relatorio conversores proj microsol jan 2009
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RELATORIO CONVERSORES MICROSOLTRANSCRIPT
UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
GRUPO DE PROCESSAMENTO DE ENERGIA E CONTROLE
CONVÊNIO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ/FUNDAÇÃO
ASTEF/MICROSOL TECNOLOGIA S.A
PROJETO: UPS 2kVA Rack
Análise de um Carregador de Baterias e de um Conversor Elevador de Tensão
de um Sistema UPS de 2kVA disponível no Mercado
1
Índice Analítico 1. Introdução................................................................................................................................................................... 2 2. Diagrama de Blocos do Sistema UPS Completo e Estratégia de Funcionamento ...................................................... 2 3. Especificações do Carregador de Baterias Analisado................................................................................................. 3 4. Análise da Estrutura Mecânica do Carregador de Baterias ........................................................................................ 4
4.1 Análise da Estrutura Mecânica do Carregador de Baterias ............................................................................... 4 4.2 Análise da Estrutura Elétrica do Carregador de Baterias.................................................................................... 5
4.2.1 Esquemático de Controle e Potência do Carregador de Baterias................................................................ 5 4.2.2 Análise dos Principais Componentes Utilizados nos Circuitos de Controle e Potência do Carregador ..... 7
5. Resultados Experimentais de Obtidos para o Carregador de Baterias........................................................................ 8 5.1 Resultados Experimentais variando-se Tensão RMS de Entrada do Carregador ............................................... 8 5.2 Resultados Experimentais para Condições de Operação Nominais.................................................................. 14 5.3 Análise do Circuito de Controle do Carregador de Baterias............................................................................. 17
6. Especificações do Conversor Elevador de Tensão Analisado .................................................................................. 19 7. Análise da Estrutura Mecânica do Conversor Elevador de Tensão.......................................................................... 21
7.1 Análise da Estrutura Mecânica do Elevador de Tensão ................................................................................... 21 7.2 Análise da Estrutura Elétrica do Conversor Elevador de Tensão ..................................................................... 21
7.2.1 Esquemático de Controle e Potência do Conversor Elevador de Tensão ................................................. 21 7.2.2 Análise dos Principais Componentes Utilizados nos Circuitos de Controle e Potência do Conversor Elevador de Tensão. ................................................................................................................................................. 23
8. Resultados Experimentais de Obtidos para o Elevador de Tensão........................................................................... 24 8.1 Resultados Experimentais Visando Avaliar a Dinâmica do Conversor e Funcionamento com Carga Desbalanceada .............................................................................................................................................................. 24
9. Conclusões................................................................................................................................................................ 30
2
1. INTRODUÇÃO
Este relatório tem como objetivo de analisar as características relevantes de um carregador de
baterias e de um conversor elevador de tensão que estão integrados a um sistema UPS do tipo rack
de 2kVA disponível no mercado. As características a serem verificadas são: disposição mecânica,
estrutura elétrica, performance de operação, etc. Durante a abordagem de cada tópico serão
realizadas as respectivas explicações técnicas e alguns resultados experimentais.
2. DIAGRAMA DE BLOCOS DO SISTEMA UPS COMPLETO E ESTRATÉGIA DE FUNCIONAMENTO
Conforme a análise da topologia principal da etapa de potência do sistema UPS operando no
modo On-line, foi verificado que a mesma consiste numa das topologias apresentadas na literatura
que possui como característica principal a ligação do ponto comum entre a entrada e a saída. Este
tipo de ligação permite que as UPS’s possam operar no modo bypass sem a utilização de um
transformador isolador, característica muito importante para implementação prática de sistemas
compactos que são montados em Racks de 19”. Por isso, geralmente estas topologias são abordadas
nos artigos científicos como sistemas UPS on-line não isoladas.
O diagrama de blocos simplificado de operação deste sistema UPS não-isolado é apresentado
na Fig. 1. Conforme pode ser observado, o sistema UPS consiste de quatro etapas de potência
principais sendo estas: conversor CA-CC do tipo boost a três-níveis, inversor em meia ponte,
conversor CC/CC isolado para interface entre o banco de baterias e o barramento CC, e carregador
de baterias baseado no conversor CC/CC flyback. A operação deste sistema pode ser dividida em
três modos conforme a análise experimental realizada: o modo rede que às vezes também é
conhecido como modo normal de operação ou simplesmente modo on-line, modo bateria e o modo
bypass.
Fig. 1 - Diagrama de blocos da etapa de potência do sistema UPS analisado.
3
Conforme pode ser observado na Fig. 1 e na análise realizada nas placas do sistema, o
carregador de baterias de maior potência e o de menor potência são ligados na saída do filtro de
EMI principal do sistema, antes do relé Ry1, que é responsável pela conexão/desconexão do sistema
à rede.
Portanto, o carregador de baterias é totalmente independente dos circuitos de potência
principais, o que flexibiliza a utilização de um carregador de baterias de qualquer capacidade sem a
necessidade de redimensionamento do circuito principal.
3. ESPECIFICAÇÕES DO CARREGADOR DE BATERIAS ANALISADO
O carregador de baterias analisado compõe um sistema UPS de 2kVA de um grande
fabricante deste tipo de tecnologia, cuja UPS possui como principais características: estrutura do
tipo rack (2U), não-isolação e tensão de entrada igual a tensão de saída. A Fig. 2 apresenta a
fotografia do carregador de baterias.
Fig. 2 - Fotografia do carregador de baterias.
Dentre as características relevantes deste carregador de baterias nos quais podem ser citados
são:
Isolação galvânica entre a entrada da rede e o banco de baterias;
Executa a carga do banco de baterias com corrente pulsada em 120Hz;
A corrente eficaz de carga das baterias é variável com o nível de tensão eficaz na entrada;
Possui alto fator de potência e baixa distorção harmônica da corrente drenada da rede para
a situação de carga nominal.
