Download - 177-Dissertacao Eduardo Leandro
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UNESP UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
CAMPUS DE ILHA SOLTEIRA
PROGRAMA DE PS-GRADUAO
EM ENGENHARIA ELTRICA
Um Novo Sistema de Refrigerao com Controle de
Temperatura, Compressor Aberto, Mquina de Induo
Trifsica com Velocidade Varivel e Correo Ativa do
Fator de Potncia do Estgio de Entrada
Eduardo Leandro
Orientador
Prof. Dr. Carlos Alberto Canesin
Co-Orientador
Dr. Flvio Alessandro Serro Gonalves
Dissertao de mestrado submetida Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira FEIS UNESP como parte dos requisitos exigidos para a obteno do ttulo de MESTRE EM ENGENHARIA ELTRICA.
Ilha Solteira (SP), outubro de 2006.
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FICHA CATALOGRFICA Elaborada pela Seo Tcnica de Aquisio e Tratamento da Informao/Servio Tcnico de Biblioteca e Documentao da UNESP-Ilha Solteira
Leandro, Eduardo L437n Um novo sistema de refrigerao com controle de temperatura, compressor aberto, mquina de induo trifsica com velocidade varivel e correo ativa do fator de potncia do estgio de entrada / Eduardo Leandro. Ilha Solteira : [s.n.], 2006
166 p. : il. Dissertao (mestrado) - Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, 2006 Orientador: Carlos Alberto Canesin Co-orientador: Flvio Alessandro Serro Gonalves Bibliografia: 143-146 1. Sistemas de refrigerao. 2. Eletrnica de potncia. 3. Retificadores de semicondutores. 4. Sistemas de controle digital. 5. Mquinas eltricas de induo.
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Deus. Aos meus pais Braz Leandro e Tarcila de Ftima Leandro Em memria de meu av querido Deocledo Batista da Silva
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Agradecimentos
UNESP Universidade Estadual Paulista, Campus de Ilha Solteira.
Ao professor Carlos Alberto Canesin pela slida e constante orientao, e por sua
amizade conquistada ao longo desses anos de convvio.
Aos meus pais Braz Leandro e Tarcila de Ftima Leandro e minha princesa Aline
Fernanda Rocha Pereira pelo carinho, compreenso, apoio e incentivo durante todos os
momentos desta jornada.
Ao professor e Co-orientador Flavio Alessandro Serro Gonalves, amigo para todas
as horas, que contribuiu decisivamente para concretizao de todas as etapas do trabalho,
tanto no sentido emocional como tcnico.
Ao professor Fbio Toshiaki Wakabayashi, amigo sincero, pelas conversas que
ditaram o andamento e o desfecho do trabalho.
Ao professor Joo Onofre Pereira Pinto, por todo apoio dado no desenvolvimento das
tcnicas de controle aplicadas no acionamento do motor. Sua participao foi decisiva para
realizao de todo o trabalho.
Ao professor Emanuel Rocha Woisk, pela disponibilidade na orientao do modelo
dinmico do sistema de refrigerao.
Aos amigos do curso de ps-graduao Fausto Donizeti Dantas, Jurandir de Oliveira
Soares, Guilherme Melo por suas presenas marcantes no decorrer do curso.
Ao funcionrio do Laboratrio de Engenharia Eltrica Valdemir Chaves e ao
funcionrio do laboratrio de Engenharia Mecnica Reginaldo Leite por sua disposio e
pelos prstimos realizados quando da implementao laboratorial do projeto.
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Resumo
Este trabalho apresenta uma nova proposta para sistema de refrigerao com controle
dinmico de temperatura, operando com estrutura de compressor aberto, acionado por motor
de induo trifsico com velocidade varivel, e estgio de entrada retificador com correo
ativa do fator de potncia. O estgio de entrada composto por um retificador Boost
monofsico com elevado fator de potncia, com duas clulas entrelaadas, operando no modo
de conduo crtica, empregando tcnica de comutao no dissipativa e controlado por
dispositivo FPGA, associado a um estgio de sada inversor de dois nveis convencional
trifsico IGBT, o qual controlado por um Processador Digital de Sinais (DSP Digital
Signal Processor). A tcnica de comutao no dissipativa para o estgio de entrada baseada
em clulas ZCS (Zero-current-switching). As principais caractersticas do retificador incluem
a reduo da ondulao da corrente de entrada, reduo da ondulao da tenso de sada
retificada, utilizao de componentes com reduzidos esforos, reduzido volume do filtro de
entrada para Interferncias Eletromagnticas (EMI Electromagnetic Interference), elevado
Fator de Potncia (FP) e reduzida Distoro Harmnica Total (DHT) da corrente de entrada,
atendendo os limites da norma IEC61000-3-2. O controle digital para o estgio de sada
inversor foi desenvolvido usando duas diferentes tcnicas, incluindo a tcnica convencional
controle escalar Volts/Hertz (V/Hz) e o controle Vetorial com Orientao pelo Fluxo do
estator, com o propsito de verificar a aplicabilidade e a performance dos controles digitais
propostos, para o controle contnuo da temperatura, aplicados a um prottipo de sistema de
refrigerao.
Palavras chaves: Sistema de refrigerao com compressor aberto e velocidade
varivel; Acionamento eletrnico de motor de induo trifsico; Correo ativa do fator de
potncia; Qualidade da energia eltrica; Controle digital com dispositivos FPGA e DSP.
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Abstract
This work presents a new proposal for refrigeration systems with dynamic control of
temperature, working with structure of open compressor, driving a three-phase induction
motor with variable speed, and input rectifier with active power factor correction. The
proposed system is composed of a single-phase high-power-factor boost rectifier, with two
cells in interleaved connection, operating in critical conduction mode, and employing a soft-
switching technique, controlled by a Field Programmable Gate Array (FPGA), associated with
a conventional three-phase IGBT bridge inverter (VSI Voltage Source Inverter), controlled
by a Digital Signal Processor (DSP). The soft-switching technique for the input stage is based
on zero-current-switching (ZCS) cells. The rectifiers features include reduction in input
current ripple, reduction in output voltage ripple, use of low stress devices, low volume for
the EMI input filter, high input power factor (PF), and low total harmonic distortion (THD) in
the input current, in compliance with the IEC61000-3-2 standards. The digital controller for
the output stage inverter has been developed using two different techniques, the conventional
Voltage-Frequency control (scalar V/Hz control), and a simplified stator oriented vector
control, in order to verify the feasibility and performance of the proposed digital controls, for
continuous temperature control, applied at a refrigerator prototype.
Keyword: Refrigeration system with open compressor and variable speed; Electronic
drives of three-phase induction motor; Active power factor correction; electric energy quality;
Digital control with device FPGA and DSP.
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Lista de Figuras
Captulo 1 Figura 1.1 Consumo total de energia eltrica em porcentagem nas residncias dos EUA....20 Fonte Elaborao prpria a partir de dados do PROCEL 2001.............................................21 Figura 1.2 - Estrutura de consumo de energia eltrica em porcentagem nas residncias brasileiras..................................................................................................................................21 Figura 1.3 - Estrutura de consumo de energia eltrica em porcentagem nas indstrias do Brasil.........................................................................................................................................21 Figura 1.4 Sistema de refrigerao convencional..................................................................22 Figura 1.5 Evoluo do mercado brasileiro...........................................................................23 Figura 1.6 - Evoluo do mercado japons de condicionadores de ar de baixa potncia utilizando inversores de freqncia. .........................................................................................24 Figura 1.7 Comparao do mercado japons com o americano, em x1000 unidades/ano. ...24 Figura 1.8 Novo sistema de refrigerao proposto................................................................26
Captulo 2 Figura 2.1 Forma de onda da corrente de entrada de um conversor Boost CA/CC operando no modo de conduo descontnua...........................................................................................29 Figura 2.2 Forma de onda da corrente de entrada de um conversor Boost CA/CC operando no modo de conduo crtica. ...................................................................................................31 Figura 2.3 Forma de onda da corrente de entrada de um conversor Boost CA/CC operando com controle por valores mdios instantneos de corrente. .....................................................32 Figura 2.4 Entrelaamento de duas clulas de topologia boost PWM. .................................34 Figura 2.5 Clulas de comutao ZCS-PWM. ......................................................................35 Figura 2.6 Circuito bsico do conversor CA/CC Boost ZCS-FM Interleaved......................36 Figura 2.7 - Etapas de funcionamento referentes a uma clula genrica do conjunto retificador em interleaving. Sendo que Vin significa a tenso de entrada instantnea............................37 Figura 2.8 - Principais formas de onda tericas, para uma clula da estrutura retificadora Boost ZCS. ...............................................................................................................................38
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Figura 2.9 - Principais formas de onda tericas dos esforos nos semicondutores, para uma clula da estrutura retificadora Boost ZCS...............................................................................39 Figura 2.10 Primeira etapa de funcionamento.......................................................................40 Figura 2.11 Segunda etapa de funcionamento.......................................................................40 Figura 2.12 Terceira etapa de funcionamento. ......................................................................41 Figura 2.13 Quarta etapa de funcionamento..........................................................................41 Figura 2.14 Quinta etapa de funcionamento..........................................................................42 Figura 2.15 Sexta etapa de funcionamento............................................................................43 Figura 2.16 Stima etapa de funcionamento. ........................................................................43 Figura 2.17 Oitava etapa de funcionamento. .........................................................................44 Figura 2.18 Pr-regulador Retificador CA/CC Boost ZCS-FM Interleaving, com duas clulas. ......................................................................................................................................45 Figura 2.19 Formas de onda de corrente e tenso de entrada para o pr-regulador . ............46 Figura 2.20 Amplitudes das componentes harmnicas da corrente de entrada e os limites impostos pela IEC 61000-3-2, Classe A...................................................................................46 Figura 2.21 - Diagrama de blocos do algoritmo de controle para o estgio de entrada retificador entrelaado com elevado fator de potncia.............................................................48 Figura 2.22 Tenso e Corrente de entrada, para carga nominal. ...........................................49 Figura 2.23 Amplitudes das componentes harmnicas da corrente de entrada e os limites impostos pela norma IEC 61000-3-2, Classe A. ......................................................................49 Figura 2.24 Amplitudes das componentes harmnicas da corrente de entrada representadas em valor porcentuais.................................................................................................................50
Captulo 3 Figura 3.1 Diagrama do sistema de refrigerao a vapor. .....................................................53 Figura 3.2 Ilustrao de que a proporo lquido vapor no varia no tempo. .......................55 Figura 3.3 Esquema do modelo do evaporador com duas regies de fluxo. .........................58 Figura 3.4 Esquema do modelo do condensador...................................................................61 Figura 3.5 Prottipo do sistema de refrigerao implementado.............................................68
