conormidade com normas de disorção da correne. As opologias que empregam comuação em baixa reqüência êm como principal vanagem a não necessidade de uso de ilro de IEM e a eliminação das perdas de comuação, o que implica numa drásica diminuição do volume dos dissipadores, resulando ainda num maior rendimeno. Para valores de poência mais elevados (acima de 900 W), os amanhos do dissipador e do ilro de IEM se ornam muio signiicaivos no conversor com comuação em ala reqüência, enquano o induor se orna muio grande na solução passiva. Por ouro lado, pode-se esperar uma redução do volume oal do conversor com o emprego das opologias T e, principalmene, T. A opologia T, mesmo uilizando dois induores, 6 Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00

11 minimiza o volume do conversor. Sua principal desvanagem é o esorço de correne presene nos componenes do circuio auxiliar, o que resula num menor rendimeno em comparação com T. Em ermos das perdas oais, a solução de ala reqüência apresena os piores resulados devido às perdas de comuação dos inerrupores. A grande vanagem do AF - boos é a regulação da ensão de saída, que permie compensar plenamene variações na ensão de enrada e na carga. Já as ouras opologias (exceo a passiva) conseguem compensar reduções da correne de carga aé cerca de 50% do valor nominal (valores obidos experimenalmene), enquano praicamene não êm auação rene a variações na ensão de enrada. Caso a aplicação não exija ese ipo de regulação (por exemplo, se os conversores alimenados pela saída CC puderem operar com variação nesa ensão) e aspecos de densidade volumérica de poência e simplicidade de operação do conversor orem mais relevanes, as opologias T ou T podem ser uma escolha conveniene. AGRADECIMENTOS Os auores desejam agradecer à Fundação de Amparo à Pesquisa do Esado de São Paulo (FAPESP) pelos inanciamenos das visias do Dr. Spiazzi e do Dr. Buso ao Brasil e do projeo 99/ REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [] IEC , Inernaional Elecroechnical Commission, 3, Genève, Swizerland, 998. [] M. Jovanovic, D. E. Crow, "Meris and Limiaions o Full-Bridge Reciier wih LC Filer in Meeing IEC Harmonic-Limi Speciicaions," Proc. o he IEEE Applied Power Elecronics Con.. (APEC), pp , March 996. [3] I. Suga, M. Kimaa, Y. Ohnishi, R. Uchida. New Swiching Mehod or Single-Phase AC o DC Converer, Proc. o he Power Conversion Conerence (PCC), pp.93-98, 993. [4] L. Rosseo, G.Spiazzi, P. Teni, Boos PFC wih 00 Hz Swiching Frequency Providing Oupu Volage Sabilizaion and Compliance wih EMC Sandards, Proc. o he Indusry Applicaions Sociey Annual Meeing, S. Louis, USA, pp , 998. [5] G. Spiazzi, S. Buso, "A Line-Frequency Commuaed Reciier Complying wih IEC Sandards," Proc. o he IEEE Applied Power Elecronics Con., March 999. [6] J. A. Pomilio, G. Spiazzi, "A Double-Line-Frequency Commuaed Reciier Complying wih IEC Sandards" Proc. o he IEEE Applied Power Elecronics Con., March 999. [7] J. A. Pomilio, G. Spiazzi, "A Low-Inducance Line- Frequency Commuaed Reciier Complying wih IEC Sandards," CD record. o he IEEE Power Elecronics Specialiss Con. (PESC), June 999. [8] Y. Shimma and K. Iida: Inverer applicaions o air condiioning ield, Proc. O IPEC 000, May 000, pp [9] J. Salmon and D. Koval: Improving he operaion o 3- phase diode reciiers using an asymmerical hal-bridge dc-link acive iler, CD record o IAS Annual Meeing, Ocober 000. [0] E. L. M. Mehl and I. Barbi: An improved high-power acor and low-cos hree-phase reciier, IEEE Trans. on Indusry Applicaions, vol. 33, no., pp , March-April 997. [] S. Hansen, P. N. Enjei, J. Han and F. Blaabjerg: An inegraed single-swich approach o improve harmonic perormance a sandard PWM adjusable speed drives, Proc. o IAS Annual Meeing, pp , Oc [] B. Mammano, L. Dixon: Choose he Opimum Topology or High Power Facor Supplies, PCIM Magazine, pp. 8-8, March 99. [3] EN pra4, European Commiees or Elecroechnical Sandardizaion CENELEC, Brussels, Belgium, March 000. [4] D. S. Seinberg: Cooling Techniques or Elecronic Equipmen, John Wiley & Sons, Inc., 980. DADOS BIOGRÁFICOS