PROJETO DE UM CONVERSOR CC / CA COM SAÍDA DE TENSÃO SENOIDAL MICROCONTROLADO

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1 PROJEO DE UM CONVERSOR CC / CA COM SAÍDA DE ENSÃO SENOIDAL MICROCONROLADO SEREDNICKI, Persio Farah Estudante de Engenharia Elétrica: UFPR Universidade ecnológica Federal do Paraná Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR el. (41) persiofs@hotmail.com PAULO, Ricardo Paes Estudante de Engenharia Elétrica: UFPR Universidade ecnológica Federal do Paraná Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR el. (41) ricardocta@gmail.com DOS SANOS, Walter Meneghette Estudante de Engenharia Elétrica: UFPR Universidade ecnológica Federal do Paraná Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR el. (41) wmeneghette@brturbo.com.br ROMANELI, Eduardo Félix Ribeiro Professor Doutor Engenheiro Eletricista: UFPR Universidade ecnológica Federal do Paraná Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR el. (41) eduardo.romaneli@gmail.com GULES, Roger Professor Doutor Engenheiro Eletricista: UFPR Universidade ecnológica Federal do Paraná Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR el. (41) rgules@gmail.com RESUMO O presente tem como escopo o projeto de um conversor CC / CA com saída de tensão senoidal com baixo nível de distorção harmônica utilizando controle digital, este realizado por um DSC. Este conversor é utilizado em sistemas UPS (Uninterruptible Power Supplies) que exijam alta qualidade de energia. Palavras-chave: Conversor CC-CA, DSP dspic30f3010, controle digital, DH, filtro LC. 1 Introdução Nos dias atuais não se tem uma definição padrão para a qualidade de energia elétrica. Relacionado com tal qualidade aparecem certos parâmetros a serem considerados, tais como a disponibilidade da fonte de energia elétrica, sua forma de instalação, a sensibilidade dos equipamentos por ela alimentados, as interferências sofridas, dentre vários outros (ALDABÓ, 2001). Quando o objetivo é a máxima qualidade da energia, o ponto a ser observado é principalmente a erradicação ou minimização destes problemas. A energia elétrica comercial pode, ocasionalmente, ser fornecida com instabilidades, oscilações, surtos e transientes, além dos limites operacionais do sistema (ALDABÓ, 2001). Dentre várias ações e medidas a serem tomadas, visando à solução ou contribuição para reduzir os problemas causados em equipamentos acoplados aos sistemas de fornecimento de energia, uma delas é o sistema de fornecimento alternativo. O equipamento fruto de estudo e desenvolvimento neste projeto é parte constituinte de um destes sistemas auxiliares, aplicados em estações UPS (Uninterruptible Power Supplies). Conforme citado anteriormente, o sistema elétrico está sujeito a diversos distúrbios em sua operação. ais fatores afetam não só o sistema, como principalmente a carga nele conectada. Algumas conseqüências em sistemas eletrônicos, quando sujeitos a condições adversas de operação são: Falhas em componentes eletrônicos; apagamento de memória ou instruções de programas; atuação de circuitos de proteção, e; reinicializações e desligamentos indesejáveis. A necessidade de se reproduzir uma tensão senoidal de entrada com a menor variação possível, existe sempre que a fonte de alimentação disponível não corresponde a esta forma de onda de tensão, a qual pode ser exigida pela carga, podendo causar efeitos danosos ao sistema conforme descrito acima. E com a variação da carga existe também a variação de tensão