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Figura 3.6 Evoluo da vazo mssica do compressor e da vlvula de expanso aps a partida da mquina. ..................................................................................................................69 Figura 3.7 Evolues das temperaturas do refrigerante (R22), aps a partida da mquina. .70 Figura 3.8 Resultados de simulao e experimentais para:(a) temperatura na ambiente controlado, e (b) Presso de entrada do condensador, considerando a operao a 900rpm.....70 Figura 3.9 Comportamento da presso no evaporador e no condensador devido variao na velocidade do compressor. .......................................................................................................72 Figura 3.10 Comportamento da temperatura no ambiente controlado devido a variao da velocidade do compressor. .......................................................................................................73
Captulo 4 Figura 4.1 Mquina de induo simtrica trifsica ...............................................................76 Figura 4.2 Transformao de variveis representada por relaes trigonomtricas .............78 Figura 4.3 Circuito equivalente do modelo da mquina de induo trifsica simtrica nos eixos d-q para referncia girando a velocidade ....................................................................80 Figura 4.4 Modelo completo do motor para implementao no Simulink............................81 Figura 4.5 Resultados de simulao para corrente trifsica, torque e velocidade para o motor.........................................................................................................................................83 Figura 4.6 Sistema de controle de velocidade genrico. .......................................................84 Figura 4.7 Caractersticas do motor de induo em torque constante e regio de campo enfraquecido. ............................................................................................................................86 Figura 4.8 Controle escalar (V/Hz) de velocidade em malha aberta.....................................87 Figura 4.9 Curva de torque velocidade mostrando o efeito da variao da freqncia, torque de carga e tenso de alimentao..............................................................................................88 Figura 4.10 Controle V/Hz em malha fechada. ......................................................................89 Figura 4.11 Controle de velocidade em malha fechada com controle de fluxo e torque ......91 Figura 4.12 Mquina de corrente contnua............................................................................92 Figura 4.13 - Disposio do vetor de fluxo do rotor orientado com eixo 'd' ............................94 Figura 4.14 Princpio de implementao do controle vetorial com modelo do motor. .........94 Figura 4.15 Diagrama de blocos para o controle vetorial direto orientado pelo fluxo do rotor...................................................................................................................................................95
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Figura 4.16 Fasores ds-qs e de-qe mostrando a correta orientao do fluxo...........................96 Figura 4.17 Circuito equivalente d-q da mquina de induo trifsica. ................................99 Figura 4.18 - Diagrama fasorial para controle vetorial indireto. ............................................102 Figura 4.19 Diagrama de blocos do controle vetorial indireto. ...........................................103 Figura 4.20 Diagrama fasorial do controle vetorial por orientao pelo fluxo do estator...105 Figura 4.21 Diagrama de blocos do circuito de gerao da corrente de desacoplamento. ..106
Captulo 5 Figura 5.1 Controle escalar V/Hz utilizado no sistema de refrigerao..............................111 Figura 5.2 Controle V/Hz em malha aberta: (a) corrente na sada do motor, (b) torque, (c) velocidade...............................................................................................................................112 Figura 5.3 Controle V/Hz em malha fechada .......................................................................113 Figura 5.4 - Resposta dinmica com controle V/Hz em malha fechada: (a) corrente na sada do motor, (b) torque, (c) velocidade. ......................................................................................114 Figura 5.5 Controle vetorial indireto utilizado na simulao no Simulink. ........................115 Figura 5.6 Resultados de simulao para o controle vetorial indireto: (a) torque, (b) velocidade...............................................................................................................................116 Figura 5.7 Diagrama do controle vetorial orientado pelo fluxo do estator..........................116 Figura 5.8 - controle vetorial orientado pelo fluxo do estator com acelerao e desacelerao: (a) corrente na sada do motor, (b) torque, (c) velocidade. ....................................................119 Figura 5.9 Diagrama de blocos para controle da temperatura do ambiente controlado, considerando a operao em velocidade varivel...................................................................120 Figura 5.10 Resultados do sistema de controle proposto, considerando operao com controle V/Hz: (a) temperatura controlada, (b) velocidade e referncia do motor.................121 Figura 5.11 Comportamento da vlvula de expanso para variaes na velocidade de rotao do compressor ............................................................................................................122
Captulo 6 Figura 6.1 Esquema do controle escalar V/Hz implementado no MatLab-Simulink..........124 Figura 6.2 Resultado de simulao para o controle escalar V/Hz em malha fechada.........125
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Figura 6.3 Resultado experimental para o controle escalar aplicado ao motor trifsico acoplado ao compressor do sistema de refrigerao. .............................................................126 Figura 6.4 Esquema do controle vetorial utilizado na implementao no prottipo de refrigerao.............................................................................................................................128 Figura 6.5 Diagrama do controle vetorial implementado no MatLab-Simulink. ................129 Figura 6.6 Resultado de simulao para o controle vetorial................................................129 Figura 6.7 - Resultado experimental para o controle vetorial aplicado ao motor trifsico acoplado ao compressor do sistema de refrigerao. .............................................................130 Figura 6.8 Diagrama de blocos para controle da temperatura do ambiente controlado, considerando a operao em velocidade varivel...................................................................131 Figura 6.9 Esquema de aquisio e condicionamento do sinal proveniente do sensor de temperatura. ............................................................................................................................132 Figura 6.10 Circuito esquemtico do condicionador de sinal para conversor A/D do DSP133 Figura 6.11 Formas de onda referentes aos sinais de entrada e sada do condicionador de sinais. ......................................................................................................................................134 Figura 6.12 Resultado do sinal de temperatura filtrado.......................................................135 Figura 6.13 Resultados da variao da velocidade do compressor na temperatura. ...........136 Figura 6.14 Resultado experimental da variao da velocidade devido a variao da temperatura .............................................................................................................................137 Figura 6.15 Comparao do consumo de energia entre o motor trifsico e o monofsico. 138
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Simbologia
1. Smbolos Usados
Smbolo Significado
A rea
A, B, C, D Matrizes do espao de estados
C Capacitor
C0 Capacitor de sada (filtro)
Cr Capacitor ressonante
Cp Calor especfico
Cd Coeficiente de descarga
D Diodo
di/dt Derivada da corrente
dv/dt Derivada da tenso
Di Dimetro interno
de-qe Referncia sncrona
ds-qs Referncia estacionria
E Energia
f, g Funes contnuas
fs Freqncia de chaveamento
fb Freqncia de base
Fij Fluxo concatenado
h Entalpia
I Matriz identidade
i Corrente
Ia Corrente de armadura
If Corrente de campo
idq Corrente de desacoplamento
J Momento de inrcia
k constante
L Comprimento
Lr Indutor ressonante
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Lin Indutncia de entrada (boost)
Lm Indutncia de magnetizao
m Fluxo de massa P Presso
P0 Potncia de sada
p Nmero de polos
Q Calor
R Resistncia
R0 Resistncia de sada (carga)
Re Nmero de Reynold
Sp Interruptor principal
Sa Interruptor auxiliar
s Entropia
T Temperatura
t Tempo
Te Torque eltrico de sada
TL Torque de carga
u Velocidade do refrigerante ao longo do tubo
U Energia interna
UA Coeficiente de transferncia de calor concentrado
V Volume
V0 Tenso de sada
Vin Tenso de entrada
W Trabalho
x Ttulo, Estados dinmicos
Xls Reatncia concatenada do estator ( e lsL ); Xlr Reatncia concatenada do rotor ( e lrL ); y Sadas
z Coordenada espacial
Z Matriz Eficincia Razo lquido vapor Auto-valores
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Densidade do refrigerante (x) Pequena variao de (x) ngulo Fluxo
b Velocidade base Velocidade Eficincia do motor
Fluxo produzido pela corrente de campo Coeficiente de troca de calor 2 ndices dos smbolos 1, 2, 3 1, 2, 3 regio
a, air ar
a, b, c Fases a, b, c
ave mdia
c Condensador
cs Seo transversal
d Eixo de coordenada d
e Evaporador
f Lquido
g Vapor
h Superaquecido
hx Troca de calor interna
i Interno
in Entrada
int Intermedirio
k Compressor
m Referncia entreferro
o Exterior
out Sada
p Principal
q Eixo de coordenada q
r Refrigerante, Referncia rotrica
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s Referncia no estator
sl escorregamento
sys Sistema
total Total
v Vlvula
w Parede do cano trocador de calor
3 Acrnimos e Abreviaturas A/D Conversor analgico digital
CI Circuito integrado
CC Corrente contnua
CA Corrente alternada
CFP Correo do Fator de Potncia
cos Funo cosseno
DSP Digital Signal Processor
EMI Electromagnetic Interference
EDO Equaes diferenciais ordinrias
EDP Equaes diferenciais parciais
FPGA Field Programmable Gate Array
FEIS Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira
FM Modulao em Freqncia Frequency Modulation
FP Fator de Potncia
FOC Field Oriented Control
fmm fora-magneto-motriz
IM Induction Motor
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
MCC Modo de Conduo Contnua
MCCr Modo de Conduo Critca
MIT Motor de induo trifsico
PWM Pulse width modulation
PI Proporcional e Integral
R&CA Refrigerao e Condicionador de Ar
sen Funo seno
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UNESP Universidade Estadual Paulista
VSI Voltage Source Inverter
V/Hz Controle escalar Volts/Hz
VHDL Hardware Description language
VEA Vlvula de expanso automtica
VR Vector Rotation
ZCS Zero-Current-switching
ZVS Zero-Voltage-switching
ZCZVS Zero-Current-Zero-Voltage-switching
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SUMRIO Folha de Aprovao................................................................... Erro! Indicador no definido. Agradecimentos ..........................................................................................................................5 Resumo .......................................................................................................................................6 Abstract.......................................................................................................................................7 Lista de Figuras ..........................................................................................................................8 Simbologia................................................................................................................................13 1 Introduo Geral .................................................................................................................20 2 Estgio de entrada com elevado fator de potncia .............................................................28
