TCNICA PARA CORREO DO FATOR DE POTNCIA E ? Circuitos Retificadores a Afundamentos Temporrios

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  • UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLNDIA

    CURSO DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

    TCNICA PARA CORREO DO FATOR DE

    POTNCIA E AUMENTO DA SUPORTABILIDADE

    DOS CIRCUITOS RETIFICADORES A

    AFUNDAMENTOS TEMPORRIOS DE TENSO

    Daniel Divino Rodrigues da Silva

    Orientador: Prof. Dr. Ernane Antnio Alves Coelho

    Uberlndia

    Faculdade de Engenharia Eltrica Universidade Federal de Uberlndia

    2009

  • Daniel Divino Rodrigues da Silva

    TCNICA PARA CORREO DO FATOR DE

    POTNCIA E AUMENTO DA SUPORTABILIDADE

    DOS CIRCUITOS RETIFICADORES A

    AFUNDAMENTOS TEMPORRIOS DE TENSO

    Dissertao apresentada ao Colegiado do Curso de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica da Universidade Federal de Uberlndia, como parte dos requisitos para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Eltrica.

    Orientador: Dr. Ernane Antnio Alves Coelho

    Uberlndia

    Faculdade de Engenharia Eltrica Universidade Federal de Uberlndia

    2009

  • Dados Internacionais de Catalogao na Publicao (CIP)

    S586t

    Silva, Daniel Divino Rodrigues da, 1977-

    Tcnica para correo do fator de potncia e aumento da suportabili-

    dade dos circuitos retificadores a afundamentos temporrios de tenso /

    Daniel Divino Rodrigues da Silva. - 2009.

    245 f. : il.

    Orientador: Ernane Antnio Alves Coelho.

    Dissertao (mestrado) Universidade Federal de Uberlndia, Progra-

    ma de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica.

    Inclui bibliografia.

    1. Eletrnica de potncia - Teses. 2. Conversores de corrente eltrica -

    Teses. 3. Sistemas de energia eltrica - Controle de qualidade - Teses. I.

    Coelho, Ernane Antnio Alves. II. Universidade Federal de Uberlndia.

    Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica. III. Ttulo.

    CDU: 621.38

    Elaborado pelo Sistema de Bibliotecas da UFU / Setor de Catalogao e Classificao

  • Daniel Divino Rodrigues da Silva

    TCNICA PARA CORREO DO FATOR DE

    POTNCIA E AUMENTO DA SUPORTABILIDADE

    DOS CIRCUITOS RETIFICADORES A

    AFUNDAMENTOS TEMPORRIOS DE TENSO

    Dissertao apresentada ao Colegiado do Curso de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica da Universidade Federal de Uberlndia, como parte dos requisitos para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Eltrica.

    Data de aprovao: 13/03/2009

    Banca Examinadora:

    Prof. Ernane Antnio Alves Coelho, Dr. (UFU) Orientador

    Prof. Paulo Csar Abreu Leo, Dr. (UFSJ)

    Prof. Aniel Silva de Morais, Dr. (UFU)

    Prof. Fbio Vincenzi Romualdo da Silva, Dr. (UFU)

    Prof. Luiz Carlos Gomes de Freitas, Dr. (UFU)

    Prof. Joo Batista Vieira Jnior, Dr. (UFU)

    Prof. Luiz Carlos de Freitas, Dr. (UFU)

    Prof. Valdeir Jos Farias, Dr. (UFU)

  • IV

    DEDICATRIA

    Ao meu querido pai, Antnio Lino Rodrigues da Silva, que sempre esteve ao meu lado em todos os momentos de minha vida e foi responsvel por tornar meus sonhos uma realidade. minha querida esposa, Larissa Rodrigues, fonte de inspirao, fora e alegria necessrias ao alcance de meus objetivos pessoais e profissionais.

  • V

    DEDICATRIA PSTUMA

    s minhas queridas avs, Maria Jos Serralha e Marlia de Jesus Costa, principais educadoras, batalhadoras e responsveis pelas minhas conquistas! Amo vocs! Onde estiverem, tenham certeza que s lembrarei por toda minha vida.

  • VI

    AGRADECIMENTOS

    Ao iniciarmos uma caminhada, no podemos prever se realmente conseguiremos atingir nossos

    objetivos. Nesse caminhar, existem diversos obstculos e possibilidades de tropeos. Porm, a

    grande virtude a f, a qual nos d a esperana e a coragem para se levantar, seguir em frente e

    jamais desistir.

    Todavia, quando terminamos uma caminhada e alcanamos nosso objetivo, no h prazer no mundo

    que possa ser comparado a este momento. Todas as dificuldades so esquecidas, mesmo que

    momentaneamente, e aps a euforia, novas metas, novos objetivos so traados e, desta forma,

    recomeamos nossa caminhada.

    Primeiramente, agradeo a Deus, pela oportunidade de aprendizagem atravs de uma vida com

    muita sade e condies para evoluir.

    Meus especiais agradecimentos:

    Ao professor Ernane Antnio Alves Coelho, pela orientao, oportunidade e confiana no

    desenvolvimento deste trabalho;

    Ao professor Alexandre Rocco, que atravs da parceria entre a UNISANTA - Universidade

    Santa Ceclia e a UFU - Universidade Federal de Uberlndia, viabilizou a realizao, na

    cidade de Santos, do curso de especializao em Sistemas Eltricos de Potncia, o qual

    possibilitou minha conquista do ttulo de Especialista em Engenharia Eltrica, alm da minha

    participao no programa de ps-graduao de uma Universidade Pblica;

    minha esposa Larissa Rodrigues e minha sogra Aridalva Prandato, por todo amor,

    dedicao, pacincia e coragem de ter me acompanhado nesta jornada;

    Aos meus pais, Antnio Lino e Snia Maria, e ao meu irmo, Thiago Divino, meus maiores

    incentivadores;

    A toda a minha famlia, por sempre acreditarem no meu potencial;

    Aos amigos Antnio Costa e Victor Garcia, pelo auxlio e incentivo na elaborao deste

    trabalho;

  • VII

    Aos meus primeiros professores, Aurlio Ribeiro e Moacir Ferreira, pela minha insero na

    rea de eletrnica e na vida profissional;

    Ao SENAI Servio Nacional de Aprendizagem Industrial, primeira Escola e atual local de

    trabalho, pela disponibilidade dos recursos laboratoriais necessrios ao desenvolvimento

    desta pesquisa;

    empresa MGS Eletrnica Ltda., pelo fornecimento dos indutores utilizados no prottipo;

    Agradeo a todas as pessoas que, direta ou indiretamente, ajudaram na elaborao deste

    trabalho.

    A todos,

    Muito Obrigado!

  • VIII

    " melhor tentar e falhar,

    que preocupar-se e ver a vida passar;

    melhor tentar, ainda que em vo, que

    sentar-se fazendo nada at o final.

    Eu prefiro na chuva caminhar, que em

    dias tristes em casa me esconder.

    Prefiro ser feliz, embora louco, que em

    conformidade viver ..."

    Martin Luther King

    Aventure-se, pois da mais

    insignificante pista surgiu toda riqueza

    que o homem j conheceu."

    John Masefield

  • IX

    RESUMO

    SILVA, D.D.R. Tcnica para Correo do Fator de Potncia e Aumento da Suportabilidade dos Circuitos Retificadores a Afundamentos Temporrios de Tenso. Uberlndia, 2009 214 f. Dissertao (Mestrado) Curso de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica, Universidade Federal de Uberlndia. Uberlndia, 2009.

    Este trabalho apresenta uma nova proposta de controle para conversor boost operando como

    retificador de alto fator de potncia, a qual permite priorizar o requisito de alto fator de potncia, sob

    condio normal da rede, ou priorizar a regulao da tenso de sada diante de afundamentos de

    tenso. O controle implementado consiste na modificao das malhas de realimentao do circuito

    3854. O sistema de monitoramento contm o microcontrolador LPC2138, que comanda a alterao

    das malhas do 3854 em funo das condies de operao da rede eltrica. A proposta supracitada

    objetiva a concepo de um conversor boost PFC Power Factor Correction com maior

    suportabilidade perante os afundamentos de tenso de elevada ordem. So apresentados resultados

    experimentais de um prottipo submetido a estes distrbios, os quais contemplam a comparao da

    performance do sistema proposto com a de um conversor PFC convencional.

    Palavras-chave Conversor Boost, fator de potncia, afundamento temporrio de tenso,

    suportabilidade.

  • X

    ABSTRACT

    SILVA, D.D.R. Technique for Power Factor Correction and Ride-Through Capability Improvement of Rectifier Circuits to Voltage Sags. UFU, 2009.

    This work presents a new approach for PFC boost converter controller, which sets the priority of the

    controller to high power factor, under normal utility condition, or output voltage regulation, under sag

    condition. The new controller is based on modification of chip 3854 feedback loop. The monitoring

    system has a LPC2138 microcontroller that modifies the 3854 feedback loop depending of the energy

    network condition. This proposal conceives a ride-through capability improvement of PFC boost

    converters to hard voltage sags. Experimental results under normal and sag conditions are shown.

    Through these results it is possible to compare the performance between the proposed system and

    the ordinary PFC converter.

    Keywords Boost converter, power factor, voltage sag, ride-through capability.

  • XI

    SUMRIO

    Lista de Figuras ................................................................................................XVI

    Lista de Tabelas...............................................................................................XXV

    Lista de Abreviaturas e Smbolos ...................................................................XXVI

    CAPTULO I - INTRODUO

    1.1 rea de Concentrao da Dissertao e a Importncia do Tema................1

    1.2 Estado da Arte e a Contribuio desta Dissertao.....................................4

    1.3 A Estrutura da Dissertao ........................................................................10

    CAPTULO II IMPACTOS DOS AFUNDAMENTOS DE TENSO NOS

    SISTEMAS ELETROELETRNICOS INDUSTRIAIS E OS PREJUZOS

    ECONMICOS DAS EMPRESAS SUBMETIDAS A ESTES DISTRBIOS

    2.1 Consideraes Iniciais ...............................................................................13

    2.2 Conceitos e Definies ..............................................................................14

    2.3 Origem dos Afundamentos ........................................................................17

    2.4 Classificao dos Afundamentos ...............................................................19

    2.5 Efeitos dos Afundamentos sobre os Sistemas Eletroeletrnicos ...............24

    2.5.1 Efeitos sobre os processos industriais .........................................24

    2.5.2 Efeitos sobre os computadores ....................................................25

    2.5.3 Efeitos sobre os equipamentos mdicos hospitalares..................28

  • XII

    2.5.4 Efeitos sobre os acionamentos de velocidade varivel ................31

    2.6 Dados Estatsticos de Ocorrncia de Afundamentos de Tenso e os

    Prejuzos Financeiros para as Empresas Submetidas a este Distrbio.....34

    2.7 Consideraes Finais.................................................................................41

    CAPTULO III CONVERSOR BOOST E SUA APLICAO EM PFC

    POWER FACTOR CORRECTION

    3.1 Consideraes Iniciais ...............................................................................42

    3.2 Princpio de operao do Conversor Boost................................................43

    3.2.1 Equaes bsicas do conversor boost .........................................45

    3.2.1.1 Modo de conduo contnua (MCC) ..........................45

    3.2.1.2 Modo de conduo descontnua (MCD) ....................47

    3.3 Conversor Boost como Pr-Regulador para Correo

    do Fator de Potncia .................................................................................48

    3.3.1 Conceitos e definies .................................................................48

    3.3.2 Circuitos retificadores convencionais ...........................................54

    3.3.3 Conversor boost como retificador de alto fator

    de potncia...................................................................................58

    3.4 Conversor Boost Controlado pelo Circuito Integrado 3854 ........................65

    3.4.1 Caractersticas bsicas do circuito de controle.............................65

    3.4.2 Caractersticas gerais dos circuitos integrados de controle..........67

    3.4.3 Controle com o circuito integrado UC3854...................................69

    3.4.4 Caractersticas do circuito integrado UC3854 ..............................72

    3.5 Consideraes Finais.................................................................................77

  • XIII

    CAPTULO IV PROPOSTA DE CONTROLE PARA MELHORIA DA

    SUPORTABILIDADE DOS CONVERSORES BOOST PFC PERANTE OS

    AFUNDAMENTOS DE TENSO

    4.1 Consideraes Iniciais ...............................................................................79

    4.2 Princpio de Operao do Conversor Proposto..........................................80

    4.3 Metodologia de Projeto ..............................................................................82

    4.3.1 Estratgias de estudo...................................................................82

    4.3.2 Projeto do conversor proposto......................................................89

    4.3.2.1 Especificao geral .........................................................89

    4.3.2.2 Especificao do indutor boost .......................................89

    4.3.2.3 Capacitor de sada..........................................................91

    4.3.2.4 Especificao do resistor Rs para monitoramento

    da corrente......................................................................91

    4.3.2.5 Especificao dos resistores do divisor de tenso

    que estabelece o limite de corrente mxima no

    conversor PKLMT...........................................................92

    4.3.2.6 Especificao dos resistores de polarizao das

    entradas Vff e IAC do multiplicador analgico.................93

    4.3.2.7 Especificao do capacitor CT que determinar a

    freqncia de chaveamento do conversor ......................98

    4.3.2.8 Compensao do amplificador de erro de corrente ........98

    4.3.2.9 Compensao do amplificador de erro de tenso.........100

    4.3.2.10 Especificao dos capacitores Cff1 e Cff2 da malha

    feedforward ..............................................................103

    4.3.2.11 Especificao da ponte retificadora / do transistor

    IGBT / do diodo boost .................................................105

  • XIV

    4.3.2.12 Tcnica para operao como PFC ou regulador de

    tenso em SAG .......................................................105

    4.3.2.13 Sistema de superviso da rede eltrica ......................107

    4.3.2.13.1 Descrio do sistema e caractersticas

    do LPC2138 ............................................107

    4.3.2.13.2 Descrio do circuito eletrnico do

    sistema de superviso da rede eltrica

    e seu princpio de funcionamento ...........108

    4.3.2.13.3 Software de programao do sistema de

    superviso Firmware............................113

    4.3.2.14 Especificao das protees contra sobrecorrente

    no IGBT e contra sobretenso na sada do

    conversor ....................................................................122

    4.3.2.15 Implementao do soft-start manual.........................125

    4.3.2.16 Diagrama de conversor PFC proposto........................127

    4.3.3 Construo do prottipo e testes iniciais ....................................128

    4.3.3.1 Fases de construo.....................................................128

    4.3.3.2 Testes iniciais realizados ..............................................134

    4.4 Resultados Experimentais .......................................................................140

    4.4.1 Conversor proposto submetido s condies normais

    de operao ...............................................................................141

    4.4.2 Comparativo entre a operao do conversor PFC

    convencional e a operao do conversor proposto quando

    submetidos a afundamentos de tenso ......................................148

    4.4.3 Comparativo do ripple de sada entre a operao do

    conversor PFC convencional e a operao do conversor

    proposto.....................................................................................160

  • XV

    4.4.4 Comportamento da tenso de sada em funo das

    variaes da tenso de entrada .................................................163

    4.5 Consideraes Finais...............................................................................169

    CAPTULO V CONCLUSES GERAIS ........................................................171

    REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

    1 Publicaes Consultadas............................................................................175

    2 Artigos Publicados ......................................................................................180

    APNDICES

    01 Algoritmo do Sistema de Superviso da Rede Eltrica desenvolvido em

    Linguagem C para o Microcontrolador LPC2138......................................181

    02 Artigo Publicado em Congresso................................................................190

    ANEXOS

    AN.1 Estrutura do Microcontrolador LPC2138.............................................197

    AN.2 Data Sheet SEMIKRON High Power IGBT Driver SKHI10 .................199

    AN.3 Data Sheet SEMIKRON Ponte Retificadora SKD30 ...........................207

    AN.4 Data Sheet SEMIKRON Transistor IGBT SK30GAL...........................210

    AN.5 Catlogo MGSEL Indutor Boost Ncleo de Ferrite 3mH ....................214

  • XVI

    LISTA DE FIGURAS

    Figura 2.1 Afundamento de tenso devido a um curto-circuito ........................16

