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Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automtica, CBA 2012.

ISBN: 978-85-8001-069-5

PROJETOEANLISEDEUMSISTEMAGERADORDEOZNIOOPERANDOEMALTAFRE-QUNCIACOMCONTROLADORDIGITALDESINAIS

GILSON J.SCHIAVON,CID M.G.ANDRADE,LUIZ M.M.JORGE,PAULO R.PARASO

Departamento de Engenharia Qumica, Universidade Estadual de Maring UEM

Av. Colombo 5.790, Jd. Universitrio, Maring - Paran Brasil, CEP 87020-900E-mails:[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

AbstractThis paper presents the design and development of an ozone generator module with an output power of 55 W, usingautomotive coil in flyback converter and digital control performed by a digital signal controller. The generator is designed basedon the principle of corona discharge and can be applied in oxidative processes in general, to do so, simply assign the requirednumber of modules to achieve the power and concentration of ozone required for the application. The converters are designedand implemented closed-loop with proportional-integral action. The power stage consists of two high-frequency switchingconverters, a buck converter and a flyback converter, both controlled digitally by a digital signal controller. Presents the powerstage, the digital control, the implementation of all functions, protections and signals the system that controls the ozonegenerator digitally and the reactor developed. The experimental results of operation and applications presented were obtainedfrom the implemented prototype, demonstrating the functionality of the experimental technique developed.

KeywordsCorona discharge, DC/DC converter, digital control, ozone generator.

ResumoEste trabalho apresenta o projeto e desenvolvimento de um mdulo gerador de oznio com potncia de sada de 55W, utilizando bobina automotiva no conversor flyback e controle digital realizado por um controlador digital de sinais. O gera-dor projetado baseado no princpio de descarga corona e pode ser aplicado em processos oxidativos em geral, para tanto, bastaassociar a quantidade necessria de mdulos para alcanar a potncia e concentrao de oznio necessria para a aplicao. Osconversores foram projetados e implementados em malha fechada com ao proporcional-integral. A etapa de potncia consti-tuda por dois conversores chaveados em alta frequncia, sendo um conversor buck e um conversor flyback, ambos controladosdigitalmente por um controlador digital de sinais. So apresentados os estgios de potncia, o controle digital, a implementaode todas as funes, protees e sinalizaes do sistema que controla o gerador de oznio de forma digital e o reator desenvolvi-do. Os resultados experimentais de funcionamento e aplicaes apresentados, foram obtidos a partir do prottipo implementado,comprovando experimentalmente a funcionalidade da tcnica desenvolvida.

Palavras-chaveDescarga corona, conversor CC/CC, controle digital, gerador de oznio.

1 Introduo

Atualmente o oznio tem sido muito estudadoem diversas aplicaes, tais como tratamento de -gua, de efluentes domsticos e industriais, na medici-na, na odontologia, na medicina veterinria, na agri-cultura, na desinfeco de ambientes, na conservaode alimentos entre outros. A aplicao de oznio um campo muito crescente o que torna fundamental amelhoria na gerao em sistemas geradores de oz-nio.

O oznio conhecido como o segundo mais podero-so agente oxidante que pode ser utilizado em escalapara aplicaes em tratamento de gua e vem sendoadotado por diversos pases em milhares de sistemasde tratamento.O oznio pode ser produzido de 3 formas: por eletr-lise, UV (ultravioleta) e Efeito Corona. Nos gerado-res comerciais, o oznio produzido principalmentepor efeito corona e radiao UV. A radiao UV,todavia, no atende as necessidades de produo emgrande escala, requeridas pela indstria. Assim a des-carga eltrica do tipo corona o mtodo mais utiliza-

do para se obter oznio em quantidades significati-vas. No processo de descarga corona, o oznio gerado por uma descarga eltrica em um tubo de inoxchamado de reator de oznio.