4
A seguir será abordado com detalhes a especificação e funcionamento do carregador de
baterias. A Tabela I apresenta as características elétricas de entrada e saída do dispositivo.
TABELA I Principais Especificações do Carregador
Entrada Tensão nominal de entrada 127V Correção do Fator de Potência Sim Freqüência de chaveamento 45kHz Variação de tensão de entrada em que o carregador funciona 70 - 140V
Saída Capacidade de Potência de Saída 700W Quantidade de baterias 8 Corrente nominal de saída 7A Tensão de corte do banco de baterias 86,2V (aproximadamente 10,7V por bateria) Tensão de flutuação 108V (aproximadamente 13,5V por bateria) Eficiência em carga nominal 81,4%
4. ANÁLISE DA ESTRUTURA MECÂNICA DO CARREGADOR DE BATERIAS
Nesta seção serão analisados com detalhes alguns pontos relevantes com relação à disposição
mecânica do carregador de baterias no sistema UPS analisado, bem como o estudo do esquemático
elétrico. Inicialmente será abordado o layout interno do equipamento, enfatizando o carregador que
será focado neste estudo, de forma a entender como está organizada a estrutura interna dos
componentes do sistema.
Logo depois serão apresentados esquemáticos sobre a topologia elétrica levantada do
carregador, com descrições simplificadas de funcionamento e listagem de componentes.
4.1 ANÁLISE DA ESTRUTURA MECÂNICA DO CARREGADOR DE BATERIAS
A Fig. 3 apresenta a visão geral interna do sistema UPS na qual está inserido o carregador de
baterias. Conforme pode ser observado, cerca de 70% do espaço físico é dedicado a placas de
circuito impresso da etapa de potência que constitui os seguintes estágios: elevador de tensão do
banco de baterias, retificador boost a três níveis como interface entre a rede elétrica e o barramento
CC e um inversor em meia ponte na saída. Conforme pode ser também visualizado nesta figura, o
banco de baterias é externo ao rack. Para a utilização de baterias com menor capacidade, a placa
principal é provida de um carregador de baterias com a capacidade de 1A. Para a utilização de
baterias de maior capacidade, um carregador com a potência de 700W é adicionado ao rack,
conforme pode ser observado também na Fig. 3.
5
Fig. 3 - Vista geral superior da disposição interna dos componentes do sistema UPS.
O carregador com maior capacidade constitui numa nova placa independente adicionada ao
sistema anterior. Por ser um dispositivo opcional, para que o mesmo não afete o dimensionamento
dos estágios principais de potência do sistema, o mesmo é conectado diretamente na rede elétrica.
Este carregador é provido de um sistema de ventilação dedicado composto de um cooler
posicionado diretamente no seu dissipador
4.2 ANÁLISE DA ESTRUTURA ELÉTRICA DO CARREGADOR DE BATERIAS
4.2.1 ESQUEMÁTICO DE CONTROLE E POTÊNCIA DO CARREGADOR DE BATERIAS
A Fig. 4 apresenta o esquemático simplificado da etapa de potência e controle do carregador
de baterias em questão. Conforme pode ser observado, o mesmo utiliza de um filtro de EMI na
entrada, não possui capacitor de alto valor após a ponte retificadora na entrada, o lhe possibilita
através de um controle adequado realizar a correção do fator de potência. Este controle é
implementado através do integrado analógico dedicado UC3843 da Texas Instruments (Controle
modo corrente).
Conforme será abordado adiante, o mesmo não impõe uma corrente constante no banco de
baterias quando a tensão da entrada do circuito varia e, também carrega o banco de baterias com
corrente pulsada em 120Hz, comprometendo a vida útil do banco de baterias.
6
Frequência de Chaveamento = 45kHz
R1
NSP2R510
C41uF
C24.7nF
C54.7nF
C3680pF
C15680pF
C8
2.2uF
L1
L3GND
CN1
F
CN3
N
AC
3
+1
AC
2
-4
D1D15XB60
GND
L4
R4200R/10W
R6
200R/10WR3
200R/10WR5
200R/10W
R2200R/10W
C13
47nF/1kV
C12
47nF/1kV
C11
22nF/1kV
C10
22nF/1kV
D4
RHR30120
C17
680pF
Q12SK2698
Q22SK2698
R14
47k
R15
47k
R10
200R/7W
C18
GND
R2547R
R13
47R
D7 1N4148
D5 1N4148
R17
0.22R
R21
0.22R
R16
0.22R
R22
0.22R
R31
0.22R
R32
0.22R
GND
ISEN3
VFB2
COMP1
OUT6
VREF8
RT/CT4
GND
5
VCC
7
U3UC3843
1
2
5
4
U2
TLP521
1
2
5
4
U5
TLP521
L2C9
10nF
D2RHR30120
C1 680pF
+ C6
1200uF/160 V
C74.7nF
C144.7nF GND
F1
20A
CN2
+BAT
CN4
-BAT
1
2
3
U4TL431ILP
L5 D3
R7
10R
+C1622uF
CN5
+FAN
CN6
+FAN
C26100nF
C25
100nF
R29
499k
R271k
R3127k
R2343.2k
R24
R26
P1
R30510R
GND
C2310nF
GND
C27 100pF
GND
GNDR32
10R
R33
R
GND
L6
GND
D6
+ C21220uF
C20
100nF
GND
R1218K/3W
3
21
8
4 U1ALM393
GND
C22100nF
GND
C24100nF
GND
C191nF
GND
R1115k
GND
R8
330k
R9
130k
R163.5k
Q32SC1815
R283.2k
D8
1N4148
GND
12
P2
Header 2
Circuito de potência
Circuito de controle
TR1
Fig. 4 - Diagrama esquemático simplificado do carregador de baterias com potência de saída de 700W.