    Figura 2.2 Variao da tenso eficaz durante um

    afundamento de tenso ..................................................................17

    Figura 2.3 Classificao dos afundamentos conforme a ESKOM....................19

    Figura 2.4 Tenses de fase para um afundamento devido a uma

    falta trifsica (carga em tringulo) .................................................22

    Figura 2.5 Tenses de fase para um afundamento devido a uma

    falta monofsica (carga em estrela) ..............................................22

    Figura 2.6 Tenses de linha para um afundamento devido a uma

    falta monofsica (carga em tringulo) ...........................................22

    Figura 2.7 Tenses de linha para um afundamento devido a uma

    falta bifsica (carga em tringulo) .................................................23

    Figura 2.8 Tenses de fase para um afundamento devido a uma

    falta bifsica terra (carga em estrela)..........................................23

    Figura 2.9 Tenses de linha para um afundamento devido a uma

    falta bifsica terra (carga em tringulo).......................................23

    Figura 2.10 Curva de tolerncia CBEMA [6] ...................................................26

    Figura 2.11 Curva de tolerncia ITIC ...............................................................27

    Figura 2.12 Curva de sensibilidade para os computadores analisados [6] .....28

  • XVII

    Figura 2.13 Sistema Eltrico utilizado no Estudo de Caso [12] ......................29

    Figura 2.14 Comparao entre a curva ITIC e a norma

    IEC 61000 4-11 [12] .....................................................................30

    Figura 2.15 Avaliao de todos os possveis afundamentos segundo a

    norma IEC 61000 4-11 [12] ..........................................................30

    Figura 2.16 Sensibilidade dos Acionamentos de Velocidade Varivel [6] .......31

    Figura 2.17 Curva ITIC para equipamentos da tecnologia da informao

    e curva de tolerncia do conversor comercial sob ensaio [4] .......33

    Figura 2.18 Quantidade de eventos mensais em funo da magnitude

    da tenso......................................................................................34

    Figura 2.19 Quantidade mensal de eventos durante o perodo de medio....35

    Figura 2.20 Diminuio da corrente na baixa tenso devido ao

    afundamento de tenso, indicando parada do processo

    produtivo na indstria [5] .............................................................37

    Figura 2.21 Curva estimativa da sensibilidade equivalente do

    consumidor [16] ............................................................................39

    Figura 2.22 Produo (toneladas) antes e depois da interveno [17] ...........40

    Figura 2.23 Reduo do consumo de energia eltrica no perodo analisado -

    MWh [17] ......................................................................................40

    Figura 3.1 Conversor elevador de tenso Boost [18] ...................................43

    Figura 3.2 Formas de onda tpicas do Conversor Elevador de

    Tenso Boost [18]........................................................................44

    Figura 3.3 Forma de onda da tenso sobre uma indutncia em regime [18] ..45

    Figura 3.4 Caractersticas de sada do conversor elevador de tenso [18] ....48

    Figura 3.5 Relao entre Fator de Potncia e Distoro Harmnica Total ......51

    Figura 3.6 Exemplo de Conta de Energia Eltrica Consumidor

    Industrial [22] .................................................................................53

  • XVIII

    Figura 3.7 Retificador convencional com filtro capacitivo e formas

    de onda caractersticas...................................................................54

    Figura 3.8 Forma de onda, Espectro e DHT da corrente de linha para o

    estgio de entrada de um circuito retificador de fonte

    chaveada [23]..................................................................................55

    Figura 3.9 Retificador monofsico de onda completa com filtro LC

    e formas de onda tpicas.................................................................58

    Figura 3.10 Esquema de uma soluo ativa para correo de fator

    de potncia ....................................................................................59

    Figura 3.11 Esquema de um retificador de alto fator de potncia

    implementado com um conversor boost [25] ................................61

    Figura 3.12 Formas de onda do conversor boost operando como

    PFC no modo descontnuo [25] ...................................................62

    Figura 3.13 Formas de onda do conversor boost operando como

    PFC no modo contnuo .................................................................63

    Figura 3.14 Diagrama simplificado do conversor boost PFC com

    o circuito de controle.....................................................................63

    Figura 3.15 Desempenho do Conversor Boost Resultados de

    Simulao [26] .............................................................................64

    Figura 3.16 Formas de onda do pr-regulador para correo do fator de

    potncia [20] ................................................................................66

    Figura 3.17 Configurao bsica de um circuito de controle para

    correo de fator de potncia .......................................................67

    Figura 3.18 Famlia de circuitos integrados utilizados para controle

    de fator de potncia [28] ...............................................................68

    Figura 3.19 Famlia de circuitos integrados utilizados para controle

    de fator de potncia [28] ...............................................................69

  • XIX

    Figura 3.20 Circuito de controle necessrio para correo de fator

    de potncia ...................................................................................70

    Figura 3.21 Arquitetura interna do circuito integrado UC3854 [35] .................72

    Figura 3.22 Pinagem do circuito integrado UC3854 [35] .................................72

    Figura 3.23 Aplicao tpica de um Conversor PFC com o UC3854 [36] ........74

    Figura 3.24 Formas de onda no comparador do bloco PWM [37] ...................76

    Figura 3.25 Projeto completo de um conversor boost PFC de 250W com o

    UC3854 [35] ..................................................................................77

    Figura 4.1 Pinagem do microcontrolador LPC2138 [45] ...............................108

    Figura 4.2 Sistema de Superviso da Rede Eltrica com o LPC2138 ...........110

    Figura 4.3 Testes iniciais com o Sistema de Superviso da Rede Eltrica

    com o LPC2138 ............................................................................110

    Figura 4.4 Circuito de Deteco de Zero .......................................................111

    Figura 4.5 MC_BOARD Plataforma de Ensaios para o LPC2138...............111

    Figura 4.6 CH2 = Amostra de tenso da rede CH1 = Deteco do Zero ......111

    Figura 4.7 ZOOM CH2 = Amostra de tenso da rede CH1 = Deteco

    do Zero .........................................................................................112

    Figura 4.8 CH1 = Deteco do Zero CH2 = Deteco do Zero Defasada.

    Bordas de descida a cada 180 para gerao da interrupo ......112

    Figura 4.9 Fluxograma geral do software de programao............................115

    Figura 4.10 Equivalente assembler da etapa de comparao .......................116

    Figura 4.11 Rotina de Interrupo Aquisio, Comparao e Atuao no

    PORT..........................................................................................117

    Figura 4.12 Tabela do seno em ponto fixo para gerao da tenso de

    referncia....................................................................................118

    Figura 4.13 Taxa de amostragem gerada pelo Loop de Programa aps a

    deteco da passagem por zero.................................................119

  • XX

    Figura 4.14 CH1 = Deteco do Zero CH2 = Tenso de referncia ............120

    Figura 4.15 CH1 = Amostra de tenso da rede CH2 = Tenso de

    referncia. (NORMAL e ZOOM) .................................................120

    Figura 4.16 Atuao do PORT aps a comparao de um sinal CC com a

    referncia senoidal......................................................................121

    Figura 4.17 Diagrama de blocos do driver SKHI-10 [42] ...............................122

    Figura 4.18 Disposio dos componentes e conectores do driver [42] .........123

    Figura 4.19 Diagrama do circuito de proteo contra sobretenso e

    sinalizao de atuao ...............................................................124

    Figura 4.20 Diagrama completo do conversor PFC com suportabilidade a

    voltage sag ...............................................................................127

    Figura 4.21 Estrutura com o dissipador e a ventoinha para refrigerao dos

    dispositivos de potncia..............................................................128

    Figura 4.22 Estrutura com o circuito de potncia e com a placa de controle

    utilizando o UC3854 ...................................................................129

    Figura 4.23 Circuito de proteo contra sobretenso e sinalizao de

    atuao por sobretenso ou sobrecorrente ................................129

    Figura 4.24 Driver de acionamento do IGBT com proteo automtica

    contra sobrecorrente e circuito de proteo contra

    sobretenso................................................................................130

    Figura 4.25 Driver SKHI10 + Proteo Contra Sobrecorrente +

    Semicondutores de Potncia ......................................................130

    Figura 4.26a Vista frontal da estrutura montada contendo bornes e leds

    de sinalizao ...........................................................................131

    Figura 4.26b Vista traseira do prottipo montado contendo bornes

    para alimentao do circuito de controle..................................131

    Figura 4.27 Teste do circuito de controle na estrutura montada ....................132

  • XXI

    Figura 4.28 Forma de onda do sinal de sada do driver SKHI10 ...................132

    Figura 4.29 Diagrama de conexes do sensor SECOHR 50CI-15 50A [43] ..133

    Figura 4.30 Diagrama de conexes do sensor SETEHR 220BE15 [44] .......133

    Figura 4.31 Placa com os sensores SECOHR 50CI-15 50A,

    SETEHR220BE15 220Vrms e Fonte simtrica +15V/-15V..........134

    Figura 4.32 Montagem em bancada para realizao de testes iniciais..........135

    Figura 4.33 Atuao do soft-start manual e operao como retificador

    convencional ...............................................................................136

    Figura 4.34 Valor da tenso de sada em operao como retificador

    convencional ...............................................................................136

    Figura 4.35 CH1_Forma de onda da tenso de entrada CH2_forma de

    onda da tenso de sada MULTMETRO_Medio do valor

    de referncia do amplificador de erro .........................................137

    Figura 4.36 Valor da tenso de sada em operao como retificador

    PFC pr-regulador para correo do fator de potncia...............137

    Figura 4.37 (a) CH1_Forma de onda da tenso filtrada, CH2_Forma de

    onda da corrente. (b) Detalhamento dos capacitores de

    filtro instalados na sada do sensor de tenso ............................138

    Figura 4.38 Formas de onda na entrada do conversor e medio da

    tenso de sada ..........................................................................139

    Figura 4.39 Formas de onda da tenso e da corrente na entrada do

    conversor_sem VARIVOLT.........................................................139

    Figura 4.40 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_136Vca........142

    Figura 4.41 Formas de onda da tenso de sada_399Vcc.............................142

    Figura 4.42 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_122Vca........143

    Figura 4.43 Formas de onda da tenso de sada_402Vcc.............................143

  • XXII

    Figura 4.44 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_110Vca........144

    Figura 4.45 Formas de onda da tenso de sada_403Vcc.............................144

    Figura 4.46 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_100Vca........145

    Figura 4.47 Formas de onda da tenso de sada_395Vcc.............................145

    Figura 4.48 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_90Vca..........146

    Figura 4.49 Formas de onda da tenso de sada_382Vcc.............................146

    Figura 4.50 Grandezas medidas na entrada e na sada do conversor

    operando como PFC_ Vin=208Vca e Vout=399Vcc...................147

    Figura 4.51 Espectro Harmnico da corrente e da tenso de entrada

    do conversor operando como PFC.............................................147

    Figura 4.52 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema

    convencional_90Vca...................................................................149

    Figura 4.53 Forma de onda da tenso de sada_sistema

    convencional_382Vcc .................................................................149

    Figura 4.54 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema

    proposto_90Vca..........................................................................150

    Figura 4.55 Forma de onda da tenso de sada_sistema

    proposto_405Vcc ........................................................................150

    Figura 4.56 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema

    convencional_80Vca...................................................................151

    Figura 4.57 Forma de onda da tenso de sada_sistema

    convencional_350Vcc .................................................................151

    Figura 4.58 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema

    proposto_80Vca..........................................................................152

    Figura 4.59 Forma de onda da tenso de sada_sistema

    proposto_403Vcc ........................................................................152

  • XXIII

    Figura 4.60 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema

    convencional_70Vca...................................................................153

    Figura 4.61 Forma de onda da tenso de sada_sistema

    convencional_314Vcc .................................................................153

    Figura 4.62 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema

    proposto_70Vca..........................................................................154

    Figura 4.63 Forma de onda da tenso de sada_sistema

    proposto_390Vcc ........................................................................154

    Figura 4.64 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema

    convencional_60Vca...................................................................155

    Figura 4.65 Forma de onda da tenso de sada_sistema

    convencional_271Vcc .................................................................155

    Figura 4.66 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema

    proposto_60Vca..........................................................................156

    Figura 4.67 Forma de onda da tenso de sada_sistema

    proposto_371Vcc ........................................................................156

    Figura 4.68 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema

    convencional_50Vca...................................................................157

    Figura 4.69 Forma de onda da tenso de sada_sistema

    convencional_236Vcc .................................................................157

    Figura 4.70 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema

    proposto_50Vca..........................................................................158

    Figura 4.71 Forma de onda da tenso de sada_sistema

    proposto_363Vcc ........................................................................158

    Figura 4.72 Grandezas medidas na entrada e na sada do conversor_

    operao em SAG_ Vin=60Vca e Vout=371Vcc ........................159

  • XXIV

    Figura 4.73 Espectro Harmnico da corrente e da tenso de entrada

    do conversor operando em situao de SAG ............................159

    Figura 4.74 Forma de onda da tenso de sada_controle PFC_100Vca .......161

    Figura 4.75 Forma de onda da tenso de sada_controle

    voltage sag_100Vca ..................................................................161

    Figura 4.76 Forma de onda da tenso de sada_controle PFC_90Vca .........162

    Figura 4.77 Forma de onda da tenso de sada_controle

    voltage sag_90Vca ....................................................................162

    Figura 4.78 Ajuste do registrador para visualizao do valor real

    de tenso ....................................................................................163

    Figura 4.79 Ajuste do registrador para visualizao do valor real

    de tenso ....................................................................................163

    Figura 4.80 CH1_Tenso de entrada, CH2_Tenso de sada.

    Comportamento da tenso de entrada e da tenso de

    sada Pr-afundamento ...........................................................164

    Figura 4.81 CH1_Tenso de entrada, CH2_Tenso de sada.

    Comportamento da tenso de entrada e da tenso de

    sada Pr-afundamento ...........................................................165

    Figura 4.82 CH1_Tenso de entrada, CH2_Tenso de sada.

    Comportamento da tenso de entrada e da tenso de

    sada Instante de acionamento do controle de voltage sag

    em 90Vca ...................................................................................166

    Figura 4.83 CH1_Tenso de entrada, CH2_Tenso de sada.

    Comportamento da tenso de entrada e da tenso de

    sada Afundamento at 50Vca.................................................167

  • XXV

    Figura 4.84 CH1_Tenso de entrada, CH2_Tenso de sada.

    Comportamento da tenso de entrada e da tenso de

    sada Afundamento abaixo de 50Vca......................................167

    Figura 4.85 CH1_Tenso de entrada, CH2_Tenso de sada.

    Comportamento da tenso de entrada e da tenso de

    sada Ps-afundamento 90Vca ~122Vca.................................168

    Figura 4.86 CH1_Tenso de entrada, CH2_Tenso de sada.

