dissertacao gustavo completa

CARLOS GUSTAVO CASTELO BRANCO

SISTEMA ININTERRUPTO DE ENERGIA DE DUPLA CONVERSO,

NO ISOLADO, COM TENSES DE ENTRADA E SADA

UNIVERSAIS

FORTALEZA

2005

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEAR

PROGRAMA DE PS-GRADUAO

EM ENGENHARIA ELTRICA



UNIVERSAIS

Dissertao submetida Universidade Federal do Cear como parte dos requisitos

para a obteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica


Fortaleza, Maio de 2005

iv

Deus,

Por ter me concedido vida, minha Famlia,

meus Amigos, meu carter, minha determinao

e uma oportunidade desta magnitude.

v

Aos meus pais Maurcio e Regina,

Aos meus avs Luiz e urea, Jos Nobre e Neide,

Aos meus Irmos Maurcio Filho e talo,

minha amada esposa Leise e meu filho Eduardo,

todos da minha famlia que no os citei,

Eu dedico este trabalho.

vi

AGRADECIMENTOS

todo povo cearense que atravs da FUNCAP (Fundao Cearense de Amparo

Pesquisa e a Cultura) contriburam com o apoio financeiro necessrio realizao deste

trabalho e desenvolvimento cientfico do nosso estado.

Ao professor Ccero Marcos pela sua valiosa orientao e amizade disponibilizada

durante estes dois anos, tambm foi o responsvel pela minha iniciao durante a graduao

no mundo da Eletrnica de Potncia. Agradeo a confiana em mim depositada e a

oportunidade de trabalhar em outros projetos sob sua orientao.

Ao professor Ren Pastor por dispor de sua experincia e conhecimento sempre que

precisei durante o Mestrado, alm de sua amizade e ateno.

Aos professores Fernando, Laurinda, Ruth, Jos Carlos, Luiz, Ailson, Ivanildo, Tomaz,

Ricardo, Otaclio, Paulo e Gilvan, todos do Departamento de Engenharia Eltrica da UFC,

responsveis diretamente pela minha formao acadmica na graduao e na ps-graduao.

Aos membros da banca examinadora: Prof. Edson Watanabe, Prof. Demercil de Souza,

Prof. Ren Pastor e Prof. Ccero Marcos pelas importantes contribuies dadas verso final

deste trabalho.

Aos meus colegas de mestrado Agliberto, Douglas, Thelma, Cludio, Carla, George,

Grijalba, Rangel e Rmulo por todas as etapas que foram vencidas e pelo companheirismo.

Aos meus colegas, amigos e tcnicos do Grupo de Processamento de Energia e Controle

(GPEC), Kleber Lima, Joacillo Dantas, Marcus Rogrio, Prof. Srgio Daher, Oliver, Edlson,

Jancarle, Ubirajara, Edgney, Ricardo e Pedro Augusto.

todos meus colegas de graduao em especial: Rodrigo Martins, Marcelo Miranda,

Leonardo Jorge, Mrio Siqueira, Mrio Fiza, Tony Ulysses, Hildo, Marcel e Clodomir.

todos meus irmos da Loja Obreiros do Sculo XX N44 pelo apoio incondicional e

pela amizade.

todos meus irmos/sobrinhos do Captulo Cidade de Fortaleza N59 da Ordem

DeMolay pelo companheirismo, amizade e compreenso pelo motivo de minha ausncia nas

reunies durante o ano de 2004 em que estive dedicado exclusivamente ao mestrado.

Aos amigos de infncia, do ensino mdio e do cotidiano que continuam sempre

mantendo contato comigo: Gustavo Dantas, Mrcio Santos, Marcus, Felipe Bodo, Fred e

Caio Marcus.

todas as pessoas que por motivo de esquecimento no foram citadas anteriormente,

vou deixando neste espao minhas sinceras desculpas.

vii

RESUMO Resumo da dissertao apresentada a Universidade Federal do Cear como parte dos requisitos para a obteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica.



UNIVERSAIS


Maio / 2005

Orientador: Prof. Ccero Marcos Tavares Cruz, Dr.

rea de concentrao: Eletrnica de Potncia.

Palavras-chave: UPS on-line no isolada, correo do fator de potncia, conversor boost a trs

nveis, inversor meia ponte.

Nmero de pginas: 207

RESUMO: Neste trabalho foram estudados os conversores que compem uma topologia de sistema ininterrupto de energia (UPS) do tipo dupla converso, alto fator de potncia de

entrada, no isolado, e com tenses de entrada e sada (110V/220V). O sistema constitudo

de um conversor CA-CC/CC-CC a trs nveis no estgio de entrada e um inversor duplo meia

ponte na sada. Neste tipo de configurao proposta, custo, volume e eficincia so as

principais caractersticas visto que o sistema possui menor quantidade de interruptores ativos,

baterias e a possibilidade de operao do circuito bypass sem a presena de um transformador

isolador operando em baixa freqncia na entrada da UPS. Com o objetivo de diminuir o

volume do sistema sem comprometer o rendimento, adotado uma freqncia de comutao

mais elevada que a utilizada nos sistemas UPS comercializados. Para isso, utilizado um

circuito snubber passivo no dissipativo no estgio de entrada, e no inversor so empregados

interruptores IGBTs de ltima gerao disponibilizados comercialmente. A metodologia de

projeto, simulao e os resultados experimentais de um prottipo monofsico de 2,6kVA so

apresentados para validar a anlise terica e comprovar o desempenho do sistema. Ao final do

trabalho verifica-se que o sistema est de acordo com a norma IEC61000-3-2, apresenta um

rendimento de 89% alimentado pela rede e um rendimento de 86% alimentado pela bateria.

viii

ABSTRACT Abstract of dissertation presented to Federal University of Cear as partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Electrical Engineering.

A NON ISOLATED ON-LINE UPS WITH UNIVERSAL INPUT AND

OUTPUT VOLTAGE


May / 2005

Advisor: Prof. Ccero Marcos Tavares Cruz, Dr.

Area of Concentration: Power Electronics.

Keywords: Non-isolated on-line UPS, power factor correction, three level boost converter,

half bridge inverter.

Number of Pages: 207

ABSTRACT: This work deals with the development of a single phase on-line uninterruptible power supply (UPS), operating with unity power factor and (110V/220V)

input and output voltage rating. The converter consists of an ac-dc/dc-dc three level boost

converter combined with a double half bridge inverter. In this type of configuration, size, cost

and efficiency are improved due to reduced number of switches and batteries, as well as no

low frequency isolation transformer is required to realize bypass operation. In order to

minimize the system weight and volume without compromising the system overall efficiency,

a high frequency operation compared with commercial UPS available in the market is adopted

in both converters. To achieve it, a passive non-dissipative snubber circuit is used in the boost

converter and the latest available commercial technology of IGBTs switches is used in the

inverters. A simple and well known control strategy is presented. Principle of operation,

design procedure, simulation and experimental results for a 2.6kVA prototype is presented to

demonstrate UPS performance. The system is in compliance with IEC 61000-3-2, achieved an

efficiency of 89% during on-line operation mode with two different types of load connection

and 86% during battery powered operation mode with the same load characteristics as tested

in on-line mode operation.

Sumrio

ix

SUMRIO

SIMBOLOGIA .................................................................................................................................................. XII

INTRODUO GERAL ...................................................................................................................................... 1

CAPTULO I

SNTESE DE ALGUMAS TOPOLOGIAS DE SISTEMAS UPS MONOFSICOS NO ISOLADOS ...... 5 1.1 INTRODUO ............................................................................................................................................... 5

1.2 SISTEMAS UPS DO TIPO ON-LINE ............................................................................................................. 5

1.3 TOPOLOGIAS DE UPS ON-LINE NO-ISOLADAS ................................................................................... 8

1.4 MOTIVAO DO TRABALHO .................................................................................................................. 18

1.5 CONCLUSES.............................................................................................................................................. 22

CAPTULO II

ANLISE QUALITATIVA E QUANTITATIVA DO CONVERSOR CA-CC/CC-CC A TRS NVEIS. 23 2.1 INTRODUO ............................................................................................................................................. 23

2.2 CONVERSOR CA-CC/CC-CC A TRS NVEIS......................................................................................... 23

2.3 MODOS DE OPERAO E ETAPAS DE FUNCIONAMENTO ............................................................... 24

2.3.1 DESCRIO DAS ETAPAS DE FUNCIONAMENTO NO MODO REDE.......................................................... 24

2.3.2 DESCRIO DAS ETAPAS DE FUNCIONAMENTO NO MODO BATERIA .................................................... 29

2.4 ANLISE QUANTITATIVA DO ESTGIO DE POTNCIA .................................................................... 34

2.4.1 OPERAO EM REGIME PERMANENTE.................................................................................................. 34

2.4.2 ANLISE DA VARIAO DA RAZO CCLICA........................................................................................ 39

2.4.3 ONDULAO DA CORRENTE DE ENTRADA E DIMENSIONAMENTO DA INDUTNCIA DE ENTRADA ........ 41

2.4.4 ONDULAO DA TENSO DE SADA E DIMENSIONAMENTO DO CAPACITOR DE SADA.......................... 44

2.4.5 CLCULO DOS ESFOROS NOS SEMICONDUTORES DE POTNCIA E ELEMENTOS PASSIVOS................... 53

2.5 CONCLUSES.............................................................................................................................................. 60

CAPTULO III

TCNICA DE CONTROLE UNIFICADA E MODELAGEM DINMICA DO CONVERSOR CA-CC / CC-CC A TRS NVEIS .................................................................................................................................... 61

3.1 INTRODUO ............................................................................................................................................. 61

3.2 TCNICA DE CONTROLE UNIFICADA ................................................................................................... 61

3.3 MODELAGEM DINMICA DO CONVERSOR CA-CC/CC-CC............................................................... 64

3.3.1 CONTROLE MODO CORRENTE MDIA .................................................................................................. 64

