UNIJUÍ UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL

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1 UNIJUÍ UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL DECEEng DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS EGE CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DORIVAL DE MORAES NETO INVERSOR ESTÁTICO VEICULAR Ijuí 203

2 DORIVAL DE MORAES NETO INVERSOR ESTÁTICO VEICULAR Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Colegiado de Coordenação do Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul UNIJUÍ, como pré-requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Ms. Douglas Camponogara Ijuí 203 ii

3 DORIVAL DE MORAES NETO INVERSOR ESTÁTICO VEICULAR UNIJUÍ UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL DECEEng DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIA EGE CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE ENGENHEIRO ELETRICISTA Agosto de 203 BANCA EXAMINADORA: Prof. Ms. Douglas Camponogara - UNIJUÍ Orientador Prof. Dr. Mateus Felzke Schonardie - UNIJUÍ Componente da Banca iii

4 DEDICATÓRIA DICATÓRIA Aos meus pais pelo apoio, educação, amor e carinho, dedico esta conquista. iv

5 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a DEUS pelo dom da vida e por ter enchido meu caminho de desafios. Sem ele, jamais teria conseguido chegar até aqui. Há muito que percorrer ainda. Mas tenho certeza que a sua companhia me fortalece, me da paz, saúde e sabedoria. Muito Obrigado Senhor. Aos meus pais Oldacir José de Moraes e Sidônia Regina Dal Molin de Moraes, por todo amor, apoio, carinho, paciência e dedicação. Amo eternamente muito vocês! Ao Orientador Docente e Amigo Professor Mestre Douglas Camponogara pelo apoio no desenvolvimento deste trabalho, assim como as demais atividades desenvolvidas durante o curso, demonstrando preocupação em meu processo de formação acadêmica e conhecimento compartilhado. Quero agradecer também a todos os professores do curso de Engenharia Elétrica da UNIJUÍ e aos colegas e amigos que sempre foram companheiros e compartilharam experiências. v

6 Talvez não tenha conseguido fazer o melhor, mas lutei para que o melhor fosse feito. Não sou o que deveria ser, mas Graças a Deus, não sou o que era antes. (Marthin Luther King). vi

7 RESUMO A evolução dos aparelhos eletroeletrônicos nos últimos anos tornou-se cada vez mais presente no cotidiano das pessoas, pois de modo geral proporcionam conforto e comodidade nos seus ambientes residenciais, bem como redução de custos, aumento da produtividade e segurança aos colaboradores no que diz respeito ao setor industrial. Neste foco, este trabalho objetiva estudar, projetar e implementar um inversor de tensão CC-CA em malha aberta, com potência de 70W, e torná-lo um dispositivo portátil, a fim de aplicá-lo como fonte de energia alternada, com tensão eficaz de 27V e frequência de 60Hz, a partir da energia de baterias de veículos automotores. O referido inversor é formado por um estágio CC-CC composto por um conversor flyback e por um estágio CC-CA composto por um inversor full-bridge. Inicialmente é feito um breve estudo sobre a teoria de conversores e inversores estáticos. Posteriormente é realizado o projeto da parte de potência e a escolha dos principais elementos do circuito. A partir daí são efetuadas as simulações computacionais, a fim de validar os dados obtidos durante o processo de dimensionamento, onde os resultados teóricos e de simulação foram aplicados para o desenvolvimento de um protótipo. Os resultados funcionais alcançados com o mesmo foram satisfatórios em comparação com o projeto teórico desenvolvido. Palavras-Chave: Conversor flyback. Conversores CC-CA. Fontes chaveadas. vii

