Conversores CC-CC

  • Published on
    26-Mar-2015

  • View
    162

  • Download
    0

Embed Size (px)

Transcript

<p>Unidade II Conversores CC-CC Em certas aplicaes, algumas vezes necessrio transformar uma tenso cc em outra com magnitude diferente, seja em trens ou metrs onde uma tenso de cerca de 4000V do sistema de distribuio transformada em 300V na alimentao de um motor cc, ou um inversor, ou ento, a partir de 12V alimentar um equipamento de 120V. Em sistemas de corrente alternada esta operao de baixar ou elevar a tenso facilmente feita com um transformador. Em sistemas em cc a situao bem diferente, e requer o uso de um conversor chaveado.</p> <p>www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p> <p>1</p> <p>Unidade II Conversores CC-CC</p> <p>V =</p> <p>cc cc = V0</p> <p>Estruturas estticas feitas de chaves ativas e idealmente sem perdas que convertem uma tenso contnua em uma outra com certa magnitude. O dispositivo semicondutor opera a uma freqncia alta, quando comparado com variaes na tenso de entrada. possvel o uso de filtros passa-baixa para retirar componentes indesejveis na tenso devido ao chaveamento.www.dee.ufc.br/~fantunes fantunes@dee.ufc.br 2</p> <p>Unidade II Conversores CC-CC Os conversores cc-cc so usados em fontes para computadores, TV, vdeos, aplicam-se tambm em trao e carros eltricos. Permitem freios regenerativos com economia de energia em sistemas com freqentes partidas e paradas. Tm ampla aplicao como reguladores de tenso contnua, carregadores de bateria. Aplicados tambm em sistemas para aproveitamento de energias renovveis.</p> <p>www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p> <p>3</p> <p>Unidade II Conversores CC-CC Princpio de Operaoi S V i + V0 R v (t)0V</p> <p>ton t1</p> <p>toff T t</p> <p>t1 + t 2 = T</p> <p>O valor mdio da tenso de sada dado por:</p> <p>1 t1 V0 = v0 dt = V = t1 fV = kV T 0 T</p> <p>t1</p> <p>0 &lt; k iL</p> <p>VL = V V0 = Li0 L +</p> <p>I t2</p> <p>I( ton ) = I( toff )V0 1 T = = V 1 k t off</p> <p>V</p> <p>C</p> <p>V0-</p> <p>I = </p> <p>V V0 t2 L</p> <p>0 &lt; k &lt; 1 V &lt; V0 &lt; </p> <p>www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p> <p>37</p> <p>Unidade II Conversores CC-CC Conversor Boost Funo de transfernciaiL</p> <p>L</p> <p>D</p> <p>I0+</p> <p>Vo/Vcarga</p> <p>V</p> <p>S</p> <p>C</p> <p>V0-</p> <p>Conversor boost</p> <p>2 1</p> <p>V0 1 T = = V 1 k t off</p> <p>0.5</p> <p>1</p> <p>k</p> <p>0 &lt; k 0,5. A polaridade da tenso de sada a mesma da tenso de entrada. robusto contra curto-circuito na chave ou na carga.