inversor monofÁsico isolado em alta

7/28/2019 INVERSOR MONOFSICO ISOLADO EM ALTA

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARCENTRO DE TECNOLOGIA

PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

Carlos Elmano de Alencar e Silva

INVERSOR MONOFSICO ISOLADO EM ALTAFREQNCIA COM AMPLA FAIXA

DE TENSO DE ENTRADA

Fortaleza, janeiro de 2007.


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CARLOS ELMANO DE ALENCAR E SILVA

INVERSOR MONOFSICO ISOLADO EM ALTA

FREQNCIA COM AMPLA FAIXA DE TENSO DE

ENTRADA

Dissertao submetida

Universidade Federal do Cearcomo parte dos requisitos para

obteno do grau de Mestre em

Engenharia Eltrica.

Orientador:

Demercil de Souza Oliveira Jnior

Fortaleza, janeiro de 2007.


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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.


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A imaginao mais importante que o conhecimento.

(Albert Eisntein)


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Deus, sabedoria em si.


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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 deminha educao.


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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.


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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 decarga 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.


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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 ofthe 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.


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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 ..............................................................................................................41.2 Isolamento eltrico .................................................................................................4

1.3 Converso CC-CA de estgio simples..................................................................... 6

1.3.1 Topologias de quatro interruptores ..................................................................71.3.2 Topologias de seis interruptores...................................................................... 8

1.4 Converso CC-CA de mltiplos estgios ................................................................ 91.4.1 Converso CC-CA-CA....................................................................................91.4.2 Converso CC-CC-CA..................................................................................10

1.4.3 Converso CC-CA-CC-CA ...........................................................................121.5 Escolha da topologia............................................................................................. 14

1.5.1 Primeiro estgio ............................................................................................14

1.5.2 Segundo estgio ............................................................................................15

1.5.3 Terceiro estgio.............................................................................................161.6 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 .................................................................................182.2.1 Modulao dos interruptores .........................................................................19

2.2.2 O problema da disperso ...............................................................................212.2.3 O problema da saturao ...............................................................................222.2.4 Operao do conversor CC-CC push-pull...................................................... 23


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2.2.5 Equacionamento............................................................................................272.3 Inversor ponte completa........................................................................................30

2.3.1 Modulao bipolar ........................................................................................ 31

2.3.2 Modulao unipolar ...................................................................................... 322.3.3 Modulao PWM senoidal ............................................................................342.3.4 Escolha da modulao................................................................................... 35

2.3.5 Equacionamento............................................................................................352.4 Modelagem da estrutura........................................................................................36

2.4.1 Modelagem do conversor push-pull............................................................... 37

2.4.2 Modelagem do inversor ponte completa ........................................................ 392.5 Consideraes finais .............................................................................................39

CAPTULO 3 EXEMPLO DE PROJETO.........................................................................403.1 Introduo ............................................................................................................403.2 Especificaes ......................................................................................................40

3.2.1 Especificaes gerais ....................................................................................40

3.2.2 Especificaes do conversor push-pull .......................................................... 413.2.3 Especificaes do inversor ponte completa.................................................... 41

3.3 Projeto do filtro LC de entrada.............................................................................. 41

3.3.1 Clculos preliminares....................................................................................413.3.2 Critrios de escolha do capacitor do filtro de entrada..................................... 44

3.3.3 Especificao do capacitor do filtro de entrada.............................................. 453.3.4 Clculo da indutncia do filtro de entrada...................................................... 453.3.5 Projeto fsico do indutor do filtro de entrada.................................................. 46

3.4 Projeto do conversor push-pull.............................................................................. 49

3.4.1 Esforos eltricos nos interruptores ............................................................... 493.4.2 Escolha dos interruptores ..............................................................................493.4.3 Perdas nos interruptores ................................................................................50

3.4.4 Esforos eltricos nos enrolamentos do transformador .................................. 513.4.5 Projeto do transformador...............................................................................523.4.6 Escolha dos diodos da ponte retificadora ....................................................... 55

3.4.7 Escolha do capacitor do filtro intermedirio .................................................. 553.4.8 Clculo da indutncia do filtro intermedirio................................................. 563.4.9 Projeto do indutor do filtro intermedirio ...................................................... 57

3.5 Controle do conversor push-pull ...........................................................................593.5.1 Mtodo de controle ....................................................................................... 593.5.2 Realimentao de tenso ...............................................................................61

3.5.3 Modulador (gerador de PWM) ...................................................................... 63

3.5.4 Protees de corrente ....................................................................................653.5.5 Projeto do compensador................................................................................67

3.6 Projeto do inversor ponte completa ....................................................................... 73


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3.6.1 Escolha do interruptor...................................................................................733.6.2 Clculo das perdas ........................................................................................ 753.6.3 Clculo trmico............................................................................................. 75

3.6.4 Projeto do filtro de sada ...............................................................................763.6.5 Escolha do capacitor do filtro de sada .......................................................... 763.6.6 Projeto do indutor do filtro de sada .............................................................. 76

3.7 Controle do inversor ponte completa..................................................................... 793.7.1 Realimentao de tenso ...............................................................................793.7.2 Gerador da senoide de referncia................................................................... 80

3.7.3 Compensador de nvel CC............................................................................. 813.7.4 Gerador de PWM e circuito de comando dos interruptores ............................ 823.7.5 Proteo de corrente......................................................................................83

3.7.6 Projeto do compensador de freqncia .......................................................... 843.8 Diagrama esquemtico do circuito de potncia...................................................... 873.9 Consideraes finais .............................................................................................88

CAPTULO 4 RESULTADOS DE SIMULAO............................................................89

4.1 Introduo ............................................................................................................894.2 Esquemticos de simulao................................................................................... 90

4.3 Resultados de simulao para carga resistiva ........................................................ 924.3.1 Tenso e corrente no filtro de entrada............................................................ 92

4.3.2 Tenso e corrente nos interruptores do conversor push-pull........................... 954.3.3 Tenso sobre os diodos das pontes retificadoras ............................................ 974.3.4 Tenso aplicada ao filtro intermedirio.......................................................... 984.3.5 Corrente nos elementos do filtro intermedirio ............................................ 100

4.3.6 Corrente drenada pelo inversor ponte completa ........................................... 1034.3.7 Tenso e corrente nos interruptores do inversor ponte completa .................. 1044.3.8 Tenso e corrente no filtro de sada ............................................................. 106

4.3.9 Contedo harmnico e THD da tenso de sada........................................... 1074.4 Resultados de simulao para carga RL (fp = 0,7)............................................... 108

4.4.1 Corrente no indutor do filtro de entrada....................................................... 108

4.4.2 Corrente no indutor do filtro intermedirio.................................................. 1084.4.3 Corrente drenada pelo inversor ponte completa ........................................... 1094.4.4 Corrente no indutor do filtro de sada .......................................................... 109

4.4.5 Tenso e corrente na carga.......................................................................... 1104.4.6 THD da tenso de sada............................................................................... 111

4.5 Resultados de simulao para carga no-linear.................................................... 111

4.5.1 Corrente no indutor do filtro de entrada....................................................... 111

4.5.2 Corrente no indutor do filtro intermedirio.................................................. 1124.5.3 Corrente drenada pelo inversor ponte completa ........................................... 112

4.5.4 Corrente no indutor do filtro de sada .......................................................... 112


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xiii

4.5.5 Tenso e corrente na carga.......................................................................... 1134.5.6 THD da tenso de sada............................................................................... 114

4.6 Degraus de tenso de entrada..............................................................................114

4.6.1 Degrau de tenso de entrada de 90V para 60V ............................................ 1154.6.2 Degrau de tenso de entrada de 60V para 90V ............................................ 117

4.7 Degraus de carga resistiva................................................................................... 119

4.7.1 Degrau de carga de 10% para 100% e tenso de entrada de 60V.................. 1194.7.2 Degrau de carga de 100% para 10% e tenso de entrada de 60V.................. 1214.7.3 Degrau de carga de 10% para 100% e tenso de entrada de 90V.................. 123

4.7.4 Degrau de carga de 100% para 10% e tenso de entrada de 90V.................. 1254.8 Consideraes finais ........................................................................................... 127

CAPTULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ........................................................ 1285.1 Introduo .......................................................................................................... 1285.2 Diagrama esquemtico do circuito de potncia.................................................... 1285.3 Resultados experimentais para carga resistiva..................................................... 129

5.3.1 Tenso e corrente no filtro de entrada.......................................................... 1295.3.2 Tenso e corrente nos interruptores do push-pull......................................... 1305.3.3 Corrente nos enrolamentos secundrios do push-pull................................... 131