8 ABSTRACT The evolution of consumer devices in recent years has become increasingly present in daily life, because generally provide comfort and convenience in their home environments, as well as reduced costs, increased productivity and safety to employees in respect the industrial sector. In this focus, this work aims to study, design and implement a voltage inverter dc-ac open loop, with 70W power, and make it a portable device in order to apply it as a source of energy alternating with effective stress of 27V and frequency of 60Hz, from the energy battery vehicles. Said drive stage is formed by a DC-DC flyback converter consists of a stage and a DC-AC inverter consists of a full-bridge. Initially it made a brief study of the theory of static converters and inverters. Subsequently the project is carried out from the power and the choice of the main circuit elements. Thereafter the computer simulations are carried out in order to validate data obtained during the sizing process, where the simulation and theoretical results were applied to the development of a prototype. The functional results were achieved with the same satisfactory compared with the theoretical project developed. Keywords: Flyback converter. DC-AC converters. Switching power supplies. viii

9 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura : Divisão da eletrônica de potência Figura 2. Circuito que representa a Modulação por Largura de Pulso Figura 3. Forma de onda que representa a Modulação por Largura de Pulso Figura 4. Diagrama elétrico do conversor CC-CC boost Figura 5. Ganho de tensão em função da razão cíclica Figura 6. Diagrama elétrico do conversor CC-CC buck-boost Figura 7. Diagrama elétrico do conversor CC-CC forward Figura 8. Diagrama elétrico do conversor CC-CC flyback Figura 9. Diagrama elétrico do conversor CC-CA meia ponte Figura 0. Diagrama elétrico do conversor CC-CA ponte completa Figura. Diagrama elétrico do conversor CC-CA push-pull Figura 2. Etapas de operação do conversor flyback Figura 3. Formas de onda do conversor flyback em MCD Figura 4. Núcleo de ferrite tipo E Figura 5. Etapas de operação do inversor do tipo ponte completa... 5 Figura 6. Formas de onda do conversor CC-CA ponte completa Figura 7. Forma de onda de comutação com inserção do tempo morto Figura 8. Circuito simulado do conversor flyback Figura 9. Forma de onda do sinal de chaveamento do interruptor Figura 20. Forma de onda da corrente de entrada do conversor Figura 2. Forma de onda da tensão sobre o interruptor Figura 22. Forma de onda da tensão de bloqueio do diodo Figura 23. Forma de onda da tensão de saída Figura 24. Detalhe da forma de onda da tensão de saída Figura 25. Forma de onda da corrente de saída Figura 26. Circuito simulado do conversor flyback considerando um modelo real Figura 27. Forma de onda da tensão de saída para um modelo real Figura 28. Forma de onda da ondulação da tensão de saída para um modelo real Figura 29. Forma de onda da tensão sobre o interruptor para um modelo real Figura 30. Forma de onda da ressonância entre a indutância de dispersão e Cds ix

10 Figura 3. Forma de onda da tensão de bloqueio dos diodos (a) Sobre D e D2 (b) Sobre D Figura 32. Forma de onda da corrente de entrada para um modelo real Figura 33.. Forma de onda da corrente de saída para um modelo real Figura 34. Forma de onda da tensão de saída para um duty cycle de 0, Figura 35. Forma de onda da corrente de saída para um duty cycle de 0, Figura 36. Circuito simulado do conversor CC-CA Figura 37. Forma de onda de chaveamento dos interruptores (a) Em S e S4 (b) Em S2 e S3.67 Figura 38. Detalhe da forma de onda de chaveamento dos interruptores S e S Figura 39. Forma de onda da tensão de bloqueio dos interruptores S e S Figura 40. Forma de onda da tensão de saída do inversor full-bridge Figura 4. Forma de onda da corrente de saída do inversor full-bridge Figura 42. Circuito simulado do inversor veicular Figura 43. Forma de onda da corrente de entrada do inversor veicular Figura 44. Forma de onda da tensão sobre os MOSFETs do conversor CC-CC do inversor veicular Figura 45. Forma de onda da tensão de saída do conversor CC-CC do inversor veicular Figura 46. Forma de onda da tensão de saída do inversor veicular Figura 47. Forma de onda da corrente de saída do inversor veicular Figura 48. Circuitos auxiliares para o conversor flyback Figura 49. Placa com os circuitos auxiliares do conversor flyback Figura 50. Diagrama elétrico do circuito de potência do flyback Figura 5. Placa do circuito de potência do conversor flyback Figura 52. Diagrama elétrico da fonte isolada Figura 53. Esquemático do circuito de potência do conversor CC-CA Figura 54. Placa do conversor full-bridge Figura 55. Esquemático do gerador PWM e do driver dos MOSFETs do conversor CC-CA. 83 Figura 56. Protótipo do conversor estático veicular Figura 57. Protótipo do conversor estático veicular Figura 58. Sinal PWM de saída do driver dos MOSFETs do conversor flyback Figura 59. Sinal de chaveamento dos MOSFETs do conversor flyback em operação Figura 60. Ondulação da tensão de saída do conversor flyback Figura 6. Tensão entre dreno e source dos MOSFETs de potência Figura 62. Detalhe da tensão entre dreno e source dos MOSFETs de potência x