2.1 Introduo....................................................................................................................28 2.1.2 Tcnicas de controle para emulao de elevado fator de potncia .....................29
2.2 Estgio de entrada do sistema de refrigerao.............................................................33 2.2.1 Conversor CA/CC Boost Interleaving.............................................................33 2.2.2 Conversor CA/CC Boost do tipo Interleaving com Comutao no Dissipativa..........................................................................................................................................34 2.2.2.1 - Etapas de Funcionamento e Principais Formas de Onda .................................36
2.3 Resultados de Simulao.............................................................................................45 2.4 Estratgias de controle.................................................................................................47 2.5 Resultados Experimentais ...........................................................................................48 2.6 Concluses...................................................................................................................50
3 Modelagem do sistema de Refrigerao.............................................................................52
3.1 Introduo.....................................................................................................................52 3.2.1 - Simplificaes do modelo .....................................................................................54
3.3 Modelos a parmetros concentrados...............................................................................54 3.4 Equaes diferenciais parciais que governam o sistema ................................................56 3.5 Modelos dos componentes do ciclo de compresso a vapor .......................................58
3.5.1 - Modelo do evaporador ..........................................................................................58 3.5.1.1 Conservao de massa do refrigerante na regio bifsica e de superaquecimento...........................................................................................................................................59 3.5.1.2 - Conservao de energia para regio bifsica e de superaquecimento................60 3.5.1.3 - Conservao de energia na parede do tubo para regio bifsica e de superaquecimento .............................................................................................................60 3.5.1.4 - Combinaes algbricas para simplificaes.....................................................60 3.5.2 Modelo do condensador .......................................................................................61 3.5.2.1 - Conservao de massa........................................................................................62 3.5.2.2 - Conservao da energia......................................................................................63 3.5.2.3 - Conservao da energia na parede do tubo ........................................................63 3.5.2.4 Simplificaes no modelo do condensador .......................................................64 3.5.3 Compressor com velocidade varivel e dispositivo de expanso..........................64 3.5.3.1 Modelo do compressor com velocidade varivel .................................................65 3.5.3.1 - Vlvula de expanso automtica. .......................................................................66
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3.6 - Tcnicas de linearizao...............................................................................................66 3.7 Simulao do sistema de refrigerao .........................................................................68
3.7.1 Comportamento do sistema de refrigerao .........................................................69 3.7.2 - Regulagem do sistema de refrigerao .................................................................71
3.8 Concluses...................................................................................................................73 4 - Tcnicas de controle de mquinas de induo trifsicas.....................................................74
4.1 Introduo....................................................................................................................74 4.2 Modelagem do motor de induo: ...............................................................................76
4.2.1 Sistemas de coordenadas: ....................................................................................76 4.3 Estratgias de controle de velocidade..........................................................................83
4.3.2 Controle Volts por Hertz (V/Hz)...........................................................................85 4.3.2.1 Controle escalar (V/Hz) em malha aberta ........................................................85 4.3.2.2 Controle escalar (V/Hz) em malha fechada ......................................................89 4.3.2.2.1 Controle escalar (V/Hz) em malha fechada de torque e fluxo .......................90 4.3.3 Controle vetorial ou controle por orientao de campo ......................................91 4. 3.3.1 - Controle vetorial direto com orientao pelo fluxo do rotor............................95 4.3.3.2 Estimao do vetor fluxo ...................................................................................98 4.3.3.3 - Controle vetorial indireto ................................................................................101 4.3.3.4 - Controle vetorial direto com orientao pelo fluxo do estator........................104
4.4 Concluses.....................................................................................................................108 5 Resultados de Simulao para o Controle de Velocidade da Mquina de Induo .........110
5.1 Introduo..................................................................................................................110 5.2 Controle Escalar (V/Hz) de Velocidade ....................................................................110 5.3 Controle Vetorial Indireto .........................................................................................115 5.4 - Controle Vetorial orientado pelo fluxo no estator......................................................116 5.5 Controle da temperatura pela variao da velocidade do compressor.......................120 5.5 Concluses.................................................................................................................122
6 Resultados Experimentais ................................................................................................124
6.1 Controle Escalar (V/Hz) ............................................................................................124 6.2 Controle Vetorial .......................................................................................................127 6.3 Controle de temperatura pela velocidade do compressor..........................................131
6.3.1 Sensor de temperatura e condicionamento de sinal............................................131 6.3.2 Controle da temperatura .....................................................................................136
6.4 Concluses.................................................................................................................139 7 - Concluses Gerais .............................................................................................................140 7.1- Propostas de Continuidade..............................................................................................141 8 - Referncias Bibliogrficas ................................................................................................143 Apndice A.............................................................................................................................147 Apndice B .............................................................................................................................149 Apndice C .............................................................................................................................155
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1 Introduo Geral
Sistemas de refrigerao podem ser encontrados em uma ampla faixa de aplicaes,
quer sejam industriais, comerciais ou residenciais. Aplicaes para estes sistemas incluem
conservao de alimentos, remoo de calor de processos industriais, tais como indstrias
qumicas, e numerosas outras aplicaes industriais que requerem um controle fino de
temperatura. Sistemas de refrigerao usando compresso a vapor tm sido usados para
reduzir a temperatura de substncias e/ou processos por mais de cem anos. Entretanto, tem-se
prestado pouca ateno na energia necessria para atingir os objetivos nos processos de
refrigerao. Com o aumento do interesse sobre o uso racional da energia eltrica e o custo
global dos equipamentos, tem impulsionado grande estmulo nas indstrias de refrigerao
para a avaliao da relao custo-eficincia de seus projetos, com investimentos em
modificaes em suas estratgias de operao. Neste contexto, a necessidade por novas
estruturas e a otimizao dos sistemas e processos de refrigerao tm incentivado a
aplicaes das pesquisas neste tema [1 9].
Observa-se que, nos Estados Unidos so gastos bilhes de dlares com energia eltrica
por ano, com equipamentos domsticos de refrigerao. A figura 1.1 apresenta o consumo de
energia em porcentagem nas residncias americanas, onde se pode verificar que os
equipamentos de Refrigerao e Condicionamento de Ar (R&CA) so responsveis por mais
de 33% deste consumo [10].
Figura 1.1 Consumo total de energia eltrica em porcentagem nas residncias dos EUA.
No Brasil, os equipamentos de refrigerao e condicionamento de ar so responsveis
por 25% de toda energia eltrica consumida no pas. Com relao estrutura de consumo nas
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residncias brasileiras, pode ser observada na figura 1.2 a distribuio deste percentual de
consumo [11].
Fonte Elaborao prpria a partir de dados do PROCEL 2001
Figura 1.2 - Estrutura de consumo de energia eltrica em porcentagem nas residncias brasileiras.
Em termos residenciais, o consumo com refrigeradores e freezers representa cerca de
9% do consumo global de energia eltrica do pas.
No setor comercial os aparelhos de ar condicionado (central e de janela) representam
20% do consumo total de energia nesse setor, o que, no caso, implica 3% do consumo
nacional.
O Setor industrial responde por 46% do consumo da energia eltrica no pas,
distribudo conforme a figura 1.3 [11].
Fonte Elaborao prpria a partir de dados do PROCEL 2001.
Figura 1.3 - Estrutura de consumo de energia eltrica em porcentagem nas indstrias do Brasil.
Portanto, torna-se evidente que um aumento na eficincia dos sistemas de R&CA ter
um grande efeito na economia de energia do pas, na mdia individual dos gastos neste
seguimento, nos mais diversos setores, e, na prpria oferta de energia do parque energtico
nacional. Para tanto, tornam-se necessrias vrias frentes de pesquisas, induzindo-se o
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refinamento do projeto dos componentes individuais e a melhoria de todo o sistema, e
aplicao de modernas estratgias de controle, visando o mximo de eficincia e performance
dos sistemas de R&CA. Esta prtica tem se tornado vivel com o barateamento dos
processadores e microcontroladores, disponibilizando-se a utilizao de complexas tcnicas
de controle, implementadas digitalmente, a baixo custo, principalmente para aplicaes de
mdias e elevadas potncias.
De maneira geral, sistemas de refrigerao de at mdio porte empregam motor de
induo monofsico, com capacitor de partida, conforme figura 1.4, para o acionamento de
compressores do tipo aberto, acionado por correias. Normalmente, nestas aplicaes
convencionais, tem-se o controle da temperatura proposto da forma liga-desliga. Este tipo
de controle proporciona uma baixa eficincia energtica e baixa performance do sistema de
refrigerao, alm da degradao da qualidade da energia de suprimento.
Figura 1.4 Sistema de refrigerao convencional.