José Anenor Pomilio nasceu em Jundiaí SP em 960. É engenheiro elericisa (983), Mesre (986) e Douor em Eng. Elérica (99) pela Universidade Esadual de Campinas. De 988 a 99 oi chee do grupo de elerônica de poência do Laboraório Nacional de Luz Síncroron. Em 993/994 realizou um eságio de pós-douorameno juno à Universidade de Pádua Iália. Foi edior da revisa Elerônica de Poência (999/000). Aualmene é presidene da Sociedade Brasileira de Elerônica de Poência e membro eleio do Comiê Adminisraivo da The IEEE Power Elecronics Sociey. É proessor da Faculdade de Engenharia Elérica e de Compuação da Unicamp dese 984. Suas principais áreas de ineresse são écnicas de elerônica de poência aplicadas à qualidade da energia elérica, condicionameno elérico aplicado a ones alernaivas de energia. Giorgio Spiazzi nasceu em Legnago (província de Verona, Iália) em 96. Graduou-se em Engenharia Elérica na Universidade de Padova em 988. Em 993 obeve seu douorado em Elerônica Indusrial e Inormáica no Deparameno de Elerônica e Inormáica da mesma Universidade, onde é proessor desde 993. Suas áreas de ineresse são écnicas de conrole avançadas para conversores de poência, pré-conversores de alo aor de poência e écnicas de comuação suave. Simone Buso nasceu em Pádua, Iália em 968. Recebeu os graus de mesre em Engenharia Elérica e de Douor em Elerônica Indusrial pela Universidade de Pádua, em 99 e 997, respecivamene. Desde 993 é pesquisador juno ao Deparameno de Elerônica e Inormáica da mesma universidade. Seus principais ineresses de pesquisa incluem conversores CC/CC, circuios inegrados smar power, conrole digial e conrole robuso de conversores de poência. Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00 7

12 RETIFICADOR TRIFÁSICO ISOLADO COM CORREÇÃO DOFATORDE POTÊNCIA EMPREGANDO O CONVERSOR CC-CC SEPIC EM CONDUÇÃO CONTÍNUA Denizar Cruz Marins, Anderson H. de Oliveira e Ivo Barbi Universidade Federal de Sana Caarina - INEP - Insiuo de Elerônica de Poência Fone:(048) Fax:(048) denizar@inep.usc.br Cx.Posal 59 CEP: Florianópolis SC Resumo - Nese arigo é proposo um reiicador riásico uilizando o conversor CC-CC SEPIC operando no modo de condução conínua para a correção do aor de poência. As principais caracerísicas desa esruura são: simplicidade e robusez do circuio de poência, possibilidade de operação como elevadora ou abaixadora de ensão, baixa disorção harmônica da correne de enrada, ser nauralmene isolada e processar oda a energia em um único eságio, uilizando apenas uma chave conrolada. O conversor opera à reqüência consane e a ranserência de energia para a carga é conrolada aravés da modulação PWM. É eio um esudo da esruura em regime permanene e apresenado um procedimeno de projeo. Os resulados eóricos são comprovados aravésdeumproóipo de laboraório. Absrac - This paper presens an analysis o a hreephase reciier wih high power acor using a SEPIC DC- DC converer operaing in coninuous conducion mode (CCM). The srucure is paricularly simple and robus. Is main eaures are: one power processing sage, which can operae as sep-down or sep-up converer, lower harmonic disorion in he line curren and naural isolaion. The converer works wih consan requency and PWM modulaion. A sudy or seady sae condiions, a design procedure, and experimenal resuls obained rom a laboraory prooype are presened. I. INTRODUÇÃO Os sisemas de alimenação riásico, disponíveis em aplicações indusriais, geralmene são mais indicados para sisemas de poências elevadas (acima de kw), onde a conversão CA/CC em sido dominada por reiicadores convencionais a diodos e irisores. A caracerísica não ideal da correne de enrada deses reiicadores cria problemas para a rede comercial de energia elérica, denre os quais podem ser desacadas: Disorção daensão de alimenação devido aos alos picos de correne requeridos pelo reiicador, podendo prejudicar o uncionameno de ouros equipamenos conecados ao mesmo pono; Inererência eleromagnéica nos sisemas de comunicação e conrole; Aumeno das perdas nos elemenos das redes de ransmissão e disribuição; Redução do aor de poência na enrada do