11 Figura 63. Corrente de entrada do conversor flyback Figura 64. Medição da corrente de entrada do conversor flyback Figura 65. Tensão de bloqueio em cada diodo do conversor flyback Figura 66. Sinal de saída do driver do conversor full-bridge Figura 67. Tempo morto entre os sinais de chaveamento do full-bridge Figura 68. Sinal de chaveamento dos MOSFETs do flyback Figura 69. Tensão de saída do conversor flyback Figura 70. Sinais obtidos do conversor flyback Figura 7. Medição da corrente de entrada do inversor estático veicular Figura 72. Tensão e corrente de saída do inversor estático veicular Figura 73. Tensão de entrada do inversor estático veicular xi

12 LISTA DE TABELAS Tabela. Parâmetros iniciais de projeto do conversor flyback Tabela 2. Dimensões do núcleo de ferrite tipo E Tabela 3. Tabela de fios esmaltados Tabela 4. Características do transistor IRFP Tabela 5. Características do diodo MUR Tabela 6. Parâmetros do transistor IRFP064 para o cálculo de dissipador de calor Tabela 7. Parâmetros iniciais de projeto do inversor ponte completa Tabela 8. Características do transistor IRFP xii

13 SIMBOLOGIA E ABREVIAÇÕES SÍMBOLOS ADOTADOS NOS EQUACIONAMENTOS Símbolo Significado Unidade Ae Área da janela do carretel de núcleos de ferrite tipo E cm 2 AeAw Produto das áreas de núcleo de ferrite tipo E cm 4 Aw Área da secção transversal de núcleos de ferrite tipo E cm 2 B max Densidade de fluxo magnética máxima T Cap Capacitância do filtro de saída F Cds Capacitância entre dreno-source do MOSFET F d Razão cíclica ou do inglês Duty cycle - d max Duty cycle máximo - Exec Possibilidade de execução do transformador flyback - fo Frequência de saída Hz fsw Frequência de comutação Hz G Ganho estático - Id Corrente contínua de dreno do MOSFET A Ief p Corrente eficaz no primário do transformador flyback A Ief s Corrente eficaz no secundário do transformador flyback A IF AW Corrente média suportada pelo diodo A IFR M Corrente de ruptura do diodo A Im d Corrente média no diodo A Io Corrente de saída A Ip p Corrente de pico no primário do transformador flyback A Ip s Corrente de pico no secundário do transformador flyback A J max Densidade de corrente elétrica máxima A/cm 2 K u Fator de ocupação - Lm p Indutância de magnetização do enrolamento primário do transformador flyback H Indutância de magnetização do enrolamento secundário do Lm s transformador flyback H n Relação de espiras do transformador flyback - Nfios p Número de fios em paralelo do enrolamento primário do transformador flyback - Nfios s Número de fios em paralelo do enrolamento secundário do transformador flyback - Np Número de espiras do enrolamento primário do transformador flyback - Número de espiras do enrolamento secundário do transformador - Ns flyback P comt Perdas por comutação W P cond Perdas por condução W Pin Potência de entrada W P int Potência dissipada pelo MOSFET W Pint max Potência máxima suportada pelo MOSFET W Po Potência de saída W Q G Carga total de gate do MOSFET C Rcd Resistência térmica de contato entre o componente e o dissipador ºC/W xiii

