Projeto Final - Projeto de Fontes Chaveadas

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1 Projeto Final - Projeto de Fontes Chaveadas Dados de entrada: Vac := 175 V Vac := Fr := 60 Hz ηret := 0.9 ηcon := 0.7 Vo1 := 5 V Vo2 := 4 V Vcret := 0.1 Io1 := 1 A Io2 := 0.2 A Vco := 0.01 Vd := 1 V Dmax := 0.4 Fcon := Hz Jmax := 450 A cm 2 B := 0.25 T μo := 4 π 10 7 H m Kp := 0.5 Kw := 0.4

2 Cálculos iniciais: Vo1 Po1 := Vo1 Io1 Po1 = 5 W Ro1 := = 5 Ω Io1 Po2 := Vo2 Io2 Po2 = 0.8 W Pcon := Po1 + Po2 Pcon = 5.8 W Vacmin := Vac ( 1 Vac) Vacmin = V Vacmax := Vac ( 1 + Vac) Vacmax = V Vo2 Ro2 := = 20 Ω Io2 Determinação da potência de saída e de entrada: Pcon Pout := Pout = W ηcon Pout Pin := Pin = W ηret Cálculo do Capacitor de filtragem: Vpk := 2 Vacmin Vd Vpk = V ( ) 1 Vcret Vcmin := 2 Vacmin Vd ( ) Vcmin = V V := Vpk Vcmin V = V Cret := Pin Cret = F Fr Vpk 2 Vcmin 2 ( ) Cmicro := Cret 10 6 Cmicro = μf Capacitor escolhido: 47 uf x 400 V ou 47 uf x 400 V. Tensões médias na saída do retificador: Vcret Vinmin := ( 2 Vacmin Vd) 1 Vinmin = V 2 Vcret Vinmax := ( 2 Vacmax Vd) 1 Vinmax = V 2

3 Corrente de pico na saída do retificador: acos Vcmin Vpk tc := tc = s 2 π Fr Cret V Ip := Ip = A tc Valor eficaz da corrente na saída do retificador: Ief := Ip 2 tc Fr ( 2 tc Fr) 2 Ief = A Corrente média fornecida pelo capacitor ao conversor: Pin Imd := Imd = A Vcmin Corrente total no capacitor de filtragem: Icef := Ief 2 + Imd 2 Icef = A Correntes nos diodos retificadores: Idef := Ip tc Fr Idef = A Pin Idmd := Idmd = A 2 Vcmin Idp := Ip 2 Idp = A Vdmax := 2 Vacmax Vdmax = V Podem ser usados diodos de 3 A x 400 V (1N5404) devido à corrente de pico na partida. Resistores de carga para simulação: Rmin := Vinmin 2 Pout Rmin = Ω Rmax := Vinmax 2 Pout Rmax = Ω

4 Cálculo dos tempos envolvidos: 1 T := T = s Fcon T1 := Dmax T T1 = s T2 := T T1 T2 = s Corrente de pico no primário: 2 Pcon Ipri := Ipri = A ηcon Vinmin Dmax Cálculo do transformador Escolha do núcleo: 1.1 Pcon 10 4 AeAw := AeAw = cm 4 Núcleo E-30/7 Kp Kw Jmax B Fcon Ae := 0.60 cm 2 Aw := 0.80 cm 2 lt := 5.6 cm Ve := 4 cm 3 Ae Aw = 0.48 cm 4 Determinação do entreferro: Pcon W := W = J ηcon Fcon δ := 2 μo W δ = m B 2 Ae 10 4 δ lg := lg = mm Número de espiras do primário: B δ Np := ceil Np = 152 espiras μo Ipri Número de espiras dos secundários: Vo1 Vd Ns1 ceil Np ( + ) ( 1 Dmax) := Vinmin Dmax Vo2 Vd Ns2 ceil Np ( + ) ( 1 Dmax) := Vinmin Dmax Ns1 = 13 espiras Ns2 = 11 espiras