A Fig. 5 apresenta a fotografia da implementação prática da etapa de potência e controle do
carregador de baterias. Nesta figura não é possível a visualização dos semicondutores principais,
pois o dissipador prevalece acima dos mesmos. Nesta figura prevalecem os seguintes componentes
do carregador: Snubbers das chaves compostos de resistores de potência, transformador isolado em
alta freqüência, filtro de interferência eletromagnética, resistores que realizam a leitura da corrente
através da chave, circuito de controle analógico que contém poucos componentes e o capacitor de
filtro de saída que é ligado em paralelo com o banco de baterias que está sendo carregado.
O comprimento do dissipador contempla todo o comprimento da placa do carregador e o
mesmo tem direcionado um cooler de refrigeração.
7
Fig. 5 - Fotografia ressaltando os elementos pricipais da etapa de potência e controle do carregador de baterias).
4.2.2 ANÁLISE DOS PRINCIPAIS COMPONENTES UTILIZADOS NOS CIRCUITOS DE CONTROLE E
POTÊNCIA DO CARREGADOR
Conforme o esquemático levantado do circuito do carregador apresentado anteriormente na
Fig. 4, foram levantados os principais componentes com o objetivo de comparação de custos com
outras estruturas a serem propostas. A Tabela II apresenta os principais componentes utilizados nos
circuitos de potência e controle do carregador.
TABELA II Listagem dos principais Componentes com as respectivas cotações utilizados no carregador
de baterias
No Qtt. Referência Descrição Valor / Tipo Fabricante Preço DigikeyUSD
1 2 Q1, Q2 MOSFET canal N 2SK2698, 15A, 500V, RDS(on)=0,35Ohm
Toshiba 1.98 / 500 peças
2 1 U3 Circuito integrado PWM que emprega o controle modo corrente
UC3843 Texas Instruments
0.43 / 500 peças
3 5 R2, R3, R4, R5, R6 Resistor de potência 200Ohm / 10W ---------------
- 0.196 / 1000 peças
4 2 D2, D4 Diodo Ultra-rápido RHRP30120, 30A, 1200V Fairchild 1.026 / 500
peças
5 1 D1 Ponte retificadora D15XB60, 15A, 600V Shindengen
6 2 U2, U5 Optoacoplador TLP521 Toshiba
8
7 1 TR1 Transformador de Ferrite Equivalente ao núcleo EE-55/21 do fabricante Thornton
----------------
8 1 C6 Capacitor Eletrolítico PEH532QCE4120M2S, 105oC, 1200uF / 160V
Rifa
1.75 / 600 peças Obs: Panasonic 85°C
9 6 R16, R17, R21, R22, R31, R32
Resistor de potência 0,22Ohm / 3W ---------------- 0.119 / 1000 peças
5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS DE OBTIDOS PARA O CARREGADOR DE BATERIAS
Nesta seção serão apresentados os resultados experimentais obtidos para o carregador de
baterias descrito anteriormente. Vários ensaios foram realizados com o objetivo de verificação da
performance do carregador e ao mesmo tempo de realizar o entendimento da estratégia de controle
utilizada.
5.1 RESULTADOS EXPERIMENTAIS VARIANDO-SE TENSÃO RMS DE ENTRADA DO CARREGADOR
Neste primeiro ensaio o objetivo era verificar a performance do carregador frente as variações
da tensão de alimentação. Conforme será observado nas próximas figuras, este carregador não
regula a corrente de carga para uma situação de tensão abaixo da nominal e além disso o formato da
corrente de carga é indesejável para carregadores de baterias, pois a mesma é pulsada em 120Hz,
comprometendo a vida útil do banco.
A Fig. 6 apresenta os resultados de tensão no banco de baterias, corrente de carga e tensão de
alimentação do carregador. Conforme pode ser observado, a partir de uma tensão de entrada de
70Vca, o carregador de baterias já está em funcionamento no entanto o mesmo não consegue impor
a corrente nominal de 7A. Esta corrente fica limitada a 3,46A aproximadamente. Verifica-se
também nesta figura o formato da corrente de carga que é pulsada em 120Hz conforme foi
comentado anteriormente.
9
Fig. 6 - Tensão no banco de baterias, corrente de carga nas baterias e tensão de entrada do carregador. (Ch4:50V/div.; Ch1:5A/div.; Ch3:100V/div.; 5ms/div.)
Nas figuras 7 até 12 são apresentados os resultados de tensão no banco de baterias, corrente
de carga e tensão de alimentação do carregador. A única diferença imposta foi a tensão de
alimentação da entrada que cresce em passos de 10Vca para cada figura e será constatado a
variação da corrente do banco de baterias, que cresce em função do aumento da tensão de
alimentação da entrada.
Fig. 7 Tensão de alimentação: 80Vca
Corrente média de carga do banco de baterias: 3,59A
Corrente eficaz de carga do banco de baterias: 4,32A
Fig. 7 - Tensão no banco de baterias, corrente de carga nas baterias e tensão de entrada do carregador. (Ch4:50V/div.; Ch1:5A/div.; Ch3:100V/div.; 5ms/div.)
10
Fig. 8 Tensão de alimentação: 90Vca
Corrente média de carga do banco de baterias: 4,28A
Corrente eficaz de carga do banco de baterias: 5,10A
Fig. 8 - Tensão no banco de baterias, corrente de carga nas baterias e tensão de entrada do carregador. (Ch4:50V/div.; Ch1:5A/div.; Ch3:100V/div.; 5ms/div.)