14 Rda Resistência térmica do dissipador ºC/W Rds on Resistência entre dreno-source do MOSFET Ω Rja Resistência térmica da junção para o ambiente do MOSFET ºC/W Rjc Resistência térmica da junção para o case do MOSFET ºC/W S 8 Seção de cobre do condutor de 8AWG cm 2 S 26 Seção de cobre do condutor de 26AWG cm 2 S p Máxima densidade de corrente para o enrolamento primário cm 2 S s Máxima densidade de corrente para o enrolamento secundário cm 2 Stotal 8 Seção do condutor de 8AWG considerando seu isolamento esmaltado cm 2 Stotal 26 Seção do condutor de 26AWG considerando seu isolamento esmaltado cm 2 T Tempo de duração do ciclo completo de comutação s Ta Temperatura ambiente adotada ºC tf Tempo de descida do MOSFET s tj Temperatura de junção máxima do MOSFET ºC Tj Temperatura de junção adotada ºC tr Tempo de subida do MOSFET s trr Tempo de recuperação do diodo s Vd Queda de tensão do diodo V Vds Tensão entre dreno-source do MOSFET V Vo Tensão de saída V Vp d Tensão de pico no diodo V Vp int Tensão de pico no interruptor V Vp s Tensão de pico no secundário do transformador flyback V VR Tensão de ruptura do diodo V Vs - Vin Tensão de entrada V δ Comprimento do entreferro do transformador flyback cm Profundidade de penetração de campo magnético cm Vc Ondulação da tensão de saída % η Rendimento - µo Permeabilidade magnética do vácuo (T*m)/A SÍMBOLOS USADOS PARA REFERENCIAR ELEMENTOS EM DIAGRAMAS DE CIRCUITOS Símbolo Significado C Capacitor D Diodo E Fonte de tensão F Fusível L Indutor Lm Indutância de magnetização N Enrolamento primário N2 Enrolamento secundário N3 Enrolamento terciário Np Enrolamento primário Ns Enrolamento secundário P Conector Q Semicondutores comutáveis R Resistor S Interruptor comutável SW Chave de acionamento do circuito xiv

15 T U Vin Vs Transformador Circuito integrado Fonte de tensão Fonte de tensão ACRÔNIMOS E ABEVIATURAS Significado AWG American Wire Gage CA Corrente Alternada CC Corrente Constante CI Circuito Integrado EMI Eletromagnetic Interference IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor LC Capacitor Indutor MCC Modo de Condução Contínua MCD Modo de Condução Descontínua MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor PCB Printed Circuit Board PWM Pulse Width Modulation RFI Radio Frequence Interference RL Resistor Indutor SCR Silicon Controlled Rectifier SMD Superficial Monting Device SÍMBOLOS DE UNIDADES DE GRANDEZAS FÍSICAS Símbolo Nome da Unidade A Ampère C Coulomb cm centímetros F Farad H Henry Hz Hertz m metros mm milímetros ºC Grau Celsius s segundos T Tesla V Volt W Watt Ω Ohm xv

