3-UNIDADEII-EE

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<p>NOTAS DE AULAS DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA</p><p>UNIDADE II - Conversores CC/CC</p><p>Choppers</p><p>2024</p><p>PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS – PUC MINAS</p><p>INSTITUTO POLITÉCNICO - IPUC</p><p>PROF. Flávio Maurício de Souza</p><p>2.1 – INTRODUÇÃO</p><p>Muitos processos e acionamentos industriais requerem alimentação contínua varável como é o caso para os motores de CC. Esta condição poderia ser obtida por duas técnicas possíveis porém pouco eficientes. São:</p><p>· Inserção de resistência ou reostato em série entre a fonte cc e a carga cc a ser alimentada</p><p>· Associação inversor – retificador a partir da rede CA</p><p>A grande desvantagem em ambas as técnicas é a pouca eficiência ou rendimento. No caso da primeira haverá perdas joulicas na resistência e no caso da associação de conversores a potência é manuseada duas vezes implicando em perdas também.</p><p>Um conversor CC/CC ou chopper permite a obtenção de um sinal cc variável diretamente de uma fonte cc fixa e podem substituir com vantagens os resistores utilizados em série com o circuito de armadura nos acionamentos de motores cc.</p><p>Entre as vantagens dos choppers em relação aos demais circuitos podem ser destacados:</p><p>· a suavidade da tensão;</p><p>· a elevada eficiência;</p><p>· a velocidade de resposta;</p><p>· e ainda o fato de permitir regeneração possibilitando o retorno de energia à fonte cc durante o processo de frenagem.</p><p>Basicamente existem dois tipos de chopper classificados com relação à tensão manuseada:</p><p>· chopper abaixador - a tensão cc de saída será sempre menor do que a de entrada</p><p>· chopper elevador - a tensão cc de saída será sempre maior do que a de entrada</p><p>Em ambos, a potência de entrada será aproximadamente igual a potência de saída.</p><p>Aplicações:</p><p>· Acionamento e controle de velocidade de motores cc e motores de passo aplicados industrialmente ou em veículos elétricos;</p><p>· Reguladores em fontes chaveadas (P.ex.: conversores buck e boost).</p><p>Neste estudo, devido ao foco dado na aplicação de acionamento e controle de velocidade de motores cc, será abordado somente o chopper abaixador.</p><p>2.2 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO</p><p>O circuito básico de um chopper abaixador é mostrado a seguir cuja carga representa o comportamento de um motor cc ( no caso, o circuito de campo), modelado como um circuito R+L em série.</p><p>O interruptor estático poderá ser um SCR, um transistor bipolar ou unipolar ou ainda um IGBT.</p><p>O circuito de comando, ou controle poderá ser implementado de várias formas e fornecerá os sinais de controle de condução e corte para o interruptor estático sendo o responsável pela variação do sinal cc de saída.</p><p>O interruptor estático, I.E abre e fecha em uma frequência que pode ser fixa ou variável. Com o I.E fechado, o diodo de “roda-livre”, DRL fica reversamente polarizado sendo que a tensão de entrada Vs é aplicada à carga, fazendo com que a corrente io cresça exponencialmente. Quando o I.E é aberto o diodo conduz permitindo que a corrente io continue a circular (neste caso diminuindo exponencialmente) e evitando a formação de um arco voltaico sobre o I.E evitando a sua danificação definitiva.</p><p>As formas de ondas a seguir mostram o comportamento da tensão e corrente na carga para uma sequência de chaveamento do interruptor estático</p><p>Modelo matemático</p><p>VOMED = VOMED = = D. Vs</p><p>Onde D é chamado de Duty Cycle ou ciclo de trabalho</p><p>VOMED = D Vs</p><p>A tensão de saída poder ser variada (controlada) continuamente do valor 0 até Vs e assim o fluxo de potência pode ser controlado.</p><p>PWM – Modulação por Largura de Pulso</p><p>Variação de Ton mantendo T constante</p><p>FM – Modulação por Frequência</p><p>Variação de T mantendo Ton constante</p><p>METODOS DE CONTROLE DE VOMED ATRAVÉS DA VARIAÇÃO DE D</p><p>Regimes de condução de corrente na carga</p><p>Descontínuo</p><p>5 T/2</p><p>SE 5 >> T/2 carga muito indutiva</p><p>RIPPLE DE CORRENTE, I 0</p><p>CARGA SE COMPORTA COMO FONTE DE CORRENTE CONSTANTE</p><p>2.3 – MOTORES CC</p><p>A máquina de corrente contínua de forma simplificada é formada por um campo (estático) e e uma armadura (girante).</p><p>O campo é formado pelos enrolamentos do estator sendo responsável pela geração do fluxo magnético principal, φ.</p><p>A armadura é formada pelo rotor, seus enrolamentos e conjunto de escovas e coletores.