Fig. 9 Tensão de alimentação: 100Vca
Corrente média de carga do banco de baterias: 4,96A
Corrente eficaz de carga do banco de baterias: 5,88A
Fig. 9 - Tensão no banco de baterias, corrente de carga nas baterias e tensão de entrada do carregador. (Ch4:50V/div.; Ch1:5A/div.; Ch3:100V/div.; 5ms/div.)
11
Fig. 10 Tensão de alimentação: 110Vca
Corrente média de carga do banco de baterias: 5,73A
Corrente eficaz de carga do banco de baterias: 5,63A
Fig. 10 - Tensão no banco de baterias, corrente de carga nas baterias e tensão de entrada do carregador. (Ch4:50V/div.; Ch1:5A/div.; Ch3:100V/div.; 5ms/div.)
Fig. 11 Tensão de alimentação: 120Vca
Corrente média de carga do banco de baterias: 6,21A
Corrente eficaz de carga do banco de baterias: 7,31A
Fig. 11 - Tensão no banco de baterias, corrente de carga nas baterias e tensão de entrada do carregador. (Ch4:50V/div.; Ch1:5A/div.; Ch3:100V/div.; 5ms/div.)
12
Fig. 12 Tensão de alimentação: 127Vca
Corrente média de carga do banco de baterias: 6,57A
Corrente eficaz de carga do banco de baterias: 7,71A
Fig. 12 - Tensão no banco de baterias, corrente de carga nas baterias e tensão de entrada do carregador. (Ch4:50V/div.; Ch1:5A/div.; Ch3:100V/div.; 5ms/div.)
Fig. 13 Tensão de alimentação: 135Vca
Corrente média de carga do banco de baterias: 6,93A
Corrente eficaz de carga do banco de baterias: 8,12A
Fig. 13 - Tensão no banco de baterias, corrente de carga nas baterias e tensão de entrada do carregador. (Ch4:50V/div.; Ch1:5A/div.; Ch3:100V/div.; 5ms/div.)
13
No mesmo ensaio anterior foi realizado a variação de tensão acima de 135Vca, no entanto o
carregador entrava em proteção se desligando para tensão acima deste patamar. Este
comportamento pode ser verificado na Fig. 14. Esta aquisição foi realizada com carga resistiva.
Fig. 14 - Tensão no banco de baterias, tensão na saída do comparador de tensão que desabilita o circuito de controle do carregador, corrente de entrada e tensão de entrada do carregador.
(Ch4:50V/div.; Ch1:5V/div.; Ch2:10A/div.; Ch3:100V/div.; 5ms/div.)
A Fig. 15 mostra o gráfico da evolução da corrente de carga (valor médio) em função da
tensão eficaz na entrada do carregador. Conforme foi comentado anteriormente, este carregador não
mantém a potência constante na saída.
Fig. 15 - Corrente de carga do banco de baterias em função da tensão de alimentação do carregador de baterias.
14
5.2 RESULTADOS EXPERIMENTAIS PARA CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO NOMINAIS
Neste ensaio foi verificado a característica da corrente de entrada drenada pelo carregador de
baterias para condições nominais da tensão de entrada (127Vca), e para a situação do banco de
baterias descarregado.
A Fig. 16 apresenta os resultados de tensão no banco de baterias, corrente de carga, tensão de
alimentação do carregador e corrente drenada da entrada do carregador. Conforme pode ser
observado, o circuito apresenta correção de fator de potência o que é um fato positivo para este
carregador de baterias. Também pode ser constatado nesta figura o achatamento da corrente de
entrada, que acontece principalmente nos valores de pico da tensão da rede, situação em que ocorre
a atuação da malha de corrente do circuito integrado controlador.
Fig. 16 - Tensão e corrente na entrada. (Ch1:100V/div.; Ch3:5A/div.; 4ms/div.)
A Fig. 17 apresenta os resultados da tensão através de um resistor de potência, que compõe o
snubber grampeador de tensão em paralelo com o enrolamento do transformador do carregador de
baterias, tensão de entrada do carregador e corrente de carga no banco de baterias. Conforme pode
ser observado no esquemático apresentado na Fig. 4, este circuito grampeador é composto de
5(cinco) resistores de potência, sendo cada um com a especificação de potência nominal na faixa
dos 10W. Logo, a tensão resultante desta associação será de aproximadamente 5(cinco) vezes o
valor de pico apresentado no gráfico (40V), resultando em próximo de 200V. Foi realizada também
a medição da tensão eficaz através deste resistor que conforme a medição do osciloscópio foi de
34V. Logo, realizando o cálculo da potência dissipada num resistor, sabendo-se que a resistência do
mesmo é de 200Ω, resulta em aproximadamente 6W. Considerando os cinco resistores desta
associação, resulta numa potência total de 30W dissipada no circuito do snubber grampeador.
15
Fig. 17 - Tensão através de 1(um) dos resistores de potência que compõem o snubber grampeador em paralelo com o enrolamento primário do carregador de baterias, tensão de entrada do
carregador e corrente de carga no banco de baterias. (Ch3:20V/div.; Ch2:100V/div.; Ch4:10A/div.; 2,5ms/div.)
A Fig. 18 apresenta o comportamento da tensão através do resistor de potência do snubber
RC em paralelo com os interruptores, a tensão de entrada do carregador e corrente de carga no
banco de baterias. Conforme pode ser observado, o snubber absorve os picos de tensão
provenientes da indutância de dispersão do transformador, evitando-se assim que os interruptores
sejam submetidos a sobretensões indesejáveis, pois os mesmos são especificados para a tensão de
500V. A Fig. 19 apresenta o detalhe desta tensão, que atinge picos na faixa de 300V.
Fig. 18 - Tensão através do resistor que compõe o snubber RC em paralelo com os interruptores do carregador de baterias, tensão de entrada do carregador e corrente de carga no banco de
baterias. (Ch3:100V/div.; Ch2:100V/div.; Ch4:10A/div.; 2,5ms/div.)