16 SUMÁRIO INTRODUÇÃO GERAL INTRODUÇÃO OBJETIVOS JUSTIFICATIVA ESCOPO DO TRABALHO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA INTRODUÇÃO MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO CONVERSOR CC-CC BOOST CONVERSOR CC-CC BUCK-BOOST CONVERSOR CC-CC FORWARD CONVERSOR CC-CC FLYBACK CONVERSOR CC-CA MONOFÁSICO MEIA PONTE CONVERSOR CC-CA MONOFÁSICO PONTE COMPLETA CONVERSOR CC-CA PUSH-PULL CONCLUSÃO PROJETO DO INVERSOR ESTÁTICO VEICULAR PROEJTO DO CONVERSOR CC-CC FLYBACK Projeto do Transformador flyback Especificação do Interruptor Escolha do Diodo Determinação do Capacitor de Saída Projeto do Dissipador para os Interruptores PROJETO DO CONVERSOR CC-CA PONTE COMPLETA SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS xvi

17 4. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO DO CONVERSOR FLYBACK Modelo Ideal Modelo Real RESULTADOS DE SIMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CA RESULTADOS DE SIMULAÇÃO DO INVERSOR ESTÁTICO VEICULAR IMPLEMENTAÇÃO DO INVERSOR ESTÁTICO VEICULAR IMPLEMENTAÇÃO DO CONVERSOR FLYBACK IMPLEMENTAÇÃO DO CONVERSOR FULL-BRIDGE RESULTADOS DA IMPLEMENTAÇÃO DO CONVERSOR VEICULAR RESULTADOS EXPERIMENTAIS RESULTADOS EXPERIMENTAIS DO CONVERSOR FLYBACK RESULTADOS EXPERIMENTAIS DO CONVERSOR FULL-BRIDGE RESULTADOS EXPERIMENTAIS DO INVERSOR VEICULAR CONSIDERAÇÕES FINAIS REVISÃO BIBLIOGRÁFICA xvii

18 8 INTRODUÇÃO GERAL. INTRODUÇÃO A evolução dos aparelhos eletroeletrônicos nos últimos anos tornou-se cada vez mais presente no cotidiano das pessoas, pois de modo geral proporcionam conforto e comodidade nos seus ambientes residenciais, bem como redução de custos, aumento da produtividade e segurança aos colaboradores no que diz respeito ao setor industrial. Mas para tal evolução e funcionamento desses aparelhos as fontes de alimentação são imprescindíveis, estando presentes em praticamente todos eles, desde o carregador de telefone celular até as mais variadas televisões ou microcomputadores. As fontes passaram por vários processos evolutivos e, apesar das chamadas fontes lineares ainda serem encontradas frequentemente, as fontes chaveadas estão conquistando cada vez mais espaço nos dispositivos modernos. A tecnologia das fontes chaveadas está relacionada com a área da eletrônica de potência e se caracteriza por comutar dispositivos semicondutores em alta frequência (entendido como acima de 20kHz, frequência não audível pelo ser humano), com baixas perdas de energia. Eletrônica de potência pode ser definida como uma ciência aplicada dedicada ao estudo dos conversores estáticos de energia elétrica, os quais são dotados de elementos passivos (resistores, capacitores e indutores) e elementos ativos (semicondutores). Esta área vem sendo estudada desde a década de 60, após a criação do SCR (Silicon Controlled Rectifier) pela General Electric e pode ser dividida em três ramos principais: potência, eletrônica e controle. O controle trata das características dinâmicas e de regime permanente dos sistemas de malha fechada. A potência cuida dos equipamentos de potência rotativos e estáticos para a geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. A eletrônica trata dos dispositivos e circuitos de estado sólido para o processamento de sinais que permita alcançar os objetivos de controle desejados (AHMED, 2000) (BARBI, 200). Logo, em um âmbito geral, a partir de dispositivos semicondutores de potência como tiristores, transistores, IGBT s (Insulated Gate Bipolar Transistor), entre outros, a eletrônica de potência trabalha na conversão e no controle de energia elétrica. Energia a qual, é oriunda de uma fonte de armazenamento ou de transmissão, como por exemplo, linhas de transmissão, baterias, painéis solares, aerogeradores, entre outras fontes de energia elétrica. E para tal