    Comportamento da tenso de entrada e da tenso de

    sada Ps-afundamento 122Vca ~150Vca...............................168

  • XXVI

    LISTA DE TABELAS

    Tabela 2.1 Classificao dos VTCDs segundo da Norma IEEE 1159-1995 ......20

    Tabela 2.2 Nveis de Suportabilidade dos Equipamentos Mdicos segundo

    a Norma IEC 61000 4-11 .................................................................29

    Tabela 2.3 Regio de sensibilidade dos equipamentos eletroeletrnicos [6] .....32

    Tabela 2.4 Quantidade de eventos ocorridos durante 365 dias.........................35

    Tabela 2.5 Quantidade e classificao dos eventos durante o perodo

    de medio [5] ................................................................................37

    Tabela 2.6 Mdia de ocorrncia (afundamentos) por ano para uma amostra

    de 120 sorteios (120 anos) Monitorao barra do

    consumidor [16] ...............................................................................38

    Tabela 2.7 Estimativa da faixa de sensibilidade dos equipamentos do

    processo [16] ...................................................................................39

    Tabela 2.8 Quantidade de Energia Economizada [17].......................................40

    Tabela 3.1 IEC61000-3-2 Limites de correntes harmnicas para os

    equipamentos da Classe A ..............................................................57

    Tabela 3.2 IEC61000-3-2 Limites de correntes harmnicas para os

    equipamentos da Classe C ..............................................................57

    Tabela 3.3 IEC61000-3-2 Limites de correntes harmnicas para os

    equipamentos da Classe D ..............................................................57

    Tabela 4.1 Sntese dos resultados selecionados para apresentao ................84

  • XXVII

    LISTA DE ABREVIATURAS E SMBOLOS

    ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica

    ASDs Adjustable Speed Drives

    AVV Acionamento de Velocidade Varivel

    C0 Capacitor de sada

    CA Corrente Alternada

    CBEMA Computer Business Equipment Manufactures Association

    CC Corrente Contnua

    Ccp Capacitor da malha de realimentao de corrente

    Ccz Capacitor da malha de realimentao de corrente

    Cff1 Capacitor da malha Feedforward

    Cff2 Capacitor da malha Feedforward

    CH0 Chave analgica 0 (zero)

    CH1 Chave analgica 1 (um)

    CI Circuito Integrado

    CLPs Controladores Lgicos Programveis

    CT Capacitor que determina a freqncia do oscilador

    Cvf Capacitor da rede de realimentao da tenso de sada

    DC Direct Current

    DPF Fator de deslocamento

  • XXVIII

    DVR Dynamic Voltage Restorer

    Ciclo de trabalho ou razo cclica - duty cycle

    i Ondulao de corrente ripple

    t Perodo de tempo - hold-up time

    Vrs Valor da tenso de pico-a-pico sobre o resistor de amostragem

    E Tenso de entrada

    fch Freqncia de chaveamento

    fci Freqncia de corte da realimentao de corrente

    fp Plo de freqncia

    fr Freqncia de 2 harmnica

    fvi Freqncia de ganho unitrio do loop de tenso

    Gca Ganho do amplificador de erro de corrente

    Gff Ganho de atenuao da malha Feedforward

    Gva Ganho do amplificador de erro de tenso

    i(t) Corrente de entrada do conversor

    i0(t) Corrente de sada do conversor

    I1 Amplitude da componente fundamental

    Iac Corrente de entrada do multiplicador

    ID Corrente no diodo boost

    IEC International Electrotechnical Commission

    IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

    ig(t) Corrente de sada do retificador (entrada do conversor boost)

    Ii Corrente de entrada do conversor

    IL Corrente no indutor boost

    Imo Corrente de sada do multiplicador analgico

    In Amplitude das nth componentes harmnicas

  • XXIX

    Io Corrente de sada

    Ipk Corrente mxima de pico no conversor

    Ipk (mx) Corrente mxima no conversor

    Ipk(ovld) Corrente mxima em sobrecarga

    IT Corrente no transistor

    ITIC Information Technology Industry Council

    Km Constante do multiplicador analgico - igual a 1

    L Valor da indutncia

    MCC Modo de Conduo Contnua

    MCD Modo de Conduo Descontnua

    N Nmero de amostras por ciclo

    Rendimento do conversor proposto

    ONS Operador Nacional do Sistema Eltrico

    P Potncia ativa

    p(t) Potncia de entrada do conversor

    p0(t) Potncia de sada do conversor

    PCs Microcomputadores

    PF Fator de Potncia

    PFC Power Factor Correction

    Pin Potncia de entrada do conversor proposto

    Pmx

    Potncia til mxima

    Pout Potncia de sada do conversor proposto

    PWM Pulse Width Modulation

    Rb1 Resistor que limita a corrente CC na entrada do multiplicador

    Rci Resistor da malha de ganho do amplificador de corrente

    Rcz Resistor da malha de ganho do amplificador de corrente

  • XXX

    Re Valor hipottico da resistncia apresentada pelo conversor

    Rff1 Resistor do divisor de tenso malha de entrada Vff

    Rff2 Resistor do divisor de tenso malha de entrada Vff

    Rff3 Resistor do divisor de tenso malha de entrada Vff

    Rmo Resistor que limita a corrente de sada do multiplicador

    RMS Root Mean Square

    Rpk1 Resistor do divisor de tenso proteo contra sobrecarga

    Rpk2 Resistor do divisor de tenso proteo contra sobrecarga

    Rs Resistor utilizado para monitoramento da corrente

    Rset Resistor que limita a corrente de sada do multiplicador e de carga

    do oscilador

    Rv1 Resistor da rede de realimentao da tenso de sada

    Rvac Resistor que limita a corrente de entrada do multiplicador

    Rvd Resistor da rede de realimentao da tenso de sada

    Rvf Resistor da rede de realimentao da tenso de sada

    S Potncia aparente

    SSTS Solid State Transfer Switch

    STATCOM Static Compensator

    T Perodo de tempo analisado

    t2 Tempo de conduo do diodo boost

    THD Total Harmonic Distortion

    tT Tempo de conduo do transistor

    tX Tempo em que a corrente no indutor igual a zero

    Perodo da freqncia de operao da chave (transistor)

    UPS Uninterruptible Power Supply

    V(i) Tenso amostrada no domnio do tempo

  • XXXI

    v(t) Tenso de alimentao do conversor

    V0(pk) Valor de pico do ripple da tenso de sada

    v0(t) Tenso de sada do conversor

    VAF@RMS Valor da tenso eficaz durante o afundamento

    Vff Tenso feedforward

    Vffc Tenso feedforward (outro n do divisor)

    vg(t) Tenso de sada do retificador (entrada do conversor boost)

    Vin(av) Valor mdio da tenso

    Vin(min) Valor mnimo da tenso RMS de entrada

    VL Tenso no indutor boost

    Vo Tenso de sada

    Vpk(mx) Valor de pico da tenso de entrada

    Vrs Valor da queda de tenso no resistor Rs

    Vrs(ovld) Tenso sobre o resistor Rs durante a sobrecarga

    VSI Conversores por Tenso Imposta

    VT Tenso no transistor

    VTCD Variaes de Tenso de Curta Durao

    Vvao Sinal de tenso no pino 7 do UC3854 (Vvea 1)

    Vvea Sinal de sada do amplificador de erro de tenso

  • 1

    CAPTULO I

    INTRODUO

    1.1 rea de Concentrao da Dissertao e a Importncia do

    Tema

    Os problemas relacionados Qualidade de Energia Eltrica podem ser

    caracterizados como quaisquer distrbios manifestados nos nveis de tenso e nas

    formas de onda desta ou da corrente, que possam resultar em insuficincia, m

    operao, falha ou defeito em equipamentos de um sistema eletroeletrnico.

    O conceito de qualidade no fornecimento de energia eltrica pode ser entendido

    como o pleno atendimento a dois requisitos tcnicos, sendo eles, a continuidade de

    fornecimento e a qualidade da tenso de alimentao. Os indicadores confiabilidade e

    disponibilidade descrevem o quesito continuidade de fornecimento, sendo a

    confiabilidade definida somente pelo nmero de cortes de energia em um determinado

    perodo de tempo e a disponibilidade caracterizada pelo nmero de interrupes, pela

    durao de cada uma e pela somatria das duraes destas no perodo de um ano. J

    o requisito qualidade da tenso pode ser descrito em termos de sua amplitude,

    freqncia e simetria das trs tenses de fase. Pode-se representar a perda da

    qualidade na tenso de alimentao a partir de suas perturbaes, seja em sua forma

    de onda ou em seu valor eficaz [1].

    As preocupaes de consumidores, fabricantes e concessionrias com os

    quesitos supracitados tm aumentado a cada dia, pois os equipamentos atualmente

    utilizados tornaram-se mais sensveis s variaes na qualidade da energia fornecida.

  • Captulo I Introduo

    2

    Os equipamentos baseados em eletrnica de potncia so, normalmente, fontes

    de distrbios para outros circuitos eletrnicos. Particularmente, pode-se citar a injeo

    de componentes harmnicos no sistema eltrico. Embora alguns equipamentos j

    produzam estas distores harmnicas h algum tempo, a crescente utilizao destes

    em escala industrial, comercial e residencial tem agravado bastante este problema.

    Os circuitos retificadores so de grande aplicao para os equipamentos

    eletroeletrnicos industriais, comerciais e residenciais, constituindo o estgio de

    entrada destes sistemas. Como exemplo, pode-se citar os conversores de freqncia,

    os quais utilizam circuitos retificadores para promover a tenso contnua imposta no

    barramento CC, ou, link DC destes equipamentos.

    Esses circuitos retificadores possuem filtro capacitivo para prover uma tenso

    contnua de baixo ripple na sada. Sendo assim, quando a tenso de entrada (lado

    CA) torna-se menor que a tenso no capacitor (lado CC), os diodos da ponte

    retificadora ficam bloqueados e a corrente de sada fornecida exclusivamente pelo

    capacitor, o qual vai se descarregando at que a tenso de entrada fique maior,

    provocando assim, a recarga do mesmo. O fato de o capacitor se carregar somente

    nos picos da tenso de entrada, faz com que a forma de onda da corrente na entrada

    seja muito diferente de uma senide, apresentando pulsos somente nos momentos de

    recarga. Portanto, esse estgio inicial dos equipamentos eletroeletrnicos provoca

    uma corrente de entrada distorcida, impondo assim, uma elevada Distoro Harmnica

    Total (THD Total Harmonic Distortion) e, consequentemente, um baixo fator de

    potncia. Dentre as desvantagens da alta distoro harmnica e do baixo fator de

    potncia, citam-se as limitaes de potncia ativa a ser absorvida da rede de

    alimentao, o sobre-dimensionamento das instalaes eltricas, a possibilidade de

    pagamento de multas por consumo excedente de reativos, o aumento das perdas nos

    transformadores, a m operao de outros equipamentos conectados mesma rede,

    alm da excitao de ressonncias nos sistemas de potncia, as quais provocam picos

    de tenso e de corrente que podem danificar os dispositivos conectados linha [2].

    Alm da alta distoro harmnica de corrente e do baixo fator de potncia, esses

    circuitos retificadores podem apresentar problemas em sua operao quando

    submetidos a Afundamentos Temporrios de Tenso (voltage sags).

  • Captulo I Introduo

    3

    Estudos realizados por Leo, Oliveira e Rodrigues [3], citam que a presena de

    um afundamento de tenso, evento este definido como uma reduo do valor eficaz da

    componente fundamental da tenso causado por curtos-circuitos, sobrecargas ou

    fenmenos naturais, na entrada de um conversor de freqncia, por exemplo, pode

    restringir a faixa de vetores de tenso possveis de serem sintetizados pelo controle,

    afetando o desempenho dinmico do sistema para determinadas condies de carga.

    Mesmo que tal restrio no afete a condio de operao vigente do sistema de

    acionamento, a compensao da reduo de tenso no link DC, realizada pela malha

    de controle de tenso na sada do inversor, implica em elevao dos nveis de corrente

    de entrada, podendo provocar a atuao do sistema de proteo, gerando assim,

    desligamentos e parada de produo.

    A continuidade da operao de um sistema eletroeletrnico durante o

    afundamento de tenso depende da capacidade de corrente dos dispositivos

    eletrnicos envolvidos e do respectivo limite de proteo imposto. Caso a proteo no

    atue, a tenso de entrada ao retornar o seu valor nominal implicar elevados picos de

    corrente, os quais, dependendo da suportabilidade dos semicondutores e caso no

    exista circuitos apropriados de inrush, podem vir a danificar os diodos da ponte,

    gerando custos de manuteno e, mais uma vez, parada de produo [3].

    Leo [4] cita em sua tese de doutorado que Thomas Key, em seu trabalho

    intitulado como Diagnosing Power Quality Related Computer Problems de 1979, j

    advertia que a proliferao de equipamentos eletroeletrnicos em sistemas de

    processamento de dados, comunicaes e controle de processos iria requerer novos

    padres de qualidade do suprimento de energia eltrica. Esse documento apresentou

    as causas de interrupo da operao de computadores, ou mau funcionamento

    destes, em instalaes da Marinha Americana, concluindo que os afundamentos de

    tenso foram responsveis pela maioria dos problemas encontrados.

    Sendo assim, percebe-se que a garantia de uma boa qualidade da tenso na

    alimentao dos sistemas eletroeletrnicos contribui para a promoo de uma maior

    produtividade, conforto e segurana das pessoas e dos equipamentos, sendo o

    afundamento de tenso, ou, voltage sag, o evento de maior relevncia dentre os

    problemas relacionados Qualidade de Energia Eltrica.

  • Captulo I Introduo

    4

    1.2 Estado da Arte e Contribuies desta Dissertao

    Diante deste quadro de problemas relacionados ao baixo fator de potncia e s

    elevadas distores harmnicas nos sistemas de alimentao, bem como os grandes

    impactos econmicos advindos dos desligamentos inesperados dos equipamentos

    eletroeletrnicos, torna-se necessrio adotar estratgias que permitam minimizar estes

    problemas oriundos da falta de qualidade no fornecimento de energia eltrica.

    Na maioria dos conversores estticos empregados em fontes chaveadas, fontes

    ininterruptas de energia (UPS), carregadores de baterias e outros dispositivos

    eletrnicos, o estgio de entrada, responsvel pela converso CA/CC, composto de

    uma ponte retificadora a diodos associada a um capacitor de valor expressivo. Esta

    associao gera uma carga no linear que se caracteriza por uma corrente de entrada

    pulsante e forma de onda no-senoidal, tendo como conseqncia a injeo de

    elevado contedo harmnico de corrente no sistema de energia eltrica.

    Conversores pr-reguladores para correo do fator de potncia (PFC) tm sido

    umas das solues mais adequadas para reduzir o efeito da corrente de entrada

    pulsante gerada pelas cargas no lineares. Tais conversores garantem que a corrente

    de entrada siga a tenso da rede, fazendo com que ambas as grandezas, corrente e

    tenso de entrada, estejam em fase, resultando em um alto fator de potncia e uma

    mnima injeo de harmnicos de corrente na rede eltrica.

    No obstante os conversores PFC constiturem uma soluo consolidada para

    os problemas relacionados ao baixo fator de potncia, estes se apresentam vulnerveis

    perante os afundamentos temporrios de tenso, os quais podem implicar em

    desligamentos ou m operao das cargas alimentadas por estes conversores. Tais

    desligamentos ou falhas podem promover grandes prejuzos financeiros para a

    indstria.

    Desta forma, torna-se necessria a adoo de alternativas que permitam

    aumentar a suportabilidade ride-through capability dos equipamentos eletroeletrnicos

    sensveis, particularmente, diante dos afundamentos de tenso.

    O conceito de aumento da suportabilidade est relacionado habilidade de um

    sistema suprir adequadamente a potncia requerida pela carga, garantindo seu bom

    funcionamento sob condies de distrbios, ou, em se tratando de processo industrial

  • Captulo I Introduo

    5

    crtico, em manter a operao contnua deste, sem perda de qualidade do produto

    associado.

    Usualmente, as alternativas para minimizar os impactos dos afundamentos de

    tenso podem ser agrupadas em diferentes categorias, dependendo da estratgia

    adotada para tal fim. So vrias as opes tcnicas disponveis, ou ainda em fase de

    pesquisa, visando aumentar o nvel de suportabilidade dos equipamentos

    eletroeletrnicos sensveis. A escolha de qual opo deve ser utilizada depende de

    circunstncias especficas e estudos apropriados.

    De uma forma geral, as solues para contornar os problemas causados pelos

    afundamentos podem ser agrupadas da seguinte forma:

    Grupo I modificaes no sistema de potncia da concessionria;

    Grupo II instalao de equipamentos entre a concessionria e o consumidor,

    ou no prprio sistema industrial para minimizao dos distrbios;

    Grupo III melhorias na imunidade dos equipamentos e suas cargas.

