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V SEMINRIO NACIONAL

DE CONTROLE E AUTOMAOINDUSTRIAL, ELTRICA E DE

TELECOMUNICAES

ESTUDO DE VIABILIDADE DA UTILIZAO DA DISPERSO DE TRANSFORMADORES DE BAIXA FREQUNCIA COMO FILTRO EM UMA UPS DE 6kVA COM MODULAO PWM 3

NVEIS

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Halisson Alves de Oliveira *, Lucas Maciel Menezes *, Raphael Amaral da Cmara *, Ccero

Marcos Tavares Cruz *, Armando Walter Cavero Miranda **

* Universidade Federal do Cear

** Microsol

GRUPO: A B C D E TEMA: Eletrnica de Potncia PALAVRAS CHAVE: UPS, Transformador, Perdas, PWM Senoidal. Conversor CC-CA.

RESUMO Este artigo apresenta um estudo de perdas no ncleo em um transformador de baixa freqncia sendo alimentado por uma tenso senoidal e por uma tenso em formato PWM senoidal. As perdas no ncleo so comparadas nos dois casos, sendo verificada a possibilidade da utilizao da disperso do transformador como elemento de filtro para um inversor com modulao PWM senoidal de 6KVA. O estudo visa tambm reduo de custos na UPS com a retirada do indutor de filtro e utilizao do transformador como elemento filtrante, isolamento galvnico e meio de elevao da tenso de sada do inversor da UPS. ABSTRACT This paper presents a study of low frequency power transformer losses with a sinusoidal and a Pulse Width Modulation sinewave input voltage in a commercial UPs. Two cases are compared, the first one is a inverter with PWM control technique with a LC filter and after a low frequency power transformer. The second case is the transformer connected directly in the inverter output without the LC filter. The study motivation is lower the UPS cost with the LC filter removed, without any output voltage distortion.

INTRODUO A qualidade no fornecimento de energia eltrica um dos principais fatores, atualmente, em todos os setores da sociedade, especialmente, aqueles que possuem cargas vitais como: sistemas industriais, de telecomunicaes, de informtica e equipamentos hospitalares de suporte vida

sensveis, entre outros. Estas fontes so conhecidas internacionalmente pelo termo UPS (Uninterruptible Power Supply), popularmente conhecidas no Brasil como No-Break. Sistemas UPS provem energia eltrica com qualidade, por conta disso, grande a demanda por fontes ininterruptas de energia. Estes sistemas de fato protegem cargas sensveis contra grande parte dos distrbios que ocorrem na tenso de fornecimento da concessionria de energia, dentre os quais se destacam: os surtos de tenso que envolvem as situaes de subtenso e sobretenso, interrupes de qualquer magnitude na rede eltrica e oscilaes transitrias na freqncia [1]. O foco deste trabalho apresentar um estudo na utilizao de um transformador de baixa freqncia como elemento de filtro aproveitando sua disperso, sendo medido as perdas no ncleo com o transformador sem carga e sendo aplicado uma tenso com formato senoidal com freqncia de 60Hz e uma tenso com formato PWM senoidal em 40KHz. O estudo foi realizado utilizando como fonte fornecedora da tenso um inversor de 6KVA que foi projetado anteriormente para tal. Para se obter a tenso com formato senoidal o inversor da UPS foi conectado ao primrio do transformador aplicando-se uma tenso em 60Hz de 105V Eficaz. Foram medidas as perdas no ncleo com instrumentao analgica e realizados os devidos clculos e com o auxilio de um osciloscpio com funo de analisador de potncia. A medio verificou a potencia requerida no transformador para sua magnetizao. As medies foram

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realizadas com o transformador a temperatura ambiente de 25C e a temperatura de 60C. Aps as medies serem realizadas os valores foram comparados. A seguir foi realizado a retirada do filtro LC do inversor e conectado o primrio do transformador diretamente a tenso com formato PWM senoidal de 40Khz para novamente serem realizados as medies e comparaes onde os resultados sero discutidos adiante. O diagrama de blocos da UPS projetada apresentado na Fig. 1. Logo em seguida ser realizada uma anlise terica da metodologia de projeto e os resultados experimentais do prottipo.