2 saída. Quando a fonte de alimentação disponível não possui a forma de tensão ou a freqüência exigida pela carga, há a necessidade da utilização de dispositivos e circuitos ativos, de forma a reconstituir a energia com a forma de tensão desejada. As fontes de alimentação CA geralmente são utilizadas como fontes de pronto emprego, servindo para alimentação de cargas críticas e em locais onde fontes convencionais CA não estão disponíveis. 2 Metodologia 2.1 Objetivos O objetivo geral do projeto é desenvolver um conversor de tensão CC-CA, com tensão de entrada de 310VCC, tensão de saída senoidal em 127V/60Hz, potência de saída de 300W, freqüência de chaveamento de 20kHz, com aplicação principal em nobreaks on-line, com alta qualidade da tensão de saída (HD < 8%), microcontrolado. Para isso foram estipulados os seguintes objetivos específicos : Aprofundar o estudo sobre elementos utilizados na construção da etapa e potência de um inversor; realizar o estudo dos tipos de modulação de potência para a redução da distorção harmônica e uma rápida atuação de controle; revisar a teoria sobre conceitos de controle contínuo e aprofundamento em controle discreto, em projeto e técnicas; conhecer os processadores digitais em sua estrutura e ferramentas de desenvolvimento; dimensionar a etapa de potência do inversor tendo em vista os parâmetros de carga determinados; simular a etapa de potência sem realimentação para comprovar seu desempenho com vários tipos de carga; projetar e simular o controle do circuito; confeccionar placa de circuito impresso contemplando etapas de potência e controle; aquisição dos componentes e montagem do protótipo; implementar o programa de controle no processador digital; ensaio do protótipo com alguns tipos de carga para verificar seu desempenho; elaborar conclusões gerais sobre o projeto e o protótipo montado. Para o desenho da placa de circuito impresso e documentação é utilizado o software de CAD Protel DXP. As simulações são realizadas no software PSPICE integrante do software ORCAD A simulação da etapa de controle é realizada no software SIMULINK. O projeto da etapa de controle é realizado no software MAPLE 11.0 para automatizar a atualização dos valores do controle para testes durante o ensaio. 2.2 Projeto Fonte de Alimentação (220V) Conversor CA / CC Inversor Filtro LC Saída - Carga Linear (127V/300W) V BUS Divisor resistivo Sensor de Efeito Hall Modulação PWM Controle PID Conversor AD Proteção Amplificador DSPIC - Microcontrolador Erro! Figura 1 - Diagrama de Blocos do Projeto Projeto Etapa de Potência A topologia escolhida para a etapa inversora de tensão foi o inversor de ponte completa por permitir a modulação PWM senoidal com 3 níveis de tensão, modulação que apresenta um nível de distorção harmônica adequado para o projeto. Para gerar a tensão de 310VCC a partir da rede foi utilizado um retificador em ponte completa com filtro capacitivo ligado á rede de 220V.

3 O filtro LC de saída é projetado para filtrar o sinal de tensão modulado, atenuando a freqüência de chaveamento para reduzir a DH e deixar a tensão de saída com variações suaves, para isso é estipulada uma freqüência de corte de 2kHz, uma década abaixo da freqüência de chaveamento. Para a proteção do circuito é utilizado um sensor da corrente que passa pelo indutor. A modulação utilizada é a PWM senoidal com 3 níveis. Para reproduzir esta modulação no DSC foi adotada a estratégia de usar um braço para grampear a tensão num dos lados da carga e no outro braço é aplicado o sinal PWM senoidal com freqüência de 20kHz. Esta freqüência é escolhida por estar fora da freqüência sonora audível. Para alimentação do circuito de controle foi adicionada uma fonte auxiliar para gerar as tensões necessárias pelo controle, +5V, +15V e -15V. A tensão de saída é amostrada por dois divisores resistivos, um em cada lado da carga. Estes divisores reduzem o nível de tensão para que o DSC faça a aquisição do valor proporcional da tensão de saída Projeto do controle Referencia Kc s 2 +5e7 s 2+(8000/3)s Compensador Inversor 5e7 s 2 +50s+5e7 Filtro Conversor AD Amostragem Figura 2 - Modelagem de controle utilizada. O projeto do controle é baseado no modelo do inversor, que é um filtro LC com um ganho. É realizado o projeto no plano contínuo e depois discretizado para que possa ser implementado no DSC. O compensador é projetado para minimizar o efeito dos dois pólos da planta, eliminar o erro de estado estacionário e limitar o esforço de controle para que o sistema possa ser discretizado sem degradação de sua resposta. Assim são alocados dois zeros sobre os pólos da planta, um pólo na origem e um pólo que limita o esforço de controle. O compensador contínuo é definido por : 2 2 s + ω o Cu ( s) = (1) s.( s + p1 ) Onde? o é a freqüência natural da planta e p 1 é o pólo que determina a velocidade. Para a escolha do pólo p 1 é escolhido o critério de se ter pelo menos 15 amostras numa constante de tempo, para isso 1 ζ. ω = e p = 2.ζ. ω. c 1 c 15.50µ A F do comp ensador fica: 2 (2) s C U ( s) = 8000 s s + 3 A discretização do compensador é feita pelos métodos Backward e ustin. A simulação dos dois sistemas demonstrou um melhor desempenho do ustin por preservar melhor as características do sistema contínuo. O período de amostragem usado para realizar a discretização é de 50us (1/20kHz). Figura 3 - Resposta a Degrau Backward e ustin