5.3.4 Tenso sobre os diodos das pontes retificadoras .......................................... 1315.3.5 Tenso aplicada ao filtro intermedirio........................................................ 132

5.3.6 Corrente no indutor e no capacitor do filtro intermedirio ........................... 1325.3.7 Corrente drenada pelo inversor ponte completa ........................................... 1345.3.8 Tenso e corrente nos interruptores do inversor ponte completa .................. 1345.3.9 Tenso e corrente no filtro de sada ............................................................. 135

5.3.10 Contedo harmnico da tenso de sada ...................................................... 1365.4 Degraus de carga resistiva................................................................................... 136

5.4.1 Degrau de carga de 10% para 100% da carga nominal................................. 136

5.4.2 Degrau de carga de 100% para 10% da carga nominal................................. 1385.5 Resultados experimentais para carga no-linear .................................................. 140

5.5.1 Tenso e corrente no filtro de entrada.......................................................... 140

5.5.2 Tenso e corrente no filtro intermedirio..................................................... 1415.5.3 Tenso e corrente no filtro de sada ............................................................. 1415.5.4 Tenso e corrente na carga.......................................................................... 142

5.5.5 Contedo harmnico e THD da tenso de sada........................................... 1425.6 Curvas de rendimento ......................................................................................... 143

5.6.1 Rendimento do conversor push-pull ............................................................ 143

5.6.2 Rendimento do inversor ponte completa...................................................... 143

5.6.3 Rendimento global......................................................................................1435.7 Consideraes finais ........................................................................................... 144


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xiv

CONCLUSO...................................................................................................................145

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS................................................................................ 147

APNDICE A PROJETO FSICO DE INDUTORES ..................................................... 149

ANEXO B FOLHA DE DADOS DO DISSIPADOR HS8620.........................................154


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xv

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 Conversor CC-CA com isolamento galvnico em baixa freqncia..................... 5

Figura 1.2 Conversor CC-CA com isolamento galvnico em alta freqncia. ...................... 6

Figura 1.3 Inversor flyback dual de quatro interruptores......................................................7

Figura 1.4 Inversor SEPIC de quatro interruptores...............................................................7

Figura 1.5 Inversor Zeta de quatro interruptores. ................................................................. 8Figura 1.6 Inversor Ck de quatro interruptores...................................................................8

Figura 1.7 Inversor buck-boost de seis interruptores............................................................9

Figura 1.8 Exemplo de conversor CC-CA-CA...................................................................10

Figura 1.9 Inversor flyback de dois estgios isolado. ......................................................... 11

Figura 1.10 Inversor flyback com armazenamento capacitivo intermedirio. ..................... 11

Figura 1.11 Diagrama de blocos da converso CC-CA-CC-CA com link CC real. ............. 12

Figura 1.12 Diagrama de blocos da converso CC-CA-CC-CA com pseudo link CC......... 13

Figura 1.13 Topologias clssicas de inversores monofsicos. ............................................ 14

Figura 1.14 Diagrama esquemtico da estrutura escolhida. ................................................ 17

Figura 2.1 Estrutura padro do inversor push-pull. ............................................................ 19

Figura 2.2 Formas de onda relacionadas a modulao PWM de trs nveis. ....................... 20

Figura 2.3 Diagrama esquemtico do push-pull com representao da disperso. .............. 21

Figura 2.4 Curva de histerese tpica...................................................................................22

Figura 2.5 Conversor push-pull ideal.................................................................................23

Figura 2.6 Etapas de operao do conversor push-pull ideal. ............................................. 24

Figura 2.7 Principais formas de onda de tenso associadas operao do push-pull. ......... 25

Figura 2.8 Principais formas de onda de corrente associadas operao do push-pull........ 26

Figura 2.9 Esboo da forma de onda da corrente que circula por C1...................................29

Figura 2.10 Grfico do valor eficaz da corrente parametrizada em C1 vs. razo cclica. .....29

Figura 2.11 Diagrama esquemtico do inversor ponte completa.........................................31

Figura 2.12 Principais formas de onda associadas modulao bipolar. ............................ 32

Figura 2.13 Principais formas de onda associadas modulao unipolar. .......................... 33

Figura 2.14 Principais formas de onda associadas modulao unipolar senoidal.............. 34


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xvi

Figura 2.15 Diagrama esquemtico do conversor push-pull. .............................................. 37

Figura 2.16 Modelo do conversor push-pull.......................................................................38

Figura 2.17 Diagrama esquemtico do inversor ponte completa.........................................39

Figura 3.1 Diagrama de blocos do Controle Modo Tenso.................................................60

Figura 3.2 Diagrama esquemtico do amplificador de erro FOD2741A. ............................ 61

Figura 3.3 Diagrama esquemtico do circuito de realimentao de tenso. ........................ 62

Figura 3.4 Diagrama de blocos do CI SG3525...................................................................63

Figura 3.5 Diagrama esquemtico da configurao geral do SG3525.................................65

Figura 3.6 Esquema geral das protees de corrente. ......................................................... 66

Figura 3.7 Esquema completo das protees de corrente....................................................67

Figura 3.8 Ganho do sistema no compensado...................................................................69Figura 3.9 Fase do sistema no compensado......................................................................69

Figura 3.10 Compensador do conversorpush-pull. ............................................................70

Figura 3.11 Ganho do sistema compensado. ...................................................................... 72

Figura 3.12 Fase do sistema compensado. ......................................................................... 73

Figura 3.13 Circuito de realimentao de tenso do inversor ponte completa. .................... 79

Figura 3.14 Circuito do gerador da senoide de referncia...................................................80

Figura 3.15 Diagrama esquemtico do compensador de nvel CC......................................81Figura 3.16 Circuito gerador de PWM do inversor ponte completa....................................82

Figura 3.17 Circuito de comando do inversor ponte completa............................................82

Figura 3.18 Diagrama esquemtico da proteo de corrente do inversor ponte completa.... 83

Figura 3.19 Diagrama de Bode da FTLAsc(s) do inversor ponte completa..........................84

Figura 3.20 Estrutura do circuito compensador do inversor ponte completa.......................85

Figura 3.21 Diagrama de Bode da FTLAcc(s) do inversor ponte completa..........................87

Figura 3.22 Diagrama esquemtico final do circuito de potncia. ...................................... 88Figura 4.1 Diagrama de simulao do circuito de potncia do conversor push-pull. ........... 90

Figura 4.2 Diagrama de simulao do circuito de potncia do inversor ponte completa...... 90

Figura 4.3 Diagrama de simulao do circuito de controle do inversor ponte completa. ..... 91

Figura 4.4 Diagrama de simulao do circuito de controle do conversor push-pull. ........... 92

Figura 4.5 Corrente no indutor do filtro de entrada para Ve = 60V. ................................... 92

Figura 4.6 Corrente no indutor do filtro de entrada para Ve = 90V. ................................... 93

Figura 4.7 Corrente de entrada para freqncia de cruzamento de 200Hz e Ve = 90V........ 93

Figura 4.8 Ondulao de tenso sobre o capacitor do filtro de entrada para Ve = 60V........ 94

Figura 4.9 Ondulao de tenso sobre o capacitor do filtro de entrada para Ve = 90V........ 94


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xvii

Figura 4.10 Tenso sobre o interruptor S1 do conversor push-pull para Ve = 60V..............95

Figura 4.11 Tenso sobre o interruptor S1 do conversor push-pull para Ve = 90V..............95

Figura 4.12 Corrente no interruptor S1 do conversor push-pull para Ve = 60V...................96

Figura 4.13 Corrente no interruptor S1 do conversor push-pull para Ve = 90V...................96

Figura 4.14 Tenso sobre o diodo D8 para Ve = 60V. ........................................................97

Figura 4.15 Tenso sobre o diodo D8 para Ve = 90V. ........................................................97

Figura 4.16 Corrente em D8 para Ve = 60V. ...................................................................... 98

Figura 4.17 Corrente em D8 para Ve = 90V. ...................................................................... 98

Figura 4.18 Tenso aplicada ao filtro intermedirio para Ve = 60V. .................................. 99

Figura 4.19 Tenso aplicada ao filtro intermedirio para Ve = 90V. .................................. 99

Figura 4.20 Corrente no indutor do filtro intermedirio para Ve = 60V............................ 100Figura 4.21 Detalhe da ondulao em alta freqncia da corrente em L2 para Ve = 60V..100

Figura 4.22 Corrente no indutor do filtro intermedirio para Ve = 90V............................ 101