</p> <p>www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p> <p>42</p> <p>Unidade II Conversores CC-CC Conversor CC-CC Elevador - Boost Concluses: Transfere energia de uma fonte de menor tenso para outra de maior tenso. Apresenta caracterstica de fonte de corrente na entrada e fonte de tenso na sada.iL</p> <p>L</p> <p>D</p> <p>I0+</p> <p>i</p> <p>V</p> <p>S</p> <p>C</p> <p>V0-</p> <p>carga</p> <p>=====&gt; I Boost</p> <p>V</p> <p>www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p> <p>43</p> <p>Unidade II Conversores CC-CCiL A LV1</p> <p>Conversor Boost importncia da indutnciaB+</p> <p>V AB</p> <p>V(t) i (t)</p> <p>L</p> <p>V1=V2Corrente,</p> <p>s-</p> <p>V2</p> <p>V1=V2</p> <p>i=0t</p> <p>VAB(t) i (t)</p> <p>para V1=V2, ento VAB=0, IL=0. Nenhuma energia armazenada em L</p> <p>L</p> <p>iLV1</p> <p>W1t</p> <p>V(t) i (t)</p> <p>V2=2V1r or C e, nt e</p> <p>i</p> <p>=t t on off</p> <p>L</p> <p>V1&lt; =12V V2 =24V</p> <p>W2t on-VxV iL = AB t L</p> <p>V =V1 AB -VAB</p> <p>t off Vx iL = t L</p> <p>t</p> <p>ton-V2</p> <p>t</p> <p>off</p> <p>V1</p> <p>W1 = W2 Energia armazenada na indutnciawww.dee.ufc.br/~fantunes fantunes@dee.ufc.br</p> <p>V2 =V1+ V AB44</p> <p>Unidade II Conversores CC-CCiL A LV1</p> <p>Conversor Buck importncia da indutnciaB+</p> <p>V AB</p> <p>s-</p> <p>V2</p> <p>V(t) i (t)</p> <p>V2=17V1 t =16t offonte ren r Co</p> <p>L</p> <p>,i</p> <p>V1 =12V V2 =204V</p> <p>V =V1 ABt</p> <p>V(t) i (t)</p> <p>V2=4V1 t =3t on offnte rre Co</p> <p>L</p> <p>,i</p> <p>V1 =12V V2 =48V</p> <p>ton</p> <p>toff</p> <p>V =V1 ABt</p> <p>ton-VAB -V2 V2 =V1+ V ABwww.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>t</p> <p>off</p> <p>V1</p> <p>-VAB -V2 V2 =V1+ V AB</p> <p>V145</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p> <p>Unidade II Conversores CC-CC Conversor Boost - SimulaoiL</p> <p>L</p> <p>D</p> <p>I0+</p> <p>2mV1 = 0 V2 = 15 =0 24V TD = 100n TF TR = 100n PW = 25u PER = 50u</p> <p>MUR460</p> <p>V</p> <p>S</p> <p>C</p> <p>V0-</p> <p>Load</p> <p>V2</p> <p>IRF540</p> <p>100</p> <p>20</p> <p>0</p> <p>Frequncia de chaveamento = 20kHz L=2mH R=20 V=24V 50 C=100F25</p> <p>Tenso de Sada</p> <p>Tenso de entrada</p> <p>Correnta na indutncia060ms 61ms 62ms 63ms 64ms 65ms 66ms 67ms 68ms 69ms 70ms</p> <p>www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p> <p>46</p> <p>Unidade II Conversores CC-CC Clula Cannica Como obter mais uma topologia?</p> <p>Chave</p> <p>LV L</p> <p>LVL</p> <p>Diodo</p> <p>ChaveV L</p> <p>Diodo</p> <p>Diodo</p> <p>L</p> <p>Chave</p> <p>www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p> <p>47</p> <p>Unidade II Conversores CC-CC Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / Boost DSi0 -</p> <p>V</p> <p>L</p> <p>V0+</p> <p>carga</p> <p>i</p> <p>L</p> <p>Son =====&gt; Energia armazenada na indutncia. Soff =====&gt; A energia da indutncia transferida para carga. A polaridade da tenso de sada invertida em relao da tenso de alimentao. No h uma conexo direta entre a entrada e a sada do conversor Conversor indireto. Quando a chave S conduz, a corrente aumenta no indutor, e a energia armazenada nele.www.dee.ufc.br/~fantunes fantunes@dee.ufc.br 