Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul

Plataforma de Estudo para Reatores EletrônicosReinaldo Tonkoski Jr., Felipe Martinazzo, Leonardo Godinho, Júlio César Marques de Lima e Fernando Soares dos Reis

Resumo - Este trabalho tem como objetivo relatar os resultados obtidos no desenvolvimento de uma plataforma flexível para o estudo de novos reatores eletrônicos e de novas técnicas de controle. A plataforma é baseada em um sistema microcontrolado e em uma FPGA e é capaz de gerar sinais de comando para os dois transistores de um inversor meia ponte. Para a implementação dos sinais de comando foi desenvolvido um hardware especifico utilizando FPGA, responsável pela geração dos sinais de comando para os transistores MOSFETs, os quais podem ser gerados em diferentes valores de freqüência de chaveamento e largura de pulso, liberando assim o microcontrolador para as demais funções. A plataforma é programada através de um PC o que nos dá grande flexibilidade permitindo, assim, estudar novas topologias para reatores, filtros, novas técnicas de controle e dimmerização, bem como seu efeito sob o fenômeno da ressonância acústica nas lâmpadas de alta intensidade de descarga (HID). Finalmente, serão apresentados os resultados experimentais para um reator eletrônico para lâmpadas de 250 W de alta pressão de sódio (HPS). Neste trabalho enfoca-se especificamente as lâmpadas HPS, entretanto esta plataforma pode ser utilizada para qualquer um dos tipos de lâmpadas de descarga.

I. INTRODUÇÃO

Existe hoje uma maior conscientização por parte das sociedades modernas da importância da preservação do meio ambiente. Neste sentido importantes esforços tem sido feitos nas diversas áreas do conhecimento. Na engenharia elétrica este fenômeno tem se refletido pela busca de sistemas alternativos de energia, por uma maior eficientização dos recursos disponíveis, pela redução das perdas nos equipamentos e por um aumento da qualidade da energia elétrica tanto do ponto de vista de quem fornece a energia bem como do ponto de vista do consumidor.

As lâmpadas HPS, como qualquer outra lâmpada HID, necessitam de um reator para operarem corretamente. O Reator é um equipamento auxiliar, ligado entre a rede e a lâmpada de descarga, com a finalidade de garantir a ignição da lâmpada através da aplicação de uma tensão elevada entre seus eletrodos e de limitar a corrente que irá circular por esta, do contrário, a lâmpada se destruiria rapidamente, devido a característica de apresentar uma resistência negativa conforme pode ser observado na Figura 1.

Figura 1.Curva típica de tensão x corrente para lâmpadas HID.

Estas lâmpadas apresentam diversas particularidades quando operam em alta freqüência, tais como: •Podem ser modeladas por uma resistência fixa em regime permanente;•Podem ter a intensidade luminosa controlada;•Podem ter o seu espectro de reprodução de cores alterado;•Apresentam o fenômeno da ressonância acústica, o qual pode resultar na extinção do arco até a destruição da

lâmpada;

A idéia de desenvolver uma plataforma flexível para o estudo e desenvolvimento de reatores eletrônicos surgiu a partir da implementação de um protótipo de um reator LCC, para lâmpadas HPS, utilizando um controlador dedicado a partir do CI 3524, onde se observou que era possível evitar o fenômeno da ressonância acústica variando-se a freqüência de operação, também foi possível observar neste protótipo que bruscas variações na freqüência de operação resultavam em alterações na reprodução de cor.

Para tal, foi desenvolvido um inversor meia ponte com circuito de controle maleável baseado em sistema microcontrolado capaz de gerar sinais de comando para os dois transistores. Os sinais de comando são gerados utilizando-se uma FPGA, sendo este um hardware autônomo para a geração dos sinais de freqüência (FM) e largura de pulso (PW) que comandam os transistores, liberando o microcontrolador para outras aplicações. O sistema dedicado baseado em FPGA permite-se trabalhar em diferentes regiões de freqüência. Por exemplo, se for utilizado um cristal de 4 MHz a faixa de freqüência de saída será de 61 Hz a 250 kHz, o controle da razão cíclica pode ser feito de 0 a 100% em 16 combinações diferentes para largura de pulso, permitindo um total controle do sistema. Esta plataforma pode ser utilizada para o comando de inversores push-pull, ponte e meia ponte. Neste artigo foi implementado um inversor meia ponte.

II. PLATAFORMA DE CONTROLE PARA REATORES

A estrutura desta plataforma, apresentada na figura 2, incorpora um filtro de entrada LC, um circuito soft start para limitar a corrente de arranque, um pré regulador de fator de potência, um circuito de controle (μC & FPGA), um inversor de potência, um circuito optoacoplador de acionamento e um filtro ressonante.