eságio reiicador; Necessidade de geração de grandes quanidades de poência reaiva, elevando os cusos de odo o sisema; Diminuição do rendimeno da esruura devido ao elevado valor eicaz da correne de enrada do reiicador. Muios rabalhos êm sido apresenados pela comunidade cieníica a im de proporcionar a uilização de reiicadores riásicos com aor de poência uniário e baixo coneúdo harmônico na correne de linha [-7]. Uma das esruuras mais empregadas, como pré-regulador, é o conversor Boos [,]. Essa esruura não é nauralmene isolada, somene opera como elevador de ensão e rabalha no modo de condução desconinua. O conversor proposo em [] em um bom desempenho, mas sua esruura é composa de rês inerrupores sincronizados, rês induores Buck- Boos conecados em Y, e um inerrupor adicional para conrole da ensão conínua de saída. Além disso o conversor opera em condução desconínua com elevado valor eicaz de correne. Em [4] as principais vanagens são a simplicidade e o bom desempenho da esruura; conudo, o sisema opera em condução desconínua e apresena elevados esorços de correne nas chaves. Os rabalhos apresenados em [5,6] são muio ineressanes, e apresenam um luxo consane de energia. Enreano, os circuios de comando e conrole são excessivamene complexos, e paricularmene em [5] a ranserência de energia é processada em duas eapas. Os conversores não são independenes e, por essa razão, a coniabilidade do sisema ica compromeida. Na reerência [7] são obidos excelenes resulados em ermos do rendimeno do sisema, operando com luxo consane de energia, mas há grandes diiculdades em nível de implemenação dos circuios de comando, devido sua complexidade e ranserência de energia em dois eságios. Diane desses inconvenienes e procurando melhorar a perormance dos conversores CA-CC de ala poência, ese arigo apresena a análise e o desenvolvimeno de um reiicador riásico, com alo aor de poência, operando com reqüência consane, com um único eságio de processameno de energia, e empregando o conversor CC-CC Sepic em condução conínua. A esruura proposa é nauralmene isolada, e uiliza apenas uma chave para o conrole do luxo de poência, ornando o circuio de comando exremamene simples, e não necessia de ilros de linha enre a rede e o reiicador. Além disso, o sisema pode operar como elevador ou abaixador de ensão, e o reduzido número de componenes aumena a coniabilidade do sisema, ornando-o basane araene para aplicações indusriais de ala poência. 8 Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00

13 II. CIRCUITO PROPOSTO E PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO O circuio de poência do reiicador proposo é apresenado na Figura. A im de aciliar o esudo da esruura, serão consideradas as seguines simpliicações: A análise é eia para o circuio operando em regime permanene; Todos os componenes são considerados ideais; O ransormador é represenado pela sua induância magneizane reerida ao lado primário; As ondulações de ensão nos capaciores C e Co são consideradas nulas; As ensões de rede são consideradas consanes em um período de chaveameno do conversor. Reerindo os parâmeros secundários do conversor para o lado primário em-se o circuio equivalene da Figura, onde Vin =,34.V eicaz e: Np Ro = Ro Co Vo ;Co= Ns ;Vo= Np () Ns Np Ns Lin energia para a carga Ro. O circuio equivalene desa eapa é mosrado na Figura 3. Vin ie Lin is C ic ilm Lm Ds ids Figura 3: Primeira eapa. a eapa : inervalo (D.T < < T). Nesa eapa a chave S é bloqueada e o diodo Ds passa a conduzir, ranserindo a energia armazenada nos induores para a carga Ro. As correnes i e ei Lm decrescem linearmene com uma axa de variação igual a Vo/Lin e Vo/Lm respecivamene. Durane esa eapa o capacior C acumula energia. O circuio equivalene é mosrado na Figura 4. O modo de condução conínua é caracerizado pela habiliação da chave S a conduzir anes que a correne no diodo Ds se anule. As ormas de onda dese modo de operaçãosão mosradas na Figura 5. Co io ico Ro V D D D3 C Ds + Lin C Ds V V3 D4 D5 D6 S Np Ns Co Ro Vo - Vin ie is S ic ilm Lm id Co ico io Ro Figura : Diagrama básico do reiicador