Figura 4.23 Detalhe da ondulao em alta freqncia da corrente em L2 para Ve = 90V..101

Figura 4.24 Corrente atravs de C2 e seu valor eficaz para Ve = 60V...............................102

Figura 4.25 Corrente atravs de C2 e seu valor eficaz para Ve = 90V...............................102

Figura 4.26 Corrente drenada pelo inversor ponte completa para Ve = 60V..................... 103

Figura 4.27 Corrente drenada pelo inversor ponte completa para Ve = 90V..................... 103Figura 4.28 Tenso sobre o interruptor S5 do inversor ponte completa para Ve = 60V. .... 104

Figura 4.29 Tenso sobre o interruptor S5 do inversor ponte completa para Ve = 90V. .... 104

Figura 4.30 Correntes em S5 e S6 do inversor ponte completa para Ve = 60V. ................. 105

Figura 4.31 Correntes em S5 e S6 do inversor ponte completa para Ve = 90V. ................. 105

Figura 4.32 Corrente no indutor do filtro de sada (L3).....................................................106

Figura 4.33 Detalhe da ondulao em alta freqncia da corrente em L3..........................106

Figura 4.34 Tenso sobre o capacitor do filtro de sada (C3). ........................................... 107Figura 4.35 Contedo harmnico da tenso de sada do inversor ponte completa............. 107

Figura 4.36 Corrente no indutor do filtro de entrada (L1).................................................108

Figura 4.37 Corrente no indutor do filtro intermedirio (L2). ........................................... 108

Figura 4.38 Corrente drenada pelo inversor ponte completa............................................. 109


Figura 4.40 Detalhe da ondulao em alta freqncia da corrente em L3..........................110

Figura 4.41 Tenso e corrente na carga RL......................................................................110

Figura 4.42 Contedo harmnico da tenso de sada........................................................ 111

Figura 4.43 Corrente no indutor do filtro de entrada (L1).................................................111


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xviii

Figura 4.44 Corrente no indutor do filtro intermedirio (L2). ........................................... 112

Figura 4.45 Corrente drenada pelo inversor ponte completa............................................. 112


Figura 4.47 Tenso e corrente na carga............................................................................113

Figura 4.48 Corrente na carga..........................................................................................114


Figura 4.50 Tenso de entrada, tenso em C1, tenso em C2 e tenso em C3.....................115

Figura 4.51 Correntes no indutor L1, no indutor L2, no indutor L3 e na carga. ................ 116

Figura 4.52 Tenso de entrada, tenso em C1, tenso em C2 e tenso em C3.....................117

Figura 4.53 Correntes no indutor L1, no indutor L2, no indutor L3 e na carga. .................. 118

Figura 4.54 Tenso no capacitor (C1) e corrente no indutor (L1) do filtro de entrada. ....... 119Figura 4.55 Tenso no capacitor (C2) e corrente no indutor (L2) do filtro intermedirio. .. 120

Figura 4.56 Tenso no capacitor (C3) e corrente no indutor (L3) do filtro de sada. ..........120


Figura 4.58 Tenso no capacitor (C1) e corrente no indutor (L1) do filtro de entrada. ....... 121

Figura 4.59 Tenso no capacitor (C2) e corrente no indutor (L2) do filtro intermedirio. .. 122


Figura 4.61 Tenso e corrente na carga............................................................................123Figura 4.62 Tenso no capacitor (C1) e corrente no indutor (L1) do filtro de entrada. ....... 123




Figura 4.66 Tenso no capacitor (C1) e corrente no indutor (L1) do filtro de entrada. ....... 125


Figura 4.68 Tenso no capacitor (C3) e corrente no indutor (L3) do filtro de sada. ..........126Figura 4.69 Tenso e corrente na carga............................................................................127

Figura 5.1 Diagrama esquemtico do circuito de potncia do conversor. ......................... 128

Figura 5.2 Tenso (1 - 50V/div - 1ms/div) em C1 e corrente (2 - 2,5A/div - 1ms/div) em L1.

.......................................................................................................................................... 130

Figura 5.3 Tenso (1 - 100V/div - 10us/div) e corrente (2 - 10A/div - 10us/div) em S 1....130

Figura 5.4 Corrente nos enrolamentos secundrios do push-pull (1A/div - 10us/div). ...... 131

Figura 5.5 Tenso sobre um diodo das pontes retificadoras (200V/div - 10us/div). .......... 131

Figura 5.6 Tenso (500V/div - 10us/div) aplicada ao filtro intermedirio......................... 132

Figura 5.7 Corrente (500mA/div - 1ms/div) no indutor do filtro intermedirio (L2)..........132


19/178

xix

Figura 5.8 Ondulao de corrente em alta freqncia em L2 (500mA/div - 10us/div). ...... 133

Figura 5.9 Corrente (2A/div - 500us/div) no capacitor do filtro intermedirio (C2). .........133

Figura 5.10 Detalhe da corrente (2A/div - 500us/div) drenada de C2................................134

Figura 5.11 Corrente (2A/div - 500us/div) drenada pelo inversor ponte completa. ........... 134

Figura 5.12 Tenso (1 - 200V/div - 10us/div) e corrente (2 - 2A/div - 10us/div) em um dos

interruptores do inversor ponte completa............................................................................135

Figura 5.13 Tenso (1 - 200V/div - 1ms/div) em C3 e corrente (2 - 5A/div - 1ms/div) em L3.

.......................................................................................................................................... 135

Figura 5.14 Contedo harmnico da tenso de sada do conversor................................... 136

Figura 5.15 Tenso (1 - 50V/div - 100ms/div) em C1 e corrente (2 - 5A/div - 100ms/div) em

L1. ......................................................................................................................................136Figura 5.16 Tenso (1 - 200V/div - 100ms/div) em C2 e corrente (2 - 1A/div - 100ms/div)

em L2. ................................................................................................................................ 137

Figura 5.17 Tenso (1 - 200V/div - 5ms/div) em C3 e corrente (2 - 5A/div - 5ms/div) L3. 137

Figura 5.18 Tenso (1 - 200V/div - 4ms/div) e corrente (2 - 2A/div - 4ms/div) na carga. . 138

Figura 5.19 Tenso (1 - 50V/div - 100ms/div) em C1 e corrente (2 - 5A/div - 100ms/div) em

L1. ......................................................................................................................................138

Figura 5.20 Tenso (1 - 200V/div - 100ms/div) em C2 e corrente (2 - 1A/div - 100ms/div)em L2. ................................................................................................................................ 139

Figura 5.21 Tenso (1 - 200V/div - 5ms/div) em C3 e corrente (2 - 5A/div - 5ms/div) em L3.

.......................................................................................................................................... 139

Figura 5.22 Tenso (1 - 200V/div - 5ms/div) e corrente (2 - 2A/div - 5ms/div) na carga. . 140

Figura 5.23 Tenso (1 - 50V/div - 1ms) em C1 e corrente (2 - 2A/div - 1ms) em L1.........140

Figura 5.24 Tenso (1 - 200V/div - 1ms) em C2 e corrente (2 - 1A/div - 1ms) em L2.......141

Figura 5.25 Tenso (1 - 200V/div - 1ms) e corrente (2 - 10A/div - 1ms) no filtro de sada........................................................................................................................................... 141

Figura 5.26 Tenso (1 - 200V/div - 1ms) e corrente (2 - 10A/div - 1ms) na carga. ........... 142


Figura 5.28 Curva de rendimento do conversor push-pull. ............................................... 143

Figura 5.29 Curva de rendimento do inversor ponte completa.......................................... 143

Figura 5.30 Curva de rendimento global..........................................................................144


20/178

xx

LISTA DE TABELAS

Tabela 5.1 Lista de componentes do circuito de potncia................................................. 129


21/178

xxi

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contnua

CTR Current Transfer Ratio

EIA Energy Information Administration

F.T. Funo de transfernciaIEO International Energy Outlook

PWM Pulse Width Modulation

THD Total Harmonic Distortion

U.S. United States

UPS Uninterruptible Power System


22/178

xxii

LISTA DE SMBOLOS

B Densidade de campo magntico

C(s) F.T. do compensador

C1 Capacitor do filtro LC de entrada

C2 Capacitor do filtro LC intermedirio

C3 Capacitor do filtro LC de sadaD Razo cclica dos interruptores do conversorpush-pull

