Tópicos Especiais em Controle de Conversores Estáticos. Prof. Cassiano Rech

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1 Tópicos Especiais em Controle de Conversores Estáticos 1

2 Aula de hoje O que é um conversor estático de potência? Por que devemos controlar um conversor estático? Por que necessitamos modelar o sistema? Modelo em regime permanente ou modelo CC 2

3 O que é um conversor estático de potência? Eletrônica de Potência é uma ciência aplicada que aborda a conversão e o controle de fluxo de energia elétrica entre dois ou mais sistemas distintos, através de conversores estáticos de potência E 1 (v 1, f 1 ) Retificador Aplicações Fontes de alimentação Conversor CC-CC Conversor indireto de tensão Conversor indireto de freqüência Conversor direto de freqüência Acionamento de máquinas elétricas Reatores eletrônicos Fontes alternativas de energia Transmissão em CC E 2 Inversor (v 2, f 2 ) Compensadores estáticos de reativos... 3

4 O que é um conversor estático de potência? Um conversor estático pode ser definido como um sistema constituído por elementos passivos (resistores, capacitores, indutores,...) e elementos ativos (interruptores), associados de uma forma préestabelecida para o controle de fluxo de energia elétrica INTERRUPTORES ENTRADA CONVERSOR ESTÁTICO SAÍDA Aberto, desligado ou bloqueado Fechado, ligado ou conduzindo Comutação entre os estágios acima Sinais de controle (interruptores) CARACTERÍSTICAS IDEAIS Queda de tensão nula em condução Corrente nula quando bloqueado Tempos de comutação nulos 4

5 O que é um conversor estático de potência? Uma alternativa para reduzir a tensão de saída, com elevada eficiência, é a utilização de um conversor CC-CC em alta freqüência A relação entre o tempo de condução do interruptor (t on ) e o período de comutação (T) é definida como razão cíclica (duty cycle) do interruptor. Logo: onde: 5

6 O que é um conversor estático de potência? Como resultado da operação do interruptor S, a tensão de saída é recortada, caracterizada pela presença de V in durante t on e ausência de V in durante t off. O valor médio da tensão de saída (V o ) é dado por: V o 1 t on = T 0 V dt in V o( RMS ) 1 ton = T 0 V dt 2 in O valor médio da tensão de saída depende da tensão de entrada e da razão cíclica. Logo, com o controle adequado da razão cíclica do interruptor podemos ajustar o valor da tensão de saída, mesmo com variações na tensão de entrada. 6

7 Por que devemos controlar um conversor estático? Variações na entrada do conversor, variações paramétricas e/ou distúrbios no sistema podem modificar a operação do conversor estático de potência Os sinais de controle dos interruptores devem ser automaticamente e adequadamente ajustados para atender as especificações impostas pela aplicação (regime permanente, transitório e estabilidade) ENTRADA CONVERSOR ESTÁTICO SAÍDA Alimentação direta (feedforward) Sinais de controle CONTROLADOR Realimentação (feedback) 7

8 Por que devemos controlar um conversor estático? 8

9 Por que devemos controlar um conversor estático? L D b L f D 1 D 2 i L (t) v in (t) C f S C R D 3 D 4 CONVERSOR BOOST CCM OPERANDO COM CFP Regulação da tensão de saída Correção do fator de potência (corrente de entrada senoidal em fase com a tensão de entrada) 9

10 Por que devemos controlar um conversor estático? Rede Pública CA CC Retificador/ Carregador de Baterias CC CA Inversor Carga Crítica Banco de Baterias NO-BREAK DE DUPLA CONVERSÃO Tensão de saída senoidal (baixa distorção) e regulada (amplitude e freqüência) Correção do fator de potência (corrente de entrada senoidal em fase com a tensão de entrada) Controle da carga e descarga do banco de baterias Sincronismo com a rede pública de energia 10

11 Por que devemos controlar um conversor estático? ACIONAMENTO DE MÁQUINAS COM VELOCIDADE VARIÁVEL Controle da amplitude e da freqüência da tensão de saída senoidal (sistema monofásico ou trifásico) Ao usar um retificador em alta freqüência (retificador PWM), deve-se garantir um elevado fator de potência na entrada e manter a tensão de barramento controlado Regeneração de energia 11

12 Por que necessitamos modelar o sistema? Existem inúmeros conversores estáticos, que são aplicados nas mais diversas aplicações O comportamento e as especificações destes sistemas não são iguais. Logo, a definição e o projeto dos sistemas de controle também não é padronizado ANALOGIA: Desejamos fazer uma viagem e precisamos definir a forma de deslocamento O que desejamos? (Especificações) Informações para tomada de decisão Metodologia para, a partir das informações obtidas, escolher o transporte Desejamos controlar um conversor estático e precisamos definir a estrutura e o projeto do controlador Especificações Modelo matemático que descreva o comportamento do conversor Metodologia de projeto do sistema de controle 12

13 Modelagem de conversores estáticos Representação matemática do comportamento físico do sistema Modelagem do comportamento dominante do sistema, ignorando fenômenos insignificantes Modelos simplificados permitem um melhor entendimento dos fenômenos físicos existentes As aproximações usualmente desprezam fenômenos pequenos, porém complexos ou de difícil representação Após a compreensão dos principais fenômenos envolvidos, caso seja necessários os modelos podem ser refinados para incluir os fenômenos previamente desprezados 13

14 Modelagem de conversores estáticos Modelo em regime permanente ou modelo CC Cálculo de esforços de tensão e corrente para dimensionamento dos elementos Estimativa do rendimento Modelo dinâmico ou modelo CA Utilizado para avaliar como distúrbios (variações) na fonte, carga e nos parâmetros do circuito, além de perturbações nos sinais de controle afetam as variáveis de interesse Projeto dos controladores 14

15 Princípios de análise em regime permanente: Balanço Volt-segundo no indutor (inductor volt-second balance) Balanço de carga no capacitor Aproximação de pequenas ondulações (small-ripple aproximation) 15

16 Aproximação de pequena ondulação 16

17 Aproximação de pequena ondulação 17

18 Balanço Volt-segundo no indutor Corrente no indutor 18

19 Balanço Volt-segundo no indutor Tensão média no indutor é nula em regime permanente 19

20 Balanço de carga no capacitor Corrente média no capacitor é nula em regime permanente 20

21 Exemplo 1: Conversor buck ideal em modo de condução contínua 21

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23 Exemplo 2: Conversor boost ideal em modo de condução contínua 23

24 M D 24

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26 Análise do rendimento: Potência de entrada Pin = VgIg = VgI 2 Vg Vg Pin = Vg = D 2 2 ' R D ' R Potência de saída 2 V Po = R 2 Vg Po = 2 D' R 26

27 Exemplo 3: Conversor boost CCM com perdas no indutor 27

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30 Análise do rendimento: Potência de entrada Pin = VgIg = VgI 2 V g Pin = Vg = D R 2 2 D R R D R Potência de saída P P o o 2 V = R = V ( + L ) ' ' 1 ' V 2 g ( + L ) 2 2 D' R 1 R D' R 2 30

31 Análise do rendimento: 31

32 Bibliografia R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Second edition. J. G. Kassakian, M. F. Schlecht, G. C. Verghese, Principles of Power Electronics. 32