5 Correntes envolvidas: Dmax Ipef := Ipri Ipef = A 3 2 Po1 Ipo1 := Ipo1 = A ηcon Vinmin Dmax Is1 := Ipo1 Np Is1 = A Ns1 ( 1 Dmax) Is1ef := Is1 Is1ef = A 3 2 Po2 Ipo2 := Ipo2 = 0.05 A ηcon Vinmin Dmax Is2 := Ipo2 Np Is2 = A Ns2 Is2ef := Is2 ( 1 Dmax) 3 Is2ef = A Profundidade de penetração: := Fcon = cm Da tabela fio: 18 AWG A18 := cm 2 ρ18 := Ω cm S18 := cm 2 Área dos condutores do primário: Ipef Spnec := Spnec = cm 2 Fio 30 AWG Jmax Ap := cm 2 ρp := Ω cm Sp := cm 2 Spnec Nfiosp := Nfiosp = fios Nfiosp := 1 fios Ap Área dos condutores do secundário 1: Is1ef Ss1nec := Ss1nec = cm 2 Fio 21 AWG Jmax As1 := cm 2 ρs1 := Ω cm Ss1 := cm 2

6 Ss1nec NfiosS1 := NfiosS1 = fios NfiosS1 := 1 fios As1 Área dos condutores do secundário 2: Is2ef Ss2nec := Ss2nec = cm 2 Fio 21 AWG Jmax As2 := cm 2 ρs2 := Ω cm Ss2 := cm 2 Ss2nec NfiosS2 := NfiosS2 = fios NfiosS2 := 1 fios As2 Cálculo das perdas no transformador: Lfiop := lt Np Lfiop = cm Lfios1 := lt Ns1 NfiosS1 Lfios1 = 72.8 cm Lfios2 := lt Ns2 NfiosS2 Lfios2 = 61.6 cm Vfiop := Ap Lfiop Vfiop = cm3 Vfios1 Vfios2 := As1 Lfios1 Vfios1 = cm3 := As2 Lfios2 Vfios2 = cm3 Pesofio := 8.96 ( Vfiop + Vfios1 + Vfios2) Pesofio = g K H := K E := P nucleo R Fiop := ( B) 2.4 K H Fcon + K E Fcon 2 Ve P nucleo = W ρp := Np lt R Fiop = 3.85 Ω Nfiosp P cup := R Fiop Ipef 2 P cup = W R Fios1 ρs1 := Ns1 lt R Fios1 = Ω NfiosS1 P cus1 := R Fios1 Is1ef 2 P cus1 = W R Fios2 ρs2 := Ns2 lt R Fios2 = Ω NfiosS2 P cus2 := R Fios2 Is2ef 2 P cus2 = W

7 P total := P nucleo + P cup + P cus1 + P cus2 P total = W 0.37 Rt := 23 ( Ae Aw) Rt = º C/W t := P total Rt t = graus Cálculo do fator de ocupação: Aw neces Np Sp Nfiosp + Ns1 Ss1 NfiosS1 + Ns2 Ss2 NfiosS2 := Aw neces = cm K ocup Aw neces := K ocup = Aw Determinação das indutâncias para simulação: Np B Ae 10 4 Lmp := Lmp = H Ip Vinmin Dmax Lmm := Lmm = H Fcon Ip Ns1 B Ae 10 4 Lms1 := Lms1 = H Is1 Ns2 B Ae 10 4 Lms2 := Lms2 = H Is2 Determinação dos capacitores da saída: Lms1 Is1 To := To = s Vo1 + Vd Vo1 := Vo1 Vco Vo1 = 0.05 V Io1 Dmax Co1 := Co1 = F Fcon Vo1 Vo1 RSE1 := RSE1 = Ω Is1 Escolhe-se um capacitor de: 1000 uf x 35 V. Co1 := F RSE1 := Ω Vo1real := RSE1 Is1 Vo1real = V

8 Vo1real Vo1per := 100 Vo1per = % Vo1 Vo2 := Vo2 Vco Vo2 = 0.04 V Io2 Dmax Co2 := Co2 = F Fcon Vo2 Vo2 RSE2 := RSE2 = Ω Is2 Escolhe-se um capacitor de: 1000 uf x 35 V. Co2 := F RSE2 := Ω Vo2real := RSE2 Is2 Vo2real = V Vo2real Vo2per := 100 Vo2per = % Vo2

