controle de conversores - professorpetry.com.br · instituto federal de santa catarina departamento...

54
INSTITUTO FEDERAL DE SANTA CATARINA Departamento Acadêmico de Eletrônica Pós-Graduação em Desenvolvimento de Produtos Eletrônicos Conversores Estáticos e Fontes Chaveadas Controle de Conversores Prof. Clóvis Antônio Petry, Dr. Eng. Prof. Mauro Tavares Peraça, Dr. Eng. Florianópolis, abril de 2009.

Upload: lamdien

Post on 22-Dec-2018

219 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

INSTITUTO FEDERAL DE SANTA CATARINA

Departamento Acadêmico de Eletrônica

Pós-Graduação em Desenvolvimento de Produtos Eletrônicos

Conversores Estáticos e Fontes Chaveadas

Controle de Conversores

Prof. Clóvis Antônio Petry, Dr. Eng.

Prof. Mauro Tavares Peraça, Dr. Eng.

Florianópolis, abril de 2009.

Bibliografia para esta aula

http://www.inep.ufsc.br/dissertacoes/Dissertacao_Peraca.pdf

Conteúdo desta aula

Controle de conversores

1. Conversores operando em malha fechada;

2. Projeto de compensadores;

3. Simulação em malha fechada.

Filtro de

Rádio- Frequência

- Retificador

- Filtro

- Proteções

Interruptor - IGBT

ou - MOSFET

Transformador de

Isolamento

- Retificadores

- Filtros

Circuitos de

Controle

- Comando - Proteção - Fonte

Auxiliar

Rede AC

Controle de conversores

Diagrama de blocos de uma fonte chaveada:

Conversor Buck

Controle de conversores

• garantir a precisão no ajuste da variável de saída;

• rápida correção de eventuais desvios provenientes de transitórios

na alimentação ou mudanças na carga.

Objetivos das malhas de controle

Controle de conversores

Controle de conversores

Controle de conversores

Sistema Realimentado

Controle de conversores

Equação característica e função de transferência

H(s)

G(s)O(s)I(s) +

-

(s)

)s()s(G)s(O

)s(O)s(H)s(I)s(

)s(O)s(H)s(I)s(G)s(O

)s(I)s(G)s(H)s(G1)s(O )s(F

)s(H)s(G1

)s(G

)s(I

)s(O

Controle de conversores

Equação característica e função de transferência

H(s)

G(s)O(s)I(s) +

-

(s)

)s(F)s(H)s(G1

)s(G

)s(I

)s(O

O(s) - grandeza de saída;

I(s) - grandeza de entrada;

G(s) - função de transferência em malha aberta;

G(s)H(s) - função de transferência de laço aberto;

- função de transferência em malha fechada.)s(I

)s(O

Controle de conversores

Equação característica e função de transferência

H(s)

G(s)O(s)I(s) +

-

(s)

)s(F)s(H)s(G1

)s(G

)s(I

)s(O

pode-se definir como instável o sistema cuja saída tende para infinito

1 ( ) ( ) 0G s H s Equação característica

o sistema torna-se instável quando: ( ) ( ) 1G s H s

Controle de conversores

Critérios de estabilidade

H(s)

G(s)O(s)I(s) +

-

(s))s(F

)s(H)s(G1

)s(G

)s(I

)s(O

( ) ( ) 1G s H s

20 log( ( ) ( ))

20 log( 1)

dB

dB

GH G s H s

GH

0dBGH 180

Controle de conversores

Critérios de estabilidade – FTLA – G(s)H(s)

0dBGH 180

180MF

•margem de fase entre 45° e 90°;

•maior ganho possível em baixa

freqüência (erro nulo);

•maior freqüência de corte possível

(resposta rápida) (fc<fs/4)

Deve-se evitar:

Características desejadas:

Controle de conversores

Critérios de estabilidade – FTLA

Controle de conversores

Critérios de estabilidade – FTLA

Controle de conversores

Critérios de estabilidade – FTLA

Controle de conversores

Relação entre margem de fase e fator de amortecimento

Controle de conversores

Projeto de compensadores

• propiciar bom ajuste da variável de saída diante de:

variações de carga;

variações da tensão de entrada (Ex. 120Hz);

