Controle de Conversores

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1 INSTITUTO FEDERAL DE SANTA CATARINA Departamento Acadêmico de Eletrônica Pós-Graduação em Desenvolvimento de Produtos Eletrônicos Conversores Estáticos e Fontes Chaveadas Controle de Conversores Pro. Clóvis Antônio Petry, Dr. Eng. Pro. Mauro Tavares Peraça, Dr. Eng. Florianópolis, abril de 2009.

2 Bibliograia para esta aula

3 Conteúdo desta aula Controle de conversores 1. Conversores operando em malha echada; 2. Projeto de compensadores; 3. Simulação em malha echada.

4 Diagrama de blocos de uma onte chaveada: Rede AC Filtro de Rádio- Frequência - Retiicador - Filtro - Proteções Interruptor - IGBT ou - MOSFET Transormador de Isolamento - Retiicadores - Filtros - Comando - Proteção - Fonte Auxiliar Circuitos de Controle

5 Conversor Buck Controle de conversores

6 Objetivos das malhas de controle garantir a precisão no ajuste da variável de saída; rápida correção de eventuais desvios provenientes de transitórios na alimentação ou mudanças na carga.

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8 Sistema Realimentado Controle de conversores

9 Equação característica e unção de transerência I(s) + - (s) G(s) O(s) H(s) O(s) G(s) (s) ( s) I(s) H(s)O(s) O(s) O(s) 1 G(s) I(s) H(s)O(s) G(s)H(s) G(s)I(s) O(s) I(s) G(s) 1 G(s)H(s) F(s)

10 Equação característica e unção de transerência I(s) + - (s) G(s) O(s) O(s) I(s) G(s) 1 G(s)H(s) F(s) H(s) O(s) - grandeza de saída; I(s) - grandeza de entrada; G(s) - unção de transerência em malha aberta; G(s)H(s) - unção de transerência de laço aberto; O(s) I(s) - unção de transerência em malha echada.

11 Equação característica e unção de transerência I(s) + - (s) G(s) O(s) O(s) I(s) G(s) 1 G(s)H(s) F(s) H(s) pode-se deinir como instável o sistema cuja saída tende para ininito Equação característica 1 G( s) H( s) 0 o sistema torna-se instável quando: G( s) H( s) 1

12 Critérios de estabilidade I(s) + - (s) G(s) O(s) O(s) I(s) G(s) 1 G(s)H(s) F(s) H(s) G( s) H( s) 1 GH db 20log( G( s) H( s)) GHdB 20log( 1) GH db

13 Critérios de estabilidade FTLA G(s)H(s) Deve-se evitar: GH db Características desejadas: margem de ase entre 45 e 90 ; maior ganho possível em baixa reqüência (erro nulo); maior reqüência de corte possível (resposta rápida) (c<s/4) MF 180

14 Critérios de estabilidade FTLA

15 Critérios de estabilidade FTLA

16 Critérios de estabilidade FTLA

17 Relação entre margem de ase e ator de amortecimento

18 Projeto de compensadores garantir a estabilidade margem de ase propiciar bom ajuste da variável de saída diante de: variações de carga; variações da tensão de entrada (Ex. 120Hz); alto ganho em baixa reqüência proporcionar boa resposta a transitórios: rapidez reqüência de corte elevada sobre-tensão e oscilação margem de ase

19 Projeto de compensadores Compensador PD melhora a margem de ase Compensador PI melhora o ganho em baixa reqüência Compensador PID melhora a margem de ase melhora o ganho em baixa reqüência

20 Compensador PD melhora a margem de ase

21 Compensador PD melhora a margem de ase exemplo

22 Compensador PI melhora o ganho em baixa reqüência

23 Compensador PI melhora o ganho em baixa reqüência exemplo

24 Compensador PID melhora a margem de ase melhora o ganho em baixa reqüência

25 Exemplo de projeto Controle de conversores

26 Exemplo de projeto - planta em MA

27 Exemplo de projeto - Sem compensador Gc=1

28 Exemplo de projeto compensador PD

29 Exemplo de projeto compensador PID

30 Exemplo numérico - conversor Buck Compensador PD Vin=30V D=0,5 Po=100W Iin=3,33A =100kHz L=225μH Vout=15V 1-D=0,5 Io=6.67A Ro=2,25Ω Vserra=4V C=50μF

31 Exemplo numérico - conversor Buck - Compensador PD

32 Circuitos de compensação com AMPOP Topologia de 1 pólo R db db/dec +90 C 0 0 V0 V re Ri - + A V C V V C o Z Z i Rre Zi R i Z R / C s R 1/ C s -40 0,1 p p 10p 100 p VC () s R 1 V ( s) R (1 sc R ) o i G R R i p 1 2R C

33 Circuitos de compensação com AMPOP Topologia de 2 pólos C i Rz C V0 V re Rip R iz - + A V C Rre Z R z 1 sc Z i R ip R R iz iz / sci 1 sc i Z Z i R ip R R z iz 1/sC R iz 1 C i s 1 V V C o (s) (s) C s(r (1 R ip iz R C iz i s)(1 C R z R ) 1 C is R iz s) ip R iz R ip

