Conversor Boost

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    21-Nov-2015

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<ul><li><p>HUGO ROLANDO ESTOFANERO LARICO</p><p>CONVERSOR BOOST CONTROLADOEM CORRENTE APLICADO AORETIFICADOR MONOFSICO</p><p>FLORIANPOLISANO 2007</p></li><li><p>UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA</p><p>PROGRAMA DE PS-GRADUAO EMENGENHARIA ELTRICA</p><p>CONVERSOR BOOST CONTROLADO EMCORRENTE APLICADO AO RETIFICADOR</p><p>MONOFSICO</p><p>Dissertao submetida Universidade Federal de Santa Catarina</p><p>como parte dos requisitos para aobteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica.</p><p>HUGO ROLANDO ESTOFANERO LARICO</p><p>Florianpolis, Maro de 2007.</p></li><li><p>CONVERSOR BOOST CONTROLADO EM CORRENTEAPLICADO AO RETIFICADOR MONOFSICO</p><p>HUGO ROLANDO ESTOFANERO LARICO</p><p>Esta Dissertao foi julgada adequada para a obteno do ttulo de Mestreem Engenharia Eltrica, rea de Concentrao em Eletrnica de Potncia, e aprovada em</p><p>sua forma final pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica daUniversidade Federal de Santa Catarina.</p><p>Prof. Ivo Barbi, Dr. Ing.Orientador</p><p>Prof. Nelson Sadowski, Dr.Coordenador do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica</p><p>Banca Examinadora:</p><p>Ivo Barbi, Dr. Ing.Presidente</p><p>Arnaldo Jos Perin, Dr. Ing.</p><p>Samir Ahmad Mussa, Dr.</p><p>Deivis Borgonovo, Dr.</p><p>ii</p></li><li><p>Ao nosso Criador, que me deu tudo nesta vida. . .</p><p>iii</p></li><li><p>AGRADECIMENTOS</p><p>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.</p><p>Aos membros da banca examinadora, professores Arnaldo e Samir e, ao Engo Deivis pelaparticipao na melhoria do presente documento.</p><p>Ao INEP, UFSC e CAPES pelo apoio financeiro para a realizao dos meus estudos demestrado.</p><p>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.</p><p> 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.</p><p>Aos meus pais Pedro Estofanero Colca e Lucrecia Larico Apaza pela compreenso e apoio.</p><p>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.</p><p>A meu irmo Edwin e minha irm Susan, pela alegria e companhia proporcionados.</p><p>Aos meus colegas de sala, Mauro e Diego, por todas as contribuies e orientaes duranteo mestrado.</p><p>Aos funcionrios do INEP: corpo docente, tcnicos, administrao, doutorandos, mestran-dos, engenheiros e alunos de iniciao cientfica, pela ajuda prestada no meu aprendizado.</p><p>iv</p></li><li><p>Resumo da Dissertao apresentada UFSC como parte dos requisitos necessrios paraobteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica.</p><p>CONVERSOR BOOST CONTROLADO EM CORRENTEAPLICADO AO RETIFICADOR MONOFSICO</p><p>HUGO ROLANDO ESTOFANERO LARICO</p><p>Maro/2007</p><p>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</p><p>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.</p><p>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.</p><p>v</p></li><li><p>Abstract of Dissertation presented to UFSC as a partial fulfillment of the requirements forthe degree of Master in Electrical Engineering.</p><p>BOOST CONVERTER CONTROLLED IN CURRENTAPPLIED THE MONOPHASIC RECTIFIER</p><p>HUGO ROLANDO ESTOFANERO LARICO</p><p>March/2007</p><p>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</p><p>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.</p><p>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.</p><p>vi</p></li><li><p>Sumrio</p><p>1 Introduo 1</p><p>1.1 Introduo geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1</p><p>1.2 Retificador boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3</p><p>1.2.1 Estgio retificador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3</p><p>1.2.2 Estgio conversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4</p><p>1.3 Reviso bibliogrfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5</p><p>1.3.1 Controle por corrente mdia instantnea . . . . . . . . . . . . . . . 6</p><p>1.3.2 Controle por corrente de pico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7</p><p>1.3.3 Controle da corrente por histerese . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9</p><p>1.3.4 Controle por portadora programada . . . . . . . . . . . . . . . . . 11</p><p>1.4 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13</p><p>2 Conversor boost controlado em corrente 14</p><p>2.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14</p><p>2.2 Modelagem do conversor boost para corrente . . . . . . . . . . . . . . . . 14</p><p>2.2.1 Modelo sem considerar a tenso de entrada . . . . . . . . . . . . . 