inversor monofÁsico isolado em alta
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARCENTRO DE TECNOLOGIA
PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA
Carlos Elmano de Alencar e Silva
INVERSOR MONOFSICO ISOLADO EM ALTAFREQNCIA COM AMPLA FAIXA
DE TENSO DE ENTRADA
Fortaleza, janeiro de 2007.
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CARLOS ELMANO DE ALENCAR E SILVA
INVERSOR MONOFSICO ISOLADO EM ALTA
FREQNCIA COM AMPLA FAIXA DE TENSO DE
ENTRADA
Dissertao submetida
Universidade Federal do Cearcomo parte dos requisitos para
obteno do grau de Mestre em
Engenharia Eltrica.
Orientador:
Demercil de Souza Oliveira Jnior
Fortaleza, janeiro de 2007.
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INVERSOR MONOFSICO ISOLADO EM ALTA FREQNCIA COM
AMPLA FAIXA DE TENSO DE ENTRADA
Carlos Elmano de Alencar e Silva
Esta Dissertao foi julgada adequada para obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia
Eltrica, rea de Concentrao em Eletrnica de Potncia, e aprovada em sua forma final
pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica da Universidade Federal do Cear.
__________________________________________
Prof. Demercil de Souza Oliveira Jnior, Dr.
Orientador
__________________________________________
Prof. Otaclio da Mota Almeida, Dr.
Coordenador do Programa de Ps-Graduao em Eng. Eltrica
Banca Examinadora:
__________________________________________
Prof. Demercil de Souza Oliveira Jnior, Dr.
Presidente
__________________________________________Prof. , Dr.
__________________________________________
Prof. , Dr.
__________________________________________
Prof. , Dr.
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A imaginao mais importante que o conhecimento.
(Albert Eisntein)
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Deus, sabedoria em si.
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Aos meus pais, Maria Amlia de Alencar e
Manuel dos Reis Almeida da Silva, pelo
sustento e apoio que me permitiram alcanar
esse objetivo e por jamais terem descuidado deminha educao.
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AGRADECIMENTO
Quero agradecer em primeiro lugar a Deus, sabedoria em si, pelo dom da vida. No
posso deixar de manifestar tambm minha gratido aos meus pais, Maria Amlia de Alencar e
Manuel dos Reis Almeida da Silva, pelo amor, dedicao e desvelo educacional para comigo.
Meu muito obrigado professora PhD. Ruth Pastora Saraiva Leo pelo auxlio e confiana
que me abriram os horizontes acadmicos, sem os quais no teria chegado at aqui.
Agradeo ainda ao meu orientador, professor Dr. Demercil de Souza Oliveira Jnior,
pea fundamental na elaborao deste trabalho, pela confiana em mim depositada, pela
presena constante, pela disponibilidade nos momentos de dificuldade e pela experincia e
conhecimento transmitidos.
Ao professor Dr. Ren Torrico Bascop, elemento chave na minha formao
acadmica. A todos os professores do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica,
pelos conhecimentos transmitidos.
Aos companheiros de laboratrio que tanto contriburam com sugestes e auxlio nos
momentos de dificuldade. Ao Grupo de Processamento de Energia e Controle (GPEC) do
Departamento de Engenharia Eltrica (DEE) da Universidade Federal do Cear (UFC), no
qual desenvolvi minhas atividades.
Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) pelo apoio financeiro.
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Silva, C. E. A. INVERSOR MONOFSICO ISOLADO EM ALTA FREQNCIA COM
AMPLA FAIXA DE TENSO DE ENTRADA, Universidade Federal do Cear UFC,
2007, 154p.
Essa dissertao apresenta a anlise, o projeto, a simulao e os resultados
experimentais de um inversor monofsico, isolado em alta freqncia, capaz de operar com
ampla faixa de tenso de entrada. Dessa forma, esse conversor se encaixa em aplicaes com
fontes alternativas de energia e em aplicaes com baterias. A topologia desenvolvida
consiste em uma estrutura de dois estgios de processamento de potncia. O primeiro estgio
implementado por um conversor push-pull responsvel pela isolao eltrica em alta
freqncia e pela elevao da tenso de entrada, fornecendo em sua sada uma tenso contnua
e regulada de 420V. O segundo estgio de processamento de potncia implementado por um
inversor ponte completa reponsvel pela modulao senoidal da tenso de sada.
apresentada a anlise de cada um dos estgios de processamento de potncia, em seguida, o
projeto completo do circuito de potncia feito para um prottipo de 400VA, com tenso de
sada de 220V eficaz, freqncia de sada de 400Hz, e tenso de entrada entre 60V e 90V.
feita a compensao em freqncia de cada um dos estgios de processamento de potncia,
garantindo a estabilidade de operao, a regulao da tenso de sada mediante variaes decarga e reduo da ondulao de 800Hz introduzida na corrente pelo inversor ponte completa.
O projeto completo dos compensadores e a estrutura dos circuitos de controle so
apresentados. So mostrados os resultados de simulao do conversor projetado para diversas
cargas e condies extremas de operao, os quais do suporte montagem do prottipo.
Finalmente so apresentados os principais resultados experimentais do prottipo montado em
laboratrio.
Palavras-chave: Converso CC-CA, Isolao em alta freqncia, Tenso de entrada
varivel, Alta taxa de elevao.
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Silva, C. E. A. A SINGLE-PHASE INVERTER WITH HIGH-FREQUENCY ISOLATION
AND WITH LARGE INPUT VOLTAGE RANGE, Universidade Federal do Cear UFC,
2007, 154p.
This dissertation presents the analysis, design, simulation and experimental results
of a single-phase high frequency isolated inverter, capable to operate with large input voltage
range. Thus, this converter is feasible to alternative energy applications and battery source
energy applications. The developed topology consists of a two stages structure of power
processing. The first power processing stage is implemented by a push-pull converter to
response by electrical isolation and by input voltage level rise, supplying continuous and
regulated voltage in 420V. The second power processing stage is implemented by a full-
bridge inverter, responsible by sine modulation of output voltage. The analysis of each one of
the power processing stages is presented, after that, the full design of the power circuit is
executed for a 400VA prototype, with 220V rms output voltage, 400Hz output frequency and
60-90V input voltage range. The frequency compensation is executed for each one of the
power processing stages, assuring the operation stability, voltage regulation in load variations
and 800Hz ripple attenuation inserted by full-bridge inverter. The full design of the
controllers and general structure of the control circuits are shown. The simulation results ofthe designed converter for diverse loads and extreme operation conditions are present, which
gives support to the build of the prototype. Finally the main experimental results of the
laboratory prototype are shown.
Key-words: DC-AC conversion, High frequency isolation, Input voltage variable,
High elevation ratio.
