inversor monofsico isolado em alta frequencia

Download INVERSOR MONOFSICO ISOLADO EM ALTA FREQUENCIA

Post on 29-Dec-2015

27 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEAR CENTRO DE TECNOLOGIA

    PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

    Carlos Elmano de Alencar e Silva

    INVERSOR MONOFSICO ISOLADO EM ALTA FREQNCIA COM AMPLA FAIXA

    DE TENSO DE ENTRADA

    Fortaleza, janeiro de 2007.

  • ii

    CARLOS ELMANO DE ALENCAR E SILVA

    INVERSOR MONOFSICO ISOLADO EM ALTA FREQNCIA COM AMPLA FAIXA DE TENSO DE

    ENTRADA

    Dissertao submetida Universidade Federal do Cear como parte dos requisitos para obteno do grau de Mestre em

    Engenharia Eltrica.

    Orientador: Demercil de Souza Oliveira Jnior

    Fortaleza, janeiro de 2007.

  • iii

    INVERSOR MONOFSICO ISOLADO EM ALTA FREQNCIA COM AMPLA FAIXA DE TENSO DE ENTRADA

    Carlos Elmano de Alencar e Silva

    Esta Dissertao foi julgada adequada para obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia Eltrica, rea de Concentrao em Eletrnica de Potncia, e aprovada em sua forma final

    pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica da Universidade Federal do Cear.

    __________________________________________

    Prof. Demercil de Souza Oliveira Jnior, Dr. Orientador

    __________________________________________

    Prof. Otaclio da Mota Almeida, Dr. Coordenador do Programa de Ps-Graduao em Eng. Eltrica

    Banca Examinadora:

    __________________________________________

    Prof. Demercil de Souza Oliveira Jnior, Dr. Presidente

    __________________________________________

    Prof. , Dr.

    __________________________________________

    Prof. , Dr.

    __________________________________________

    Prof. , Dr.

  • iv

    A imaginao mais importante que o conhecimento. (Albert Eisntein)

  • v

    Deus, sabedoria em si.

  • vi

    Aos meus pais, Maria Amlia de Alencar e Manuel dos Reis Almeida da Silva, pelo sustento e apoio que me permitiram alcanar

    esse objetivo e por jamais terem descuidado de minha educao.

  • vii

    AGRADECIMENTO

    Quero agradecer em primeiro lugar a Deus, sabedoria em si, pelo dom da vida. No posso deixar de manifestar tambm minha gratido aos meus pais, Maria Amlia de Alencar e Manuel dos Reis Almeida da Silva, pelo amor, dedicao e desvelo educacional para comigo. Meu muito obrigado professora PhD. Ruth Pastora Saraiva Leo pelo auxlio e confiana

    que me abriram os horizontes acadmicos, sem os quais no teria chegado at aqui. Agradeo ainda ao meu orientador, professor Dr. Demercil de Souza Oliveira Jnior,

    pea fundamental na elaborao deste trabalho, pela confiana em mim depositada, pela presena constante, pela disponibilidade nos momentos de dificuldade e pela experincia e

    conhecimento transmitidos. Ao professor Dr. Ren Torrico Bascop, elemento chave na minha formao

    acadmica. A todos os professores do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica, pelos conhecimentos transmitidos.

    Aos companheiros de laboratrio que tanto contriburam com sugestes e auxlio nos momentos de dificuldade. Ao Grupo de Processamento de Energia e Controle (GPEC) do Departamento de Engenharia Eltrica (DEE) da Universidade Federal do Cear (UFC), no qual desenvolvi minhas atividades.

    Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) pelo apoio financeiro.

  • viii

    Silva, C. E. A. INVERSOR MONOFSICO ISOLADO EM ALTA FREQNCIA COM AMPLA FAIXA DE TENSO DE ENTRADA, Universidade Federal do Cear UFC, 2007, 154p.

