apostila cce v5

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UNIVERSIDADE DO ESTADO SANTA CATARINA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA Apostila da Disciplina de Controle de Conversores Estticos Prof. Alessandro Luiz Batschauer Joinville 2012 Dedicatria minha esposa, minha famlia e aos amigos. Aos professores do NPEE e aos alunos de ps-graduao que contriburam na escrita e concepo deste documento. Sumrio 1Introduo Geral1 1.1Introduo ____________________________________ 1 2ConceitosdeModulaoporLargurade PulsosEquation Section 2 [1]3 2.1Parametros da Modulao PWM __________________ 3 2.1.1Sinal de Referncia ________________________ 3 2.1.2Sinal de Portadora _________________________ 5 2.1.3Modulador (Comparador) ___________________ 5 2.1.4Gerao de sinal complementar _______________ 7 2.1.5Tempo Morto _____________________________ 8 2.2Modulaes para conversores cc-ca ________________ 9 2.2.1Modulao por largura de pulso nico________ 10 2.2.2Modulaes PWM senoidais ________________ 13 2.2.3Modulao Pwm Senoidal Bipolar___________ 14 2.2.4Modulao Pwm Senoidal Unipolar __________ 15 2.2.5ModulaoPWMSenoidalPorPortadoraCom Simetria De Um Quarto De Onda __________________ 20 2.2.6Modulao PWM Senoidal Dipolar__________ 21 2.3Modulaes com Trs ou Mais Nveis _____________ 24 2.3.1ModulaocomPortadorasDispostasemFase (Phase Disposition PD)________________________ 25 2.3.2ModulaocomasPortadorasDispostasem OposiodeFase(PhaseOppositionDispositionPOD)25 2.3.3ModulaocomasPortadorasDispostasem OposioAlternadadeFase(AlternativeOpposition Disposition APOD) ___________________________ 26 2.3.4ModulaocomasPortadorascomDeslocamento de Fase (Phase Shifted PS)_____________________ 27 2.3.5Comparao Entre as Modulaes___________ 28 2.3.6Exemplo de Modulao Hbrida _____________ 32 2.4Modulao SHE ______________________________ 36 2.5Modulao por Vetores Espaciais________________ 36 2.6Concluso ___________________________________ 37 3RevisodosConceitosBsicosde ControleEquation Section (Next)39 3.1Aes bsicas dos controladores P, I, PI, PID _______ 39 3.2Conceito de plo, zero, estabilidade ______________39 3.2.1Diagrama de bode________________________39 3.2.2Margem de fase_________________________57 3.2.3Lugar das razes _________________________65 4ModelagemdoconversorBUCKemconduo contnuaEquation Section (Next)74 4.1Introduo __________________________________74 4.2Modelagem do Conversor BUCK em Modo de Conduo Contnua _______________________________________74 4.3Modelo de Tenso do Conversor BUCK v(s) / d(s)__80 4.3.1SimulaodaPlantadetensoemfunodarazo cclica V(s) / d(s) ______________________________83 4.4Modelo de Corrente do Conversor BUCK I0(s) / d(s) _86 4.4.1SimulaodaPlantadecorrenteemfunoda razo cclica I0(s) / d(s) ___________________________88 4.5ModelodeTensoemfunodaCorrentedoConversor BUCK V(s) / I0(s) ________________________________90 4.5.1SimulaodaPlantadetensoemfunoda corrente V(s) / I0(s)____________________________92 4.6Concluses_________________________________94 5ModelagemdoconversorBOOSTemconduo contnuaEquation Section (Next)95 5.1INTRODUO_____________________________95 5.2CONVERSOR BOOST_______________________95 5.3MODELO CONVERSOR_____________________98 5.3.1Etapas de Operao BOOST conduo contnua98 5.3.2Modelagem de pequenos sinais_____________99 5.3.3Simulaes ____________________________104 5.4Concluso _________________________________112 6ModelagemdoconversorBUCK-BOOSTem conduo contnua113 6.1Introduo _________________________________113 6.2Conversor buck-boost ________________________113 6.2.1Primeira etapa __________________________114 6.2.2Segunda etapa __________________________116 6.2.3Valores mdios em um perodo de comutao _117 6.2.4Corrente mdia no capacitor______________119 6.2.5Perturbaes ___________________________120 6.2.6Termos constantes______________________123 6.2.7Transformada de Laplace_________________ 123 6.2.8Plantas do conversor _____________________ 124 6.3Validao das plantas _________________________ 130 6.3.1Parameter File __________________________ 130 6.3.2AC Sweep _____________________________ 134 6.3.3s-domain Transfer Function________________ 137 6.3.4Validao da planta de tenso e corrente pela razo cclica 139 6.3.5Validao da planta de tenso e corrente pela tenso de entrada ___________________________________ 144 6.4Concluses _________________________________ 148 7ModelagemdoconversorBUCK-BOOSTem conduo descontnuaEquation Section (Next)148 7.1Introduo __________________________________ 148 7.2Modelo mdio dos interruptores _________________ 149 7.2.1Determinao dos valores mdios ___________ 150 7.2.2Construo do circuito equivalente __________ 154 7.2.3Modelo para pequenos sinais _______________ 157 7.3Simulao do Conversor Buck-Boost____________ 164 7.4Concluso __________________________________ 167 8Controle de Conversores168 8.1Introduo __________________________________ 168 8.1.1Critriosparaoprojetodecontroladoresde conversores estticos no domnio da frequncia ______ 168 8.1.2Introduo ao uso do SISOTOOL ___________ 168 8.1.3Controle do Conversor Buck MCC __________ 174 8.1.4Controle do Conversor Boost CCM_________ 200 8.1.5Concluses _____________________________ 224 Lista de Figuras Fig. 2.1 Sinal de referncia para um conversor cc-cc. ............... 