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SUMRIO
LISTA DE FIGURAS........................................................................................................ XV
LISTA DE TABELAS ....................................................................................................... XX
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ........................................................................XXI
LISTA DE SMBOLOS...................................................................................................XXII
INTRODUO .....................................................................................................................1
CAPTULO 1 CONVERSO CC-CA.................................................................................4
1.1 Introduo ..............................................................................................................41.2 Isolamento eltrico .................................................................................................4
1.3 Converso CC-CA de estgio simples..................................................................... 6
1.3.1 Topologias de quatro interruptores ..................................................................71.3.2 Topologias de seis interruptores...................................................................... 8
1.4 Converso CC-CA de mltiplos estgios ................................................................ 91.4.1 Converso CC-CA-CA....................................................................................91.4.2 Converso CC-CC-CA..................................................................................10
1.4.3 Converso CC-CA-CC-CA ...........................................................................121.5 Escolha da topologia............................................................................................. 14
1.5.1 Primeiro estgio ............................................................................................14
1.5.2 Segundo estgio ............................................................................................15
1.5.3 Terceiro estgio.............................................................................................161.6 Diagrama esquemtico da estrutura escolhida ....................................................... 17
1.7 Consideraes finais .............................................................................................17
CAPTULO 2 ANLISE COMPLETA DO CONVERSOR IMPLEMENTADO .............. 18
2.1 Introduo ............................................................................................................18
2.2 Conversor CC-CC push-pull .................................................................................182.2.1 Modulao dos interruptores .........................................................................19
2.2.2 O problema da disperso ...............................................................................212.2.3 O problema da saturao ...............................................................................222.2.4 Operao do conversor CC-CC push-pull...................................................... 23
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2.2.5 Equacionamento............................................................................................272.3 Inversor ponte completa........................................................................................30
2.3.1 Modulao bipolar ........................................................................................ 31
2.3.2 Modulao unipolar ...................................................................................... 322.3.3 Modulao PWM senoidal ............................................................................342.3.4 Escolha da modulao................................................................................... 35
2.3.5 Equacionamento............................................................................................352.4 Modelagem da estrutura........................................................................................36
2.4.1 Modelagem do conversor push-pull............................................................... 37
2.4.2 Modelagem do inversor ponte completa ........................................................ 392.5 Consideraes finais .............................................................................................39
CAPTULO 3 EXEMPLO DE PROJETO.........................................................................403.1 Introduo ............................................................................................................403.2 Especificaes ......................................................................................................40
3.2.1 Especificaes gerais ....................................................................................40
3.2.2 Especificaes do conversor push-pull .......................................................... 413.2.3 Especificaes do inversor ponte completa.................................................... 41
3.3 Projeto do filtro LC de entrada.............................................................................. 41
3.3.1 Clculos preliminares....................................................................................413.3.2 Critrios de escolha do capacitor do filtro de entrada..................................... 44
3.3.3 Especificao do capacitor do filtro de entrada.............................................. 453.3.4 Clculo da indutncia do filtro de entrada...................................................... 453.3.5 Projeto fsico do indutor do filtro de entrada.................................................. 46
3.4 Projeto do conversor push-pull.............................................................................. 49
3.4.1 Esforos eltricos nos interruptores ............................................................... 493.4.2 Escolha dos interruptores ..............................................................................493.4.3 Perdas nos interruptores ................................................................................50
3.4.4 Esforos eltricos nos enrolamentos do transformador .................................. 513.4.5 Projeto do transformador...............................................................................523.4.6 Escolha dos diodos da ponte retificadora ....................................................... 55
3.4.7 Escolha do capacitor do filtro intermedirio .................................................. 553.4.8 Clculo da indutncia do filtro intermedirio................................................. 563.4.9 Projeto do indutor do filtro intermedirio ...................................................... 57
3.5 Controle do conversor push-pull ...........................................................................593.5.1 Mtodo de controle ....................................................................................... 593.5.2 Realimentao de tenso ...............................................................................61
3.5.3 Modulador (gerador de PWM) ...................................................................... 63
3.5.4 Protees de corrente ....................................................................................653.5.5 Projeto do compensador................................................................................67
3.6 Projeto do inversor ponte completa ....................................................................... 73
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3.6.1 Escolha do interruptor...................................................................................733.6.2 Clculo das perdas ........................................................................................ 753.6.3 Clculo trmico............................................................................................. 75
3.6.4 Projeto do filtro de sada ...............................................................................763.6.5 Escolha do capacitor do filtro de sada .......................................................... 763.6.6 Projeto do indutor do filtro de sada .............................................................. 76
3.7 Controle do inversor ponte completa..................................................................... 793.7.1 Realimentao de tenso ...............................................................................793.7.2 Gerador da senoide de referncia................................................................... 80
3.7.3 Compensador de nvel CC............................................................................. 813.7.4 Gerador de PWM e circuito de comando dos interruptores ............................ 823.7.5 Proteo de corrente......................................................................................83
3.7.6 Projeto do compensador de freqncia .......................................................... 843.8 Diagrama esquemtico do circuito de potncia...................................................... 873.9 Consideraes finais .............................................................................................88
CAPTULO 4 RESULTADOS DE SIMULAO............................................................89
4.1 Introduo ............................................................................................................894.2 Esquemticos de simulao................................................................................... 90
4.3 Resultados de simulao para carga resistiva ........................................................ 924.3.1 Tenso e corrente no filtro de entrada............................................................ 92
4.3.2 Tenso e corrente nos interruptores do conversor push-pull........................... 954.3.3 Tenso sobre os diodos das pontes retificadoras ............................................ 974.3.4 Tenso aplicada ao filtro intermedirio.......................................................... 984.3.5 Corrente nos elementos do filtro intermedirio ............................................ 100
4.3.6 Corrente drenada pelo inversor ponte completa ........................................... 1034.3.7 Tenso e corrente nos interruptores do inversor ponte completa .................. 1044.3.8 Tenso e corrente no filtro de sada ............................................................. 106
4.3.9 Contedo harmnico e THD da tenso de sada........................................... 1074.4 Resultados de simulao para carga RL (fp = 0,7)............................................... 108
4.4.1 Corrente no indutor do filtro de entrada....................................................... 108
4.4.2 Corrente no indutor do filtro intermedirio.................................................. 1084.4.3 Corrente drenada pelo inversor ponte completa ........................................... 1094.4.4 Corrente no indutor do filtro de sada .......................................................... 109
4.4.5 Tenso e corrente na carga.......................................................................... 1104.4.6 THD da tenso de sada............................................................................... 111
4.5 Resultados de simulao para carga no-linear.................................................... 111
4.5.1 Corrente no indutor do filtro de entrada....................................................... 111
4.5.2 Corrente no indutor do filtro intermedirio.................................................. 1124.5.3 Corrente drenada pelo inversor ponte completa ........................................... 112
4.5.4 Corrente no indutor do filtro de sada .......................................................... 112
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4.5.5 Tenso e corrente na carga.......................................................................... 1134.5.6 THD da tenso de sada............................................................................... 114
4.6 Degraus de tenso de entrada..............................................................................114
4.6.1 Degrau de tenso de entrada de 90V para 60V ............................................ 1154.6.2 Degrau de tenso de entrada de 60V para 90V ............................................ 117
4.7 Degraus de carga resistiva................................................................................... 119
4.7.1 Degrau de carga de 10% para 100% e tenso de entrada de 60V.................. 1194.7.2 Degrau de carga de 100% para 10% e tenso de entrada de 60V.................. 1214.7.3 Degrau de carga de 10% para 100% e tenso de entrada de 90V.................. 123
4.7.4 Degrau de carga de 100% para 10% e tenso de entrada de 90V.................. 1254.8 Consideraes finais ........................................................................................... 127
CAPTULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ........................................................ 1285.1 Introduo .......................................................................................................... 1285.2 Diagrama esquemtico do circuito de potncia.................................................... 1285.3 Resultados experimentais para carga resistiva..................................................... 129
5.3.1 Tenso e corrente no filtro de entrada.......................................................... 1295.3.2 Tenso e corrente nos interruptores do push-pull......................................... 1305.3.3 Corrente nos enrolamentos secundrios do push-pull................................... 131
5.3.4 Tenso sobre os diodos das pontes retificadoras .......................................... 1315.3.5 Tenso aplicada ao filtro intermedirio........................................................ 132
5.3.6 Corrente no indutor e no capacitor do filtro intermedirio ........................... 1325.3.7 Corrente drenada pelo inversor ponte completa ........................................... 1345.3.8 Tenso e corrente nos interruptores do inversor ponte completa .................. 1345.3.9 Tenso e corrente no filtro de sada ............................................................. 135
5.3.10 Contedo harmnico da tenso de sada ...................................................... 1365.4 Degraus de carga resistiva................................................................................... 136