3.3.2 CONTROLE DA TENSO NO BARRAMENTO CC ..................................................................................... 66

3.3.3 CONTROLE DO BALANCEAMENTO DAS TENSES NOS CAPACITORES.................................................... 68

3.3.4 MALHA DE CONTROLE FEEDFOWARD ................................................................................................... 70

3.4 DIAGRAMA DE BLOCOS DO ESTGIO DE CONTROLE...................................................................... 72

3.5 CONCLUSES.............................................................................................................................................. 73

Sumrio

x

CAPTULO IV

ANLISE DO INVERSOR DUPLO MEIA PONTE....................................................................................... 74

4.1 INTRODUO ............................................................................................................................................. 74

4.2 INVERSOR DUPLO MEIA PONTE............................................................................................................. 75

4.3 TCNICA DE MODULAO DO INVERSOR.......................................................................................... 75

4.4 ETAPAS DE FUNCIONAMENTO............................................................................................................... 77

4.4.1 DESCRIO DAS ETAPAS DE FUNCIONAMENTO .................................................................................... 77

4.5 ANLISE QUANTITATIVA DO ESTGIO DE POTNCIA .................................................................... 82

4.5.1 DIMENSIONAMENTO DO FILTRO DE SADA ........................................................................................... 82

4.5.2 CLCULO DOS ESFOROS NOS SEMICONDUTORES DE POTNCIA E ELEMENTOS PASSIVOS................... 87

4.6 TCNICA DE CONTROLE E MODELAGEM DINMICA....................................................................... 89

4.6.1 ESTRATGIA DE CONTROLE DO INVERSOR ........................................................................................... 90

4.6.2 DETERMINAO DA FUNO DE TRANSFERNCIA ............................................................................... 92

4.7 DIAGRAMA DE BLOCOS DO ESTGIO DE CONTROLE...................................................................... 93

4.8 CONCLUSES.............................................................................................................................................. 94

CAPTULO V

METODOLOGIA E EXEMPLO DE PROJETO............................................................................................. 95

5.1 INTRODUO ............................................................................................................................................. 95

5.2 REPRESENTAO DO SISTEMA A SER PROJETADO.......................................................................... 95

5.3 ESPECIFICAES DO PROJETO............................................................................................................... 96

5.4 PROJETO DO CONVERSOR CA-CC/CC-CC A TRS NVEIS ................................................................ 97

5.4.1 PROJETO DO ESTGIO DE POTNCIA..................................................................................................... 98

5.4.2 PROJETO DO ESTGIO DE CONTROLE ................................................................................................. 118

5.5 PROJETO DO INVERSOR DUPLO MEIA PONTE.................................................................................. 130

5.5.1 PROJETO DO ESTGIO DE POTNCIA................................................................................................... 131

5.5.2 PROJETO DO ESTGIO DE CONTROLE ................................................................................................. 139

5.6 CONCLUSES............................................................................................................................................ 143

CAPTULO VI

RESULTADOS DE SIMULAO E EXPERIMENTAIS ........................................................................... 145

6.1 INTRODUO ........................................................................................................................................... 145

6.2 RESULTADOS DE SIMULAO............................................................................................................. 145

6.2.1 SIMULAO DO CONVERSOR ELEVADOR ........................................................................................... 145

6.2.2 SIMULAO DO INVERSOR ................................................................................................................. 151

6.3 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ........................................................................................................... 154

6.3.1 AQUISIES PARA O MODO REDE ...................................................................................................... 156

6.3.2 AQUISIES PARA O MODO BATERIA................................................................................................. 169

6.4 CONCLUSES............................................................................................................................................ 174

Sumrio

xi

CONCLUSO GERAL .................................................................................................................................... 176

APNDICE A .................................................................................................................................................... 180

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ............................................................................................................ 185

Simbologia

xii

SIMBOLOGIA

Smbolos utilizados no trabalho

Smbolo Significado Unidade

0 Rendimento terico

)B Variao da densidade de fluxo magntico T

* Profundidade de penetrao .cm

T Freqncia angular da rede .rad/seg

)t Intervalo de tempo .s

ei Ondulao parametrizada da corrente de entrada

Lfi Ondulao parametrizada das correntes nos indutores dos filtros LC dos inversores

)ie Ondulao instantnea da corrente de entrada A

)iLf Ondulao instantnea das correntes nos indutores dos filtros LC dos inversores

A

)Ie Ondulao da corrente de entrada A

)Vc Ondulao da tenso no barramento CC V

CV Ondulao da tenso parametrizada no barramento CC

Ae rea efetiva do ncleo de ferrite .cm2

Aw rea disponvel da janela do ncleo de ferrite .cm2

Relao entre a tenso mdia dos capacitores do barramento CC e a tenso de pico na entrada

B Densidade de fluxo magntico T

Co1 , Co2 Capacitores do barramento CC F

Cf1 , Cf2 Capacitores dos filtros LC dos inversores F

Ca1 ,Ca2, Cs1 , Cs2

Capacitores do circuito snubber F

Cff1 , Cff2 Capacitores da malha de feedfoward F

Simbologia

xiii

Cm Coeficiente de perdas do material do ncleo

D Razo cclica

D2 , D5 Diodos boost

D1, D3, D4

Diodos do estgio de entrada

Da1-Da6 Diodos do circuito snubber

D6-D9 Diodos do estgio de sada

D Razo cclica complementar

E Valor mdio da tenso nos capacitores do barramento CC V

F Fator de correo considerando o fluxo de borda no ncleo

fcruz Freqncia de cruzamento Hz

fp Fator de potncia

fr Freqncia da rede eltrica Hz

fc Freqncia de comutao Hz

fcf Freqncia de corte da malha de feedfoward Hz

fLC(corte) Freqncia de corte dos filtros LC dos inversores Hz

Fc Fator de crista da corrente de sada do inversor

G Altura da janela do ncleo de ferrite cm

Gi( s ) Funo de transferncia do conversor boost para o clculo da malha de corrente

GF Ganho da malha de feedfoward

GRsh Ganho do sensor de corrente do indutor de entrada

Fm Ganho do modulador PWM

Gv( s ) Funo de transferncia do conversor boost para o clculo da malha de tenso

Gvi( s ) Funo de transferncia do inversor para o clculo da malha de tenso

Simbologia

xiv

Hi( s ) Funo de transferncia do compensador de corrente do conversor boost

Hv( s ) Funo de transferncia do compensador de tenso do conversor boost

Hvi( s ) Funo de transferncia do compensador de tenso do inversor

Hb( s ) Funo de transferncia do compensador da malha de balanceamento das tenses no barramento CC

He( s ) Funo de transferncia devido ao efeito da amostragem

Ie Corrente eficaz de entrada A

ie Corrente instantnea na entrada A

is Corrente instantnea na sada do conversor boost A

ic Corrente instantnea nos capacitores do barramento CC A

iCf Corrente instantnea nos capacitores do filtro LC do inversor A

ir Corrente instantnea na resistncia de carga A

id1 Corrente instantnea no diodo D1 A

Io Corrente eficaz de sada do inversor A

iLf Corrente instantnea nos indutores do filtro LC do inversor A

J Densidade de corrente A/cm2

.k1-k4 Constantes de integrao

kw Fator de ocupao da janela do ncleo

Lb Indutor de entrada ou boost H

lg Entreferro .cm

Lf1 , Lf2 Indutores dos filtros LC dos inversores H

Ls1 , Ls2 Indutores do circuito snubber H

Mi ndice de modulao do inversor

MLT Comprimento mdio por espira .cm

Simbologia

xv

Nb Quantidade de baterias

PCu Perdas no cobre W

Pncleo Perdas no ncleo W

Po Potncia ativa de sada W

pe Potncia instantnea na entrada W

ps Potncia instantnea na sada do conversor boost W

VCE(on) Tenso de saturao do IGBT V

Ro Resistncia equivalente de carga S1 , S2 Interruptores do estgio de entrada

S3-S6 Interruptores do estgio de sada

So Potncia aparente de sada VA

RSE Resistncia srie do capacitor do barramento CC t Tempo .s

Ts Perodo de comutao .s

Tr Perodo da rede eltrica s

ve Tenso instantnea na entrada V

Ve Tenso eficaz na entrada V

Vb Tenso nominal do banco de baterias V

Vpt Tenso de pico da onda triangular V

Vpm Tenso de pico da onda moduladora senoidal V

Vdb Tenso anodo-catodo nos diodos boost V

Vd1 Tenso anodo-catodo no diodo D1 V

Vd_inv Tenso anodo-catodo nos diodos do inversor V

Ve Volume efetivo do ncleo de ferrite cm3

VF Queda de tenso direta nos diodos V

Simbologia

xvi

VFO Tenso de limiar dos diodos V

VS Tenso de bloqueio nos interruptores do conversor boost V

VS_inv Tenso de bloqueio nos interruptores do inversor V

Vff Tenso mdia na sada da malha de feedfoward V

Vo Tenso eficaz na sada do inversor V

.x Relao entre o capacitor Cs e Ca

Smbolos utilizados nos diagramas de circuitos

Smbolo Significado

C Capacitor

D Diodo

L Indutor

S Interruptor controlado

R Resistor

V Fonte de tenso

Acrnimos e Abreviaturas

Smbolo Significado

FUNCAP Fundao Cearense de Amparo Pesquisa e Cultura

CC Corrente contnua

CA Corrente Alternada

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor

PWM Pulse With Modulation

TDH Taxa de Distoro Harmnica

UFC Universidade Federal do Cear

UPS Uninterruptible Power Supply

ZVS Comutao Sob Tenso Nula (Zero Voltage Switching)

Simbologia

xvii

Smbolos de unidades de grandezas fsicas

Smbolo Significado

Ohm A Ampere

cm centmetro

dB Decibel

F Faraday

H Henry

Hz Hertz

rad Radiano

s segundo

T Tesla

V Volt

W Watt

Sub-ndices utilizados

Smbolo Significado

.bat Grandeza do modo bateria.