A operao do sistema de refrigerao depende dos estados termodinmicos do
refrigerante nos vrios pontos do ciclo. Estas essenciais variaes de estado incluem presso
no evaporador, condensador, superaquecimento na sada do evaporador e subresfriamento na
sada do condensador. A prpria regulao destas variveis termodinmicas e seu
comportamento dinmico podem levar a uma operao com alta performance e eficincia
energtica, a qual geralmente no alcanada com o controle do tipo liga-desliga. Recentes
pesquisas tm obtido grandes melhorias na eficincia energtica e na confiabilidade dos
sistemas de compresso a vapor utilizando-se velocidade varivel do compressor para garantir
o controle da temperatura [2-4]. No trabalho desenvolvido por Vargas e Parise [2], onde os
autores analisaram a substituio do tradicional sistema liga-desliga por um controle em
malha fechada com velocidade varivel do compressor, foi verificado uma economia de 11%
no consumo de energia eltrica. Para sistemas acionados por motores monofsicos de
induo, esta economia facilmente verificada, sabendo-se que o funcionando do sistema,
com motor monofsico com capacitor de partida, resulta em problemas de elevado conjugado
de partida, com conseqente elevada corrente de partida, resultando em perdas ativas. Alm
-
23
disso, apresentam reduzido fator de potncia (normalmente de 0,5 at 0,8). Portanto, tais
dispositivos no atendem s restries das normas IEC61000-3-2, ou IEC61000-3-4.
Adicionalmente, possveis problemas de flicker (variaes em baixas freqncias da tenso
eficaz de alimentao, com limites impostos pela norma IEC61000-3-3) e provveis
afundamentos de tenso (voltage sags) podem ocorrer, alm de provveis problemas de
interferncias eletromagnticas (EMI Electromagnetic Interference), em cargas prximas.
O estado da arte em acionamento para eletrodomsticos baseia-se na substituio do
motor de induo monofsico por um trifsico, sem capacitor de partida, com velocidade
varivel e sem a necessidade de freio eletromecnico. Este motor acionado por um
conversor eletrnico que permite a variao da velocidade, a minimizao da emisso de
rudos eltricos na rede, a reduo por mtodos digitais do contedo harmnico entregue ao
motor e, aliado a um grande nmero de possibilidades de controle digital, este tipo de
aplicao atender aos requisitos de economia e desempenho cada vez mais severos impostos
por diversos paises.
Dentre os eletrodomsticos passveis de utilizao deste tipo de acionamento citam-se
os produtos para refrigerao (refrigeradores, freezers e condicionadores de ar). Estes
produtos ou requerem dispositivos que permitam a variao contnua da sua velocidade, ou
permitem a utilizao destes no sentido de melhorar seu desempenho.
De acordo com a referncia [12], o mercado brasileiro para estes produtos tem-se
mantido relativamente estvel, como mostra a figura 1.5. Porm, os volumes produzidos so
significativos e o nmero de empresas que participam deste mercado ainda relativamente
reduzido, constituindo um mercado inexplorado para o acionamento de velocidade varivel.
Figura 1.5 Evoluo do mercado brasileiro
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24
Controles com velocidades variveis destinados a aplicaes de consumo tm sofrido
grandes progressos impulsionados por recentes desenvolvimentos na rea acadmica e em
empresas do setor, onde o Japo tem se destacado no desenvolvimento de sistemas de ar-
condicionado (para todas as faixas de potncia inclusive a residencial) comandados por
inversores, cujo objetivo principal o aumento da eficincia e a reduo do consumo de
energia eltrica. De acordo com [13], a figura 1.6 ilustra a evoluo deste mercado no Japo e
exemplifica sua potencialidade.
Figura 1.6 - Evoluo do mercado japons de condicionadores de ar de baixa potncia utilizando
inversores de freqncia.
A referncia [14] compara o mercado de eletrodomsticos japons com o americano
na utilizao de produtos de uso domstico controlados por inversores (especificamente
condicionadores de ar, refrigeradores, lavadoras de roupas e aspiradores de p), como mostra
a figura 1.7. Observa-se que 37% do mercado japons j utiliza inversores, contra apenas 1%
do americano, o que ressalta o grande potencial desta tecnologia.
Figura 1.7 Comparao do mercado japons com o americano, em x1000 unidades/ano.
-
25
Neste contexto, este trabalho prope a implementao e anlise de um novo sistema de
acionamento com controle da temperatura atravs da variao da velocidade do compressor,
destinado aos sistemas de refrigerao com compressores do tipo aberto, de tal forma que
atenda s restries impostas pelas normas IEC (Harmnicos, Flicker e EMI conduzida),
apresente alto rendimento, fator de potncia elevado, reduzida distoro harmnica na
corrente de alimentao e baixo nvel de interferncia eletromagntica conduzida, com
excelente desempenho e performance no controle da temperatura.
Substituindo-se o motor de induo monofsico, que opera com velocidade fixa, por
um acionador composto por um motor de induo trifsico, alimentado a partir de uma rede
monofsica e comandado por um inversor do tipo fonte de tenso, o desempenho do
dispositivo comandado aumentar significativamente. Nesta situao, o motor opera
continuamente e regula a velocidade de forma suave e precisa, reduzindo-a ou aumentando-a
de forma a obter a refrigerao ou a velocidade desejada, de acordo com a aplicao.
O rudo eltrico e as interferncias eletromagnticas geradas pelas sucessivas partidas
e paradas do motor sero eliminadas, ou fortemente reduzidas, o rudo acstico pode ser
reduzido, a eficincia do compressor aumenta quando operado de forma contnua e,
finalmente o desempenho global do motor melhorado. De forma geral, os sistemas que
oferecem controle contnuo de velocidade so inerentemente mais eficientes, porm mais
complexos e ainda mais caros. Entretanto, de acordo com [2-6], sistemas de condicionamento
de ar que utilizam inversores de freqncia proporcionam uma elevada reduo no consumo
de energia eltrica, quando comparado a sistemas de capacidade constante. Devido elevada
eficincia energtica o custo do inversor pode ser compensado em 3 a 4 anos, apenas
considerando a reduo no consumo de energia eltrica.
No caso especfico de sistemas de refrigerao, pode-se obter ganho de eficincia
reduzindo-se a velocidade do compressor sempre que no for necessria a capacidade mxima
de refrigerao. As altas velocidades de operao ficam reservadas para refrigerao rpida,
ou para quando o refrigerador for abastecido com alimentos com temperaturas superiores
temperatura interna do ambiente controlado, ou seja, o uso de um controle de velocidade
varivel neste tipo de produto proporcionar uma reduo no consumo de energia eltrica.
Para fins de verificao do novo sistema, considerando-se restries laboratoriais, ser
implementado um prottipo com potncia ativa de aproximadamente 1kW, para o pr-
regulador retificador de entrada e de 750W para o inversor trifsico do estgio de sada, para
uma aplicao em sistemas de refrigerao, conforme figura 1.8, onde o compressor utilizado
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26
do tipo aberto, Bitzer modelo 1, acionado por correia, atravs de acoplamento mecnico
(polias) com o motor trifsico de induo.
Pr-ReguladorZCS-PWM
(ou ZCS-FM)
Sistema deRefrigeraoMotor Trifsico
de Induo
Inversor 2nveis, com
controle vetorial(ou escalar)
VCC 3
Protees
Controle de TemperaturaLgica VHDLDSP
Controle do Inversor(Velocidade do Motor)
Controle Pr-Regulador
Referncias de Tensoe de Corrente
1 CA 60 Hz97V-260V
Figura 1.8 Novo sistema de refrigerao proposto.
Logicamente, para este nvel de potncia especificado, o sistema de alimentao ser
monofsico. Entretanto, para potncias superiores, com o sistema de alimentao em corrente
alternada sendo trifsico, toda a tcnica poder ser facilmente adaptada, incluindo-se a
coneco de retificador trifsico de entrada com elevado fator de potncia . Portanto, a
especificao limite para a potncia ativa do prottipo a ser implementando, deve-se nica e
exclusivamente s restries instrumentais e laboratoriais admitidos para esta pesquisa.
Neste trabalho, ser analisada somente a variao na velocidade do compressor como
varivel de controle do ciclo de compresso a vapor, sendo que a expanso provocada pela
vlvula ser considerada constante. Como se trata de velocidade varivel, ser considerado os
problemas da qualidade da energia associados aos acionamentos de motores de corrente
alternada.
Conforme se verifica na proposta apresentada na figura 1.8, utilizar-se- um estgio de
entrada retificador com correo ativa do fator de potncia, utilizando-se tcnicas de
comutao no dissipativa para obteno de rendimento elevado e pleno atendimento s
normas IEC 61000-3-2. O estgio de entrada utilizado composto por um retificar boost,
monofsico, com elevado fator de potncia, com duas clulas entrelaadas, operando no modo
de conduo crtica, empregando tcnica de comutao suave (soft-swinching) do tipo ZCS
(Zero-Current-switching) e controlado por dispositivo FPGA (Field Programmable Gate
Array) [15]. Este retificador de entrada proposto permite a operao em uma faixa universal
de tenso de alimentao (97V-260V eficazes).
O estgio de sada composto por uma ponte inversora, dois nveis, trifsica IGBT
(VSI Voltage Source Inverter), controlada por DSP (Digital Signal Processor) [16].
-
27
Portanto, o acionamento do motor de induo trifsico, realizado pelo estgio de sada
inversor, desenvolvido para o controle efetivo da temperatura em uma cmera de
refrigerao com dimenses de aproximadamente 0,65m de largura, por 0,65m de
comprimento, por 0,62m de altura. O ciclo trmico proposto para um compressor aberto
Bitzer modelo 1, acionado por correia associada s polias do mesmo e do motor de induo
trifsico.
Para o controle da temperatura, ou seja, para o controle do acionamento, so
desenvolvidas duas tcnicas de controle de velocidade do motor de induo trifsico. A
primeira tcnica baseada no controle convencional Volts/Hertz (V/Hz), ou seja, controle
escalar clssico, e a segunda metodologia, implementada para fins de comparao da
performance das tcnicas de acionamento, baseada no controle vetorial.
Portanto, esta dissertao pode ser dividida em trs segmentos distintos.
Primeiramente, o estgio de entrada, composto por um retificador monofsico com elevado
fator de potncia, cujo objetivo garantir a qualidade da energia processada. Na seqncia, o
estgio inversor, composto por uma topologia trifsica dois nveis convencional, que
proporcionar o controle de velocidade do motor de induo trifsico atravs do uso do DSP
TMS320F2812, da Texas Instruments. Ser utilizado o convencional controle escalar (V/Hz),
ou controle vetorial no acionamento do motor, o qual est acoplado ao compressor, garantido
desta forma o controle da temperatura, a eficincia energtica e a performance do sistema de
refrigerao. Finalmente, o sistema de refrigerao propriamente dito, tambm chamado de
ciclo de compresso a vapor, o qual ser modelado dinamicamente, com o objetivo de
estabelecerem-se os parmetros de realimentao para o efetivo controle da temperatura.
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28
2 Estgio de entrada com elevado fator de potncia
2.1 Introduo
Nos ltimos anos, assuntos relacionados com a qualidade da energia nas redes de
distribuio de energia eltrica tm recebido considervel ateno de pesquisadores, com
objetivo de analisar e propor solues para problemas relacionados com as componentes
harmnicas de correntes, devido proliferao de cargas no- lineares, neste contexto inclui-
se as pontes retificadoras convencionais a diodos aplicadas em acionamentos de corrente
alternada [17]. Conversores retificadores para correo ativa do fator de potncia (CFP) tm
sido extensamente usados para melhorar a qualidade da energia, com o objetivo principal de
atender s restries impostas por normas internacionais, tais como as IEC61000-3-2 e 61000-
3-4 [18 23].
Entretanto, apesar da emulao de elevado fator de potncia, quando da operao em
freqncias elevadas e potncias superiores de 1kW, as tcnicas convencionais de comutao
(dissipativas) levam obteno de reduzidos valores para os rendimentos das estruturas,
devido ao elevado aumento das perdas durante as comutaes, alm do aumento dos esforos
de tenso e corrente (derivadas elevadas, principalmente para potncias elevadas), com
conseqente aumento das interferncias de origem eletromagntica.
Uma das maneiras de se aumentar o rendimento de estruturas que utilizam
semicondutores que operem sob elevadas freqncias a utilizao de topologias que
propiciem a comutao no-dissipativa, ou seja, comutao com perdas nulas. Pode-se obter
tal comutao de duas formas distintas:
1. Tcnica ZVS: Do ingls, Zero-Voltage-Switching. O princpio bsico desta
tcnica consiste em anular a tenso sobre o semicondutor antes de sua entrada
em conduo, ou seja, antes que comece a fluir corrente atravs do mesmo;
2. Tcnica ZCS: Do ingls, Zero-current-Switching. Como sugere o prprio
nome, deve-se anular a corrente que flui atravs do semicondutor antes de se
comand-lo ao bloqueio, ou seja, antes que a tenso sobre o mesmo comece a
crescer.
Entretanto, para potncias elevadas, os MOSFETs introduzem elevadas perdas em
conduo e os interruptores do tipo IGBT so normalmente uma opo a reduo destas
perdas.
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29
Desta forma, empregando-se IGBTs, a tcnica ZVS no mais oferece condies de
aplicabilidade, principalmente pela caracterstica da presena da corrente de cauda durante
o processo de bloqueio dos IGBTs.
2.1.2 Tcnicas de controle para emulao de elevado fator de potncia
A emulao da forma de onda da corrente depende da tcnica de controle a ser
adotada. Como algumas das principais tcnicas de controle para emulao de elevado fator de
potncia, pode-se citar:
i) Controle por modo de conduo descontnua
Tambm conhecido como controle automtico, uma vez que o conversor Boost
operando desta forma considerado como um simples seguidor de tenso. Basicamente, seu
princpio de funcionamento consiste na simples limitao da razo cclica mxima da chave,
com o intuito de evitar que a corrente que circula atravs do indutor Boost torne-se contnua.
Assim sendo, possvel obter uma corrente de entrada cuja forma de onda siga
automaticamente a forma de onda da tenso de alimentao em corrente alternada. A figura
2.1 mostra, de maneira simplificada, o comportamento da corrente de entrada durante um
semiciclo da rede CA.
Figura 2.1 Forma de onda da corrente de entrada de um conversor Boost CA/CC operando no modo
de conduo descontnua.
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30
Como uma das principais desvantagens desta tcnica de controle, pode-se citar a
existncia de esforos de corrente relativamente altos sobre o semicondutor, uma vez que a
corrente de entrada deve excursionar , partindo do zero, at um valor mximo proporcional
tenso de alimentao. Tal fato acarreta perdas em conduo e de comutao, durante o
bloqueio, no semicondutor, alm da intensificao dos rudos eletromagnticos, devido aos
elevados valores de di/dt e de dv/dt.
As principais vantagens deste modo de controle so: Controle simplificado, uma vez
que a corrente segue naturalmente a tenso de entrada, necessitando apenas de uma malha de
regulao de tenso. Reduo das perdas de comutao no diodo Boost, pois a corrente
atravs do mesmo extingue-se naturalmente e reduo das perdas na entrada em conduo da
chave principal, sendo corrente nula neste instante.
Para que se obtenha uma corrente de elevada qualidade, minimizando-se o ripple de
chaveamento, necessita-se de um filtro de entrada que, em funo da potncia processada,
pode se tornar volumoso.
Desta forma, esta tcnica naturalmente destinada para aplicaes em baixas
potncias, tipicamente inferiores a 500W.
ii) Controle por modo de conduo crtica.
O controle realizado a partir do sensoriamento da corrente que flui atravs do indutor
Boost, fazendo com que a chave seja comandada conduo no exato instante em que esta
corrente chega a zero. No modo de conduo crtica, o tempo de conduo da chave
constante, fazendo com que a freqncia de operao da mesma deva ser varivel. A figura
2.2 apresenta, de maneira simplificada, a forma de onda da corrente de entrada drenada por
uma estrutura que se utiliza deste mtodo de controle.
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31
Figura 2.2 Forma de onda da corrente de entrada de um conversor Boost CA/CC operando no modo
de conduo crtica.
Analisando-se a forma de onda da figura 2.2, nota-se que os esforos de corrente so
bastante elevados, fato tambm verificado na tcnica de controle no modo de conduo
descontnua. Desta forma, alm dos problemas decorrentes dos esforos de corrente, tais
como elevadas perdas e considervel nvel de EMI, tem-se ainda a necessidade de operao
em freqncia varivel. Assim, os elementos acumuladores de energia (indutores e
capacitores) devem ser dimensionados para mnima freqncia de operao, aumentando o
seu volume fsico. Neste modo de operao, os efeitos relacionados com a recuperao
reversa do diodo Boost so minimizados, uma vez que a corrente atravs do mesmo se anula
com reduzida derivada, durante o bloqueio, a cada perodo de chaveamento. Alm disso, a
entrada em conduo do interruptor Boost sempre com corrente nula, porm, a freqncia
de chaveamento varivel.
Por outro lado, a operao na regio de fronteira, exige filtragens adicionais da
corrente de entrada e produz picos de correntes que so no mnimo duas vezes o valor mdio
da corrente de entrada, por ciclo de chaveamento. Isto geralmente indesejvel para elevadas
potncias em aplicaes de correo do fator de potncia.
iii) Controle por modo de conduo contnua.
As tcnicas de controle que se baseiam neste modo de conduo consistem no
sensoriamento da corrente que flui atravs do indutor Boost (ou do interruptor principal),
fazendo com que esta siga uma referncia senoidal (cossenoidal). Como resultado, tem-se
uma corrente de entrada com uma forma de onda bastante prxima forma da tenso de
alimentao. Como vantagens adicionais destacam-se a reduo dos esforos de corrente nos
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32
semicondutores, a reduo dos rudos de origem eletromagntica, menores perdas em
conduo a reduo dos filtros de EMI.
Varias so as tcnicas de controle que implementam este modo de operao. Dentre as
principais destacam-se:
Controle por histerese: A partir da amostra da tenso de alimentao gera-se uma envoltria para a qual a corrente de entrada dever se adequar.
Controle por corrente de pico imposta: Os picos da corrente que flui atravs do semicondutor so limitados, um a um, em um valor proporcional tenso de
alimentao. Assim sendo, se os picos seguem a forma de onda da tenso de
alimentao, a corrente como um todo possuir uma forma de onda bastante
prxima desejada. Contudo, esta tcnica necessita de compensao de rampa,
para a estabilidade, e de circuito multiplicador, para regulao da tenso de
sada.
Controle por valores mdios instantneos de corrente: A tcnica consiste na gerao de uma corrente de referncia, que na verdade uma imagem da
tenso de alimentao retificada do conversor, para que esta possa ser seguida
atravs do indutor Boost.
A forma de onda da corrente de entrada para o modo de conduo continua por valores
mdios representada, de maneira simplificada, na figura 2.3.
Figura 2.3 Forma de onda da corrente de entrada de um conversor Boost CA/CC operando com
controle por valores mdios instantneos de corrente.
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33
2.2 Estgio de entrada do sistema de refrigerao
O estgio de entrada proposto, conforme discutido no captulo 1, pode reduzir
significativamente as perdas durante as comutaes, incluindo reduzidas perdas por
recuperao reversa dos diodos, resultando em elevada eficincia, elevada densidade de
potncia e reduzida emisso de IEM [12].