5.4.1 Degrau de carga de 10% para 100% da carga nominal................................. 136
5.4.2 Degrau de carga de 100% para 10% da carga nominal................................. 1385.5 Resultados experimentais para carga no-linear .................................................. 140
5.5.1 Tenso e corrente no filtro de entrada.......................................................... 140
5.5.2 Tenso e corrente no filtro intermedirio..................................................... 1415.5.3 Tenso e corrente no filtro de sada ............................................................. 1415.5.4 Tenso e corrente na carga.......................................................................... 142
5.5.5 Contedo harmnico e THD da tenso de sada........................................... 1425.6 Curvas de rendimento ......................................................................................... 143
5.6.1 Rendimento do conversor push-pull ............................................................ 143
5.6.2 Rendimento do inversor ponte completa...................................................... 143
5.6.3 Rendimento global......................................................................................1435.7 Consideraes finais ........................................................................................... 144
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CONCLUSO...................................................................................................................145
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS................................................................................ 147
APNDICE A PROJETO FSICO DE INDUTORES ..................................................... 149
ANEXO B FOLHA DE DADOS DO DISSIPADOR HS8620.........................................154
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Conversor CC-CA com isolamento galvnico em baixa freqncia..................... 5
Figura 1.2 Conversor CC-CA com isolamento galvnico em alta freqncia. ...................... 6
Figura 1.3 Inversor flyback dual de quatro interruptores......................................................7
Figura 1.4 Inversor SEPIC de quatro interruptores...............................................................7
Figura 1.5 Inversor Zeta de quatro interruptores. ................................................................. 8Figura 1.6 Inversor Ck de quatro interruptores...................................................................8
Figura 1.7 Inversor buck-boost de seis interruptores............................................................9
Figura 1.8 Exemplo de conversor CC-CA-CA...................................................................10
Figura 1.9 Inversor flyback de dois estgios isolado. ......................................................... 11
Figura 1.10 Inversor flyback com armazenamento capacitivo intermedirio. ..................... 11
Figura 1.11 Diagrama de blocos da converso CC-CA-CC-CA com link CC real. ............. 12
Figura 1.12 Diagrama de blocos da converso CC-CA-CC-CA com pseudo link CC......... 13
Figura 1.13 Topologias clssicas de inversores monofsicos. ............................................ 14
Figura 1.14 Diagrama esquemtico da estrutura escolhida. ................................................ 17
Figura 2.1 Estrutura padro do inversor push-pull. ............................................................ 19
Figura 2.2 Formas de onda relacionadas a modulao PWM de trs nveis. ....................... 20
Figura 2.3 Diagrama esquemtico do push-pull com representao da disperso. .............. 21
Figura 2.4 Curva de histerese tpica...................................................................................22
Figura 2.5 Conversor push-pull ideal.................................................................................23
Figura 2.6 Etapas de operao do conversor push-pull ideal. ............................................. 24
Figura 2.7 Principais formas de onda de tenso associadas operao do push-pull. ......... 25
Figura 2.8 Principais formas de onda de corrente associadas operao do push-pull........ 26
Figura 2.9 Esboo da forma de onda da corrente que circula por C1...................................29
Figura 2.10 Grfico do valor eficaz da corrente parametrizada em C1 vs. razo cclica. .....29
Figura 2.11 Diagrama esquemtico do inversor ponte completa.........................................31
Figura 2.12 Principais formas de onda associadas modulao bipolar. ............................ 32
Figura 2.13 Principais formas de onda associadas modulao unipolar. .......................... 33
Figura 2.14 Principais formas de onda associadas modulao unipolar senoidal.............. 34
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Figura 2.15 Diagrama esquemtico do conversor push-pull. .............................................. 37
Figura 2.16 Modelo do conversor push-pull.......................................................................38
Figura 2.17 Diagrama esquemtico do inversor ponte completa.........................................39
Figura 3.1 Diagrama de blocos do Controle Modo Tenso.................................................60
Figura 3.2 Diagrama esquemtico do amplificador de erro FOD2741A. ............................ 61
Figura 3.3 Diagrama esquemtico do circuito de realimentao de tenso. ........................ 62
Figura 3.4 Diagrama de blocos do CI SG3525...................................................................63
Figura 3.5 Diagrama esquemtico da configurao geral do SG3525.................................65
Figura 3.6 Esquema geral das protees de corrente. ......................................................... 66
Figura 3.7 Esquema completo das protees de corrente....................................................67
Figura 3.8 Ganho do sistema no compensado...................................................................69Figura 3.9 Fase do sistema no compensado......................................................................69
Figura 3.10 Compensador do conversorpush-pull. ............................................................70
Figura 3.11 Ganho do sistema compensado. ...................................................................... 72
Figura 3.12 Fase do sistema compensado. ......................................................................... 73
Figura 3.13 Circuito de realimentao de tenso do inversor ponte completa. .................... 79
Figura 3.14 Circuito do gerador da senoide de referncia...................................................80
Figura 3.15 Diagrama esquemtico do compensador de nvel CC......................................81Figura 3.16 Circuito gerador de PWM do inversor ponte completa....................................82
Figura 3.17 Circuito de comando do inversor ponte completa............................................82
Figura 3.18 Diagrama esquemtico da proteo de corrente do inversor ponte completa.... 83
Figura 3.19 Diagrama de Bode da FTLAsc(s) do inversor ponte completa..........................84
Figura 3.20 Estrutura do circuito compensador do inversor ponte completa.......................85
Figura 3.21 Diagrama de Bode da FTLAcc(s) do inversor ponte completa..........................87
Figura 3.22 Diagrama esquemtico final do circuito de potncia. ...................................... 88Figura 4.1 Diagrama de simulao do circuito de potncia do conversor push-pull. ........... 90
Figura 4.2 Diagrama de simulao do circuito de potncia do inversor ponte completa...... 90
Figura 4.3 Diagrama de simulao do circuito de controle do inversor ponte completa. ..... 91
Figura 4.4 Diagrama de simulao do circuito de controle do conversor push-pull. ........... 92
Figura 4.5 Corrente no indutor do filtro de entrada para Ve = 60V. ................................... 92
Figura 4.6 Corrente no indutor do filtro de entrada para Ve = 90V. ................................... 93
Figura 4.7 Corrente de entrada para freqncia de cruzamento de 200Hz e Ve = 90V........ 93
Figura 4.8 Ondulao de tenso sobre o capacitor do filtro de entrada para Ve = 60V........ 94
Figura 4.9 Ondulao de tenso sobre o capacitor do filtro de entrada para Ve = 90V........ 94
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Figura 4.10 Tenso sobre o interruptor S1 do conversor push-pull para Ve = 60V..............95
Figura 4.11 Tenso sobre o interruptor S1 do conversor push-pull para Ve = 90V..............95
Figura 4.12 Corrente no interruptor S1 do conversor push-pull para Ve = 60V...................96
Figura 4.13 Corrente no interruptor S1 do conversor push-pull para Ve = 90V...................96
Figura 4.14 Tenso sobre o diodo D8 para Ve = 60V. ........................................................97
Figura 4.15 Tenso sobre o diodo D8 para Ve = 90V. ........................................................97
Figura 4.16 Corrente em D8 para Ve = 60V. ...................................................................... 98
Figura 4.17 Corrente em D8 para Ve = 90V. ...................................................................... 98
Figura 4.18 Tenso aplicada ao filtro intermedirio para Ve = 60V. .................................. 99
Figura 4.19 Tenso aplicada ao filtro intermedirio para Ve = 90V. .................................. 99
Figura 4.20 Corrente no indutor do filtro intermedirio para Ve = 60V............................ 100Figura 4.21 Detalhe da ondulao em alta freqncia da corrente em L2 para Ve = 60V..100
Figura 4.22 Corrente no indutor do filtro intermedirio para Ve = 90V............................ 101
Figura 4.23 Detalhe da ondulao em alta freqncia da corrente em L2 para Ve = 90V..101
Figura 4.24 Corrente atravs de C2 e seu valor eficaz para Ve = 60V...............................102
Figura 4.25 Corrente atravs de C2 e seu valor eficaz para Ve = 90V...............................102
Figura 4.26 Corrente drenada pelo inversor ponte completa para Ve = 60V..................... 103
Figura 4.27 Corrente drenada pelo inversor ponte completa para Ve = 90V..................... 103Figura 4.28 Tenso sobre o interruptor S5 do inversor ponte completa para Ve = 60V. .... 104
Figura 4.29 Tenso sobre o interruptor S5 do inversor ponte completa para Ve = 90V. .... 104
Figura 4.30 Correntes em S5 e S6 do inversor ponte completa para Ve = 60V. ................. 105
Figura 4.31 Correntes em S5 e S6 do inversor ponte completa para Ve = 90V. ................. 105
Figura 4.32 Corrente no indutor do filtro de sada (L3).....................................................106
Figura 4.33 Detalhe da ondulao em alta freqncia da corrente em L3..........................106
Figura 4.34 Tenso sobre o capacitor do filtro de sada (C3). ........................................... 107Figura 4.35 Contedo harmnico da tenso de sada do inversor ponte completa............. 107
Figura 4.36 Corrente no indutor do filtro de entrada (L1).................................................108
Figura 4.37 Corrente no indutor do filtro intermedirio (L2). ........................................... 108
Figura 4.38 Corrente drenada pelo inversor ponte completa............................................. 109
Figura 4.39 Corrente no indutor do filtro de sada (L3).....................................................109
Figura 4.40 Detalhe da ondulao em alta freqncia da corrente em L3..........................110
Figura 4.41 Tenso e corrente na carga RL......................................................................110
Figura 4.42 Contedo harmnico da tenso de sada........................................................ 111
Figura 4.43 Corrente no indutor do filtro de entrada (L1).................................................111
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Figura 4.44 Corrente no indutor do filtro intermedirio (L2). ........................................... 112
Figura 4.45 Corrente drenada pelo inversor ponte completa............................................. 112
Figura 4.46 Corrente no indutor do filtro de sada (L3).....................................................113
Figura 4.47 Tenso e corrente na carga............................................................................113
Figura 4.48 Corrente na carga..........................................................................................114
Figura 4.49 Contedo harmnico da tenso de sada........................................................ 114
Figura 4.50 Tenso de entrada, tenso em C1, tenso em C2 e tenso em C3.....................115
Figura 4.51 Correntes no indutor L1, no indutor L2, no indutor L3 e na carga. ................ 116
Figura 4.52 Tenso de entrada, tenso em C1, tenso em C2 e tenso em C3.....................117
Figura 4.53 Correntes no indutor L1, no indutor L2, no indutor L3 e na carga. .................. 118
Figura 4.54 Tenso no capacitor (C1) e corrente no indutor (L1) do filtro de entrada. ....... 119Figura 4.55 Tenso no capacitor (C2) e corrente no indutor (L2) do filtro intermedirio. .. 120
Figura 4.56 Tenso no capacitor (C3) e corrente no indutor (L3) do filtro de sada. ..........120
Figura 4.57 Tenso e corrente na carga............................................................................121
Figura 4.58 Tenso no capacitor (C1) e corrente no indutor (L1) do filtro de entrada. ....... 121
Figura 4.59 Tenso no capacitor (C2) e corrente no indutor (L2) do filtro intermedirio. .. 122
Figura 4.60 Tenso no capacitor (C3) e corrente no indutor (L3) do filtro de sada. ..........122
Figura 4.61 Tenso e corrente na carga............................................................................123Figura 4.62 Tenso no capacitor (C1) e corrente no indutor (L1) do filtro de entrada. ....... 123
Figura 4.63 Tenso no capacitor (C2) e corrente no indutor (L2) do filtro intermedirio. .. 124
Figura 4.64 Tenso no capacitor (C3) e corrente no indutor (L3) do filtro de sada. ..........124
Figura 4.65 Tenso e corrente na carga............................................................................125
Figura 4.66 Tenso no capacitor (C1) e corrente no indutor (L1) do filtro de entrada. ....... 125
Figura 4.67 Tenso no capacitor (C2) e corrente no indutor (L2) do filtro intermedirio. .. 126
Figura 4.68 Tenso no capacitor (C3) e corrente no indutor (L3) do filtro de sada. ..........126Figura 4.69 Tenso e corrente na carga............................................................................127
Figura 5.1 Diagrama esquemtico do circuito de potncia do conversor. ......................... 128
Figura 5.2 Tenso (1 - 50V/div - 1ms/div) em C1 e corrente (2 - 2,5A/div - 1ms/div) em L1.