.inv Grandeza do estgio inversor

.ef Valor eficaz da grandeza.

.max Valor mximo da grandeza.

.med Valor mdio da grandeza.

.min Valor mnimo da grandeza.

.pico Valor de pico da grandeza.

Introduo Geral

1

INTRODUO GERAL

A qualidade de fornecimento da energia eltrica um dos fatores mais importantes em

praticamente todos os negcios. Linhas de produo nas indstrias podem ser interrompidas,

transaes comerciais so afetadas, sistemas de telefonia podem entrar em colapso, redes de

computadores podem perder dados e sistemas hospitalares de suporte vida podem parar de

funcionar. Diante desta situao, a eletrnica de potncia se destaca em todas suas linhas de

atuao, buscando sempre solues em energia eltrica que proporcionem a operacionalizao

de equipamentos dentro dos mais altos padres de confiabilidade, eficincia e segurana, o

que torna uma ferramenta de grande importncia para viabilizar a qualidade de vida das

pessoas e o desenvolvimento de um Pas.

Atualmente grande a demanda por fontes ininterruptas de energia no mundo, tanto em

sistemas industriais, telecomunicaes e sistemas de informtica, quanto em sistemas de

emergncia hospitalar incluindo equipamentos sensveis de suporte vida entre outros. Estas

fontes so conhecidas internacionalmente pelo termo UPS (Uninterruptible Power Supply),

popularmente conhecidas no Brasil como No-Break. Sistemas UPS provem energia eltrica

com qualidade, ideal para cargas crticas e vitais. Estes sistemas de fato protegem cargas

sensveis contra grande parte dos distrbios que ocorrem na tenso de fornecimento da

concessionria de energia, dentre os quais se destacam: os surtos de tenso que envolvem as

situaes de subtenso e sobretenso, interrupes de qualquer magnitude na rede eltrica e

oscilaes transitrias na freqncia.

Convencionalmente, sistemas UPS do tipo on-line para uso geral possuem um

transformador isolador operando em baixa freqncia para realizar a isolao galvnica entre

a rede eltrica e a carga. Isto acontece porque grande parte das UPSs comercializadas, so

baseadas na topologia do conversor boost clssico na entrada e um inversor em ponte

completa na sada necessitando obrigatoriamente de transformadores isoladores para a

operao no modo bypass. Estes sistemas trazem como conseqncia o aumento do volume,

peso total e custo do equipamento.

Algumas solues foram propostas na literatura utilizando um transformador operando

em alta freqncia [1], [2], [3] e [4]. Porm, apesar destes sistemas isolados em alta

freqncia reduzirem o volume do equipamento, vrios estgios de processamento de energia

foram acrescentados, aumentando o nmero de semicondutores do sistema e

Introduo Geral

2

consequentemente comprometendo a questo do custo final e rendimento devido ao aumento

das perdas em conduo. Outro fator que compromete os sistemas isolados em alta freqncia

que o mesmo no funciona com o modo bypass conectando diretamente a fonte de entrada

carga. O mesmo funciona em modo de redundncia, ou seja, de n+1 sistemas necessitando

sempre de um mdulo UPS a mais para proporcionar confiabilidade de operao ao mesmo

caso ocorra algum problema no mdulo mestre.

Sistemas UPS isolados possuem vantagens de acordo com o tipo de aplicao a qual se

destinam. Quando utilizados para alimentar equipamentos sensveis, constituem de uma

barreira fsica, isolando completamente a carga dos distrbios que ocorrem na rede eltrica.

Alm disso, existem circunstncias nas quais as cargas so profundamente afetadas por uma

grande variao da sua fonte de alimentao. Com isso, os sistemas isolados fornecem uma

soluo robusta, pois devido sua inrcia entre a entrada e a sada, os filtros de linha podero

ser omitidos. Existem aplicaes crticas como por exemplo as hospitalares, que exigem que

seus equipamentos sejam instalados conectados a transformadores isolados galvanicamente

conforme a norma IEC 60601-1-1.

Os sistemas UPS no isolados, com topologias que incorporam a ligao do neutro

comum entre a entrada e a sada, os quais so objeto de estudo deste trabalho, tem despertado

bastante interesse das indstrias de telecomunicaes e computadores [8]. Isto se deve ao fato

deste tipo de sistema oferecer uma soluo de sistemas UPS de custo reduzido, volume e

eficincia superior em at 10% em relao s topologias de UPS isoladas, com caractersticas

de performance semelhantes aos sistemas isolados, mais ideais para aplicaes onde a rede

eltrica possui menor ndice de poluio e rudo. Estes sistemas trazem consigo a correo do

fator de potncia ativa, contribuindo com a questo da qualidade de energia. Alm disso,

durante o processo de produo em escala industrial, o custo deste tipo de sistema reduzido

devido ao mesmo ser composto na sua totalidade por componentes eletrnicos. Isso os torna

comercialmente competitivos com uma reduo de mais de 30% no custo final. Estes tipos de

topologias de UPS foram propostas inicialmente para potncias na faixa de 1kVA at 5kVA,

tendo em vista que equipamentos de baixa potncia so extremamente sensveis ao custo e

margem de lucro.

A comparao entre sistemas UPS isolados e no isolados no simples. Devido ao

avano da tecnologia dos semicondutores, circuitos microcontrolados dedicados ao controle

destes sistemas e filtros contra interferncia eletromagntica (EMI), os sistemas no isolados

atualmente podem fornecer energia com confiabilidade e qualidade comparado aos sistemas

Introduo Geral

3

UPS isolados. Em muitas circunstncias este tipo de sistema compacto e de custo reduzido

poder atender diversas aplicaes que iro depender muitas vezes da forma como que este

sistema abordado no mercado.

Neste trabalho ser apresentado o estudo, a metodologia de projeto e a implementao

prtica dos conversores que compem uma topologia de sistema UPS do tipo on-line no

isolada, com correo do fator de potncia, tenses de entrada e sada 110V/220V, alto

rendimento e volume reduzido.

Ao final deste trabalho sero apresentados os resultados experimentais do prottipo de

2,6kVA montado no laboratrio, contemplando toda a anlise terica realizada no decorrer

dos captulos. Uma breve sntese de cada captulo apresentada a seguir:

O primeiro captulo apresenta as principais solues de sistemas UPS on-line no-isolados propostos na literatura. realizada uma descrio geral de cada topologia,

ressaltando suas vantagens e desvantagens, com o objetivo de conceber uma topologia para a

proposta deste trabalho.

No captulo II fez-se o estudo, quantitativo e qualitativo do estgio de entrada do sistema proposto, constitudo do conversor CA-CC/CC-CC a trs nveis. No captulo sero

analisados os dois modos de operao do conversor, importante para a realizao de um

procedimento de projeto adequado para o sistema.

No captulo seguinte foi apresentada a tcnica de controle unificada do estgio de entrada, consistindo no emprego da tcnica de controle modo corrente mdia. A anlise

dinmica das malhas do conversor CA-CC/CC-CC a trs nveis apresentada e por fim

mostrados os diagramas de blocos das iteraes existentes entre as malhas de controle.

O captulo IV realiza o estudo completo do inversor duplo meia ponte, ressaltando sua anlise quantitativa, qualitativa e tcnica de controle empregada. Por fim, apresentado a

malha completa do estgio de controle e o diagrama de blocos para sua implementao.

O captulo V apresenta a metodologia de projeto detalhada do sistema proposto, baseado principalmente no equacionamento levantado nos captulos anteriores e nas

referncias bibliogrficas citadas durante o mesmo.

O captulo VI traz os resultados de simulao e experimentais do prottipo montado no laboratrio, contemplando todo estudo terico realizado e especificaes realizadas no

captulo anterior.

Introduo Geral

4

Para finalizar o estudo, sero apresentadas as concluses finais e sugestes para

desenvolvimento futuro de outras topologias de sistemas UPS on-line no isolados.

CAPTULO I Sntese de algumas Topologias de Sistemas UPS Monofsicos No Isolados

5

CAPTULO I

SNTESE DE ALGUMAS TOPOLOGIAS DE SISTEMAS UPS

MONOFSICOS NO ISOLADOS

1.1 INTRODUO

Este captulo tem como objetivo apresentar as solues propostas na literatura na

concepo de topologias de fontes UPS do tipo on-line no isoladas com correo do fator de

potncia. Sero destacadas durante a apresentao das topologias suas vantagens e

desvantagens. Inicialmente uma breve explicao sobre sistemas UPS do tipo on-line ser

realizada, ressaltando o princpio de funcionamento, diagrama de blocos, modos de operao

e vantagens inerentes a este tipo de estrutura. As demais categorias de fontes UPS no sero

abordadas, por no serem alvos de estudo deste trabalho.

Ao final deste captulo se espera obter mecanismos para a escolha da topologia mais

adequada para a proposta deste trabalho, com um estudo mais aprofundado nos demais

captulos sobre o assunto.

1.2 SISTEMAS UPS DO TIPO ON-LINE

Sistemas UPS on-line estticos so os tipos mais utilizados de fontes ininterruptas de

energia quando se deseja as caractersticas de alta confiabilidade no suprimento de energia.

Estes sistemas minimizam os problemas relacionados com os distrbios de energia,

fornecendo continuamente energia eltrica s cargas a qual esto conectadas, mesmo durante

qualquer problema que ocorra com o fornecimento de energia pela rede eltrica. Para a

operao durante uma ausncia de energia da rede, as UPSs estes utilizam um banco de

baterias que durante o funcionamento normal so carregadas pela rede eltrica atravs de

carregadores do prprio sistema UPS.

