PLATAFORMA DIDÁTICA PARA O ENSINO DA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

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1 PLAAFORMA DIDÁICA PARA O ENSINO DA ELERÔNICA DE POÊNCIA Fernando Soares dos Reis - f.dosreis@ieee.org A. Gross R. onkoski, L. W. Rodrigues J. C. M. Lima V. M. Canalli Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Faculdade de Engenharia - Departamento de Engenharia Elétrica CEP - - Avenida Ipiranga, Porto Alegre RS Brasil Resumo O objetivo principal deste trabalho é o de relatar e transferir a comunidade os resultados obtidos em uma experiência de sucesso no ensino da Eletrônica de Potência ocorrida na Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul - PUCRS. Utilizando-se de componentes de baixo custo e criatividade foi possível o desenvolvimento de uma plataforma didática para o estudo dos circuitos inversores e das diferentes técnicas de modulação, a um custo verdadeiramente baixo. Palavras-chave: Eletrônica de Potência, Ensino, Inversores, kits didáticos.

2 . Introdução Graças ao esforço desinteressado dos principais centros de excelência em Eletrônica de Potência, esta área experimentou um significativo crescimento a nível nacional. Hoje o ensino desta ciência é feito na maioria das instituições por docentes altamente qualificados cujos trabalhos são reconhecidos a nível nacional e internacional. Porém, na maioria dos casos estes mesmos docentes não dispõem de tempo para o desenvolvimento de experimentos didáticos. Assim, o objetivo principal deste trabalho é a transferência de tecnologia para a confecção de KIS DIDÁICOS voltados para o ensino da Eletrônica de Potência, busca-se propiciar com estes, uma ampla variedade de experimentos ao estudante de graduação e pós-graduação. Os diferentes módulos desenvolvidos neste projeto permitem ao estudante ter uma experiência prática, em laboratório, dos seguintes conteúdos: Estruturas Inversoras: Inversor Push-Pull; Inversor Meia-Ponte; Inversor em Ponte Completa; Estruturas Chopper: Operando em quatro quadrantes; écnicas de Modulação PWM: Modulador PWM a dois níveis; Modulador PWM a três níveis; Modulador por deslocamento de fase; Modulador PWM senoidal; Circuito de Driver Com ajuste de tempo morto; Proteção contra curto circuito do braço do inversor; Acionamento para o Motor CC ( quadrantes) Gerador do Sinal de Referência: Nível de tensão continuo ajustável (+/-); Circuito Modulador: Modulador PWM a dois níveis; Modulador PWM a três níveis; Circuito de Driver Com ajuste de tempo morto; Proteção contra curto circuito do braço do inversor; Circuito Inversor: Inversor em Ponte Completa; ratam-se de estruturas bem conhecidas, mas que fascinam o estudante quando o mesmo pode observar na prática o seu funcionamento. Os kits permitem o estudo dos diversos tipos de estruturas, utilizando diferentes tipos de cargas tais como carga resistiva, carga indutiva, máquinas CC e CA e cargas não lineares tais como retificadores. É gratificante para o estudante poder observar, na prática, o funcionamento das diversas estruturas, visualizar os diferentes sinais, tais como: sinal modulante, detetor de passagem por zero, sinal modulado e as tensões e correntes na etapa de potência. Com certeza os modernos programas de simulação de circuitos constituem uma ferramenta importantíssima para o estudo da Eletrônica de Potência, contudo estas ferramentas não substituem o contato físico com o mundo real. No sistema desenvolvido ora apresentado, procurou-se manter uma das principais vantagens dos sistemas virtuais, que no nosso entender é a segurança do usuário. Deste modo, os kits foram concebidos visando a total segurança dos estudantes, os quais muitas vezes ainda não possuem a intimidade necessária para trabalhar com sistemas energizados e com instrumentos de precisão, como por exemplo, os osciloscópios digitais. Assim, os diversos circuitos de tratamento de sinais são alimentados a partir de fontes isoladas e as etapas de potência operam com baixos níveis de tensão, reduzindo-se assim os riscos de choque elétrico e curto-circuito através do terminal de terra do osciloscópio. No decorrer deste artigo serão descritos passo a passo, os diversos módulos desenvolvidos. Este trabalho foi desenvolvido em um trabalho de conclusão de curso, com o apoio do