</p><p>Durante a operação o motor é percorrido por duas correntes, IF corrente de campo e IA corrente de armadura</p><p>Modelo de um motor cc de excitação independente</p><p>Equações Básicas</p><p>Conjugado ou Torque ( C)</p><p>C = Kf Ia</p><p>Unidades</p><p>C = N. m ( Newton x Metros)</p><p>Se é constante ( Vf e If constantes) Kf = KB = N.m/A</p><p>Então, C = KB Ia Ia é a imagem do conjugado</p><p>Força contra-eletromotriz - fcem (E)</p><p>E = Kt ω onde ω é a rotação</p><p>Se é constante Kt = KA</p><p>Então, E = KA . ω E é a imagem da rotação</p><p>Unidades</p><p>KA = V/ (rad/s)</p><p>Potência mecânica (P) - potência que o motor pode desenvolver</p><p>Torque x velocidade</p><p>P = C. ω</p><p>Rotação, ω</p><p>ω = (Va - IaRa)/ KA</p><p>Unidades</p><p>ω = V/ (V/(rad/s)) = rad/s</p><p>CONTROLE DA ROTAÇÃO</p><p>1. Variar o fluxo através da variação de If</p><p>ω maior menor C menor</p><p>Resposta lenta por causa da constante de tempo Lf/Rf ser grande</p><p>vantagem: nível de potência baixo</p><p>2. Variar a resistência Ra associada a armadura</p><p>MAIS UTILIZADO</p><p>Baixo rendimento</p><p>Redução da corrente de partida</p><p>3. Variar a tensão terminal Va de armadura</p><p>Maior velocidade de resposta: La/Ra pequeno</p><p>Se é constante, Va variando desenvolve-se o mesmo conjugado em todas as rotações.</p><p>Curvas características da rotação à vazio</p><p>EXERCÍCIOS</p><p>EXERCÍCIO 1Um motor de cc de excitação independente está sendo alimentado tanto no circuito de campo como no circuito de armadura por um conversor cc/cc abaixador, ou seja, um chopper abaixador com transistor bipolar tipo NPN, ambos operando em regime de condução contínua de corrente .</p><p>CONSIDERAÇÕES</p><p>· O motor está operando a vazio.</p><p>· Os circuitos de controle dos conversores operam com frequência de chaveamento igual a 1KHz fornecendo pulsos retangulares com amplitude suficiente para saturar o transistor.</p><p>· O conversor que alimenta o campo opera com um ciclo de trabalho, D igual 0,75</p><p>· O conversor do circuito de armadura está fornecendo 30v contínuo na sua saída.</p><p>· A fonte de alimentação contínua que alimenta os conversores é igual a 50 V.</p><p>· Ra = 10; La = 1000mH; Ea = 5 V</p><p>· Rf = 120; Lf = 875Mh</p><p>Baseando-se nestas informações, pede-se</p><p>a) Complete o diagrama inserindo os conversores</p><p>b) Desenhe as formas de onda de tensão, vF (t) e de corrente,iF(t) indicando os</p><p>intervalos de tempo e valores (de tensão e corrente)</p><p>c) Determine: VF e IF valores médios no circuito de campo</p><p>d) Desenhe as formas de onda de tensão, vA (t) e de corrente,iA(t) indicando os</p><p>intervalos de tempo e valores (de tensão e corrente)</p><p>e) Determine: D e IA do conversor do circuito de armadura</p><p>EXERCÍCIO 2</p><p>Determine a faixa de variação da rotação do motor cc a imãs permanentes abaixo que está sendo acionado através de um chopper abaixador (operando em regime de condução contínuo de corrente na carga) cujo circuito de comando do transistor (MOSFET) está também indicado abaixo.</p><p>Ra = 0,25 Ohms</p><p>KB = 0,18 N.m/A; KA = 0, 2 V/RPM</p><p>CL = TL = 5 N.m</p><p>Outras informações:</p><p>Relação empírica para a tensão gerada pelos paineis</p><p>VS = (ERS /KS) + Nx1,2 (Volts)</p><p>onde Vs é a tensão contínua em volts gerada pelo painel e é também a tensão de alimentação do chopper;</p><p>ERs é a energia irradiada sobre o painel em w/m2,</p><p>KS é uma constante que vale 5,36 (w/m2) / Volts e</p><p>N é o número de módulos que formam o painel solar.</p><p>Relação empírica para a velocidade do carro</p><p>Vel = / Ka</p><p>Onde Vel é a velocidade em km/h,</p><p>Ka é uma constante de velocidade que vale 56,4 RPM/km/h</p><p>ω é a rotação em rpm</p><p>Dados complementaresTorque do motor: TL = 120 N.m ou 12,23 Kgf.m</p><p>KB = 6,2 N.m/A</p><p>(constante de torque);</p><p>KA = 0,013 V/rpm (constante de força);</p><p>Ra = 0,2 (resistência ôhmica da armadura)</p><p>COMANDO</p><p>R1 = R2 = 12K</p><p>P1 = 0 – 12K</p><p>1</p><p>image2.png</p><p>image3.png</p><p>image4.png</p><p>image5.png</p><p>image6.png</p><p>image7.png</p><p>image8.png</p><p>image9.png</p><p>image10.png</p><p>image11.png</p><p>image12.png</p><p>image13.png</p><p>image14.png</p><p>image15.png</p><p>image16.png</p><p>image17.png</p><p>image18.png</p><p>image19.png</p><p>image20.png</p><p>image21.png</p><p>image22.png</p><p>image23.png</p><p>image24.png</p><p>image25.svg</p><p>EXERCÍCI O 3 Um carro elétrico utiliza painel fotovoltaíco ( 5 módulos) como fonte de energia para a bateria que alimenta um conversor cc/cc (chopper abaixador) utilizado para acionar e controlar a rotação do motor cc de tração das rodas . O conversor cc/cc tem um transistor IGBT como interruptor estático e seu circuito de comando, representado abaixo utiliza a técnica PWM . Considerando a relação empírica da tensão gerada pelo painel fotovoltaíco, o comportamento da irradiação sobre o painel ao longo do dia (gráfico) e também a relação para a velocidade do carro em relação à rotação do motor, pede - se : b) maior velocidade em km/h que poderá ser alcançada pelo carro às 12 horas. c) A forma de onda de tensão aplicada ao motor também para a maior velocidade às 12 horas a) Complete o diagrama inserido o conversor cc/cc, chopper e o motor interligando adequadamente ao circuito de comando</p><p>image25.png</p><p>image26.png</p><p>image27.png</p><p>image1.jpg</p>