Um sistema UPS on-line consiste em um retificador/carregador, um banco de baterias,

um inversor e uma chave esttica denominada bypass. Outros nomes para este tipo de

configurao comumente encontrados nos artigos so: inverter preferred UPS e double-

conversion UPS [5]. Esta ltima denominao mais conhecida no Brasil como UPS de

dupla converso. A Fig. 1.1 mostra o diagrama de blocos de uma configurao tpica de um

sistema UPS on-line.


6

Fig. 1.1 Diagrama de blocos tpico de um sistema UPS on-line.

Um retificador/carregador alimenta continuamente o barramento CC, fornecendo

energia suficiente tanto para alimentar a carga quanto para carregar o banco de baterias. O

banco de baterias especificado para alimentar o inversor/carga durante certo tempo de

autonomia de acordo com sua capacidade. O tempo de autonomia pode variar para diferentes

aplicaes. O inversor dimensionado para a carga nominal de sada e funciona tanto no

modo em que a rede est presente quanto no instante em que o banco de baterias est em

funcionamento.

O inversor conectado em srie com a carga, proporcionando tempo de transferncia

zero na transio do modo de operao normal, quando a rede entrega energia para o inversor,

para o modo bateria em que o banco de baterias fornece energia para o barramento CC na

entrada do inversor. Esta a maior vantagem de um sistema UPS on-line, aliado de

redundncia do bypass em caso de mau funcionamento dos conversores. Vale ressaltar que a

tenso na rede deve estar sincronizada com a tenso de sada do inversor para o correto

funcionamento do bypass.

Os modos de funcionamento de uma UPS on-line tambm podem ser visualizados na

Fig. 1.1 e sero explicados a seguir.

Modo rede: o modo de operao normal do sistema onde a energia proveniente da entrada processada pelos estgios retificador e inversor antes de ser entregue

carga. Neste modo de operao o banco de baterias continuamente carregado

estabelecendo a tenso de flutuao correta nas baterias. Vale ressaltar que a

operao no modo rede fica condicionada aos nveis de tenso de entrada

estabelecidos para a UPS.


7

Modo bateria: Quando os nveis de tenso da rede eltrica estiverem fora das especificaes da UPS, a rede isolada e o banco de baterias fornece energia ao

inversor, estabelecendo continuamente o nvel de tenso na carga. Quando a rede

restabelecida, o inversor volta a ser alimentado pelo retificador na entrada.

Modo bypass: Neste modo a rede conectada diretamente carga. Esta operao se inicia quando acontece alguma falha nos conversores da UPS. Como a carga passa a

ser alimentada pela rede eltrica, fica submetida a variaes na mesma.

As maiores vantagens de um sistema UPS on-line so:

Poder operar com uma grande variao nas condies de tenso da rede eltrica; bastante preciso na regulao da tenso na sada e fornece uma tenso para carga

com taxa de distoro harmnica (TDH) abaixo de 5%;

Tempo de transferncia zero na transio entre o modo normal para o modo bateria; Regulao ou modificao da freqncia da tenso de sada; Possvel de se agregar estgios de entrada que utilizem tcnicas de correo ativa ou

passiva do fator de potncia, fazendo com que o sistema UPS opere com

caracterstica de uma carga resistiva para a rede eltrica (fator de potncia unitrio).

Esta ltima vantagem apresentada muito importante, tendo em vista que estgios

retificadores com filtro capacitivo na sada so utilizados em grande parte dos equipamentos

utilizados, nas mais variadas aplicaes industriais. Isto se deve ao baixo custo destes

retificadores e ao fato de ainda no existirem no Brasil normas vigentes que exijam o alto

fator de potncia na entrada das fontes. Estes tipos de fontes apresentam alto contedo

harmnico, contribuindo para a ocorrncia de diversos problemas na instalao eltrica, bem

como mau funcionamento de equipamentos conectados rede eltrica. Atualmente, em

sistemas UPS acima de 1kVA, os estgios pr-reguladores com correo de fator de potncia

PFC power factor correction esto sendo bastante utilizados.

Com a padronizao das normas existentes no Brasil de acordo com as normas IEC

(international electrotechnical comission) e concluso da norma brasileira para UPS, de fato

sero exigidos estgios retificadores com baixa distoro harmnica para determinados nveis

de potncia conforme as normas mundiais IEC61000-3-2, as quais abrangem equipamentos

com corrente eficaz de fase maior que 16A.


8

1.3 TOPOLOGIAS DE UPS ON-LINE NO-ISOLADAS

As topologias que sero apresentadas a seguir possuem uma particularidade semelhante

que a ligao do ponto comum entre a entrada e sada. Este tipo de ligao permite que as

UPSs possam operar no modo bypass mesmo sem o transformador isolador, caracterstica

muito importante dos sistemas UPSs atuais. Por isso, este tipo de topologia tratada nos

artigos cientficos como sistemas UPS on-line no isoladas.

Com objetivo de comparar as topologias de UPS pesquisadas segundo o contexto

mercadolgico praticado no Brasil, sero considerados para efeito de comparao que o

tempo de autonomia mdio de um sistema UPS alimentado pelo banco de baterias seja de 15

minutos e a capacidade da bateria utilizada seja de 12Vcc/7Ah.

Na Fig. 1.2 apresentada umas das topologias mais conhecidas na literatura de sistemas

UPS on-line no isolados [6]. Esta configurao composta de um conversor CA-CC do tipo

meia ponte na entrada e um inversor meia ponte na sada.

Fig. 1.2 Sistema UPS monofsico baseado no conversor e inversor meia ponte.

Dentre as principais vantagens deste sistema que podem ser destacadas tem-se:

Possibilidade de adoo de uma estratgia de controle que faa a UPS operar com fator de potncia unitrio;

Menor nmero de semicondutores e possibilidade do uso de um mdulo em ponte completa de IGBTs.

Porm, as desvantagens deste sistema se sobressaem, pois devido topologia possuir

caracterstica de dobradora de tenso no estgio CA-CC, o barramento CC dever operar com

no mnimo o dobro da tenso de pico da entrada para realizar a conformao da corrente de


9

entrada (realizar a correo do fator de potncia). Devido esta caracterstica, as seguintes

desvantagens podem ser ressaltadas:

Grande quantidade de baterias em srie; Carregador de baterias inadequado, pois no existe controle sobre a corrente de

carga das baterias, comprometendo a vida til do banco de baterias;

Elevado custo e volume devido necessidade de um grande nmero de baterias; No possui controle sobre as tenses dos capacitores C1 e C2 durante o modo

bateria, caso seja conectado uma carga com retificador de meia onda na sada do

inversor.

Com o objetivo de solucionar o problema da conexo do banco de baterias diretamente

ao barramento CC, Hirachi [6], [7] e [8] props o esquema mostrado na Fig. 1.3.

Fig. 1.3 Sistema UPS monofsico utilizando um conversor bidirecional como interface no banco de baterias.

Esta soluo apresentada utilizou um conversor bidirecional funcionando tanto como

carregador no modo rede, quanto como elevador de tenso no modo bateria. Com isso,

minimizou-se o problema da elevada quantidade de baterias acopladas diretamente ao

barramento CC. Dentre as principais vantagens inerentes a esta estrutura pode-se citar:

Possibilidade de adoo de uma estratgia de controle que faa a UPS operar com fator de potncia unitrio;

Menor volume e possibilidade do uso de um mdulo em ponte trifsico de IGBTs;


10

Menor quantidade de baterias. Entretanto, o sistema proposto apresenta algumas desvantagens, entre as quais se

destacam:

Elevadas perdas no estgio elevador durante o modo bateria devido elevada razo cclica de controle;

Incluso de um indutor com a mesma capacidade do indutor de entrada, acrescendo custo e peso do sistema;

No possui controle sobre as tenses dos capacitores C1 e C2 durante o modo bateria.

Esta ltima desvantagem bastante enfatizada nas topologias que possuem esta

disposio dos capacitores no barramento CC. Isto porque durante a operao no modo

bateria, ocorre um desbalano das tenses entre o capacitor C1 e C2, pois os mesmos so

carregados em srie e no existe possibilidade de controlar a energia que transferida para

cada capacitor separadamente. Se a caracterstica de carga for do tipo de retificador de meia

onda, o desbalano comprometer mais ainda a operao do sistema.

Hirachi props uma terceira topologia de UPS on-line no isolada [9] e [10], pois o

desbalano de tenses nos capacitores comprometia a performance da UPS anterior. Esta

topologia est mostrada na Fig. 1.4.

Fig. 1.4 Sistema UPS monofsico utilizando um novo conversor bidirecional como interface do banco de

baterias e o barramento CC.


11

Com a mudana de posio dos semicondutores do conversor bidirecional e com a

utilizao de dois indutores acoplados, alm de um diodo e um capacitor foi possvel o

controle das tenses entre os capacitores do barramento CC. Vale ressaltar que para isto

ocorrer o nmero de espiras de L1 e L2 devero ser iguais. Outras vantagens que podem ser

citadas so:

Diminuio dos esforos de tenso na chave S6; O rendimento total da estrutura continua na mesma faixa da topologia anterior; O conversor bidirecional funciona como um carregador no modo rede e como

elevador de tenso no modo bateria.

Em contrapartida esta soluo apresenta as seguintes desvantagens:

Descontinuidade na corrente do banco de baterias necessitando um filtro passivo (menor vida til das baterias);

Elevada razo cclica na operao do conversor elevador no modo bateria; Incluso de componentes magnticos com a mesma capacidade do indutor de

entrada do conversor (maior custo e maior volume).

Outro pesquisador dividiu o conversor bidirecional proposto anteriormente, separando o

carregador de baterias do conversor elevador de tenso. Esta estrutura foi proposta por Lai

[11] e est representada na Fig. 1.5.

Fig. 1.5 Sistema UPS monofsico utilizando dois conversores separados como interface entre o banco de

baterias e o barramento CC.