Tradicionalmente, fontes de baixa frequncia soutilizadas em geradores de oznio. Estes sistemasexigem uma tenso de sada muito alta, uma vez quedevem operar numa faixa de cerca de 20 kV para umgapde 1 mm, a fim de atingir a densidade de potn-cia necessria na descarga. Isto pode limitar a produ-o de oznio devido s restries impostas pela ri-gidez dieltrica do material dieltrico (Alonso et al,2005).Os sistemas de baixa frequncia tambm apresentamalto volume, baixa eficincia e dificuldade no contro-le da produo de oznio (Alonso et al, 2005).Em sistemas de alta frequncia, quanto maior a fre-quncia de operao, maior ser a densidade de po-tncia e menor a tenso aplicada no reator, permitin-do assim um aumento na eficincia do gerador. Almdisso, o volume do equipamento reduzido e a pro-duo de oznio pode ser facilmente controlada (A-lonso et al, 2005). Alonso et al (2004) props umgerador de oznio de baixa potncia operando emalta frequncia, os autores ficaram otimistas com osresultados obtidos e possvel ampliao do prottipo.O reator de oznio utilizado composto por doiseletrodos de inox e um dieltrico de vidro em umarranjo de cilindros coaxiais, sendo o eletrodo exter-

no submetido ao potencial de aterramento, seguidopor um espaamento por onde o ar/oxignio escoa e omeio dieltrico em contato com o segundo eletrodosubmetido alta tenso.
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A Figura 1 apresenta o esquema de gerao de oz-nio por meio de descarga corona.

Figura 1. Gerao de oznio por descarga corona (Rice, 1986).

Para estabelecer uma concentrao constante de oz-nio na sada dos geradores que utilizam o efeito co-rona, alguns cuidados so necessrios, tais como,manter a tenso de sada (da ordem de kV) constante,uma vez que a concentrao de oznio dependenteda tenso aplicada no reator (Alonso et al, 2005),manter a corrente secundria constante, manter a va-zo de ar/oxignio em um ponto predeterminado eum controle de temperatura.A descarga eletrosttica geralmente se d com baixacorrente entre os dois eletrodos separados pelo pr-prio oxignio (Bonaldo e Pomilio, 2010b).Neste contexto, o presente estudo trata-se do projetoe desenvolvimento de um sistema gerador de ozniomodular operando em alta frequncia, sendo que, omdulo padro desenvolvido possui potncia mximade 55 W e pode ser utilizado individualmente ou as-

sociado com outros mdulos, conforme a necessidadede concentrao de O3 da aplicao. So integradastecnologias relacionadas eletrnica de potncia,controle digital e energias renovveis buscando aobteno de um sistema estvel, compacto, automti-co e com alto rendimento.O presente trabalho tem como foco o detalhamentodo modelo eltrico ao invs do modelo matemtico,uma vez que as topologias de conversores utilizadasso topologias j consagradas na literatura, tais comoBuck e Flyback (Mohan et al, 2003).

2 Modelo Proposto

Para o desenvolvimento do gerador de oznioforam utilizadas duas topologias de conversoresCC/CC, sendo um conversor Buck e um conversorFlyback, para o controle destes conversores foi utili-zada a modulao por largura de pulso (PWM) gera-da digitalmente por um controlador digital de sinais(DSC) em malha fechada com ao de controle PI,objetivando tenses e correntes de sada constantes.O gerador projetado conta com algumas sinalizaese protees para maior confiabilidade do sistema, tais

como sensor de temperatura com duas aes sendo aprimeira o acionamento de um sistema de refrigera-o ventilado e a segunda o acionamento de um a-larme juntamente com o bloqueio total de funciona-

mento do gerador, protegendo assim os componentesdo gerador de sobreaquecimento. Possui ainda moni-toramento do nvel de tenso da rede eltrica sinali-zando rede CA anormal (baixa ou alta) por meio deum led, um limitador de corrente inrushpara limitar acorrente de partida do equipamento e acionamentocom partida suave.O uso de um DSC possibilitou a implementao detodas as sinalizaes e protees, assim como a gera-o dos pulsos PWM em malha fechada via progra-mao, diminuindo significativamente a quantidadede componentes eletrnicos e consequentemente otamanho e complexidade dos circuitos. Na Figura 2,apresenta-se o diagrama de blocos do gerador deoznio proposto.

