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MAURO TAVARES PERAA

CONVERSORES CC-CC ELEVADORES PARA

APLICAO EM EQUIPAMENTOS DE

REFRIGERAO

FLORIANPOLIS 2002

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PS-GRADUAO

EM ENGENHARIA ELTRICA

CONVERSORES CC-CC ELEVADORES PARA

APLICAO EM EQUIPAMENTOS DE

REFRIGERAO

Dissertao submetida Universidade Federal de Santa Catarina

como parte dos requisitos para a obteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica

MAURO TAVARES PERAA

Florianpolis, Fevereiro de 2002.

CONVERSORES CC-CC ELEVADORES PARA

APLICAO EM EQUIPAMENTOS DE REFRIGERAO

MAURO TAVARES PERAA

Esta dissertao foi julgada adequada para obteno do Ttulo de Mestre

em Engenharia Eltrica, na rea de concentrao de Eletrnica de Potncia, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica da

Universidade Federal de Santa Catarina.

___________________________________ Prof. Ivo Barbi, Dr. Ing.

Orientador

___________________________________ Prof. Edson Roberto De Pieri, Dr.

Coordenador do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica

Banca Examinadora:

___________________________________ Prof. Ivo Barbi, Dr. Ing.

Presidente

___________________________________ Prof. Alexandre Ferrari de Souza, Dr.

___________________________________ Prof. Denizar Cruz Martins, Dr.

___________________________________

Eng. Gnter J. Masss, M.Eng.

ii

Um novo mundo no se constri somente com novas estruturas, tambm no adianta mudar os homens e as mulheres. S mudamos o mundo medida que nos mudamos e s nos mudamos medida que mudamos o mundo.

(Frei Betto - Frum Social Mundial fev. 2002)

iii

Ao meu pai Dilney e a minha me Sandra.

iv

A minha esposa Nail, por seu amor, compreenso, etc.

v

AGRADECIMENTOS

Ao professor Ivo Barbi, pela orientao deste trabalho, pelo

profissionalismo e competncia durante todo o curso de mestrado.

Ao Eng. Gnter, pelas discusses e trocas de idias e experincias.

Aos professores Alexandre, Arnaldo, Kassick, Denizar, Fagundes, Fabiana,

Hari e Ivo, membros do INEP, pelos ensinamentos transmitidos nestes dois anos.

Aos membros da banca examinadora.

Aos tcnicos do INEP, Pacheco e Coelho, pelo profissionalismo e boa

vontade na execuo dos trabalhos solicitados.

A todos os funcionrios e estagirios do INEP, que cada um de sua forma,

contriburam para que este trabalho se tornasse realidade.

Aos mestrandos, doutorandos e engenheiros do INEP pelo companheirismo.

Aos colegas de mestrado Anderson, Anis, Alessandro, Claudinei, Deivis,

Denise, Fabiana, Jair, Lus Cludio, Maia, Petry e Vitor, pelos bons momentos

compartilhados.

Aos meus colegas de sala, Anis e Petry, que alm de terem dado valiosas

contribuies para este trabalho, tornaram-se meus grandes amigos.

Ao CEFET-PR, Unidade de ensino de Pato Branco, pela liberao para

realizar o curso de mestrado e em especial aos professores do curso de Eletromecnica que

possibilitaram o meu afastamento.

vi

Resumo da Dissertao apresentada UFSC como parte dos requisitos necessrios para a

obteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica.

CONVERSORES CC-CC ELEVADORES PARA

APLICAO EM EQUIPAMENTOS DE REFRIGERAO

MAURO TAVARES PERAA

Fevereiro de 2002.