12

A estrutura possui caractersticas semelhantes estrutura apresentada na Fig. 1.4, porm

devido incluso de outro conversor para realizar a funo de carregador de baterias, o

sistema fica comprometido principalmente na questo do custo e volume. Dentre as vantagens

deste sistema destacam-se:

Estratgia de controle simplificada devido utilizao de dois conversores separados para realizar a funo de carregador e elevador de tenso;

Menor quantidade de baterias; Possui controle sobre as tenses dos capacitores C1 e C2 no modo bateria; Como principais desvantagens do sistema podem-se ressaltar:

Descontinuidade na corrente do banco de baterias necessitando um filtro passivo (menor vida til das baterias);

Razo cclica elevada na operao do conversor elevador no modo bateria; Incluso de mais conversores no sistema (maior custo e volume). Outra topologia pesquisada foi proposta por Hirao [12], apresentada na Fig. 1.6.

Fig. 1.6 Sistema UPS monofsico utilizando trs conversores em meia ponte.

Esta configurao de UPS monofsica consiste em trs conversores meia ponte

funcionando como retificador e inversor. O brao central que constitui as chaves S3 e S4 com

os seus respectivos diodos em antiparalelos funciona tanto na operao como retificador

quanto no inversor. As vantagens deste sistema so:

Perdas reduzidas devido utilizao do brao comum; O inversor de sada poder processar a mesma potncia de um inversor em ponte

completa, reduzindo os esforos de comutao e conduo dos semicondutores;

No possui caracterstica de conversor dobrador de tenso no estgio de entrada;


13

Estratgia de controle simples. Dentre as desvantagens apresentadas verificam-se:

Maior quantidade de baterias (maior custo e volume); Os diodos do brao central devem ser dimensionados acima da capacidade dos

demais diodos do sistema, pois quando conectado na sada uma carga no linear, a

corrente tende a fluir por estes diodos em antiparalelo, se somando com as correntes

que fluem no funcionamento normal do conversor CA-CC;

Estrutura inadequada para carga do banco de baterias, comprometendo a vida til do banco de baterias.

A prxima topologia a ser apresentada, ver Fig. 1.7, no foi encontrada na literatura,

mais constitui uma soluo para a grande quantidade de baterias utilizadas na topologia da

Fig. 1.6.

Fig. 1.7 Sistema UPS monofsico utilizando trs conversores em meia ponte modificado.

Este sistema conforme pode ser visto na Fig. 1.7, acrescentou um conversor buck como

carregador de baterias e utiliza o mesmo conversor CA-CC do estgio de entrada para elevar a

tenso do banco de baterias para o barramento CC. As vantagens deste sistema so:

Menor quantidade de baterias (menor volume); Perdas reduzidas devido utilizao do brao comum; O inversor de sada processa a mesma potncia de um inversor em ponte completa,

reduzindo os esforos de comutao e conduo dos semicondutores;

No possui caracterstica de conversor dobrador de tenso no estgio de entrada; Utilizao do indutor de entrada tanto no modo rede quanto no modo bateria.


14

Dentre as desvantagens apresentadas so:

Maior quantidade de semicondutores ativos; Os semicondutores do brao retificador devero ser dimensionados para operao

durante o modo bateria, comprometendo a questo da utilizao de um mdulo de

IGBTs trifsico, pois o mesmo dever ser sobredimensionado;

Os diodos do brao central devem ser dimensionados acima da capacidade dos demais diodos do sistema, pois quando conectado na sada uma carga no linear, a

corrente flui por estes diodos em antiparalelo, se somando com as correntes que

fluem no funcionamento normal do conversor CA-CC.

A topologia que segue foi proposta por Su [13], cujo esquemtico est mostrado na Fig.

1.8. Esta consiste na adaptao do retificador a trs nveis no estgio de entrada, com o

objetivo de aproveitar o mesmo circuito do modo rede no modo bateria. Um conversor buck

externo adicionado para carregar o banco de baterias.

Fig. 1.8 Sistema UPS monofsico utilizando o retificador a trs nveis adaptado.

Dentre as principais vantagens que podem ser citadas so:

Reduo da quantidade de interruptores ativos (4 interruptores controlados); Diminuio dos esforos de tenso na chave do conversor boost (tenso de bloqueio

no interruptor do conversor trs nveis 50% menor que na estrutura meia ponte);

Utiliza o mesmo conversor trs nveis do modo rede operando no modo bateria;


15

O indutor do conversor buck bem menor, pois no dimensionado para operar no modo boost como algumas estruturas da literatura vistas anteriormente;

Possibilita a adoo de uma estratgia de controle unificada e simples para os dois modos de operao do conversor do estgio de entrada;

Menor quantidade de baterias (menor custo e volume). Em contrapartida, esta estrutura apresenta desvantagens como:

Durante a operao no modo bateria, no existe possibilidade de corrigir o desbalano das tenses nos capacitores superior e inferior do barramento CC, pois

os mesmos so carregados em srie;

Maiores perdas por conduo (em algumas etapas de operao do conversor elevador de tenso podem existir at trs semicondutores em srie).

Com o objetivo de solucionar o problema do desbalano de tenses no barramento CC,

Su props uma segunda topologia [14], que pode ser vista na Fig. 1.9.

Fig. 1.9 Sistema UPS monofsico utilizando o retificador a trs nveis adaptado com controle das tenses dos

capacitores do barramento CC.

Esta topologia manteve as caractersticas do sistema anterior da Fig. 1.8, utilizando o

conversor trs nveis no estgio de entrada agora com dois interruptores ativos. A adio

destes dois interruptores proporcionou o controle da carga de cada capacitor no modo bateria,

corrigindo o problema do desbalano de tenses at com a insero de carga na sada com

caracterstica de retificador de meia onda. Com isso, a estrutura ficou com cinco interruptores


16

ativos no total, resultando em uma soluo muito competitiva e robusta. Dentre as principais

vantagens deste sistema destacam-se:

Menor quantidade de interruptores ativos comparado s estruturas que permitem o controle das tenses dos capacitores do barramento CC (5 interruptores

controlados);

Diminuio dos esforos de tenso na chave do conversor boost (tenso de bloqueio no interruptor do conversor trs nveis 50% menor que na estrutura meia ponte);

Utiliza o mesmo conversor trs nveis do modo rede operando no modo bateria; O indutor do conversor buck bem menor, pois no dimensionado para operar no

modo boost como algumas estruturas da literatura vistas anteriormente;

Possibilita a adoo de uma estratgia de controle unificada e simples para os dois modos de operao do conversor do estgio de entrada;

Menor quantidade de baterias (menor custo e volume); Possui controle sobre as tenses dos capacitores C1 e C2 durante o modo bateria. Dentre as desvantagens deste sistema proposto, se destacam:

Maior quantidade de semicondutores em srie durante as etapas de operao do conversor de entrada no modo rede (at 3 semicondutores) e no modo bateria (at

quatro semicondutores).

Entretanto, segundo a anlise comparativa feita [15], mesmo com esta configurao a

estrutura ainda apresenta resultados melhores que as estruturas que utilizam o conversor meia

ponte na entrada como conversor CA-CC.

Outro fato importante que os diodos em srie com os IGBTs podem ser retirados, se

utilizados interruptores IGBTs discretos com caractersticas de bloqueio coletor-emissor

simtrico. Os IGBTs com caracterstica NPT(Non punch through) seriam a primeira opo a

ser utilizada, pois de acordo com sua caracterstica fsica de construo so simtricos [16].

No entanto, esta tecnologia ainda no se encontra disponvel comercialmente com esta

capacidade simtrica de bloqueio. Uma explicao encontrada em um dos fabricantes

pesquisados foi que devido ao processo de fabricao, estes dispositivos com tecnologia NPT

(Non punch through) perdem sua capacidade de tenso de bloqueio simtrica [17].


17

A Tabela 1.1 apresenta um resumo das estruturas UPS no isoladas pesquisadas

destacando suas principais caractersticas. Nesta tabela sero comparadas somente as

estruturas que no conectam diretamente o banco de baterias ao barramento CC.

TABELA 1.1 CARACTERSTICAS DAS ESTRUTURAS UPS PESQUISADAS.

Estrutura

Fig. 1.3 Fig. 1.4 Fig. 1.5 Fig. 1.7 Fig. 1.8 Fig. 1.9

Semicondutores ativos 6 6 6 7 4 5

Quantidade de diodos 6 7 8 7 10 1 10 1

Quantidade total de semicondutores

12 13 14 14 14 15

Mod

o B

ater

ia Semicondutores

em srie (Conversor

Boost)

1 2 2 1 2 At 4 1

Mod

o R

ede

Semicondutores em srie

(Conversor Boost)

1 1 1 2 At 3 At 3 1

Possibilidade de curto circuito de brao

(Boost) Sim Sim Sim Sim No No

Tenso sobre os interruptores cc

V ccV ccV ccV ccV 2 ccV

2

Estratgia de controle simples simples simples simples simples simples

Correo do fator de potncia sim sim sim sim sim sim

Rendimento Modo rede

Modo bateria

89,1% 91,7%

88,8% 86,0%

No consta

90,7% 3 No

87,4% No

87,7% No

Controle das tenses do barramento CC

Modo rede Modo bateria

sim no

sim sim

sim sim

sim sim

sim no

sim sim

1 Ressaltando que caso haja disponibilidade no mercado de semicondutores, IGBTs discretos com capacidade de bloqueio simtrico, a quantidade total de diodos poder ser reduzida bem como a quantidade de semicondutores em srie no caminho da corrente.

2 Vale ressaltar que no estgio de entrada os interruptores so submetidos tenso de bloqueio igual a 2ccV .

3 Rendimento obtido na referncia da Fig. 1.6 sem o carregador de baterias.


18

Uma observao a respeito da Tabela 1.1 que as potncias de sada de todas as UPSs

no so as mesmas, variando entre 1kVA at 5kVA, o que pode ocasionar erros na

comparao dos rendimentos dos sistemas.