D1 a D8 Diodos das pontes retificadoras

f1 Freqncia de comutao dos interruptores do conversorpush-pull

f2 Freqncia de comutao dos interruptores do inversor ponte completa

fc Freqncia de cruzamento da curva de ganho da FTLAcc(s)

ff Freqncia de corte de um filtro LC

Fm Ganho do modulador

fr Freqncia da tenso de sada do conversor

FTLAcc(s) F.T. de lao aberto com compensador

FTLAsc(s) F.T. de lao aberto sem compensador

Gfb(s) Funo de transferncia do inversor ponte completa

GS1 e GS2 Sinais de comando dos interruptores S1 e S2

Gsh(s) Funo de transferncia do conversorpush-pull

H Intensidade de campo magntico

H(s) Ganho do transdutor

Ie Corrente drenada pelo conversorpush-pull

ILp Corrente de enrolamento primrio

ILs Corrente de enrolamento secundrio

IM Corrente nos interruptores do conversorpush-pull

IQ Corrente nos interruptores do inversor ponte completa

Ir Corrente drenada pelo filtro intermedirio

Is Corrente na carga


23/178

xxiii

Kd Ganho da F.T. do conversorpush-pull

L1 Indutor do filtro LC de entrada

L2 Indutor do filtro LC intermedirio

L3 Indutor do filtro LC de sada

Lda Indutncia de disperso associada ao enrolamento primrio a

Ldb Indutncia de disperso associada ao enrolamento primrio b

Lpa Enrolamento primrio a do transformadorpush-pull

Lpb Enrolamento primrio b do transformadorpush-pull

Ls Enrolamento secundrio do transformadorpush-pull

Lsa

Enrolamento secundrio a do transformador push-pull

Lsb Enrolamento secundrio b do transformador push-pull

Ma ndice de modulao do inversor ponte completa

Mf ndice de freqncia do inversor ponte completa

n Relao de transformao do transformadorpush-pull

np Nmero de espiras do enrolamento primrio

ns Nmero de espiras do enrolamento secundrio

Pe Potncia de entrada do conversorPs Potncia de sada do conversor

Qsh Fator de amortecimento da F.T. do conversorpush-pull

Rosh Resistncia de carga do conversorpush-pull

Rs Resistncia de carga do conversor

S1 e S2 Interruptores do conversorpush-pull

S3 a S6 Interruptores do inversor ponte completa

Tc Tempo de conduo dos interruptores do conversorpush-pullTs Perodo de comutao dos interruptores do conversorpush-pull

Va Amostra da tenso de sada do conversorpush-pull

VAB Tenso de sada do inversor ponte completa antes da filtragem

Vc Tenso de controle

VD Tenso sobre os diodos das pontes retificadoras

Ve Tenso da fonte de entrada

Vi Tenso de sada do conversorpush-pullVLp Tenso de enrolamento primrio


24/178

xxiv

VLs Tenso de enrolamento secundrio

VM Tenso nos interruptores do conversorpush-pull

VQ Tenso nos interruptores do inversor ponte completa

Vr Tenso aplicada ao filtro LC intermedirio

Vs Tenso de sada do inversor

V Tenso de erro Rendimento global do conversor

1 Rendimento do conversorpush-pull

2 Rendimento do inversor ponte completa

iPermeabilidade incremental do material magntico

o Permeabilidade do vcuo

osh Freqncia angular natural de oscilao da F.T. do conversor push-pull

zsh Freqncia angular do zero da F.T. do conversorpush-pull


25/178

INTRODUO

Segundo o U.S. Department of Energy, atravs do relatrio International Energy

Outlook 2006 (IEO) da Energy Information Administration (EIA), o consumo global de

energia crescer a uma mdia de 2% ao ano entre 2003 e 2030. Em se tratando

especificamente de energia eltrica, o crescimento se dar a uma mdia de 2,7% ao ano,

passando de 14,781 bilhes de kWh em 2003 para 21,699 bilhes de kWh em 2015 e 30,116bilhes de kWh em 2030 [1].

Sabe-se que a energia eltrica no diretamente disponibilizada pela natureza em

condies de ser utilizada, tendo que ser obtida a partir da transformao de uma outra forma

de energia. De forma geral, feita essa transformao a energia eltrica ainda no se encontra

pronta para a utilizao, necessitando ainda ser processada e finalmente entregue na forma

mais apropriada para a carga.

Dentre as diversas formas de gerao de energia eltrica, as chamadas fontes

alternativas de energia tm sido desenvolvidas e esto ganhando fora impulsionadas

principalmente pelo aumento da preocupao com as questes ambientais, notadamente o

efeito estufa, que promove a mobilizao mundial a fim de reduzir a emisso de gases

poluentes. Exemplo disso o tratado de Kyoto, o qual recebe cada vez maior adeso tanto de

pases desenvolvidos como de pases em desenvolvimento, e que estimula a pesquisa de

tecnologias que permitam aliviar a presso sobre os mtodos tradicionais de gerao de

energia a base de combustveis fsseis.

cada vez maior tambm o nmero de aplicaes que tm baterias como fonte de

energia, tais como sistemas embarcados e fontes ininterruptas. Assim, este trabalho tem como

motivao as aplicaes de gerao distribuda que utilizem fontes alternativas de energia em

tenso contnua e as aplicaes que utilizam baterias como fonte de energia, nas quais se

necessite alimentar cargas em tenso alternada.

O objetivo deste trabalho o desenvolvimento de um inversor monofsico isolado

capaz de fornecer uma tenso alternada senoidal (110V ou 220V) a partir de uma tenso

contnua de baixo valor e varivel. Para alcanar este objetivo so realizadas as seguintes

etapas: escolha de uma topologia adequada, estudo dessa topologia, projeto de um inversor


26/178

2

utilizando essa topologia e a simulao do inversor projetado. Concludas essas etapas

construdo um prottipo em laboratrio.

O prottipo desenvolvido atende s seguintes especificaes: tenso de entrada entre

60V e 90V, tenso de sada de 220V eficaz, freqncia de sada de 400Hz e potncia nominal

de sada de 400VA. Alm disso, o conversor isolado em alta freqncia (reduzidos peso e

volume) e a tenso de sada apresenta uma distoro harmnica total (THD Total Harmonic

Distortion) menor que 5%. Essa especificao baseada na necessidade do sistema eltrico

dos trens da Ferrovia Paulista S.A. (FEPASA), os quais necessitam de uma tenso alternada

com essas caractersticas para a alimentao de equipamentos eletrnicos e tm como fonte de

energia um banco de baterias.

A converso CC-CA

H uma infinidade de topologias que realizam a converso CC-CA. A determinao

de qual topologia deve ser utilizada em uma aplicao especfica est intimamente

relacionada com as caractersticas da fonte de energia disponvel e as caractersticas da carga

a ser alimentada.

Com o intuito de auxiliar na escolha da topologia a ser utilizada em uma

determinada aplicao, os conversores CC-CA podem ser classificados, basicamente, quantoao nmero de fases (monofsico ou trifsico), quanto a comutao das chaves (suave ou

dissipativa), quanto a isolao eltrica (isolado ou no-isolado) entre a entrada e a(s) sada(s),

quanto a relao entre a tenso de entrada e a tenso de sada e quanto ao nmero de estgios

de converso (simples ou mltiplos) [2].

Devido ao foco deste trabalho limita-se, de imediato, as topologias inversoras de

interesse aquelas que so: monofsicas, isoladas em alta freqncia, que tenham capacidade

de realizar a adaptao do nvel de tenso de entrada ao nvel de tenso de sada e que

possuam comutao dissipativa. Dentre as diversas topologias existentes, optou-se por utilizar

uma topologia de dois estgios de converso, constituda por um conversor CC-CC push-pull

e por um inversor ponte completa, ambos cascateados. A escolha foi baseada nas capacidades

de processamento de potncia e elevao da tenso, associadas a maior simplicidade dos

circuitos de potncia e de controle e menores peso e volume.

Estrutura do trabalho

No captulo 1, dada uma viso geral da converso CC-CA e realizada a reviso

bibliogrfica dos principais conversores CC-CA pertinentes ao trabalho. No captulo 2, so


27/178

3

feitos o estudo e a anlise quantitativa da topologia proposta. No captulo 3, realizado um

exemplo de projeto. No captulo 4, so apresentados os resultados de simulao para o projeto

desenvolvido no captulo 3. No captulo 5, so apresentados os resultados experimentais do

prottipo montado em laboratrio baseado no projeto do captulo 3.


