Conversor Boost

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Text of Conversor Boost

  • HUGO ROLANDO ESTOFANERO LARICO

    CONVERSOR BOOST CONTROLADOEM CORRENTE APLICADO AORETIFICADOR MONOFSICO

    FLORIANPOLISANO 2007

  • UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

    PROGRAMA DE PS-GRADUAO EMENGENHARIA ELTRICA

    CONVERSOR BOOST CONTROLADO EMCORRENTE APLICADO AO RETIFICADOR

    MONOFSICO

    Dissertao submetida Universidade Federal de Santa Catarina

    como parte dos requisitos para aobteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica.

    HUGO ROLANDO ESTOFANERO LARICO

    Florianpolis, Maro de 2007.

  • CONVERSOR BOOST CONTROLADO EM CORRENTEAPLICADO AO RETIFICADOR MONOFSICO

    HUGO ROLANDO ESTOFANERO LARICO

    Esta Dissertao foi julgada adequada para a obteno do ttulo de Mestreem Engenharia Eltrica, rea de Concentrao em Eletrnica de Potncia, e aprovada em

    sua forma final pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica daUniversidade Federal de Santa Catarina.

    Prof. Ivo Barbi, Dr. Ing.Orientador

    Prof. Nelson Sadowski, Dr.Coordenador do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica

    Banca Examinadora:

    Ivo Barbi, Dr. Ing.Presidente

    Arnaldo Jos Perin, Dr. Ing.

    Samir Ahmad Mussa, Dr.

    Deivis Borgonovo, Dr.

    ii

  • Ao nosso Criador, que me deu tudo nesta vida. . .

    iii

  • AGRADECIMENTOS

    A meu mentor, o professor Ivo Barbi, pela oportunidade e apoio para a realizao do mestradono INEP, e principalmente por ter me oferecido o mais valioso nesta vida: a amizade.

    Aos membros da banca examinadora, professores Arnaldo e Samir e, ao Engo Deivis pelaparticipao na melhoria do presente documento.

    Ao INEP, UFSC e CAPES pelo apoio financeiro para a realizao dos meus estudos demestrado.

    Ao meu caro amigo Mrio pela ajuda incondicional oferecida na reviso da dissertao, sema qual no teria sido possvel redigir este documento. Tambm agradecer ao Mrio e aosamigos do INEP por tornarem minha estadia no Brasil mais confortvel.

    minha companheira de sempre, Juana Cale, que me deu o amor e uma razo a mais paralutar nesta vida na procura da realizao de um sonho.

    Aos meus pais Pedro Estofanero Colca e Lucrecia Larico Apaza pela compreenso e apoio.

    Aos meus tios Pascual Abado Mamani e Salome Larico Apaza por ter colaborado na for-mao da minha personalidade. Tambm agradeo a todos os meus familiares pelo apoio aolongo da minha vida, especialmente meu tio Roberto.

    A meu irmo Edwin e minha irm Susan, pela alegria e companhia proporcionados.

    Aos meus colegas de sala, Mauro e Diego, por todas as contribuies e orientaes duranteo mestrado.

    Aos funcionrios do INEP: corpo docente, tcnicos, administrao, doutorandos, mestran-dos, engenheiros e alunos de iniciao cientfica, pela ajuda prestada no meu aprendizado.

    iv

  • Resumo da Dissertao apresentada UFSC como parte dos requisitos necessrios paraobteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica.

    CONVERSOR BOOST CONTROLADO EM CORRENTEAPLICADO AO RETIFICADOR MONOFSICO

    HUGO ROLANDO ESTOFANERO LARICO

    Maro/2007

    Orientador: Prof. Ivo Barbi, Dr. Ing.rea de Concentrao: Eletrnica de potncia.Palavras-chave: Retificador com alto fator de potncia, conversor boost, modelagem e con-trole.Nmero de Pginas: xxiii + 157

    Neste trabalho apresentada uma metodologia de modelagem do retificador boost com altofator de potncia baseado na teoria clssica de controle. Ela permite explicar o funciona-mento e as diferenas existentes entre as principais tcnicas de controle, onde mostradoque a tenso de entrada deve ser includa no modelo linear da malha de corrente. Verifica-seque possvel empregar a tenso de entrada como um sinal de controle e no como pertur-bao.