Figura 2. Diagrama de Blocos da PCR.

Figura 3. Gerador de pulsos de comando.

A figura 3 mostra o diagrama de blocos do gerador de pulsos da PCR. O gerador de pulsos consiste em três circuitos: um circuito microcontrolado, que é responsável pela implementação das técnicas de controle e pela interface entre o computador pessoal e os sinais de comando para o chaveamento dos transistores. O Microcontrolador possui interface serial RS-232 com o PC. Os sinais de chaveamento são gerados utilizando-se um circuito sintetizador digital de freqüência [6] baseado em um circuito PLL digital que foi implementado em uma FPGA da Altera (EPM7064). O microcontrolador realiza as tarefas de controle sozinho, porém é possível utilizar-se programas de PC para realizar o controle da FPGA diretamente. O terceiro circuito é um circuito optoacoplador que isola a parte de controle do sistema da parte de potência utilizando 74OL6010 e um circuito driver utilizando-se o IR2110. A PCR permite-se testar e avaliar novas estruturas de potência e novas técnicas de controle para reatores eletrônicos.

A PCR permite criar programas diferentes para comandá-la onde podem ser implementadas diferentes estratégias de controle para comandar a lâmpada. Por exemplo, nosso circuito pode implementar ondas com variação de freqüência senoidais, triangulares, quadradas e programadas ponto a ponto. A PCR permite investigar novas técnicas de controle com a finalidade de evitar a ressonância acústica e obter novos espectros de reprodução de cores.

O Circuito de controle desenvolvido para esta aplicação está apresentado nas figuras 5 e 6. Este circuito foi baseado no Microcontrolador AT89C52 da família 8051 da Atmel. O circuito PLL digital gerador dos sinais de comando, figura 6, é baseado em uma FPGA que recebe os valores referentes a freqüência e largura de pulso do circuito microcontrolador (μC), serialmente, e assim modula o sinal de saída nas condições desejadas com tempo morto programável.

O circuito PLL digital encontra-se apresentado na figura 7. Este circuito necessita receber duas palavras de programação para ajuste da freqüência e do ciclo de trabalho, provenientes do μC. A partir do recebimento destas duas palavras referentes a programação da freqüência e da largura de pulso necessárias, o Circuito PLL Digital gera uma onda retangular de acordo com estas especificações.

Corrente na

Lâmpada

Resistência Positiva

Resistência Negativa

Tensão na Lâmpada

Tensão de Ruptura

PFP DriverInversor

LâmpadaHID

SoftStart

Filtro deEntrada

Rede

Plataforma de Controle para Reatores (PCR)

Controlador&

FPGA

ControladorControlador&&

FPGAFPGA

Reator

Optoacoplador

µControladorCircuito PLL / PWM

Digital em FPGAOptoacoplador &

Circuito Driver

Computador

RS-232Sinais de Comando

Gerador de Pulsos

Soft StartPFP

µControladorCircuito PLL / PWM

Digital em FPGAOptoacoplador &

Circuito Driver

Computador

RS-232Sinais de Comando

Gerador de Pulsos

Soft StartPFP

A síntese dos sinais de comando dos transistores é obtida a partir de um sinal de referência de alta freqüência, utilizando a técnica de síntese de freqüências baseado na implementação de um PLL digital. Assim, é obtida a freqüência desejada a partir de uma freqüência bem mais elevada. Esta técnica é baseada em somadores e contadores com passo programável. Partindo-se de uma referência de clock, e de uma entrada para valores de freqüência e duty cycle desejados, o circuito PLL digital ajusta a freqüência de saída conforme a expressão:

(1)

Este circuito PLL digital, implementado em uma FPGA, baseia-se no princípio de um acumulador de fase ajustado mostrado na figura 8. A onda quadrada Fout é utilizada como referência para obtermos os sinais de controle mostrados na figura 9. Esta modulação é realizada através da comparação de um contador com o duty cycle programado, a partir deste momento já obtemos o sinal com a freqüência e duty cycle desejado. Logo em seguida, este sinal é ajustado para termos um tempo morto entre a fase deste sinal e sua contra-fase. Este tempo morto foi implementado digitalmente.

III. DRIVER DE ACIONAMENTO

A PCR foi desenvolvida de forma a trabalhar com inversores de meia-ponte, podendo inclusive comandar inversores em ponte completa com poucas modificações. Na figura 10, é mostrado como foi elaborado o acionamento para uma meia ponte. Para fornecermos os sinais de controle apropriados para os Mosfet’s foi utilizado o Driver CI IR2110.