• proporcionar boa resposta a transitórios:

rapidez

sobre-tensão e oscilação

• garantir a estabilidade

freqüência de corte elevada

margem de fase

alto ganho em baixa freqüência

margem de fase

Controle de conversores

Projeto de compensadores

Compensador PD

• melhora a margem de fase

Compensador PI

• melhora o ganho em baixa freqüência

Compensador PID

• melhora a margem de fase

• melhora o ganho em baixa freqüência

Controle de conversores

Compensador PD

• melhora a margem de fase

Controle de conversores

Compensador PD

• melhora a margem de fase

exemplo

Controle de conversores

Compensador PI

• melhora o ganho em baixa freqüência

Controle de conversores

Compensador PI

• melhora o ganho em baixa freqüência

exemplo

Controle de conversores

Compensador PID

• melhora a margem de fase

• melhora o ganho em baixa freqüência

Controle de conversores

Exemplo de projeto

Controle de conversores

Exemplo de projeto - planta em MA

Controle de conversores

Exemplo de projeto - Sem compensador Gc=1

Controle de conversores

Exemplo de projeto – compensador PD

Controle de conversores

Exemplo de projeto – compensador PID

Controle de conversores

Exemplo numérico - conversor Buck

Compensador PD

Vin=30V Vout=15V

D=0,5 1-D=0,5

Po=100W Io=6.67A

Iin=3,33A Ro=2,25Ω

f=100kHz Vserra=4V

L=225μH C=50μF

Controle de conversores

Exemplo numérico - conversor Buck - Compensador PD

Controle de conversores

Circuitos de compensação com AMPOP

Topologia de 1 pólo

-V

i

R

fC

fR

+A

0

refV

R

ref

VC

ii RZ sC/1R

sC/RZ

ff

fff

( ) 1

( ) (1 )

fC

o i f f

RV s

V s R sC R

i

f

R

RG

ff

pCR2

1f

-20 dB/dec

+90°

-90°

0

+20

-20

0

-400,1f f 10f 100fp p p p

dB

i

f

o

C

Z

Z

V

V

Controle de conversores

Circuitos de compensação com AMPOP

Topologia de 2 pólos

-V

fz

R

fC

izR

+A

0

refV

R

ref

VC

Rip

iC

f

fzfCs

1RZ

/

1iz i

i ip

iz

i

R sCZ R

RsC

1sCR

1RR

Cs/1R

Z

Z

iiz

izip

ffz

i

f

ipiz

izip

iizipf

fzfiiz

o

C

RR

RRsC1)RR(sC

)sRC1)(sCR1(

)s(V

)s(V

80

60

40

20

0

-201 10 100 1k 10k 100kf2f1

fp2

fz1= fz2

(dB)

Ganho em malha fechada do compensador ideal

Ganho do amplificador operacional real em malha aberta

Compensador real considerando o amplificador operacional ideal

Controle de conversores

Circuitos de compensação com AMPOP

Topologia de 2 pólos

-V

fz

R

fC

izR

+A

0

refV

R

ref

VC

Rip

iC

Hz0f 1p

izi

1zRC2

1f

ipiz

izip

i

1p

RR

RRC2

1f

fzf

2zRC2

1f

1o) Traçar o diagrama G(s) em dB;

2o) Escolher a topologia do controlador; (2 pólos)

3o) Definir a freqüência fc; (G(s)H(s) passa por 0 dB)

4o) Determinar o ganho de H(s) para f = fc;

5o) Situar os dois zeros de H(s) na freqüência fo do filtro;

6o) Situar o 1o pólo de H(s) na origem (0 Hz);

7o) Situar o 2o pólo de H(s), fp2 = 5fo;

8o) Calcular H1 e H2 empregando o procedimento descrito a seguir (Fig. 8.23);

9o) Calcular os valores dos resistores e capacitores do circuito.

Controle de conversores

Método prático para o cálculo do controlador de um conversor Forward

/ 4c sf f

2

c

2p

2 Alog20f

flog20AH 1

0

c1 Alog20

f

flog20AH

Controle de conversores

Método prático para o cálculo do controlador de um conversor Forward

/ 4c sf f

2

c

2p

2 Alog20f

flog20AH

1

0

c1 Alog20

f

flog20AH

30

20

10

0

-10

-20

10 f 0

G(s)

-30

dB

-40 dB/dec

-20 dB/dec +20 dB/dec

+1

-1

-1

A

(H )2

H 2

fp2fcf00,1 f cfp1

Controle de conversores

Método prático para o cálculo

do controlador de um conversor Forward

10 100 1 103

1 104

1 105

60

40

20

0

20

40

Gdb ( )

f ( )

10 100 1 103

1 104

1 105

200

150

100

50

0

Gfase ( )

f ( )

Ganho em baixa freqüências:

GVin

Vs G 12

Gdb 20 log G( ) Gdb 21.584

Freqüências de transição:

f0

1

2 L C f0 324.874

fz

1

2 C RSE fz 1.592 10

3

Vout = 12V Vin = 60V

Pout = 240W fs = 40kHz

R1 = 6 a 0,6

C = 4000F RSE = 25m

L = 60H VS = 5,0V

Controle de conversores

Método prático para o cálculo

do controlador de um conversor Forward

Vout = 12V Vin = 60V

Pout = 240W fs = 40kHz

R1 = 6 a 0,6

C = 4000F RSE = 25m

L = 60H VS = 5,0V

Determinação dos zeros do compensador:

fz1 f0 fz1 324.874

fz2 f0 fz2 324.874

Determinação dos pó los do compensador:

fp1 0 fp1 0

fp2 5 f0 fp2 1.624 103

10 100 1 103

1 104

1 105

10

20

30

40

50

60

Hdb ( )

f ( )