    Segundo a metodologia apresentada existem dois tipos de controle para a malha de corrente,os quais so: controle por realimentao com referncia e controle por realimentao direta(sem referncia), esta ltima denominada como one cycle control segundo [15]. Quando aplicada, a realimentao direta faz com que o retificador seja visto como uma carga linearpela fonte de entrada, sendo esta uma resistncia equivalente. Finalmente proposta umatcnica de controle, para a malha externa de tenso baseada no multiplicador como meiopara variar a resistncia apresentada rede.

    v

  • Abstract of Dissertation presented to UFSC as a partial fulfillment of the requirements forthe degree of Master in Electrical Engineering.

    BOOST CONVERTER CONTROLLED IN CURRENTAPPLIED THE MONOPHASIC RECTIFIER

    HUGO ROLANDO ESTOFANERO LARICO

    March/2007

    Advisor: Prof. Ivo Barbi, Dr. Ing.Area of Concentration: Power Electronics.Key words: Low harmonic rectifiers, boost converter, modeling and control.Number of Pages: xxiii + 157

    In this work a modeling methodology of the high-power-factor boost rectifier is presentedbased on the classic theory of control. It enables to explain the operation and differencesexisting among the main control techniques, for which it is shown that the input voltagemust be included in the linear model of the current loop. It can be figured out that it ispossible to use the input voltage as an input signal and not as a disturbance.

    According to the presented methodology two types of control exist for the current loop:feedback control with reference and control for direct feedback (without reference), the lastone known as one cycle control, following [15]. When applied, the direct feedback allowsthe recognition of the rectifier as a linear load by the input voltage, which is represented byan equivalent resistance. Finally a control technique is proposed for the voltage external loopbased on the multiplier as a media to change the resistance applied to the net.

    vi

  • Sumrio

    1 Introduo 1

    1.1 Introduo geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

    1.2 Retificador boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    1.2.1 Estgio retificador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    1.2.2 Estgio conversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

    1.3 Reviso bibliogrfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    1.3.1 Controle por corrente mdia instantnea . . . . . . . . . . . . . . . 6

    1.3.2 Controle por corrente de pico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    1.3.3 Controle da corrente por histerese . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

    1.3.4 Controle por portadora programada . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    1.4 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    2 Conversor boost controlado em corrente 14

    2.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

    2.2 Modelagem do conversor boost para corrente . . . . . . . . . . . . . . . . 14

    2.2.1 Modelo sem considerar a tenso de entrada . . . . . . . . . . . . . 16

    2.2.2 Modelo considerando a tenso de entrada . . . . . . . . . . . . . . 16

    2.2.3 Modulador PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

    2.2.4 Diagrama de blocos do modelo do conversor boost . . . . . . . . . 20

    vii

  • 2.3 Tcnicas de controle da corrente no conversor boost . . . . . . . . . . . . . 20

    2.3.1 Controle por pr-alimentao da perturbao . . . . . . . . . . . . 21

    2.3.2 Controle por realimentao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

    2.3.3 Controle por realimentao direta . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

    2.4 Tcnica de modulao e controle por realimentao direta . . . . . . . . . . 35

    2.4.1 Modulao por razo cclica d(t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    2.4.2 Anlise da ondulao da corrente no indutor com d(t) e d(t) . . . . 39

    2.5 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

    3 Retificador boost e controle por realimentao direta 44

    3.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

    3.2 Retificador boost e realimentao direta da corrente . . . . . . . . . . . . . 45

    3.2.1 Caractersticas estticas do retificador boost . . . . . . . . . . . . . 46

    3.2.2 Estabilidade do retificador boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

    3.2.3 Distoro da corrente de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

    3.3 Dimensionamento dos elementos passivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

    3.3.1 Clculo da indutncia boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

    3.3.2 Clculo da capacitncia do filtro de sada . . . . . . . . . . . . . . 59

    3.4 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

    4 Tcnicas de controle da tenso de sada do retificador boost 64

    4.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

    4.2 Varivel de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

    4.2.1 Controle da tenso de pico do sinal dente-de-serra VT . . . . . . . . 66

    4.2.2 Controle do ganho do sensor de corrente Ki . . . . . . . . . . . . . 66

    4.3 Modelagem do retificador boost para a malha de tenso . . . . . . . . . . . 67

    viii

  • 4.3.1 Tcnica de modelagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

    4.3.2 Linearizao de i2(t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

    4.3.3 Linearizao da corrente no diodo boost iD(t) . . . . . . . . . . . . 72

    4.3.4 Modelo de tenso do retificador para o multiplicador . . . . . . . . 74

    4.4 Modelo do retificador boost para o divisor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

    4.4.1 Modelo para carga resistiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

    4.4.2 Modelo para carga em fonte de potncia . . . . . . . . . . . . . . . 86

    4.5 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .