Conversor Buck-Boost-Flyback Integrado aplicado a um Sistema de Iluminação Pública Empregando LEDs Alimentado pela Rede Elétrica ou por Baterias

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1 Conversor Buck-Boost-Flyback Integrado aplicado a um Sistema de Iluminação Pública Empregando EDs Alimentado pela Rede Elétrica ou por Baterias Rafael Adaime Pinto, João Gilberto Roncalio e Ricardo Nederson do Prado Universidade Federal de Santa Maria UFSM Grupo de Inteligência em Iluminação GEDRE Santa Maria, Brasil rafael@gedre.ufsm.br Resumo Este artigo apresenta uma topologia e sua metodologia de projeto para um sistema de iluminação pública empregando diodos emissores de luz (EDs). A topologia proposta tem como principal aplicação sistemas de iluminação pública sem consumo de energia a partir da rede elétrica durante o horário de ponta ou sistemas de iluminação de emergência, alimentando o circuito por baterias quando necessário. Estas aplicações são justificadas pela redução da demanda de energia do sistema elétrico de potência e aumento da confiabilidade do sistema de iluminação pública. Para alimentar os EDs através da rede elétrica com alto fator de potência e ainda carregar as baterias é proposto um conversor Buck-Boost integrado a um conversor Flyback. O mesmo circuito é empregado para alimentar os EDs através da bateria, reduzindo o número de topologias que compõem o sistema. A metodologia de projeto proposta tem por objetivo auxiliar o projeto do conversor visando melhor aproveitamento do interruptor compartilhado e redução do valor do capacitor de barramento, evitando o uso de capacitores eletrolíticos. Os resultados experimentais mostram que é possível implementar a topologia proposta empregando um capacitor de 0µF mantendo alto fator de potência e atendendo à norma IEC que limita o conteúdo harmônico da corrente de entrada para sistemas de iluminação. Esta metodologia de projeto também pode ser empregada para outras topologias e aplicações. I. INTRODUÇÃO Um dos grandes problemas enfrentados pelo setor elétrico brasileiro está relacionado com o horário de ponta, intervalo de tempo no qual nitidamente o consumo de energia é maior do que nos demais períodos do dia. Um dos responsáveis pela sobrecarga do sistema durante o horário de ponta é a iluminação pública, que além de possuir uma parcela significativa no consumo de energia elétrica, é acionada durante este período [1] e []. Portanto, uma alternativa para equalizar a curva de carga ao longo do dia, é alimentar o sistema de iluminação pública através de baterias durante o horário de ponta [3] e [4]. Para esta aplicação, os EDs apresentam características importantes que reforçam sua utilização em sistemas de iluminação alimentados por baterias como alta eficiência luminosa, longa vida útil, alimentação em corrente contínua e ausência do processo de ignição com pulso de alta tensão, como ocorre com as lâmpadas de descarga atualmente empregadas em sistemas de iluminação pública. Por estes motivos, algumas topologias têm sido desenvolvidas para alimentar EDs através da bateria ou pela rede elétrica [3], [5]-[10]. Em [3], foi apresentado um comparativo entre duas topologias aplicadas a um sistema de iluminação pública sem consumo de energia da rede elétrica durante o horário de ponta. Para alimentação do circuito através da rede elétrica um conversor Buck foi empregado como estágio de correção do fator de potência (Power Factor Correction, PFC) aplicando à entrada do conversor Flyback uma tensão contínua e mais próxima à dos EDs. O conversor Flyback foi utilizado para controlar a potência nos EDs através de um enrolamento de saída e carregar a bateria através de outro enrolamento. Neste trabalho foi observada a possibilidade de utilização de apenas um interruptor compartilhado entre os conversores responsáveis pelo estágio PFC, pela carga da bateria e pelo controle da corrente nos EDs quando alimentados tanto pela rede elétrica quanto pela bateria. Isto reduz consideravelmente a quantidade de componentes no circuito tornando-o mais atrativo para produção industrial. Outra característica importante para um sistema de iluminação é a sua confiabilidade. O ED possui vida útil de aproximadamente horas [11]. Entretanto, capacitores eletrolíticos geralmente empregados nos circuito de iluminação apresentam vida útil entre a horas [1], e sua vida útil é reduzida com o aumento da temperatura de operação. Capacitores eletrolíticos de longa vida útil vêm sendo comercializados, porém, o custo deste componente é superior aos demais. Por isso, a substituição de capacitores eletrolíticos por capacitores de filme, os quais possuem maior vida útil têm sido o foco de algumas pesquisas [5], [13]-[15]. Para isso, é necessária a redução da capacitância, pois capacitores de filme para tensões acima de 50 V são comercializados geralmente com valores inferiores a 68 µf [1]. Além disso, o custo e o volume do capacitor são proporcionais ao valor da sua capacitância.