    As modificaes no sistema da concessionria podem incluir aes para a

    reduo do nmero de faltas e do tempo de eliminao das mesmas que determinam,

    respectivamente, a quantidade de ocorrncias de afundamentos em um determinado

    local e a durao desses eventos. Rheinheimer, Capinos e Kotlinski [5] declaram que a

    concessionria deve proceder no sentido de programar medidas preventivas, ou seja,

    que venham a combater as origens dos distrbios. recomendvel que a mesma

    elabore um plano de manuteno especial em seus alimentadores, os quais podem ser

    apontados como a principal fonte geradora dos afundamentos de tenso. As aes

    consistem na verificao e, se necessrio, na substituio de isoladores e pra-raios,

    na instalao de novas cruzetas e chaves seccionadoras, na intercalao de postes em

    circuitos, na retirada de objetos estranhos rede, na melhoria de malhas de

    aterramento, na inspeo por termografia, na implementao de uma rgida poltica de

    podas de rvores e no aumento da freqncia de manuteno e inspeo das redes de

  • Captulo I Introduo

    6

    distribuio. Cabe tambm uma anlise do carregamento nos barramentos em funo

    da carga que est sendo atendida. recomendvel que, no caso dos consumidores

    industriais, dependendo da sensibilidade e da caracterstica da carga, estes devem ser

    atendidos por um nico alimentador, ou seja, deve-se diminuir a ramificao dos ramais

    que atendam cargas industriais.

    Por parte da indstria, ainda segundo Rheinheimer et al. [5], algumas medidas

    podem ser tomadas de forma a minimizar as paradas de produo por desligamentos

    intempestivos ocasionados pelos afundamentos temporrios de tenso, sendo algumas

    delas enquadradas na categoria de solues pertencentes ao Grupo II. So elas:

    Dessensibilizao dos dispositivos de proteo, o qual consiste na mudana do

    grau de sensibilidade dos rels de falta de fase e assimetria entre as fases, de

    forma que um possvel distrbio no cause danos mquina e que a proteo

    no atue com a ocorrncia de distrbios de pouca relevncia;

    Instalao de Chaves Estticas de Transferncia (SSTS Solid State Transfer

    Switch);

    Utilizao de restauradores dinmicos de tenso (DVR Dinamic Voltage

    Restorer);

    Utilizao de Compensadores Estticos (STATCOM Static Compensator);

    Criao de uma rede estabilizada a partir da utilizao de um Sistema de

    Energia Ininterrupta (UPS Uninterruptible Power Supply).

    As chaves estticas de transferncia mantm a energia necessria

    operao de um determinado consumidor atravs da rpida transferncia da carga

    conectada a um alimentador sob efeitos de um distrbio, para um alimentador

    independente. Duas chaves so responsveis por conectar a carga ao suprimento

    principal ou ao suprimento reserva. Durante a operao normal, uma das chaves

  • Captulo I Introduo

    7

    encontra-se fechada e a outra aberta. Na ocorrncia de um afundamento ou

    interrupo no alimentador principal, as chaves complementam os seus estados,

    fazendo com que a carga seja conectada ao sistema de alimentao reserva. As

    chaves estticas so mais velozes comparadas s chaves mecnicas.

    Os Restauradores Dinmicos de Tenso (DVRs) constituem um controlador

    srie de tenso, composto por trs sistemas principais: inversores PWM, sistema de

    armazenamento de energia e transformador de injeo em srie. O afundamento no

    sistema minimizado pela injeo da diferena entre a tenso desejada para a carga e

    a tenso real durante o afundamento. Essa tenso de compensao sintetizada nos

    inversores PWM alimentados pelo sistema de armazenamento de energia injetada no

    sistema de distribuio atravs do transformador em srie. Sob condies normais de

    operao, o DVR injeta apenas uma pequena tenso para compensar a reatncia srie

    do transformador e as perdas do equipamento. Durante o afundamento, o sistema de

    controle do DVR faz uma estimativa e aplica a tenso requerida para manter a tenso

    de sada dentro de limites pr-definidos.

    Os Compensadores Estticos STATCOM so controladores de tenso

    utilizados para mitigar os afundamentos de tenso e, alm disso, controlar a potncia

    reativa requerida pela carga. A configurao do STATCOM similar do controlador

    srie comentado anteriormente, exceto pela injeo de uma corrente atravs do

    transformador shunt que pode elevar a tenso no barramento, alm de melhorar a

    qualidade da corrente e do fator de potncia.

    J os Sistemas de Energia Ininterrupta (UPS) so os mais utilizados para

    mitigar afundamentos em funo de seu baixo custo e facilidade operacional. A

    unidade UPS constituda basicamente por um retificador, um sistema de

    armazenamento de energia, um inversor de tenso e uma chave esttica. Durante a

    operao normal, a UPS retifica a tenso CA do sistema supridor e, na seqncia, a

    inverte para uma tenso CA de mesma freqncia e valor eficaz. A tenso CC

    mantida em um valor ligeiramente superior tenso nos terminais do banco de

    baterias, o qual permanece em stand by na ausncia de distrbios. Como em

    condies normais a potncia requerida pela carga suprida pelo sistema da

    concessionria atravs do conjunto retificador-inversor, uma chave esttica de

    transferncia utilizada como by-pass para prevenir interrupo na alimentao da

    carga devido s falhas eventuais dos semicondutores que compem os blocos

  • Captulo I Introduo

    8

    retificador e inversor. Durante um afundamento de tenso ou interrupo, o bloco de

    armazenamento de energia pode manter a tenso no barramento CC por alguns

    minutos ou at horas, dependendo da capacidade do banco de baterias.

    As solues pertencentes ao Grupo II atendem alguns aspectos relacionados

    melhoria da qualidade de energia, porm, dependendo da soluo adotada,

    apresentam desvantagens como custos elevados, necessidade de gerao prpria ou

    manuteno de um sistema de baterias, ou ainda, elevada demanda de potncia ativa

    para compensao da tenso e perdas elevadas quando em condies normais de

    operao [4].

    Alm destas medidas, recomenda-se indstria avaliar os efeitos dos

    afundamentos em componentes do sistema eltrico, sendo eles, lmpadas de vapor de

    mercrio e sdio, CLPs, inversores de freqncia, contatores, rels e motores, com

    intuito de traar suas respectivas curvas de suportabilidade e compar-las com as

    curvas normalizadas existentes, de forma a subsidiar a criao de alternativas para

    mitigao do fenmeno afundamento de tenso.

    Dentro do contexto das solues pertencentes ao Grupo III, destinados

    melhoria da imunidade dos equipamentos eletroeletrnicos, pode-se citar as

    modificaes em suas topologias e/ou operaes. Dentre as alteraes propostas,

    incluem-se as aes de controle para garantia da continuidade de operao durante a

    ocorrncia do distrbio, a adio de capacitores ou baterias ao barramento CC e a

    insero de conversores boost.

    Com relao s aes de controle, uma das estratgias utilizadas pelos

    fabricantes de alguns AVVs Acionamentos de Velocidade Varivel (ASDs

    Adjustable Speed Drives), consiste em dotar o equipamento de funes que permitam

    desabilitar o conversor durante o afundamento, inibindo a atuao da proteo, de

    forma que o motor gire livremente e no mais acione a carga, evitando sobrecorrentes

    e oscilaes de torque. Aps a restaurao da tenso, o AVV pode ser

    automaticamente reiniciado. A desvantagem desse mtodo que a carga desacelera

    durante o perodo do afundamento e o processo de produo pode no permitir essa

    alterao de velocidade do motor.

    A adio de capacitores como incremento capacitncia original, resulta em

    menor ripple CC e maior quantidade de energia armazenada para suprir o inversor e

  • Captulo I Introduo

    9

    o conjunto motor-carga durante afundamentos. Por outro lado, tal alterao pode

    tambm resultar em maiores picos de corrente durante a operao normal e na

    ocorrncia de afundamentos, podendo comprometer, dessa forma, os componentes

    eletrnicos do equipamento e/ou aumentar a freqncia de atuao do sistema de

    proteo.

    A insero de um conversor boost promove uma melhoria da qualidade da

    tenso no elo CC durante os afundamentos. Tal recurso pode ser integrado a um

    sistema CC ou alimentado pelo sistema CA. O mdulo pode ser adicionado a um

    conversor j existente para assegurar suportabilidade ao mesmo, ou a um barramento

    CC comum a vrios conversores. Durante um afundamento, o conversor boost percebe

    a queda de tenso no elo CC e a regula para uma tenso pr-definida que garanta a

    continuidade da operao do AVV. No entanto, esta soluo apresenta a desvantagem

    de exigir equipamentos adicionais que devem atender a novos requisitos de proteo

    durante os afundamentos.

    A contribuio deste trabalho est inserida no contexto do Grupo III, ou seja, o

    de promover melhorias na imunidade dos equipamentos, bem como de suas cargas.

    Esta dissertao tem a proposta de implementar um sistema retificador com alto fator

    de potncia, que seja capaz de compensar exclusivamente a tenso de sada durante a

    ocorrncia de afundamentos de tenso na entrada. Ou seja, durante condies normais

    de operao da rede de alimentao, o retificador promover um alto fator de potncia

    e minimizar a imposio de correntes harmnicas na entrada, melhorando assim,

    esses aspectos relacionados Qualidade de Energia Eltrica. Na ocorrncia de um

    afundamento de tenso, o sistema de controle desse retificador priorizar a regulao

    da tenso de sada, objetivando garantir a continuidade da operao do equipamento

    alimentado, evitando, dessa forma, a atuao dos sistemas de proteo, bem como os

    desligamentos e as paradas de produo.

    Sendo assim, este trabalho se concentrar nas justificativas para implementao

    do sistema e na seqncia de estudos realizados para concepo do retificador de alto

    fator de potncia e de alta suportabilidade a voltage sag, tendo, dentro das limitaes

    impostas pelos recursos disponveis, a validao de sua operao atravs da

    realizao de ensaios laboratoriais e apresentao dos resultados experimentais.

  • Captulo I Introduo

    10

    1.3 A Estrutura da Dissertao

    Para alcanar os objetivos traados, alm deste captulo introdutrio, esta

    dissertao encontra-se estruturada da seguinte forma:

    Captulo II Impactos dos Afundamentos de Tenso nos Sistemas

    Eletroeletrnicos Industriais e os Prejuzos Econmicos das

    Empresas Submetidas a estes Distrbios

    Este captulo destina-se a apresentar conceitos e definies associados

    aos afundamentos de tenso. So apresentadas as origens deste evento,

    sua classificao com referncia a normas, dados estatsticos

    relacionados freqncia de sua ocorrncia, sendo estes dados oriundos

    de estudos desenvolvidos no Brasil e exterior. Alm disso, so estudados

    os impactos dos afundamentos de tenso sobre os equipamentos

    eletroeletrnicos residenciais, comerciais e industriais, tais como,

    microcomputadores, equipamentos mdico hospitalares, controladores

    lgicos programveis, dentre outros. So tambm analisados e

    quantificados alguns prejuzos financeiros de empresas, os quais foram

    ocasionados pela ocorrncia destes distrbios. Melhoria dos aspectos

    econmicos oriundos de aes para mitigao do fenmeno afundamento

    de tenso tambm so apresentados, de forma a ressaltar a importncia

    dos estudos que buscam novas alternativas para melhoria da

    suportabilidade dos equipamentos perante estes eventos.

    Captulo III Conversor Boost e sua Aplicao em PFC Power Factor Correction

    Neste captulo, inicialmente realizado um estudo do princpio de

    operao de um conversor CC/CC na topologia boost. Na seqncia, so

    abordados conceitos sobre fator de potncia e distores harmnicas,

    bem como a contribuio dos sistemas retificadores convencionais para

    esses aspectos relacionados perda da qualidade de energia.

  • Captulo I Introduo

    11

    Adicionalmente, apresentada como soluo, a aplicao do conversor

    boost em sistemas retificadores operando como retificador de alto fator de

    potncia. Finalmente, realizado um estudo a respeito dos circuitos

    integrados de controle desses conversores, em especial do UC3854, o

    qual constitui componente principal na concepo de controle

    implementada em prottipo nesta pesquisa.

    Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos

    Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    Este captulo apresenta, em um primeiro momento, a descrio completa

    do princpio de operao do conversor proposto quando este submetido

    s condies normais de operao ou aos distrbios ocorridos no sistema

    de alimentao. Na seqncia, apresentada toda a metodologia de

    projeto, ressaltando-se as estratgias de estudo, o projeto completo do

    sistema proposto, as fases de construo do prottipo, bem como os seus

    testes iniciais para verificao de seu funcionamento. Finalmente, so

    apresentados os resultados experimentais para a validao da

    implementao, sendo estes divididos em trs momentos. Primeiramente,

    est apresentada a operao do conversor sob condies normais de

    operao da rede, permitindo a percepo da correo de fator de

    potncia e a imposio de uma corrente de entrada senoidal. Em seguida,

    apresentado um comparativo de operao entre o sistema PFC

    proposto e o sistema PFC convencional, onde se percebe a melhoria da

    regulao e qualidade da tenso de sada no sistema idealizado. Ainda

    sob o aspecto de comparao, analisado o comportamento da tenso

    de sada do conversor PFC proposto, quando este submetido a uma

    condio normal de operao da rede e em diferentes opes de controle,

    ou seja, com o controle acionado ora para correo do fator de potncia e

    ora para operao em voltage sag. Esta ltima comparao tem como

    objetivo demonstrar que o ripple da tenso de sada menor na

    segunda opo de controle, uma vez que esta prioriza a regulao de

    tenso. Finalmente, apresentado um grfico sincronizado das curvas

  • Captulo I Introduo

    12

    dos valores eficazes da tenso de entrada e dos valores mdios da

    tenso de sada, de forma a visualizar o comportamento desta ltima

    frente s variaes ocorridas na tenso de entrada.

    Captulo V Concluses Gerais

    Finalmente, este captulo destina-se a apresentar as principais discusses

    que formam o corpo desta dissertao. Para tanto, so apresentadas as

    etapas de estudos pelas quais se conseguiu atingir os objetivos propostos

    na introduo, ressaltando-se assim, todas as contribuies advindas

    deste trabalho, alm de sugestes para futuros desenvolvimentos nesta

    rea de pesquisa.

  • 13

    CAPTULO II

    IMPACTOS DOS AFUNDAMENTOS DE TENSO NOS

    SISTEMAS ELETROELETRNICOS INDUSTRIAIS E OS

    PREJUZOS ECONMICOS DAS EMPRESAS SUBMETIDAS A

    ESTES DISTRBIOS

    2.1 - Consideraes Iniciais

    Os afundamentos de tenso destacam-se como os mais significativos eventos

    que contribuem para a perda da qualidade de energia de um determinado sistema de

    alimentao. Isso se justifica pelo fato destes distrbios, quer sejam de curta ou de

    longa durao, serem os que mais se fazem presentes na operao dos sistemas

    eltricos em geral [4].

    Um afundamento de tenso ou voltage sag consiste em uma reduo do valor

    eficaz da tenso por um curto perodo de tempo, causada por curtos-circuitos,

    sobrecargas, energizao de transformadores de grande porte ou partidas de motores

    de alta potncia.

    O interesse no estudo deste fenmeno se d, principalmente, pelos problemas

    que podem causar aos vrios tipos de equipamentos eletroeletrnicos, tais como,

    CLPs Controladores Lgicos Programveis, AVVs Acionamentos de Velocidade

    Varivel, Microcomputadores, entre outros. Estes equipamentos podem falhar, caso a

    tenso decresa para um valor abaixo de 0,85 pu e permanea nesta faixa por um

    perodo de tempo equivalente a um ou dois ciclos, tendo como possibilidade, o

    comprometimento do processo produtivo [5].