19 9 conversão de energia, a eletrônica de potência é dividida em quatro topologias, as quais são (BARBI, 2005) (RASHID, 2008): a) Os denominados conversores CA (corrente alternada) - CC (corrente constante), mais conhecidos como retificadores, os quais tem a função de converter um sinal alternado para um sinal contínuo no tempo, tanto de corrente como de tensão; b) Os choppers ou conversores CC-CC convertem um sinal de tensão ou corrente contínuo para um sinal de tensão ou corrente também contínuo, porém com amplitude diferente; c) Os conversores CA-CA tem a mesma finalidade dos conversores citados no item anterior, porém trabalham com um sinal alternado no tempo; d) Denominados de inversores os conversores CC-CA têm por objetivo converter um sinal contínuo de tensão ou corrente para um sinal alternado; Na Figura é ilustrado com mais detalhes todas as respectivas topologias de conversores citados anteriormente. Figura : Divisão da eletrônica de potência. Dispositivos como transformadores, por exemplo, não exibem capacidade de fazer controle da tensão e corrente elétrica entregue a carga de forma dinâmica (KOSOW, 995). Já os conversores/inversores estáticos oferecem essa possibilidade, de tal modo que o engenheiro possa controlar a forma de onda, bem como a potência entregue à carga. Além disso, estes apresentam uma alta eficiência de conversão de energia em geral e uma performance elevada para o controle de tensão e corrente. No entanto estes dispositivos estáticos possuem alguns

20 20 aspectos negativos, como inserção de harmônicos no sistema de distribuição de energia elétrica, emissão de EMI (Eletromagnetic Interference) e RFI (Radio Frequence Interference). De encontro a tais problemas, a própria eletrônica de potência apresenta soluções no sentido de eliminar ou minimizar os efeitos indesejáveis gerados por conversores estáticos, como por exemplo, a injeção de harmônicos no sistema. Os sistemas dedicados para este fim são chamados de pré-reguladores de fator de potência, ou simplesmente corretores de fator de potência. Um pré-regulador nada mais é do que um conversor CC-CC, que através de técnicas de modulação específicas aplicadas no comando do seu interruptor (chave) pode fazer com que seja drenada da rede de alimentação uma corrente elétrica praticamente senoidal (BATSCHAUER, NETO e PETRY, 2000). Além da aplicação citada acima e para fontes de alimentação de diversos equipamentos eletrônicos, como já mencionado anteriormente, a eletrônica de potência possui uma vasta área de aplicação, como sistema de propulsão de veículos, controle de iluminações, transmissão de energia em corrente contínua em alta tensão, controle de máquinas elétricas, entre outras. É difícil imaginar os limites para as aplicações da eletrônica de potência, especialmente com a atual tendência no desenvolvimento de dispositivos de potência e microprocessadores. Portanto torna-se imprescindível o estudo desta área no currículo de cursos de Engenharia Elétrica e Mecatrônica e de áreas afins..2 OBJETIVOS Frente às novas oportunidades e desafios que esta área proporciona, este trabalho objetiva estudar, projetar e implementar um inversor de tensão CC-CA em malha aberta, com potência de 70W, e torná-lo um dispositivo portátil, a fim de aplicá-lo como fonte de energia alternada a partir da energia de baterias de veículos automotores. Os tópicos a seguir sintetizam e esclarecem os objetivos específicos deste trabalho, sendo estes: a) Apresentar as principais topologias referentes a conversores CC-CC elevadores de tensão, bem como a conversores CC-CA; b) Projetar um conversor CC-CC isolado tipo flyback em malha aberta, cuja finalidade será elevar a tensão da respectiva fonte de energia para 50V, nível