Figura 2. Diagrama de blocos do gerador de oznio.

A estratgia apresentada na Figura 2 justificadapela adoo de uma bobina automotiva para o con-versor Flyback, pela facilidade de aquisio, garantiada qualidade quanto ao isolamento eltrico, fcil ins-

talao, baixo custo e alta durabilidade, evitandoassim, os problemas de produo.Como o oznio um gs que possui uma meia vidarelativamente curta (cerca de 15 minutos, pressoatmosfrica e temperatura de 25C), o seu armaze-namento invivel. Por razes prticas, necessita sergerado no local de sua aplicao, tendo um alto poderde desinfeco e oxidao sendo altamente solvelem gua. Por esses motivos, o gerador foi projetadopara operar com a rede eltrica, com sistema solar ouambos, possibilitando a gerao de oznio para tra-tamento sustentvel para desinfeco de guas, con-servao de alimentos ou utilizao em regies remo-tas, alm da contribuio ambiental por fazer uso deuma forma de energia limpa e renovvel.A alimentao do conversor Flyback em 36,6 V pos-sibilita a alimentao do sistema por meio da redeeltrica (retificador e conversor Buck) ou ainda pormeio de um sistema fotovoltaico, sem a necessidadede um conversor elevador de tenso (Boost). Umtimer digital foi adicionado ao sistema para operaode forma automtica, conforme programado. A cor-rente de entrada do conversor Flyback limitadadigitalmente em 1,5 A, protegendo desta forma abobina automotiva.

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2.1 Circuito Retificador

O circuito retificador formado por uma pontede diodos, filtro de linha e limitador de corrente inru-sh. A tabela 1 apresenta as especificaes tcnicaspara o circuito retificador.

Tabela 1. Especificaes para o circuito retificador.

Entrada SadaFin= 50/60 Hz Iout_mx= 500 mAVin_mn= 90 Vrms Vout_mn= 127 VVin_mx= 240 Vrms Vout_mx= 339 V

Utiliza-se um filtro RFI contendo resistores, capaci-tores e indutores. Os capacitores utilizados so dotipo X e Y destinados a supresso de interferncias.O circuito limitador de corrente inrush, na condioinicial (NF), inseri um resistor de 47/5W no circui-to para limitao da corrente de partida. O comandotemporizado do rel para retirada do resistor envia-

do digitalmente pelo DSC aps 2 segundos. A entra-da est protegida por um fusvel de 0,5 A. O circuitocompleto do retificador apresentado na Figura 3.

Figura 3. Circuito retificador completo.

2.2 Conversor Buck

O bloco conversor Buck tem a funo de reduziro valor da tenso retificada e filtrada pelo bloco reti-ficador. O nvel de tenso ajustado na sada de 36,6V para alimentao do conversor Flyback, possibili-tando o uso de um sistema de energia solar em con-

junto com um banco de baterias de 36 V. A tabela 2apresenta as especificaes para o conversor Buck.

Tabela 2. Especificaes tcnicas para o conversor Buck.

Vin_mn= 127 V Vd= 0,5 V Vout= 36,6 V

Vin_mx= 339 V Vds= 1 V Iout= 1,5 ANcleo: Tipo EE Fpwm= 24 kHz Pout= 55 W

O circuito completo do conversor Buck apresenta-do na Figura 4, enquanto o drive de pulsos para oconversor Buck apresentado na Figura 8.

Figura 4. Circuito do conversor Buck.

Para o conversor Buck, foi implementada uma estra-tgia de controle em malha fechada por tenso, comao Proporcional e Integral (PI), onde uma entradaanalgica do dsPIC monitora o nvel de tenso dasada deste conversor, fazendo a compensao nosinal PWM quando necessrio. O resistor varivelRV1 fornece o sinal de realimentao para uma en-trada analgica do dsPIC.