    Essa dissertao apresenta a anlise, o projeto, a simulao e os resultados experimentais de um inversor monofsico, isolado em alta freqncia, capaz de operar com

    ampla faixa de tenso de entrada. Dessa forma, esse conversor se encaixa em aplicaes com fontes alternativas de energia e em aplicaes com baterias. A topologia desenvolvida consiste em uma estrutura de dois estgios de processamento de potncia. O primeiro estgio implementado por um conversor push-pull responsvel pela isolao eltrica em alta

    freqncia e pela elevao da tenso de entrada, fornecendo em sua sada uma tenso contnua e regulada de 420V. O segundo estgio de processamento de potncia implementado por um inversor ponte completa reponsvel pela modulao senoidal da tenso de sada. apresentada a anlise de cada um dos estgios de processamento de potncia, em seguida, o

    projeto completo do circuito de potncia feito para um prottipo de 400VA, com tenso de sada de 220V eficaz, freqncia de sada de 400Hz, e tenso de entrada entre 60V e 90V. feita a compensao em freqncia de cada um dos estgios de processamento de potncia, garantindo a estabilidade de operao, a regulao da tenso de sada mediante variaes de

    carga e reduo da ondulao de 800Hz introduzida na corrente pelo inversor ponte completa. O projeto completo dos compensadores e a estrutura dos circuitos de controle so apresentados. So mostrados os resultados de simulao do conversor projetado para diversas cargas e condies extremas de operao, os quais do suporte montagem do prottipo. Finalmente so apresentados os principais resultados experimentais do prottipo montado em

    laboratrio.

    Palavras-chave: Converso CC-CA, Isolao em alta freqncia, Tenso de entrada

    varivel, Alta taxa de elevao.

  • ix

    Silva, C. E. A. A SINGLE-PHASE INVERTER WITH HIGH-FREQUENCY ISOLATION AND WITH LARGE INPUT VOLTAGE RANGE, Universidade Federal do Cear UFC, 2007, 154p.

    This dissertation presents the analysis, design, simulation and experimental results of a single-phase high frequency isolated inverter, capable to operate with large input voltage

    range. Thus, this converter is feasible to alternative energy applications and battery source energy applications. The developed topology consists of a two stages structure of power processing. The first power processing stage is implemented by a push-pull converter to response by electrical isolation and by input voltage level rise, supplying continuous and

    regulated voltage in 420V. The second power processing stage is implemented by a full-bridge inverter, responsible by sine modulation of output voltage. The analysis of each one of the power processing stages is presented, after that, the full design of the power circuit is executed for a 400VA prototype, with 220V rms output voltage, 400Hz output frequency and

    60-90V input voltage range. The frequency compensation is executed for each one of the power processing stages, assuring the operation stability, voltage regulation in load variations and 800Hz ripple attenuation inserted by full-bridge inverter. The full design of the controllers and general structure of the control circuits are shown. The simulation results of

    the designed converter for diverse loads and extreme operation conditions are present, which gives support to the build of the prototype. Finally the main experimental results of the laboratory prototype are shown.

    Key-words: DC-AC conversion, High frequency isolation, Input voltage variable, High elevation ratio.

  • SUMRIO

    LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................ XV

    LISTA DE TABELAS ....................................................................................................... XX

    LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ........................................................................ XXI

    LISTA DE SMBOLOS ...................................................................................................XXII

    INTRODUO .....................................................................................................................1

    CAPTULO 1 CONVERSO CC-CA.................................................................................4 1.1 Introduo ..............................................................................................................4 1.2 Isolamento eltrico .................................................................................................4 1.3 Converso CC-CA de estgio simples.....................................................................6

    1.3.1 Topologias de quatro interruptores ..................................................................7 1.3.2 Topologias de seis interruptores ......................................................................8

    1.4 Converso CC-CA de mltiplos estgios ................................................................9 1.4.1 Converso CC-CA-CA....................................................................................9 1.4.2 Converso CC-CC-CA.................................................................................. 10 1.4.3 Converso CC-CA-CC-CA ........................................................................... 12

    1.5 Escolha da topologia............................................................................................. 14 1.5.1 Primeiro estgio ............................................................................................ 14 1.5.2 Segundo estgio ............................................................................................ 15 1.5.3 Terceiro estgio............................................................................................. 16

    1.6 Diagrama esquemtico da estrutura escolhida ....................................................... 17 1.7 Consideraes finais ............................................................................................. 17

    CAPTULO 2 ANLISE COMPLETA DO CONVERSOR IMPLEMENTADO .............. 18 2.1 Introduo ............................................................................................................ 18 2.2 Conversor CC-CC push-pull ................................................................................. 18

    2.2.1 Modulao dos interruptores ...........................................