.......................................................................................................................................... 130
Figura 5.3 Tenso (1 - 100V/div - 10us/div) e corrente (2 - 10A/div - 10us/div) em S 1....130
Figura 5.4 Corrente nos enrolamentos secundrios do push-pull (1A/div - 10us/div). ...... 131
Figura 5.5 Tenso sobre um diodo das pontes retificadoras (200V/div - 10us/div). .......... 131
Figura 5.6 Tenso (500V/div - 10us/div) aplicada ao filtro intermedirio......................... 132
Figura 5.7 Corrente (500mA/div - 1ms/div) no indutor do filtro intermedirio (L2)..........132
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xix
Figura 5.8 Ondulao de corrente em alta freqncia em L2 (500mA/div - 10us/div). ...... 133
Figura 5.9 Corrente (2A/div - 500us/div) no capacitor do filtro intermedirio (C2). .........133
Figura 5.10 Detalhe da corrente (2A/div - 500us/div) drenada de C2................................134
Figura 5.11 Corrente (2A/div - 500us/div) drenada pelo inversor ponte completa. ........... 134
Figura 5.12 Tenso (1 - 200V/div - 10us/div) e corrente (2 - 2A/div - 10us/div) em um dos
interruptores do inversor ponte completa............................................................................135
Figura 5.13 Tenso (1 - 200V/div - 1ms/div) em C3 e corrente (2 - 5A/div - 1ms/div) em L3.
.......................................................................................................................................... 135
Figura 5.14 Contedo harmnico da tenso de sada do conversor................................... 136
Figura 5.15 Tenso (1 - 50V/div - 100ms/div) em C1 e corrente (2 - 5A/div - 100ms/div) em
L1. ......................................................................................................................................136Figura 5.16 Tenso (1 - 200V/div - 100ms/div) em C2 e corrente (2 - 1A/div - 100ms/div)
em L2. ................................................................................................................................ 137
Figura 5.17 Tenso (1 - 200V/div - 5ms/div) em C3 e corrente (2 - 5A/div - 5ms/div) L3. 137
Figura 5.18 Tenso (1 - 200V/div - 4ms/div) e corrente (2 - 2A/div - 4ms/div) na carga. . 138
Figura 5.19 Tenso (1 - 50V/div - 100ms/div) em C1 e corrente (2 - 5A/div - 100ms/div) em
L1. ......................................................................................................................................138
Figura 5.20 Tenso (1 - 200V/div - 100ms/div) em C2 e corrente (2 - 1A/div - 100ms/div)em L2. ................................................................................................................................ 139
Figura 5.21 Tenso (1 - 200V/div - 5ms/div) em C3 e corrente (2 - 5A/div - 5ms/div) em L3.
.......................................................................................................................................... 139
Figura 5.22 Tenso (1 - 200V/div - 5ms/div) e corrente (2 - 2A/div - 5ms/div) na carga. . 140
Figura 5.23 Tenso (1 - 50V/div - 1ms) em C1 e corrente (2 - 2A/div - 1ms) em L1.........140
Figura 5.24 Tenso (1 - 200V/div - 1ms) em C2 e corrente (2 - 1A/div - 1ms) em L2.......141
Figura 5.25 Tenso (1 - 200V/div - 1ms) e corrente (2 - 10A/div - 1ms) no filtro de sada........................................................................................................................................... 141
Figura 5.26 Tenso (1 - 200V/div - 1ms) e corrente (2 - 10A/div - 1ms) na carga. ........... 142
Figura 5.27 Contedo harmnico da tenso de sada........................................................ 142
Figura 5.28 Curva de rendimento do conversor push-pull. ............................................... 143
Figura 5.29 Curva de rendimento do inversor ponte completa.......................................... 143
Figura 5.30 Curva de rendimento global..........................................................................144
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LISTA DE TABELAS
Tabela 5.1 Lista de componentes do circuito de potncia................................................. 129
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CA Corrente Alternada
CC Corrente Contnua
CTR Current Transfer Ratio
EIA Energy Information Administration
F.T. Funo de transfernciaIEO International Energy Outlook
PWM Pulse Width Modulation
THD Total Harmonic Distortion
U.S. United States
UPS Uninterruptible Power System
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xxii
LISTA DE SMBOLOS
B Densidade de campo magntico
C(s) F.T. do compensador
C1 Capacitor do filtro LC de entrada
C2 Capacitor do filtro LC intermedirio
C3 Capacitor do filtro LC de sadaD Razo cclica dos interruptores do conversorpush-pull
D1 a D8 Diodos das pontes retificadoras
f1 Freqncia de comutao dos interruptores do conversorpush-pull
f2 Freqncia de comutao dos interruptores do inversor ponte completa
fc Freqncia de cruzamento da curva de ganho da FTLAcc(s)
ff Freqncia de corte de um filtro LC
Fm Ganho do modulador
fr Freqncia da tenso de sada do conversor
FTLAcc(s) F.T. de lao aberto com compensador
FTLAsc(s) F.T. de lao aberto sem compensador
Gfb(s) Funo de transferncia do inversor ponte completa
GS1 e GS2 Sinais de comando dos interruptores S1 e S2
Gsh(s) Funo de transferncia do conversorpush-pull
H Intensidade de campo magntico
H(s) Ganho do transdutor
Ie Corrente drenada pelo conversorpush-pull
ILp Corrente de enrolamento primrio
ILs Corrente de enrolamento secundrio
IM Corrente nos interruptores do conversorpush-pull
IQ Corrente nos interruptores do inversor ponte completa
Ir Corrente drenada pelo filtro intermedirio
Is Corrente na carga
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Kd Ganho da F.T. do conversorpush-pull
L1 Indutor do filtro LC de entrada
L2 Indutor do filtro LC intermedirio
L3 Indutor do filtro LC de sada
Lda Indutncia de disperso associada ao enrolamento primrio a
Ldb Indutncia de disperso associada ao enrolamento primrio b
Lpa Enrolamento primrio a do transformadorpush-pull
Lpb Enrolamento primrio b do transformadorpush-pull
Ls Enrolamento secundrio do transformadorpush-pull
Lsa
Enrolamento secundrio a do transformador push-pull
Lsb Enrolamento secundrio b do transformador push-pull
Ma ndice de modulao do inversor ponte completa
Mf ndice de freqncia do inversor ponte completa
n Relao de transformao do transformadorpush-pull
np Nmero de espiras do enrolamento primrio
ns Nmero de espiras do enrolamento secundrio
Pe Potncia de entrada do conversorPs Potncia de sada do conversor
Qsh Fator de amortecimento da F.T. do conversorpush-pull
Rosh Resistncia de carga do conversorpush-pull
Rs Resistncia de carga do conversor
S1 e S2 Interruptores do conversorpush-pull
S3 a S6 Interruptores do inversor ponte completa
Tc Tempo de conduo dos interruptores do conversorpush-pullTs Perodo de comutao dos interruptores do conversorpush-pull
Va Amostra da tenso de sada do conversorpush-pull
VAB Tenso de sada do inversor ponte completa antes da filtragem
Vc Tenso de controle
VD Tenso sobre os diodos das pontes retificadoras
Ve Tenso da fonte de entrada
Vi Tenso de sada do conversorpush-pullVLp Tenso de enrolamento primrio
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VLs Tenso de enrolamento secundrio
VM Tenso nos interruptores do conversorpush-pull
VQ Tenso nos interruptores do inversor ponte completa
Vr Tenso aplicada ao filtro LC intermedirio
Vs Tenso de sada do inversor
V Tenso de erro Rendimento global do conversor
1 Rendimento do conversorpush-pull
2 Rendimento do inversor ponte completa
iPermeabilidade incremental do material magntico
o Permeabilidade do vcuo
osh Freqncia angular natural de oscilao da F.T. do conversor push-pull
zsh Freqncia angular do zero da F.T. do conversorpush-pull
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INTRODUO
Segundo o U.S. Department of Energy, atravs do relatrio International Energy
Outlook 2006 (IEO) da Energy Information Administration (EIA), o consumo global de
energia crescer a uma mdia de 2% ao ano entre 2003 e 2030. Em se tratando
especificamente de energia eltrica, o crescimento se dar a uma mdia de 2,7% ao ano,
passando de 14,781 bilhes de kWh em 2003 para 21,699 bilhes de kWh em 2015 e 30,116bilhes de kWh em 2030 [1].
Sabe-se que a energia eltrica no diretamente disponibilizada pela natureza em
condies de ser utilizada, tendo que ser obtida a partir da transformao de uma outra forma
de energia. De forma geral, feita essa transformao a energia eltrica ainda no se encontra
pronta para a utilizao, necessitando ainda ser processada e finalmente entregue na forma
mais apropriada para a carga.
Dentre as diversas formas de gerao de energia eltrica, as chamadas fontes
alternativas de energia tm sido desenvolvidas e esto ganhando fora impulsionadas
principalmente pelo aumento da preocupao com as questes ambientais, notadamente o
efeito estufa, que promove a mobilizao mundial a fim de reduzir a emisso de gases
poluentes. Exemplo disso o tratado de Kyoto, o qual recebe cada vez maior adeso tanto de
pases desenvolvidos como de pases em desenvolvimento, e que estimula a pesquisa de
tecnologias que permitam aliviar a presso sobre os mtodos tradicionais de gerao de
energia a base de combustveis fsseis.
cada vez maior tambm o nmero de aplicaes que tm baterias como fonte de
energia, tais como sistemas embarcados e fontes ininterruptas. Assim, este trabalho tem como
motivao as aplicaes de gerao distribuda que utilizem fontes alternativas de energia em
tenso contnua e as aplicaes que utilizam baterias como fonte de energia, nas quais se
necessite alimentar cargas em tenso alternada.