Rede Eltrica

Retificador Conversor CC-CA Carga

Banco de Baterias

ByPass

Carregador de Baterias

Fig. 1. Diagrama de blocos da UPS utilizada.

DESCRIO DA TOPOLOGIA PROPOSTA

Na descrio da topologia adotada ser tratado apenas o bloco do conversor CC-CA (Inversor) acima citado, do tipo de modulao como tambm seu controle, do filtro LC e do transformador utilizado nos ensaios, pois o restante dos blocos da UPS no foi utilizado para o estudo. Na UPS proposta, a topologia do inversor escolhida foi a ponte completa com filtro LC na sua sada devido as suas caractersticas de robustez e por ser uma topologia bastante difundida. Dentre as modulaes estudas no inicio de projeto adotou-se modulao unipolar por possuir caractersticas de ondulao de corrente e tenso nos componentes do filtro de sada significativamente menores, baixas perdas nos interruptores dentre outras. Os modos de operao do conversor no sero abordados aqui pois os mesmos no tem uma relevncia significativa para o estudo em questo. METODOLOGIA DE PROJETO DO INVERSOR

As especificaes preliminares de projeto para o inversor de tenso so apresentadas na Tabela 1.

Tabela 1. Especificaes do Projeto.

Potncia de sada total So = 6kVA

Tenso eficaz de entrada V1 = 220Vca

Tenso mdia de sada do inversor Vo = 105Vca

Freqncia da rede fr = 60Hz

Na Tabela 2 so mostrados os parmetros adotados para a realizao do projeto.

Tabela 2. Parmetros Adotados no Projeto Freqncia de comutao fs = 20kHz

Ondulao de tenso na sada Vo = 2,5%.Vo Ondulao da corrente na sada I1 = 10%.I1(pico) Rendimento terico = 0,90

O esquema da topologia em ponte completa adotado no projeto apresentado na Fig. 2.

Conversor CC-CA Ponte CompletaRetificador

C1

C2

S1 S2

S3 S4

L1

D2

D4

Vo

D3

D1

Fig. 2. Topologia do conversor CC-CA

A indutncia calculada para a mxima ondulao de corrente. O valor da indutncia de Lf obtido a partir de (1):

( )0 2 .160

2. .in

fch

V V ML H

I f

= =

(1)

A corrente eficaz que circula atravs do indutor Lf calculada a partir de (2):

2( ) 2

0 0

1 ( 2 ( )) )2

ch

M senf

eficaz ch OeficazI f I sen dt d

=

29,10 .eficazI A= . (2) O valor da corrente de pico que circula atravs de Lf dado por (3) :

0 0 142,85 .pico eficazI FC I A= = . (3) A mxima tenso sobre os interruptores calculada a partir da equao (4):

max 2 (1 ) 373,35 .in acV V V V= + = (4) A corrente mdia nos interruptores calculada atravs de (5):

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0

1 ( 2 ( )) ( ( )) =12,34A.2MD Oeficaz

I I sen M sen d

= (5) A corrente eficaz nos interruptores calculada atravs de (6):

2( ) 2

_0 0

1 ( 2 ( )) ) 29,10 .2

ch

Msenf

eficaz ch O eficazI f I sen dt d A

= =

(6)

A mxima corrente de pico nos interruptores dada por (7):

0 0 142,85 .pico eficazI FC I A= = . (7) A tenso reversa mxima sobre os diodos obtida atravs de (8):

max 2 (1 ) 373,35 .in acV V V V= + = (8) A corrente mdia que circula atravs dos diodos em antiparalelo dada por (9):

0

1 ( 2 ( )) (1 ( )) 13,37 ,2MD Oeficaz

I I sen M sen d A

= = (9)

A tenso reversa mxima sobre a ponte retificadora obtida atravs de (10):

max2 =373,35V.drev inV V= . (10) A corrente de pico para cada diodo da ponte retificadora dada por (11):

0 min2 ( ) 116,09 ,pico cpicoc

C V VI A

t

= = . (11)

O valor da capacitncia do barramento dado por (12):

30 2 2

min

7, 473 10 .( )

IN

rede pico C

PC Ff V V

= =

(12)

Foram adotados 12 capacitores de 360F/450V. A Tabela 3 apresenta um resumo dos componentes especificados no projeto.