2.3 Conversor Flyback

A tenso de sada do conversor Buck ou prove-niente do banco de baterias (36,6 V) utilizada comoalimentao pelo bloco conversor Flyback, que tem afuno de gerar a alta tenso (aproximadamente 2,5kVrms) para estabelecer o efeito corona no reator deoznio. Para tanto, utiliza uma bobina automotivacomum. A tabela 3 apresenta as especificaes tcni-cas para o conversor Flyback.

Tabela 3. Especificaes para o conversor Flyback.

Vin= 36,6 V Fpwm= 1 kHz Vout= 2,5 kVrmsIin_mx= 1,5 A Vds= 1 V Iout_mx= 20 mABobina: Bosh F 000 ZS0 105

Para este conversor, foi adotada uma estratgia decontrole para limitao da corrente de entrada, cujosinal extrado do resistor shunt adequado e enviadoa uma entrada analgica do dsPIC, que responsvelpela reduo da largura de pulso do sinal PWM doconversor Flyback, caso a corrente de entrada ultra-passe 1,5 A, desta forma efetuando a limitao.

A frequncia de chaveamento do conversor Flyback de 1 kHz. O circuito completo deste conversor a-presentado na Figura 5.

Figura 5. Circuito completo do conversor Flyback.

2.4 Reator de Oznio

O bloco reator de oznio o responsvel pelaquebra da molcula de oxignio e consequente gera-o do oznio em ambiente de descarga eltrica (e-feito corona).

Uma geometria adequada para campo no uniforme eque frequentemente usada na construo de disposi-tivos de alta tenso o arranjo cilindros coaxiais.Escolhendo-se corretamente as dimenses radiais dos

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cilindros, possvel otimizar tal sistema para se obteruma descarga corona mxima, livre de ruptura (Kuf-fel et al, 2000).Nesta configurao a distribuio do campo sim-trica com referncia ao eixo central do cilindro. Aslinhas de fora so radiais e o campo E funo ape-nas da distncia x do centro do cilindro. A Figura 6(Kuffel et al, 2000) apresenta a configurao utiliza-da para a confeco do reator de oznio.

Figura 6. Configurao cilindros coaxiais.

Os cilindros possuem superfcie uniformemente car-regada com uma carga por unidade de comprimentoQ/l, se uma tenso V aplicada aos dois eletrodos,usando a Lei de Gauss, a intensidade do campo E(x) dada pela equao (1).

( )( )xrrV

x

lQxE

1

/ln

1

2 12==

(1)

Quando o nvel de tenso no cilindro menor atingir onvel de ruptura, ocorrer na sequncia uma descargacorona estabilizada ou ruptura completa (Kuffel et al,

2000). A configurao tima deve ser definida emtermos de segurana para no romper, e no no pontode mxima tenso para descarga.O reator projetado possui as seguintes dimenses:Dimetro do cilindro externo: 5 cm.Dimetro do cilindro interno: 4,5 cm.Comprimento dos cilindros: 30 cm.

2.5 Conversor CA/CC

O bloco conversor CA/CC uma fonte auxiliarchaveada em alta frequncia de baixa potncia, sendo

esta em torno de 11 W, proposta em (Chip-Rail,2009). Este conversor tem a funo de fornecer atenso de alimentao aos circuitos auxiliares e con-trole PWM digital, para o incio do funcionamentodos conversores e manuteno destes. O conversorCA/CC auxiliar fornece uma tenso de 12 V e umacorrente mxima de 900 mA. A tabela 4 apresenta asespecificaes tcnicas para o conversor CA/CC.

Tabela 4. Especificaes para o conversor CA/CC.

Fin= 50/60 Hz Iout_mx= 900 mAVin_mn= 90 Vrms Vout_mn= 12 V +/- 5 %Vin_mx= 240 Vrms Fpwm= 60 kHz

Pout= 11 W > 87 %

O circuito completo do conversor CA/CC apresen-tado na Figura 7.

Figura 7. Circuito completo do conversor CA/CC.

2.6 Blocos Auxiliares

Os blocos Drive possuem a funo de fornecera tenso e corrente necessrias para colocar os mos-

fets em conduo e no caso do conversor Buck, isolaros pulsos PWM. A Figura 8 apresenta o circuitocompleto do drive para o conversor Buck.