21 2 considerado elevado quando comparado com a tensão de entrada, a qual possui uma faixa entre 0 à 4V; c) Efetuar o projeto de um conversor CC-CA tipo ponte completa de modo a inverter a tensão contínua oriunda do conversor CC-CC, para uma tensão alternada com valor eficaz de 27V e frequência de 60Hz; d) Pesquisar diferentes tipos de circuitos de acionamento de chaves estáticas, com o objetivo de alcançar as necessidades de chaveamento do conversor CC-CC e CC- CA; e) Realizar a simulação do respectivo inversor estático visando analisar a teoria desenvolvida em projeto; f) Desenvolver a implementação prática de um protótipo a partir dos resultados adquiridos em projeto e simulações;.3 JUSTIFICATIVA No mundo atual percebe-se a alta dependência das pessoas por aparelhos eletroeletrônicos como celulares, notebooks, smartphones, tablets, televisões entre outros. Podemos citar o exemplo dos iphones, os quais no ano de 202 somaram 250 milhões de aparelhos vendidos (EXAME, 202). Essa dependência desses aparelhos cada vez mais sofisticados se dá principalmente pela facilidade e comodidade de comunicação entre as pessoas, tanto no meio pessoal quanto no campo de trabalho e principalmente em locais onde a transmissão de dados, voz e imagem por meios físicos não se faz presente. A maioria desses aparelhos tem seu funcionamento baseado em baterias, devido ao fato de serem dispositivos móveis, portanto para o seu funcionamento necessitam de carregadores para que a carga da bateria possa ser preenchida quando baixa. Logo, esses carregadores, bem como os aparelhos que são dotados de uma fonte chaveada própria, são alimentados com energia alternada, ou seja, tensão alternada senoidal em 60Hz, 220V ou 27V, dependendo da região territorial onde se encontram. Em todo o litoral brasileiro a distribuição de energia em baixa tensão por parte das concessionárias é realizada em 27V eficaz entre fase e neutro e nas demais regiões temos 220V eficaz entre fase e neutro. Neste contexto, a utilização de um inversor estático que adequa os níveis de tensão oriunda de uma fonte alternativa, como a bateria de um automóvel para níveis de tensão padrão dos dispositivos eletroeletrônicos, se faz necessária. Uma vez que este inversor poderá

22 22 ser utilizado tanto para carregar dispositivos móveis como para ligar determinados aparelhos portáteis como televisores e rádios onde a energia elétrica padrão não se faz presente. Como no caso deste trabalho, a energia primária é oriunda de baterias, no qual o processo de recarga é bastante demorado, o fator eficiência será levado em consideração, buscando o máximo aproveitamento da energia disponível..4 ESCOPO DO TRABALHO Com relação ao escopo deste trabalho, no segundo capítulo é realizada uma revisão bibliográfica das principais topologias referente a conversores CC-CC elevadores de tensão bem como conversores CC-CA. Também serão demonstradas suas características, princípio de funcionamento e etapas de operação. Este capítulo é a base para o entendimento do referido inversor estático. No terceiro capítulo é apresentado o desenvolvimento do projeto em regime permanente dos conversores que serão utilizados para o desenvolvimento deste trabalho, ou seja, o conversor CC-CC flyback e o conversor CC-CA tipo ponte completa ou do inglês fullbridge. As simulações dos respectivos conversores e a consequente validação da teoria dos resultados obtidos através do projeto são apresentadas no quarto capítulo. No quinto capítulo será apresentado o desenvolvimento da implementação prática dos conversores CC-CC e CC-CA, e os resultados obtidos com o protótipo serão demostrados no sexto capítulo. No capítulo de conclusão, algumas considerações finais do presente trabalho são discutidas, explicitando as dificuldades encontradas, os resultados obtidos e também a proposição de trabalhos futuros.