1.4 MOTIVAO DO TRABALHO

Um detalhe que foi observado durante a pesquisa bibliogrfica destas topologias

apresentadas na seo anterior que quase todas, com exceo das apresentadas nas Figs. 1.6

e 1.7, utilizam estgios de entrada com caractersticas dobradoras de tenso derivados de [18].

Alm disso, no verificam a aplicao das estruturas pesquisadas funcionando com tenso de

alimentao de 220Vca. Isto se deve ao fato de que este tipo de estrutura necessita que as

tenses em cada capacitor do barramento CC sejam maiores ou iguais ao valor de pico da

tenso de entrada, para que a mesma possa operar realizando a correo do fator de potncia.

Ou seja, ligando esta UPS em 220Vca o barramento CC dever operar com no mnimo 622Vcc,

desconsiderando-se as variaes de tenses na entrada que so geralmente de 15%. Isto faz

com que a operao destas estruturas nesta faixa de tenso fique comprometida, necessitando

o acrscimo de mais baterias e semicondutores com capacidade de bloqueio elevada,

refletindo diretamente no custo final do equipamento.

Para solucionar este problema, geralmente se utiliza nas topologias isoladas um

enrolamento auxiliar no primrio do transformador isolador de entrada, para que a UPS possa

funcionar com duas tenses distintas na entrada, conforme apresentado na Fig.1.10. Logo, o

estgio de entrada composto pelo retificador e um conversor boost sempre alimentado com

110Vca (15%). J no estgio de sada desta UPS, utilizado um autotransformador tambm

com duas possibilidades de tenso de fornecimento. Nesta configurao, o circuito bypass

possui uma sada isolada no transformador de entrada com a mesma capacidade da sada que

alimenta o conversor principal, sendo conectado ao estgio de sada atravs do primrio do

autotransformador, para proporcionar a operao com duas tenses de fornecimento da sada.

Esta soluo acrescenta custos e principalmente aumento do peso e volume do sistema.

Ressalta-se que o transformador isolador de entrada alm de possuir a finalidade de dupla

alimentao na entrada do sistema UPS, como dito no pargrafo anterior, obrigatrio para

possibilitar a operao do circuito bypass, sob pena de ocorrer um curto circuito na etapa de

potncia durante o funcionamento do bypass caso no tenha o mesmo.


19

No diagrama da Fig. 1.10, o conversor Buck utilizado para carregar o banco de

baterias sendo conectado a um enrolamento auxiliar do transformador de entrada. No entanto,

existe tambm a possibilidade de conect-lo no barramento CC.

Fig. 1.10 Sistema UPS monofsico on-line com isolamento.

Uma caracterstica importante nas topologias de UPSs on-line no isoladas

apresentadas, que a tenso de entrada determina o valor da tenso na sada para a correta

operao do bypass. Como nem todos os equipamentos que sero conectados a sistemas UPS

no isolados possuem as mesmas tenses de alimentao conforme a rede eltrica local a qual

sero utilizados, a questo da operao do circuito bypass se torna problemtica, necessitando

de uma soluo para este tipo de situao prtica.

Diante do exposto, neste trabalho se prope o estudo de uma topologia de UPS on-line

no isolada, que propicie a operao com duas tenses de entrada e duas tenses de sada.

importante que esta topologia possibilite a operao do circuito bypass mesmo sem a presena

de um transformador isolador na entrada, e com as duas tenses de alimentao e de

fornecimento para cargas distintas (110V/220V). Dentre as possveis aplicaes deste sistema,

os quais serviro de referncia para as especificaes, destacam-se os sistemas de

telecomunicaes e de informtica. importante que esta estrutura esteja em conformidade

com as normas mundiais de qualidade de energia vigentes na rea de UPS para estas

aplicaes citadas. Dentre os principais fatores importantes na performance de um sistema

UPS que sero buscados no desenvolvimento deste trabalho cita-se:

Tenso de sada senoidal regulada com baixa taxa de distoro harmnica (< 3%);


20

Alto fator de potncia e baixa taxa de distoro harmnica da corrente drenada pelo sistema UPS, contribuindo para diminuio dos problemas causados por cargas no

lineares;

Baixo nvel de interferncia eletromagntica (EMI); Continuidade de servio, robustez e confiabilidade; Alta eficincia e volume reduzido; Custo benefcio compatvel com o mercado de UPSs. A estrutura proposta baseada no retificador monofsico a trs nveis modificado no

estgio de entrada e um inversor duplo meia ponte na sada. Ressalta-se que a topologia do

conversor meia ponte no estgio de entrada tambm poder utilizar esta soluo apresentada.

A Fig. 1.11 mostra o sistema UPS monofsico on-line no isolado com tenses de entrada e

sada de 110Vca/220Vca. A estrutura tambm possibilita a operao com tenses de

115Vca/230Vca e 120Vca/240Vca (outros padres de tenses mundiais), ressaltando que a

tenso de entrada do sistema admite uma variao de 15%. Modificando a defasagem das

tenses em cada inversor do sistema UPS, possibilita a operao do sistema com outros

valores de tenses eficazes na terceira sada, composta pela soma das tenses em cada sada

dos braos dos inversores do sistema UPS.

Fig. 1.11 Sistema UPS monofsico on-line proposto.

Para solucionar o problema da alimentao das estruturas dobradoras ligadas em

220Vca, utilizado um autotransformador na entrada do sistema, possibilitando que a

estrutura seja sempre suprida no tap de 110Vca. Isto permite a reduo do nmero de baterias

a serem utilizadas e consequentemente as perdas devido alta razo cclica dos interruptores.


21

O autotransformador apresenta vantagens para a aplicao, pois possui cerca da metade do

volume e custo de um transformador isolador comumente utilizado nas estruturas

convencionais de sistemas UPS conforme apresentado na Fig 1.10. O outro tap do

autotransformador permitir que o circuito bypass opere mesmo que o inversor de sada

fornea duas tenses de sada distintas, o que realmente uma vantagem nestes tipos de

estruturas no isoladas.

O retificador a trs nveis oferece vantagens que o qualificam para esta aplicao

conforme [19]. Este funcionar como conversor CA-CC no modo rede e CC-CC no modo

bateria, utilizando uma estratgia de controle unificada baseada na tcnica denominada de

controle modo corrente mdia para os dois modos de operao. O inversor duplo meia ponte

tem como vantagem o fornecimento de duas tenses distintas na sada de acordo com o tipo

de ligao da carga, eliminando a utilizao de um autotransformador na sada. A tcnica de

controle e modulao a ser utilizada no estgio de sada ser a realimentao em modo tenso

e a modulao PWM senoidal bipolar, respectivamente.

Outro aspecto importante neste sistema a diminuio do volume dos materiais

magnticos, empregando uma alta freqncia de operao comercialmente no utilizada. Para

viabilizar a questo das perdas devido ao aumento da freqncia de chaveamento dos

conversores da UPS, utilizado um snubber passivo no dissipativo no estgio de entrada e

semicondutores IGBTs no inversor com caractersticas de baixas perdas em conduo e

comutao, e baixo custo comparados a tecnologias do tipo MOSFET e de ltima gerao

disponveis comercialmente [35].

As chaves estticas (SS1 a SS4) e rels (Sa1 e Sa2), conforme podem ser observados na Fig.

1.11, so utilizados para proporcionar a operacionalidade do bypass e o modo bateria.

Neste trabalho ser abordado o estudo dos conversores que compem o estgio de

entrada e sada do sistema mostrado na Fig. 1.11, com a implementao das malhas de

controle que proporcionem sua operao dentro das caractersticas propostas e o

desenvolvimento de uma metodologia de projeto que possa implement-lo. A implementao

do carregador de baterias, chaves estticas e rels no sero abordados neste trabalho,

constituindo uma proposta futura de integrao dos conversores, bypass e sistema

supervisrio.


22

1.5 CONCLUSES

Este captulo apresentou as principais solues propostas na literatura relacionadas com

a implementao prtica de sistemas UPS do tipo on-line no-isolados. Para isso, foi

apresentada e discutida cada topologia estudada e ao final foi realizada uma comparao a

partir dos parmetros coletados em cada artigo.

Foi visto que a concepo da topologia a ser estudada dever propiciar a operao com

duas tenses distintas na entrada e sada (110V/220V), atravs da utilizao de um

autotransformador no estgio de entrada e de um inversor duplo meia ponte na sada. Isto

solucionar o problema dos estgios de entrada com caractersticas de dobradores de tenso,

os quais constituem grande parte das topologias com o neutro comum apresentadas, quando

alimentados em 220V.

Esta nova topologia constitui uma boa opo frente s solues utilizadas atualmente no

mercado de UPSs, que utilizam para realizar tal funo um transformador isolador na entrada

e um autotransformador na sada, acrescendo custo, volume e peso ao sistema.

Portanto, este trabalho tem como objetivo o estudo e implementao prtica dos

conversores que compem a topologia de UPS on-line no isolada proposta, empregando o

conversor CA-CC/CC-CC a trs nveis no estgio de entrada e um inversor duplo meia ponte

na sada.

CAPTULO II Anlise Qualitativa e Quantitativa do Conversor CA-CC/CC-CC a Trs Nveis

23

CAPTULO II

ANLISE QUALITATIVA E QUANTITATIVA DO CONVERSOR

CA-CC/CC-CC A TRS NVEIS

2.1 INTRODUO

Neste captulo analisado o funcionamento do conversor CA-CC/CC-CC a trs nveis

na sua operao no modo rede e modo bateria. Este conversor foi escolhido para constituir o

estgio de entrada do sistema UPS proposto, devido s suas diversas caractersticas de

performance apresentadas em [15] e [19], dentre as quais se podem citar:

Reduzido nmero de semicondutores ativos em virtude da integrao do retificador e conversor boost;

A tenso de bloqueio dos interruptores a metade da tenso total do barramento CC, refletindo diretamente na especificao dos semicondutores com tenso de bloqueio

menor e conseqentemente reduzido CEV ;

A corrente drenada da rede mantm um elevado fator de potncia e baixa distoro harmnica desde uma faixa de carga baixa at plena carga, o que torna vantajoso o

sistema mesmo quando funcionando com pouco carregamento;

No utiliza um conversor auxiliar para o funcionamento no modo bateria, contribuindo para a reduo do volume, peso e custo do sistema UPS.