3 CNPq e da FAPERGS através de bolsas de iniciação científica e com a colaboração de diversos outros alunos vinculados ao Laboratório de Eletrônica de Potência da PUCRS - LEPUC. II. DESCRIÇÃO DO SISEMA DESENVOLVIDO O sistema inicialmente foi concebido para incorporar todos os circuitos necessários para implementar um Sistema de Alimentação Ininterrupta (SAI), tais como: Gerador de Onda Senoidal Hz: Oscilador a cristal estabilizado em freqüência; Filtro passa-baixa; Circuito de sincronismo: Detetor de passagem por zero; Acoplador óptico; Circuito Modulador: Modulador PWM a dois níveis; Modulador PWM a três níveis; Circuito de Driver Com ajuste de tempo morto; Proteção contra curto circuito do braço do inversor; Circuito Inversor: Inversor Push-Pull; Inversor Meia-Ponte; Inversor em Ponte Completa; Filtros: Gerador de onda senoidal. Os sistemas SAI comerciais necessitam atender a especificações técnicas estritas no tocante a distorção harmônica e estabilidade em freqüência. A estabilidade em freqüência pode ser obtida utilizando-se osciladores a cristal. Neste projeto utilizou-se uma base de tempo com cristal de MHz a partir da qual obteve-se a freqüência de Hz dividido-se o sinal de saída do oscilador por. A figura representa este circuito. SINC. CI:A RS CLK CI: Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q CI:D CI:A CI:C CI:B XAL CI:D CI:E SINC. MHz R R +V k k CI:A CI:A C nf CI:B CI:C CI:B S J K Q R CLK Q S J K Q R CLK Q Hz Figura. Oscilador de Hz. GND Na saída do circuito representado na figura tem-se uma onda quadrada. endo em vista as restrições já citadas, se faz necessária a sua filtragem, para total eliminação dos seus componentes harmônicos. Optou-se pela implementação de dois filtros passa-banda (Sallen-Key) em cascata obtendo-se uma onda senoidal de Hz. A estrutura de um dos filtros utilizados esta representada na figura.

4 R +Vi R C + +Vo - R R C R Figura. Filtro Sallen-Key utilizado. Circuito de sincronismo. O objetivo deste circuito é fazer com que a onda senoidal gerada no bloco anterior esteja sincronizada com a rede elétrica comercial. rata-se de um detetor de passagem por zero modificado a fim de considerar apenas o semiciclo positivo da rede. Optou-se pela utilização de um optoacoplador para evitar o uso de retificadores de precisão necessários devido ao efeito da significatica queda de tensão nas junções dos diodos detetores de passagem por zero em sistemas de baixa tensão e para apresentar ao estudante mais esta forma de solução para o problema. O circuito utilizado é apresentado na figura. +V U IL N D D N R K/W R F A AC V SINC. C Q BC K/W,nF R R R R k k.k K Figura. Detetor de Zero da Rede. Circuito Modulador. O circuito modulador PWM baseia-se na comparação de uma onda do tipo triangular ou dente de serra (portadora) e o sinal que se quer modular (modulante). Optou-se por utilizar um gerador de onda triangular, para reduzir o conteúdo harmônico do sinal de potência, no caso de se utilizar um sinal modulante senoidal. No presente projeto o gerador de onda triangular foi baseado no CI LM, associado a este um amplificador para adaptação de níveis. O circuito modulador é capaz de implementar modulação em dois e três níveis os circuitos comparadores que integram este bloco foram implementados a partir do CI LM, a inversão do sinal modulante necessária para modulação em três níveis foi implementada com um AMPOP na configuração inversora. O gerador de onda triangular pode ser visto na figura e o circuito comparador na figura.