    Existem vrios estudos que possuem relao com o evento afundamento de

    tenso, dentre eles, algumas dissertaes de mestrado e teses de doutorado. Desta

    forma, neste captulo ser feita uma breve abordagem sobre o tema, tendo como

    referncias alguns artigos e normas, objetivando o resgate de aspectos importantes

  • Captulo II Impactos dos Afundamentos de Tenso nos Sistemas Eletroeletrnicos Industriais e os Prejuzos Econmicos das Empresas Submetidas a estes Distrbios

    14

    relacionados com os afundamentos de tenso, bem como o estabelecimento de um

    maior entendimento referente problematizao descrita na introduo desta

    dissertao.

    Dentro deste contexto, o fenmeno Afundamento de Tenso, ou, do ingls,

    voltage sag, ser estudado a partir de seus conceitos e definies, da descoberta de

    suas possibilidades de origem, de sua classificao, da descrio dos impactos

    ocasionados nos equipamentos eletroeletrnicos durante e/ou aps a ocorrncia deste

    evento e os prejuzos financeiros decorrentes destes distrbios.

    2.2 Conceitos e Definies

    Embora exista o entendimento de que um afundamento de tenso uma

    reduo do valor eficaz da tenso por um perodo de curta durao, seguida de seu

    restabelecimento, h divergncias nas normas quanto metodologia para

    quantificao deste fenmeno.

    A norma IEEE Std 1159-1995 [7] define afundamento de tenso como um

    decrscimo entre 0,1 e 0,9 pu do valor eficaz da tenso nominal, com durao entre 0,5

    ciclo e 1 minuto. Essa norma recomenda ainda a utilizao da tenso remanescente

    do sistema para caracterizar a magnitude do afundamento, ou seja, um afundamento

    de 20% significa que a tenso foi reduzida para 20% de seu valor normal, e no

    reduzida em 20%. Segundo o IEEE, um afundamento de tenso com intensidade

    menor do que 0,1 pu considerado interrupo.

    A norma IEC 61000-2-1-1990-Parte 2 [8] define um afundamento de tenso

    (nesta norma, denominado dip) como: uma reduo sbita da tenso de um ponto do

    sistema eltrico, seguido de seu restabelecimento aps um curto perodo de tempo, de

    0,5 ciclos a uns poucos segundos. Nesse documento, a intensidade de um

    afundamento de tenso determinada como a diferena entre a tenso durante o

    afundamento e a tenso nominal do sistema, expressa como porcentagem da tenso

    nominal. Dessa forma, um afundamento de 20% significa que a tenso nominal sofreu

    um decrscimo para 0,8 pu.

  • Captulo II Impactos dos Afundamentos de Tenso nos Sistemas Eletroeletrnicos Industriais e os Prejuzos Econmicos das Empresas Submetidas a estes Distrbios

    15

    Segundo o ONS Operador Nacional do Sistema Eltrico [9], dentre os

    indicadores de avaliao da qualidade de energia eltrica, definem-se as Variaes de

    Tenso de Curta Durao (VTCD), englobando os fenmenos de Interrupo,

    Afundamento e Elevao de Tenso. De acordo com esses Procedimentos, entende-se

    por Variao de Tenso de Curta Durao: um desvio significativo da amplitude da

    tenso por um curto intervalo de tempo.

    A amplitude da VTCD definida pelo valor extremo do valor eficaz da tenso em

    relao tenso de referncia do sistema no ponto considerado, enquanto estiver

    ocorrendo o evento.

    J a durao da VTCD definida pelo intervalo de tempo decorrido entre o

    instante em que o valor eficaz da tenso, em relao tenso de referncia do sistema

    no ponto considerado, ultrapassa determinado limite e o instante em que a mesma

    varivel volta a cruzar esse limite.

    A partir da durao e amplitude, um afundamento de tenso nesses

    Procedimentos pode ser classificado como momentneo (com durao superior ou

    igual a um ciclo e inferior ou igual a trs segundos) ou temporrio (superior a trs

    segundos e inferior ou igual a um minuto). Para as duas categorias a amplitude do

    evento varia entre 0,1 pu (igual ou superior) e inferior a 0,9 pu.

    Nesta dissertao, ser adotado o termo Afundamento de Tenso, englobando

    os Afundamentos Temporrios e Momentneos, com durao entre 1 ciclo e 1 minuto e

    amplitude compreendida entre 0,1 pu e 0,9 pu da tenso de referncia, utilizando

    assim, a tenso remanescente para caracterizar a magnitude do distrbio, de acordo

    com a proposio do IEEE, sendo que, na proposta deste trabalho, o sistema dever

    ter suportabilidade ao fenmeno afundamento de tenso, independentemente de

    quanto tempo este evento venha a permanecer.

    Como ilustrao do fenmeno, a Figura 2.1 registra a alterao da forma de

    onda de tenso na ocorrncia de um afundamento de tenso devido a um curto circuito

    num sistema eltrico [10].

    Pode-se verificar que o valor de pico da tenso decresce para aproximadamente

    20% da amplitude nominal, durante um perodo de trs ciclos, retornando ao seu valor

    anterior ocorrncia ao trmino do distrbio.

    A partir do registro da forma de onda de tenso em funo do tempo, o valor da

    tenso eficaz RMS durante o evento pode ser determinado pela expresso 2.1:

  • Captulo II Impactos dos Afundamentos de Tenso nos Sistemas Eletroeletrnicos Industriais e os Prejuzos Econmicos das Empresas Submetidas a estes Distrbios

    16

    VAF@ RMS

    =

    1

    N

    fffffffXi = 1

    N

    A v i` a2

    vuutwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww

    (2.1)

    onde:

    N: o nmero de amostras por ciclo.

    V(i): a tenso amostrada no domnio do tempo. Valores tpicos de i so 128 e

    256 amostras por ciclo

    ELECTRIC POWER ENGINEERING

    0 1 2 3 4 5 6

    -1

    -0.8

    -0.6

    -0.4

    -0.2

    0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    Time in cycles

    Vol

    tage

    in p

    u

    A aplicao da expresso 2.1 no sinal de tenso cuja forma de onda mostrada

    na figura acima, resulta em um grfico que apresenta o valor eficaz RMS da tenso

    versus tempo. A Figura 2.2 mostra este grfico, o qual possibilita uma clara definio

    da durao e da magnitude do distrbio registrado na Figura 2.1.

    A magnitude do afundamento pode ser definida como o menor valor de tenso

    mostrada no grfico. J a durao, reflete o tempo em que a magnitude da tenso

    permanece abaixo dos 90% de seu valor nominal.

    Figura 2.1. Afundamento de tenso devido a um curto-circuito

    Tempo em ciclos

    Ten

    so

    em

    (pu)

  • Captulo II Impactos dos Afundamentos de Tenso nos Sistemas Eletroeletrnicos Industriais e os Prejuzos Econmicos das Empresas Submetidas a estes Distrbios

    17

    ELECTRIC POWER ENGINEERING

    0 1 2 3 4 5 60

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    Time in cycles

    Vol

    tage

    in p

    u

    2.3 Origem dos Afundamentos

    Os afundamentos de tenso nos sistemas eltricos, de um modo geral, podem

    ser oriundos de trs causas principais: partida de motores de grande porte,

    energizao de grandes transformadores e ocorrncia de curtos-circuitos.

    Durante a partida, os motores absorvem do sistema eltrico correntes da ordem

    de 5 a 8 vezes a corrente nominal. A circulao dessa alta corrente de partida pela

    impedncia do sistema, sobretudo em redes de baixo nvel de curto-circuito, poder

    resultar em afundamentos de tenso bastante severos.

    Deve-se ressaltar, no entanto que, em geral, os consumidores industriais adotam

    medidas para reduzir a tenso na partida dos motores, de forma a minimizar esses

    impactos. Isto faz com que os efeitos das partidas de motores sejam menos relevantes

    quando comparados com a ocorrncia de curtos-circuitos no sistema. Alm disso, os

    afundamentos de tenso causados por partidas de motores tm restaurao gradual.

    Outro exemplo de afundamento pode ser atribudo energizao de

    transformadores de alta potncia. Durante a energizao, esses provocam quedas

    sbitas da tenso nas trs fases, as quais ocorrem, em regra, de forma desequilibrada.

    O motivo disto est nos clssicos comportamentos das correntes transitrias de

    Figura 2.2. Variao da tenso eficaz durante um afundamento de tenso

    T

    ens

    o e

    m (

    pu)

    Tempo em ciclos

  • Captulo II Impactos dos Afundamentos de Tenso nos Sistemas Eletroeletrnicos Industriais e os Prejuzos Econmicos das Empresas Submetidas a estes Distrbios

    18

    magnetizao, as quais, como se sabe, so de alta intensidade e fortemente

    desequilibradas. Aps a manifestao do afundamento, medida que o transitrio de

    energizao vai se normalizando, as correntes vo atenuando suas amplitudes, o que

    prontamente seguido pelas tenses de suprimento. A citada corrente de magnetizao,

    comumente denominada corrente de inrush, tem um comportamento extremamente

    aleatrio e, nos momentos subseqentes a energizao, dependendo do momento do

    fechamento do disjuntor, do fluxo remanescente e das caractersticas do circuito

    magntico, pode chegar a cerca de 15 vezes a corrente nominal do transformador.

    Somado a isto, tais correntes so fortemente distorcidas, mostrando um expressivo

    contedo harmnico.

    No entanto, a principal causa do afundamento de tenso so as faltas no

    sistema eltrico. As faltas podem ser de natureza temporria ou permanente. As

    temporrias so, em sua grande maioria, devidas ocorrncia de descargas

    atmosfricas, temporais e ventanias, que, em geral, no provocam danos permanentes

    ao sistema de isolao. O sistema pode ser prontamente restabelecido atravs de

    religamentos automticos. As faltas permanentes so causadas por danos fsicos em

    algum elemento de isolao do sistema, sendo necessria a interveno da equipe de

    manuteno.

    Na ocorrncia de um curto circuito, o afundamento de tenso tem a durao do

    tempo de permanncia da falta, ou seja, desde o instante inicial do defeito, at a

    completa eliminao do mesmo.

    As faltas no sistema eltrico podem ser: trifsicas, trifsicas terra, bifsicas,

    bifsicas terra e fase-terra.

    As faltas trifsicas e trifsicas terra so simtricas e geram, portanto,

    afundamentos de tenso tambm simtricos. Embora produzam afundamentos mais

    severos, ocorrem com menor freqncia.

    As faltas bifsicas, bifsicas terra e, particularmente as fase-terra, apresentam

    maiores taxas de ocorrncia e geram afundamentos de tenso menos severos, porm

    desequilibrados e assimtricos.

  • Captulo II Impactos dos Afundamentos de Tenso nos Sistemas Eletroeletrnicos Industriais e os Prejuzos Econmicos das Empresas Submetidas a estes Distrbios

    19

    2.4 Classificao dos Afundamentos

    So vrios os estudos existentes objetivando a classificao dos diferentes tipos

    de afundamento de tenso.

    Pode-se citar, por exemplo, a classificao estabelecida pela ESKOM, da frica

    do Sul, que define cinco classes para caracterizao do tipo de afundamento

    momentneo de tenso [10]. So elas:

    Classe Y amplitude de 80% ~ 90% e durao de 20ms a 3s;

    Classe X amplitude de 40% ~ 80% e durao de 20ms a 150ms;

    Classe S amplitude de 40% ~ 80% e durao de 150ms a 600ms;

    Classe T amplitude de 0% ~ 40% e durao de 20ms a 600ms;

    Classe Z amplitude de 0% ~ 80% e durao de 600ms a 3s.

    A Figura 2.3 mostra as 5 (cinco) classes atravs de um grfico de amplitude em

    funo do tempo.

    Ev

    ent

    mag

    nit

    ud

    e

    90%

    Event duration

    80%

    40%

    150 ms 600 ms 3 s

    Y

    X S

    Z

    T

    Figura 2.3. Classificao dos afundamentos conforme a ESKOM

    Durao do evento

    Mag

    nit

    ud

    e do

    ev

    ento

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    20

    O IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers [7] define as VTCDs

    como desvios no valor eficaz da tenso com durao mxima equivalente a um minuto.

    Estas podem ser classificadas como: interrupes de curta durao (outage),

    afundamentos de tenso (voltage sag ou voltage dip) e elevaes de tenso (voltage

    swell), conforme mostra a Tabela 2.1.

    Classificao de VTCDs conforme o tempo de durao

    Categoria (VTCD) Durao Tpica Magnitude Tpica

    Instantnea

    Interrupo 0,5 a 30 ciclos < 0,1 pu

    Afundamento 0,5 a 30 ciclos 0,1 a 0,9 pu

    Elevao 0,5 a 30 ciclos 1,1 a 1,8 pu

    Momentnea

    Interrupo 30 ciclos a 3 segundos < 0,1 pu

    Afundamento 30 ciclos a 3 segundos 0,1 a 0,9 pu

    Elevao 30 ciclos a 3 segundos 1,1 a 1,4 pu

    Temporria

    Interrupo 3 segundos a 1 minuto < 0,1 pu

    Afundamento 3 segundos a 1 minuto 0,1 a 0,9 pu

    Elevao 3 segundos a 1 minuto 1,1 a 1,2 pu

    Usualmente, afundamentos de tenso voltage sags so caracterizados pela

    durao e amplitude e representados em grficos bidimensionais que relacionam estas

    duas grandezas. Esta representao simplificada no considera as diferenas nas

    tenses individuais das fases, ou seja, assimetria ou desequilbrio da alimentao, bem

    como as variaes do ngulo de fase que podem ocorrer devido propagao do

    distrbio.

    Tabela 2.1. Classificao dos VTCDs segundo a Norma IEEE 1159-1995

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    21

    Os diferentes tipos de afundamentos de tenso existentes, bem como as causas

    dessas variaes em magnitude e ngulo de fase, so apresentados por Bollen [11],

    que prope a seguinte classificao para as ocorrncias de afundamentos temporrios

    de tenso voltage sags:

    a) Afundamento Tipo A Refletem-se em afundamentos equilibrados

    e simtricos na carga, tanto para as tenses de fase quanto para as

    tenses de linha;

    b) Afundamento Tipo B Apenas uma tenso tem decrscimo em

    magnitude;

    c) Afundamento Tipo C Duas tenses decaem em magnitude e

    sofrem alterao no ngulo de fase. A terceira no se altera;

    d) Afundamento Tipo D Duas tenses decaem em magnitude e

    sofrem alteraes no ngulo de fase. A terceira decai apenas em

    magnitude ;

    e) Afundamento Tipo E Decrscimo na magnitude de duas tenses

    de fase, sem deslocamento angular, enquanto a terceira fase no se

    altera;

    f) Afundamento Tipo F Novamente duas tenses decaem em

    magnitude e sofrem alteraes no ngulo de fase. A terceira decai

    apenas em magnitude.

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    22

    Os afundamentos de tenso tipo A so considerados equilibrados e os tipos B,

    C, D, E e F so considerados desequilibrados, sendo o tipo D fruto de curto-circuito

    bifsico e o tipo F de curto-circuito bifsico terra.

    Os voltages sags podem ser representados atravs de diagramas fasorias,

    conforme os mostrados nas figuras a seguir, sendo que os afundamentos

    experimentados por cargas conectadas em delta so os de tipo A, C, D e F. As tenses

    de linha, nos terminais de uma determinada carga, esto indicadas nas situaes de

    pr-afundamento (linhas finas) e durante o afundamento (linhas cheias).

    Figura 2.4. Tenses de fase para um afundamento devido a uma falta trifsica (carga em tringulo)

    Figura 2.5. Tenses de fase para um afundamento devido a uma falta monofsica (carga em estrela)

    Figura 2.6. Tenses de linha para um afundamento devido a uma falta monofsica (carga em tringulo)

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    23

    Baseado nas proposies de Bollen, pode-se concluir que os seis tipos de

    afundamentos de tenso, classificados como tipos A, B, C, D, E e F, resultam da

    associao entre os diferentes tipos de faltas (trifsicas, bifsicas, bifsica terra e

    monofsica) e das duas formas tradicionais de se conectar uma carga trifsica, ou seja,

    em estrela ou tringulo.