48</p> <p>Unidade II Conversores CC-CC Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / BoostD</p> <p>i0 -</p> <p>S</p> <p>+ L iL</p> <p>Imax Imin</p> <p>iL Io t</p> <p>V</p> <p>V0+</p> <p>Imax Imin</p> <p>is</p> <p>iD</p> <p>t t</p> <p>Chave S fechadaD</p> <p>-i min</p> <p>i0 -</p> <p>-i</p> <p>max</p> <p>S</p> <p>L + iL</p> <p>iCImax Io</p> <p>V</p> <p>V0+</p> <p>-I ovc</p> <p>t</p> <p>-Vmin -Vmax</p> <p>t-Vc</p> <p>Chave S aberta Formas de onda</p> <p>www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p> <p>49</p> <p>Unidade II Conversores CC-CC Conversor CC-CC Abaixador / Elevador ou Buck / BoostFuno de Transferncia</p> <p>di VL = L dtSon=====&gt;I V=L t1V0 = L I t2Vo/V</p> <p>Soff=====&gt;</p> <p>3 1 0.5 0.75 1 k</p> <p>V0 t on k = = V 1 k t off0 &lt; k 0,5. Apresenta caracterstica de fonte de tenso na entrada e na sada.SD</p> <p>I0i</p> <p>V</p> <p>L iL</p> <p>V0+</p> <p>carga =====&gt;</p> <p>V</p> <p>V</p> <p>Buck/Boost</p> <p>www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p> <p>55</p> <p>Unidade II Conversores CC-CCConversor Buck-Boost importncia da indutnciasV(t) i (t) V2=-V1rr Co e, nt e</p> <p>-</p> <p>L</p> <p>i</p> <p>=t t on offV1&lt; =12V V2 =-12V</p> <p>V1</p> <p>V</p> <p>iL</p> <p>+</p> <p>V2V1</p> <p>V(t) i (t)</p> <p>t</p> <p>L</p> <p>V2</p> <p>iLV1</p> <p>ton</p> <p>t</p> <p>off</p> <p>W1t</p> <p>V(t) i (t)</p> <p>V2=3V1te, en r</p> <p>=3t t on off</p> <p>L</p> <p>i</p> <p>W2t onV2V iL = 1 t L iL =</p> <p>V1</p> <p>r Co</p> <p>V1 =12V V2 =24Vt</p> <p>t off V2 t L</p> <p>t on-V2fantunes@dee.ufc.br</p> <p>toff</p> <p>W1 = W2www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>56</p> <p>Unidade II Conversores CC-CCConversor Buck-Boost importncia da indutncias-</p> <p>V2=-16.99V1 V(t) i (t)</p> <p>t on =16toff</p> <p>L</p> <p>V1</p> <p>V</p> <p>iL</p> <p>+</p> <p>V2V1</p> <p>nte rre Co</p> <p>,i</p> <p>t</p> <p>ton</p> <p>V1 -V2</p> <p>Co r</p> <p>re</p> <p>L</p> <p>nt e,</p> <p>V(t) i (t)</p> <p>V2=-1/3V1 t =1/3t off on</p> <p>toff</p> <p>i</p> <p>t</p> <p>t on</p> <p>toff-V2</p> <p>www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p> <p>57</p> <p>Unidade II Conversores CC-CCConversor Buck-Boost importncia da indutncias-</p> <p>(t) iLIL=I0-</p> <p>V1</p> <p>V</p> <p>iL</p> <p>+</p> <p>V2</p> <p>I0=(V1/L).t onV12 V</p> <p>IL=I2</p> <p>V1 =V 2V2/L ) .t</p> <p>0-(</p> <p>on t on t on t on t on</p> <p>t off t off t off t off t off58</p> <p>www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p> <p>Unidade II Conversores CC-CC Conversor Buck-Boost - SimulaoSD</p> <p>I0IRF540 MUR460</p> <p>V</p> <p>L iL</p> <p>V0+</p> <p>R24</p> <p>V1 = 0 V2 = 15 TD = 0 TF = 100n TR = 100n PW = 35u PER = 50u</p> <p>V3</p> <p>2m</p> <p>100u</p> <p>20</p> <p>0</p> <p>Frequncia de chaveamento = 20kHz L=2mH 26.2V R=20 V=24V 0V C=100F k=0,7-40.0V -60.6V</p> <p>VV0 &gt; V</p> <p>V025.5ms 26.0ms 26.5ms 27.0ms 27.5ms 28.0ms</p> <p>25.0ms</p> <p>Cilco de trabalho=0,7www.dee.ufc.br/~fantunes fantunes@dee.ufc.br 59</p> <p>Unidade II Conversores CC-CC Conversor Buck-Boost - SimulaoSD</p> <p>I0IRF540 MUR460</p> <p>V</p> <p>L iL</p> <p>V0+</p> <p>R24</p> <p>V1 = 0 V2 = 15 TD = 0 TF = 100n TR = 100n PW = 15u PER = 50u</p> <p>V3</p> <p>2m</p> <p>100u</p> <p>20</p> <p>0</p> <p>Frequncia de chaveamento = 20kHz L=2mH 40V R=20 20V V=24V C=100F k=0,4 0V-20V25.0ms 25.5ms 26.0ms 26.5ms 27.0ms</p> <p>V0 &lt; V</p> <p>27.5ms</p> <p>28.0ms</p> <p>Resultado de simulao para k=0,4www.dee.ufc.br/~fantunes fantunes@dee.ufc.br 60</p> <p>Unidade VI Conversores CC-CC Caracterstica dos Conversoresis S i0 L + D i carga</p> <p>V</p> <p>V0-</p> <p>=====&gt; Buck</p> <p>V</p> <p>I</p> <p>iL</p> <p>L</p> <p>D</p> <p>i0+</p> <p>i</p> <p>V</p> <p>S C</p> <p>V0-</p> <p>carga</p> <p>=====&gt; Boost</p> <p>I</p> <p>V</p> <p>S</p> <p>D</p> <p>i0-</p> <p>i</p> <p>V</p> <p>L</p> <p>V0+</p> <p>carga</p> <p>iL</p> <p>=====&gt; V Buck/Boost</p> <p>V</p> <p>www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p> <p>61</p> <p>Unidade II Conversores CC-CC Conversor Ckis L1+ C1 -</p> <p>L 2</p> <p>V</p> <p>S</p> <p>D</p> <p>C</p> <p>2 +</p> <p>V0</p> <p>I0</p> <p>www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p> <p>62</p> <p>Unidade II Conversores CC-CC Conversor Ckis L1+ C1 -</p> <p>L 2+ -</p> <p>V</p> <p>S+</p> <p>D</p> <p>C</p> <p>2 +</p> <p>V0</p> <p>I0</p> <p>Chave S em conduo: A indutncia L1 carrega e capacitor C1 polariza inversamente D O capacitor C1 descarrega sua energia atravs de C2, carga e L2. Logo, C2 e L2 carregam.</p> <p>www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p> <p>63</p> <p>Unidade iI Conversores CC-CC Conversor Ckis L1+ C1 -</p> <p>L 2+ -</p> <p>V</p> <p>S+</p> <p>D</p> <p>C</p> <p>2 +</p> <p>V0</p> <p>I0</p> <p>Chave S em bloqueio: O capacitor C1 carregado pela fonte e pela energia armazenada em L1 atravs de D (L1 descarrega). L2 descarrega, transferindo energia para carga atravs de D.</p> <p>www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p> <p>64</p> <p>Unidade iI Conversores CC-CC Conversor Ckis L1+ C1 -</p> <p>L 2</p> <p>V</p> <p>S</p> <p>D</p> <p>C</p> <p>2 +</p> <p>V0</p> <p>A chave S e o diodo D operam complementarmente. C1 o meio de transferncia de energia da fonte para a carga.</p> <p>I0</p> <p>V0 ton k = = V 1 k toff Is ton k = = I0 1 k toffwww.dee.ufc.br/~fantunes fantunes@dee.ufc.br 65</p> <p>Unidade II Conversores CC-CC Caracterstica dos Conversoresis S i0 L + D i Carga</p> <p>ViLL</p> <p>V 0D i0 +</p> <p>=====&gt; Buck</p> <p>Vi</p> <p>I</p> <p>VS</p> <p>S</p> <p>0 C V D i0 -</p> <p>Carga</p> <p>=====&gt; Boost</p> <p>I</p> <p>V</p> <p>i</p> <p>Vis L 1 S</p> <p>L</p> <p>V 0+</p> <p>Carga</p> <p>iL L2D C</p> <p>=====&gt; V Buck/Boost</p> <p>V</p> <p>V</p> <p>0 