IV. PROJETO DO REATOR

Para verificar a performance da PCR foi implementado um reator para lâmpadas de 250 W de Alta pressão de Sódio (HPS). O PFP implementado é um conversor Boost trabalhando na condição limiar entre o modo de condução contínuo e descontínuo. Conseqüentemente, este, trabalha no modo FM; O PFP possui uma entrada universal de 100 a 240 V e fornece 250 W para uma tensão na saída de 400 V. Para a implementação do reator LCC foi escolhida a freqüência de chaveamento de 68 kHz. Através dos dados fornecidos pelo fabricante, a tensão necessária para este tipo de lâmpada é de 100 VRMS em operação. Para o projeto dos elementos ressonantes do reator LCC (Figura 11), foi desenvolvido um ábaco (Figura 12) onde entramos com a relação de impedância desejada e obtemos o fator de qualidade do Indutor e assim calcularmos os valores dos capacitores série e paralelo do reator.

V. RESULTADOS EXPERIMENTAIS

O sistema de controle digital foi implementado e na figura 13 é apresentado o resultado para uma freqüência de 100 kHz e, em seguida, os resultados apresentados confirmam a operacionalidade do sistema desenvolvido.

Para validar o sistema proposto foi implementado um reator eletrônico com as seguintes especificações: potência da lâmpada 250 W, tensão do barramento CC 400 V e freqüência mínima de operação 68 kHz. Os valores dos elementos ressonantes utilizados foram obtidos e utilizados na implementação de um Filtro LCC ressonante sintonizado. Estes são: L = 220 μH, Cs = 55 nF implementado com 5 capacitores de 11 nF em paralelo, Cp = 2,73 nF implementado utilizando-se 3 capacitores de 8,2 nF ligados em série. Neste tipo de circuito a partida da lâmpada é crítica pois se trata de um circuito sintonizado e seus elementos passivos podem ter seus valores alterados em função da temperatura, envelhecimento e detalhes construtivos no caso do indutor. Desta forma o sistema EBP contorna este problema fazendo com que a freqüência de partida não seja fixa mas sim varie entorno do valor nominal, de 68 kHz neste caso. Na figura 14 são mostradas, respectivamente, tensão e corrente na lâmpada, onde podemos observar sua característica resistiva. Na figura 15 é mostrada a potência consumida na lâmpada indicando que foram atingidos os 250 W permitidos para a mesma.

VI. Conclusões

Foi desenvolvida uma plataforma flexível para o controle de reatores eletrônicos. Para implementação da plataforma foram utilizados circuitos baseados em microcontrolador e FPGA capazes de gerar os sinais de comando para os transistores do inversor. Este trabalho está inserido em uma proposta de otimização dos recursos energéticos. Esta plataforma busca dar flexibilidade para o desenvolvimento de novas técnicas de controle para os reatores eletrônicos. Os resultados experimentais obtidos validaram o estudo.

CPU Microcontrolada - 8051

Referência de Clock de 4MHz

Gerador de pulsos implementado em FPGA

Optoacopladores

Interface Serialcom o μC

Figura 4. Interface do programa desenvolvido em Delphi.

Figura 5. CPU microcontrolada da família 8051.

Figura 6. Circuito gerador de sinais baseado em PLL digital

implementado em FPGA.

InterfaceSerial

Sdat

Sclk

Scom

PLLDigitalCarrega

PWM Tempo MortoAjustável

Freqüência Variável

Referênciade Clock

Fin

Razão Cíclica

Carrega

Para o Circuito Driver

Interface Serial do

C

162

*nFinFout

Sintonia daFreqüência

162in

out

FnF

Reg.Reg.

Reg.Reg. Conversão Fase/Ampl.

Carrega

12

1616

Acumulador de Fase

Palavra de Sintonia daFreqüência

Referência de Clock

PLL Digital

Figura 7 – Gerador de sinais de comando com tempo morto ajustável.

Figura 8 – PLL Digital implementado em FPGA.

A>BA

ComparadorB

A>BA

ComparadorB

Saída dos Sinais de Comando

Contador de N-Bitsfin

Contador de N-Bitsfin

RegistradorDuty CycleCarrega

Sintonia da Razão Cíclica

1

2

V C C

1

2

V C CU 1

I R 2 1 1 0

9

1 0

1 1

1 2

1 3

5

6

7

1

2

3

1 4

V D D

H I N

S D

L I N

V S S

V S

V B

H O

L O

C O M

V C C

1 4

4 0 0 V c c

Figura 9 – Gerador de sinais PWM. Figura 10 – Driver inversor e meia ponte.

V e C p

L C s

R

Figura 11 – Reator LCC.

Figura 12 –Gráfico da impedância em função de Ql para diferentes valores de A.

Figura 13 – Sinais no driver inversor.

Figura 14 – Tensão e corrente na lâmpada para uma freqüência de 65 kHz.

Figura 15 – Potência Instantânea na lâmpada.