Esta anlise importante para se determinar todo equacionamento necessrio para as

especificaes dos semicondutores e elementos passivos do estgio de potncia do conversor

CA-CC/CC-CC.

2.2 CONVERSOR CA-CC/CC-CC A TRS NVEIS

A Fig. 2.1 apresenta o estgio de entrada do sistema UPS monofsico on-line no

isolado, consistindo no conversor a trs nveis modificado para viabilizar sua operao nos

dois modos de converso de energia que o sistema em questo pode operar. O conversor

derivado da topologia do retificador a trs nveis proposto em [15] e [19]. Neste conversor

adicionado o diodo D5, que alm de funcionar como diodo boost nos dois modos de operao

juntamente com os diodos D1 e D2, evita que haja um curto-circuito no capacitor Co2 no


24

chaveamento do interruptor S2. O indutor Lb comum aos dois modos de operao,

funcionando como armazenador de energia para realizar a funo de indutor boost. Apesar

dos interruptores S1 e S2 serem unidirecionais em corrente, por se tratar de interruptores do

tipo IGBT, necessrio a incluso dos diodos D3 e D4 em srie com ambos para proteg-los

de qualquer tenso coletor-emissor negativa, conforme foi explicado no captulo I. O

barramento CC de sada constitudo por dois capacitores de capacitncias iguais submetidos

ao mesmo valor mdio da tenso, com a ligao do ponto central comum a fonte de

alimentao na entrada. O banco de baterias conectado antes do indutor boost, aps o

fechamento do rel Sa2 e abertura do rel Sa1.

Fig. 2.1 Conversor monofsico CA-CC/CC-CC a trs nveis.

2.3 MODOS DE OPERAO E ETAPAS DE FUNCIONAMENTO

Nesta seo sero apresentados os modos de operao do conversor a trs nveis, de

acordo com a estratgia de chaveamento que ser utilizada na implementao prtica. Os

modos de operao do conversor constituem etapas de funcionamento distintas, tornando

necessria a separao da anlise do modo rede do modo bateria.

2.3.1 DESCRIO DAS ETAPAS DE FUNCIONAMENTO NO MODO REDE

Na operao no modo rede o conversor apresenta quatro etapas distintas de

funcionamento, de acordo com o semiciclo da tenso de entrada. Isto porque o conversor

derivado do conversor boost CC/CC, possuindo uma etapa de acumulao de energia e uma

etapa de transferncia de energia para a carga. O rel Sa1 estar sempre ligado enquanto Sa2

estiver desligado.


25

1a Etapa: Semiciclo positivo da tenso de entrada.

Nesta etapa de operao os interruptores S1 e S2 so comandados a conduzir, e recebem

o mesmo sinal de comando PWM, porm a corrente flui diretamente pelo interruptor S1 e

diodo D3, pois os mesmos oferecem condies favorveis de conduo. A energia

transferida da rede para o indutor boost Lb indicando que a corrente de entrada cresce. Esta

etapa termina quando os interruptores so comandados a bloquear. No barramento CC os

capacitores Co1 e Co2 fornecem continuamente energia para as cargas. Esta etapa est

representada na Fig. 2.2.

Fig. 2.2 Primeira etapa de funcionamento. Acumulao de energia no indutor Lb.

2a Etapa: Semiciclo positivo da tenso de entrada.

Aps o bloqueio dos interruptores na etapa anterior, se inicia esta etapa ocorrendo a

transferncia de energia da rede e do indutor de entrada para o capacitor Co1 e Ro1. Isto

acontece devido ao bloqueio do interruptor S1, fazendo com que o diodo D2 entre em

conduo. Vale ressaltar que nesta etapa existe somente um semicondutor em estado de

conduo.

Nesta etapa o capacitor Co2 continua transferindo energia para a carga Ro2, diminuindo a

tenso nos seus terminais. Os demais semicondutores permanecem bloqueados, no

permitindo transferncia de energia para esta sada. Esta etapa finaliza quando os interruptores

so comandados a conduzir. A Fig. 2.3 mostra com detalhes a segunda etapa de operao.


26

Fig. 2.3 Segunda etapa de funcionamento. Transferncia de energia para a sada 1.

3a Etapa: Semiciclo negativo da tenso de entrada.

No semiciclo negativo da tenso de entrada, ocorre a inverso no sentido da corrente de

entrada, permitindo que o interruptor S2 entre em estado de conduo, pois o mesmo est

sendo acionado pelo sinal PWM. Nesta etapa ocorre mais uma vez o acmulo de energia no

indutor de entrada Lb. Neste semiciclo de operao, o diodo D1 permanece conduzindo em

todas as etapas. Esta etapa conclui quando os interruptores so comandados a bloquear. Esta

etapa est mostrada na Fig. 2.4.

Fig. 2.4 Terceira etapa de funcionamento. Acumulao de energia no indutor Lb.

4a Etapa: Semiciclo negativo da tenso de entrada.

Esta por ltimo corresponde ltima etapa de funcionamento para a operao no modo

rede. O interruptor S2 comandado a bloquear e os diodos D1 e D5 circulam a corrente da rede

transferindo energia para a sada 2. Neste semiciclo o capacitor da sada 1 no recebe energia

da entrada, mas permanece fornecendo energia para a carga Ro1. Esta etapa termina quando os


27

interruptores so comandados a conduzir. A Fig. 2.5 mostra o comportamento da topologia

nesta etapa.

Fig. 2.5 Quarta etapa de funcionamento. Transferncia de energia para a sada 2.

De acordo com o que foi visto na apresentao das etapas de funcionamento para a

operao no modo rede, pde-se notar que a estratgia de comando bem simples e no

necessita ser sincronizada por algum circuito externo.

A seguir sero apresentadas as principais formas de onda do conversor operando no

modo rede obtidas via simulao. Na operao desse conversor neste modo, o mesmo estar

conformando a corrente de entrada atravs de tcnicas de correo ativa do fator de potncia.

A forma de onda da corrente drenada pela rede apresentada na Fig. 2.6.

Fig. 2.6 (a) Forma de onda da corrente de entrada; (b) detalhe da corrente de entrada.

As formas de onda de corrente no interruptor S1 e diodo D2 so apresentadas nas

Figs. 2.7 e 2.8, respectivamente.


28

Fig. 2.7 (a) Forma de onda da corrente no interruptor S1; (b) detalhe da corrente em S1.

Fig. 2.8 (a) Forma de onda da corrente no diodo D2; (b) detalhe da corrente em D2.

As formas de onda de corrente no interruptor S2, diodo D5 e diodo D1 so apresentadas

nas Figs. 2.9, 2.10 e 2.11, respectivamente.




29


A Fig. 2.12 apresenta a tenso entre os pontos 1 e 2 do conversor. O formato desta onda

apresenta uma modulao com trs nveis distintos de tenso, que corresponde aos dois nveis

de tenso nos capacitores de sada (+VCo1 e -VCo2) e o nvel 0 durante a passagem da tenso de

entrada pelo zero. Devido a este comportamento da tenso no ponto central dos capacitores

para o indutor de entrada, necessrio a incluso dos diodos D3 e D4 para proteo dos

interruptores, evitando que acontea alguma tenso coletor-emissor negativa.

Fig. 2.12 Forma de onda da tenso entre os pontos 1 e 2 no modo rede.

2.3.2 DESCRIO DAS ETAPAS DE FUNCIONAMENTO NO MODO BATERIA

Neste modo de operao, a estratgia de comando modificada para que o conversor

possa operar com as etapas de funcionamento desejadas. Esta estratgia possibilitar

principalmente o controle das tenses em cada capacitor do barramento CC.

No modo bateria o conversor apresenta quatro etapas distintas de funcionamento, de

acordo com o quadrante de operao. Um quadrante de operao corresponde a um semiciclo

da rede eltrica, ou seja, metade do perodo da rede. O objetivo desta estratgia manter a

transferncia de energia para os capacitores do barramento CC da mesma forma que acontece

no modo rede. O rel Sa1 estar sempre desligado enquanto Sa2 estiver ligado.


30

1a Etapa: Quadrante I

Nesta etapa de operao, os interruptores S1 e S2 se encontram em conduo juntamente

com seus respectivos diodos em srie. A energia transferida do banco de baterias para o

indutor boost Lb indicando que a corrente de entrada est crescendo. No barramento CC os

capacitores Co1 e Co2 no recebem energia do estgio de entrada e fornecem continuamente

energia para as cargas. Esta etapa termina quando o interruptor S1 comandado a bloquear.

Esta etapa est representada na Fig. 2.13.

Fig. 2.13 Primeira etapa de funcionamento. Acumulao de energia no indutor Lb.

2a Etapa: Quadrante I

Nesta etapa, ainda no quadrante I, o interruptor S1 comandado a bloquear e o diodo D2

comea a conduzir a corrente de entrada transferindo energia da bateria e do indutor para a

sada 1. O interruptor S2 permanece ligado promovendo um caminho para que o banco de

baterias e o indutor de entrada transfiram energia somente para o capacitor Co1 e a carga Ro1.


tenso nos seus terminais. Os demais semicondutores permanecem bloqueados, no

permitindo transferncia de energia para outra sada. Esta etapa conclui quando o interruptor

S1 comandado a conduzir. A Fig. 2.14 mostra com detalhes a segunda etapa de operao.


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Fig. 2.14 Segunda etapa de funcionamento. Transferncia de energia para a sada 1.