Orientador: Prof. Ivo Barbi, Dr. Ing. rea de Concentrao: Eletrnica de Potncia. Palavras-chave: conversores CC-CC elevadores, aplicaes em equipamentos de refrigerao, conversor Push-Pull Alimentado em Corrente. Nmero de Pginas: 162. RESUMO: O presente trabalho apresenta um estudo de conversores CC-CC elevadores

para aplicao em equipamentos de refrigerao. Equipamentos estes destinados a

embarcaes, as quais so alimentadas por baterias de 12V ou 24V. Foram analisados

diferentes tipos de conversores CC-CC elevadores, e atravs desta anlise escolheu-se o

conversor Push-Pull Alimentado em Corrente por apresentar as melhores caractersticas

para a aplicao em questo. Para este conversor so apresentados princpio de

funcionamento, metodologia de projeto e resultados experimentais. Com o objetivo de

atender s duas tenses de entrada com um nico conversor, foi projetado e implementado

um conversor de 120W, tenso de sada de 200V e tenso de entrada de 9V a 31V.

Visando comparar as caractersticas deste, com conversores operando em apenas uma

tenso de entrada, foram implementados dois prottipos, sendo o primeiro projetado para

tenso de entrada de 9V a 16V e o segundo de 18V a 31V. Todos os prottipos operam em

malha fechada, com controle atravs da corrente mdia de entrada. Um circuito de controle

baseado na associao de circuitos PWM comerciais foi proposto.

vii

Abstract of Dissertation presented to UFSC as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Electrical Engineering.

DC-DC BOOST CONVERTERS APPLIED TO REFRIGERATION SYSTEMS

MAURO TAVARES PERAA

February of 2002.

Advisor: Prof. Ivo Barbi, Dr. Ing. Area of Concentration: Power Electronics. Keywords: DC-DC boost converters, applications to refrigeration systems, current fed push-pull converter. Number of Pages: 162. ABSTRACT: This work presents a study of DC-DC boost converters applied to

refrigeration systems. These equipments are destined to embarkations, that are fed by 12V

or 24V batteries. Different kinds of DC-DC boost converters were analyzed, and based on

this analysis it was chosen the push-pull fed by current, due to its better characteristics for

the application considered. For this converter, the functioning principle, design

methodology and experimental results are presented. Aiming to feed both input voltages

with a single converter, it was designed and implemented a 120W converter, output

voltage of 200V and input voltage from 9V up to 31V. Aiming to compare its

characteristics to converters operating with only one input voltage, two converters were

implemented, the first one designed for a input voltage from 9V up to 16V and the second

one from 18V up to 31V. All prototypes operate with closed loop, and with average input

current control. A control circuit based on commercial PWM circuits combination was

proposed.

viii

SUMRIO

RESUMO........................................................................................................................................VII

ABSTRACT..................................................................................................................................VIII

SUMRIO.......................................................................................................................................IX

SIMBOLOGIA.............................................................................................................................XIII

INTRODUO GERAL..................................................................................................................1

CAPTULO I - ESTUDO PARA ESCOLHA DA TOPOLOGIA................................................ 3 1.1 INTRODUO...................................................................................................................................... 3 1.2 CONVERSOR BOOST .......................................................................................................................... 3

1.2.1 Etapas de operao ................................................................................................................... 4 1.2.2 Principais formas de onda......................................................................................................... 4 1.2.3 Caracterstica ideal de transferncia esttica........................................................................... 5 1.2.4 Relao potncia comutada por potncia nominal ................................................................... 5 1.2.5 Volume aproximado do indutor ................................................................................................. 6

1.3 CONVERSORES BOOST EM CASCATA .................................................................................................. 7 1.3.1 Etapas de operao ................................................................................................................... 8 1.3.2 Principais formas de onda......................................................................................................... 8 1.3.3 Caracterstica ideal de transferncia esttica........................................................................... 9 1.3.4 Relao potncia comutada por potncia nominal ................................................................. 10 1.3.5 Volume aproximado do indutor ............................................................................................... 11

1.4 CONVERSOR BOOST COM INDUTORES ACOPLADOS.......................................................................... 12 1.4.1 Etapas de operao ................................................................................................................. 12 1.4.2 Principais formas de onda....................................................................................................... 13 1.4.3 Caracterstica ide