16</p><p>2.2.2 Modelo considerando a tenso de entrada . . . . . . . . . . . . . . 16</p><p>2.2.3 Modulador PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17</p><p>2.2.4 Diagrama de blocos do modelo do conversor boost . . . . . . . . . 20</p><p>vii</p></li><li><p>2.3 Tcnicas de controle da corrente no conversor boost . . . . . . . . . . . . . 20</p><p>2.3.1 Controle por pr-alimentao da perturbao . . . . . . . . . . . . 21</p><p>2.3.2 Controle por realimentao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26</p><p>2.3.3 Controle por realimentao direta . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30</p><p>2.4 Tcnica de modulao e controle por realimentao direta . . . . . . . . . . 35</p><p>2.4.1 Modulao por razo cclica d(t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36</p><p>2.4.2 Anlise da ondulao da corrente no indutor com d(t) e d(t) . . . . 39</p><p>2.5 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43</p><p>3 Retificador boost e controle por realimentao direta 44</p><p>3.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44</p><p>3.2 Retificador boost e realimentao direta da corrente . . . . . . . . . . . . . 45</p><p>3.2.1 Caractersticas estticas do retificador boost . . . . . . . . . . . . . 46</p><p>3.2.2 Estabilidade do retificador boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48</p><p>3.2.3 Distoro da corrente de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49</p><p>3.3 Dimensionamento dos elementos passivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57</p><p>3.3.1 Clculo da indutncia boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57</p><p>3.3.2 Clculo da capacitncia do filtro de sada . . . . . . . . . . . . . . 59</p><p>3.4 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63</p><p>4 Tcnicas de controle da tenso de sada do retificador boost 64</p><p>4.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64</p><p>4.2 Varivel de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65</p><p>4.2.1 Controle da tenso de pico do sinal dente-de-serra VT . . . . . . . . 66</p><p>4.2.2 Controle do ganho do sensor de corrente Ki . . . . . . . . . . . . . 66</p><p>4.3 Modelagem do retificador boost para a malha de tenso . . . . . . . . . . . 67</p><p>viii</p></li><li><p>4.3.1 Tcnica de modelagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67</p><p>4.3.2 Linearizao de i2(t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69</p><p>4.3.3 Linearizao da corrente no diodo boost iD(t) . . . . . . . . . . . . 72</p><p>4.3.4 Modelo de tenso do retificador para o multiplicador . . . . . . . . 74</p><p>4.4 Modelo do retificador boost para o divisor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85</p><p>4.4.1 Modelo para carga resistiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85</p><p>4.4.2 Modelo para carga em fonte de potncia . . . . . . . . . . . . . . . 86</p><p>4.5 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87</p><p>5 Exemplo de projeto do estgio de potncia 88</p><p>5.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88</p><p>5.2 Definio dos parmetros nominais do projeto . . . . . . . . . . . . . . . . 88</p><p>5.2.1 Clculos preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88</p><p>5.3 Dimensionamento do indutor boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90</p><p>5.3.1 Clculo da indutncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90</p><p>5.3.2 Dimensionamento fsico do indutor . . . . . . . . . . . . . . . . . 91</p><p>5.3.3 Clculo trmico do indutor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93</p><p>5.4 Dimensionamento do filtro de sada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96</p><p>5.4.1 Dimensionamento do capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96</p><p>5.4.2 Perdas no capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98</p><p>5.4.3 Elevao da temperatura no capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . 99</p><p>5.5 Especificao dos semicondutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99</p><p>5.5.1 Diodo boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99</p><p>5.5.2 Interruptor boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101</p><p>5.5.3 Ponte retificadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104</p><p>5.5.4 Dissipador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105</p><p>ix</p></li><li><p>5.6 Sensor de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107</p><p>5.6.1 Resistncia shunt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107</p><p>5.6.2 Potncia dissipada no resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108</p><p>5.7 Perdas totais no retificador boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108</p><p>5.8 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109</p><p>6 Projeto do estgio de controle 110</p><p>6.