Este novo sistema permitir a operao em uma faixa universal de tenso de
alimentao (97V-260V, eficazes), com fator de potncia aproximadamente unitrio e
distores harmnicas da corrente de entrada de acordo com as normas IEC61000-3-2. Todos
os resultados e anlises para este conversor foram desenvolvidas por Gonalves [24] e sero
descritas neste trabalho de forma informativa.
2.2.1 Conversor CA/CC Boost Interleaving
Observa-se que a topologia mais largamente adotada e empregada para a correo
ativa do fator de potncia no estgio de entrada de fontes de alimentao o retificador Boost,
operando no Modo de Conduo Contnua (MCC) e com imposio da forma de onda da
corrente de entrada. Todavia, entre as principais desvantagens desta tcnica esto as perdas
relacionadas com a recuperao reversa no bloqueio do diodo Boost, uma vez que o modo de
conduo contnuo. Estas perdas podem ser minimizadas se o conversor tiver seu modo de
operao modificado para a regio de fronteira entre a continuidade e a descontinuidade,
denominada de regio crtica, onde o bloqueio do diodo Boost acontece de forma natural, pois
a corrente se anula a cada perodo de chaveamento. Entretanto, a operao na regio de
fronteira, MCCr, exige filtragens adicionais da corrente de entrada e produz picos de correntes
que so no mnimo duas vezes o valor mdio da corrente de entrada, por ciclo de
chaveamento. Isto geralmente indesejvel para elevadas potncias em aplicaes de
correo do fator de potncia. Conseqentemente, estas desvantagens podem ser aliviadas se
dois ou mais conversores operarem com entrelaamento (interleaved operation).
Conversores de potncia com entrelaamento referem-se interconexo de mltiplas
clulas para as quais a freqncia de chaveamento a mesma, contudo, os pulsos de controle
so defasados em fraes iguais do perodo de chaveamento. Esta associao diminui a
amplitude da ondulao (ripple) da corrente no estgio de entrada e eleva a freqncia desta
ondulao, sem aumentar as perdas de chaveamento ou os esforos sobre os componentes.
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34
Um sistema entrelaado pode proporcionar redues nas exigncias de filtragem e
armazenamento de energia, resultando em aumento da densidade da converso de potncia,
sem sacrificar a sua eficincia. A figura 2.4 mostra uma exemplo da configurao dupla do
conversor Boost, composto por duas clulas PWM conectadas em entrelaamento, desta
tcnica para o inV a tenso retificada instantnea.
D1L1
S1
D2L2
VinS2
+
-
iLin
iL2
iL1 iD1
iD2
C
+
-
iDout
VC
Figura 2.4 Entrelaamento de duas clulas de topologia boost PWM.
2.2.2 Conversor CA/CC Boost do tipo Interleaving com Comutao no Dissipativa
O conversor bsico CA/CC Boost Interleaved proposto uma aplicao da tcnica de
interleaving, atravs do emprego de uma derivao da clula de comutao ZCS analisada
em [25] e apresentada na figura 2.5(a). Na clula de comutao ZCS-PWM apresentada na
figura 2.5(b), o diodo D1 deslocado deixando de estar localizado em srie com o diodo D2, e
conseqentemente no caminho de transferncia de energia para o estgio de sada [26].
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35
CrLr1 Lr2
D2Lin
DSpSp DSaSa
D1 D1
CrLr1 Lr2
D2Lin
DSpSp DSaSa
(a) Clula ZCS-PWM (b) Clula ZCS-PWM modificada
Figura 2.5 Clulas de comutao ZCS-PWM.
Apesar da topologia da clula de comutao ser anloga quela analisada em [25],
com a imposio da operao no modo crtico todas as anlises envolvendo as etapas de
funcionamento, a obteno do ganho esttico e metodologia de projeto foram novamente
deduzidas por Gonalves em [24].
Neste contexto, prope-se a aplicao da clula ZCS modificada para permitir a
eliminao das perdas durante o bloqueio do interruptor principal, devido ao fato de que no
modo de operao com conduo crtica, o valor de pico da corrente atravs deste interruptor,
no instante do seu bloqueio, bem superior quele no modo de conduo contnua,
considerando-se as mesmas condies de projeto e potncia processada.
Adicionalmente, uma vez que o modo de conduo crtica permite a entrada em
conduo do interruptor principal (Sp) de maneira no dissipativa com corrente nula (ZCS) e o
bloqueio do diodo D2 atravs de uma derivada suave, tem-se ainda nesta estrutura proposta a
entrada em conduo ZVS do diodo D2.
Para os interruptores auxiliares, ter-se-o comutaes tambm no dissipativas, do tipo
ZCS na entrada em conduo de Sa, com bloqueio com tenso e corrente nulas (ZCZVS),
assim como a entrada em conduo ZVS do diodo auxiliar (D1).
Portanto, sendo todas as comutaes no dissipativas e com a minimizao da
recuperao reversa de D2, ter-se- uma estrutura com reduzido nvel de interferncia
eletromagntica e elevado rendimento, uma vez que as perdas em conduo nos elementos
auxiliares so desprezveis quando comparadas com as perdas em conduo dos dispositivos
semicondutores principais Sp e D2.
A figura 2.6 ilustra o diagrama esquemtico do conversor simplificado CA/CC Boost
Interleaved, empregando duas clulas de comutao e comutao no dissipativa, atravs do
emprego da clula de comutao apresentada na figura 2.5(b).
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36
Figura 2.6 Circuito bsico do conversor CA/CC Boost ZCS-FM Interleaved.
O nmero aps o hfen inserido no final do ndice de cada componente da figura 2.6
indica de qual clula o mesmo integrante.
Observa-se ainda na figura 2.6 que cada clula de comutao composta por um
interruptor principal (Sp-i), um interruptor auxiliar (Sa-i), ambos com diodos associados em
anti-paralelo com os mesmos (DSp-i e DSa-i, respectivamente). Em cada clula, tem-se um
diodo principal (D2-i) e um diodo auxiliar (D1-i), alm dos parmetros ressonantes compostos
pelos elementos passivos (Lr1-i, Lr2-i e Cr-i).
Em funo da tcnica de comutao ZCS propiciada pela estrutura proposta, os
interruptores ativos sero do tipo IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), com diodos
encapsulados em anti-paralelo com os mesmos.
2.2.2.1 - Etapas de Funcionamento e Principais Formas de Onda
Partindo da imposio que todas as clulas integrantes do conversor sero
consideradas idnticas, ou seja, possuiro a mesma topologia e todas as intensidades dos
componentes armazenadores de energia sero as mesmas, as etapas de funcionamento do
conversor global podem ser analisadas atravs das etapas de funcionamento de uma clula
genrica (i), pois, as demais clulas operam de maneira anloga.
Em regime permanente uma clula genrica da estrutura retificadora Boost ZCS
analisada excursiona por oito etapas de funcionamento durante um perodo de chaveamento.
As etapas de funcionamento de uma clula genrica da topologia conversora proposta so
mostradas na figura 2.7, e as principais formas de ondas idealizadas atravs dos elementos
ressonantes so mostradas na figura 2.8, considerando-se um perodo genrico de
funcionamento.
-
37
A figura 2.9 ilustra as principais formas de ondas tericas dos esforos nos
semicondutores, para uma clula genrica da estrutura retificadora Boost ZCS analisada,
durante um perodo de funcionamento genrico.
D1
CrLr1 Lr2
D2Lin
Vin
DSpSp DSaSa
V0
Etapa 1 (t0, t1)
D1
CrLr1 Lr2
D2Lin
Vin
DSpSp DSaSa
V0
Etapa 2 (t1, t2)
D1
CrLr1 Lr2
D2Lin
Vin
DSpSp DSaSa
V0
Etapa 3 (t2, t3)
D1
CrLr1 Lr2
D2Lin
Vin
DSpSp DSaSa
V0
Etapa 4 (t3, t4)
D1
CrLr1 Lr2
D2Lin
Vin
DSpSp DSaSa
V0
Etapa 5 (t4, t5)
D1
CrLr1 Lr2
D2Lin
Vin
DSpSp DSaSa
V0
Etapa 6 (t5, t6)
D1
CrLr1 Lr2
D2Lin
Vin
DSpSp DSaSa
V0
Etapa 7 (t6, t7)
D1
CrLr1 Lr2
D2Lin
Vin
DSpSp DSaSa
V0
Etapa 8 (t7, t8)
Figura 2.7 - Etapas de funcionamento referentes a uma clula genrica do conjunto retificador em
interleaving. Sendo que Vin significa a tenso de entrada instantnea.
-
38
t1 t2 t3t0 t4 t5 t6 t7 t8
t
t
t
t
IP5
V5
IP7IP6
IP1 IP2
IP1
D.T
iLin(t)
iLr1(t)
vCr(t)
V6V3 V4
IP2 IP3 IP4
I4cI4b
I2a I3a
V0 V0
iLr2(t)
E-1 E-2 E-3 E-4 E-5 E-6 E-7 E-8 Figura 2.8 - Principais formas de onda tericas, para uma clula da estrutura retificadora Boost ZCS.
-
39
t
t
t 1 t 2 t 3t 0 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8
t
t
t
I P 7
I P 1
v S p ( t )i S p ( t )
V 6I P 2
I 2 a I 3 a
V 0
V 0
I P 7V 0
V 0V 5 V 6v S a ( t )i S a ( t )
v D 1 ( t )i D 1 ( t )
v D 2 ( t )i D 2 ( t )
v g S a ( t )
v g S p ( t )
t S a
t
t S p
t o f f
E - 1 E - 2 E - 3 E - 4 E - 5 E - 6 E - 7 E - 8
Z C S Z C Z V S
Z C Z V SZ C S
Z V S
Z V S
Z C S
Figura 2.9 - Principais formas de onda tericas dos esforos nos semicondutores, para uma clula da
estrutura retificadora Boost ZCS.