10 100 1 103

1 104

1 105

100

50

0

50

Hfase ( )

f ( )

Controle de conversores

Método prático para o cálculo

do controlador de um conversor Forward

Vout = 12V Vin = 60V

Pout = 240W fs = 40kHz

R1 = 6 a 0,6

C = 4000F RSE = 25m

L = 60H VS = 5,0V

10 100 1 103

1 104

1 105

40

20

0

20

40

60

80

GHdb ( )

f ( )

10 100 1 103

1 104

1 105

150

100

50

0

GHfase ( )

f ( )

Controle de conversores

Método prático para o cálculo

do controlador de um conversor Forward

Vout = 12V Vin = 60V

Pout = 240W fs = 40kHz

R1 = 6 a 0,6

C = 4000F RSE = 25m

L = 60H VS = 5,0V

0.0 2.00 4.00 6.00 8.00

Time (ms)

11.60

11.80

12.00

12.20

12.40

12.60

Vo

Controle de conversores

Método prático para o cálculo

do controlador de um conversor Forward

Ondulação de 120Hz na saída frente a 20% de ondulação na entrada

54.00

56.00

58.00

60.00

62.00

64.00

66.00

Vin

5.00 10.00 15.00

Time (ms)

11.90

11.95

12.00

12.05

12.10

Vo

Controle de conversores

Modelo do conversor Flyback – condução descontínua

2RC

VoutVin

I1 I2md I2

2md22md2 IRP

T2

TIVIVP

1p

inmd1inmd1

DfLR2

VI

2

inmd2

2RC

Vout

IRIC

I2md

2

outoutmd2

R

V

dt

dVCI

)CRs1(

1

R

fL2V

V)s(G

2

2

S

in

Controle de conversores

Modelo do conversor Flyback – condução descontínua

2RC

VoutVin

I1 I2md I2

2RC

Vout

IRIC

I2md

)CRs1(

1

R

fL2V

V)s(G

2

2

S

in

)CRs1(

)CRSEs1(

R

fL2V

V)s(G

2

2

S

in

pólo

-20 dB/dec

zero

G (jw)dB

0 dB

fp fz f

Controle de conversores

• Controle no modo corrente – conversor Push-Pull:

Controle de conversores

• Controle no modo corrente – conversor Push-Pull:

Malha de corrente

sem compensador

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

80

60

40

20

0

Vin=9V

Vin=20V

Vin=31V

f

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

150

100

50

0

50

f

Vin=9V

Vin=20V

Vin=31V

Controle de conversores

• Controle no modo corrente – conversor Push-Pull:

Malha de corrente

com compensador

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

100

50

0

50

100

f

Vin=9V

Vin=20V

Vin=31V

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

200

150

100

50

0

50

f

Vin=9V

Vin=20V

Vin=31V

Controle de conversores

• Controle no modo corrente – conversor Push-Pull:

Malha de tensão

Vref +

-

Vo(s)

Vo’(s)

Cv(s)

Ko

Iref Hv(s) Zo(s)1

a

IL(s)

Controle de conversores

• Controle no modo corrente – conversor Push-Pull:

Malha de tensão

sem compensador

1 10 100 1 103

1 104

1 105

150

100

50

0

50

f

Vin=9V

Vin=20V

Vin=31V

1 10 100 1 103

1 104

1 105

250

200

150

100

50

0

f

Vin=9V

Vin=20V

Vin=31V

Controle de conversores

• Controle no modo corrente – conversor Push-Pull:

Malha de tensão

com compensador

1 10 100 1 103

1 104

1 105

150

100

50

0

50

f

Vin=9V

Vin=20V

Vin=31V

1 10 100 1 103

1 104

1 105

250

200

150

100

50

f

Vin=9V

Vin=20V

Vin=31V

Controle de conversores

• Controle no modo corrente – conversor Push-Pull:

Tim e

1 0 m s 1 5 m s 2 0 m s 2 5 m s 3 0 m s 3 5 m s 4 0 m sV1 (R o)

1 5 0 V

2 0 0 V

2 5 0 V

3 0 0 V

Tensão de saída e corrente de entrada - transitórios

Controle de conversores

• Controle no modo corrente – conversor Push-Pull:

Tensão de saída e corrente de entrada - transitórios

Vin = 9V

Controle de conversores

• Implementação prática do controle no modo corrente

Controle de conversores

Próxima aula

Metodologia e exemplo de projeto de fonte chaveada

Trazer: livro e calculadora