2 Seguindo neste princípio, um conversor Buck-Boost integrado ao conversor Flyback com duas saídas é proposto. Este circuito é empregado tanto para alimentar os EDs e carregar a bateria a partir da rede elétrica, quanto para alimentar os EDs através da bateria. Dentre as principais características desta topologia comparada à topologia Buck- Flyback integrada estão o alto fator de potência já que com o conversor Buck-Boost é possível obter um fator de potência próximo ao valor unitário, e a redução do valor do capacitor de barramento. Além disso, uma metodologia de projeto é proposta com o objetivo de auxiliar o projeto do conversor visando o melhor aproveitamento do interruptor compartilhado e a redução do valor do capacitor de barramento, evitando o uso de capacitores eletrolíticos e reduzindo o custo da topologia. Nesta metodologia de projeto, o conversor Flyback é projetado priorizando a alimentação dos EDs pela bateria com a finalidade de aumentar o rendimento da topologia nesta etapa de operação. II. SISTEMA PROPOSTO Sistemas de iluminação pública empregando EDs devem apresentar alto fator de potência e baixa taxa de distorção harmônica total (Total Harmonic Distortion, THD) da corrente de entrada quando alimentados pela rede elétrica [16]. Assim, na topologia proposta o conversor Buck-Boost operando no modo de condução descontínua (Discontinuous Conduction Mode, DCM) foi utilizado para correção do fator de potência. Para controlar da corrente nos EDs e para carregar a bateria foi empregado um conversor Flyback com duas saídas. Uma das saídas alimenta a luminária composta por 30 EDs do tipo XM-PWN ( ma) [11]. A outra saída carrega um banco de baterias composto por quatro baterias do tipo FNC 1190-C (1 V / 19 Ah) [17] conectadas em série, resultando em uma tensão nominal de 48 V. A especificação do banco de baterias juntamente com o projeto elétrico da luminária é apresentado com detalhes em [9]. O projeto térmico desta luminária é apresentado em [18]. A metodologia de integração aplicada resulta no emprego de apenas um interruptor compartilhado entre os conversores Buck-Boost e Flyback. Para alimentação dos EDs através da bateria, o mesmo conversor Flyback é utilizado. A topologia proposta é apresentada na Fig. 1. Nesta topologia, o relé R block seleciona a fonte de alimentação do circuito (rede elétrica ou bateria) e o relé R charge desconecta a bateria do conversor Flyback quando sua carga estiver completa. Desta forma, enquanto o relé R block estiver normalmente fechado o conversor Buck-Boost transfere a energia da rede elétrica para o capacitor de barramento C, que por sua vez transfere esta energia ao conversor Flyback. A alimentação dos EDs e a carga da bateria são feitas com corrente contínua. Quando o processo de carga da bateria é finalizado, o relé R charge desconecta a bateria do carregador, mantendo apenas a alimentação dos EDs. Durante o horário de ponta, ou em caso de falha na rede elétrica, o relé R block troca de estado e o banco de baterias é conectado diretamente ao enrolamento primário do conversor Flyback, mantendo a alimentação dos EDs no valor nominal. No mesmo instante, o conversor Buck-Boost empregado para PFC é desconectado do circuito e impede a alimentação do circuito pela rede elétrica. Nesta etapa de operação o relé R charge deve permanecer aberto para evitar a recarga da bateria. Os EDs diretamente polarizados têm um comportamento semelhante a uma fonte de tensão, conforme o modelo dinâmico de um diodo semicondutor [19]. Por isso, a tensão dos EDs em condução é refletida ao enrolamento bat, que por sua vez, opera também como uma fonte de tensão aplicada à bateria. Por isso, é necessária a utilização de um regulador de corrente em série com a bateria para manter a corrente constante caso a tensão do enrolamento bat seja superior à da bateria. Figura 1. Topologia proposta.

