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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