riásico uilizando o conversor CC/CC Sepic. Figura 4: Segunda eapa. D3 Lin C Ds + ie() Iepk Vin Ieo VLin() Vin S Lm Co Ro Vo - ILmpk ilm() -Ilmo Ispk -Vo Vin VLm() Figura : Diagrama básico do reiicador riásico uilizando o conversor CC/CC Sepic, com os parâmeros reerenciados ao lado primário do ransormador. is() Ieo+Ilmo -Vo (Vin+Vo) O conversor Sepic operando em condução conínua apresena duas eapas de operação, mosradas a seguir: a eapa : inervalo (0 < < D.T). Nesa eapa a chave S esá conduzindo. A energia proveniene da rede de alimenação é armazenada no induor de enrada Lin e o capacior C ransere energia para a induância magneizane Lm. A ensão no capacior C é considerada consane e igual a Vin, ela represena a ensão médiadeum reiicador riásico convencional. As correnes i e e i Lm crescem linearmene com uma axa de variação igual a Vin/Lin e Vin/Lm respecivamene. Durane esa eapa, o diodo Ds permanece bloqueado e o capacior Co ornece Iepk Ieo ic() ILmpk IDpk ids() D.T Vs() VDs() -Vin+Vo T D.T T Figura 5: Principais ormas de onda. Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00 9

14 III. ANÁLISE QUANTITATIVA As equações que regem o uncionameno do conversor Sepic em condução conínua e em regime permanene são dadas a seguir. Vin ie() = Ieo + para 0 < < D.T Lin Vin Vo ie() = D.T ( D.T) + Ieo () Lin Lin para D.T < < T onde: ie ie = Iemd Correnes médias na induância magneizane, I Lmmd,eno diodo Ds, I Dsmd : e() Iepk emd Ieo ie m() lmpk mmd ilm Vin ilm() = ILmo + Lm ilm() = Vin Lm D.T Vo ( Lm para 0 < < D.T D.T) + ILmo para D.T < < T (3) D.T (-D).T Ilmo D.T (-D).T Figura 6: Dealhe das correnes na enrada e na magneizane do ransormador do conversor Sepic. is() = is() = 0 Vin + Ieo + ILm Leq o Vin ic () = I Lm Vin ic () = D.T - Lin ids() = 0 ids() = para D.T < < T para 0 < Lm o Vo ( - D.T) Lin < D.T para 0 < < D.T para 0 < + Ie < D.T o para D.T < < T Vin Vo D.T - ( - D.T) + Ieo + ILm Leq Leq o vlin(), vlm() = Vin para0<<d.t vlin(), vlm() = Vo parad.t < < T vs() = 0 para 0 < < D.T vs() = Vin+ Vo parad.t < < T v Ds() = (Vin + Vo) para 0 < < D.T v Ds() = 0 parad.t< < T onde: para D.T < < T Lin. Lm Leq = ; Vin =,34 V eicaz ; Lin + Lm D.T é o inervalo de condução da chave S. Deinindo as ondulações de correne na enrada ( i e )ena magneizane do ransormador ( i Lm ), conorme Figura 6, é possível se calcular as correnes médias e eicazes nos componenes do conversor Sepic [8]. Obém-se enão: Correnes médias de enrada, Ie md, e na chave S, Is md : Vin. D. T Iemd = Ismd = (0). ie. Lin (4) (5) (6) (7) (8) (9) Vo.( D).T ILmmd = IDsmd = (). ilm.lm onde: ilm = ilm I Lmmd Correne média nos diodos reiicadores, I Drmd : Iemd IDrmd = () 3 Correne eicaz de enrada Ie e : 3 Vin. D. T Iee = 3+ ( ie) (3) 3. ie. Lin Correne eicaz na chave S, Is e : Is e 3 Vin. D. T = 3. ie. Lin ( ie. D ilm.( D) ) Correne eicaz no capacior C, Ic e : Vin. D.T Ic e =. ie.lin ( D) D (4) [ D.( ie) + ( D).( ilm) + 3) ] 3 (5) Correne eicaz no diodo Ds, I Dse : Vo. ( D).T ( ) IDse = D. ie + ( D). ilm + 3 (6). 3. ilm.lm Correne eicaz no capacior Co, Ic Oe : Vo.( D).T Icoe =. ilm.lm ( D. ie + ( D). ilm) ( D) Correne eicaz nos diodos reiicadores, IDr e : ( ie) md (7) 3 + IDre = Ie (8) 3 0 Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00

15 Correne eicaz em cada ase de enrada, I e : 3+ ( ie) Ie = Iemd (9) 3 Aravés da conservação de luxo magnéico do ransormador em regime permanene, em-se que: Vin. D. T = Vo.( D). T (0) Porano, a caracerísica de ranserência esáica do conversor Sepic em condução conínua, mosrada na Figura 7, é dada por: Vo/Vin Vo Vin Vo Vin = D ( D ) D = ( D) D () Figura 7: Caracerísicaderanserência esáica do conversor Sepic em condução conínua. A Figura 8 apresena o gráico das caracerísicas exernas do conversor Sepic em regime permanene [8]. A parir dese gráico pode-se calcular o valor da correne de carga críica que delimia as regiões de condução conínua/desconínua. IV. PROCEDIMENTO DE PROJETO Paramerizando-se as equações apresenadas no iem anerior, podem ser gerados ábacos que aciliam o projeo do conversor. Eses ábacos são apresenados junamene