Tabela 3. Resumo dos Componentes Especificados Indutor Lf L = 160H

Transformador 105V/115V

Interruptores S1 S4 IRFP50B60PD1

Ponte Retificadora GPBC3512A

Capacitor C1 30F/350V

Capacitores C1 C12 C = 360F / 450V

METODOLOGIA DOS ENSAIOS

O ensaio foi realizado inserindo um ampermetro analgico entre a sada do filtro LC e o primrio do transformador e um voltmetro em paralelo com o primrio. O inversor foi ativado e os resultados obtidos foram utilizados para calculo

das perdas no ncleo. Da mesma forma foi utilizado um osciloscpio com funo de analise de potncia para futura comparao com a aparelhagem analgica. Uma ponteira de corrente de alta freqncia foi inserida no primrio do transformador e em seus terminais a ponteira de tenso. Para o ensaio com o transformador sendo alimentado com PWM senoidal o indutor foi retirado e o primrio do transformador conectado a sada do inversor e o capacitor de filtro que antes estava em serie com o indutor foi conectado ao secundrio para obteno de uma forma de onda senoidal na sua sada. A instrumentao foi novamente conectada ao primrio do transformador, mas devido a natureza da forma de onda e da freqncia de sada do inversor, no foi possvel a obteno dos valores, sendo necessrio a captura das formas de onda sem a utilizao da funo especial do osciloscpio e tratada em software de calculo para a obteno dos resultados.

RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Na obteno dos resultados para uma tenso senoidal de 60Hz verificou-se com a utilizao de instrumentao analgica uma perda de 45,2W utilizando os dados obtidos aps os clculos que constam na Fig.4.

Fig. 4. Modelo T do transformador

Utilizando o osciloscpio a perda foi de 44W como demonstra a Fig.5 com o inversor ligado e o transformador com o secundrio em aberto.

Fig. 5 Valores para cada forma de onda

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A Fig.6 demonstra os valores de tenso no secundrio do transformador (Canal 1), a corrente aps no primrio (Canal 3) e o PWM que foi inserido no primrio do transformador (Canal 4). Estes valores sero importantes para clculos em software matemtico para obteno das perdas no ncleo.

Fig. 6 Valores do Inversor com o indutor

Para o clculo das perdas com o transformador conectado diretamente ao inversor foi utilizado um artifcio de se coletar com osciloscpio o valor da tenso e da corrente no primrio do transformador e utilizando software matemtico calcular ponto a ponto as perdas atravs das formas de ondas. Os clculos a seguir seguem a metodologia de calculo do software e referem ao equacionamento clssico de tenso e corrente eficaz e potncia mdia. A Fig 7 demonstra os valores coletados e analisados via software com o transformado a vazio.

Fig. 7 Valores de tenso e corrente com transformador a vazio

e alimentado com PWM senoidal.

Atravs de (13) e (14) calculo-se os valores de corrente e tenso eficaz da Fig.7.

2

i3

1Vef 168, 23( 1)

in

n

Ao Vi t escala=

= + (13)

2

i3

1Ief 9,07( 1)

in

n

Iin Ai t escala=

= + (14)

Aps os clculos verificou-se que a potncia mdia dada por (15) equivale a perda em vazio do transformador ao alimenta-lo com o PWM senoidal.

i3

1 264,98( 1)

in n

n

Ao IinP t Wi t escala=

= + (15)

Fig.8 Potncia mdia no primrio do transformador ao se aplicar o PWM e carga referente a 80% da nominal

Aplicou-se carga no secundrio do transformador referente a 80% do valor mximo e novamente adquiriu-se os valores de corrente e tenso como demonstrado na Fig.9.

Fig. 9 Valores de tenso e corrente com transformador com

carga e alimentado com PWM senoidal.