V +</p> <p>Carga</p> <p>=====&gt; I Ck</p> <p>www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>i0</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p> <p>I66</p> <p>-</p> <p>Unidade II Conversores CC-CC Conversores cc-cc de Dois QuadrantesA combinao de operao das chaves (diodos e transistores) determina se o conversor ser abaixador ou elevador. O conversor ser abaixador quando S1 conduz durante t1, transferindo energia da fonte para a carga. Quando S1 abre, a corrente de carga, que indutiva, circular por D2. Em ambas as situaes a tenso e a corrente na carga so positivas. O conversor elevador composto pela operao de S2 e por D1 durante o tempo em que S2 permanece aberta. Neste modo, quando S2 est conduzindo e comandada a bloquear, a corrente da carga transferida para o diodo D1, havendo regenerao de energia.fantunes@dee.ufc.bris V D 2 D1 S1 io S 2 R L E</p> <p>Chopper de dois quadrantesis V D2 S 1 isR L E</p> <p>io</p> <p>S 1 D2</p> <p>V</p> <p>ioR L E</p> <p>Operao no primeiro quadranteis V isR L E</p> <p>D 1 S2</p> <p>io</p> <p>D 1 S2</p> <p>V</p> <p>io</p> <p>R L E</p> <p>Operao no segundo quadrante67</p> <p>www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>Unidade II Conversores CC-CC Conversores cc-cc de Quatro QuadrantesH vrias possibilidades de operao. 1- S1 e S4 esto ligadas, tenso positiva aplicada carga aumentando a corrente de carga no sentido positivo. 2- Se S1 ou S4 desligada, D2 ou D3 conduz, fazendo com que a corrente decresa na mesma direo positiva. 3- S1 e S4 esto ligadas e conduzindo, e so comandadas a bloquear, a corrente indutiva regenerar para fonte atravs de D 1 e D 4.www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>S1 + V - S 2</p> <p>D1 A</p> <p>D3 B</p> <p>S3</p> <p>R L E D2 D 4 S 4</p> <p> importante ressaltar que o funcionamento da estrutura est relacionado com o tipo de carga entre A e B e a estratgia de comando das chaves.68</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p> <p>Unidade II Conversores CC-CC Conversores cc-cc de Quatro QuadrantesRegenerando carga ativa S1 e S4 estando conduzindo e so comandados a bloquear. A corrente de carga transferida para D2 e D3 , havendo regenerao da energia armazenada na indutncia. Deve-se observar que, mesmo havendo sinal de base ativo, as chaves S2 ou S3 no podem conduzir enquanto a corrente estiver circulando por D2 e D3. Tornando-se nula a corrente por D2 e D3 ,a energia armazenada em E dissipada em R, circulando por S2 e D4. Comandando-se S2 a abrir, a energia de E regenerada para fonte atravs de D1 e D4.S1 + V - S 2 D1 A D3 B S 4 S3</p> <p>R L E D2 D 4</p> <p>O conversor de 4-Q permite o fluxo de energia entre carga e fonte em qualquer direo pelo controle de k e escolha das chaves. um conversor extremamente verstil.69</p> <p>www.dee.ufc.br/~fantunes</p> <p>fantunes@dee.ufc.br</p>