AVALIAÇÃO DE CONVERSORES BOOST OPERANDO EM PARALELO EMPREGANDO A TÉCNICA INTERLEAVED E CONTROLADOS DIGITALMENTE

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1 AVALIAÇÃO DE CONVERSORES BOOST OPERANDO EM PARALELO EMPREGANDO A TÉCNICA INTERLEAVED E CONTROLADOS DIGITALMENTE ANALISYS OF PARALLEL BOOST CONVERTERS THROUGH INTERLEAVED STRATEGY AND CONTROLLED DIGITALLY Robinson Nascimento Costa, Flávio Alessandro Serrão Gonçalves Campus Experimental de Sorocaba Engenharia de Controle e Automação robinson.nc@hotmail.com (PROPE/PP). RESUMO Palavras-chave: conversores boost, paralelismo de conversores de energia, FPGA. Keywords: power boost converter; parallelism of power converter, FPGA. 1. INTRODUÇÃO A modernização dos processos de controle e automação industriais refletiu na introdução de diversos processadores eletrônicos de energia elétrica, tais como, fontes chaveadas, controladores de velocidade de máquinas elétricas, equipamentos de solda e demais conversores estáticos de potência, apresentando-se como cargas não lineares ao sistema. A grande quantidade destes dispositivos presentes nos setores industrial e comercial/residencial, têm resultado no aumento significativo do nível de distorção harmônica de correntes e tensões nas redes de distribuição de energia elétrica. A coletânea de efeitos indesejados e transtornos causados pela operação destas cargas não-lineares em conjunto com as restrições de operação impostas pelas normas internacionais concretizam um problema, uma solução possível seria a inserção de um dispositivo que proporcione a interface adequada de processamento de energia entre o equipamento eletro-eletrônico e a rede elétrica. O dispositivo deve garantir que a corrente drenada possua uma forma de onda com envoltória senoidal, e em fase com a tensão na rede elétrica, atendendo, portanto as restrições impostas pelas normas internacionais. Apesar de existirem diversas topologias de conversores chaveados que poderiam ser utilizadas como tais dispositivos, especificamente na composição de pré-reguladores, a topologia mais largamente utilizada em aplicações industriais é a topologia do conversor elevador Boost. Adicionalmente, uma estratégia muito interessante para o aumento de potência das estruturas é o emprego de arquiteturas celulares de conversores chaveados operando de maneira paralela. Dentre as metodologias existentes, a estratégia de entrelaçamento ( interleaved ) se destaca, pois possibilita a redução da ondulação e do valor de pico da corrente de entrada de cada célula sem prejudicar o desempenho global do conversor. Basicamente a técnica do entrelaçamento consiste na associação de conversores em paralelo para o aumento da potência processada, onde a freqüência de chaveamento é a mesma em todas as células, mas os pulsos de controle são defasados em frações iguais do período de chaveamento. Por outro lado, as metodologias de controle digital baseadas em dispositivos lógicos programáveis, como os FPGAs, podem fazer uso das técnicas modernas de projetos digitais, onde o emprego de uma linguagem de descrição de hardware, como VHDL (VHSIC Hardware Description Language), permite a descrição de sistemas digitais utilizando seus modelos comportamentais. Neste contexto, este trabalho apresenta a avaliação da operação de conversores Boost, considerando técnicas de arquitetura de conversores celulares (interleaving). A estratégia de controle digital implementada está baseada nos recursos disponíveis em dispositivos lógicos programáveis do tipo FPGA.

2 2. OBJETIVOS Considerando a operação de duas células de potências compostas por conversores boost dispostas em uma associação do tipo paralela, o objetivo principal consiste na avaliação da influência da operação sincronizada, através da adoção de um ângulo de fase de operação, na ondulação da forma de onda da corrente drenada da fonte de energia, através de simulações computacionais. 3. MATERIAL E MÉTODOS Os materiais utilizados neste trabalho foram: Conversor composto por uma arquitetura celular de duas células de potência de conversores do tipo Boost com comutação dissipativa para 1kW; Software MATLAB; Toolbox de Sistemas de Energia SimPowerSystems; Versão Evaluation do Toolbox Xilinx SystemGenerator; O método proposto para avaliação foi a utilização simulações computacionais contemplando a operação do conversor proposto nos moldes descritos da operação paralela e em diferentes ângulos de fase de operação. O software escolhido para a realização da simulação computacional foi o MATLAB/Simulink em conjunto com os Toolboxes SimPowerSystems para o circuito de potência e Xilinx System Generator para descrição do controle digital. À partir dos resultados obtidos serão avaliadas as ondulações presentes na forma de onda da corrente drenada da fonte de alimentação. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO O sistema proposto, ilustrado na Figura 1, consiste de um conversor de 1kW composto por duas células boost em associação do tipo paralela, operando no modo de condução crítica, e controlado através de um recursos lógicos disponíveis em dispositivos lógicos programáveis FPGA (Field Programmable Gate Array). A Tabela 1 mostra os dados utilizados para a configuração da simulação. (b) Circuito esquemático de uma célula de (a) Conversor composto por duas células boost potência boost Fig. 01: Figura contendo o diagrama esquemático da arquitetura celular avaliada. Tabela 1 Parâmetros de configuração do circuito esquemático. Fonte CC Célula Boost Carga Vin= 220V Lin=470 H Vo=400V RLin=20m Ro=160 Fonte CA Filtro Carga P o = W Vin[rms]= 220V Co=440 F