    Outro fato importante a ser considerado que a transferncia destes distrbios

    atravs de transformadores pode resultar na mudana de sua classificao em relao

    ao ponto de origem. Tal fato, pode ainda resultar em outro tipo de afundamento (Tipo

    G). Pela especificidade do assunto e por no se tratar do principal objetivo deste

    trabalho, estas consideraes no sero abordadas nesta dissertao.

    Figura 2.8. Tenses de fase para um afundamento devido a uma falta bifsica terra (carga em estrela)

    Figura 2.7. Tenses de linha para um afundamento devido a uma falta bifsica (carga em tringulo)

    Figura 2.9. Tenses de linha para um afundamento devido a uma falta bifsica terra (carga em tringulo)

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    24

    2.5 Efeitos dos Afundamentos sobre os Sistemas Eletroeletrnicos

    2.5.1 Efeitos sobre os processos industriais

    O impacto dos afundamentos de tenso sobre os consumidores industriais

    ocorre de forma diferenciada em funo da sensibilidade dos equipamentos

    eletroeletrnicos instalados, das particularidades inerentes a cada processo industrial

    (indstrias txteis, alumnio, plstico, cimento, papel, metalrgica, siderrgica, qumica,

    etc.) e tambm dos sistemas de controle de processo envolvidos. Logo, pode-se

    afirmar que a sensibilidade da carga do consumidor uma combinao da

    sensibilidade dos equipamentos eletroeletrnicos instalados com a sensibilidade do

    processo industrial [6].

    Normalmente, o efeito dos afundamentos de tenso em consumidores industriais d-se

    sob a forma de interrupo parcial ou total de processos produtivos, com os

    conseqentes prejuzos associados a paradas de produo, perdas de produtividade,

    perdas de insumos, reparo e reposio de equipamentos danificados. Os efeitos dos

    afundamentos de tenso sobre os principais equipamentos eletroeletrnicos utilizados

    nas indstrias manifestam-se sob a forma de:

    Perda de programao de microprocessadores;

    Perda de programao dos CLPs;

    Desatracamento das bobinas de contatores e rels auxiliares, com conseqentes

    desligamentos de cargas e equipamentos via lgica do sistema de controle;

    Desligamento de lmpadas de descarga, como as de vapor de mercrio, que levam

    cerca de alguns minutos para reacenderem;

    Variao de velocidade dos acionamentos CA e CC (motor e carga mecnica), que

    dependendo do tipo de processo, poder comprometer a qualidade do produto ou

    at provocar a parada de produo;

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    25

    Variao de torque do motor (CA e CC) com as mesmas implicaes citadas

    anteriormente;

    Desligamento de acionamentos devido atuao de dispositivos de proteo

    associados, que quando detectam condies de risco, promovem o bloqueio do

    disparo de tiristores ou at mesmo o desligamento imediato da fonte de

    alimentao;

    Falhas de comutao em pontes controladas, afetando os disparos dos gatilhos de

    tiristores;

    Queima de fusveis e outros componentes.

    Em consumidores domsticos os efeitos dos afundamentos de tenso so

    percebidos pela perda de programao de relgios digitais, fornos de microondas,

    videocassetes, desligamento de microcomputadores, etc. Normalmente, estes

    problemas no esto associados a prejuzos financeiros, mas sim satisfao dos

    consumidores e imagem das empresas de energia eltrica.

    2.5.2 Efeitos sobre os computadores

    A representao clssica da tolerncia das cargas frente a afundamentos de

    tenso normalmente realizada atravs de uma curva cujos eixos representam a

    intensidade e a durao dos afundamentos de tenso.

    A sensibilidade dos computadores retratada pela Curva CBEMA (Computer

    Business Equipment Manufactures Association), publicada na norma IEEE-446,

    apresentada na Figura 2.10. Apesar da curva CBEMA ter sido originalmente proposta

    para caracterizar a sensibilidade de computadores mainframe, ela tambm foi utilizada

    como referncia para caracterizao da susceptibilidade de outros componentes

    eletroeletrnicos como: microcomputadores (PCs), equipamentos microprocessados,

    entre outros.

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    26

    A Figura 2.10 mostra trs regies distintas de operao, onde esto associadas s

    letras A, B, e C, que representam:

    Regio A - regio de imunidade;

    Regio B - regio de susceptibilidade, com possibilidade de ruptura da isolao

    dos equipamentos (perda de hardware), devido ocorrncia de sobretenses

    transitrias e elevaes de tenso;

    Regio C - regio de sensibilidade, com possibilidade de parada de operao

    dos equipamentos, em virtude da ocorrncia de afundamentos de tenso,

    juntamente com as interrupes momentneas. No contexto deste trabalho, esta

    a regio de interesse.

    Recentemente a curva CBEMA foi modificada para caracterizar melhor a

    sensibilidade dos computadores e demais equipamentos, a fim de acomodar mais

    adequadamente a diversidade dos modernos dispositivos eletrnicos. Esta curva a

    ITIC (Information Technology Industry Council), apresentada na Figura 2.11. As

    regies A, B e C so classificadas segundo os mesmos princpios da curva CBEMA.

    Figura 2.10. Curva de tolerncia CBEMA [6].

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    27

    Estudos recentes, citados no trabalho de Leborgne [6], ratificam que os

    microcomputadores (PCs), assim como outros equipamentos controlados por

    microprocessadores, apresentam um alto grau de sensibilidade frente aos

    afundamentos de tenso. Estas pesquisas relatam como principais falhas as perdas de

    dados e a diminuio do desempenho ou performance do sistema, provocando a

    necessidade de re-start do processo. Tal impacto anlogo ao que acontece quando

    os microcomputadores devem ser reiniciados aps a ocorrncia de uma interrupo.

    Na prtica, o efeito de um afundamento de tenso severo equivale ao efeito de

    uma interrupo.

    Neste estudo, foram testados somente microcomputadores, mas os resultados

    podem ser generalizados para CLPs e outros dispositivos controlados por

    microprocessadores. No total foram testados sete PCs de diversos fornecedores,

    fabricados entre 1996 e 2002. Todos os PCs possuam um hardware bsico: disco

    rgido, CD-ROM drive, placa de rede, etc. As fontes dos PCs foram ligadas fonte

    geradora de distrbios, sendo que foi considerado estado de falha do PC quando

    ocorria reinicializao do equipamento como conseqncia do distrbio.

    A Figura 2.12 mostra as curvas de sensibilidade obtidas para os sete PCs

    juntamente com a curva de referncia ITIC. Somente um dos PCs possui tolerncia

    inferior recomendada pela curva ITIC. Os demais PCs apresentam tolerncia superior

    curva ITIC e so imunes a afundamentos cuja durao menor do que 100ms. A

    maioria dos PCs tolera afundamentos de intensidade at 0,60 p.u. A partir deste

    estudo, pode-se concluir que no h nenhuma correlao entre o ano de fabricao

    dos PCs com a sensibilidade a afundamentos de tenso.

    Figura 2.11. Curva de tolerncia ITIC

    A

    B

    C

    Ten

    so

    (%

    )

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    28

    2.5.3 Efeitos sobre os equipamentos mdicos hospitalares

    Estudos realizados, citados no trabalho de Brasil [12], em um sistema eltrico

    representativo da regio norte do pas (Brasil), mostram resultados de simulaes

    computacionais objetivando a verificao dos impactos dos afundamentos de tenso

    nos equipamentos mdicos de um hospital regional conectado a um alimentador

    especfico da rede. A Figura 2.13 mostra o sistema eltrico utilizado no estudo. A rede

    foi dividida em trs reas claramente propostas. A principal gerao conectada

    barra 01 e a gerao distribuda conectada s barras 20,21 e 22, na rea dois.

    Diversas simulaes foram realizadas considerando a ocorrncia de diferentes

    tipos de faltas nas linhas de transmisso do sistema, verificando os impactos causados

    por estas na barra de interesse, ou seja, onde est conectado o respectivo hospital

    regional. As ocorrncias destas faltas resultaram em uma srie de afundamentos de

    tenso, os quais tiveram seus impactos analisados atravs da curva de sensibilidade

    IEC 61000 4-11.

    Figura 2.12. Curva de sensibilidade para os computadores analisados [6].

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    29

    A norma IEC 61000 4-11 [13] define nveis de interrupes de curta durao e

    afundamentos de tenso que os equipamentos mdicos devem suportar antes de parar

    de funcionar ou passar a funcionar incorretamente. Esses nveis so apresentados na

    Tabela 2.2.

    Nveis de Afundamento de Tenso

    Valor do Afundamento (%) Durao (ciclos) 5 0,5

    40 5 70 25

    A Figura 2.14 apresenta uma comparao entre a curva ITIC e a norma IEC

    61000 4-11, a qual define a sensibilidade dos equipamentos mdicos. Percebe-se que

    esta norma apresenta uma curva de sensibilidade menos exigente que a ITIC, o que

    possibilita a ocorrncia de afundamentos de tenso pouco mais severos para esta

    classe de equipamentos. Mesmo assim, estes equipamentos no suportariam os nveis

    de afundamentos de tenso provocados pelas faltas no sistema eltrico analisado.

    Figura 2.13. Sistema Eltrico utilizado no Estudo de Caso [12].

    Tabela 2.2. Nveis de Suportabilidade dos Equipamentos Mdicos segundo a Norma IEC 61000 4-11.

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    30

    A Figura 2.15 apresenta a curva IEC 61000 4-11 e todos os casos de

    afundamento de tenso registrados na barra monitorada, obtidos por meio de

    simulaes computacionais, devido ocorrncia de diferentes tipos de curtos-circuitos

    ao longo do sistema.

    Figura 2.14. Comparao entre a curva ITIC e a norma IEC 61000 4-11 [12].

    Figura 2.15. Avaliao de todos os possveis afundamentos segundo a norma IEC 61000 4-11 [12].

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    31

    De acordo com os resultados obtidos, apenas as faltas que ocorrem na rea 3

    esto dentro das exigncias da norma IEC 61000 4-11 e da curva ITIC, no

    ocasionando m operao dos equipamentos. J os defeitos que ocorrem nas reas 1

    e 2, podem levar os equipamentos a operar de forma irregular, ou ainda, ocasionar

    desligamentos e paradas de operao, implicando em perdas incomensurveis para os

    pacientes e usurios destes recursos hospitalares.

    2.5.4 Efeitos sobre os acionamentos de velocidade varivel

    A sensibilidade dos acionamentos de velocidade varivel (AVVs), assim como

    todos os demais equipamentos eletroeletrnicos, pode ser caracterizada por uma

    regio dentro do plano tenso versus tempo, conforme mostra a Figura 2.16 [6].

    A regio denominada de disrupo onde o equipamento certamente ir falhar

    independentemente do modelo ou fabricante. A rea sombreada representa a regio de

    incerteza, em que o equipamento poder falhar ou no. Finalmente, a regio

    esquerda e acima da rea sombreada considerada como sendo uma regio normal

    de operao, tambm denominada de imunidade. Nesta ltima regio, os

    equipamentos no apresentam sensibilidade a afundamentos de tenso. Vale ressaltar

    que difcil estabelecer um padro de comportamento para os equipamentos

    eletroeletrnicos devido diversidade de modelos e fabricantes.

    Figura 2.16. Sensibilidade dos Acionamentos de Velocidade Varivel [6].

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    32

    Contudo, a ttulo de informao, a Tabela 2.3 apresenta as faixas de sensibilidade dos

    principais equipamentos utilizados em ambientes industriais [6].

    Tipo de Equipamento Durao (ms) Intensidade (p.u.)

    PLCs Controladores Lgicos Programveis 616 0,45 a 0,75

    AVVs 5 HP (PWM) 83 0,6 a 0,8

    Rels Auxiliares 33 0,6 a 0,78

    Contatores 83 0,4 a 0,5

    Um fato a ser observado nos acionamentos de velocidade varivel que geralmente os

    acionamentos de corrente contnua (CC) so mais sensveis a afundamentos de tenso

    que os acionamentos de corrente alternada (CA). Isto ocorre devido aos seguintes

    fatores:

    Os acionamentos CC so normalmente desprovidos de dispositivos de

    armazenamento de energia (capacitor no lado CC);

    Os sistemas de comando bloqueiam o sistema de disparo da ponte controlada

    devido ao desequilbrio e assimetria detectados nos fasores da tenso.

    J o impacto dos afundamentos de tenso sobre acionamentos de corrente

    alternada pode manifestar-se de duas maneiras, ambas resultando em parada do

    acionamento [6]:

    Primeira situao: quando o capacitor no barramento CC no consegue manter

    a tenso mnima nos terminais do inversor durante o perodo de permanncia do

    afundamento de tenso;

    Segunda, quando violada a capacidade de operao do circuito eletrnico de

    controle, em funo dos nveis reduzidos de tenso.

    Tabela 2.3. Regio de sensibilidade dos equipamentos eletroeletrnicos [6]

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    33

    Estudos realizados em AVVs de corrente alternada que utilizam sistema de

    controle do tipo PWM-VSI mostram o efeito de diversos afundamentos de tenso no

    funcionamento do conversor [4]. Tal pesquisa consistiu em submeter os acionamentos

    a diversos tipos de afundamentos equilibrados e desequilibrados. Estas experincias

    mostraram que os afundamentos trifsicos so os mais severos, enquanto que os

    afundamentos com a mesma intensidade e durao que os supracitados, mas devido

    s faltas monofsicas ou bifsicas, no apresentam o mesmo grau de severidade.

    Alm disso, esses mesmos estudos permitiram avaliar a tolerncia do conversor,

    em relao aos afundamentos mais severos, expressa em curva de intensidade do

    afundamento versus tempo de durao, para situaes-limite de carregamento do

    motor. A Figura 2.17 mostra a comparao da curva ITIC com a curva de tolerncia do

    conversor (curva X em vermelho) levantada experimentalmente.

    Atravs da comparao entre a curva de suportabilidade obtida

    experimentalmente e a curva ITIC, constata-se uma diferena entre as duas. Sendo

    assim, pode-se concluir que curvas genricas devem ser utilizadas apenas como

    referncia e no como verdade absoluta em termos de suportabilidade de todo e

    qualquer tipo de equipamento eletroeletrnico.

    Figura 2.17. Curva ITIC para equipamentos da tecnologia de informao e curva de tolerncia do conversor comercial sob ensaio [4].

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    34

    2.6 Dados Estatsticos de Ocorrncia de Afundamentos de Tenso e

    os Prejuzos Financeiros para as Empresas Submetidas a este

    Distrbio

    Este item tem a proposta de apresentar os resultados de alguns estudos

    realizados no Brasil e no exterior, objetivando a verificao da estimativa de

    ocorrncias do fenmeno afundamento de tenso, bem como seus impactos

    econmicos prejudiciais, principalmente, para os consumidores industriais.

    Sabin, Grebe e Sundaram [14] efetuaram medies em um sistema de

    distribuio nos Estados Unidos durante dois anos. De posse dos dados registrados,

    foram elaborados 2 (dois) grficos para anlise dos seguintes distrbios registrados:

    Quantidade mdia de eventos mensais (voltage sag e interrupo) e sua

    frequncia acumulativa de ocorrncias, ambos em funo da magnitude da

    tenso (mdia calculada a partir do total de eventos registrados no perodo

    de dois anos, podendo apresentar valores mensais menores que um);

    Quantidade de eventos (voltage sag e interrupo) em funo de cada ms e

    durante todo o perodo de medio.

    A Figura 2.18 mostra a quantidade mdia de eventos citados no primeiro tpico.