5 R k +V riangular Wave +V R R k C n R k + - -V CI CA N D D C,n CI LM R k R PO k N R k PO k R R k -V k Figura. Gerador de Onda riangular. +V +V IN Senoidal CHA IN riangular R k +V R R k k - CI:A + LM -V R k D Q k R A R k R + - CI CA R k +V k PO k CHB R k + - CI:D LM R k D Q R k B Figura. Circuito Modulador PWM. Circuito de Driver. A função principal deste circuito é a de ser uma interface entre os dispositivos de potência (MOSFEs) e os sinais disponíveis na saída do circuito modulador. O circuito de potência básico utilizado no presente trabalho esta constituído por um circuito em meia ponte o qual como se sabe apresenta o inconveniente de ter um transistor flutuando para comandar este dispositivo basicamente existem duas soluções: utilizar um drive isolado com transformador de pulso ou uma

6 solução integrada optamos por esta última. O circuito proposto incorpora tempo morto variável e proteção de curto-circuito no braço. A solução desenvolvida se encontra representada na figura. J X Dead ime R k UA CDB UB CDB Driver J R k Y J R k D C p UD CDB C n UC CDB C n D UF A C n U LO. COMVSS VCC LIN. SD VS HIN VB VDD HO. X Y C n J J N C p IR Figura. Circuito Driver. Circuito Inversor. Desde a concepção inicial deste projeto, adotou-se como princípio a construção de experimentos versáteis a um baixo custo. A idéia inicial foi a de desenvolver um único módulo que permitisse ao estudante uma vivência prática com a grande maioria das estruturas inversoras. Um circuito que incorpora estas funções para o estudo dos inversores está representado na figura, o qual topologicamente nada mais é que um circuito em ponte completa, implementado a partir de MOSFEs (IRFP-). IRFP L R Vdc IRFP IRFP IRFP Figura. Circuito Inversor em Ponte Filtros. O sinal de potência deve necessariamente ser filtrado devido as características intrínsecas da modulação PWM. O filtro proposto é do tipo LC conforme se pode observar na figura. L C Figura. Filtro LC. O sistema foi montado sobre uma base de madeira a qual conferi ao equipamento a rigidez necessária para a sua utilização em um laboratório de ensino. Devido ao elevado nível de interferências gerado pela etapa de potência o inversor apresentava instabilidade no seu funcionamento. A solução encontrada para este problema foi composta pelo revestimento da base de madeira por uma chapa galvanizada, pela redução geral do cabeamento e por um novo layout do sistema sob a referida base. Uma visão geral do sistema implementado é apresentada na figura.

7 Figura. Sistema Implementado. III. RESULADOS EXPERIMENAIS Para validar o funcionamento dos kits didáticos, foram implementados experimental-mente, um inversor senoidal utilizando a modulação a dois níveis e um inversor senoidal utilizando a modulação a três. Para estes dois experimentos obtiveram-se as formas de onda da tensão na carga antes e após o filtro LC. A distorção harmonica da tensão de saída para a versão em três niveis também foi obtida. Estes sinais encontram-se representados nas figuras à respectivamente. > > ) Ch : Volt ms ) Ch : Volt ms Figura. ensão de Saída após o filtro LC e o respectivo sinal PWM de potência. ( níveis) Como pode-se observar, os resultados obtidos experimentalmente aproximam-se em muito, dos resultados teóricos descritos na bibliografia, como por exemplo, os encontrados em Barbi [], Rashid [] e em Kassakian []. Esta aproximação entre os resultados teóricos e práticos ocorreu graças ao superdimensionamento dos dispositivos semicondutores. Este superdimensionamento trouxe também como benefício, o aumento da vida útil dos kits descritos neste trabalho.