As anlises de cada etapa de funcionamento de uma clula, so apresentadas no
decorrer desta seo. No desenvolvimento foram admitidas as seguintes hipteses de
simplificao:
Os semicondutores so considerados como interruptores ideais, sendo assumidos como curtos-circuitos quando em conduo e circuitos abertos
quando bloqueados;
O filtro de sada (C0) em conjunto com a carga (R0) pode ser representado por uma fonte de tenso constante (V0), igual ao valor nominal da tenso na carga;
A tenso de entrada retificadora Vin considerada constante, para cada perodo genrico de chaveamento.
-
40
Etapa 1 [t0, t1] Esta etapa de funcionamento tem o seu incio no instante de tempo t=t0, onde o
interruptor principal Sp comandado para a conduo com corrente nula (ZCS), conforme a
figura 2.10. A corrente atravs do indutor boost Lin, parte do seu valor nulo, crescendo de
forma linear regida pelas intensidades da tenso da fonte de entrada, da indutncia boost e da
indutncia ressonante Lr1.
D1
CrLr1 Lr2
D2Lin
Vin
DSpSp DSaSa
V0
Figura 2.10 Primeira etapa de funcionamento.
Etapa 2 [t1, t2] No instante de tempo t=t1 o interruptor auxiliar Sa comandado para a conduo com
corrente nula (ZCS), conforme figura 2.11.
D1
CrLr1 Lr2
D2Lin
Vin
DSpSp DSaSa
V0
Figura 2.11 Segunda etapa de funcionamento.
Inicia-se o perodo de ressonncia entre os componentes Lr2 e Cr, o que proporciona
um crescimento senoidal da corrente atravs do indutor ressonante Lr2 e um decrescimento co-
senoidal da tenso sobre o capacitor ressonante Cr,
-
41
Etapa 3 [t2, t3] Esta etapa tem incio com a entrada em conduo ZVS do diodo D1, sendo regida por
uma nova freqncia de ressonncia, pois com a entrada do diodo D1 h a interconexo entre
os dois circuitos que vinham funcionando separadamente na etapa anterior, conforme a figura
2.12.
A tenso sobre o capacitor ressonante Cr passa a crescer de forma ressonante, mas com
polaridade negativa, conforme figura 2.8. Observa-se tambm que a tenso sobre Cr, durante a
sua excurso por esta etapa, passa pelo seu mximo valor negativo (pico).
D1
CrLr1 Lr2
D2Lin
Vin
DSpSp DSaSa
V0
Figura 2.12 Terceira etapa de funcionamento.
De forma ressonante, as correntes atravs dos indutores ressonantes Lr1 e Lr2
decrescem, at o instante de tempo t=t3, onde a corrente que flui atravs de Lr1 chega zero.
Etapa 4 [t3, t4] Esta etapa comea com a entrada em conduo do diodo DSp, associado em
antiparalelo com o interruptor SP, o qual comea a assumir a conduo da corrente atravs do
indutor ressonante Lr1, que agora flui em seu sentido negativo, conforme a figura 2.13.
D 1
CrLr1 Lr2
D 2L in
V in
D SpSp D SaSa
V 0
Figura 2.13 Quarta etapa de funcionamento.
-
42
Assim, as correntes atravs dos indutores Lin, Lr1 e Lr2 e a tenso sobre o capacitor Cr
continuam a evoluir de forma ressonante.
Durante esta etapa de funcionamento seria possvel comandar para o bloqueio o
interruptor principal Sp em condies de corrente e tenso nulas (ZCZVS). Entretanto, apesar
da circulao de corrente somente atravs de DSp, o bloqueio de Sp se dar conjuntamente
com Sa.
Esta etapa termina no instante de tempo t=t4, momento em que a corrente que flui pelo
indutor ressoante Lr2 chega a zero, fazendo com que o diodo DSa associado em antiparalelo
com o interruptor auxiliar Sa entre em conduo assumindo esta corrente atravs de Lr2.
Etapa 5 [t4, t5] Esta etapa tem incio com a entrada em conduo do diodo DSa em anti-paralelo com o
interruptor auxiliar, assumindo a excurso negativa da corrente que flui atravs do indutor
ressonante Lr2, conforme a figura 2.14.
D1
CrLr1 Lr2
D2Lin
Vin
DSpSp DSaSa
V0
Figura 2.14 Quinta etapa de funcionamento.
Assim, as correntes atravs dos indutores Lin, Lr1 e Lr2 e a tenso sobre o capacitor Cr
continuam a evoluir de forma ressonante.
Nesta etapa de funcionamento propiciam-se condies de tenso e corrente nulas para
o interruptor auxiliar Sa, permitindo seu bloqueio, conjuntamente com o interruptor principal
SP, com comutao no dissipativa do tipo ZCZVS, conforme figura 2.9.
O trmino desta etapa marcado pelo fato da corrente atravs do indutor Lr2 voltar a
se anular, fazendo com que o diodo DSa seja bloqueado por corrente nula (ZCS).
Para garantir a comutao do tipo no dissipativa em ambos os interruptores (SP e Sa),
ou seja, que as etapas de funcionamento ocorram da maneira terica esperada, deve-se
garantir por meio de restries impostas, em funo dos parmetros de normalizao, que a
corrente atravs do indutor ressonante Lr1 chegue zero, na ressonncia, antes da corrente
-
43
atravs do indutor ressonante Lr2. Adicionalmente, deve-se garantir tambm que a corrente
atravs do indutor ressonante Lr2 chegue a zero e que exista uma parcela negativa, de
intensidade estipulada, durante esta etapa.
Etapa 6 [t5, t6] Esta etapa inicia no instante de tempo t = t5, com o bloqueio do diodo DSa com
corrente nula (ZCS), removendo o brao do circuito da clula que continha o interruptor
auxiliar Sa e o indutor ressonante Lr2, conforme a figura 2.15.
D1
CrLr1 Lr2
D2Lin
Vin
DSpSp DSaSa
V0
Figura 2.15 Sexta etapa de funcionamento.
A corrente atravs do indutor ressonante Lr1 decresce de forma ressonante, at que no
instante de tempo t=t6 se anula. Conseqentemente, ocorre o bloqueio o diodo DSp com
corrente nula (ZCS).
Etapa 7 [t6, t7] Esta etapa tem seu incio demarcado com o bloqueio do diodo DSp associado em anti-
paralelo com o interruptor principal, conforme a figura 2.16.
D1
CrLr1 Lr2
D2Lin
Vin
DSpSp DSaSa
V0
Figura 2.16 Stima etapa de funcionamento.
-
44
A corrente atravs do indutor boost Lin e a tenso sobre o capacitor ressonante Cr
variam de forma ressonante.
Esta etapa tem o seu trmino determinado pelo instante de tempo em que o capacitor
ressonante Cr atinge o valor da tenso de sada VO, fazendo com que o diodo D2 entre em
conduo com condies de tenso nula (ZVS), conforme figura 2.9, provocando o bloqueio
do diodo auxiliar D1.
Etapa 8 [t7, t8] Esta etapa tem o seu incio com a entrada em conduo do diodo D2, realizando a
interconexo entre o elemento armazenador de energia, o indutor boost Lin e a carga,
representada pela fonte de tenso VO, ocorrendo assim transferncia de energia para a carga,
conforme a figura 2.17.
A corrente atravs do indutor Lin decresce de forma linear, enquanto a tenso sobre o
capacitor ressonante fica grampeada em VO.
D1
CrLr1 Lr2
D2Lin
Vin
DSpSp DSaSa
V0
Figura 2.17 Oitava etapa de funcionamento.
O final desta etapa ocorre no instante de tempo t=t8, instante em que a corrente atravs
de Lin chega zero, fazendo com que o diodo D2 seja bloqueado com corrente nula (ZCS),
onde o decrscimo da corrente ocorre com uma derivada suave, conforme a figura 2.9.
Todas as etapas descritas anteriormente evoluem de forma anloga durante a variao
senoidal da tenso de alimentao em corrente alternada, para cada perodo de chaveamento.
-
45
2.3 Resultados de Simulao
Sero apresentas os principais resultados de simulao para um exemplo de projeto do
pr-regulador retificador Boost-ZCS em inteleaving, com duas clulas. Para exemplificar o
funcionamento deste conversor, especificam-se os parmetros de projeto na tabela 2.1.
Tabela 2.1 Dados para o projeto.
Parmetro Intensidade Vin 220 V
VO 400 V
PO 1 kW
fs 50 kHz
Nmero de Clulas 2
Onde:
Vin = Valor eficaz nominal de tenso de alimentao;
V0 = Valor mdio nominal da tenso de sada do estgio retificador;
P0 = Valor nominal da potncia mdia na carga;
fs = Freqncia nominal de chaveamento.
A principal forma de onda para o Pr-regulador Retificador CA/CC Boost ZCS-FM
Interleaving, com duas clulas, apresentado na figura 2.18, operando no modo de conduo
crtica, obtidas atravs de simulaes utilizando o software Pspice, apresentada na figura
2.19.
Carga
CO RO
IO(t)
Vin(t)
Estgio Entrada
Iin(t) Iin-1(t)
Iin-2(t)
IO-1(t)
IO-2(t)D1-2
Cr-n
Lr1-2 Lr2-2
D2-2Lin-2
DSp-n DSa-n
Sa-nSp-n
Clula de Comutao 2
D1-1
Cr-1Lr1-1 Lr2-1
D2-1Lin-1
DSp-1 DSa-1
Sa-1Sp-1
Clula de Comutao 1
428,4H28,5H 19,9H
10nF
428,4H28,5H 19,9H
220F 160
Figura 2.18 Pr-regulador Retificador CA/CC Boost ZCS-FM Interleaving, com duas clulas.