    Sag and Interruption Rate Magnitude Histogram

    0.00

    0.25

    0.50

    0.75

    1.00

    1.25

    0 to

    5

    5 to

    10

    10 to

    15

    15 to

    20

    20 to

    25

    25 to

    30

    30 to

    35

    35 to

    40

    40 to

    45

    45 to

    50

    50 to

    55

    55 to

    60

    60 to

    65

    65 to

    70

    70 to

    75

    75 to

    80

    80 to

    85

    85 to

    90

    RMS Voltage Magnitude (%)

    Sag

    s an

    d In

    terr

    up

    tio

    ns

    per

    Sit

    e p

    er 3

    0 D

    ays

    0%

    10%

    20%

    30%

    40%

    50%

    60%

    70%

    80%

    90%

    100%

    Cu

    mu

    lati

    ve F

    req

    uen

    cySag and Interruption Rate

    Cumulative Frequency

    All Sites, One-Minute Aggregate Window

    Figura 2.18. Quantidade de eventos mensais em funo da magnitude da tenso

    Magnitude da Tenso RMS (%)

    00 a

    05

    05 a

    10

    10 a

    15

    15 a

    20

    20 a

    25

    25 a

    30

    30 a

    35

    35 a

    40

    40 a

    45

    45 a

    50

    50 a

    55

    55 a

    60

    60 a

    65

    65 a

    70

    70 a

    75

    75 a

    80

    80 a

    85

    85 a

    90

    Quantidade de Sags e Interrupes X Magnitude da Tenso

    Qu

    anti

    dad

    e d

    e S

    ags

    e In

    terr

    up

    es

    p

    or

    30 d

    ias

    Fre

    q

    nci

    a A

    cum

    ula

    tiva

    ----- Relao de Sags e Interrupes ----- Freqncia Acumulativa

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    35

    Na Figura 2.18, percebe-se uma mdia de 1,18 incidentes em que a mnima

    tenso durante o perodo de 1 minuto foi entre 85% e 90% da tenso nominal, e 0,38

    incidentes de interrupo, ou seja, para valores de tenso abaixo de 10%, ou, 0,1pu.

    Conclui-se tambm que 70% dos distrbios apresentaram magnitude inferior a 0,85 pu.

    Todos os eventos relacionados no grfico, foram os que apresentaram tenso abaixo

    de 90% durante um perodo maior que 60 segundos.

    J a Figura 2.19, mostra a quantidade de eventos citados no segundo tpico,

    durante todo o perodo de medio.

    Sag and Interruption Rate by Month

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    Jun-

    93

    Aug

    -93

    Oct

    -93

    Dec

    -93

    Feb

    -94

    Apr

    -94

    Jun-

    94

    Aug

    -94

    Oct

    -94

    Dec

    -94

    Feb

    -95

    Apr

    -95

    Jun-

    95

    Aug

    -95

    Month

    Sag

    s an

    d In

    terr

    up

    tio

    ns

    / Sit

    e / 3

    0 D

    ays

    Sags (10% < V < 90%)Interruptions (V

  • Captulo II Impactos dos Afundamentos de Tenso nos Sistemas Eletroeletrnicos Industriais e os Prejuzos Econmicos das Empresas Submetidas a estes Distrbios

    36

    Outro estudo foi realizado nos Estados Unidos em um perodo de 27 meses

    (1993 a 1995), com a utilizao de 300 registradores instalados em diferentes regies

    do pas. Dos 6 milhes de eventos relacionados m qualidade de energia e coletados

    pelos respectivos instrumentos, 92% foram os classificados como afundamentos de

    tenso [15]. Tal constatao refora a afirmao de que estes distrbios so os que

    mais se fazem presentes na operao dos sistemas eltricos em geral.

    Um estudo de caso realizado em uma empresa do setor moveleiro [5], a qual

    tem sofrido problemas relacionados m qualidade de energia eltrica desde 2005,

    apresenta os resultados de registros coletados em um perodo de 14 dias. As medies

    foram realizadas a partir de dois analisadores de qualidade de energia: Plataforma de

    Potncia DRANETZ PP4300 e EMBRASUL RE6000, conectados alta e baixa

    tenso respectivamente. O ponto de alimentao para realizao do monitoramento foi

    escolhido com base na anlise das cargas que mais foram prejudicadas pela

    ocorrncia dos afundamentos de tenso. As cargas conectadas ao ponto escolhido

    consistem em um conjunto de mquinas que possuem microcontroladores e inversores

    de frequncia.

    Os resultados obtidos nas medies mostram a ocorrncia de afundamentos de

    tenso em grandes quantidades e com amplitudes significativas, alm de relatarem

    interrupes no fornecimento de energia eltrica durante curtos perodos de tempo,

    porm suficientes para ocasionar paradas nos processos produtivos da empresa.

    De acordo com a Figura 2.20, aps a ocorrncia do distrbio, as correntes das

    cargas voltam a crescer, indicando um novo acionamento das mquinas, o que leva

    aproximadamente 20 minutos at retornar ao valor nominal. Desta forma, percebe-se

    que um pequeno distrbio provoca a parada do processo produtivo, gerando assim,

    grandes prejuzos econmicos para a empresa.

    No final dos 14 dias de medio, constatou-se a ocorrncia de 42 eventos

    distribudos nas trs fases, no lado referido alta tenso, conforme mostra a Tabela

    2.5. Dentre os eventos constatados, 2 (dois) foram relativos s sobretenses

    temporrias nas fases B e C, 15 (quinze) foram os classificados como interrupes no

    fornecimento de energia eltrica e os demais, 25 (vinte e cinco), foram os

    afundamentos de tenso.

  • Captulo II Impactos dos Afundamentos de Tenso nos Sistemas Eletroeletrnicos Industriais e os Prejuzos Econmicos das Empresas Submetidas a estes Distrbios

    37

    Figura 2.20. Diminuio da corrente na baixa tenso devido ao afundamento de tenso, indicando parada do processo produtivo na indstria [5].

    Tabela 2.5. Quantidade e classificao dos eventos durante o perodo de medio [5].

  • Captulo II Impactos dos Afundamentos de Tenso nos Sistemas Eletroeletrnicos Industriais e os Prejuzos Econmicos das Empresas Submetidas a estes Distrbios

    38

    Conforme medies realizadas no lado referido baixa tenso, constatou-se a

    ocorrncia de 43 (quarenta e trs) afundamentos de tenso e 5 (cinco) interrupes,

    sendo que pelo menos um destes afundamentos provocou algum tipo de parada em

    processos produtivos da empresa ou falhas na operao de algumas mquinas.

    Sendo assim, a grande ocorrncia de afundamentos de tenso registrados pelas

    medies comprovam os problemas de paradas de produo e prejuzos econmicos

    vivenciados pela empresa estudada.

    Outro trabalho desenvolvido em uma indstria do setor de laticnios [16], a qual

    pela caracterstica de seu processo e produto envolvido mostrou-se prejudicada pelos

    distrbios de afundamento de tenso, apresenta os resultados da simulao realizada

    pelo software SCEAT Sistema de Clculo Estocstico de Afundamento de Tenso,

    demonstrados na Tabela 2.6, objetivando a verificao da estimativa de ocorrncias

    anuais, na barra do consumidor, de afundamentos classificados nas faixas de tenso e

    tempo de durao.

    Este trabalho tambm apresenta o nmero estimativo mdio de interrupes,

    definido como a soma dos nmeros mdios de ocorrncia de afundamento para todas

    as faixas compreendidas abaixo da curva de sensibilidade dos equipamentos.

    V (pu) 200 (ms) 300 (ms) 700 (ms) 800 (ms) 0,9 13,88 0,24 19,36 0,76 0,8 21,34 0 14,30 0 0,7 6,61 0 9,28 0 0,6 5,44 0 3,60 0 0,5 2,61 0 1,10 0 0,4 1,37 0 1,36 0 0,3 0,47 0 0,23 0 0,2 0 0 0,05 0 0,1 0 0 0 0 0,0 0 0,21 0 0,79

    Para definio dessa estimativa de interrupes, foram cruzados os dados da

    Tabela 2.6 (mdia de afundamentos anuais) com a estimativa da faixa de sensibilidade

    dos equipamentos utilizados no processo de produo, apresentada na Tabela 2.7. O

    cruzamento desses dados deu resultado curva estimativa da sensibilidade

    equivalente do consumidor, conforme mostra a Figura 2.21, subsidiando desta forma, a

    Tabela 2.6. Mdia de ocorrncia (afundamentos) por ano para uma amostra de 120 sorteios (120 anos) Monitorao barra do consumidor [16].

  • Captulo II Impactos dos Afundamentos de Tenso nos Sistemas Eletroeletrnicos Industriais e os Prejuzos Econmicos das Empresas Submetidas a estes Distrbios

    39

    definio do nmero estimativo mdio de interrupes por ocorrncia de afundamentos

    no ano, ou seja, 30,71 eventos/ano.

    EQUIPAMENTO Durao (ms) Intensidade (pu) Esterilizao ~600 0,90

    Envase ~700 0,80 Empacotamento ~800 0,70

    Para a empresa estudada, esta quantidade de eventos acarreta uma perda

    financeira equivalente a R$18.600,00. Este valor representa o prejuzo anual desta

    indstria de Laticnios com os afundamentos de tenso.

    Outro estudo de caso [17], desenvolvido em uma empresa multinacional da rea

    txtil, mostra a melhoria de seus indicadores de desempenho, aps intervenes

    realizadas pelos tcnicos nos equipamentos eletroeletrnicos, que constituiam um

    conjunto de cargas crticas para o processo industrial. Tais intervenes tiveram como

    objetivo o aumento da suportabilidade dos equipamentos frente aos afundamentos de

    tenso.

    A Tabela 2.8 e as Figuras 2.22 e 2.23 mostram respectivamente, o aumento da

    produo e a diminuio do consumo de energia eltrica na empresa, representando

    uma melhoria de sua performance e um aumento de 10,7% em sua eficincia aps a

    realizao das intervenes.

    Tabela 2.7. Estimativa da faixa de sensibilidade dos equipamentos do processo [16].

    Figura 2.21. Curva estimativa da sensibilidade equivalente do consumidor [16].

  • Captulo II Impactos dos Afundamentos de Tenso nos Sistemas Eletroeletrnicos Industriais e os Prejuzos Econmicos das Empresas Submetidas a estes Distrbios

    40

    A partir da Tabela 2.8, percebe-se que houve reduo de 43,83% no volume de

    perdas, as quais representavam 35,6 toneladas de refugos decorrentes do impacto

    dos afundamentos de tenso. Tal reduo, oriunda das intervenes dos tcnicos nos

    equipamentos eletroeletrnicos instalados na linha de produo, acarretou em um lucro

    adicional de US$ 230.000,00 para a empresa analisada.

    Tabela 2.8. Quantidade de Energia Economizada [17].

    Figura 2.22. Produo (toneladas) antes e depois da interveno [17].

    Figura 2.23. Reduo do consumo de energia eltrica no perodo analisado MWh [17].

  • Captulo II Impactos dos Afundamentos de Tenso nos Sistemas Eletroeletrnicos Industriais e os Prejuzos Econmicos das Empresas Submetidas a estes Distrbios

    41

    Diante destes resultados, pode-se justificar a importncia dos estudos

    direcionados mitigao dos efeitos dos afundamentos de tenso nos equipamentos

    eletroeletrnicos e, consequentemente, nos respectivos processos produtivos das

    indstrias.

    2.7 Consideraes Finais

    Neste captulo, foi realizada uma breve abordagem do fenmeno afundamento

    de tenso, objetivando ressaltar a importncia da proposta deste trabalho. No houve

    preocupao em maior aprofundamento no assunto, uma vez que j existem vrios

    estudos a respeito deste evento. Sendo assim, foram apresentadas algumas

    definies, classificaes, origens e impactos deste fenmeno nos sistemas

    eletroeletrnicos industriais, alm de dados estatsticos relacionados quantidade de

    ocorrncias e conseqentes prejuzos financeiros ocasionados por estes distrbios.

    Levando tudo isto em considerao, este trabalho visa investigar uma alternativa

    para minimizao das paradas dos equipamentos eletroeletrnicos atravs do aumento

    de sua suportabilidade em relao aos afundamentos de tenso. Sabe-se que a

    maioria dos equipamentos eletroeletrnicos possui circuitos retificadores convencionais

    como estgio de entrada, os quais so vulnerveis diante destes eventos. Alm disso,

    esses retificadores apresentam baixo fator de potncia durante a operao sob

    condies normais da rede de alimentao. Sendo assim, como contribuio para

    melhoria do estgio de entrada destes equipamentos, este trabalho utilizar o

    conversor boost operando como retificador de alto fator de potncia onde, para este

    conversor, ser implementada uma nova proposta de controle visando a melhoria de

    sua suportabilidade diante dos afundamentos de tenso.

    No prximo captulo, ser realizado um estudo dos conversores boost e de suas

    estratgias de controle para operao como retificador de alto fator de potncia,

    iniciando a partir deste ponto, o direcionamento para a proposta de soluo dos

    problemas apresentados nos captulos 1 (um) e 2 (dois) desta dissertao.

  • 42

    CAPTULO III

    CONVERSOR BOOST E SUA APLICAO EM PFC

    "POWER FACTOR CORRECTION"

    3.1 - Consideraes Iniciais

    Os circuitos retificadores normalmente utilizados como estgio de entrada dos

    equipamentos eletroeletrnicos, como por exemplo, dos conversores de freqncia,

    apresentam baixo fator de potncia e elevada distoro harmnica na forma de onda

    da corrente de entrada durante o perodo de operao.

    Alm disso, percebe-se a alta vulnerabilidade desses equipamentos frente ao

    fenmeno afundamento de tenso ("voltage sag"), onde estes podem vir a desligar em

    funo da atuao de sua proteo ("trip"), ou ainda, podem ter, dependendo da

    suportabilidade dos semicondutores, seus diodos comprometidos quando a tenso de

    entrada retorna ao valor nominal e impe a circulao de elevados picos de corrente

    atravs destes [3].

    Para que se atinja o objetivo deste trabalho, primeiramente ser estudada uma

    soluo para correo do baixo fator de potncia. Tal soluo ser conduzida atravs

    da imposio de uma corrente de entrada prxima senoidal, resultando assim, na

    reduo de sua distoro harmnica e, consequentemente, na elevao do fator de

    potncia na entrada destes retificadores. Para tanto, ser utilizado o conversor boost

    operando como Retificador de Alto Fator de Potncia. Considerando que este

    conversor j uma alternativa consolidada em Eletrnica de Potncia, a proposta deste

    trabalho consiste na modificao da estratgia de controle deste conversor PFC

    convencional, objetivando o aumento de sua suportabilidade diante dos

    afundamentos de tenso.

    Neste captulo, ser feita uma abordagem do princpio de funcionamento do

    conversor boost, dos problemas ocasionados pela operao dos circuitos retificadores

    convencionais, da aplicao do conversor boost em PFC, alm de tambm apresentar

    o circuito integrado UC3854, uma das opes de controle para o conversor boost

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    43

    nessas aplicaes e que foi adotado para a implementao do prottipo utilizado nos

    ensaios experimentais deste trabalho.

    3.2 - Princpio de operao do Conversor Boost

    O Conversor Boost, ou conversor "step-up", um dos circuitos eletrnicos que

    compem as topologias bsicas de fontes chaveadas. A estrutura topolgica desse

    conversor realiza a funo de, a partir de uma fonte de tenso fixa na entrada, fornecer

    uma tenso de valor maior na sada. Este circuito possui um capacitor de sada com o

    objetivo de filtrar a freqncia de chaveamento, resultando numa tenso contnua neste

    ponto [18].

    A Figura 3.1 mostra o diagrama do Conversor Boost. Quando o transistor T est

    saturado, ou seja, est operando como uma chave fechada, a tenso de entrada E

    aplicada no indutor L. Neste momento, o diodo D est com seu terminal de anodo

    conectado ao terra atravs do transistor T e, por este motivo, a tenso nos terminais do

    diodo torna-se igual a V0 , permanecendo, desta forma, inversamente polarizado. No

    instante em que o transistor T passa da regio de operao saturado para cortado, ou

    seja, passa a operar como uma chave aberta, a energia armazenada no Indutor L

    transferida ao capacitor C0 e, consequentemente, carga que est conectada na sada

    do conversor.