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Captulo 1 Converso CC-CA

1.1 Introduo

A converso CC-CA um dos mais significativos e explorados campos da

Eletrnica de Potncia. Dentre as diversas formas de processamento de energia uma das

mais requisitadas, pois seu leque de aplicaes amplo. Pode-se citar, entre outras, a gerao

distribuda, as aplicaes embarcadas e os sistemas ininterruptos de energia.H diversas tcnicas e topologias encontradas na literatura capazes de realizar a

converso CC-CA, as quais se distinguem entre si, basicamente, pelas seguintes

caractersticas:

1) Nmero de fases: monofsico ou trifsico;

2) Capacidade ou no de adaptao do nvel de tenso de entrada ao nvel de

tenso da sada;

3)

Comutao dos interruptores: suave ou dissipativa;4) Presena ou no de isolamento eltrico entre a entrada e a sada;

5) Quantidade de estgios de processamento de potncia: simples ou mltiplos;

Este trabalho direcionado s topologias monofsicas, com capacidade de adaptao

da tenso de entrada tenso de sada, com comutao dissipativa e com isolao eltrica.

Como so enfocadas as aplicaes com nvel de potncia mediano, ou seja, menor que 2kW,

as topologias com comutao suave, que acarretam o aumento do nmero de componentes do

circuito de potncia e a complexidade da modulao, no so abordadas, ficando como opo

a utilizao de circuitos de auxlio comutao (snubber), se necessrio. Tomando como base

essas caractersticas, a seguir dada uma viso geral da converso CC-CA e feita uma reviso

bibliogrfica dos principais conversores CC-CA.

1.2 Isolamento eltrico

Entende-se por isolamento eltrico a ausncia de conexo eltrica entre duas ou mais

partes de um circuito eltrico, normalmente entre a entrada e a(s) sada(s), impedindo assim

que ocorra a circulao de corrente eltrica entre elas. Quando se deseja que haja fluxo de

potncia entre partes de um circuito e que, no entanto, no haja circulao de corrente eltrica


29/178

5

entre elas, essas partes devem ser acopladas de outra forma que no a eltrica. Na prtica, isso

feito basicamente de duas formas: atravs do acoplamento magntico ou atravs do

acoplamento ptico.

Normalmente, o acoplamento ptico s utilizado no processamento de sinais. Em

se tratando do fluxo de elevados nveis de potncia o acoplamento utilizado o magntico, o

qual proporciona o isolamento galvnico entre as partes a serem isoladas. So vrias as razes

pelas quais se utiliza isolao galvnica entre a entrada e a sada de um conversor CC-CA:

1) Prevenir a circulao de corrente contnua do lado CC para o lado CA;

2) Prevenir, mediante falhas, a circulao de altas correntes atravs do

conversor;

3) Proteger o usurio de choques e de correntes de fuga;4) Permite adaptar o nvel de tenso da entrada ao nvel de tenso da sada;

O isolamento galvnico por sua vez pode ainda ser dividido em isolamento em baixa

freqncia e isolamento em alta freqncia. Sabe-se que, pela prpria natureza dos elementos

reativos, sejam magnticos (indutores e transformadores) ou eltricos (capacitores), o volume

e o peso de um transformador so inversamente proporcionais a sua freqncia de operao.

Portanto, topologias que realizam a isolao galvnica em baixa freqncia, como a

mostrada na Figura 1.1, tendem a apresentar um maior peso e volume do que as topologiasque realizam o isolamento galvnico em alta freqncia, como a mostrada na Figura 1.2. Por

outro lado, as topologias que realizam a isolao eltrica em baixa freqncia so simples e

com um nmero reduzido de componentes o que as torna, consequentemente, baratas,

eficientes, robustas e confiveis. Por essas caractersticas, ainda so muito usadas em

aplicaes de variados nveis de potncia [3].

Figura 1.1 Conversor CC-CA com isolamento galvnico em baixa freqncia.


30/178

6

J a isolao galvnica em alta freqncia permite a reduo drstica do volume e do

peso do transformador isolador. As desvantagens das topologias que realizam a isolao em

alta freqncia so o aumento no nmero de semicondutores utilizados e a maior

complexidade de operao dos circuitos, caractersticas que tendem a elevar o custo e a

diminuir a eficincia, a robustez e a confiabilidade dessas topologias.

Figura 1.2 Conversor CC-CA com isolamento galvnico em alta freqncia.

Em contrapartida, as topologias que permitem a isolao eltrica em alta freqncia

possuem caractersticas inexistentes nas topologias que realizam a isolao em baixa

freqncia, como: a operao com amplas faixas de variao da tenso de entrada e ausncia

de rudo audvel, que associadas a j citada reduo de peso e volume, tornam a isolao em

alta freqncia uma forte tendncia na Eletrnica de Potncia moderna, que preconiza a

utilizao de mais silcio e menos ao.

1.3 Converso CC-CA de estgio simples

Um conversor CC-CA de estgio simples aquele que possui um nico estgio de

processamento de potncia, responsvel tanto pela adaptao do nvel de tenso da entrada ao

nvel de tenso da sada como pela modulao senoidal da tenso de sada [2]. H uma grandevariedade de conversores CC-CA com essa caracterstica, vrios no-isolados [4]-[8] que, por

fugirem ao escopo deste trabalho, no so abordados e alguns isolados [9]-[11] que so

apresentados mais adiante.

Seguindo a metodologia proposta em [2], os conversores CC-CA isolados de estgio

simples podem ser subdivididos, com base no nmero de semicondutores controlados de

potncia, em conversores de quatro e seis interruptores. O princpio de funcionamento desses

conversores o mesmo dos conversores buck-boost [9]-[10], Ck, SEPIC [11] e Zeta, bem


31/178

7

conhecidos da teoria de converso CC-CC: utilizam indutores ou transformadores flyback

para armazenar energia e promover a isolao eltrica.

1.3.1 Topologias de quatro interruptores

A topologia proposta em [9] mostrada na Figura 1.3, composta por dois

inversoresflybackcom suas entradas ligadas em paralelo e a carga ligada entre suas sadas.

uma topologia simples, utiliza apenas quatro interruptores, dois capacitores e no necessita de

indutores de filtro na sada, pois essa funo realizada pelos enrolamentos secundrios dos

transformadoresflyback. Os interruptores de cada flybackoperam de forma complementar, o

que facilita a implementao do circuito de comando. Seus pontos fracos so: a utilizao de

dois transformadores de alta freqncia e a baixa capacidade de processamento de potncia,cerca de 160W.

Figura 1.3 Inversor flyback dual de quatro interruptores.

Seguindo o mesmo princpio do inversor flyback dual proposto em [9], outros trs

conversores CC-CA de estgio simples, isolados e de quatro interruptores so propostos em

[11], baseados nos conversores SEPIC, Ck e Zeta.

Figura 1.4 Inversor SEPIC de quatro interruptores.

A Figura 1.4 mostra o diagrama esquemtico do inversor SEPIC de quatro

interruptores proposto em [11]. uma topologia que utiliza quatro magnticos e quatro


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8

capacitores, portanto, mais dispendiosa que a do inversorflybackdual. A potncia processada

relatada foi de apenas 260W. Essa a nica topologia analisada em [11], embora outras duas

sejam sugeridas, cujos diagramas esquemticos so mostrados na Figura 1.5 e na Figura 1.6.

Em [11] no so apresentados resultados experimentais para essas duas topologias, mas a

potncia processada no deve diferir significativamente das demais estruturas apresentadas,

ficando em torno de 200W.

Figura 1.5 Inversor Zeta de quatro interruptores.

Pode-se notar que a estrutura do inversor Zeta, mostrado na Figura 1.5, equivale

estrutura do inversor SEPIC (Figura 1.4), quanto ao nmero e tipo dos componentes. J o

inversor Ck, mostrado na Figura 1.6, o que necessita do maior nmero de componentes.

Alm dos quatro interruptores, necessita de seis magnticos e seis capacitores, quatro

magnticos e quatro capacitores a mais que o inversorflybackdual (Figura 1.3).

Figura 1.6 Inversor Ck de quatro interruptores.

1.3.2 Topologias de seis interruptores

Durante as pesquisas de reviso bibliogrfica, apenas uma topologia de estgio

simples de seis interruptores isolada foi encontrada. Esta foi proposta em [10] e composta

por dois choppers buck-boostem uma ponte de quatro interruptores, como mostra a Figura1.7. Os outros dois interruptores so conectados em anti-srie, de forma a permitir o fluxo


33/178

9

bidirecional de potncia, e so utilizados para sincronizar a operao do inversor. uma

topologia relativamente enxuta, utiliza apenas dois magnticos e dois capacitores. Seus pontos

fracos so: a grande quantidade de interruptores em srie, acarretando reduo de eficincia, e

a baixa capacidade de processamento de potncia, cerca de 140W [2].