Figura 8. Circuito drive para o conversor Buck.

O bloco Adeq. Nvel tem a funo de reduzir onvel de tenso das baterias de 36 V para 12 V, atu-ando apenas nos casos de falta de rede eltrica, como sistema operando em conjunto com um banco debaterias ou no caso de utilizao apenas com sistemafotovoltaico. Nesta condio, o bloco DSC recebe osinal de falta de rede eltrica e desabilita o sinalPWM de chaveamento do conversor Buck.No caso de instalao com energia solar, o blocoPainel Fotovoltaico o responsvel pela manuten-o da carga das baterias, mantendo-as em carga ouflutuao durante todo o perodo de insolao.

O bloco Controlador de Carga responsvel pelomonitoramento e controle dos nveis de carga e des-carga das baterias, desconectando os painis em casode carga completa e desconectando a bateria do sis-tema em caso de descarga a um determinado nvel,evitando assim uma descarga profunda das mesmas egarantindo sua vida til.O bloco Banco de Baterias composto por trsbaterias de 12 V ligadas em srie, totalizando 36 V, acapacidade de fornecimento de corrente projetadade acordo com o consumo do sistema e autonomiarequerida.O sistema gerador de oznio possui ainda um timer,onde o usurio efetua a programao conforme ne-cessidade, fazendo o acionamento e parada do siste-ma de forma automtica, sem a necessidade de inter-

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veno humana, o que muito til para o tratamentoe manuteno de piscinas por exemplo.

2.7 Controle Digital

O bloco controle digital, protees e sinaliza-

es (DSC), o bloco inteligente do gerador deoznio e tem a funo de controlar e monitorar todoo sistema, gerar os pulsos PWM para os conversoresCC/CC, efetuar o fechamento da malha com ao PIpara o conversor Buck, limitar a corrente para o con-versor Flyback, monitorar o nvel de tenso da redeeltrica, monitorar e controlar os nveis de temperatu-ra, temporizar o rel de corrente inrush, realizar apartida suave do sistema e fornecer os sinais visuais esonoros da condio atual do gerador de oznio.A escolha de um DSC se deve ao fato deste unir ascaractersticas dos microcontroladores e DSPs emum nico chip, dispensando desta forma, a utilizao

de plataformas de DSP para o controle digital, prote-es e sinalizaes, reduzindo consideravelmente ocusto final do equipamento. A placa deve ser projeta-da conforme as necessidades do equipamento.Para a correo do sinal PWM por meio da ao PIpara o conversor Buck, foi utilizada uma rotina for-necida pela Microchip, denominada pid.s, tambmutilizada em (Schiavon e Treviso, 2011).A Figura 9 apresenta o diagrama de blocos da placade controle digital implementada, com suas respecti-vas sinalizaes, protees e alimentao.

Figura 9. Diagrama de blocos da placa de controle digital.

Conforme diagrama de blocos da Figura 9, o DSC

utilizado foi o dsPIC30F2010 fabricado pela Micro-chip que um DSC de 28 pinos e opera a 30 Mips. Ocircuito do DSC apresentado na Figura 10.

Figura 10. Circuito do DSC.

O bloco sinalizaes locais o responsvel porsinalizar as condies da rede eltrica e bloquear ospulsos PWM por temperatura alta acionando o alar-me nesta condio, como apresentado na Figura 10.O sinal de temperatura proveniente de um sensorde temperatura NTC10k montado na placa de potn-cia. Aps adequao o sinal de temperatura(EA_TEMP) responsvel por duas aes, acionarum cooler na placa de potncia e bloquear os pulsosPWM dos conversores CC/CC desligando o equipa-mento.O bloco interface pulsos conversores CC/CC rece-be os sinais PWM enviados pelo DSC em 5 V(Pcon_1 e Pcon_2) e faz a amplificao destes pulsospara 12 V (PWM_BUCK e PWM_FLYBACK), uti-lizando amplificadores operacionais.O sinal de sada SD_REL um sinal com ampli-tude +5 V proveniente de uma sada digital do DSC.Quando o sistema iniciado, aps 2s, o DSC libera