4 Fig. 2.2 Sinal de referncia para um conversor cc-ca. ............... 4 Fig. 2.3 - Sinais de referncia para um conversor cc-ca trifsico. 4 Fig. 2.4 Portadora tipo dente de serra. ....................................... 5 Fig. 2.5 Portadora tipo triangular. ............................................. 5 Fig. 2.6 Modulador PWM com o sinal de referencia no terminal positivo e a portadora tipo dente de serra no terminal negativo. ............. 6 Fig.2.7Sinaldereferencia(Vref),sinaldaportadora(V2)e sinal de sada do modulador (Vout) para um conversor cc-cc. ............... 6 Fig. 2.8 - Sinal de referencia (Vref), sinal da portadora (Vport) e sinal de sada do modulador para um conversor cc-ca. ........................... 7 Fig. 2.9 - Obteno do sinal complementar. ................................. 7 Fig. 2.10 Circuito tpico para a obteno do tempo morto. ....... 8 Fig. 2.11 Fomas de onda do sinal de comando (Vin), o sinal de comando complementar (Vin_bar), sinais intermedirios (V1 e V2) e os sinais de comando (Q1) e o complementar (Q2) com o tempo morto. ... 9 Fig. 2.12 Inversor em ponte completa (a) e inversor com neutro grampeado (b). ...................................................................................... 10 Fig.2.13Formadeondadatensodesadadoinversoratrs nveis utilizando modulao por largura de pulso nico. ...................... 10 Fig. 2.14 Harmnicas de tenso em funo do ngulo . ........ 12 Fig. 2.15 Modulao bipolar. .................................................. 14 Fig.2.16Detalhedoespectroharmniconasfrequnciasde maior importncia (a), espectro harmnico da tenso de sada completo (b). ......................................................................................................... 15 Fig. 2.17 Modulao PWM Unipolar. ..................................... 15 Fig. 2.18 Inversor com neutro grampeado trs nveis e circuito de comando para modulao unipolar. .................................................. 16 Fig. 2.19 Tenso e corrente na carga, modulao unipolar. .... 17 Fig.2.20Detalhedoespectroharmniconasfrequnciasde maior importncia (a), espectro harmnico da tenso de sada completo (b). ......................................................................................................... 17 Fig.2.21ModulaotrsnveisparaoinversoremPonte Completa. .............................................................................................. 18 Fig. 2.22 Inversor em ponte completa. .................................... 19 Fig. 2.23 Espectro harmnico da tenso de sada trs nveis do Inversor em Ponte Completa. ................................................................ 19 Fig.2.24-ModulaoBipolarcomsimetriadeumquartode onda. ...................................................................................................... 20 Fig. 2.25 Anlise harmnica da tenso de sada do inversor com modulao por portadora com simetria de um quarto de onda. ............. 21 Fig. 2.26 Modulao PWM dipolar. ........................................ 22 Fig.2.27InversorTrsNveisecircuitodecomandopara modulao dipolar. ................................................................................ 23 Fig. 2.28 Detalhe da tenso Vab e corrente na carga. .............. 23 Fig.2.29Espectroharmnicodatensodesadadoinvesor Trs Nveis com modulao dipolar. ..................................................... 24 Fig.2.30Modulaocomasportadorasdispostasemfase (Phase Disposition PD). ..................................................................... 25 Fig.2.31Exemplodemodulaocomasportadorasdispostas em oposio de fase (Phase Opposition Disposition POD). .............. 26 Fig.2.32Exemplodemodulaocomasportadorasdispostas emoposioalternadadefase(AlternativePhaseOpposition Disposition APOD). ........................................................................... 27 Fig.2.33Exemplodemodulaocomasportadorascom deslocamento de fase (Phase Shifted PS). .......................................... 28 Fig.2.34Inversortrifsicode nveisempregandocascata de clulas monofsicas de conversores em ponte completa. ................. 29 Fig.2.35ModulaoPWMsenoidalpadro(Standard SinusoidalPulsewidthModulationSPWM)cominjeode componentes de sequncia zero. ........................................................... 33 Fig.2.36ModulaoPWMcomduplareferncia(Double-Signal Pulsewidth Modulation DSPWM). ......................................... 34 Fig.2.37ModulaohbridapropostaporZaragoza(Hybrid Pulsewidth Modulation HPWM). ....................................................... 35 Fig.2.38Exemplodemodulaohbridaempregando frequnciasdistintasparacadacluladeconversorempontecompleta. (a)Tensodesadasintetizadaporumdosinversores.(b)Sinalde refernciaeportadorasemprega