8 > > ) Ch : Volt ms ) Ch : Volt ms Figura. ensão de Saída após o filtro LC e o respectivo sinal PWM de potência. ( níveis).%.%.%.%.%.%.%.%.%.%.% Figura. Conteúdo harmônico da tensão de saída após filtro LC. ( níveis) IV AGRADECIMENOS Os autores agradecem o apoio do CNPq dado este trabalho sob a forma de uma bolsa de IC do programa PIBIC e a Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul - PUCRS pelo aporte econômico que viabilizou esta iniciativa. V. CONCLUSÃO Neste artigo um conjunto de kits didáticos voltados para o ensino da eletrônica de potência básica foram descritos. Este trabalho esta inserido no contexto de uma sólida proposta pedagógica para o ensino da Eletrônica de Potência calcada no binômio teórico-prático, notadamente no campo dos inversores e acionadores de corrente continua. Além de permitir aos estudantes a implementação de diversos experimentos, os kits didáticos possibilitam também ao estudante uma maior familiarização com as topologias clássicas de inversores existentes. Como vantagens adicionais pode-se citar a grande economia obtida em relação aos kits educacionais disponíveis no mercado, a versatilidade, a facilidade de utilização e a possibilidade de empregar todos os tipos de carga, como por exemplo, cargas puramente resistivas, cargas RL, máquinas CC e cargas não lineares.

9 O sistema que agora se apresenta esta inserido em uma proposta mais ampla iniciada com a elaboração de kits para o estudo dos circuitos retificadores apresentado em []. Após a implantação dos kits, observou-se expressiva melhoria do processo de ensino-aprendizado, obtendo-se elevados índices de aprovação, o que não ocorria quando a disciplina era apresentada da forma tradicional e dispunha apenas de ferramentas de simulação. Na PUCRS o ensino de eletrônica de potência é abordado atualmente em duas disciplinas. A primeira de cunho teórico chamada Eletrônica de Potência tem duração de horas. Nesta disciplina adota-se como texto básico o conhecido livro do prof. Ivo Barbi []. A segunda disciplina oferecida denomina-se Laboratório de Eletrônica de Potência cuja finalidade é desenvolver experimentalmente os conteúdos teóricos já abordados na disciplina de Eletrônica de Potência, tendo uma carga horária de horas. A partir do segundo semestre de pretende-se potencializar a utilização do presente sistema na disciplina de Laboratório de Eletrônica de Potência possibilitando desta forma uma abordagem teóricoprática destes importantes conteúdos. Gostaríamos de salientar a importância da divulgação deste tipo de trabalho, que aborda aspectos pedagógicos e que está preocupado com a formação de uma nova metodologia de ensino dos cursos de eletrônica de potência. Cabe ressaltar que o trabalho aqui apresentado se enquadra em uma primeira etapa de um projeto mais ambicioso no qual se buscará desenvolver kits que atendam ao ensino da Eletrônica de Potência na forma mais ampla possível. Finalmente encoraja-se os colegas a trilhar caminhos como este na busca da excelência acadêmica. Devido aos bons resultados obtidos nesta experiência pensa-se em dar continuidade a este tipo de desenvolvimento em cursos mais avançados de Eletrônica de Potência. VI. REFERÊNCIAS [] Barbi, Ivo and Denizar Cruz Martins. Eletrônica de Potência II e Princípio de Acionamento Elétrico volume I. Florianopolis - UFSC. [] M. H. Rashid, Power Electronics - circuits, devices and applications, Prentice-Hall Inc.,. [] Kassakian, J. G., Schlecht M. F. e Verghese G. C. - Principles of Power Electronics - Adison- Wesley Publishing Company - Cambridge, MA - [] Barbi, Ivo - Eletrônica de Potência, Edição do Autor - Florianópolis -. patricia@inep.ufsc.br [] F. S. Dos Reis, R. M. Susin, J. C. M. Lima, M. Canalli, "Laboratório de Ensino da Eletrônica de Potência - Uma Experiência Construída Para e Pelos Estudantes", V Congresso Brasileiro de Eletrônica de Potência - COBEP', pp -, Setembro -, em Foz do Iguaçu BRASIL.

10 J X Dead ime R k UA CDB UB CDB Driver J R k Y J R k D N C p C p UD CDB C n UC CDB C n D UF A C n U LO. COM VSS VCC LIN. SD VS HIN VB VDD HO. IR X Y C n J J

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