Controle de Conversores CC-CC

Transcrição

1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina! Departamento Acadêmico de Eletrônica! Pós-Graduação em Desen. de Produtos Eletrônicos! Conversores Estáticos e Fontes Chaveadas Controle de Conversores CC-CC Florianópolis, maio de Prof. Clovis Antonio Petry.! Prof. Joabel Moia.

2 Controle de conversores: Biografia para Esta Aula Conversores operando em malha fechada; Projeto de compensadores; Simulação em malha fechada; Controle no modo corrente.

3 Controle de conversores: Nesta Aula Conversores operando em malha fechada; Projeto de compensadores; Simulação em malha fechada; Controle no modo corrente.

4 Controle de Conversores - Introdução Diagrama de blocos de uma fonte chaveada: Rede AC Filtro de Rádio- Frequência - Retificador - Filtro - Proteções Interruptor - IGBT ou - MOSFET Transformador de Isolamento - Retificadores - Filtros - Comando - Proteção - Fonte Auxiliar Circuitos de Controle

5 Conversor Buck: Controle de Conversores - Introdução

6 Controle de Conversores - Introdução 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.

7 Controle de Conversores - Introdução

8 Operação em Malha Aberta e Malha Fechada Operação em malha aberta: - Circuitos simples; - Geralmente sem problemas de estabilidade; - Erros estáticos (de regime) grandes; - Respostas transitórias com sobresinal; - Projeto simples; - Conformação de sinais complicada. Operação em malha fechada: - Circuitos mais complexos; - Podem apresentar problemas de estabilidade; - Erros estáticos praticamente nulos; - Melhora da resposta transitória; - Projeto complexo; - Possibilidade de conformar sinais.

9 Técnicas de Controle de Conversores Principais técnicas de controle de conversores estáticos: - Técnicas lineares x não-lineares; - Controle clássico x controle moderno; - Controle no domínio do tempo x domínio da freqüência; - Controle por histerese; - Controle fuzzy; - Controle adaptativo; - Controle por variáveis de estado; - Controle por modos deslizantes; - Entre outros.

10 Controle por Valores Médios Instantâneos

11 Linearização no Ponto de Operação

12 Controle por Valores Médios Instantâneos Controle no domínio da freqüência: - Os componentes do conversor são considerados invariantes no tempo; - Resistores, indutores e capacitores, bem como os interruptores passivos e ativos, são considerados ideais; - As ondulações de corrente e de tensão são ignoradas na modelagem, isto é, o conversor é considerado linear e não chaveado; - A freqüência de operação é fixa; - O conversor opera no modo de condução contínua; - São válidos os princípios de linearidade e superposição.

13 Diagrama de Blocos de um Conversor v i F ( s) + + v o v o _ ref + erro C( s) vc Fm( s) d G( s) * v o H ( s) F( s)= v s o s v i ( ) ( ) d! = 0 G( s)= v s o d s ( ) ( ) v! i = 0

14 Sistema Realimentado Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq.

15 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Equação característica e função de transferência I(s) + - ε (s) G(s) O(s) H(s) O(s) = G(s) ε(s) ε( s) = I(s) H(s)O(s) O(s) = G(s) [ I(s) H(s)O(s) ] [ G(s)H(s) ] G(s)I(s) O (s) 1+ = O(s) I(s) = 1+ G(s) G(s)H(s) = F(s)

16 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Equação característica e função de transferência I(s) + - ε (s) G(s) O(s) O(s) I(s) = 1+ G(s) G(s)H(s) = F(s) H(s) O(s) I(s) G(s) G(s)H(s) G(s)/(1+G(s)H(s)) - grandeza de saída; - grandeza de entrada; - função de transferência em malha aberta; - função de transferência de laço aberto; - função de transferência em malha fechada.

17 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Equação característica e função de transferência I(s) + - ε (s) G(s) O(s) O(s) I(s) = 1+ G(s) G(s)H(s) = F(s) H(s) pode-se definir como instável o sistema cuja saída tende para infinito Equação característica 1 + G( s) H ( s) = 0 G( s) H ( s ) = 1 o sistema torna-se instável quando:

18 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Critérios de estabilidade I(s) + - ε (s) G(s) O(s) O(s) I(s) = 1+ G(s) G(s)H(s) = F(s) H(s) G( s) H ( s ) = 1 GH db = 20 log( G( s) H ( s)) GH db = 20 log( 1) GH = 0 φ = 180 db!