este sinal, que responsvel pela limitao da corren-te de partida via resistor de 47/5W apresentado naFigura 3.O sinal +12 V passa pelo bloco regulador, que o responsvel por gerar +5 V para alimentao doDSC e referncia para comparaes, para isto utili-zado um circuito integrado regulador de tenso 7805.O sinal SD_ALARME tem amplitude +5 V, en-viado para a placa de potncia, onde aciona um buz-zer responsvel pela indicao de bloqueio do equi-pamento por temperatura alta.O bloco interface shunt recebe um sinal da ordem

de mV (V_SHUNT) proveniente do shunt e realiza aamplificao deste sinal para os nveis de 0 a 5 Vpara a entrada analgica (EA_SHUNT) responsvelpela limitao da corrente de entrada do conversorFlyback, reduzindo a largura do pulso PWM do Fly-back em caso de sobrecorrente.Os sinais VCA1 e VCA2 correspondem a uma a-mostra da rede eltrica para monitoramento via DSC.Para tanto, foi projetado um circuito que gera de 0 5 V em sua sada (EA_REDE), quando alimentadopor uma tenso de 0 300 Vca, proporcionalmente,bloco retificao e adequao de rede.Os nveis de sinalizao para CA baixa e CA alta

foram ajustados em 90 Vca e 240 Vca, respectiva-mente.O sinal de sada SD_VENT proveniente de umasada digital do DSC e tem a funo de acionar umcooler, via transistor bipolar, na ocorrncia de tempe-ratura elevada, enquanto esta permanecer fora dosnveis normais.O sinal de entrada EA_OUT_BUCK um sinal deamostragem da tenso de sada do conversor Buck,utilizado para fazer o fechamento da malha por ten-so e consequentemente o controle automtico dalargura dos pulsos PWM do conversor Buck, con-

forme mostrado na Figura 4.Por ltimo tem-se o sinal de entrada EA_BAT quemonitora o nvel de tenso das baterias, alm de umconector para gravao in-circuitdo DSC.

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3 Resultados Experimentais

Neste tpico sero apresentados os resultadosobtidos experimentalmente para o conversor Buck,conversor Flyback, controle digital por DSC e con-centrao de oznio na sada do reator, medida pelo

mtodo de titulao iodomtrica.

3.1 Conversor Buck

O conversor Buck desenvolvido apresentou ren-dimento de 89% para as condies apresentadas natabela 5:

Tabela 5. Rendimento do conversor Buck.

Entrada Sada RendimentoVin= 175,3 V Vout= 36,65 V = 0,89Iin= 336 mA Iout= 1,425 APin= 58,90 W Pout= 52,23 W

A Figura 11 apresenta o comportamento do sinalPWM para o conversor Buck sem carga e alimentadoem 220 Vrms.

Figura 11. Sinal PWM sem carga, alimentado em 220 Vrms.

A Figura 12 apresenta o sinal na sada do conversorBuck quando alimentado em 220 Vrms.

Figura 12. Sada sem carga, alimentado em 220 Vrms.

O sinal obtido na sada do conversor Buck estvel eapresenta baixo nvel de rudo. Quando submetido aum degrau de carga de 50% e 100% manteve suascaractersticas.As Figuras 13 e 14 apresentam a sada do conversorBuck no ato da partida, alimentado em 220 Vrms e

nas condies, sem ao PI e com ao PI, respecti-vamente. Comparando estas figuras, fica claro a efi-ccia do controle PI implementado para o conversor

Buck, obtendo uma rpida estabilizao no sinal desada.

Figura 13. Partida sem ao PI, alimentado em 220 Vrms.

Figura 14. Partida com ao PI, alimentado em 220 Vrms.

As Figuras 15 e 16 apresentam a aplicao de de-graus de carga, com entrada e sada de carga de 0 a50% e entrada e sada de carga de 50 a 100%.