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110</p><p>6.2 Emprego do integrado IR1150 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110</p><p>6.2.1 Sistema de controle para malha de tenso baseada no divisor . . . . 111</p><p>6.2.2 Descrio do IR1150 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111</p><p>6.2.3 Modelo do retificador boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114</p><p>6.2.4 Projeto do compensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115</p><p>6.2.5 Configuraes complementares do integrado IR1150 . . . . . . . . 125</p><p>6.2.6 Problema detectado no bloco integrador do integrado IR1150 . . . . 128</p><p>6.3 Circuito de controle proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129</p><p>6.3.1 Sistema de controle para malha de tenso . . . . . . . . . . . . . . 130</p><p>6.3.2 Estrutura do circuito de controle proposto . . . . . . . . . . . . . . 131</p><p>6.3.3 Projeto do compensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136</p><p>6.3.4 Modelo do retificador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137</p><p>6.3.5 Compensador de tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138</p><p>6.4 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139</p><p>7 Simulaes e resultados experimentais 140</p><p>7.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140</p><p>7.2 Controle com o integrado IR1150 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140</p><p>x</p></li><li><p>7.2.1 Modelo matemtico linearizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141</p><p>7.2.2 Circuito de simulao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141</p><p>7.2.3 Principais grandezas no retificador boost . . . . . . . . . . . . . . 142</p><p>7.3 Controle proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147</p><p>7.3.1 Modelo linearizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148</p><p>7.3.2 Circuito de simulao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148</p><p>7.3.3 Principais grandezas no retificador boost . . . . . . . . . . . . . . 149</p><p>7.4 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152</p><p>Concluses gerais 153</p><p>xi</p></li><li><p>Lista de smbolos</p><p>Ae rea da perna central do ncleo</p><p>AeAw Produto de reas do ncleo</p><p>Aw rea da janela do carretel</p><p>Awmin rea da janela mnima requerida para o carretel</p><p>Bmax Mxima densidade de fluxo magntico</p><p>C(s) Funo de transferncia do compensador</p><p>Co Capacitor do filtro de sada</p><p>Cv(s) Funo de transferncia da pr-alimentao da perturbao</p><p>D Diodo do conversor boost</p><p>D1D4 Diodos da ponte retificadorad(t) Razo cclica</p><p>D(s) Razo cclica complementar dada em Laplace</p><p>d(t) Razo cclica complementar</p><p>D(s) Razo cclica complementar dada em Laplace</p><p>dn Razo cclica associada ao n-simo pulso de corrente no diodo</p><p>e(t) Sinal de erro</p><p>E(s) Sinal de erro em Laplace</p><p>`g Entreferro do indutor</p><p>f Freqncia da tenso de rede</p><p>fs Freqncia de comutaoxii</p></li><li><p>fTe Freqncia de corte do filtro passa-baixas</p><p>G1(s),G2(s) Funo de transferncia do conversor boost</p><p>Hi(s) Funo de transferncia da realimentao da corrente</p><p>iS(t) Corrente instantnea no interruptor</p><p>iC(t) Corrente instantnea no capacitor</p><p>ICe f Corrente eficaz no capacitor</p><p>iD(t) Corrente instantnea no diodo</p><p>ID(t) Corrente no diodo em regime</p><p>iD(t)2 f Corrente mdia no diodoiD(t) Perturbao da corrente no diodo</p><p>IDe f Corrente eficaz no diodo boost</p><p>IDmax Corrente mxima no diodo</p><p>ig(t) Corrente instantnea de entrada no conversor boost</p><p>Ig(s) Corrente de entrada no conversor boost em Laplace</p><p>ii(t) Corrente instantnea de entrada no retificador boost</p><p>Iip Corrente de pico na fonte de entrada</p><p>Iie f Corrente eficaz na fonte de entrada</p><p>Iie f max Corrente eficaz mxima na fonte de entrada</p><p>Iipmax Corrente de pico mxima na fonte de entrada</p><p>iL(t) Corrente instantnea no indutor</p><p>IL Ondulao de corrente no indutor</p><p>ILmin Corrente instantnea mnima de ondulao no indutor</p><p>ILmax Corrente instantnea mxima de ondulao no indutor</p><p>ILmax Mxima ondulao de corrente no indutor</p><p>In Corrente associada ao n-simo pulso de cor...</p></li></ul>

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