9 Determinação da chave: Ich := Ip Ich = A Corrente de pico na chave Ichef Vinmin Dmax 3 := Ichef = A Corrente eficaz na chave Fcon Lmp 3 Vinmin Dmax 2 Ichmd := Ichmd = A Corrente média na chave 2 Fcon Lmp Vchmax := Vinmax + ( Vo1 + Vd) Np Vchmax = V Tensão máxima sobre a chave Ns1 IRF 840: 8 A x 500 V Interruptor escolhido e características principais o Ta := 45 C RDSon := 0.85 Ω Tr := s RSjc := 1 C W o Tj := 150 C Tf := s Pscond := RDSon Ichef 2 Pscond = W Fcon Pscom := ( Tr + Tf ) Ich Vchmax Pscom = W 2 Pstot := Pscond + Pscom Pstot = W o Tcs := Tj Pstot RSjc Tcs = C Tj Ta Rda := 1 Rda = Pstot C W Não precisa dissipador, pois Rja = 62 graus/watt. Determinação do diodo1: Id1 := Is1 Ich = A Corrente de pico no diodo Id1ef To := Is1 Id1ef = A 3 T Corrente eficaz no diodo Is1 To Id1md := Id1md = A 2 T Vd1max := Vo1 + Vinmax Ns1 Vd1max = V Np Corrente média na chave Tensão máxima sobre o diodo Escolhe-se o diodo UF5406 de 3 A x 600 V.

10 Determinação do diodo2: Id2 := Is2 Ich = A Corrente de pico no diodo Id2ef To := Is2 Id2ef = A 3 T Corrente eficaz no diodo Is2 To Id2md := Id2md = A 2 T Vd2max := Vo2 + Vinmax Ns2 Vd2max = V Np Corrente média na chave Tensão máxima sobre o diodo Escolhe-se o diodo UF4007 de 1 A x 1000 V. Circuitos auxiliares: IC := 0.1 A Vo2 = 4 V Vo2 Ron := Ron = 40 Ω IC Resistor de pulldown de 1000 Ω e zener de 16 V x 0,5 W Fonte auxiliar para partida: Vopartida := 15 V Rdiv3 := 1000 Ω Vinmax Vopartida Rdiv4 := Rdiv3 ( ) Rdiv4 = Ω Vopartida Vinmax Idiv := Idiv = A Rdiv3 + Rdiv4 PRdiv3 := Rdiv3 Idiv 2 PRdiv3 = W PRdiv4 := Rdiv4 Idiv 2 PRdiv4 = 5.1 W Vinmin Rdiv3 Vopartidamin := Vopartidamin = V Rdiv3 + Rdiv4 Capacitor de 100 uf x 35 V. Zener de 15 V x 1 W Ou:

11 1 I Zmax := I Zmax = A I Zmin := 0.1 I Zmax I Zmin = A 15 Vinmax Vopartida Rsmax := Rsmax = Ω I Zmin Vinmin Vopartida Rsmin := Rsmin = Ω I Zmax Rs := Ω ( Vinmax Vopartida) 2 P RS := P RS = W Rs Controle da corrente de partida: Idmax := 200 A 2 Vacmax Rserie := Rserie = Ω Idmax Pode-se usar termistor com resistência a frio maior que Rserie ou resistor fixo.

12 Projeto do controlador e circuitos auxiliares: Cálculos iniciais: Vref := 4 V Dado do UC 3524 Rdiv1 := 1000 Ω Vo2 Vref Rdiv2 := Rdiv1 ( ) Rdiv2 = 0 Ω Vref Vo2 Ro := Ro = 20 Ω Io2 Vs := 3.5 V Dado do UC 3524 Função de transferência do conversor: ω := 10, rad s j := 1 G( ω) := Vs Vinmax ( 1 + j ω RSE2 Co2) 2 Lmp Fcon ( 1 + j ω Ro Co2) Ro ( ) G db ( ω) := 20 log G( ω) G fase ( ω) := arg( G( ω) ) 180 π Diagrama de Bode da planta: G db ( ω) ω 2 π

13 0 20 G fase ( ω) Cálculo do controlador: ω 2π Ganho := Fcortemax Fpolo := 0 Hz Fcon := Fcortemax = Hz 2 Função de transferência do controlador C( ω) := Ganho j ω ( ) C db ( ω) := 20 log C( ω) C fase ( ω) := arg( C( ω) ) 180 π Diagrama de Bode do sistema:

14 100 G db ( ω) 50 C db ( ω) G db ( ω) + C db ( ω) ω 2π 0 50 G fase ( ω) C fase ( ω) G fase ( ω) + C fase ( ω) ω 2π Fcorte := 1000 Hz Margem de fase: G fase ( 2 π Fcorte) = graus C fase ( 2 π Fcorte) = 90 graus ( ) MF := G fase ( 2 π Fcorte) + C fase ( 2 π Fcorte) MF = graus Componentes:

15 Cint := F Constante := 1 Rint := Rint = 500 Ω Cint Ganho 1 Ganho =