16
Fig. 19 - Detalhe da tensão através do resistor que compõe o snubber RC em paralelo com os interruptores do carregador de baterias.(Ch3:100V/div.; 10us/div.)
No decorrer do procedimento de carga do banco de baterias desde a tensão de corte 86,2V
(aproximadamente 10,7V por bateria), até uma tensão de 102,7V, foram realizadas aquisições da
corrente injetada no banco de baterias com o intuito de verificar o comportamento de operação do
carregador durante o processo de carga.
A Fig. 17 apresenta o comportamento da tensão no banco de baterias e corrente de carga no
banco de baterias em função de um intervalo de tempo de carga de 2 horas e 15 minutos. Vale
ressaltar que antes deste procedimento o banco de baterias foi totalmente descarregado.
Fig. 20 - Tensão de carga no banco de baterias, corrente de carga no banco de baterias em função do tempo de carga.
17
A Fig. 18 apresenta a curva de rendimento do carregador de baterias e respectiva corrente de
carga em função da potência de saída. Conforme pode ser observado, o rendimento para a condição
de potência nominal fica em torno de 81,5%. Vale ressaltar que antes deste procedimento o banco
de baterias foi totalmente descarregado.
Fig. 21 - Rendimento do carregador de baterias e corrente de carga em função da potência de saída.
A Tabela III apresenta as temperaturas de operação nos componentes mais relevantes do
carregador, verificadas durante os ensaios de carga para a situação de potência nominal.
TABELA III Temperaturas verificadas nos principais componentes do carregador para a situação de
potência nominal
Transformador (TR1) 98oC Dissipador de calor 58oC Capacitor de filtro (C8) 62oC
5.3 ANÁLISE DO CIRCUITO DE CONTROLE DO CARREGADOR DE BATERIAS
O circuito de controle do carregador de baterias é implementado através do circuito integrado
dedicado UC3843 do fabricante Texas Instruments, que utiliza a estratégia de controle PWM modo
corrente. O diagrama interno deste integrado é exibido na Fig. 22.
Conforme o esquemático do circuito carregador apresentado na Fig. 4, o controle
implementado não utiliza o amplificador de erro interno ao integrado, pois o mesmo é aterrado
através do pino 2 do CI. Assim, o controlador de tensão é implementado através de uma referência
de tensão (TL 431) e um opto-acoplador U2 (TLP 521). Este sinal é então injetado no pino 1 do
integrado, para posteriormente ser comparado internamente com uma composição da tensão através
18
Fig. 22 - Diagrama de blocos interno do circuito integrado UC3843 da texas instruments.
dos resistores em série com os interruptores e a tensão de emissor do transistor Q3 menos a queda
de tensão no diodo D8, resultando numa forma de onda semelhante a uma dente de serra no período
de chaveamento.
A Fig. 23 ilustra este comportamento para dois períodos de chaveamento do conversor. De
cima para baixo são apresentados os seguintes sinais: tensão de controle da malha de tensão, sinal
de comparação(dente de serra), tensão da rede e o pulso de comando nos interruptores do
carregador. Conforme pode ser observado, quando a tensão de controle ultrapassa o sinal dente de
serra, um pulso de comando desligando os interruptores é realizado.
Fig. 23 - Tensão no pino 3 do integrado(sinal dente de serra), tensão no pino 1 do integrado(sinal da malha de tensão), tensão da entrada do carregador e pulso de comando no interruptor do
carregador. (Ch4:1V/div.; Ch1:5V/div.; Ch3:100V/div.; Ch4:1V/div.; 5us/div.)
19
A Fig. 24 ilustra os mesmos sinais tal como foi mostrado anteriormente na Fig. 23, no entanto
foi disparada a aquisição da forma de onda quando a tensão da rede estava próxima ao valor zero.
Neste instante percebe-se que a forma de onda triangular é quase constante no ciclo da rede
(comparado ao sinal anterior) e o sinal de controle bem como a razão cíclica estão ajustados para o
valor máximo.
Fig. 24 - Tensão no pino 3 do integrado(sinal dente de serra), tensão no pino 1 do integrado(sinal da malha de tensão), tensão da entrada do carregador e pulso de comando no interruptor do
carregador. (Ch4:1V/div.; Ch1:5V/div.; Ch3:100V/div.; Ch4:1V/div.; 5us/div.)
6. ESPECIFICAÇÕES DO CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO ANALISADO
O conversor elevador de tensão tem como função principal a elevação da tensão do banco de
baterias para um nível de tensão adequado para o funcionamento do inversor. Conforme a análise
realizada, o mesmo é composto basicamente por um conversor do tipo push-pull alimentado em
tensão e com indutores de saída para interconexão com o barramento CC. A Fig. 25 apresenta a
fotografia do conversor elevador de tensão.
20
Fig. 25 - Fotografia do carregador de baterias.
Dentre as características relevantes deste conversor nos quais podem ser citados são:
Não existe isolação galvânica entre o banco de baterias e o barramento;
Drena uma corrente bastante pulsada em 120Hz das baterias para uma carga de onda
completa;
Utiliza um filtro capacitivo grande capacidade e baixa resistência série equivalente para
filtrar a componente de alta freqüência presente na entrada do conversor;
Não possui qualquer circuito auxiliar de balanceamento da tensão de saída, sendo realizada
esta compensação através do sinal da amostragem de tensão, que é proveniente de um
microcontrolador, sendo o conversor pouco vulnerável a cargas de meia onda.
A seguir será abordado com detalhes a especificação e funcionamento do conversor elevador
de tensão. A Tabela IV apresenta as características elétricas de entrada e saída do dispositivo.