-
46
Figura 2.19 Formas de onda de corrente e tenso de entrada para o pr-regulador .
A figura 2.19 mostra a forma de onda de corrente e tenso de entrada, durante um
perodo da rede de CA, para o pr-regulador CA/CC Boost Interleaved, operando com carga
nominal.
O espectro harmnico da corrente de entrada e um grfico comparativo das amplitudes
das componentes harmnicas, com os respectivos limites impostos pela norma IEC-61000-3-
2, mostrado na figura 2.20. Constata-se que as componentes harmnicas esto com
amplitudes bem abaixo dos limites impostos pela norma internacional. Alm disso, a anlise
das componentes harmnicas presentes na corrente resultou em uma taxa de distoro
harmnica da corrente em torno de 6,9%, resultando em um fator de potncia elevado de
aproximadamente 0,99.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150
0.5
1
1.5
2
2.5IEC 61000-3-2 Classe A Limites
Ordem Harmnica
Cor
rent
e (A
)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
Comp. Harmnicas da Corrente de Entrada
Ordem Harmnica
Cor
rent
e (A
)
Figura 2.20 Amplitudes das componentes harmnicas da corrente de entrada e os limites impostos
pela IEC 61000-3-2, Classe A.
-
47
2.4 Estratgias de controle
Existem vrios circuitos integrados (CI) de baixo custo que oferecem o controle no
modo de conduo crtica para um conversor boost. Entretanto, no h CIs disponveis
capazes de providenciar uma operao ideal de defasagem entre as clulas, requeridas para
tcnica de entrelaamento, junto com o modo de conduo crtica. Usualmente, devido ao
perodo de chaveamento varivel, inerente tcnica, a soluo para a determinao da
defasagem ideal leva necessidade de circuitos analgicos de controle relativamente
complexos. Neste contexto, o controle digital pode ser facilmente incorporado nesta tarefa,
monitorando o perodo de chaveamento e permitindo elevada performance para a tcnica de
entrelaamento. Assim, o controle digital baseado em dispositivos lgicos programveis, tais
como os FPGAs (Field Programmable Gate Array), pode permitir metodologia de projeto de
baixo custo e simplicidade, principalmente para os FPGAs onde a linguagem de descrio de
hardware, VHDL (Hardware Description language), permite a descrio de sistemas digitais
usando modelos comportamentais [27].
A figura 2.21 mostra o algoritmo de controle para o estgio de entrada do retificador
interleaved com elevado fator de potncia. O dispositivo FPGA Xilinx XC2S200E-pq208-6C
foi empregado e montado na placa de desenvolvimento D2E da DIGILENT Inc. O controle da
corrente de entrada por valores de pico para impor o bloqueio dos interruptores principais.
Assim, quando a corrente atravs dos interruptores principais alcana um dado valor de
referncia, seus sinais de comando (gate) so impostos para o nvel baixo. Alm disso, a
tcnica garante a entrada em conduo dos interruptores principais com corrente nula, e, o
comando informado que o comeo de cada perodo de chaveamento est referenciado no
nvel de transio de baixo para alto dos sinais de gate.
Uma das clulas de comutao ZCS do retificador boost adotada como referncia
para as defasagens requeridas para a tcnica de entrelaamento. Apesar da operao com
freqncia varivel, o perodo de chaveamento das clulas quase constante considerando-
se perodos de comutao anterior e posterior. Ento, com o propsito de se determinar a
defasagem ideal, considerando-se a clula de referncia, informaes de seus perodos de
chaveamento precedentes so usadas. Particularmente, o controle digital monitora a borda de
subida do sinal de gate do interruptor principal da clula de referncia. O compensador de
tenso para o estgio de entrada um PI (Proporcional e Integral) com um plo na origem e
outro em alta freqncia, e, um zero em baixa freqncia, como mostra a figura 2.21.
-
48
V0(t)
ILin-2(t)
Deteco de corrente Zero
iLin-2[n]
PWM Digital
Gate_Sp_2[n]
Gate_Sa_2[n]
Switch on-timetON - [i ]
ZERO_DETECT.VHDL
DPWM.VHDL
CRITICO2CEL. VHDL
Perodo de controle
PERIOD_CTRL.VHDL
Determinao
PERIOD.VHDL
Gate_Sp[n]
< Clula de referncia >
DPWM.VHDLZERO_DETECT. VHDL
ILin-1(t)
ADCONV_2.VHDL
iLin-1[n] iLin -1[n]
GC(z)PI
Vin[n]
V0-Ref
eV0[n]V0[n]
LimitadorSwitch on-time
tON - [i]
Vin(t)
V_CTRL.VHDL
Gate_Sa[n]
Gate_Sp[n]
iLin-2[n]
DescrioComportamental
do PCC( PeakCurrent Control)
Con
vers
ores
A/D
( )[ ][ ],IN Lin if V n i
Phase- Shift
Deteco de corrente Zero
PWM Digital
Figura 2.21 - Diagrama de blocos do algoritmo de controle para o estgio de entrada retificador
entrelaado com elevado fator de potncia.
2.5 Resultados Experimentais
A estrutura proposta e implementada foi alimentada com valor nominal da tenso de
entrada (220Veficazes) e carga nominal por clula, totalizando uma potncia de sada de 1000W
na operao com duas clulas.
A figura 2.22 apresenta o resultado experimental para a tenso e corrente de entrada,
nas condies de carga nominal e operando com duas clulas de comutao. Adicionalmente,
nenhum tipo de filtro foi utilizado no estgio de entrada nestes ensaios experimentais.
Verifica-se na figura 2.22, relacionada operao com duas clulas de comutao, que
a corrente de entrada encontra-se em fase com a tenso de entrada.
-
49
0 iin
vin
vin: 100V/div, iin: 5A/div e 2ms/div
0 iin
vin
vin: 100V/div, iin: 5A/div e 1ms/div
PO = 1000W VO 400V 2 clulas de comutao Figura 2.22 Tenso e Corrente de entrada, para carga nominal.
O espectro harmnico da forma de onda da corrente de entrada, representado na forma
porcentual da componente harmnica fundamental, e grficos comparativos das amplitudes
das componentes harmnicas, com os respectivos limites impostos pela norma IEC-61000-3-
2, so mostrados nas figuras 2.23 e 2.24. Constata-se que as intensidades das componentes
harmnicas possuem amplitudes bem abaixo dos limites impostos pela norma internacional, e
que as componentes de ordem impar inicias (terceira, quinta, stima e nona ordens)
apresentam maior relevncia na somatria total das componentes harmnicas.
Figura 2.23 Amplitudes das componentes harmnicas da corrente de entrada e os limites impostos
pela norma IEC 61000-3-2, Classe A.
-
50
Figura 2.24 Amplitudes das componentes harmnicas da corrente de entrada representadas em valor
porcentuais.
Alm disso, a anlise das componentes harmnicas presentes na forma de onda da
corrente resultou em uma taxa de distoro harmnica da corrente em torno de 6,26%, e um
fator de potncia experimental, medido para a condio de carga nominal, elevado de
aproximadamente 0,989. Observa-se ainda que a taxa de distoro harmnica da tenso de
entrada, nas condies dos resultados apresentados na figura 2.22, foi de 0,324%.
2.6 Concluses
Neste captulo analisou-se o emprego de um arranjo de duas clulas de comutao em
um conversor Boost pr-regulador retificador com tcnica de interleaving, com a finalidade
de alimentar um estgio inversor a dois nveis trifsico, aplicado ao acionamento de um
sistema de refrigerao.
Os resultados de simulao apresentados demonstraram a presena de comutao no
dissipativa nos interruptores das clulas de comutao, durante toda a excurso da tenso de
entrada em CA. Adicionalmente, devido ao modo de conduo crtica empregado, os diodos
D2-i bloqueiam de maneira natural, devido a extino natural da corrente, minimizando-se
as perdas relacionados com a recuperao reversa dos mesmos, possibilitando ainda a reduo
dos fatores que influenciam nos nveis de interferncias eletromagnticas
Obtm-se ainda a reduo da amplitude do ripple da corrente de entrada, em funo
da aplicao da tcnica do interleaving. Desse modo, a anlise do contedo harmnico da
corrente de entrada, para o conversor operando com carga nominal, revelou que as amplitudes
-
51
das componentes harmnicas esto em valores bem inferiores aos valores mximos impostos
pela norma internacional IEC 61000-3-2. A taxa de distoro harmnica da corrente de
entrada da ordem de 6,9%, resultando num fator de potncia de aproximadamente 0,99.
Os principais resultados para a operao no modo de conduo crtica, com duas
clulas de potncia em interleaving, foram apresentados, considerando-se operao em
carga nominal, verificando-se a plena funcionalidade do circuito de controle digital
implementado.
Observa-se que esta metodologia de implementao e resultados foram obtidos em
Gonalves [24], e aqui proposta para alimentao do sistema de refrigerao em anlise, com
a finalidade da obteno de elevados nveis de qualidade para o processamento da energia. Tal
metodologia do projeto de controle foi desenvolvida para operar com um nmero genrico
n de clulas de comutao, permitindo a ampliao da potncia (aumento do nmero de
clulas em interleaving) de sada.
Adicionalmente, com a imposio do controle dos valores para cada perodo de
chaveamento, tem-se condies de se controlar correntes de inrush, curto-circuito e demais
problemas associados ao acionamento de mquinas de induo.
Observou-se o pleno atendimento da corrente de entrada no que se refere ao contedo
harmnico e limites impostos pela norma IEC 61000-3-2.
-
52
3 Modelagem do sistema de Refrigerao
3.1 Introduo
Neste captulo apresentam-se os modelos matemticos dos componentes do sistema de
compresso a vapor. A operao do sistema pode ser dividida primariamente em regime
permanente e regime transiente. No regime permanente todas as entradas e sadas so
co