trabalho chopper

5/10/2018 Trabalho Chopper - slidepdf.com

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UNIVERSIDADE DE UBERABAMARLON DALTON SILVA RA 5106119

ELETRÔNICA INDUSTRIALTRABALHO: CIRCUITOS CHOPPERS

UBERABA – MG

2011



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UNIVERSIDADE DE UBERABAMARLON DALTON SILVA RA 5106119

ELETRÔNICA INDUSTRIALTRABALHO: CIRCUITOS CHOPPERS

Trabalho apresentado à Universidade deUberaba, como parte das exigências àconclusão da disciplina de EletrônicaIndustrial do 7° semestre do curso deEngenharia Elétrica.Professor(a): Alin Amaral

Uberaba – MG2011



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Sumário INTRODUÇÃO ........................................................................................................4

Chopper ................................................................................................................4

Chopper DC básicos .............................................................................................5

CHOPPERS STEP-DOWN (BUCK) .......................................................................5

Funcionamento .....................................................................................................6

Modo corrente contínua ........................................................................................7

Modo de corrente não contínua ............................................................................9

CHOPPER STEP UP (BOOSTER) ........................................................................11

CHOPPER BUCK BOOST ....................................................................................13

EXERCÍCIOS .........................................................................................................18

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ........................................................................22



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INTRODUÇÃO

Chopper

Qualquer um sistema de potência a semicondutor empregado para retificar,

inverter, ou mesmo para modular a potência de saída de uma fonte de energia DC ou AC é

chamado de sistema conversor ou sistema de condicionamento de potência. Nessa seção

estamos interessados num tipo de conversor chamado “chopper” (que pode ser traduzido

por cortador, pulsador, interruptor, etc.) que, devido ao princípio de operação, permite

variar a tensão média DC aplicada a uma dada carga sem que ocorra uma grande dissipação

de potência nos elementos chaveadores (tiristores ou transistores). O “chopper” é colocadoentre a carga e a fonte DC como mostra a Fig. 1a. Consideraremos como carga um circuito

constituído de uma resistência, uma indutância e uma fonte de tensão contínua V C .

Em muitas aplicações industriais, é necessário converter uma fonte de tensão CC

fixa em uma fonte de tensão CC variável. Um chopper converte diretamente de CC para CC

e é conhecido como um conversor CC-CC. Um chopper pode ser considerado o equivalente

CC de um transformador CA com uma relação de espiras continuamente variável. Da

mesma maneira que um transformador, ele pode ser utilizado para abaixar ou elevar a

tensão de uma fonte CC.

Os choppers são amplamente utilizados para controle de tração de motores em

automóveis elétricos, trólebus, guindastes marinhos, empilhadeiras. Fornecem controle de

aceleração suave, alta eficiência e resposta dinâmica rápida. Os choppers podem ser usados

na frenagem regenerativa de máquinas de corrente contínua (MCC), para devolver energia à

fonte de alimentação, e essa característica resulta em economia de energia à fonte de

alimentação, e essa característica resulta em economia de energia para sistemas de

transporte com paradas freqüentes. Os choppers são usados em reguladores de tensão CC etambém com um indutor para gerar uma fonte de corrente CC, especialmente para os

inversores do tipo fonte de corrente.

A técnica de chaveamento usada em choppers DC é denominada

PWM(Modulação por largura de pulso).



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Chopper DC básicos

Uma chave é ligada em séria com a fonte da tensão DC e a carga. A chave S pode

ser um transistor de potência, um SCR, ou um tiristor GTO. Supondo que as chaves sejam

todos ideais que possui as seguintes características:

- resistência zero quando ligadas;

- Resistência infinita quando desligadas;

- Podem chavear instantaneamente a partir de cada um dos dois estados.

Figura 1 – Chopper DC básico

CHOPPERS STEP-DOWN (BUCK)

O circuito da figura 1. Acima não é muito prático. Serve para alimentar cargas

resistivas, onde não é necessário uma corrente linear. Um arranjo muito mais prático

mostrado na figura 2. Inclui um indutor L e um diodo D, acrescentados para eliminar as

pulsações de corrente. Esse circuito fornece uma corrente DC linear para cargas práticas,

como um motor DC.