TABELA IV Principais Especificações do Conversor Elevador de Tensão
Entrada Tensão nominal de entrada 96V Quantidade de baterias 8 Freqüência de chaveamento 42kHz Variação de tensão de entrada em que o conversor funciona 86,2V - 108V
Saída Potência de Saída 1400W Corrente nominal de saída estimada 3,5A Tensão de saída total 400V (200V + 200V)
21
7. ANÁLISE DA ESTRUTURA MECÂNICA DO CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO
Nesta seção serão analisados com detalhes alguns pontos relevantes com relação à disposição
no espaço dos componentes do conversor elevador de tensão no sistema UPS analisado.
Logo depois serão apresentados esquemáticos sobre a topologia elétrica levantada do
conversor elevador, com descrições simplificadas de funcionamento e listagem de componentes.
7.1 ANÁLISE DA ESTRUTURA MECÂNICA DO ELEVADOR DE TENSÃO
Na Fig. 26 é mostrado mais uma vez o sistema UPS destacando-se o conversor elevador de
tensão, que conforme pode ser observado ocupa um espaço físico razoável. Este conversor tem seus
interruptores principais colocados no mesmo dissipador do conversor boost. Isto acontece porquê os
dois estágios não funcionam ao mesmo tempo, sendo uma boa alternativa para diminuir o material e
espaço utilizados. Os diodos retificadores do secundário do transformador estão em pequenos
dissipadores localizados próximo ao transformador elevador. O circuito de controle do conversor
está localizado próximo aos interruptores do lado primário.
Os dissipadores que dão suporte aos interruptores deste conversor não possuem fluxo de ar
direto por algum cooler, mas são resfriados pelo fluxo de ar que se dirige da parte frontal para a
traseira, devido aos coolers localizados ao lado do dissipador do estágio inversor.
Fig. 26 - Vista geral superior da disposição interna dos componentes do sistema UPS.
7.2 ANÁLISE DA ESTRUTURA ELÉTRICA DO CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO
7.2.1 ESQUEMÁTICO DE CONTROLE E POTÊNCIA DO CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO
A Fig. 27 apresenta o esquemático simplificado da etapa de potência e controle do conversor
elevador em questão. Conforme pode ser observado, Trata-se de um conversor push-pul com
22
características de fonte de tensão na entrada, necessitando de uma capacitância de alto valor em
paralelo com o banco de baterias na entrada para que seja realizada a filtragem da alta freqüência,
evitando que esta componente flua através do banco de baterias.
Os interruptores do lado primário e os diodos retificadores do lado secundário possuem
snubbers para proteção contra sobretensões, devido principalmente à energia acumulada nas
indutâncias de dispersão do transformador.
A topologia do elevador não permite correção do desbalanço das tensões no barramento CC,
que poderá ser ocasionada por alguma carga conectada no inversor com característica de meia-
onda. Isto foi verificado experimentalmente por uma diferença de tensão tolerável entre os
barramento de tensão superior e inferior quando submetido a este tipo de carga.
Frequência de Chaveamento = 42kHz
Circuito de controle
Circuito de potência
SYNC3
NI2
INV1
SOFT/START 8
COMP 9OSC OUT
4
GND
12
VCC
13
DISCH7
RT6
CT5
SHUTDOWN10
OUT A 11
+VIN 15VREF16
OUT B14
U1UC3525
R193.3k
R2330k
R2010k
R2410k
R14150k
R15150k C6
1uF
C14100nF
C13100nF
C10470nF
C4100nF
R1310k
C81nF
R214.12k
R22100R
C11100nF
C12100uF
3525OFF
+12V
BUS.VFB
C91uF
D1
1N4148R2
5R
Q1FQA38N30
1
2
5
4
U2
ICTLP521
D2
1N4148
R4
5R
Q2
FQA38N30
R1710k
R547KR6
47K
CHGOFF5VR25
470
D6
1N4148R10
5R
Q3FQA38N30
D7
1N4148
R12
5R
Q4
FQA38N30
R1647KR18
47K
C3
100nF
TR2
F1F20A
F2F20A
+ C15
1200uF
BAT+
D3RHRP3060 D4
RHRP3060
D8
RHRP3060
D9
RHRP3060
L1
L2
D5
UF5408
D10
UF5408
C1
100nF/400VR3
680R/7WR7
680R/7W
R11
680R/7W
R8
680R/7W
C7100nF/400V
+BUS
-BUS
R954R/7W
C510nF/1kV
R1
54R/7WC210nF/1kV
Fig. 27 - Diagrama esquemático simplificado do conversor elevador de tensão.
Com relação à implementação do circuito de controle, é utilizado o circuito integrado
UC3525 sendo empregado o controle modo tensão. A amostragem da tensão nos capacitores do
barramento é realizada através de um microcontrolador, sendo este o responsável pelo envio do
sinal da tensão amostrada para as malhas de tensão analógica do estágio elevador e conversor boost.
Conforme a análise deste sinal, foi concluído que a compensação do desbalanço é realizada pelo
microcontrolador que atua na referência de tensão para o controle dos estágios elevador e boost.
O circuito de driver do conversor elevador de tensão é proveniente do próprio integrado
controlador UC3525, sendo este sinal injetado nos interruptores deste estágio. Outro detalhe é que o
ponto central dos capacitores do barramento CC é interconectado com o terra da bateria, sendo este
23
também conectado ao neutro da rede. Portanto, não existe isolação entre o banco de baterias e a
carga.
A Fig. 28 apresenta a fotografia da implementação prática da etapa de potência e controle do
conversor elevador de tensão. Nesta figura é possível a visualização dos seguintes elementos:
semicondutores principais, circuito de controle, transformador elevador em alta freqüência, diodos
retificadores de saída, indutores de filtro da saída e capacitor de filtro da entrada.