3 III. METODOOGIA DE PROJETO Em [3], o conversor Flyback foi projetado considerando a etapa na qual a alimentação do circuito é feita através da rede elétrica. Porém, quando o circuito é alimentado pela bateria, a tensão aplicada ao enrolamento primário é inferior à do capacitor de barramento e a razão cíclica deveria ser aumentada ao ponto de levar o conversor a operar no modo de condução contínua (Continuous Conduction Mode, CCM). Então, para manter o modo de condução descontínua e a potência nominal nos EDs, é necessário alterar a frequência de comutação do interruptor compartilhado quando o circuito é alimentado pela bateria. No entanto, na metodologia de projeto proposta neste trabalho, o indutor do conversor Flyback é projetado considerando a etapa na qual a alimentação do circuito é realizada pela bateria. Assim, projetando o enrolamento primário para esta etapa de operação, onde a tensão aplicada é mínima (pior caso), é possível alimentar o conversor pela rede elétrica apenas reduzindo a razão cíclica, sem precisar alterar a frequência de comutação. Com isso, espera-se simplificar o circuito de comando bem como aumentar o rendimento da topologia para o circuito alimentado pela bateria. Portanto, especificando uma razão cíclica máxima de 70 % e frequência de comutação de 40 khz é possível obter as indutâncias P e EDs através de (1) e (). P bat _ min ds bat _ max (V V ) D η (V I ) f EDs EDs s ( Vd + VEDs) ( 1 Dbat _ max) ( Vbat_min Vds) Dbat _ max EDs P P - Indutância do enrolamento primário (19 µh). V bat_min - Tensão mínima do banco de bateria (4 V). V ds - Tensão dreno-fonte do interruptor M 1 (1V). D bat_max - Razão cíclica máxima (0,7). η - Eficiência estimada do conversor (0,9). V EDs - Tensão máxima nos EDs (10 V). I EDs - Corrente nos EDs (0,7 A). f s - Frequência de chaveamento (40 khz). EDs - Indutância do enrolamento secundário do conversor Flyback (14 µh). - Tensão de condução dos diodos (0,7 V). V d O valor da indutância bat é calculada em função da relação de transformação entre EDs e bat. Este enrolamento deve ser projetado de forma a garantir que a tensão máxima da bateria mais a tensão do regulador de corrente sejam atingidas mesmo quando os EDs apresentarem sua tensão mínima (pior caso), conforme (3). (1) () bat V EDs_min V bat_max V regulator bat EDs VEDs _ min + Vd V + V + V bat_max regulator d (3) - Indutância do enrolamento terciário do conversor Flyback (55 µh). - Tensão mínima nos EDs (90,6 V). - Tensão máxima no banco de baterias (50 V). - Tensão mínima no regulador de corrente (3 V). Após especificar o indutor do conversor Flyback, é possível projetar os demais componentes da topologia empregada para PFC. Neste caso o conversor Buck-Boost foi escolhido visando à redução do valor do capacitor de barramento, porém, outras topologias poderiam ser empregadas para PFC sem a necessidade de alterar o projeto do conversor Flyback. A redução do valor do capacitor de barramento para evitar o uso de capacitores eletrolíticos é uma tendência em projetos de circuitos eletrônicos para acionamento de EDs, já que a vida útil deste tipo de capacitor é inferior aos demais componentes do circuito. Entretanto, capacitâncias baixas aumentam a ondulação da tensão. Baixos valores de tensão na entrada do conversor Flyback resultam em sobrecorrente no interruptor, assim como tensões elevadas no barramento resultam em sobretensão no interruptor. Portanto, a metodologia de projeto proposta auxilia na especificação dos componentes do circuito através de ábacos, fornecendo todos os parâmetros necessários para o projeto e análise do conversor como ondulação da tensão no barramento, tensão e corrente