Figura 15. Degrau de carga de 0 a 50%, entrada e sada de carga.

A Figura 15 mostra que no momento da entrada da

carga de 50% houve uma variao de 2,4 V duranteum intervalo de 140 ms, enquanto no momento daretirada de carga houve uma variao de 2,4 V duran-te um intervalo de 220 ms.

Figura 16. Degrau de carga de 50 a 100%, entrada e sada.

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A Figura 16 mostra que no momento da variao decarga de 50 para 100% houve uma variao de 1,6 Vdurante um intervalo de 90 ms, enquanto no momen-to da variao de carga de 100 para 50% houve umavariao de 2,0 V durante um intervalo de 140 ms.

3.2 Conversor Flyback

A Figura 17 apresenta a relao entre as tensesde entrada e sada para o conversor Flyback. poss-vel observar que o crescimento da tenso de sada,possui um comportamento quase linear, se aproxi-mando muito dos resultados obtidos por Alonso et al(2005).

Figura 17. Grfico Vsadax Ventradapara o conversor Flyback.

A Figura 18 apresenta a relao entre a potncia deentrada e o crescimento da tenso sada para o con-versor Flyback. possvel observar que o crescimen-to possui um comportamento no linear, sendo mais

acentuado no incio da curva.

Figura 18. Grfico Voutx Pinpara o conversor Flyback.

O efeito da descarga corona pode ser visto no sinalde sada, especialmente no semi ciclo positivo daFigura 20. Estas micro descargas so a base para agerao de oznio. Portanto o ozonizador tambmum gerador de EMI por natureza. Um estgio de fil-tro deve ser adicionado na entrada do conversor paraevitar a interferncia conduzida. Alm disso, o reatorde oznio deve ser aterrado, tanto para seguranaquanto para evitar a interferncia irradiada (Alonso etal, 2005).A Figura 19 apresenta o sinal PWM do conversor

Flyback em operao normal, ou seja, sendo alimen-tado com uma tenso de 36,65 V e uma corrente deentrada de 704 mA, o que resulta numa potncia deentrada de 25,8 W.

Figura 19. Sinal PWM do conversor Flyback.

A Figura 20 apresenta uma amostra do sinal de sadado conversor Flyback a qual evolui de acordo com ogrfico apresentado na Figura 17 e aplicada ao rea-tor de oznio. O valor eficaz de aproximadamente2,5 kV.

Figura 20. Amostra da tenso de sada do conversor Flyback.

A Figura 21 apresenta o comportamento do sinal de

sada do conversor Flyback em crescimento a partirdo instante em que o equipamento energizado, sobinfluncia do sistema de partida suave implementadono DSC.

Figura 21. Crescimento da tenso de sada com ao do soft-start.

A Figura 22 apresenta uma fotografia do prottipoimplementado em testes.

Figura 22. Ensaios de desempenho do gerador de oznio.

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3.3 Produo de Oznio

A Figura 23 apresenta a produo de oznio doequipamento. Na condio dos ensaios de produode oznio o gerador apresentava em sua sada umatenso eficaz de aproximadamente 2,5 kV enquanto oconversor Flyback era alimentado por uma tenso de

36,65 V e consumia uma corrente de 704 mA, o queatribui uma potncia de entrada de 25,8 W.Observa-se na Figura 23 que o gerador de oznioobteve melhor relao concentrao/vazo quandosubmetido a uma vazo de ar alimentador em tornode 9 L/min, permanecendo praticamente constantepara maiores vazes.

Figura 23. Concentrao de oznio na sada do gerador.

