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Prática de Acionamentos Eletrônicos – PAE_04

Prof. Cesar da Costa

AULA 03: Choppers (Introdução)

O chopper é utilizado para obter uma tensão DC variável a partir de uma fonte DC constante. Controlando-se o tempo em que a saída fica ligada a alimentação de entrada, controla-se o valor médio da tensão de saída.

1. Introdução

Conversor de fonte DC fixa em uma fonte DC variável. Um chopper converte diretamente de DC para DC e é conhecido com um conversor DC-DC.

1.1 Os choppers são amplamente utilizados em:

Controle de tração de motores em automóveis elétricos;

Trolebus;

Guindastes;

Empilhadeiras;

Transporte em minas;

Frenagem regenerativa de máquinas CC, para devolver energia para sistemas de transporte com paradas frequentes (Metrô).

Eles fornecem controle de aceleração suave, alta eficiência e resposta dinâmica rápida.

Essa conversão pode ser obtida pela combinação de um indutor e/ou capacitor e um dispositivo de estado solido que opere no modo de chaveamento em alta frequência.

A principal técnica de chaveamento usada em chopper’s DC e denominada PWM (Pulse Width Modulation).

Há dois tipos fundamentais de circuitos chopper:

step-down ou buck e o step-up ou boost.

O chopper buck tem como característica uma tensão na saída menor ou igual a tensão de entrada.

O chopper boost fornece uma tensão na saída maior ou igual a tensão de entrada.

Os dois tipos de choppers são bastante utilizados na industria em aplicações que envolvem fontes constantes, por exemplo:

Controle de motores DC para tração elétrica;

Chaveamento de alimentadores de potencia, UPS (uninterruptible power supplies);

Equipamentos operados por bateria.

2. Circuito Básico

Uma chave é ligada a uma fonte DC (Vi) em série ou em paralelo. A chave S pode ser um transistor de potência, um SCR ou um tiristor GTO, que quando acionada (Ton) permite um caminho alternativo de corrente e quando aberta (Toff) cessa este caminho, alterando assim o período de alimentação da carga.

Considerando condições ideais, a perda de potência no chopper é zero. Assim, a potência de saída é igual a potência de entrada:

0 0. .i iV I V I

Suponha que a tensão de saída seja ajustável em uma faixa de zero ao nível de entrada.

A operação da chave será de tal modo que ela esteja ligada (fechada) por um tempo TON e desligada (aberta) por um tempo TOFF em cada ciclo de período T prefixado.

A forma de onda resultante da tensão de saída é um trem de pulsos retangulares de duração TON, como mostrado na figura abaixo:

Pode-se observar que a tensão instantânea na carga é zero (chave desligada) ou Vi (chave ligada).

A tensão média (DC) na saída em um ciclo é dada de acordo com as áreas dos respectivos retângulos:

0 ( )on off i onV T T V T

0 ( )on off i onV T T V T

0 ( )on

ion off

TV V

T T

0on

i

TV V

T

Onde:

(Igualando as áreas)

( )on offT Periodo T T

A frequência de chaveamento do chopper é:

1fT

Se utilizarmos a ideia de ciclo de trabalho (d) , que é uma relação entre largura de pulso e o período da forma de onda temos:

0 iV V d

onTdT

Temos:

Se o chopper está ligado o tempo inteiro:

Logo:

on offT T T

0offT

onT T

onTdT

1d 0 iV V

A equação mostra que a tensão de saída varia, de modo linear, com o ciclo de trabalho. A figura abaixo mostra a tensão de saída a medida que d varia de zero a um.

A corrente na carga é dada por:

0 iV d V

Logo:

0id V

IR

00

VI

R

O valor eficaz (RMS) da tensão de saída:

0 ( )on

ion off

TV V

T T

0on

i

TV V

T

2 20( )( ) ( )onRMS i

TV V

T

20( ) ( )onRMS i

TV V

T

0( )on

RMS i

TV V

T 0( )RMS iV V d

Os valores médios de tensão de saída, de potência de saída e de potência de entrada são dados por:

0 iV V d

0 0 0P V I

i i iP V I

Como os elementos são ideais (sem perdas) a potência DC drenada da fonte deve ser igual a potência DC absorvida pela carga:

0 iP P 0 0 i iV I V I

Logo temos:

00

ii

II V

V 0

ii

i

II V

V d

0iIId

Vale lembrar que:0

0

i

i

I Vd

I V

4. Técnicas de Controle O controle da tensão de saída (Vo) e realizada por meio do chaveamento que pode ocorrer de duas formas:

a) Modulação por largura de pulso (PWM – pulse width modulation);

b) Modulação por frequência de pulso (PFM – pulse frequency modulation).

PWM – Pulse Width Modulation Neste método de controle, a largura do pulso ligado (ton) varia enquanto o período de chaveamento total (T) é constante.

A figura abaixo mostra como as formas de onda de saída variam a medida que o ciclo de trabalho aumenta:

onTdT

Exercícios de Aplicação:

1.Observe a figura abaixo e determine o valor da tensão de entrada e o valor rms da tensão de saída.