no interruptor compartilhado, razão cíclica de operação e indutância do conversor Buck-Boost, em função da tensão de barramento e do valor da capacitância. A indutância do conversor empregado como PFC pode ser obtida através de uma relação entre a tensão de pico da rede, a tensão de barramento e a indutância P do conversor Flyback integrado [0]. Então, conhecendo o valor de P e da tensão de pico da rede é possível obter o valor do indutor do conversor Buck-Boost ( BB ) em função da tensão de barramento, conforme (4). V in_pk V BB ( V ) ( Vin_pk Vds) V - Tensão de pico da rede (311 V). - Tensão de barramento. Em [1] é apresentada uma metodologia de projeto para o capacitor de barramento em conversores integrados. Este método considera que a carga do capacitor é feita através da (4)

4 corrente fornecida pelo indutor do Buck-Boost e sua descarga através da corrente fornecida ao primário do conversor Flyback. Entretanto, esta equação pode ser simplificada para o conversor Buck-Boost e, através dela, a tensão de pico a pico no barramento ( V ) pode ser calculada em função do valor do capacitor conforme (5). Com a ondulação da tensão de barramento e seu valor médio (V ) é possível calcular a tensão mínima (V min ) e máxima (V max ) no barramento e, assim, projetar os demais componentes do circuito. Ids( V,C,t) ( in _ pk ( ω) ) V sen D max Vmin D (9) + max bb f s p f s ( ) V V,C V + V (10) ds in _ pk max ( ) V V,C ( VEDs IEDs) + ( Vbat _ max I bat) π f C V η (5) V max - Tensão máxima no barramento. I bat f - Corrente de carga da bateria (0,83 A). - Frequência da rede elétrica (60 Hz). O conversor Buck-Boost é projetado para operar em DCM. Portanto, a razão cíclica máxima para este conversor é dada por (6). Para o conversor Flyback operar em DCM também há um limite para a razão cíclica, que é determinada em função dos enrolamentos P e EDs conforme (7). Como a topologia utiliza apenas um interruptor, a razão cíclica máxima de operação (D max ) deve ser inferior a estes limites. Além disso, D max deve ser obtida de forma a manter a potência de saída do conversor Flyback quando o circuito é alimentado pela rede e utilizando o mesmo enrolamento P projetado anteriormente, conforme (8). D V,C ( ) max_ PFC ( ) D V,C max_ Flyback Dmax( V,C ) V min D max min V in_ pk V + V P V EDs V + V EDs min P EDs ds (6) (7) P f s (VEDs I EDs ) + (Vbat _ max I bat ) (8) (V V ) η - Tensão mínima no barramento. - Razão cíclica máxima de operação. A integração de conversores resulta em sobretensão ou sobrecorrente no interruptor compartilhado. No caso do conversor Buck-Boost integrado ao conversor Flyback, a corrente no interruptor é a soma da corrente do indutor do Buck-Boost com a corrente no primário do Flyback, e seu valor instantâneo pode ser obtido por (9). Com esta expressão, é possível obter o valor de pico da corrente no interruptor, considerando o instante onde a tensão da rede é máxima (ωπ/), bem como o seu valor eficaz. A tensão máxima no interruptor é a tensão de pico da rede somada à tensão de barramento, e pode ser calculada por (10). A partir destas equações, é possível obter os parâmetros da topologia em função da tensão do barramento e do capacitor empregado, como mostra a Fig.. O valor da indutância do conversor Buck-Boost depende apenas do valor de P e da tensão de barramento, por isso, a indutância não varia conforme o valor do capacitor de barramento é alterado, como mostrado na Fig.. Também é possível perceber que a ondulação da tensão no barramento torna-se estável para capacitâncias acima de 50µF. Por isso, o uso de capacitâncias maiores que este valor não representa uma melhoria significativa na ondulação