3a Etapa: Quadrante II

Nesta etapa de operao, a estratgia de chaveamento invertida sendo que agora o

interruptor S1 permanecer continuamente ligado ao passo que o interruptor S2 far a

modulao PWM. O funcionamento apresenta o mesmo estado topolgico mostrado na

primeira etapa da Fig. 2.13. Nesta etapa ocorre mais uma vez o acmulo de energia no indutor

de entrada Lb. No barramento CC os capacitores Co1 e Co2 no recebem energia do estgio de

entrada e fornecem continuamente energia para as cargas. Esta etapa termina quando o

interruptor S2 comandado a bloquear. Esta etapa est representada na Fig. 2.15.

Fig. 2.15 Terceira etapa de funcionamento. Acumulao de energia no indutor Lb.

Nesta etapa, ainda no quadrante II, o interruptor S2 comandado a bloquear e o diodo

D5 comea a conduzir permitindo que o estgio de entrada transfira energia para a sada 2.


tenso nos seus terminais. Esta etapa termina quando o interruptor S2 comandado a

conduzir. A Fig. 2.16 mostra com detalhes a quarta e ltima etapa de operao no modo

bateria.


32

Fig. 2.16 Quarta etapa de funcionamento. Transferncia de energia para a sada 2.

Pelo exposto, foi visto que durante a operao do conversor a trs nveis nos dois modos

so adotadas duas estratgias de chaveamento distintas. Isto devido ao fato que se fosse

utilizado a mesma estratgia de chaveamento do modo bateria no modo rede, o conversor iria

funcionar normalmente, no entanto haveria uma necessidade de sincronismo dos sinais de

comando de acordo com o semiciclo da rede eltrica. Isto prejudicaria a performance do

algoritmo de controle supervisrio, haja vista que no haveria necessidade de utilizar o

sincronismo para o conversor boost no modo rede, pois o estgio do inversor j sincronizado

com a rede.

A seguir sero apresentadas as principais formas de onda, obtidas via simulao, do

conversor operando no modo bateria. Durante a operao desse conversor neste modo, o

mesmo estar utilizando a mesma malha de controle do modo rede, s que agora conformando

a corrente de entrada com uma envoltria contnua, para que a corrente drenada pelo banco de

baterias possua a menor ondulao possvel.

A forma de onda da corrente drenada pela bateria apresentada na Fig. 2.17.

Fig. 2.17 (a) Forma de onda da corrente drenada pela bateria; (b) detalhe da corrente da bateria.




33


Fig. 2.19 (a) Forma de onda da corrente no diodo D2;(b) detalhe da corrente em D2.






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Um detalhe observado durante as etapas de operao no modo bateria que o diodo D1

no entra em estado de conduo, permanecendo bloqueado em qualquer instante. Assim, a

tenso entre os pontos 1 e 2 do conversor apresenta um formato com dois nveis distintos de

tenso, que corresponde ao nvel de tenso do capacitor de sada (+VCo1) e o nvel 0. A forma

de onda da tenso entre os pontos 1 e 2 apresentada na Fig. 2.22.

Fig. 2.22 Forma de onda da tenso entre os pontos 1 e 2 no modo bateria.

2.4 ANLISE QUANTITATIVA DO ESTGIO DE POTNCIA

A seguir ser apresentada a anlise quantitativa do conversor a trs nveis operando nos

dois modos de operao. Com isso, ser possvel o desenvolvimento de uma metodologia de

projeto que visa atender a especificao e operao do conversor nos dois modos operao.

2.4.1 OPERAO EM REGIME PERMANENTE

Durante a operao do conversor a trs nveis em regime permanente, o princpio de

transferncia de potncia do estgio de entrada para a sada bem semelhante para os dois

modos. A mudana que deve ser observada e analisada est no equacionamento, pois os dois

tipos de fonte de alimentao do conversor so diferentes.

2.4.1.1 ANLISE PARA O MODO REDE OPERANDO COM FATOR DE POTNCIA UNITRIO

Para facilitar a anlise da operao do conversor CA-CC a trs nveis operando em

regime permanente e com fator de potncia unitrio, ser realizado uma simplificao do

conversor considerando o mesmo como dois conversores do tipo boost, onde cada conversor


35

opera durante meio ciclo da tenso de entrada. A Fig. 2.23 apresenta os dois estados

topolgicos do conversor para cada semiciclo de operao. Pode-se notar que os dois

conversores so semelhantes e possuem a mesma caracterstica de operao.

Fig. 2.23 Estados topolgicos do conversor para um semiciclo da tenso de entrada: a)positivo; b)negativo.

Para realizar a anlise do conversor, opta-se por utilizar a topologia da Fig. 2.23(a) que

corresponde ao semiciclo positivo de operao do conversor. Desconsiderando a ondulao de

alta freqncia, para o conversor da Fig. 2.23, a corrente no indutor de entrada apresenta uma

forma senoidal durante o semiciclo positivo na entrada e valor nulo durante o semiciclo

negativo de Ve. Desta forma:

( ) 2 ( )e ei t I sen t = 0 t . (2.1) Em (2.1) Ie corresponde ao valor eficaz da corrente de entrada. A corrente nula

durante o semiciclo negativo da corrente de entrada, ento:

( ) 0ei t = 2t . (2.2) Seja a tenso de entrada da rede eltrica dada por:

( ) 2 ( )e ev t V sen t = , (2.3) onde Ve representa o valor eficaz da tenso de entrada.

A potncia instantnea de entrada expressa em (2.4) para o semiciclo positivo,

( ) ( ) ( )e e ep t v t i t = 0 t . (2.4) Substituindo (2.1) e (2.3) em (2.4), obtm-se:

( ) 2 ( ) 2 ( )e e ep t V sen t I sen t = . (2.5) Desenvolvendo obtm-se (2.6) e (2.7):


36

2( ) 2 ( )e e ep t V I sen t = (2.6) Ou

[ ]( ) 1 (2 )e e ep t V I cos t = . (2.7) Para o semiciclo negativo da tenso de entrada, a potncia instantnea :

( ) 0ep t = 2t . (2.8) Considerando que a mesma potncia instantnea de entrada seja fornecida ao estgio de

sada para efeito de anlise, obtm-se para o semiciclo positivo:

[ ]( ) 1 (2 )s e ep t V I cos t = 0 t . (2.9) Durante o semiciclo negativo de ve a potncia instantnea fornecida ao estgio de sada

nula. Assim:

( ) 0sp t = 2t . (2.10) A corrente fornecida ao estgio de sada considerando o valor mdio da tenso nos

terminais do capacitor Co1, proporcional potncia instantnea de sada. Sendo assim:

( )( ) ssp ti t

E = 0 t . (2.11)

Substituindo (2.9) em (2.11) obtm-se:

[ ]1 (2 )( ) e es V I cos ti t E = 0 t . (2.12)

A equao (2.12) representa o valor mdio instantneo da corrente injetada no estgio

de sada ou o valor mdio da corrente no diodo D2, durante meio ciclo da tenso da

alimentao. Durante o semiciclo negativo, a corrente injetada no estgio de sada nula,

visto que o diodo D2 se encontra bloqueado. Durante este instante, o capacitor Co1 descarrega

continuamente para a carga Ro1. Desta forma a corrente de sada para este intervalo pode ser

expressa por:

( ) 0si t = 2t . (2.13) Para efeito de visualizao desta anlise, sero mostradas as figuras referentes

operao do conversor da Fig. 2.23(a) durante um ciclo completo da tenso de alimentao. A

Fig. 2.24 mostra as formas de onda da tenso e corrente na entrada, potncia instantnea na

entrada e sada e corrente fornecida ao estgio de sada.


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Fig. 2.24(a) Tenso e corrente na entrada; (b) potncias de entrada e sada e corrente de sada.

2.4.1.2 ANLISE PARA O MODO BATERIA

Da mesma forma do modo rede, no modo bateria realiza-se uma simplificao

separando cada estado topolgico do conversor de acordo com o quadrante de operao. Isto

possvel devido ao princpio de transferncia de energia no modo bateria ser o mesmo do

modo rede, permitindo a separao de um conversor boost para cada quadrante da tenso da

bateria. A Fig. 2.25 mostra os estados topolgicos possveis para este modo de operao.

Fig. 2.25 Estados topolgicos do conversor para um quadrante da tenso da bateria:a) I ; b) II.

Para realizar a anlise do conversor, opta-se por utilizar a topologia da Fig. 2.25(a) que

corresponde ao primeiro quadrante de operao do conversor. Desconsiderando a ondulao

de alta freqncia, a corrente do indutor de entrada apresenta uma forma de onda contnua

durante todo primeiro quadrante de operao. Desta forma:

( ) ( )( )( )e bat e bat medi t I = 0 t ( I Quadrante). (2.14) Em (2.14) Ie(bat) corresponde ao valor mdio da corrente de entrada no modo bateria. A

corrente injetada na sada 1 durante o segundo quadrante de operao nula, ento:

( ) ( ) 0e bati t = 2t ( II Quadrante). (2.15)


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Para efeito de simplificao, a tenso fornecida pelo banco de baterias considerada

constante com um valor mdio calculado usando:

( ) ( )( ) 2b corte b nom

b med b

V VV N

+ = , (2.16)

onde Vb(corte) representa a tenso mnima de descarga recomendada pelo catlogo do fabricante

das baterias [21], Vb(nom) a tenso de flutuao nominal da bateria e Nb o nmero de baterias

em srie.

A potncia instantnea de entrada expressa para o I quadrante como:

( ) ( ) ( )( ) ( )e bat b med e batp t V i t = 0 t ( I Quadrante). (2.17) Substituindo (2.14) e (2.16) em (2.17), obtm-se:

( ) ( )( ) ( )( )( ) 2b corte b nom

e bat b e bat med

V Vp t N I + = . (2.18)

Para o segundo quadrante da tenso do banco de baterias, a potncia instantnea :

dissertacao gustavo completa

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