O objetivo deste trabalho o desenvolvimento de um inversor monofsico isolado
capaz de fornecer uma tenso alternada senoidal (110V ou 220V) a partir de uma tenso
contnua de baixo valor e varivel. Para alcanar este objetivo so realizadas as seguintes
etapas: escolha de uma topologia adequada, estudo dessa topologia, projeto de um inversor
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utilizando essa topologia e a simulao do inversor projetado. Concludas essas etapas
construdo um prottipo em laboratrio.
O prottipo desenvolvido atende s seguintes especificaes: tenso de entrada entre
60V e 90V, tenso de sada de 220V eficaz, freqncia de sada de 400Hz e potncia nominal
de sada de 400VA. Alm disso, o conversor isolado em alta freqncia (reduzidos peso e
volume) e a tenso de sada apresenta uma distoro harmnica total (THD Total Harmonic
Distortion) menor que 5%. Essa especificao baseada na necessidade do sistema eltrico
dos trens da Ferrovia Paulista S.A. (FEPASA), os quais necessitam de uma tenso alternada
com essas caractersticas para a alimentao de equipamentos eletrnicos e tm como fonte de
energia um banco de baterias.
A converso CC-CA
H uma infinidade de topologias que realizam a converso CC-CA. A determinao
de qual topologia deve ser utilizada em uma aplicao especfica est intimamente
relacionada com as caractersticas da fonte de energia disponvel e as caractersticas da carga
a ser alimentada.
Com o intuito de auxiliar na escolha da topologia a ser utilizada em uma
determinada aplicao, os conversores CC-CA podem ser classificados, basicamente, quantoao nmero de fases (monofsico ou trifsico), quanto a comutao das chaves (suave ou
dissipativa), quanto a isolao eltrica (isolado ou no-isolado) entre a entrada e a(s) sada(s),
quanto a relao entre a tenso de entrada e a tenso de sada e quanto ao nmero de estgios
de converso (simples ou mltiplos) [2].
Devido ao foco deste trabalho limita-se, de imediato, as topologias inversoras de
interesse aquelas que so: monofsicas, isoladas em alta freqncia, que tenham capacidade
de realizar a adaptao do nvel de tenso de entrada ao nvel de tenso de sada e que
possuam comutao dissipativa. Dentre as diversas topologias existentes, optou-se por utilizar
uma topologia de dois estgios de converso, constituda por um conversor CC-CC push-pull
e por um inversor ponte completa, ambos cascateados. A escolha foi baseada nas capacidades
de processamento de potncia e elevao da tenso, associadas a maior simplicidade dos
circuitos de potncia e de controle e menores peso e volume.
Estrutura do trabalho
No captulo 1, dada uma viso geral da converso CC-CA e realizada a reviso
bibliogrfica dos principais conversores CC-CA pertinentes ao trabalho. No captulo 2, so
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feitos o estudo e a anlise quantitativa da topologia proposta. No captulo 3, realizado um
exemplo de projeto. No captulo 4, so apresentados os resultados de simulao para o projeto
desenvolvido no captulo 3. No captulo 5, so apresentados os resultados experimentais do
prottipo montado em laboratrio baseado no projeto do captulo 3.
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Captulo 1 Converso CC-CA
1.1 Introduo
A converso CC-CA um dos mais significativos e explorados campos da
Eletrnica de Potncia. Dentre as diversas formas de processamento de energia uma das
mais requisitadas, pois seu leque de aplicaes amplo. Pode-se citar, entre outras, a gerao
distribuda, as aplicaes embarcadas e os sistemas ininterruptos de energia.H diversas tcnicas e topologias encontradas na literatura capazes de realizar a
converso CC-CA, as quais se distinguem entre si, basicamente, pelas seguintes
caractersticas:
1) Nmero de fases: monofsico ou trifsico;
2) Capacidade ou no de adaptao do nvel de tenso de entrada ao nvel de
tenso da sada;
3)
Comutao dos interruptores: suave ou dissipativa;4) Presena ou no de isolamento eltrico entre a entrada e a sada;
5) Quantidade de estgios de processamento de potncia: simples ou mltiplos;
Este trabalho direcionado s topologias monofsicas, com capacidade de adaptao
da tenso de entrada tenso de sada, com comutao dissipativa e com isolao eltrica.
Como so enfocadas as aplicaes com nvel de potncia mediano, ou seja, menor que 2kW,
as topologias com comutao suave, que acarretam o aumento do nmero de componentes do
circuito de potncia e a complexidade da modulao, no so abordadas, ficando como opo
a utilizao de circuitos de auxlio comutao (snubber), se necessrio. Tomando como base
essas caractersticas, a seguir dada uma viso geral da converso CC-CA e feita uma reviso
bibliogrfica dos principais conversores CC-CA.
1.2 Isolamento eltrico
Entende-se por isolamento eltrico a ausncia de conexo eltrica entre duas ou mais
partes de um circuito eltrico, normalmente entre a entrada e a(s) sada(s), impedindo assim
que ocorra a circulao de corrente eltrica entre elas. Quando se deseja que haja fluxo de
potncia entre partes de um circuito e que, no entanto, no haja circulao de corrente eltrica
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entre elas, essas partes devem ser acopladas de outra forma que no a eltrica. Na prtica, isso
feito basicamente de duas formas: atravs do acoplamento magntico ou atravs do
acoplamento ptico.
Normalmente, o acoplamento ptico s utilizado no processamento de sinais. Em
se tratando do fluxo de elevados nveis de potncia o acoplamento utilizado o magntico, o
qual proporciona o isolamento galvnico entre as partes a serem isoladas. So vrias as razes
pelas quais se utiliza isolao galvnica entre a entrada e a sada de um conversor CC-CA:
1) Prevenir a circulao de corrente contnua do lado CC para o lado CA;
2) Prevenir, mediante falhas, a circulao de altas correntes atravs do
conversor;
3) Proteger o usurio de choques e de correntes de fuga;4) Permite adaptar o nvel de tenso da entrada ao nvel de tenso da sada;
O isolamento galvnico por sua vez pode ainda ser dividido em isolamento em baixa
freqncia e isolamento em alta freqncia. Sabe-se que, pela prpria natureza dos elementos
reativos, sejam magnticos (indutores e transformadores) ou eltricos (capacitores), o volume
e o peso de um transformador so inversamente proporcionais a sua freqncia de operao.
Portanto, topologias que realizam a isolao galvnica em baixa freqncia, como a
mostrada na Figura 1.1, tendem a apresentar um maior peso e volume do que as topologiasque realizam o isolamento galvnico em alta freqncia, como a mostrada na Figura 1.2. Por
outro lado, as topologias que realizam a isolao eltrica em baixa freqncia so simples e
com um nmero reduzido de componentes o que as torna, consequentemente, baratas,
eficientes, robustas e confiveis. Por essas caractersticas, ainda so muito usadas em
aplicaes de variados nveis de potncia [3].
Figura 1.1 Conversor CC-CA com isolamento galvnico em baixa freqncia.
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J a isolao galvnica em alta freqncia permite a reduo drstica do volume e do
peso do transformador isolador. As desvantagens das topologias que realizam a isolao em
alta freqncia so o aumento no nmero de semicondutores utilizados e a maior
complexidade de operao dos circuitos, caractersticas que tendem a elevar o custo e a
diminuir a eficincia, a robustez e a confiabilidade dessas topologias.
Figura 1.2 Conversor CC-CA com isolamento galvnico em alta freqncia.
Em contrapartida, as topologias que permitem a isolao eltrica em alta freqncia
possuem caractersticas inexistentes nas topologias que realizam a isolao em baixa
freqncia, como: a operao com amplas faixas de variao da tenso de entrada e ausncia
de rudo audvel, que associadas a j citada reduo de peso e volume, tornam a isolao em
alta freqncia uma forte tendncia na Eletrnica de Potncia moderna, que preconiza a
utilizao de mais silcio e menos ao.
1.3 Converso CC-CA de estgio simples
Um conversor CC-CA de estgio simples aquele que possui um nico estgio de
processamento de potncia, responsvel tanto pela adaptao do nvel de tenso da entrada ao
nvel de tenso da sada como pela modulao senoidal da tenso de sada [2]. H uma grandevariedade de conversores CC-CA com essa caracterstica, vrios no-isolados [4]-[8] que, por
fugirem ao escopo deste trabalho, no so abordados e alguns isolados [9]-[11] que so
apresentados mais adiante.
Seguindo a metodologia proposta em [2], os conversores CC-CA isolados de estgio
simples podem ser subdivididos, com base no nmero de semicondutores controlados de
potncia, em conversores de quatro e seis interruptores. O princpio de funcionamento desses
conversores o mesmo dos conversores buck-boost [9]-[10], Ck, SEPIC [11] e Zeta, bem
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conhecidos da teoria de converso CC-CC: utilizam indutores ou transformadores flyback
para armazenar energia e promover a isolao eltrica.