Exercícios de Aplicação:

Solução:

1. A tensão de entrada pode ser determinada por:

3

0 3

5 1091,67 220

12 10i i iV d V V V V

2. A tensão RMS de saída fica:

3

0( ) 0( ) 3

5 10220 142

12 10rms i rmsV V d V V

PFM – Pulse-Frequency Modulation

Neste método de controle, a largura do pulso ligado (ton) é constante enquanto o período (frequência) de chaveamento total (T) varia.

Técnicas de Controle No método PFM é necessário reduzir a frequência

de chaveamento do chopper para obter um tensão de saída mais baixa.

Isto pode resultar em descontinuidade nas baixas frequências; sendo que a redução na frequência aumenta a ondulação na saída e consequentemente aumento das perdas na carga (potencia e calor).

Técnicas de Controle

O método PWM tem a vantagem da baixa ondulação, o que significa menores componentes para o filtro.

5. Topologias de CHOPPERS

Básicamente os Chopper podem apresentar as seguintes topologias:

Choppers step-down (Buck).

Choppers step-up (Boost).

Choppers Buck-Boost ou ainda Cúk

6. Choppers step-down (Buck)

Um arranjo prático do Buck é mostrado na figura que inclui um indutor L e um diodo D (FWD) para eliminar as pulsações de corrente. Este circuito fornece uma corrente DC linear para cargas práticas como um motor DC.

6. Choppers step-down (Buck) Quando a chave S for fechada, o diodo D ficara desligado (reversamente polarizado) e ficara assim durante todo o tempo TON. A corrente cresce e flui através do indutor e da carga.• A tensão de saída e igual a Vi.•

6. Choppers step-down (Buck) Quando a chave e aberta, a corrente no indutor começa a cair (não varia de modo instantâneo). Dessa forma, é induzida no indutor uma tensão de polaridade oposta.

6. Choppers step-down (Buck) O diodo D ficara diretamente polarizado, proporcionando um caminho de circulação de corrente.• Esse circuito proporciona uma corrente DC linear satisfatória na carga, para varias aplicações.

6. Choppers step-down (Buck)

• Quando a frequência de chaveamento for alta, uma indutância relativamente pequena será suficiente para reduzir a ondulação a um grauaceitável.

Modo de Corrente Contínua

A onda (a) mostra a forma de onda da tensão na carga, quando a chave S esta ligada e ainda a tensão que aparece na carga quando o diodo D estaligado.

Modo de Corrente Contínua

No momento em que a chave S e aberta, a tensão de saída mantém em zero pela ação do diodo D, que fornece um caminho para a corrente na carga.

Modo de Corrente Contínua

Na onda (b) tem-se a forma de onda da corrente no diodo. E a mesma da carga durante TOFF.

• Em TON a corrente de saída Io e a mesma da de entrada Ii.

Modo de Corrente Contínua

Quando a chave for aberta, a corrente na carga cairá de seu valor Maximo Imax a um valor final Imin.

Modo de Corrente Contínua

Quando tiver caído a um valor Imin, ocorrerá o fechamento da chave, a corrente no diodo para de fluir e a corrente fornecida pela fonte vale Imin.

Modo de Corrente Contínua

A corrente na carga começa a aumentar e alcança novamente Imax, depois de um tempo TON, quando novamente a chave S abre e o ciclo se repete.

Modo de Corrente Contínua

A corrente na carga oscila entre Imax e Imin. A ondulação incluída na corrente de saída reduz-se a medida que a frequência de chaveamento aumenta.

Modo de Corrente Contínua

Embora a corrente na carga de um chopper seja basicamente constante, na entrada ela ainda consiste em um trem de pulsos agudos. A onda (c) mostra a forma de onda para a fonte de corrente.

Modo de Corrente Contínua

Um filtro capacitivo costuma ser usado em paralelo com a fonte depotencia de entrada para manter a linearidade da corrente de entrada.

Modo de Corrente Contínua

As formas de onda apresentadas pressupõem uma frequência de chaveamento e uma carga, tal que T<< .

Aqui, e a constante de tempo do circuito e depende da relação L / R.

Pode-se observar que a corrente de saída é linear e a ondulação, bem pequena, devido a constante de tempo grande.

Modo de Corrente Contínua

Como a corrente na saída (Io) esta sempre presente, esse modo de operação e chamado modo de corrente contínua de operação.

A corrente na saída é contínua porque o indutor absorve energia durante TON e a descarrega em TOFF.

Pode-se reduzir a corrente de ondulação aumentando-se a frequência de chaveamento do chopper ou o valor do indutor.

6. Buck : Modo contínuo

(Ciclo de Trabalho)

0 iV d V

onTdT

(Tensão Média de Saída)

0iIId

(Corrente Média de Saída)

0( )rms iV V d (Tensão Eficaz de Saída)

6. Buck : Modo contínuo

(Corrente Máxima de Saída)

(Corrente Mínima de Saída

(Corrente de Ondulação ou pico a pico)

(Corrente Média no Diodo)

0pp OFF

VI T

L

0OFF

D

TI I

T

0 0max 2 OFF

V VI T

R L

0 0min 2 OFF

V VI T

R L

Exercício de Aplicação

Na figura abaixo, a frequência de chaveamento é de 25Hz e TON = 3ms. Determine a fonte de corrente media se o valor médio da corrente de saída for de 40A.

Exercício de Aplicação

Solução:

00 0 0 0

N ONi ON

ON OFF

T TI d I I I T f I

T T T

33 10 25 40 3iI A