Atravs de (16) e (17) calculo-se os valores de corrente e tenso eficaz da Fig.9.

2

i3

1Vef 161,04( 1)

in

n

Ao Vi t escala=

= + (16)

2

i3

1Ief 35,96( 1)

in

n

Iin Ai t escala=

= + (17)

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A potncia mdia encontrada dada em (18). e demonstrada na Fig.10.

i3

1 3773,76( 1)

in n

n

Ao IinP t Wi t escala=

= + (18)

Fig.10 Potncia mdia no primrio do transformador ao se

aplicar o PWM e carga referente a 80% da nominal

Ento se conclui que as perdas no transformador aplicando-se PWM pode ser definida como a potncia total no primrio menos a potncia aplicada no secundrio resultando (19).

. 0 373,76perda primP P P W= (19)

Verificou-se que a perda foi aproximadamente 74% maior se comparada perda se o transformador fosse alimentado com uma tenso senoidal.

CONCLUSO

Na anlise com a UPS fornecendo a tenso senoidal, o transformador e o conversor trabalharam bem a plena carga, ou seja, 4,2KW, mas devido ao estudo em questo no foi possvel conectar plena carga ao se aplicar o PWM diretamente ao transformador, chegando ao mximo de 3,4KW, ou seja, 80% da potncia mxima ao qual a UPS fora projetada. Devido a esta limitao os ensaios para os dois casos foram limitados a esta potncia. Verificou-se que na anlise com tenso senoidal, o transformador obteve uma perda aceitvel de aproximadamente 100W com carga e atendeu ao requisito do projeto de isolar galvanicamente e elevar a tenso de sada do conversor cc-ca. O estudo tinha a finalidade de utilizar a dispero do transformador ao se retirar o indutor de filtro e analisar se as perdas no transformador seriam muito superiores as perdas utilizando o indutor de

filtro.Verificou-se que a perda no transformador aumentou consideravelmente chegando a 74% acima da perda com o filtro indutivo e o conversor no foi capaz de fornecer potncia de 4,2KW ao qual fora projetado. Conclui-se que a idia de reduo de custo e volume ao retirar o indutor de filtro e conectar diretamente o mesmo transformador que era utilizado no tem viabilidade, pois compromente a confiabilidade da UPS, aumenta consideravelmente as perdas e provoca a limitao de potncia fornecida pela UPS. Uma tentativa de se realizar este tipo de mudana seria reprojetar um transformador com uma dispero elevada.

REFERNCIAS [1] C.G.C.Branco, (2005) Sistema Ininterrupto de Energia de

Dupla Converso, No Isolado, com Tenses de Entrada e Sada Universais. Dissertao de Mestrado, Universidade Federal do Cear.

[2] Gerent, Fernando H. Metodologia de Projeto de Inversores Monofsicos de Tenso para Cargas no Lineares. Florianpolis, 2005. Dissertao (Mestrado em Engenharia. Eltrica) Universidade Federal de Santa Catarina, Florianpolis.

[3] Ren P.T. Bascop; A. J. Perin. O Transistor IGBT Aplicado em Eletrnica de Potncia. 1a Edio. Florianpolis. Editora: Sagra, 2000.

[4] Aldo Boglietti, Paolo Ferraris, Mario Lazzari, and Michele

Pastorelli. About the Possibility of Defining a StandardMethod for Iron Loss Measurement in SoftMagnetic Materials with Inverter Supply. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 33, NO. 5, SEPTEMBER/OCTOBER 1997

[5] BAKER, David M.; AGELIDIS, Vassilios G.; NAYAR, Chem

V.; 1997. A Comparison of Tri-Level and Bi-Level Current Controlled Grid-Connected Single-Phase Full-Bridge Inverters. Em ISIE97, vol. 2, pg. 463 468.

[6] Fernando Haeming Gerent. Metodologia de Projeto de

Inversores Monofsicos de Tenso para Cargas No-Lineares. Florianpolis, 2005. Dissertao (Mestrado em Engenharia. Eltrica) Universidade Federal de Santa Catarina, Florianpolis.

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