O comprimento do dissipador contempla os interruptores de potência do conversor elevador
de tensão, e todos os semicondutores do estágio boost a três níveis, que é utilizado como conversor
do modo on-line para o sistema UPS.
Fig. 28 - Fotografia ressaltando os elementos pricipais da etapa de potência e controle do conversor
elevador de tensão).
Outro detalhe é que não existe ventilação direta para este dissipador sendo o fluxo
proveniente dos coolers localizados no dissipador do estágio inversor.
7.2.2 ANÁLISE DOS PRINCIPAIS COMPONENTES UTILIZADOS NOS CIRCUITOS DE CONTROLE E
POTÊNCIA DO CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO.
Conforme o esquemático levantado do circuito do carregador apresentado anteriormente na
Fig. 27, foram levantados os principais componentes com o objetivo de comparação de custos com
outras estruturas a serem propostas. A Tabela V apresenta os principais componentes utilizados nos
circuitos de potência e controle do conversor elevador de tensão.
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TABELA V Listagem dos principais Componentes com as respectivas cotações utilizados no conversor
elevador de tensão
No Qtt. Referência Descrição Valor / Tipo Fabricante Preço DigikeyUSD
1 4 Q1, Q2, Q3, Q4 MOSFET canal N FQA38N30, 38.4A, 300V,
RDS(on)=0,085Ohm Fairchild 1.997 / 450 peças
2 1 U1 Controlador PWM SG3525 ONsemi 0.675 / 500 peças
3 2 R1, R9 Resistor de potência 54Ohm / 7W ----------------
4 4 D3, D4, D8, D9 Diodo Ultra-rápido RHRP3060, 30A, 600V Fairchild 0.999 / 400
peças
5 2 D5, D10 Diodo Ultra-rápido UF5408 ----------------
0.295 / 2800
6 2 L1, L2 Indutor com núcleo toroidal
150uH, Diâmetro externo 34mm.
----------------
7 1 TR1 Transformador de Ferrite
Equivalente ao núcleo EE-55/21 do fabricante Thornton
----------------
8 1 C15 Capacitor Eletrolítico
PEH532QCE4120M2S, 105oC, 1200uF / 160V Rifa
1.75 / 600 peças Obs: Panasonic85°C
9 4 R3, R7, R8, R11 Resistor de potência 680Ohm / 7W ---------------- 0.43 / 1000
peças 10 1 U2 Optoacoplador TLP521 Toshiba
8. RESULTADOS EXPERIMENTAIS DE OBTIDOS PARA O ELEVADOR DE TENSÃO
Nesta seção serão apresentados os resultados experimentais obtidos para o conversor elevador
de tensão descrito anteriormente. Vários ensaios foram realizados com o objetivo de verificação da
performance do elevador e ao mesmo tempo de realizar o entendimento da estratégia de controle
utilizada.
8.1 RESULTADOS EXPERIMENTAIS VISANDO AVALIAR A DINÂMICA DO CONVERSOR E
FUNCIONAMENTO COM CARGA DESBALANCEADA
Neste primeiro ensaio o objetivo era verificar a dinâmica do conversor elevador frente às
variações de carga. Conforme será observado nas próximas figuras, este conversor comporta-se
bem frente às variações de carga, tanto na retirada como aumento da carga. Também será verificado
que as tensões nos capacitores inferior e superior do barramento CC não apresentam sobre-tensões,
o que é uma característica favorável de operação deste estágio.
25
A corrente no capacitor da entrada também será analisada nestes ensaios, para a constatação
do alto valor eficaz drenado por este dispositivo, pois apenas a componente de baixa freqüência da
corrente é verificada no banco de baterias. Na primeira parte desta seção serão apresentados os
resultados para a carga com característica de onda completa do tipo não-linear, e para a segunda
parte serão apresentados os resultados para a carga com característica de meia onda do tipo não-
linear.
Resultados com Carga Não-linear do tipo Onda Completa
A Fig. 29 apresenta o comportamento em regime permanente das seguintes variáveis segundo
a ordem de visualização de cima para baixo: tensões nos capacitores superiores e inferiores no
barramento CC, corrente através dos capacitores de filtro de entrada do conversor elevador e
corrente através da carga. Conforme pode ser observado, as tensões do barramento estão reguladas
em 200V e sem nenhum desbalanço aparente para esta condição de carga. Também pode ser visto
que a corrente drenada dos capacitores de filtro de entrada apresentam a característica de alta
freqüência, devido a baixa resistência série equivalente, resultando em altos valores eficazes na
corrente destes capacitores. Nas aquisições posteriores poderá ser visto que não existe nenhuma
componente de alta freqüência drenada do banco de baterias, no entanto esta corrente será pulsada
na freqüência da corrente de carga conectada no inversor.
Fig. 29 - Operação em regime permanente (Carga não linear em onda completa): Tensão nos capacitores do barramento CC, corrente através do capacitor de filtro em paralelo com o banco de baterias e corrente na carga. (Ch2: 100V/div.; Ch3: 100V/div.; Ch4: 10A/div.;
Ch1: 10A/div.; 10ms/div.)
A Fig. 30 apresenta o comportamento durante o degrau de carga de 50% para 100%, das
seguintes variáveis segundo a ordem de visualização de cima para baixo: tensões nos capacitores
26
superiores e inferiores no barramento CC, corrente através dos capacitores de filtro de entrada do
conversor elevador e corrente através da carga.
Conforme pode ser observado nesta situação, as tensões do barramento não apresentam
variações bruscas que caracterizam subtensões e continuam reguladas no valor médio de 200V, sem
nenhum desbalanço aparente para esta condição de carga.
Também pode ser visto que a corrente drenada dos capacitores de filtro de entrada apresentam
a característica de alta freqüência com maior magnitude, com a envoltória em baixa freqüência que
caracterizará a corrente drenada pelo banco de baterias.