com o procedimeno de projeo. A. Dados iniciais Devem ser ornecidos os seguines dados para que seja eio o projeo do conversor: TensãodeasedaredeV ase : 0 [V] Tensãodesaída Vo: 0 [V] Poência de saída Po: [W] Freqüência de chaveameno s: 0 [khz] Razãocíclica nominal D: 0,4. Rendimeno η: 90% B. Ondulação da correne no induor de enrada A ondulação da correne no induor de enrada Lin aea direamene o aor de poência(fp)e a axa de disorção harmônica (THD) da correne de enrada do conversor. Porano, para se ober um aor de poência acima de 0,95 e uma axa de disorção harmônica próximo a 30% deve-se escolher a ondulação ie menor que 0%. Nese projeo Vo/Vin DCM LimieenreCCMeDCM CCM D = 06, D = 05, D = 04, D = 03, Leq Io Io =.. Vin. T Io Figura 8: Caracerísicas exernas do conversor Sepic em regime permanene. FP FP = 34,.( 3+ ie ) THD ie Figura 9: Faor de poência do reiicador riásico em unção da ondulação de correne de enrada. 0.4.( 3 + ie ) 0.38 THD = 55, ie Figura 0: Taxa de disorção harmônica (THD) em unção da ondulação de correne de enrada. adoou-se ie =,5% (Veja as Figuras 9 e 0). C. Relação de ransormação do ransormador Arelação de ransormação do ransormador é dada por: Vin. D N = () Vo.( D) Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00

16 ,34.0.0,4 Logo: N = =, 86 0.( 0,4) D. Cálculo do induor de enrada Lin Para se calcular o valor do induor de enrada deve-se deerminar a correne média de enrada. Desse modo, em-se: Po Iemd = (3) η Vin 3000 Porano: Iemd = = 6, 5 [A] 0,9,34.0 O valor de Lin é obido aravés de (0), resulando em: Vin. D Lin = (4). ie. Iemd. s,34 0 0,4 Porano: Lin = = 3, 68 [mh] 0,05 6, E. Cálculo da induância magneizane do ransormador Para que seja calculado o valor da induância magneizane do ransormador (reerenciado ao primário), é necessário deinir o valor da resisência de carga máxima que garana o modo de condução conínua do conversor. Aravés do gráico da Figura 8 observa-se que o valor de correne de carga normalizada críica para D=0,4 é igual a aproximadamene 0,4. Adoando-se o valor de Io nominal igual a 6 vezes maior que Io críico, obém-se: Vase Vo N Io Leq = 34,.... (5). s. Po Porano:, ,86.6.0,4 Leq = =, [mh]. mas: Lin. Lm Leq = Lin + Lm (6) Porano: Lm =, 7 [mh] F. Cálculo dos capaciores C e Co Considerando-se a ondulação deensão nos erminais dos capaciores em orno de % de seu valor médio, obém-se: D. Po C = (7) 00,.( D). Vo. s. N 0, Porano: C = 33, 96 [µf] 0,0.( 0,4) ,86 D. Vin. Po Co = 3 00,. Vo.( D). s. N (8) 0,4., Porano: Co = 47 [µf] 3 0,0.0.( 0,4).0000.,86 Para aciliar a escolha dos capaciores, são apresenadas nas Figuras. e, as suas correnes eicazes paramerizadas. A parir dessas iguras, considerando D=0,4, obém-se: Ic e =,5.Iemd =,5.6,5 = 8,3 [A] Icoe = 0,83.Iomd = 0,83.5 = 0,75 [A] G. Escolha dos semiconduores Os ábacos das Figuras 3, 4 e 5 auxiliam na escolha da Ice/Iemd Figura : Correne eicaz no capacior C paramerizada, em unção ded. Icoe/Iomd D Figura : Correne eicaz no capacior Co paramerizada, em unção ded. chave S, diodo Ds e diodos reiicadores. Eles oram obidos a parir das equações (0), (), (), (4), (6) e (8). Assim, para D=0,4, os valores de pico e eicazes das correnes nos semiconduores podem ser deerminados. Porano: Ispk = 3,0.Iemd = 3,0.6,5 = 9,5 [A] Ise =,6.Iemd =,6.6,5 = 0,4 [A]. IDs pk =,88.Iomd =,88.5 = 47 [A] IDs e =,3.Iomd =,3.5 = 3,5 [A]. IDr pk = 3,.I Drmd = 3,.,7 = 6,73 [A] IDr e =,735.IDrmd =,735.,7 = 3,76 [A]. Com eses valores odos os componenes do circuio de poência podem ser dimensionados. As Figuras, 3, 4 e 5 podem ser consideradas aproximações aceiáveis rene à pequena variação devina cada período da rede. D Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00