19 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Critérios de estabilidade FTLA G(s)H(s) GH = db 0 φ =180! Características desejadas: margem de fase entre 45 e 90 ; maior ganho possível em baixa freqüência (erro nulo); maior freqüência de corte possível (resposta rápida) (fc<fs/4) MF = 180 φ

20 Critérios de estabilidade FTLA Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq.

21 Critérios de estabilidade FTLA Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq.

22 Critérios de estabilidade FTLA Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq.

23 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Relação entre margem de fase e fator de amortecimento

24 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Projeto de compensadores garantir a estabilidade margem de fase propiciar bom ajuste da variável de saída diante de: variações de carga; variações da tensão de entrada (Ex. 120Hz); alto ganho em baixa freqüência proporcionar boa resposta a transitórios:! rapidez! sobretensão e oscilação freqüência de corte elevada margem de fase

25 Projeto de compensadores Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Compensador PD melhora a margem de fase Compensador PI melhora o ganho em baixa freqüência Compensador PID melhora a margem de fase melhora o ganho em baixa freqüência

26 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Compensador PD melhora a margem de fase

27 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Compensador PD melhora a margem de fase! exemplo

28 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Compensador PI melhora o ganho em baixa freqüência

29 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Compensador PI melhora o ganho em baixa freqüência! exemplo

30 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Compensador PID melhora a margem de fase melhora o ganho em baixa freqüência

31 Exemplo de projeto Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq.

32 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Exemplo de projeto - planta em MA

33 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Exemplo de projeto - Sem compensador Gc=1

34 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Exemplo de projeto compensador PD

35 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Exemplo de projeto compensador PID

36 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Exemplo numérico - conversor Buck! Compensador PD Vin=30V D=0,5 Po=100W Iin=3,33A f=100khz L=225µH Vout=15V 1-D=0,5 Io=6.67A Ro=2,25Ω Vserra=4V C=50µF

37 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Exemplo numérico - conversor Buck - Compensador PD

38 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Circuitos de compensação com AMPOP Topologia de 1 pólo R f db db/dec +90 C f 0 0 V0 V ref Ri - + A V C -20 φ -90 V C = V o Z Z f i Rref Z i = R i Z f = R f / Cf s R + 1/ C f -40 0,1fp fp 10fp 100fp f s VC ( s) R f 1 = V ( s) R (1 s C R ) G = o i + f f i R R f f p = 1 2πR f C f

39 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Circuitos de compensação com AMPOP Topologia de 2 pólos C i Rfz C f V0 V ref Rip R iz - + A V C Rref Z = R + f fz 1 sc f Z i = R + ip R R iz iz / + s Ci 1 s C i Z Z f i = R ip + R R fz iz + 1/sC & $ % R iz f 1 C i s #! + 1" V V C o (s) (s) = & $ C $ % f s(r (1 + R ip iz + R C iz i s)(1 + C, )* 1+ C is + f + R R fz R iz s) ip R iz + R ip )# '! (!"

40 Controle de Conversores - Projeto no Domínio da Freq. Circuitos de compensação com AMPOP Topologia de 2 pólos Ganho em malha fechada do compensador ideal C i Rfz C f Ganho do amplificador operacional real em malha aberta Compensador real considerando o amplificador operacional ideal V0 V ref f p 1 = f z2 = R ip 0Hz 1 2πC f f R p1 fz R iz Rref = 2πC i f - + A 1 & R $ % R z1 iz ip = + R iz R ip #! " 1 2πC i 80 V C R (db) f z1 = f z k 10k 100k f 2 f 1 iz f p2

41 Controle do Conversor Flyback 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 dv out I 2md = C + dt V R out 2 P1 md = Vin I1md = I 2 md = V in 2LR 2 f V D in I p T 2T 1 G(s) = V S V in 2Lf R 2 (1 + 1 s R 2 C)

42 Controle do Conversor Flyback 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 2Lf R 2 (1 + 1 s R 2 C) 0 db zero f p f z f G(s) = V S V in 2Lf R 2 (1 + s RSE C) (1 + s R 2 C)

43 Controle do Conversor Flyback Usando controlador simples: C( s) = k S Transitórios: na carga na tensão de entrada

44 Controle do Conversor Flyback Usando controlador com um pólo: C( s) k = 1 + S p1 Transitórios: na carga na tensão de entrada

45 Controle no Modo Corrente Características: - Necessidade de duas malhas de controle; - Resolve problemas de corrente média em transformadores; - Simplifica o projeto, pois a função de transferência é mais simples; - Tem proteção inerente; - Resposta mais rápida; - Permite conformar a corrente no ponto desejado; - Pode ter problemas de estabilidade com pouca carga.

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49 Controle no Modo Corrente

50 Próxima Aula Controle de conversores cc-cc: Laboratório de conversores cc-cc.