Figura 2 – Circuito básico de chopper step-down;



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Funcionamento

Quando a chave S for fechada, o diodo D ficará desligado, uma vez que está inversamente

polarizado. E permanecerá assim durante todo o tempo em que S estiver ligada. A

configuração do circuito é mostrada na figura 3 abaixo. A corrente na entrada cresce de

maneira exponencial e flui através do indutor L e da carga. A tensão de saída é igual a Vi. A

chave S é mantida ligada por um tempo Ton e depois passa para o estado desligado.

Figura 3 – circuito equivalente para a chave ligada

Quando a chave é aberta, a corrente no indutor começa a cair até se anular. Isso provoca, no

indutor, uma tensão induzida de polaridade oposta. A tensão no indutor polariza o diodo

diretamente e a corrente, agora fluindo no indutor, atua como retorno através do diodo D eda carga. A finalidade do diodo, portanto, é fornecer um caminho para a corrente na carga

quando S estiver desligada. Assim, ao desligar-se S, automaticamente liga-se D. A

configuração do novo circuito é mostrada na figura 4. A tensão na carga é nula e a corrente

cai a zero durante todo o tempo em que S permanecer desligada, isto é, durante o período

Toof. A energia armazenada em L é entregue à carga. Este arranjo para o circuito permite o

uso de um filtro simples, como a indutância L, para propiciar uma corrente DC linear

satisfatória na carga, para várias aplicações. Quando a freqüência de chaveamento for alta,

uma indutância relativamente pequena será suficiente para reduzir a ondulação a um grau

aceitável

.

Figura 4 – circuito equivalente para a chave desligada.



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Modo corrente contínua

A figura 5 mostra a forma de onda da tensão na carga, além da tensão que aparece

em FWD (D). Ela é igual à tensão de entrada Vi quando a chave está ligada e quando o

diodo D se acha polarizado. No momento em que a chave é aberta, a tensão de saída

mantém-se em zero pela ação do FWD, que fornece um caminho para a corrente na carga.

Como a tensão média no indutor L é desprezível quando não há componente resistiva a

tensão de saída deve ser a tensão média no diodo. Portanto, aqui, a equação abaixo também

se aplica.

Ainda na figura 5 temos a corrente no diodo. É a mesma da carga durante Toff. Em

Ton, a corrente de saída io é a mesma da entrada i1. Quando a chave for aberta (Toff ), a

corrente na carga cairá de seu valor máximo Imáx a um valor final Imin. Durante esse

intervalo, ela fluirá pelo indutor, pela carga e pelo FWD. Quando tiver caído a um valor

Imin, ocorrerá o fechamento da chave. A corrente, no diodo, para de fluir nesse instante, a

corrente fornecida pela fonte, agora, é Imin. Ela então começa a aumentar e, quando alcança

o valor Imáx, depois de um tempo Ton, provoca a reabertura da chave. O FWD fornece

outra vez o caminho para a corrente na carga e o ciclo se repete. A corrente, portanto oscila

entre Imáx e Imin. A ondulação incluída na corrente de saída reduz-se à medida que a

freqüência de chaveamento do chopper aumenta. O valor médio da corrente no indutor é

dado por:

1.

Agora

2. 2

Portanto:

3.

4.

A tensão no indutor:

5.

6.

7. t L

Vo

Com a chave aberta Toff

8. Toff L

Voiax minIm



8

Somando as equações 4 e 8 temos:

Toff L

Vo

R

Voax

Toff L

Vo

R

Voax

2Im

2Im2

De modo semelhante Imin é dado por:

inIm Toff L

Vo

R

Vo

2

A corrente de ondulação pico a pico é:

A corrente média no diodo é:

Embora a corrente na carga de um chopper seja basicamente constante, na entrada

ela ainda consiste em um trem de pulsos agudos. No gráfico abaixo mostra a forma de ondapara a fonte de corrente. Um filtro capacitivo costuma ser usado em paralelo com a fonte de

potência de entrada, para manter a linearidade da corrente na entrada.

Figura 5. Formas de onda



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As formas de onda de corrente e de tensão mostradas acima pressupõe uma

freqüência de chaveamento e uma carga, tal que T << τ. Aqui τ é a constante de tempo do

circuito e depende da relação L/R. Observamos a variação de corrente linear e a ondulação,

bem pequena, por causa da constante de tempo grande. A corrente na saída io está sempre

presente, portanto este modo de operação se chama modo de corrente contínua de operação.

Ela é contínua porque o indutor L absorve energia durante Ton e a descarregamento em

Toff.