Figura 1.7 Inversor buck-boost de seis interruptores.

Devido a baixa capacidade de processamento de potncia, os inversores isolados de

estgio simples, sejam os de quatro ou seis interruptores, no se adequam a proposta deste

trabalho e, portanto, no so analisados.

1.4 Converso CC-CA de mltiplos estgios

Um inversor de mltiplos estgios definido como um inversor com mais de um

estgio de converso, dentre os quais um ou mais estgios so responsveis pela adaptao do

nvel da tenso de entrada ao nvel da tenso de sada e/ou isolao eltrica e o ltimo estgio

realiza a converso CC-CA.

Tomando como base os estgios que o compem, esses conversores podem ser

subdivididos em trs categorias:

1) Conversores CC-CA-CA;2) Conversores CC-CC-CA;

3) Conversores CC-CA-CC-CA;

Cada um dos estgios pode ser controlado de forma independente ou de forma

sincronizada. A seguir cada uma dessas categorias tratada separadamente.

1.4.1 Converso CC-CA-CA

Os conversores CC-CA-CA se inserem especificamente no contexto de aplicaes

autnomas e acionamento de mquinas rotativas. Nesse tipo de aplicao o fluxo bidirecional


34/178

10

de potncia uma exigncia, o que inevitavelmente leva a uma maior complexidade das

estruturas de potncia.

O princpio de funcionamento desses conversores o de inverter a tenso contnua

de entrada em uma tenso alternada de freqncia bem superior a freqncia que se deseja na

sada, no primeiro estgio. Em seguida essa tenso alternada passa por um transformador de

alta freqncia, o qual realiza o isolamento galvnico e a adaptao do nvel de tenso de

entrada ao nvel da tenso de sada. Finalmente, o ltimo estgio, tambm composto por um

inversor, compe a tenso de sada a partir de trechos da tenso alternada em alta freqncia.

Um exemplo de topologia CC-CA-CA, proposta em [12], mostrada na Figura 1.8.

Figura 1.8 Exemplo de conversor CC-CA-CA.

O conversor da Figura 1.8 composto por um inversor ponte completa responsvel

pela primeira inverso, por um transformador de alta freqncia e por outro inversor ponte

completa responsvel pela montagem da tenso de sada na freqncia desejada. Esse ltimo

inversor ponte completa apresenta uma peculiaridade: so utilizados oito interruptores, ao

invs de quatro, colocados dois a dois em anti-srie a fim de garantir o fluxo bidirecional de

potncia.

Esses conversores, em geral, tm uma boa capacidade de processamento de potncia

mas o elevado nmero de semicondutores reduz significativamente sua eficincia. Por isso

essa categoria de conversores no se adequa a este trabalho.

1.4.2 Converso CC-CC-CA

A segunda classe de conversores CC-CA de mltiplos estgios so os conversores

CC-CC-CA compostos por dois estgios que, em sua maioria, so obtidos atravs do

cascateamento de um conversor boostCC-CC tradicional com um inversor ponte completa.

Seu principio de funcionamento muito simples. No primeiro estgio, composto por

um conversor CC-CC, obtida uma elevada tenso contnua com uma ondulao tolervel.No segundo estgio, o inversor ponte completa, operando em alta freqncia, utilizado para


35/178

11

gerar a forma de onda alternada desejada. No h a necessidade de sincronizao entre os dois

estgios e a potncia de sada normalmente controlada no segundo estgio.

A maioria das topologias dessa categoria encontradas na literatura so no isoladas,

por exemplo as propostas em [3], [13] e [14]. So poucas as estruturas dessa categoria que

apresentam isolamento eltrico. Durante a pesquisa bibliogrfica apenas duas estruturas

isoladas foram encontradas. H ainda outra limitao quanto a aplicabilidade dessa classe de

conversores CC-CA neste trabalho: as duas topologias isoladas encontradas tm caracterstica

de fonte de corrente na sada e, portanto, so voltadas para interligao rede eltrica.

O diagrama esquemtico da primeira topologia isolada encontrada mostrado na

Figura 1.9. Trata-se de um conversor flyback com sada em corrente cascateado com um

inversor ponte completa, proposto em [13].

Figura 1.9 Inversor flyback de dois estgios isolado.

O diagrama esquemtico da segunda topologia isolada encontrada, proposta em [15],

mostrado na Figura 1.10. Seu princpio de funcionamento o seguinte: em uma primeira

etapa, energia armazenada no capacitor C2, em seguida parte dessa energia processada

pelo conversorflyback.

Figura 1.10 Inversor flyback com armazenamento capacitivo intermedirio.


36/178

12

A energia processada pelo flyback transferida para o estgio de sada atravs do

transformadorflybacke injetada de forma monofsica na rede atravs dos interruptores S5 e

S6 e do filtro LC.

A capacidade de processamento de potncia da topologia apresentada na Figura 1.9

de 1kW [2], j a capacidade de processamento de potncia da topologia apresentada na

Figura 1.10 de 160W [2]. Embora a topologia da Figura 1.9 tenha uma boa capacidade de

processamento de potncia, essa categoria de conversores inadequada ao escopo deste

trabalho, j que voltada para interligao rede eltrica (sada em corrente).

1.4.3 Converso CC-CA-CC-CA

A seguir, para finalizar, abordada a terceira e ltima categoria de conversores CC-CA de mltiplos estgios. So conversores de trs estgios de converso, voltados

principalmente para as aplicaes que necessitam de uma alta taxa de elevao da tenso de

entrada. Consistem de um conjunto CC-CA-CC, responsvel pela elevao e estabilizao do

nvel de tenso de entrada e pelo isolamento eltrico em alta freqncia, e de um estgio CC-

CA, responsvel pelo fornecimento da tenso alternada desejada. O diagrama de blocos da

Figura 1.11 ilustra a composio geral dessa classe de conversores.

Figura 1.11 Diagrama de blocos da converso CC-CA-CC-CA com link CC real.

Como pode ser visto na Figura 1.11, a converso CC-CA-CC-CA apresenta-se de

forma bem organizada e com estgios bem definidos. Cada estgio pode ser implementado

por mais de uma estrutura clssica da eletrnica de potncia. Assim, o primeiro estgio pode

ser implementado por qualquer uma das trs topologias inversoras clssicas: push-pull, meia

ponte ou ponte completa. O segundo estgio pode ser implementado por qualquer estrutura

retificadora monofsica, cujo critrio de escolha o nvel de tenso no secundrio do

transformador isolador. O terceiro e ltimo estgio trata-se novamente de uma etapa

inversora, mas nesse caso apenas os inversores meia ponte e ponte completa so utilizados.


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Embora o pseudo link CC seja uma idia interessante, sua eficcia questionvel

pois, como a tenso de entrada do ltimo estgio um trem de pulsos, os diodos em

antiparalelo dos interruptores que compem esse estgio continuam a operar em alta

freqncia. Infelizmente, nenhum trabalho que realize a anlise dessa estrutura foi

encontrado, ou seja, no se sabe qual o real impacto sobre a eficincia global da converso,

por esta razo, a converso CC-CA-CC-CA com pseudo link CC est descartada.

J que todas as demais categorias de conversores CC-CA no so adequadas e tendo

em vista as capacidades de alta taxa de elevao de tenso, de processamento de potncia e de

isolao eltrica em alta freqncia, a categoria de conversores CC-CA-CC-CA a que mais

se adequa ao escopo deste trabalho e a categoria adotada.

1.5 Escolha da topologia

Na seo anterior concluiu-se que a categoria de conversores CC-CA mais adequada

aos propsitos deste trabalho a de trs estgios de converso. Falta ainda definir qual

topologia ser utilizada em cada um dos trs estgios. Essa definio feita, estgio por

estgio, nas subsees a seguir, nas quais os principais motivos da escolha so apresentados.

1.5.1 Primeiro estgio

Como j foi dito, h trs topologias inversoras clssicas: push-pull, meia ponte e

ponte completa, cujos diagramas esquemticos so mostrados na Figura 1.13, e qualquer uma

delas pode ser utilizada no primeiro estgio de um conversor CC-CA-CC-CA. Naturalmente,

cada uma dessas topologias apresenta peculiaridades que as diferenciam entre si. Contudo,

mais importante que essas peculiaridades so as caractersticas desejadas nesse primeiro

estgio.

Figura 1.13 Topologias clssicas de inversores monofsicos.