de tensão. Com os valores de razão cíclica máxima determina-se um limite mínimo de capacitância para cada tensão de barramento. O valor de D max é obtido de forma a garantir a operação no modo de condução descontínua tanto para o conversor Buck-Boost quanto para o conversor Flyback, assim como garantir a potência nominal de saída. A partir deste ponto, os demais parâmetros da topologia podem ser obtidos apenas para os possíveis valores de capacitores. Capacitâncias menores provocam o aumento da ondulação de tensão, o qual resulta tanto em correntes quanto tensões elevadas no interruptor. Então, aumentar o valor do capacitor pode ser uma alternativa para reduzir a tensão e corrente no interruptor. Porém, acima de um determinado valor de capacitância, essa redução de tensão e corrente não é significativa. Contudo, para tensões de barramento maiores percebe-se um aumento na tensão aplicada ao interruptor, no entanto as correntes de pico e eficaz no interruptor são menores. Por isso, a metodologia de projeto proposta evita o sobredimensionamento do capacitor e auxilia na escolha do interruptor e demais parâmetros da topologia de forma rápida. Para comprovar esta metodologia de projeto e analisar a topologia proposta, um protótipo foi implementado utilizando os valores mostrados na Fig. 1. Com o objetivo de evitar o uso de capacitores eletrolíticos e ainda utilizar valores comerciais, de baixo custo e volume, foi escolhida uma capacitância de 0µF. No protótipo, este valor foi obtido com a associação de três capacitores de 6,8 µf (50 V) conectados em paralelo. Para atender ao limite de tensão dos capacitores especificados, foi definida uma tensão de barramento de 00V. Através da Fig. percebe-se que a tensão máxima no interruptor é de 550V e sua corrente eficaz é inferior a 5 A. Portanto, o interruptor SPW17N80C (800V, 17A, 0,9Ω) foi empregado por apresentar baixa resistência de condução.

5 IV. RESUTADOS EXPERIMENTAIS A. Conversor Alimentado pela Rede Elétrica As formas de onda da tensão e corrente nos EDs para o circuito alimentado pela rede elétrica são mostradas na Fig. 3. A corrente média nos EDs é mantida em 708 ma e sua potência é de aproximadamente 64,7 W. As formas de onda da tensão e corrente na bateria durante a carga são mostradas na Fig. 4. A corrente de carga da bateria é mantida constante em 816 ma e sua potência é de aproximadamente 37 W. Para analisar o estágio de correção do fator de potência, as formas de onda da tensão e corrente de entrada do circuito são mostradas na Fig. 5. Para a tensão de entrada nominal de 0 V, a corrente eficaz é de 576 ma e a potência medida é de 17 W. Considerando que a potência de saída do conversor é a potência dos EDs mais a potência de carga da bateria, o valor total da potência de saída é 101,7 W. Então, o rendimento da topologia é de 80 %. Através desta figura, é possível perceber que a corrente de entrada é senoidal. Portanto, o fator de potência calculado é 0,99. As amplitudes de cada harmônica da corrente de entrada foram analisadas e a topologia atende a norma IEC A tensão e corrente no interruptor são mostradas na Fig. 6. A corrente de pico no interruptor é de 16, A, e seu valor eficaz é de aproximadamente 4 A. A tensão de bloqueio no interruptor é de 540 V, com um valor de pico no instante de comutação de 630 V, pois neste circuito não foi empregado circuitos amortecedores (snubber). V EDs I EDs Figura 3 Forma de onda da tensão e corrente nos EDs. V bat I bat Figura 4 Forma de onda da tensão e corrente na bateria durante a carga. Figura. Ábacos com os parâmetros da topologia representados em função do capacitor de barramento e da tensão de barramento.