Abaixo temos os valores médios de tensão de saída, de potência de saída e de

potência de entrada dados por:

Como consideramos elementos ideais sem perdas, a potência DC drenada da fonte deve ser

igual à potência DC absorvida pela carga.

Modo de corrente não contínua

Para valores abaixo, caso a indutância seja baixa, a corrente diminui e pode cair a

zero durante a parte de cada ciclo em que a chave estiver ligada. Ela, porém, crescerá de

novo, a partir de zero, quando a chave for ligada, no ciclo seguinte, Dizemos então que a

carga é não contínua. A figura 6 mostra as formas de onda de corrente e de tensão.



Figura 6. Formas de onda de tensão e de correne com Ton < Toff E Ton ᵙ τ

Como pode ser visto, a corrente na carga flui em pulsos e o chopper opera no

modo não-contínuo. Essa é uma operação indesejável e pode ser evitada se a freqüência

apropriada de funcionamento do chopper ou um valor adequado de indutância for escolhido.

O valor mínimo da indutância, necessário para garantir a corrente contínua, é obtido com a

equação de Imin = 0.

ou

Portanto, contar com uma indutância alta na carga é desejável, para evitar o modo

não-contínuo. Além disso, a ondulação pico a pico na corrente da carga cairá á medida que

o valor da indutância aumentar. Quando a indutância da carta tornar idealmente infinita,

conseguiremos uma corrente sem ondulação (DC pura).



CHOPPER STEP UP (BOOSTER)

Neste tipo de circuito, a tensão de saída pode variar desde a fonte de tensão até

diversas vezes a fonte de tensão. O circuito básico é mostrado na figura 7. Usa-se o indutor

L para fornecer uma corrente linear na entrada.

Figura7. Circuito do chopper step-up (boost)

Um certo componente de ondulação está, na realidade, incluído na corrente de

entrada, embora seja considerado desprezível quando a ação de chaveamento é repetida em

alta freqüência. A chave em estado sólido, operada no estilo PWM, pode ser um transistor

ou um SCR.

Quando a chave S é acionada, o indutor ficar[á conectado á alimentação. A tensão

no indutor Vl pulará no mesmo instante para a fonte de tensão Vi, mas a corrente no indutor

ii, aumentará de maneira linear e armazenará energia no campo magnético. Quando a chave

for aberta, a corrente cairá de modo violento e a energia armazenada no indutor será

transferida para o capacitor através do diodo D. A tensão induzida Vl no indutor mudará de

polaridade e a tensão no indutor se somará à fonte de tensão, para assim aumentar a tensão

de saída. A energia armazenada no indutor será liberada para a carga. Quando a chave S for

fechada, D se tornará inversamente polarizado, a energia do capacitor fornecerá a tensão na

carga e o ciclo se repetirá.

Figura 8. Circuito equivalente estado ligado.



Figura 9. Circuito equivalente estado desligado.

A tensão na carga e no capacitor é:

Vo = Vi – vl

Vo será maior do que Vi porque a polaridade de Vl é sempre igual à de Vi.

A corrente no diodo id se comporta como se segue:

Id = 0 quando a chave é fechada (ligada)

Id = i1 quando a chave é fechada (desligada), assim a corrente no diodo pulsará como

mostrado na figura 10.

Se a indutância L for muito grande, a fonte de corrente i1 não terá ondulação e

deverá ser considerada constante. A energia armazenada no indutor durante o intervalo

(Ton), quando o chopper estiver ligado, será: Won = Vi.Ii.Ton

Figura 10. Formas de onda de tensão e de corrente (d=0,5) para um chopper step-up(booster).



De modo semelhante, supondo que a capacitância seja grande o bastante para desprezar a

tensão de ondulação, a tensão de saída vo pode ser considerada constante. Durante o tempo

(Toff) em que o chopper estiver desligado, a energia transferida pelo indutor para a carga

será: Woff = (Vo-Vi). Ii . Toff. Desprezando as perdas, a energia transferida pela indutância

durante Toff deve ser igual à energia ganha por ela durante o período Ton.

Se a chave estiver aberta (d=0), a tensão de saída será igual á tensão de entrada. A medida

que D aumentar, a tensão de saída se tornará maior do que a de entrada. Portanto, a tensão

de saída ou na carga será sempre maior do que a tensão de entrada se a chave S for operada

em uma alta frequencia apropriada.