Pelo que j foi exposto nas motivaes deste trabalho, ficou claro que seu enfoque

as aplicaes cuja tenso de entrada baixa, no maior que 100V, caracterstica dos sistemas


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alimentados por fontes renovveis ou bancos de baterias. Portanto, esse primeiro estgio de

converso deve ser eminentemente elevador. Ora, pelo balano de energia, o esforo por

corrente nos interruptores do primeiro estgio se sobressai. Alm disso, topologias que

utilizam interruptores em srie exigem circuitos de comando mais elaborados, de forma a

evitar a conduo simultnea de interruptores de um mesmo brao (curto de brao). Portanto,

a utilizao de interruptores em srie bastante inconveniente.

Dentre as trs topologias j citadas a nica que no utiliza interruptores em srie a

do push-pull. No tendo interruptores em srie, o push-pull agrega uma outra qualidade:

ambos os interruptores possuem a mesma referncia, o que simplifica e barateia o circuito de

acionamento desses interruptores. Alm disso, o push-pull naturalmente isolado, outra

caracterstica necessria ao primeiro estgio.O push-pull tambm possui pontos fracos. O mais conhecido sua tendncia

saturao. Para tratar esse problema h duas sadas: utilizar a estratgia de controle por modo

corrente ou utilizar o controle por modo tenso e colocar protees que detectem a saturao e

evitem a destruio do equipamento. Essa uma deciso de projeto. Esse problema

abordado de forma mais profunda nos prximos captulos.

Outro grande problema do push-pull a indutncia de disperso do transformador,

que descarrega a energia armazenada durante a conduo sobre os interruptores, em forma desobretenso, no momento do bloqueio dos mesmos. A soluo a mxima reduo da

indutncia de disperso atravs do melhor acoplamento magntico possvel entre os

enrolamentos, o que depende da construo do transformador, e a utilizao de circuitos

grampeadores nos interruptores.

Como o isolamento necessrio, as demais topologias inversoras tambm sofreriam

com o problema da disperso [16], embora de forma bem menos grave. Pelo exposto acima,

decidiu-se utilizar o inversorpush-pull no primeiro estgio do conversor CC-CA-CC-CA.

1.5.2 Segundo estgio

O segundo estgio o estgio retificador. As estruturas clssicas de retificao de

onda completa so: o retificador em ponte completa, o retificador com tap central e o

retificador hybridge. A principal caracterstica desse estgio a capacidade de tenso. Assim,

a tenso de sada do transformador isolador determinante para essa escolha. Por sua vez, a

tenso de sada do transformador isolador depende da estrutura do terceiro estgio e do valor

eficaz de sua tenso de sada.


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Geralmente, a tenso eficaz de alimentao de cargas em corrente alternada

110/220V. O barramento de tenso de entrada necessrio a um inversor ponte completa com

sada de 220V de cerca de 400V, para um ndice de modulao de aproximadamente 0,78.

Para um inversor meia ponte e um mesmo ndice de modulao, essa tenso deve ser o dobro,

ou seja, 800V. Como a tenso de sada do transformador isolador constituda por uma

tenso alternada retangular cujo valor de pico , no mnimo, igual ao valor da tenso do

barramento de entrada do terceiro estgio j que o primeiro estgio constitudo por um

push-pull, cuja razo cclica mxima de operao dos interruptores 0,5 o nvel de tenso

ao qual o segundo estgio submetido elevado.

Portanto, o retificador de onda completa com tap central e o retificador hybridge no

constituem uma boa opo. Assim, a melhor escolha recai na utilizao do retificador emponte completa. Falta definir se apenas um suficiente, ou se mais de um retificador

necessrio, pois ainda h a limitao de tenso dos semicondutores (diodos rpidos de

potncia). Mas essa uma questo de projeto, que depende da escolha do prximo estgio e

da especificao do equipamento, e s abordada em detalhes no captulo 3.

1.5.3 Terceiro estgio

Passa-se agora definio topolgica do terceiro e ltimo estgio de converso.

Apesar de ser um estgio inversor, das trs topologias inversoras o push-pull no constitui

uma boa escolha, pois exige a utilizao de mais um transformador, o que aumenta custo,

peso e volume do equipamento.

O inversor meia ponte, por sua vez, tambm no uma boa escolha pois, para uma

mesma tenso eficaz de sada, necessita do dobro da tenso no barramento de entrada quando

comparado ao inversor ponte completa, exigindo uma maior taxa de elevao do primeiro

estgio de converso, acarretando um maior esforo de corrente nos seus interruptores e um

maior esforo de tenso nos diodos do segundo estgio de converso.

Desta forma o inversor ponte completa, por excluso dos demais, utilizado no

terceiro estgio. uma estrutura um tanto quanto complexa, utiliza quatro interruptores, dois

dos quais com referncia diferente da referncia do barramento de entrada, o que torna o

circuito de acionamento mais elaborado. Alm disso, h a conduo simultnea de

interruptores, o que leva a um menor rendimento, e a possibilidade de cuto-ciruito de brao.

Em contrapartida, uma estrutura com grande capacidade de processamento de potncia, pois

proporciona o menor esforo de tenso sobre os interruptores.


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1.6 Diagrama esquemtico da estrutura escolhida

Definidas as topologias de cada estgio possvel apresentar o diagrama

esquemtico simplificado do conversor CC-CA que desenvolvido neste trabalho. Esse

diagrama mostrado na Figura 1.14. importante deixar claro que essa no a estrutura final

pois falta definir o nmero de sadas necessrias ao push-pull e demais detalhes do circuito,

como por exemplo o circuito snubberdos interruptores S1 e S2.

Figura 1.14 Diagrama esquemtico da estrutura escolhida.

Pode-se notar que no diagrama esto includos filtros LC passa-baixa entre a fonte

de entrada e o primeiro estgio de converso (filtro de entrada), entre o segundo e o terceiroestgios de converso (filtro intermedirio) e entre o terceiro estgio de converso e a carga

(filtro de sada), a fim de garantir o desacoplamento em freqncia entre eles. Os detalhes

sobre esses filtros so apresentados nos captulos 2 e 3.

1.7 Consideraes finais

Nesse captulo foi dada uma viso geral da converso CC-CA e feita a reviso

bibliogrfica dos principais conversores CC-CA pertinentes ao trabalho. A converso CC-CA

foi abordada de forma segmentada, a fim de transmitir, da forma mais didtica possvel, uma

viso geral desse vasto ramo da Eletrnica de Potncia.

A partir dessa viso geral, a categoria de conversores CC-CA mais adequada ao

escopo deste trabalho pde ser escolhida, sendo ela a categoria de conversores CC-CA-CC-

CA. Em seguida a configurao topolgica de cada estgio do conversor foi definida e,

finalmente, o diagrama esquemtico simplificado do conversor a ser desenvolvido pde ser

apresentado.


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Captulo 2 Anlise Completa do Conversor Implementado

2.1 Introduo

No captulo anterior foi definida a estrutura do conversor CC-CA a ser desenvolvido

neste trabalho. Demonstrou-se, atravs de rpida reviso bibliogrfica, que a estrutura mais

adequada ao escopo do trabalho a dos conversores CC-CA-CC-CA, sendo definidas ainda as

topologias a serem utilizadas em cada estgio de converso.A estrutura completa foi apresentada na Figura 1.14. Analisando essa figura

possvel perceber que o conversor pode ser divido em dois blocos de processamento de

potncia. O primeiro composto pelos dois primeiros estgios de converso (inversor push-

pull e retificador ponte completa) e pelo filtro LC intermedirio. O segundo composto pelo

terceiro estgio de converso (inversor ponte completa) e pelo filtro LC de sada.

O primeiro bloco de processamento de potncia conhecido na literatura como

conversor CC-CC push-pull. O segundo bloco de processamento de potncia a estruturaclssica utilizada em inversores ponte completa com tenso de sada senoidal. Nesse captulo

feito o estudo de cada um desses blocos separadamente, sendo apresentados o princpio de

funcionamento, as principais formas de onda da operao em regime permanente e as

principais equaes de cada bloco de processamento de potncia.

Para finalizar o captulo, feita a modelagem de cada um desses blocos, a fim de

conhecer suas funes de transferncia, as quais so utilizadas no captulo 3 durante o projeto

dos compensadores das malhas de controle de cada bloco de processamento de potncia.