6 V in I in I bb Figura 5 Forma de onda da tensão e corrente de entrada para o circuito alimentado pela rede elétrica. Figura 6 Forma de onda da tensão e corrente no interruptor. V ds A tensão de saída do conversor Buck-Boost (tensão de barramento), é mostrada na Fig. 7. O valor médio da tensão é de 199 V e a ondulação da tensão é de 80 V, o que representa 40 % do seu valor médio, confirmando a metodologia de projeto para o valor do capacitor. Este é o valor da tensão aplicada ao enrolamento primário do conversor Flyback. O conversor Buck-Boost é projetado para operar no modo de condução descontínuo e, por isso, a corrente no seu indutor ( BB ) deve reduzir a zero a cada período de comutação, como mostra a Fig. 8. I ds Figura 8 Forma de onda da corrente no indutor do conversor Buck-Boost. B. Conversor Alimentado pelas Baterias Para analisar o funcionamento do circuito alimentado pelas baterias, a Fig. 9 mostra as formas de onda da tensão e corrente nos EDs nesta etapa de operação. A corrente apresenta uma pequena ondulação em alta frequência, porém seu valor médio é de 709 ma. A potência nos EDs é de 65W. A Fig. 10 mostra a forma de onda da tensão e corrente de entrada do circuito. A tensão do banco de baterias é 48,7 V e a corrente média é 1,47 A. A corrente média de entrada para esta etapa de operação tem o mesmo valor da corrente média do enrolamento primário do conversor Flyback e do interruptor, porém, ela não tem a forma triangular devido ao capacitor de barramento que está conectado em paralelo com a bateria. O valor da potência de entrada do circuito é 71,4 W. Portanto, o rendimento é de aproximadamente 91 %. A corrente no interruptor possui um valor de pico próximo a 5 A e um valor eficaz de,03 A, como mostra a Fig. 11. A tensão de bloqueio no interruptor é aproximadamente 150 V e seu valor de pico devido à indutância de dispersão do indutor do conversor Flyback é de 3 V. V V EDs I EDs Figura 7 Forma de onda da tensão no capacitor de barramento. Figura 9 Forma de onda da tensão e corrente nos EDs para o circuito alimentado pelas baterias.

7 Figura 10 Forma de onda da tensão e corrente de entrada para o circuito alimentado através das baterias. Figura 11 Forma de onda da tensão e corrente no interruptor para o circuito alimentado pelas baterias. V. CONCUSÃO A topologia proposta permite a alimentação de EDs com corrente constante através da bateria ou através da rede elétrica mantendo alto fator de potência (0,99) e atendendo a norma IEC Classe C. A mesma topologia também é empregada para carregar a bateria através da rede elétrica. A metodologia de projeto proposta auxilia na especificação do interruptor compartilhado visando à redução do valor do capacitor de barramento. O conversor Flyback é projetado priorizando a alimentação pela bateria (pior caso) proporcionando alta eficiência para o circuito neste modo de operação (91 %). Os resultados experimentais mostram que a topologia pode operar com um capacitor de barramento de apenas 0 µf e que a tensão e corrente no interruptor estão dentro dos limites de valores mostrados nos ábacos, assim como a ondulação de tensão no capacitor de barramento. Este mesmo circuito, também pode ser utilizado como iluminação de emergência, acionando os EDs pela bateria caso houver algum problema no fornecimento de energia pela rede. Esta aplicação aumenta a confiabilidade do sistema de iluminação. REFERÊNCIAS V bat [1] M. A. Dalla Costa, G. H. Costa, A. S. dos Santos,. Schuch, J. R. Pinheiro, A High Efficiency Autonomous Street ighting System Based on Solar Energy and EDs, Power Electronics Conference, 009, pp [] EETROBRÁS PROCE, Manual do Pré-Diagnóstico Energético - Autodiagnóstico na Área de Prédios Públicos, Rio de Janeiro, Dezembro de 010. I bat V ds I ds [3] R. A. 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