CHOPPER BUCK BOOST

O circuito chopper Buck-boost DC para DC combina os conceitos dos choppers

step-up e step-down. A tensão de saída pode ser mais alta, igual ou menor do que a tensão

de entrada. Uma inversão de polaridade na tensão de saída também pode ocorrer. A

configuração do circuito é mostrada na figura 11. A chave pode ser qualquer dispositivo de

chaveamento controlado, como um transistor de potência , um tiristor GTO ou um IGBT.

Figura 11. Chopper DC Buck-boost, b) circuito equivalente com a chave ligada; c) circuitoequivalente com a chave desligada.



Quando S estiver ligada, o diodo D ficará inversamente polarizado e id será nula.

O circuito pode ser simplificado, como mostra a figura 11. A tensão no indutor é igual a

tensão de entrada, e a corrente no indutor Il aumenta de modo linear com o tempo. Quando

S estiver desligada, a fonte será desconectada. A corrente no indutor não poderá variar de

imediato; logo, polarizará o diodo diretamente e fornecerá um caminho para a corrente na

carga. A tensão de saída se tornará igual à tensão no indutor. O circuito pode ser

simplificado, como mostra a figura 11.(c). as formas de onda de tensão e de corrente são

apresentadas na figura 12.

Figura 12.Formas de onda de tensão e de corrente para um chopper Buck-boost

Com a chave desligada (Toff),

Woff = Vo Ii Toff

Ignoradas as perdas,

Won = Woff

Vi Ii Ton = Vo Ii Toff



Toff

TonViVo

Agora,

T

Ton

d

)1(

1

d T

T

TonT

TonT Toff

Toff TonT

T d Ton

Substituindo em Vo

T d

dT ViVo

)1(

Vid

d Vo

)1(

A tensão de saída pode ser controlada com a variação do ciclo de trabalho d . Dependendo

do valor de d, a tensão de saída pode ser mais alta, igual ou menor do que a tensão deentrada. Quando d>0,5, a tensão de saída será maior do que a de entrada e o circuito

operará no modo step-up. Se d<0,5, a tensão de saída será menor do que a de entrada e o

circuito atuará como um chopper step-down. O buck-boost pode passar do modo de

operação step-down para o step-up de modo muito suave e rápido. Basta variar os sinas de

controle para a chave S.

Da equação temos

A potência média de entrada é:

A potência de saída é:



Desprezadas as perdas de potência, a potência de entrada deve ser igual à de saída:

Substituindo Vo da Equação

Temos:

Com a chave fechada (Ton),

Ou,

Somando as equações:

E

teremos:

Imin é dado por



A ondulação pico a pico da corrente na entrada Ii é dada por:

Para condições de corrente contínua o valor mínimo da indutância requerido é obtido ao se

estabelecer a equação de Imin igual à zero:

Resolvendo para L,



EXERCÍCIOS

1) Um buck DC alimenta uma carga com R = 20Ω e L = 25mH operando a

2kHz alimentado por uma fonte contínua de 120V. Sendo a tensão média de saída de80V, determine:

a. O ciclo de trabalho.

b. Ton.

c. A tensão eficaz na carga.

d. Corrente máxima e mínima.

e. Potência de entrada.

f. Corrente de ondulação pico a pico.

g. Corrente de ondulação pico a pico se a frequência for aumentada para 4kHz.

h. Corrente de ondulação pico a pico se a indutância for aumentada para 4kHz.



2) Um chopper step-down operando na frequência de 5kHz a partir de uma fonte DC

de 50V alimenta uma carga resistiva de 2Ω. Se a tensão de saída for de 30V e a

corrente for da forma não contínua, determine:

a. O ciclo de trabalho

b. O valor mínimo de L

c. A potência da fonte

d. A potência na carga

e. As correntes máxima e mínima



3) Um boost alimenta uma carga de 5Ω e L = 3mH com tensão DC de 100V.

Considere Ton= 2ms e a tensão de saída de 130V, determine:

a. O ciclo de trabalho

b. A frequência de chaveamento

c. II(on) e I0(on)

d. Plote as formas de onda das correntes na chave, na carga e no diodo.



4) Para o circuito abaixo determine:

Dados:

R = 3,5Ω

L = 0,5Mh

Vi = 30V

V0 = 50V

Ton = 2ms

a. A frequência de chaveamento do

chopper

b. As correntes máxima e mínima

c. A corrente de entrada média

d. A corrente média no diodo

e. A ondulação pico a pico da corrente

de entrada

f. A indutância mínima necessária para

operação em corrente contínua



REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

trabalho chopper

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