2.2 Conversor CC-CC push-pull

Na literatura encontra-se o push-pull classificado tanto como inversor como

conversor CC-CC, como por exemplo em [16] e [17]. Qualquer estrutura inversora, com uma

modulao adequada aplicada aos interruptores, cuja sada seja retificada constitui um

conversor CC-CC. Assim, os dois primeiros estgios de converso (inversor push-pull e

retificador ponte completa) e o filtro LC intermedirio formam um conversor CC-CC isolado

em alta freqncia, conhecido na literatura como conversor CC-CCpush-pull.


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A Figura 2.1 apresenta o diagrama esquemtico do conversor CC-CC push-pull

ideal. Como pode ser visto trata-se de uma estrutura naturalmente isolada. Utiliza um

transformador com dois enrolamentos primrios, Lpa e Lpb, e, pelo menos, um enrolamento

secundrio (Ls). A cada enrolamento primrio est associado um interruptor: S1 ao

enrolamento Lpa e S2 ao enrolamento Lpb. Embora o diagrama da Figura 2.1 apresente apenas

um enrolamento secundrio (Ls), opush-pull permite a utilizao de mais de um secundrio,

caso seja necessrio.

Figura 2.1 Estrutura padro do inversor push-pull.

Ao enrolamento secundrio (Ls) est associado um retificador ponte completa, o

qual retifica a tenso de sada de Ls (VLs). Essa tenso retificada (Vr) aplicada ao filtro LC

intermedirio, composto pelo indutor L2 e pelo capacitor C2, o qual retm a componente em

alta freqncia de Vr, fornecendo uma tenso (Vi) com baixa ondulao ao prximo bloco de

processamento de potncia (inversor ponte completa).

2.2.1 Modulao dos interruptores

H uma srie de tcnicas de modulao encontradas na literatura, vrias aplicveis

ao conversor CC-CC push-pull mostrado na Figura 2.1. Algumas dessas tcnicas demodulao so mais complexas e outras mais simples, e a escolha entre uma ou outra deve

levar em considerao o objetivo a ser alcanado e a complexidade de implementao da

modulao.

Os principais objetivos desse primeiro estgio de processamento de potncia so:

permitir isolar eletricamente a fonte de entrada do restante do circuito, realizar essa isolao

em alta freqncia para reduzir peso e volume, realizar a adaptao do baixo nvel de tenso

de entrada a um nvel de tenso mais apropriado a obteno da tenso de sada desejada epermitir a correta operao global do conversor mediante a variao da tenso de entrada.


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Para que esses objetivos sejam alcanados suficiente que se obtenha no

enrolamento secundrio do transformador push-pull (Ls) uma tenso alternada retangular, j

que essa tenso alternada retificada posteriormente. Portanto, a modulao aplicada aos

interruptores S1 e S2 deve ser a mais simples possvel.

A modulao mais simples que pode ser utilizada a modulao por largura de

pulso (PWM Pulse Width Modulation) de trs nveis, que consiste em acionar os

interruptores S1 e S2 atravs de sinais de comando defasados de 180 eltricos, com razo

cclica (D) mxima de 0,5. Entende-se por razo cclica a relao entre o tempo de conduo

do interruptor (Tc) e o perodo de comutao utilizado (Ts), como mostra a Eq. (2.1).

.c

s

T

D T=

(2.1)

Os pulsos de comando da modulao PWM de trs nveis podem ser gerados atravs

da comparao de uma portadora dente-de-serra ou triangular com um sinal de controle

contnuo. A defasagem pode ser conseguida com a utilizao de duas portadoras defasadas de

180 graus eltricos, ou atravs de uma lgica de seleo de pulsos base de flip-flops, como

feito no circuito integrado dedicado SG3525. Esse ltimo caso exemplificado na Figura 2.2,

na qual so apresentadas as principais formas de onda associadas modulao PWM de trs

nveis.

Figura 2.2 Formas de onda relacionadas a modulao PWM de trs nveis.

Na Figura 2.2, Ts o perodo de comutao, Vc a tenso de controle, VPpk o valor

de pico da portadora, GS1 e GS2 so os sinais de comando dos interruptores, Ve a tenso deentrada e VLs a tenso de sada do enrolamento secundrio do transformadorpush-pull, e n


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a relao de transformao relao entre o nmero de espiras do enrolamento secundrio e o

nmero de espiras do enrolamento primrio (ns/np).

Uma importante caracterstica do conversor CC-CCpush-pull pode ser observada na

Figura 2.2: no h conduo simultnea de interruptores. Essa uma caracterstica desejada

em qualquer conversor, pois eleva a eficincia da converso. Mas no escopo deste trabalho ela

ganha ainda mais evidncia pois, como haver elevao da tenso no transformador, pelo

balano de energia, as correntes no lado primrio tendem a ser elevadas. Outra caracterstica

importante o fato dos dois interruptores estarem na mesma referncia da fonte de entrada, o

que simplifica bastante a implementao do circuito de comando dos mesmos.

2.2.2 O problema da disperso

Uma questo crtica na topologia do conversor CC-CC push-pull a disperso do

fluxo do transformador, ou seja, uma parcela das linhas de fluxo geradas pelo enrolamento

primrio no concatena o enrolamento secundrio. Essa disperso ocasiona uma deficincia

no acoplamento dos enrolamentos que compem o transformador push-pull e,

consequentemente, parte da energia fornecida ao primrio no transferida ao secundrio.

A disperso do fluxo do transformador de isolamento est intimamente relacionada a

sua construo, podendo ser minimizada, mas nunca eliminada totalmente. Essa disperso

pode ser modelada por uma indutncia em srie com cada um dos enrolamentos primrios do

transformador, chamada de indutncia de disperso. O diagrama esquemtico do conversor

CC-CC push-pull levando em considerao a disperso do transformador, atravs das

indutncias Lda e Ldb, mostrado na Figura 2.3.

Figura 2.3 Diagrama esquemtico do push-pull com representao da disperso.

Quando um dos interruptores conduz, estabelecida uma corrente que circula peloenrolamento do transformador associado ao interruptor, pela fonte de tenso de entrada e pelo


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prprio interruptor. Terminado o ciclo de conduo esse interruptor bloqueia, causando a

interrupo brusca da corrente. A indutncia de disperso se opor a essa interrupo e

descarregar a energia magntica armazenada nela sobre o interruptor, em forma de

sobretenso, fenmeno que pode causar a destruio do mesmo.

Para que a operao do push-pull seja viabilizada, o problema causado pela

disperso do transformador tem que ser contornado. Isso feito atravs da mxima reduo da

disperso, com uma construo que garanta o melhor acoplamento magntico possvel.

Utilizam-se tambm circuitos snubberpara desviar a energia proveniente da indutncia de

disperso para uma fonte de tenso ou dissip-la em resistores, impendido a destruio dos

interruptores.

2.2.3 O problema da saturao

A Figura 2.4 mostra a curva de histerese tpica de materiais utilizados na

composio de ncleos destinados a confeco de dispositivos magnticos (indutores e

transformadores). Essa curva obtida atravs da relao entre a densidade de campo

magntico (B) e a intensidade de campo magntico (H), impostos quando uma tenso

alternada aplicada ao enrolamento que magnetiza o ncleo do dispositivo. B e H so,

respectivamente, proporcionais ao fluxo magntico e a corrente magnetizante que circula pelo

enrolamento.

Figura 2.4 Curva de histerese tpica.

Quando a permeabilidade incremental do material magntico ( i), definida como a

taxa de variao da densidade de campo magntico com a intensidade de campo magntico

(

B/

H), tende permeabilidade do vcuo ( o), significa que a densidade de campo

magntico do material est chegando ao seu valor mximo e o material est na iminncia da

saturao. A saturao caracterizada por uma drstica reduo da indutncia dos


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enrolamentos e por isso deve ser evitada, pois est associada a elevao de corrente e, no caso

de transformadores, a um acoplamento fraco entre os enrolamentos.

Como no conversor push-pull a curva de histerese percorrida em um sentido

atravs de um interruptor e no outro sentindo atravs do outro interruptor, o risco de saturao

do ncleo do transformador se agrava, pois mediante qualquer desequilbrio no tempo de

conduo dos interruptores o ncleo no devidamente desmagnetizado. Se essa situao de

desequilbrio for duradoura, o ncleo do transformadorpush-pull satura [17].

A fim de contornar esse problema, o circuito de acionamento dos interruptores deve

ser projetado com o mximo cuidado e protees de corrente devem ser inseridas no circuito

de controle para evitar a saturao do ncleo e para que, em ocorrendo a saturao, o circuito

de potncia no seja destrudo.

2.2.4 Operao do conversor CC-CC push-pull

A operao do conversorpush-pull pode s

inversor monofÁsico isolado em alta

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