Visualizando também a corrente de carga para as duas situações, conclui-se que foi realizado
o ensaio de degrau de carga, pois verifica-se o incremento do valor de pico da corrente de carga.
Fig. 30 - Degrau de carga de 50% para 100% (Carga não linear em onda completa): Tensão nos capacitores do barramento CC, corrente através do capacitor de filtro em paralelo com o banco de baterias e corrente na carga. (Ch2: 100V/div.; Ch3: 100V/div.; Ch4: 50A/div.;
Ch1: 25A/div.; 10ms/div.)
A Fig. 31 apresenta o comportamento durante a retirada de carga de 100% para 50%, das
seguintes variáveis segundo a ordem de visualização de cima para baixo: tensões nos capacitores
superiores e inferiores no barramento CC, corrente através do banco de baterias e corrente através
da carga.
Conforme pode ser observado nesta situação, as tensões do barramento não apresentam
variações bruscas que caracterizam sobretensões e continuam reguladas no valor médio de 200V,
sem nenhum desbalanço aparente para esta condição de carga.
Nesta figura é visualizada a corrente no banco de baterias, que possui a envoltória em baixa
freqüência da corrente drenada pelos capacitores de filtro. Portanto, a corrente drenada do banco de
baterias é bastante pulsada.
27
A Fig. 32 apresenta o detalhe das formas de onda visualizadas na Fig. 31, na qual pode ser
visualizada melhor a característica da corrente drenada do banco de baterias.
Fig. 31 - Degrau de carga de 100% a 50% (Carga não linear em onda completa): Tensão nos capacitores do barramento CC, corrente através do banco de baterias e corrente na carga.
(Ch2: 100V/div.; Ch3: 100V/div.; Ch4: 10A/div.; Ch1: 25A/div.; 25ms/div.)
Fig. 32 - Detalhe do degrau de carga de 100% a 50% (Carga não linear em onda completa): Tensão nos capacitores do barramento CC, corrente através do banco de baterias e corrente na carga.
(Ch2: 100V/div.; Ch3: 100V/div.; Ch4: 10A/div.; Ch1: 25A/div.; 10ms/div.)
28
A Tabela VI apresenta as temperaturas de operação nos componentes mais relevantes do
conversor elevador de tensão, verificadas durante os ensaios com carga não linear de onda completa
para a situação de potência de 1kW.
TABELA VI Temperaturas verificadas nos principais componentes do carregador para a situação de
potência de 1kW
Transformador (TR2) 80oC Dissipador de calor 50oC Diodos retificadores do secundário 68oC Indutores de filtro (L1 e L2) 85oC
Resultados com Carga Não-linear do tipo Meia Onda
Esta condição de carga constitui no tipo mais crítico para este tipo de configuração de UPS,
pois a tendência é que seja retirada energia de apenas um dos capacitores do barramento CC
(inferior ou superior).
A Fig. 33 apresenta o comportamento em regime permanente das seguintes variáveis segundo
a ordem de visualização de cima para baixo: tensões nos capacitores superiores e inferiores no
barramento CC, corrente através do banco de baterias e corrente através da carga.
Conforme pode ser observado, as tensões do barramento para esta situação de carga
apresentam um desbalanço de tensão na ordem de 20V, o que é uma característica aceitável para
esta estrutura, pois toda a potência de saída está sendo praticamente solicitada de um dos
barramentos (inferior ou superior). Se o circuito fosse desprovido de algum sinal de compensação, a
tendência das tensões do barramento seria desbalancear ainda mais comprometendo a geração
correta da tensão de saída do inversor.
Nesta figura é visualizada a corrente no banco de baterias, que possui a envoltória em baixa
freqüência da corrente drenada pelos capacitores de filtro. Portanto, a corrente drenada do banco de
baterias é bastante pulsada também para esta condição de carga.
29
Fig. 33 - Operação em regime permanente (Carga não linear em meia onda): Tensão nos capacitores do barramento CC, corrente através do banco de baterias e corrente na carga.
(Ch2: 100V/div.; Ch3: 100V/div.; Ch4: 10A/div.; Ch1: 25A/div.; 10ms/div.)
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9. CONCLUSÕES
Neste relatório foi realizada uma análise técnica de dois conversores que constituem um
Nobreak de 2kVA disponível no mercado. O primeiro conversor analisado foi um carregador de
baterias com potência de saída de 700W.
Baseado na primeira análise foi verificado as seguintes características para este carregador de
baterias, tais como:
Isolação galvânica entre a entrada da rede e o banco de baterias;
Executa a carga do banco de baterias com corrente pulsada em 120Hz;
A corrente eficaz de carga das baterias é variável com o nível de tensão eficaz na entrada;
Possui alto fator de potência e baixa distorção harmônica da corrente drenada da rede para
a situação de carga nominal.
O segundo conversor analisado foi um conversor elevador de tensão responsável pela
interface e adaptação do nível de tensão do banco de baterias para o barramento CC. Baseado na
análise deste conversor foi verificado as seguintes características:
Não existe isolação galvânica entre o banco de baterias e o barramento CC;
Drena uma corrente bastante pulsada em 120Hz das baterias para uma carga de onda
completa e de meia onda isenta de componente em alta frequência;
Utiliza um filtro capacitivo grande capacidade e baixa resistência série equivalente para
filtrar a componente de alta freqüência presente na entrada do conversor;
Não possui qualquer circuito auxiliar de balanceamento da tensão de saída, sendo realizada
esta compensação através do sinal da amostragem de tensão, que é proveniente de um
microcontrolador, sendo o conversor pouco vulnerável a cargas de meia onda.
Fortaleza, Janeiro de 2009.
Cícero Marcos Tavares Cruz