23 23 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2. INTRODUÇÃO Este capítulo tem como objetivo apresentar uma revisão bibliográfica das principais topologias de conversores CC-CC elevadores de tensão e CC-CA, também será realizado um estudo sobre modulação por largura de pulso. Ao final a conclusão e a escolha das topologias utilizadas neste trabalho. 2.2 MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO Modulação por largura de pulso, do termo em inglês PWM (Pulse Width Mudulation), é uma técnica de controle de potência. Para entender com mais clareza o funcionamento dessa tecnologia, parte-se de um circuito formado por uma fonte de tensão, um interruptor de ação rápida e uma carga que deve ser controlada (MAKSIMOVIC e SANDERS, 2004). Como mostra a Figura 2, quando o interruptor está aberto não há a circulação de corrente elétrica no circuito, portando a potência fornecida à carga é nula, e no instante que o interruptor é fechado a carga recebe a tensão total fornecida pela fonte e a potência aplicada a carga é máxima. Figura 2. Circuito que representa a Modulação por Largura de Pulso.

24 24 Agora se o interruptor for aberto e fechado rapidamente de modo a permanecer 50% do tempo aberto e 50% do tempo fechado, o que significa dizer que temos em média a metade de um determinado período de tempo com corrente circulando no circuito e a outra metade sem corrente circulando. Portanto, tem-se que a tensão média da saída é a metade da tensão de entrada, conforme é ilustrado na Figura 3. Assumindo-se um circuito ideal e 00% de eficiência a potência de saída é igual à potência de entrada. É possível perceber que o interruptor fechado permanece nesta condição por um determinado período de tempo, de mesma forma quando o interruptor permanece aberto. Os dois tempos juntos definem o período T e, portanto, o período total de comutação dos interruptores. Figura 3. Forma de onda que representa a Modulação por Largura de Pulso. A relação entre o tempo em que há pulso e a duração de um ciclo completo de operação do interruptor é denominado de ciclo ativo ou razão cíclica. Portando variando o ciclo ativo é possível controlar a potência fornecida à carga de 0 a 00%..3 CONVERSOR CC-CC BOOST O conversor CC-CC boost é um conversor não isolado, o qual eleva a tensão de saída em relação à entrada. É um conversor de elevada eficiência e reduzido número de componentes. Na Figura 4 é mostrado o esquema elétrico do conversor boost. Considerando que este conversor esteja operando em regime permanente e em modo de condução contínua, quando o interruptor S se encontra fechado a corrente no indutor L aumenta linearmente. Neste instante a carga R não é alimentada pela fonte de tensão Vs, mas

25 25 sim pelo capacitor C, através da energia nele armazenada no estágio anterior. Quando o interruptor passa para o estado ligado, a energia armazenada no indutor e a proveniente da fonte de tensão são entregues à carga e também ao capacitor. Neste instante de tempo a energia armazenada no indutor no estágio anterior decresce linearmente. Ao final do segundo estágio, o interruptor volta para o estado desligado, reiniciando o processo de chaveamento do interruptor (AHMED, 2000). Figura 4. Diagrama elétrico do conversor CC-CC boost. Fonte: (MAKSIMOVIC e SANDERS, 2004) Através da observação do circuito, é possível concluir que a Equação o representa. Vs* d * T = ( Vo Vs)*( d)* T () Onde d é a razão cíclica de acionamento do interruptor, Vo a tensão de saída e T tempo de duração do ciclo completo, ou seja, o inverso da frequência de comutação do interruptor. Na Figura 5, a linha contínua representa o ganho estático do conversor para componentes ideais. A linha tracejada considera as não idealidades dos componentes do circuito. Portanto, o ganho de tensão tende ao infinito para razões cíclicas que tendem a. Como pode ser observado na curva tracejada, para uma razão cíclica igual a zero o ganho de tensão é unitário, e para razão cíclica próxima a 0,8, alcança seu máximo valor. Este comportamento no intervalo da razão cíclica compreendido entre 0,8 e deve-se as não idealidades dos semicondutores e do indutor. Na prática, aconselha-se trabalhar com valores de razão cíclica menores que 0,8. Portanto o máximo ganho de tensão que o conversor Boost pode alcançar gira em torno de 4 a 6 vezes. Tal ganho é representado pela Equação 2 (MAKSIMOVIC e SANDERS, 2004).