4 Concluso

O uso de alimentao em alta frequncia permi-tiu um aumento na densidade de potncia aplicada aoreator e um aumento na produo de oznio, enquan-to diminuiu o nvel de tenso necessrio para a pro-duo de oznio.Conforme resultados apresentados, o controle digitalaplicado apresentou bom desempenho, tanto nas eta-pas de controle quanto nas etapas de protees e si-nalizaes, o que deu maior confiabilidade no uso doequipamento devido a reduo de componentes.A estratgia de controle digital adotada satisfaz asnecessidades de potncia dos conversores projetados,alm de fornecer um tempo de resposta muito peque-

no na correo do sinal PWM, devido processamentoem tempo real realizado pelo DSC.Ao final dos ensaios de concentrao de oznio,constatou-se que o melhor rendimento alcanado paraum reator, foi a uma vazo de alimentao de ar am-biente de 9 L/min, o que produziu em torno de 20,8mgO3/min ou 1,25 gO3/h, conforme mostrado na Fi-gura 23, para tanto, o gerador de oznio consumiuuma potncia de 25,8 W. Alonso et al (2005) alcan-ou com sua topologia proposta, uma produo deoznio mxima de 8 gO3/h, com um prottipo de 50W e alimentado com oxignio puro. De acordo com aliteratura, se o gerador de oznio for alimentado comoxignio puro, a produo de oznio na sada do rea-tor aumenta consideravelmente, esperando-se umaumento de at cinco vezes, se aproximando dos re-

sultados de Alonso et al (2005). A diferena de po-tencial gerada pelo conversor Flyback nos reatoresfoi de aproximadamente 2,5 kV eficaz.O sistema de forma modular possibilitou a obtenode maiores concentraes de oznio, um sistema com6 reatores foi montado em nvel de prottipo, paratanto foram utilizados 6 conversores Flyback combobinas automotivas, cada um alimentando um rea-tor. Os reatores foram ligados em srie, forando o ara passar pelos 6 reatores. Para realizao destes en-saios, os conversores Flyback foram alimentados com36,6 V por meio de uma fonte de bancada de maiorpotncia ao invs do conversor Buck, um forte odorde oznio foi obtido na sada, no sendo mensuradoat o momento. A topologia proposta uma opoexcelente para fornecimento de descarga corona.

Referncias Bibliogrficas

Alonso, J. M.; Valdes, M.; Calleja, A. J.; Ribas, J.;Losada, J. (2003). High Frequency Testing andModeling of Silent Discharge Ozone Generators.Ozone Science & Engineering Journal, Vol. 25,No. 5, pp. 1296-1204.

Alonso, J. M.; Cardesin, J.; Corominas, E. L.; Rico-Secades, M.; Garcia, J. (2004). Low-PowerHigh-Voltage High-Frequency Power Supply forOzone Generation, IEEE Transactions onIndustry Applications, vol. 40, No. 2, pp. 414-421, March/April.

Alonso, J. M.; Garcia, J.; Calleja, A. J.; Ribas, J.;

Cardesin, J. (2005). Analysis, design, andexperimentation of a high-voltage power supplyfor ozone generation based on current-fedparallel-resonant push-pull inverter, IEEETransactions on Industry Applications, vol. 41,No. 5, pp. 1364-1372, Sept/Oct.

Bonaldo, J. P.; Pomilio, J. A. (2010a). Controlstrategies for high frequency voltage sourceconverter for ozone generation, 2010 IEEEInternational Symposium on IndustrialElectronics, pp. 754-760, July.

Bonaldo, J. P.; Pomilio, J. A. (2010b). Estratgiasde controle de conversores para gerao de

oznio, XVIII CBA, pp. 3617-3624, Bonito,MS, Setembro.

Chip-Rail, 2009. Datasheet CR6238T. Disponvel em (Acesso em 27/09/11).

Kuffel, E.; Zaengl, W. S.; Kuffel, J. (2000). HighVoltage Engineering. 2ed. Newnes.

Mohan, N.; Undeland, T. M.; Robbins, W. P. (2003).Power Electronics. 3ed. John Wiley & Sons, Inc.

Rice, R. G.; Analytical aspects of ozone treatment ofwater and wastewater. Chelsea: Lewis. (1986).

Schiavon, G. J.; Treviso, C. H. G. (2011). Complete

Design For A 1,2 kVA UPS, With SinusoidalOutput Stabilized, Operating With DigitalControl For DSC. COBEP-11, Natal, RN, Brazil,September.

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