1.3.1 Topologias de quatro interruptores
A topologia proposta em [9] mostrada na Figura 1.3, composta por dois
inversoresflybackcom suas entradas ligadas em paralelo e a carga ligada entre suas sadas.
uma topologia simples, utiliza apenas quatro interruptores, dois capacitores e no necessita de
indutores de filtro na sada, pois essa funo realizada pelos enrolamentos secundrios dos
transformadoresflyback. Os interruptores de cada flybackoperam de forma complementar, o
que facilita a implementao do circuito de comando. Seus pontos fracos so: a utilizao de
dois transformadores de alta freqncia e a baixa capacidade de processamento de potncia,cerca de 160W.
Figura 1.3 Inversor flyback dual de quatro interruptores.
Seguindo o mesmo princpio do inversor flyback dual proposto em [9], outros trs
conversores CC-CA de estgio simples, isolados e de quatro interruptores so propostos em
[11], baseados nos conversores SEPIC, Ck e Zeta.
Figura 1.4 Inversor SEPIC de quatro interruptores.
A Figura 1.4 mostra o diagrama esquemtico do inversor SEPIC de quatro
interruptores proposto em [11]. uma topologia que utiliza quatro magnticos e quatro
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capacitores, portanto, mais dispendiosa que a do inversorflybackdual. A potncia processada
relatada foi de apenas 260W. Essa a nica topologia analisada em [11], embora outras duas
sejam sugeridas, cujos diagramas esquemticos so mostrados na Figura 1.5 e na Figura 1.6.
Em [11] no so apresentados resultados experimentais para essas duas topologias, mas a
potncia processada no deve diferir significativamente das demais estruturas apresentadas,
ficando em torno de 200W.
Figura 1.5 Inversor Zeta de quatro interruptores.
Pode-se notar que a estrutura do inversor Zeta, mostrado na Figura 1.5, equivale
estrutura do inversor SEPIC (Figura 1.4), quanto ao nmero e tipo dos componentes. J o
inversor Ck, mostrado na Figura 1.6, o que necessita do maior nmero de componentes.
Alm dos quatro interruptores, necessita de seis magnticos e seis capacitores, quatro
magnticos e quatro capacitores a mais que o inversorflybackdual (Figura 1.3).
Figura 1.6 Inversor Ck de quatro interruptores.
1.3.2 Topologias de seis interruptores
Durante as pesquisas de reviso bibliogrfica, apenas uma topologia de estgio
simples de seis interruptores isolada foi encontrada. Esta foi proposta em [10] e composta
por dois choppers buck-boostem uma ponte de quatro interruptores, como mostra a Figura1.7. Os outros dois interruptores so conectados em anti-srie, de forma a permitir o fluxo
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bidirecional de potncia, e so utilizados para sincronizar a operao do inversor. uma
topologia relativamente enxuta, utiliza apenas dois magnticos e dois capacitores. Seus pontos
fracos so: a grande quantidade de interruptores em srie, acarretando reduo de eficincia, e
a baixa capacidade de processamento de potncia, cerca de 140W [2].
Figura 1.7 Inversor buck-boost de seis interruptores.
Devido a baixa capacidade de processamento de potncia, os inversores isolados de
estgio simples, sejam os de quatro ou seis interruptores, no se adequam a proposta deste
trabalho e, portanto, no so analisados.
1.4 Converso CC-CA de mltiplos estgios
Um inversor de mltiplos estgios definido como um inversor com mais de um
estgio de converso, dentre os quais um ou mais estgios so responsveis pela adaptao do
nvel da tenso de entrada ao nvel da tenso de sada e/ou isolao eltrica e o ltimo estgio
realiza a converso CC-CA.
Tomando como base os estgios que o compem, esses conversores podem ser
subdivididos em trs categorias:
1) Conversores CC-CA-CA;2) Conversores CC-CC-CA;
3) Conversores CC-CA-CC-CA;
Cada um dos estgios pode ser controlado de forma independente ou de forma
sincronizada. A seguir cada uma dessas categorias tratada separadamente.
1.4.1 Converso CC-CA-CA
Os conversores CC-CA-CA se inserem especificamente no contexto de aplicaes
autnomas e acionamento de mquinas rotativas. Nesse tipo de aplicao o fluxo bidirecional
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de potncia uma exigncia, o que inevitavelmente leva a uma maior complexidade das
estruturas de potncia.
O princpio de funcionamento desses conversores o de inverter a tenso contnua
de entrada em uma tenso alternada de freqncia bem superior a freqncia que se deseja na
sada, no primeiro estgio. Em seguida essa tenso alternada passa por um transformador de
alta freqncia, o qual realiza o isolamento galvnico e a adaptao do nvel de tenso de
entrada ao nvel da tenso de sada. Finalmente, o ltimo estgio, tambm composto por um
inversor, compe a tenso de sada a partir de trechos da tenso alternada em alta freqncia.
Um exemplo de topologia CC-CA-CA, proposta em [12], mostrada na Figura 1.8.
Figura 1.8 Exemplo de conversor CC-CA-CA.
O conversor da Figura 1.8 composto por um inversor ponte completa responsvel
pela primeira inverso, por um transformador de alta freqncia e por outro inversor ponte
completa responsvel pela montagem da tenso de sada na freqncia desejada. Esse ltimo
inversor ponte completa apresenta uma peculiaridade: so utilizados oito interruptores, ao
invs de quatro, colocados dois a dois em anti-srie a fim de garantir o fluxo bidirecional de
potncia.
Esses conversores, em geral, tm uma boa capacidade de processamento de potncia
mas o elevado nmero de semicondutores reduz significativamente sua eficincia. Por isso
essa categoria de conversores no se adequa a este trabalho.
1.4.2 Converso CC-CC-CA
A segunda classe de conversores CC-CA de mltiplos estgios so os conversores
CC-CC-CA compostos por dois estgios que, em sua maioria, so obtidos atravs do
cascateamento de um conversor boostCC-CC tradicional com um inversor ponte completa.
Seu principio de funcionamento muito simples. No primeiro estgio, composto por
um conversor CC-CC, obtida uma elevada tenso contnua com uma ondulao tolervel.No segundo estgio, o inversor ponte completa, operando em alta freqncia, utilizado para
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gerar a forma de onda alternada desejada. No h a necessidade de sincronizao entre os dois
estgios e a potncia de sada normalmente controlada no segundo estgio.
A maioria das topologias dessa categoria encontradas na literatura so no isoladas,
por exemplo as propostas em [3], [13] e [14]. So poucas as estruturas dessa categoria que
apresentam isolamento eltrico. Durante a pesquisa bibliogrfica apenas duas estruturas
isoladas foram encontradas. H ainda outra limitao quanto a aplicabilidade dessa classe de
conversores CC-CA neste trabalho: as duas topologias isoladas encontradas tm caracterstica
de fonte de corrente na sada e, portanto, so voltadas para interligao rede eltrica.
O diagrama esquemtico da primeira topologia isolada encontrada mostrado na
Figura 1.9. Trata-se de um conversor flyback com sada em corrente cascateado com um
inversor ponte completa, proposto em [13].
Figura 1.9 Inversor flyback de dois estgios isolado.
O diagrama esquemtico da segunda topologia isolada encontrada, proposta em [15],
mostrado na Figura 1.10. Seu princpio de funcionamento o seguinte: em uma primeira
etapa, energia armazenada no capacitor C2, em seguida parte dessa energia processada
pelo conversorflyback.
Figura 1.10 Inversor flyback com armazenamento capacitivo intermedirio.
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A energia processada pelo flyback transferida para o estgio de sada atravs do
transformadorflybacke injetada de forma monofsica na rede atravs dos interruptores S5 e
S6 e do filtro LC.
A capacidade de processamento de potncia da topologia apresentada na Figura 1.9
de 1kW [2], j a capacidade de processamento de potncia da topologia apresentada na
Figura 1.10 de 160W [2]. Embora a topologia da Figura 1.9 tenha uma boa capacidade de
processamento de potncia, essa categoria de conversores inadequada ao escopo deste
trabalho, j que voltada para interligao rede eltrica (sada em corrente).
1.4.3 Converso CC-CA-CC-CA
A seguir, para finalizar, abordada a terceira e ltima categoria de conversores CC-CA de mltiplos estgios. So conversores de trs estgios de converso, voltados
principalmente para as aplicaes que necessitam de uma alta taxa de elevao da tenso de
entrada. Consistem de um conjunto CC-CA-CC, responsvel pela elevao e estabilizao do
nvel de tenso de entrada e pelo isolamento eltrico em alta freqncia, e de um estgio CC-
CA, responsvel pelo fornecimento da tenso alternada desejada. O diagrama de blocos da
Figura 1.11 ilustra a composio geral dessa classe de conversores.
Figura 1.11 Diagrama de blocos da converso CC-CA-CC-CA com link CC real.
Como pode ser visto na Figura 1.11, a converso CC-CA-CC-CA apresenta-se de
forma bem organizada e com estgios bem definidos. Cada estgio pode ser implementado
por mais de uma estrutura clssica da eletrnica de potncia. Assim, o primeiro estgio pode
ser implementado por qualquer uma das trs topologias inversoras clssicas: push-pull, meia
ponte ou ponte completa. O segundo estgio pode ser implementado por qualquer estrutura
retificadora monofsica, cujo critrio de escolha o nvel de tenso no secundrio do
transformador isolador. O terceiro e ltimo estgio trata-se novamente de uma etapa
inversora, mas nesse caso apenas os inversores meia ponte e ponte completa so utilizados.