4 3 Resultados Experimentais No protótipo são realizados vários ensaios. Os mais importantes á proposta do projeto são os referentes á DH da saída para a situação a vazio, carga linear nominal e carga não linear nominal. Para a situação de carga a vazio, com 110Vrms, foi alcançado um DH para a tensão de 3,01%. dy: 0 Volt Y: 153 Volt 1 > 1) CH1: 50 Volt 5 ms Figura 4 - ensão de saída sem carga, Vp=153V, DH =3,01% Na condição de carga linear de 225W e tensão de saída de 120Vrms foi alcançado um DH para a tensão de 3,24%. dy: 0 Volt Y: 175 Volt 1 > 2 > 1) CH1: 1 Volt 5 ms 2) CH2: 50 Volt 5 ms Figura 5 - ensão de saída com carga linear 225W,Ip=2,57A, Vp=175V, DH=3,24% Para a carga não linear, a DH alcançada foi de 6,79% para a tensão. dy: 0 Volt Y: 148 Volt 12 > 1) CH1: 1 Volt 5 ms 2) CH2: 50 Volt 5 ms Figura 6 - ensão de saída com carga não linear 100W,Ip=5,52A, Vp=148V, DH =6,79%

5 A distorção da forma de onda de tensão para a carga não linear é causada pela lentidão na ação do controle. A velocidade da ação do controle é determinada pelo pólo real não nulo do compensador. A diferença entre o semi-ciclo positivo e o semi-ciclo negativo é causado por um nível médio na tensão de saída. Este nível médio é causado pelo desbalaceamento entre os divisores resistivos que fazem a amostra dos níveis de tensão que entram na lei de controle. 4 Conclusões endo em vista os resultados obtidos, pode-se dizer que o protótipo está dentro da especificação inicial, porém algumas ressalvas devem ser feitas. O desempenho do inversor para carga não linear deixa a desejar, apesar de não ser o objetivo deste projeto, é o principal tipo de carga utilizado em sistemas UPS. A velocidade de atuação do controle é a principal causa desta insuficiência, que pode ser corrigida usando um critério de projeto menos conservador e admitir um número menor de amostras durante a constante de tempo do sistema compensado. Outras soluções interessantes seriam o projeto do compensador diretamente no plano discreto (plano z ou w), adicionar um compensador preditivo e um compensador repetitivo, que apresentam um melhor desempenho para distúrbios não modelados. 5 Referências Bibliográficas [1] ALDABÓ, Ricardo. Qualidade na energia elétrica. São Paulo: Artliber Editora, [2] AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência. São Paulo: Prentice Hall,2000. [3] APOSILA DO WORKSHOP SOBRE INSALAÇÕES ELÉRICAS DE BAIXA ENSÃO DA SCHNEIDER ELECRIC - QUALIDADE DE ENERGIA E HARMONICAS, Edição Março de [4] BARBI, Ivo & SOUZA, Alexandre Ferrari de. Correção do Fator de Potência de Fontes de Alimentação. Apostila Didática. Florianópolis: INEP Instituto de Eletrônica de Potência, [5] BARBI, Ivo. Eletrônica de Potência. 4ª ed. Florianópolis: Edição do Autor, [6] BARBI, Ivo. Eletrônica de potência: projetos de fontes chaveadas. Florianópolis: Ed. do Autor, [7] BOSE, B.K. Modern Power Electronics and AC Drives. New Jersey: Prentice Hall, [8] DORF, Richard C. & BISHOP, Robert. Sistemas de Controle Modernos. 8 ª ed. Rio de Janeiro : LC, [9] HINZ, Kenneth & ABAK, Daniel. Microcontrollers Architecture, Implementation & Programming. Singapore : McGraw-Hill, [10] MARINS, Denizar Cruz & BARBI, Ivo. Introdução ao Estudo dos Conversores CC-CA. Florianópolis: Ed. dos Autores, [11] MICROCHIP ECHNOLOGY INC. DS70141C - dspic30f3010/3011 Data Sheet. Chandler, EUA, Catálogo de dados. [12] MICROCHIP ECHNOLOGY INC. DS70046E - dspic30f Family Reference Manual. Chandler, EUA, Catálogo de dados. [13] MOHAN, Ned; UNDELAND,. M.; ROBBINS, W. P. Power Electronics -Converters, Applications and Design. 2nd ed. New York: Wiley, [14] NISE, Norman S. Engenharia de Sistemas de Controle. 3ª ed. Rio de Janeiro: LC Livros écnicos e Científicos Editora S.A., [15] OGAA, Katsuhiko. Engenharia de controle moderno. 3a ed. reimpressão. Rio de Janeiro: LC, [16] POMILIO, J. A. Conversores CC-CA como fontes de alimentação com freqüência fixa. In:. Eletrônica de potência, cap. 6. Apostila. Disponível em: < Acesso em: 10 set [17] RASHID, Muhammad Harunur. Power Electronics, Circuits, Devices and Applications. 3a ed. New Jersey: Prentice Hall, 2003.

6 [18] ROMANELI, Eduardo.Curso de inversores Senoidais Monofásicos para UPS. Apostila Didática. Florianópolis. INEP Instituto de Eletrônica de Potência, 2002.