17 V. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Correnes em S paramerizadas Ispk Iemd 3 Ise Iemd Figura 3: Correne eicaz e de pico na chave S, paramerizadas, em unção ded. Correnes em Ds paramerizadas D.4.3. Ide. Iomd D Id Io pk md Figura 4: Correne eicaz e de pico em Ds, paramerizadas, em unção ded. 4.4 Idrpico 4. Idrmd Idre Idr.78 md ie Figura 5: Correne eicaz e de pico em Dr, paramerizadas, em unção de ie. Para comprovar a validade do procedimeno de projeo apresenado no iem anerior, oi monado um proóipo de laboraório de 3,0 kw. As principais especiicações oram dadas no iem IV.A. Todos os resulados apresenados nese rabalho oram obidos para a condição de plena carga (exceo as Figuras 0,, ), e a ensão desaída oi manida consane igual a 0 V. A Figura 6 mosra a ensão ea correne na ase da rede elérica. A ensão e a correne na chave principal S esá mosrada na Figura 7. A Figura 8 apresena a ensão e a correne no diodo Ds. A correne no induor de enrada é apresenada na Figura 9. Ve = 9,5V V I Ie = 5,48 A Figura 6: Tensão e correne de ase na enrada do reiicador. Escala: 50V/div; 3A/div; ms/div. Ismd = 6,8 A Ise =0,34 A Is Vs Figura 7: Tensão e correne na chave S. Escala: 300V/div; 8A/div; 0µs/div. O aor de poência e a axa de disorção harmônica (THD) da correne de ase na rede elérica são mosrados nas Figuras 0 e, respecivamene. Para a condição de plena carga o aor de poência obido oi em orno de 0,96, e a THD oi de 6%. Para as mesmas condições de carga, o rendimeno obido oi em orno de 9% (Figura ). As principais causas das perdas no conversor esão praicamene Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00 3

18 concenradas nos seguines elemenos: componenes magnéicos e ilro capaciivo, reiicador de saída, e o emprego da écnicadecomuação dissipaiva. IDse = 3,66 A IDsmd = 5,86 A Id Veriica-se que as iguras oriundas dos osciloscópios apresenam dierenças enre os valores de escala de ensão ou correne e as legendas; isso porque oram usados ransduo res, endo em visa que os equipamenos não permiiam, de orma direa, ober-se as medidas eias em bancada Vd THD % Figura 8: Tensão e correne no diodo Ds. Escala: 50V/div; 5A/div; 0µs/div. Iemd = 6,33 A Po [W] Figura : Taxa de disorçãoharmônica (THD) da correne de ase na enrada do reiicador η Iee = 6,35 A 30 0 FP Figura 9: Correne no induor de enrada. Escala:,5A/div; 0µs/div Po [W] Figura 0: Comporameno do aor de poência Po [W] Figura : Curva de rendimeno do proóipo de 3,0 kw. A ala TDH da correne de enrada presene nese circuio, é uma das caracerísicas inerenes desa opologia, o que represena uma cera desvanagem da mesma. Conudo, é imporane salienar que no nosso caso especíico a ensão ornecida pela rede é alamene poluída, apresenando uma TDH na ordem de,6% a 3,0%. Éóbvio que essa ala disorção conribui para uma maior degradação datdhda correne de enrada. A TDH da correne pode ser melhorada aravésdeumaécnica de modulaçãodacorrenenoladocc e realimenando-a no lado CA []. Todavia, esse procedimeno demanda algum cuso, que deve ser levado em cona, dependendo dos objeivos da aplicação dese circuio. VI. CONCLUSÕES O reiicador riásico baseado no conversor CC-CC Sepic mosrou-se basane robuso e de ácil monagem. O ao de possuir apenas uma chave para conrolar o luxo de energia az com que o circuio de comando seja basane simples. No proóipo implemenado uilizou-se apenas um inegrador para conrolar o ganho esáico de ensão. O número reduzido 4 Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00

19 de componenes da esruura aumena a sua coniabilidade, ornando-a exremamene araiva para aplicações indusriais. Além disso, não é necessário uilizar ilros enre a rede comercial e o reiicador riásico. Esa esruura é paricularmene empregada em aplicações onde a carga apresena um comporameno de one de ensão. De acordo com os resulados obidos, em-se um conversor CA-CC com as seguines caracerísicas: Topologia simples e robusa; Proporciona correção do aor de poência operando no modo de condução conínua, o que a orna araiva para aplicações em alas poências; Esruura nauralmene isolada; Apresena uma única chave conrolada; Pode operar como elevador ou abaixador de ensão, proporcionando uma maior lexibilidade, para um maior número de aplicações; Permie conrolar a ensão de saída com apenas um único eságio de processameno de energia. Finalmene, com essas caracerísicas, a esruura proposa pode ser empregada em poências elevadas, para uma aixa bem variada de aplicações indusriais, sem qualquer diiculdade. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [] A. R. Prasad, P.D. Ziogas and S. Manias. An Acive Power Facor Correcion Technique or Three Phase Diode Reciiers. Proc. IEEE - PESC 89, pp [] O. Huang and F. Lee, Harmonic Reducion In a Single Swich Three-Phase Boos Reciier wih Order Harmonic Injeced PWM, in IEEE PESC 96, pp [3] C.T.Pan&T.C.Chen. Sep-up/down Three Phase AC o DC Converer wih Sinusoidal Inpu Curren and Uniy Power Facor. IEEE Proc. Elecron. Power Appl., Vol. 4, nº, pp. 5-77, March 994. [4] L. Malesani e al. Single-Swich Three-Phase AC/DC Converer wih High Power Facor and Wide Regulaion Capabiliy. Proc IEEE - PESC9, pp , June/99. [5] B. Ignazia, Uniy Power Facor Baery Charger Regulaed by LVI, in Power Qualiy Proc., Nov. 990, pp [6] D. Simoney, J. Sebasian, and J. Uceda, Single-Swich Three-Phase Power Pre-Regulaor Under Variable Swiching Frequency and Disconinuous Inpu Curren, in IEEE-PESC 93 Con. Rec., June 993, pp [7] J. Porr and L. Hobson, A Novel Power Facor Correced Single Ended Resonan Converer Wih Three Phase Supply, in IEEE-PESC 9 Con. Rec., in June 99, pp [8] A.H. Oliveira. Three-Phase Reciier wih High Power Facor Using a Coninuous Conducion Mode Sepic DC- DC Converer. Maser Thesis, INEP/EEL/UFSC, Florianópolis-SC-Brasil, 996. DADOS BIOGRÁFICOS Denizar Cruz Marins, nasceu em São Paulo, SP, em 4 de Abril de 955. Formou-se em Engenharia Elérica e obeve o íulo de Mesre em Engenharia Elérica pela Universidade Federal de Sana Caarina, Florianópolis SC em 978 e 98, respecivamene. Concluiu o Douorado no INPT, Toulouse França, em 986. Aualmene é proessor iular do Depo. de Engenharia Elérica da Universidade Federal de Sana Caarina, Florianópolis SC. O Pro. Denizar já publicou mais de 00 rabalhos cieníicos enre revisas e congressos nacionais e inernacionais, realizou mais de 30 consulorias écnicas e obeve 0 paenes de invenção e um regisro de soware. Sua área de auação compreende: desenvolvimeno de conversores para raameno de energia solar, com ala qualidade de energia, conversores de ala reqüência e simulação de Conversor Esáicos. É membro da SOBRAEP, da SBA e do IEEE. Anderson Hideki de Oliveira, nasceu em Campo Mourão, Paraná, em 9 de julho de 969. Formou-se em Engenharia Elérica pela Universidade Federal de Sana Caarina (UFSC), em 994. Recebeu o íulo de Mesre em Engenharia Elérica pela mesma Universidade em 996. Aualmene é proessor no CEFET do Paraná. Suas áreas de ineresse são: conversores de ala reqüência, correção de aor de poência e reiicadores riásicos para alas poências. Ivo Barbi, nasceu em Gaspar (SC), em 949. Formou-se em Engenharia Elérica pela Universidade Federal de Sana Caarina UFSC, em 973. Em 976 recebeu o íulo de Mesre pela mesma Universidade e em 979 recebeu o íulo de Douor pelo Insiu Naional Polyechnique de Toulouse, França. Desde 974 é proessor da UFSC e aualmene proessor iular do Deparameno de Engenharia Elérica. É membro undador da SOBRAEP endo sido seu primeiro presidene. Desde 99, é Edior Associado na área de Conversores de Poência da IEEE Transacions on Indusrial Elecronics. Suas áreas de auação compreendem modelagem, análise, projeo e aplicações de conversores esáicos operando em ala reqüência e correção de aor de poência de ones de alimenação. Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00 5

20 NOVO REATOR ELETRÔNICO COM ELEVADO FATOR DE POTÊNCIA PARA MÚLTIPLAS LÂMPADAS FLUORESCENTES TUBULARES Fabio Toshiaki Wakabayashi Carlos Albero Canesin Universidade Esadual Paulisa UNESP FEIS DEE Cx. Posal Ilha Soleira (SP) Fax: (8) canesin@dee.eis.unesp.br Resumo Ese arigo apresena um novo reaor elerônico, com aor de poência e rendimeno elevados, para múliplas lâmpadas luorescenes ubulares. O eságio de enrada dese reaor é um novo reiicador Sepic com comuação em correne nula (ZCS) e modulação por largura de pulso (PWM). Uiliza-se a écnica de conrole por valores médios de correne para propiciar elevado aor de poência e aender às normas IEC Com relaçãoaoeságio de saída, ese é um clássico inversor ressonane Hal-Bridge com comuação em ensão nula (ZVS). Desenvolve-se um exemplo de projeo do novo reaor elerônico, projeado para alimenar 5 lâmpadas luorescenes 40W-T, com 0V de ensão eicazdealimenação, 5V de ensão média para o barrameno de correne conínua, com os eságios reiicador e inversor operando em 50kHz. Resulados experimenais são apresenados para validar aanálise desenvolvida. A axa de disorção harmônica (TDH) na correne de enrada é igual a 7,59% para uma TDH na ensão de alimenação igual a,56%, em condições nominais. O rendimeno global medido é de cerca de 9,% para carga nominal. Absrac This paper presens a novel elecronic ballas, eauring high power-acor and high eiciency, or muliple ubular luorescen lamps. The inpu sage o his ballas is a new Zero-Curren-Swiching (ZCS) Pulse-Widh-Modulaed (PWM) Sepic reciier. The average-curren conrol echnique is used in order o provide high power-acor and o i he inpu curren ino IEC sandards. Regarding o he oupu sage, i is a classical resonan Hal-Bridge inverer, perorming Zero-Volage-Swiching (ZVS). I is developed a design example or he new elecronic ballas, designed o eed ive 40W-T luorescen lamps, wih 0V rms inpu volage, 5V avg dc link volage, and reciying and invering sages operaing a 50kHz. Finally, experimenal resuls are presened in order o veriy he developed analysis. The Toal Harmonic Disorion (THD) a inpu curren is equal o 7.59% or an inpu volage THD equal o.56%, a ull load. The measured overall eiciency is abou 9.%, a raed load. I. INTRODUÇÃO Aualmene, a crescene demanda mundial de energia elérica ornou imprescindível a implemenação de projeos de racionalização do consumo. Denro dese conexo, sisemas de iluminação ariicial consiuem cargas basane imporanes a serem analisadas. No Brasil, esima-se que cerca de 7% do consumo de energia elérica em ambienes residenciais e comerciais sejam advindos dese ipo de carga. Em unção da crise no seor elérico brasileiro, em-se incenivado o uso de sisemas de iluminação luorescene, os quais apresenam elevada eicácia luminosa (lumens/wa). Apesar diso, ceros aspecos dos sisemas luorescenes podem ser aponados como desvanagens. De início, az-se necessário o uso de um disposiivo denominado reaor para iluminação, com a inalidade de conrolar o luxo de correne aravés das lâmpadas luorescenes, endo em visa que esas apresenam caracerísica de resisência negaiva []. Tal ao encarece o cuso de implemenação dese sisema, em relação ao sisema incandescene. Em sua concepção mais simples, o disposiivo é denominado de reaor eleromagnéico e é composo por um auoransormador e associação de elemenos reaivos. Por ser operado na mesma reqüência da rede de alimenação em correne alernada (CA), alguns problemas podem ser ideniicados, ais como: ruído audível, eeio esroboscópico, peso e volume elevados e reduzida eiciência. Para minimizar ais problemas, apereiçoamenos vêm sendo consanemene proposos. A operação em elevadas reqüências oi uma das grandes inovações incorporadas aos reaores, permiindo a supressão de ruídos audíveis e do eeio esroboscópico, além da redução de peso e volume da esruura. Uma oura vanagem da operação em elevadas reqüências é o aumeno do luxo luminoso da lâmpada luorescene [], em relação àquele advindo de uma lâmpada luorescene alimenada em reduzidas reqüências, para uma mesma poência processada. Para que as lâmpadas luorescenes pudessem ser operadas em elevadas reqüências, um novo disposiivo denominado de reaor elerônico oi desenvolvido. Ese, por sua vez, é geralmene composo por um eságio de enrada reiicador acoplado a um eságio inversor, o qual opera em elevadas reqüências. Enreano, elevadas reqüências de operação podem causar signiicaivas perdas durane o processo de comuação dos semiconduores. Em unção diso, eságios inversores que incorporam écnicas de comuação nãodissipaiva êm sido usados. Quano ao reiicador de enrada, ese é geralmene ormado por uma pone de diodos e um ilro capaciivo de elevado valor. Assim, a deasagem angular e a disorção harmônica imposas à correne de enrada do reaor são signiicaivas, implicando num aor de 6 Elerônica de Poência Vol. 6, n, Dezembro de 00