34 Circuitos de compensação com AMPOP Topologia de 2 pólos C i Rz C Ganho em malha echada do compensador ideal Ganho do ampliicador operacional real em malha aberta Compensador real considerando o ampliicador operacional ideal V0 V re p1 Rip 0Hz R iz Rre p1 2C - + A V C i 1 R R iz ip R iz R ip (db) z1 = z2 p2 z2 1 2C R z z1 1 2C i R iz k 10k 100k 2 1

35 Método prático para o cálculo do controlador de um conversor Forward 1 o ) Traçar o diagrama G(s) em db; 2 o ) Escolher a topologia do controlador; (2 pólos) 3 o ) Deinir a reqüência c ; (G(s)H(s) passa por 0 db) 4 o ) Determinar o ganho de H(s) para = c; 5 o ) Situar os dois zeros de H(s) na reqüência o do iltro; 6 o ) Situar o 1 o pólo de H(s) na origem (0 Hz); 7 o ) Situar o 2 o pólo de H(s), p2 = 5o; 8 o ) Calcular H1 e H2 empregando o procedimento descrito a seguir (Fig. 8.23); 9 o ) Calcular os valores dos resistores e capacitores do circuito. c s /4 H p2 c 2 A 20log 20log A2 H1 A 20log 20log A1 c 0

36 db 30 Método prático para o cálculo do controlador de um conversor Forward G(s) db/dec -20 db/dec +20 db/dec +1 A H 2 (H ) 2 H c s /4 c 1 A 20log 20log A H p2 2 A 20log 20log A2 c -30 p1 0,1 c 0 c p2 10 0

37 Método prático para o cálculo do controlador de um conversor Forward Vout = 12V Vin = 60V Pout = 240W s = 40kHz R1 = 6 a 0,6 C = 4000F RSE = 25m L = 60H VS = 5,0V Ganho em baixa reqüências: G db ( ) ( ) V in G G 12 Vs G db 20 log( G) G db Freqüências de transição: G ase ( ) L C 1 z z C RSE ( )

38 Método prático para o cálculo do controlador de um conversor Forward Vout = 12V Vin = 60V Pout = 240W s = 40kHz R1 = 6 a 0,6 C = 4000F RSE = 25m L = 60H VS = 5,0V Determinação dos zeros do compensador: z1 0 z z2 0 z Determinação dos pó los do compensador: p1 0 p1 0 H db ( ) H ase ( ) ( ) p2 5 0 p ( )

39 Método prático para o cálculo do controlador de um conversor Forward Vout = 12V Vin = 60V Pout = 240W s = 40kHz R1 = 6 a 0,6 C = 4000F RSE = 25m L = 60H VS = 5,0V GH db ( ) ( ) 0 50 GH ase ( ) ( )

40 Método prático para o cálculo do controlador de um conversor Forward Vout = 12V Vin = 60V Pout = 240W s = 40kHz R1 = 6 a 0,6 C = 4000F RSE = 25m L = 60H VS = 5,0V Vo Time (ms)

41 Método prático para o cálculo do controlador de um conversor Forward Ondulação de 120Hz na saída rente a 20% de ondulação na entrada Vin Vo Time (ms)

42 Modelo do conversor Flyback condução descontínua V out V out V in I1 I 2md I2 I C IR C R 2 I 2md C R 2 2 2md 2I2md P R P1 md Vin I1md V I 2md V in 2LR 2 D in I p T 2T 1 I 2md G(s) dv C dt V S V in out 2L R 2 V R out 2 1 (1 s R 2 C)

43 Modelo do conversor Flyback condução descontínua V out V out V in I1 I 2md I2 I C IR C R 2 I 2md C R 2 G (jw)db pólo -20 db/dec G(s) V S V in 2L R 2 1 (1 s R 2 C) 0 db zero p z G(s) V S V in 2L R 2 (1 s RSE C) (1 s R 2 C)

44 Controle no modo corrente conversor Push-Pull:

45 Controle no modo corrente conversor Push-Pull: Malha de corrente sem compensador 0 20 Vin=9V Vin=20V Vin=31V Vin=9V Vin=20V Vin=31V

46 Controle no modo corrente conversor Push-Pull: Malha de corrente com compensador Vin=9V Vin=20V Vin=31V Vin=9V Vin=20V Vin=31V

47 Controle no modo corrente conversor Push-Pull: Malha de tensão Vre + - Cv(s) IL(s) Ire Hv(s) Zo(s) Vo (s) 1 a Vo(s) Ko

48 Controle no modo corrente conversor Push-Pull: Malha de tensão sem compensador 50 0 Vin=9V Vin=20V Vin=31V Vin=9V Vin=20V Vin=31V

49 Controle no modo corrente conversor Push-Pull: Malha de tensão com compensador Vin=9V 50 0 Vin=20V Vin=31V Vin=9V Vin=20V Vin=31V

50 Controle no modo corrente conversor Push-Pull: Tensão de saída e corrente de entrada - transitórios 300V 250V 200V 150V 1 0 m s 1 5 m s 2 0 m s 2 5 m s 3 0 m s 3 5 m s 4 0 m s V1 (R o) Tim e

51 Controle no modo corrente conversor Push-Pull: Tensão de saída e corrente de entrada - transitórios Vin = 9V

52 Implementação prática do controle no modo corrente

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54 Próxima aula Metodologia e exemplo de projeto de onte chaveada Trazer: livro e calculadora