3 As Figuras 2 e 3 apresentam as formas de onda das correntes através dos indutores de entrada de cada célula de potência e da corrente de entrada drenada da fonte de alimentação para diferentes configurações de ângulo de fase de operação. (a) 180º (b) 90º Fig. 02: Figura das formas de onda das correntes através dos indutores de entrada de cada célula de potência e da corrente de entrada drenada da fonte de alimentação para um ângulo de fase de operação igual a 180º e 90º. (a) 45º (b) 0º Fig. 03: Figura das formas de onda das correntes através dos indutores de entrada de cada célula de potência e da corrente de entrada drenada da fonte de alimentação para um ângulo de fase de operação igual a 45º e 0º. A Tabela 2 apresenta a coletânea dos resultados obtidos nas simulações para a ondulação presente na forma de onda da corrente de entrada em função da variação do ângulo de fase de operação entre as células de potência. A partir dos dados apresentados na Tabela 2 é possível concluir que quando o ângulo da fase de operação é igual a 180º, ou seja, 360º dividido pelo número de células de potência em paralelo operando através da técnica interleaved, a ondulação da forma de onda da corrente apresenta seu menor valor de ondulação. À medida que o ângulo de fase de operação se distancia do valor ótimo (180º) o valor da ondulação apresentada pela forma de onda da corrente vai se tornando cada vez maior até alcançar o seu valor máximo quando ocorre a operação sincronizada, onde o ângulo de fase de operação é nulo. Tabela 2 Resultados obtidos para a forma de onda da corrente de entrada em função da variação do ângulo de fase de operação entre as células de potência.

4 Ângulo de fase Ondulação Total Iin Iin máximo Iin mínimo 180º (1) 0,51A 3,33A 2,82A 90º (2) 3,25A 4,64A 1,39A 45º (3) 4.72A 5,59A 0,57A 0º 6,01A 6,01A 0,0A A Figura 6 mostra o diagrama de blocos da estratégia de controle proposta para o acionamento das células de potência no modo de condução crítica. Em função da operação com frequência variável demandada pelo modo de condução crítica, a determinação das divisões dos períodos de fase são funções do ponto de operação instantâneo do conversor global e portanto devem ser determinadas a cada período de chaveamento. A estratégia foi idealizada utilizando lógicas disponíveis em dispositivos lógicos programáveis, e contemplando o controle de fase de operação, o que torna sua implementação prática diretamente exeqüível. Especificamente, o controle de fase de operação está baseado na existência de contadores sincronizados e na operação de deslocamento da palavra binária para obtenção das divisões dos períodos de ângulo de fase em 180º, 90º e 45º. Fig. 06: Diagrama de blocos da estratégia de controle para o acionamento das células de potência considerando a técnica de entrelaçamento e a operação no modo de condução crítica. 5.CONCLUSÕES O trabalho abordou a análise da ondulação da forma de onda da corrente drenada da fonte de alimentação na operação de células de conversores de potência do tipo Boost em associação do tipo paralela. As células dos conversores Boost operam no modo de condução crítica, levando a freqüência de chaveamento a ser variável em função do ponto de operação da estrutura global. Através dos resultados de simulação apresentados foi possível constatar que a ondulação da forma de onda da corrente drenada da fonte de alimentação depende do ângulo de fase de sincronismo de operação das células de potência. A menor ondulação ocorre quando as células de potência têm sua operação sincronizada através do ângulo de fase correspondente a 360º dividido pelo número de células de potência empregadas, especificamente no caso analisado igual a 180º.

5 6.REFERÊNCIAS IEEE Task Force, Effects of Harmonics on Equipments, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 8, no. 2, pp , April K. D. A. MUNASINGHE, S. G. ABEYRATNE. Power Quality And Harmonic Loads. In: FIRST INTERNATIONAL CONFERENCE ON INDUSTRIAL AND INFORMATION SYSTEMS, Proceedings 2006, pp B. A. MIWA, D. M. OTTEN, M. F. SCHLECHT. High Efficiency Power Factor Correction Using Interleaving Techniques. In: APPLIED POWER ELECTRONICS CONFERENCE AND EXPOSITION, Proceedings 1992, pp C. H. CHAN, M. H. PONG. Interleaved boost power factor corrector operating in discontinuous-inductor-current mode. In: POWER CONVERSION CONFERENCE, 1997, Nagaoka. Proceedings... Nagaoka, 1997, pp APOIO FINANCEIRO OS AUTORES GOSTARIAM DE AGRADECER A PRÓ REITORIA DE PESQUISA-PROPE PELO APOIO FINANCEIRO FORNECIDO ATRAVÉS DO EDITAL PRIMEIROS PROJETOS PARA A REALIZAÇÃO DO PROJETO.