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Embora o pseudo link CC seja uma idia interessante, sua eficcia questionvel
pois, como a tenso de entrada do ltimo estgio um trem de pulsos, os diodos em
antiparalelo dos interruptores que compem esse estgio continuam a operar em alta
freqncia. Infelizmente, nenhum trabalho que realize a anlise dessa estrutura foi
encontrado, ou seja, no se sabe qual o real impacto sobre a eficincia global da converso,
por esta razo, a converso CC-CA-CC-CA com pseudo link CC est descartada.
J que todas as demais categorias de conversores CC-CA no so adequadas e tendo
em vista as capacidades de alta taxa de elevao de tenso, de processamento de potncia e de
isolao eltrica em alta freqncia, a categoria de conversores CC-CA-CC-CA a que mais
se adequa ao escopo deste trabalho e a categoria adotada.
1.5 Escolha da topologia
Na seo anterior concluiu-se que a categoria de conversores CC-CA mais adequada
aos propsitos deste trabalho a de trs estgios de converso. Falta ainda definir qual
topologia ser utilizada em cada um dos trs estgios. Essa definio feita, estgio por
estgio, nas subsees a seguir, nas quais os principais motivos da escolha so apresentados.
1.5.1 Primeiro estgio
Como j foi dito, h trs topologias inversoras clssicas: push-pull, meia ponte e
ponte completa, cujos diagramas esquemticos so mostrados na Figura 1.13, e qualquer uma
delas pode ser utilizada no primeiro estgio de um conversor CC-CA-CC-CA. Naturalmente,
cada uma dessas topologias apresenta peculiaridades que as diferenciam entre si. Contudo,
mais importante que essas peculiaridades so as caractersticas desejadas nesse primeiro
estgio.
Figura 1.13 Topologias clssicas de inversores monofsicos.
Pelo que j foi exposto nas motivaes deste trabalho, ficou claro que seu enfoque
as aplicaes cuja tenso de entrada baixa, no maior que 100V, caracterstica dos sistemas
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alimentados por fontes renovveis ou bancos de baterias. Portanto, esse primeiro estgio de
converso deve ser eminentemente elevador. Ora, pelo balano de energia, o esforo por
corrente nos interruptores do primeiro estgio se sobressai. Alm disso, topologias que
utilizam interruptores em srie exigem circuitos de comando mais elaborados, de forma a
evitar a conduo simultnea de interruptores de um mesmo brao (curto de brao). Portanto,
a utilizao de interruptores em srie bastante inconveniente.
Dentre as trs topologias j citadas a nica que no utiliza interruptores em srie a
do push-pull. No tendo interruptores em srie, o push-pull agrega uma outra qualidade:
ambos os interruptores possuem a mesma referncia, o que simplifica e barateia o circuito de
acionamento desses interruptores. Alm disso, o push-pull naturalmente isolado, outra
caracterstica necessria ao primeiro estgio.O push-pull tambm possui pontos fracos. O mais conhecido sua tendncia
saturao. Para tratar esse problema h duas sadas: utilizar a estratgia de controle por modo
corrente ou utilizar o controle por modo tenso e colocar protees que detectem a saturao e
evitem a destruio do equipamento. Essa uma deciso de projeto. Esse problema
abordado de forma mais profunda nos prximos captulos.
Outro grande problema do push-pull a indutncia de disperso do transformador,
que descarrega a energia armazenada durante a conduo sobre os interruptores, em forma desobretenso, no momento do bloqueio dos mesmos. A soluo a mxima reduo da
indutncia de disperso atravs do melhor acoplamento magntico possvel entre os
enrolamentos, o que depende da construo do transformador, e a utilizao de circuitos
grampeadores nos interruptores.
Como o isolamento necessrio, as demais topologias inversoras tambm sofreriam
com o problema da disperso [16], embora de forma bem menos grave. Pelo exposto acima,
decidiu-se utilizar o inversorpush-pull no primeiro estgio do conversor CC-CA-CC-CA.
1.5.2 Segundo estgio
O segundo estgio o estgio retificador. As estruturas clssicas de retificao de
onda completa so: o retificador em ponte completa, o retificador com tap central e o
retificador hybridge. A principal caracterstica desse estgio a capacidade de tenso. Assim,
a tenso de sada do transformador isolador determinante para essa escolha. Por sua vez, a
tenso de sada do transformador isolador depende da estrutura do terceiro estgio e do valor
eficaz de sua tenso de sada.
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Geralmente, a tenso eficaz de alimentao de cargas em corrente alternada
110/220V. O barramento de tenso de entrada necessrio a um inversor ponte completa com
sada de 220V de cerca de 400V, para um ndice de modulao de aproximadamente 0,78.
Para um inversor meia ponte e um mesmo ndice de modulao, essa tenso deve ser o dobro,
ou seja, 800V. Como a tenso de sada do transformador isolador constituda por uma
tenso alternada retangular cujo valor de pico , no mnimo, igual ao valor da tenso do
barramento de entrada do terceiro estgio j que o primeiro estgio constitudo por um
push-pull, cuja razo cclica mxima de operao dos interruptores 0,5 o nvel de tenso
ao qual o segundo estgio submetido elevado.
Portanto, o retificador de onda completa com tap central e o retificador hybridge no
constituem uma boa opo. Assim, a melhor escolha recai na utilizao do retificador emponte completa. Falta definir se apenas um suficiente, ou se mais de um retificador
necessrio, pois ainda h a limitao de tenso dos semicondutores (diodos rpidos de
potncia). Mas essa uma questo de projeto, que depende da escolha do prximo estgio e
da especificao do equipamento, e s abordada em detalhes no captulo 3.
1.5.3 Terceiro estgio
Passa-se agora definio topolgica do terceiro e ltimo estgio de converso.
Apesar de ser um estgio inversor, das trs topologias inversoras o push-pull no constitui
uma boa escolha, pois exige a utilizao de mais um transformador, o que aumenta custo,
peso e volume do equipamento.
O inversor meia ponte, por sua vez, tambm no uma boa escolha pois, para uma
mesma tenso eficaz de sada, necessita do dobro da tenso no barramento de entrada quando
comparado ao inversor ponte completa, exigindo uma maior taxa de elevao do primeiro
estgio de converso, acarretando um maior esforo de corrente nos seus interruptores e um
maior esforo de tenso nos diodos do segundo estgio de converso.
Desta forma o inversor ponte completa, por excluso dos demais, utilizado no
terceiro estgio. uma estrutura um tanto quanto complexa, utiliza quatro interruptores, dois
dos quais com referncia diferente da referncia do barramento de entrada, o que torna o
circuito de acionamento mais elaborado. Alm disso, h a conduo simultnea de
interruptores, o que leva a um menor rendimento, e a possibilidade de cuto-ciruito de brao.
Em contrapartida, uma estrutura com grande capacidade de processamento de potncia, pois
proporciona o menor esforo de tenso sobre os interruptores.
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1.6 Diagrama esquemtico da estrutura escolhida
Definidas as topologias de cada estgio possvel apresentar o diagrama
esquemtico simplificado do conversor CC-CA que desenvolvido neste trabalho. Esse
diagrama mostrado na Figura 1.14. importante deixar claro que essa no a estrutura final
pois falta definir o nmero de sadas necessrias ao push-pull e demais detalhes do circuito,
como por exemplo o circuito snubberdos interruptores S1 e S2.
Figura 1.14 Diagrama esquemtico da estrutura escolhida.
Pode-se notar que no diagrama esto includos filtros LC passa-baixa entre a fonte
de entrada e o primeiro estgio de converso (filtro de entrada), entre o segundo e o terceiroestgios de converso (filtro intermedirio) e entre o terceiro estgio de converso e a carga
(filtro de sada), a fim de garantir o desacoplamento em freqncia entre eles. Os detalhes
sobre esses filtros so apresentados nos captulos 2 e 3.
1.7 Consideraes finais
Nesse captulo foi dada uma viso geral da converso CC-CA e feita a reviso
bibliogrfica dos principais conversores CC-CA pertinentes ao trabalho. A converso CC-CA
foi abordada de forma segmentada, a fim de transmitir, da forma mais didtica possvel, uma
viso geral desse vasto ramo da Eletrnica de Potncia.
A partir dessa viso geral, a categoria de conversores CC-CA mais adequada ao
escopo deste trabalho pde ser escolhida, sendo ela a categoria de conversores CC-CA-CC-
CA. Em seguida a configurao topolgica de cada estgio do conversor foi definida e,
finalmente, o diagrama esquemtico simplificado do conversor a ser desenvolvido pde ser
apresentado.
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Captulo 2 Anlise Completa do Conversor Implementado
2.1 Introduo
No captulo anterior foi definida a estrutura do conversor CC-CA a ser desenvolvido
neste trabalho. Demonstrou-se, atravs de rpida reviso bibliogrfica, que a estrutura mais
adequada ao escopo do trabalho a dos conversores CC-CA-CC-CA, sendo definidas ainda as
topologias a serem utilizadas em cada estgio de converso.A estrutura completa foi apresentada na Figura 1.14. Analisando essa figura
possvel perceber que o conversor pode ser divido em dois blocos de processamento de
potncia. O primeiro composto pelos dois primeiros estgios de converso (inversor push-
pull e retificador ponte completa) e pelo filtro LC intermedirio. O segundo composto pelo
terceiro estgio de converso (inversor ponte completa) e pelo filtro LC de sada.
O primeiro bloco de processamento de potncia conhecido na literatura como
conversor CC-CC push-pull. O segundo bloco de processamento de potncia a estruturaclssica utilizada em inversores ponte completa com tenso de sada senoidal. Nesse captulo
feito o estudo de cada um desses blocos separadamente, sendo apresentados o princpio de
funcionamento, as principais formas de onda da operao em regime permanente e as
principais equaes de cada bloco de processamento de potncia.
Para finalizar o captulo, feita a modelagem de cada um desses blocos, a fim de
conhecer suas funes de transferncia, as quais so utilizadas no captulo 3 durante o projeto
dos compensadores das malhas de controle de cada bloco de processamento de potncia.
2.2 Conversor CC-CC push-pull
Na literatura encontra-se o push-pull classificado tanto como inversor como
conversor CC-CC, como por exemplo em [16] e [17]. Qualquer estrutura inversora, com uma
modulao adequada aplicada aos interruptores, cuja sada seja retificada constitui um
conversor CC-CC. Assim, os dois primeiros estgios de converso (inversor push-pull e
retificador ponte completa) e o filtro LC intermedirio formam um conversor CC-CC isolado
em alta freqncia, conhecido na literatura como conversor CC-CCpush-pull.
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A Figura 2.1 apresenta o diagrama esquemtico do conversor CC-CC push-pull
ideal. Como pode ser visto trata-se de uma estrutura naturalmente isolada. Utiliza um
transformador com dois enrolamentos primrios, Lpa e Lpb, e, pelo menos, um enrolamento
secundrio (Ls). A cada enrolamento primrio est associado um interruptor: S1 ao
enrolamento Lpa e S2 ao enrolamento Lpb. Embora o diagrama da Figura 2.1 apresente apenas
um enrolamento secundrio (Ls), opush-pull permite a utilizao de mais de um secundrio,
caso seja necessrio.
Figura 2.1 Estrutura padro do inversor push-pull.
Ao enrolamento secundrio (Ls) est associado um retificador ponte completa, o
qual retifica a tenso de sada de Ls (VLs). Essa tenso retificada (Vr) aplicada ao filtro LC
intermedirio, composto pelo indutor L2 e pelo capacitor C2, o qual retm a componente em
alta freqncia de Vr, fornecendo uma tenso (Vi) com baixa ondulao ao prximo bloco de
processamento de potncia (inversor ponte completa).
2.2.1 Modulao dos interruptores
H uma srie de tcnicas de modulao encontradas na literatura, vrias aplicveis
ao conversor CC-CC push-pull mostrado na Figura 2.1. Algumas dessas tcnicas demodulao so mais complexas e outras mais simples, e a escolha entre uma ou outra deve
levar em considerao o objetivo a ser alcanado e a complexidade de implementao da
modulao.
Os principais objetivos desse primeiro estgio de processamento de potncia so:
permitir isolar eletricamente a fonte de entrada do restante do circuito, realizar essa isolao
em alta freqncia para reduzir peso e volume, realizar a adaptao do baixo nvel de tenso
de entrada a um nvel de tenso mais apropriado a obteno da tenso de sada desejada epermitir a correta operao global do conversor mediante a variao da tenso de entrada.
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Para que esses objetivos sejam alcanados suficiente que se obtenha no
enrolamento secundrio do transformador push-pull (Ls) uma tenso alternada retangular, j
que essa tenso alternada retificada posteriormente. Portanto, a modulao aplicada aos
interruptores S1 e S2 deve ser a mais simples possvel.
A modulao mais simples que pode ser utilizada a modulao por largura de
pulso (PWM Pulse Width Modulation) de trs nveis, que consiste em acionar os
interruptores S1 e S2 atravs de sinais de comando defasados de 180 eltricos, com razo
cclica (D) mxima de 0,5. Entende-se por razo cclica a relao entre o tempo de conduo
do interruptor (Tc) e o perodo de comutao utilizado (Ts), como mostra a Eq. (2.1).
.c
s
T
D T=
(2.1)
Os pulsos de comando da modulao PWM de trs nveis podem ser gerados atravs
da comparao de uma portadora dente-de-serra ou triangular com um sinal de controle
contnuo. A defasagem pode ser conseguida com a utilizao de duas portadoras defasadas de
180 graus eltricos, ou atravs de uma lgica de seleo de pulsos base de flip-flops, como
feito no circuito integrado dedicado SG3525. Esse ltimo caso exemplificado na Figura 2.2,
na qual so apresentadas as principais formas de onda associadas modulao PWM de trs
nveis.
Figura 2.2 Formas de onda relacionadas a modulao PWM de trs nveis.
Na Figura 2.2, Ts o perodo de comutao, Vc a tenso de controle, VPpk o valor
de pico da portadora, GS1 e GS2 so os sinais de comando dos interruptores, Ve a tenso deentrada e VLs a tenso de sada do enrolamento secundrio do transformadorpush-pull, e n
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a relao de transformao relao entre o nmero de espiras do enrolamento secundrio e o
nmero de espiras do enrolamento primrio (ns/np).
Uma importante caracterstica do conversor CC-CCpush-pull pode ser observada na
Figura 2.2: no h conduo simultnea de interruptores. Essa uma caracterstica desejada
em qualquer conversor, pois eleva a eficincia da converso. Mas no escopo deste trabalho ela
ganha ainda mais evidncia pois, como haver elevao da tenso no transformador, pelo
balano de energia, as correntes no lado primrio tendem a ser elevadas. Outra caracterstica
importante o fato dos dois interruptores estarem na mesma referncia da fonte de entrada, o
que simplifica bastante a implementao do circuito de comando dos mesmos.
2.2.2 O problema da disperso
Uma questo crtica na topologia do conversor CC-CC push-pull a disperso do
fluxo do transformador, ou seja, uma parcela das linhas de fluxo geradas pelo enrolamento
primrio no concatena o enrolamento secundrio. Essa disperso ocasiona uma deficincia
no acoplamento dos enrolamentos que compem o transformador push-pull e,
consequentemente, parte da energia fornecida ao primrio no transferida ao secundrio.
A disperso do fluxo do transformador de isolamento est intimamente relacionada a
sua construo, podendo ser minimizada, mas nunca eliminada totalmente. Essa disperso
pode ser modelada por uma indutncia em srie com cada um dos enrolamentos primrios do
transformador, chamada de indutncia de disperso. O diagrama esquemtico do conversor
CC-CC push-pull levando em considerao a disperso do transformador, atravs das
indutncias Lda e Ldb, mostrado na Figura 2.3.
Figura 2.3 Diagrama esquemtico do push-pull com representao da disperso.
Quando um dos interruptores conduz, estabelecida uma corrente que circula peloenrolamento do transformador associado ao interruptor, pela fonte de tenso de entrada e pelo
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prprio interruptor. Terminado o ciclo de conduo esse interruptor bloqueia, causando a
interrupo brusca da corrente. A indutncia de disperso se opor a essa interrupo e
descarregar a energia magntica armazenada nela sobre o interruptor, em forma de
sobretenso, fenmeno que pode causar a destruio do mesmo.
Para que a operao do push-pull seja viabilizada, o problema causado pela
disperso do transformador tem que ser contornado. Isso feito atravs da mxima reduo da
disperso, com uma construo que garanta o melhor acoplamento magntico possvel.
Utilizam-se tambm circuitos snubberpara desviar a energia proveniente da indutncia de
disperso para uma fonte de tenso ou dissip-la em resistores, impendido a destruio dos
interruptores.
2.2.3 O problema da saturao
A Figura 2.4 mostra a curva de histerese tpica de materiais utilizados na
composio de ncleos destinados a confeco de dispositivos magnticos (indutores e
transformadores). Essa curva obtida atravs da relao entre a densidade de campo
magntico (B) e a intensidade de campo magntico (H), impostos quando uma tenso
alternada aplicada ao enrolamento que magnetiza o ncleo do dispositivo. B e H so,
respectivamente, proporcionais ao fluxo magntico e a corrente magnetizante que circula pelo
enrolamento.
Figura 2.4 Curva de histerese tpica.
Quando a permeabilidade incremental do material magntico ( i), definida como a
taxa de variao da densidade de campo magntico com a intensidade de campo magntico
(
B/
H), tende permeabilidade do vcuo ( o), significa que a densidade de campo
magntico do material est chegando ao seu valor mximo e o material est na iminncia da
saturao. A saturao caracterizada por uma drstica reduo da indutncia dos
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enrolamentos e por isso deve ser evitada, pois est associada a elevao de corrente e, no caso
de transformadores, a um acoplamento fraco entre os enrolamentos.
Como no conversor push-pull a curva de histerese percorrida em um sentido
atravs de um interruptor e no outro sentindo atravs do outro interruptor, o risco de saturao
do ncleo do transformador se agrava, pois mediante qualquer desequilbrio no tempo de
conduo dos interruptores o ncleo no devidamente desmagnetizado. Se essa situao de
desequilbrio for duradoura, o ncleo do transformadorpush-pull satura [17].
A fim de contornar esse problema, o circuito de acionamento dos interruptores deve
ser projetado com o mximo cuidado e protees de corrente devem ser inseridas no circuito
de controle para evitar a saturao do ncleo e para que, em ocorrendo a saturao, o circuito
de potncia no seja destrudo.
2.2.4 Operao do conversor CC-CC push-pull
A operao do conversorpush-pull pode s