    Analisando a topologia do circuito apresentado na Figura 3.1, percebe-se que,

    nos momentos em que o transistor T est cortado, a corrente de sada do conversor Io

    igual corrente que circula pelo diodo ID menos a que circula pelo capacitor Co.

    Figura 3.1. Conversor elevador de Tenso Boost [18].

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    44

    Quando o transistor T est saturado, a corrente Io igual corrente fornecida pelo

    capacitor Co.

    A corrente de entrada Ii a mesma corrente que circula pelo indutor IL. Esta

    pode ser descontnua ou contnua. No modo de conduo contnua (MCC), a corrente

    IL no apresenta valores instantneos iguais a zero durante o perodo de operao do

    circuito. Normalmente, prefere-se operar no modo de conduo contnua devido a

    haver, neste caso, uma relao bem definida entre a razo cclica ("duty cycle" = ) e a

    tenso mdia de sada Vo [18].

    A Figura 3.2 mostra as formas de onda tpicas dos modos de operao do

    Conversor Boost.

    As grandezas demonstradas no grfico so:

    E Tenso de entrada

    Ii Corrente de entrada do conversor

    IL Corrente no indutor L

    IT Corrente no transistor T

    ID Corrente no diodo D

    Io Corrente de sada

    Figura 3.2. Formas de onda tpicas do Conversor Elevador de Tenso Boost [18].

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    45

    VL Tenso no indutor L

    VT Tenso no transistor T

    Vo Tenso de sada.

    tT Tempo de conduo do transistor

    tX Tempo em que a corrente no indutor igual a zero

    t2 Tempo de conduo do diodo D

    Perodo da frequncia de operao da chave (transistor).

    3.2.1- Equaes bsicas do conversor boost

    Para que se defina a relao entre a tenso de entrada e a tenso de sada do

    conversor boost, faz-se necessrio uma anlise quantitativa para os dois modos de

    conduo, sendo eles, os modos de conduo contnua (MCC) e de conduo

    descontnua (MCD).

    3.2.1.1- Modo de conduo contnua (MCC)

    A obteno da relao entre as tenses de entrada e sada pode ser feita a partir

    do comportamento do indutor, o qual primeiramente armazena a energia suprida pela

    entrada e, em seguida, transfere para a sada do conversor. Sabe-se que a tenso

    mdia sobre uma indutncia, em regime, nula, conforme mostra a Figura 3.3. Como a

    tenso mdia no indutor nula, permitido igualar os valores desta tenso em ambos

    os momentos, ou seja, quando o transistor est saturado e quando o transistor est

    cortado. Este conceito est demonstrado na equao 3.1

    Figura 3.3. Formas de onda da tenso sobre uma indutncia em regime [18].

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    46

    (3.1)

    Ao analisar o circuito e as formas de onda do modo de conduo contnua

    (MCC), podemos fazer as seguintes definies:

    Quando o transistor T conduz, a tenso no indutor VL igual tenso de

    entrada E, ou seja, (VL = E) durante o perodo em que o transistor est

    saturado Ton ( tT de acordo com o grfico);

    Quando o diodo D conduz, a tenso no indutor VL igual diferena de

    potencial entre a entrada e a sada do conversor, ou seja, { VL = - (Vo - E) },

    durante o perodo em que o transistor est cortado, Toff , ou seja, durante

    ( - tT ).

    Sendo assim, pode-se concluir que:

    E A tT

    L

    fffffffffffff=

    V o@Eb c

    A @ tT

    b c

    L

    ffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff =

    tT

    ffffff (3.2) V o =

    E

    1@

    ffffffffffffffffff

    onde:

    Vo Tenso de sada

    E Tenso de entrada

    Ciclo de trabalho, razo cclica ou duty cycle.

    A1 = A2 [ V 1A t1 =V 2A @ t1

    b c

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    47

    Segundo Pomlio [18], embora para uma razo cclica igual a 1 (um) a tenso de

    sada tenda a ser infinita, na prtica, os elementos parasitas e no ideais do circuito,

    tais como, resistncias do indutor e da fonte, impedem o crescimento da tenso acima

    de certo limite, no qual as perdas nestes elementos passam a ser maiores do que a

    energia transferida do indutor para a sada do conversor.

    3.2.1.2- Modo de conduo descontnua (MCD)

    Para o modo de conduo descontnua (MCD), pode-se fazer a mesma anlise,

    acrescentando a considerao de que neste modo de operao, a corrente instantnea

    no indutor vai a zero durante o tempo tX, de acordo com o grfico da Figura 3.2.

    Sendo assim, conclui-se que:

    V o = E A

    1@ t x

    ffffffffd e

    1@ @ t x

    ffffffffd efffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffH

    LLLLJ

    I

    MMMMK

    (3.3)

    onde:

    Vo Tenso de sada

    E Tenso de entrada

    Ciclo de trabalho ou duty cycle.

    tX Tempo em que a corrente no indutor igual a zero

    O modo de operao contnua ou descontnua do conversor boost est

    diretamente relacionado com o valor da corrente de sada. A Figura 3.4 mostra a

    variao da relao Vo/E com a corrente da carga (Io). Nota-se que a conduo

    descontnua tende a ocorrer para baixos valores dessa corrente de sada Io , levando

    exigncia da garantia de um consumo mnimo da carga para que se tenha conduo

    contnua. Percebe-se tambm, que existe um limite para a corrente da carga Io, acima

    do qual a conduo sempre contnua, sendo que, neste caso, a tenso de sada no

    se altera pelo aumento da corrente na carga.

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    48

    3.3 Conversor Boost como Pr-regulador para Correo do

    Fator de Potncia

    3.3.1 - Conceitos e definies

    O Fator de Potncia definido como a relao entre a potncia ativa e o produto

    dos valores RMS de tenso e de corrente da entrada, produto este chamado de

    potncia aparente, conforme descrito na expresso 3.4.

    PF =potncia ativa

    potncia aparente

    fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff=

    P

    S

    fffff=

    1

    T

    fffffZ0

    T

    v t` aA i t` aA dt

    1

    T

    fffffZ0

    T

    v t` a2

    dt

    vuuuutwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww

    A1

    T

    fffffZ0

    T

    i t` a2

    dt

    vuuuutwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (3.4)

    onde v(t) e i(t) so, respectivamente, a tenso e a corrente de entrada e T o perodo

    de tempo analisado.

    Figura 3.4. Caracterstica de sada do conversor elevador de tenso [18].

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    49

    As cargas que apresentam baixos valores de fator de potncia incrementam a

    potncia aparente, o que implica em elevao da intensidade da corrente drenada da

    rede. Dessa forma, a potncia til que pode ser solicitada da rede reduzida pela

    limitao trmica.

    Francisco Canales [19] apresenta, como exemplo, um sistema de alimentao

    de 120V 15A que normalmente encontrado nos ambientes de escritrios e

    residncias nos Estados Unidos. Assumindo que o rendimento do equipamento de

    80% e que a corrente de linha reduzida em 20% para evitar desarme por proteo, a

    potncia til utilizada, considerando fator de potncia unitrio (melhor caso possvel),

    pode ser calculada como segue:

    Pmx = 120V A 15A A 0,8b c

    A 0,8 = 1152 W (3.5)

    Repetindo o clculo para uma carga com fator de potncia de 0,59, a mxima

    potncia til disponibilizada ser:

    Pmx = 120V A 15A A 0,8b c

    A 0,59 A 0,8 = 680 W (3.6)

    Percebe-se assim, um grande decrscimo na potncia til da carga. O baixo

    fator de potncia pode ser o resultado do deslocamento de fase entre tenso e corrente

    da carga ou da presena de distores harmnicas nestas grandezas.

    As distores harmnicas so ndices de presena de cargas no lineares no

    sistema eltrico. Pode-se determinar a Distoro Harmnica Total THD atravs da

    expresso 3.7.

    THD =

    Xn = 2

    1

    I n2swwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww

    I1

    fffffffffffffffffffffffffff (3.7)

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    50

    onde In a amplitude de corrente das nth componentes harmnicas e I1 a amplitude

    da componente fundamental.

    A relao entre Fator de Potncia PF (Power Factor) e Distoro Harmnica

    Total THD (Total Harmonics Distortion) est demonstrada na expresso 3.8.

    PF

    DPF

    ffffffffffffffffa

    1

    1 + THD2

    fffffffffffffffffffffffffffffswwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww (3.8)

    onde DPF o Fator de Deslocamento, sendo tambm conhecido como cosseno de .

    Quando tenso e corrente de linha so senoidais, o ngulo de deslocamento

    entre as duas componentes fundamentais.

    As distores harmnicas incrementam o valor eficaz da corrente sem aumentar

    o valor da potncia ativa que est sendo drenada.

    Apesar de o fator de potncia estar relacionado com o total de distoro

    harmnica, ele no uma varivel a ser considerada como ndice de distoro. mais

    conveniente lidar diretamente com os valores de distoro do que lidar com valores de

    fator de potncia. Segundo o exemplo de Philip Todd [20], 3% de distoro harmnica

    proporciona um fator de potncia de 0,999. Com uma distoro harmnica total de

    corrente igual a 30%, ainda assim teremos um fator de potncia de 0,95

    aproximadamente. A Figura 3.5 mostra o grfico da relao entre o fator de potncia e

    a distoro harmnica total da corrente, confirmando o que foi relatado acima.

    Atravs da figura, percebe-se que o fator de potncia s degradado para

    elevados ndices de distores harmnicas, o que pode ocorrer na presena de cargas

    com caractersticas no lineares.

    Sendo assim, pode-se concluir que tanto o deslocamento de fase entre formas

    de onda da tenso e da corrente na freqncia fundamental como as distores

    harmnicas na corrente da linha, minimizam a capacidade de fornecimento de potncia

    til pela rede eltrica de alimentao.

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    51

    O baixo fator de potncia no s incrementa a potncia aparente e,

    consequentemente, a corrente de linha, como tambm incrementa os custos para que

    se aumente a capacidade de fornecimento em funo dessas correntes adicionais. Isto

    se d, inicialmente, dentro do prprio equipamento que constitui a carga e se estende

    para todo o sistema de distribuio e gerao de energia eltrica [19].

    Onde existem grandes quantidades de cargas com baixo fator de potncia,

    faz-se necessrio um aumento da capacidade de fornecimento, o que implicar na

    requisio de capacidade adicional para a o sistema de distribuio e gerao.

    Uma primeira aproximao deste custo adicional define que ele inversamente

    proporcional ao fator de potncia, conforme demonstrado na expresso [19]:

    Custo da capacidade de potncia adicional =1

    PF

    ffffffffff (3.9)

    Como resultado, para as cargas do exemplo apresentado anteriormente (PF =

    0,59), o incremento no custo do hardware de alimentao para fornecimento das

    correntes adicionais seria de aproximadamente 69%. Portanto, conclui-se que estes

    custos adicionais aumentam com o decrscimo do fator de potncia.

    Figura 3.5. Relao entre Fator de Potncia e Distoro Harmnica Total

    Fator de Potncia X Distoro Harmnica

    Fat

    or d

    e P

    otn

    cia

    Distoro Harmnica Total (%)

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    52

    Os medidores utilizados nos ambientes residenciais e de escritrio registram

    somente a potncia ativa consumida da linha, no penalizando diretamente os

    consumidores no que diz respeito aos custos relacionados ao consumo de reativos. J

    no caso dos grandes consumidores (comrcio e indstria), o fator de potncia

    monitorado pela concessionria de energia eltrica. Se o consumo de reativos exceder

    o valor de referncia (PF < 0,92) por um determinado perodo de tempo, tal fato

    resultar em tarifao adicional na conta de energia eltrica do consumidor.

    De acordo com a Resoluo n456 da ANEEL Agncia Nacional de Energia

    Eltrica (ANEEL,2000) [21], o faturamento do consumo de energia reativa excedente

    calculado conforme a expresso 3.9.

    FER p` a

    =XT=1

    n

    CAt Afr

    ft

    fffffff@1

    f gH

    J

    I

    KA TCA p` ab c `

    (3.9)

    onde:

    FER(p) = faturamento, por posto horrio p, correspondente energia reativa

    excedente quantidade permitida pelo fator de potncia de referncia fr, no

    perodo de faturamento;

    CAt = fornecimento de energia ativa, verificada por medio apropriada em cada

    intervalo de 1 (uma) hora t, durante o perodo de faturamento;

    fr = fator de potncia de referncia igual a 0,92;

    ft = fator de potncia da unidade consumidora, calculado em cada intervalo t

    de 1 (uma) hora, durante o perodo de faturamento;

    TCA(p) = tarifa de energia ativa, aplicvel ao fornecimento em cada posto

    horrio p.

    Sendo assim, para a tarifao do consumo de reativo excedente, a

    concessionria efetua a medio do fator de potncia e o define atravs do valor

    mdio calculado nos intervalos de integralizao correspondentes a perodos de 1

    (uma) hora, ou seja, para que o consumidor no seja penalizado com pagamento de

    multas, o que importa a mdia no respectivo intervalo de tempo.

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    53

    A Figura 3.6 [22] mostra um exemplo de conta de energia eltrica onde um

    consumidor industrial foi penalizado com tarifao adicional por consumo excessivo de

    reativos. A empresa teve que adicionar mais de R$ 7.000,00 s suas despesas com

    consumo de energia eltrica.

    Outro detalhe importante quanto distoro na forma de onda da tenso. Com

    o objetivo de simplificar a maior parte dos clculos, assume-se que a impedncia da

    fonte CA zero e que a forma de onda de tenso no distorcida por uma forma de

    onda de corrente no-linear. Na verdade, a impedncia da fonte CA baixa, mas no

    zero. Condutores com pequena seo transversal esto dentro do equipamento e o

    elevado nvel de distoro da forma de onda da corrente afetar a qualidade da forma

    de onda da tenso, tornando-a no senoidal. Se a distoro da forma de onda da

    tenso se torna severa, ela poder causar problemas operacionais com as fontes de

    alimentao e com outros equipamentos sensveis conectados mesma rede eltrica.

    Figura 3.6. Exemplo de Conta de Energia Eltrica Consumidor Industrial [22].

    UFER - Unidade de Faturamento de Energia Reativa

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    54

    3.3.2 - Circuitos retificadores convencionais

    A idia de transformao de uma tenso alternada CA em uma tenso contnua

    CC j bastante conhecida. Os circuitos retificadores usuais utilizam pontes

    retificadoras com um filtro capacitivo na sada. Este filtro tem o objetivo de reduzir o

    ripple da tenso no estgio de sada do conversor. A Figura 3.7 mostra o diagrama

    destes retificadores, bem como suas respectivas formas de onda.

    Estes circuitos impem correntes de entrada no senoidais, fato que promove

    elevadas taxas de distoro harmnica na linha, contribuindo para a degradao do

    fator de potncia no sistema. A distoro da corrente de entrada ocorre pelo fato de os

    diodos retificadores conduzirem por um curto intervalo de tempo. O capacitor se

    carrega com o pico da tenso alternada de entrada, fazendo com que aparea corrente

    s nos instantes de carga do mesmo. Como as variaes da corrente no

    acompanham as variaes da tenso de entrada, como acontece em um circuito

    resistivo, tal fato resulta em uma corrente de entrada com elevado contedo harmnico,

    provocando a reduo do fator de potncia. A Figura 3.7 mostra as formas de onda da

    tenso e da corrente no estgio de entrada desses retificadores.

    Embora o fator de potncia no seja significativamente degradado pela presena

    de harmnicas, estes circuitos retificadores apresentam valores tpicos de distoro

    harmnica total de corrente acima de 100%, ou seja, distores elevadas em

    magnitude, as quais implicam em baixo fator de potncia na entrada destes

    retificadores convencionais (entre 0,5 e 0,7).

    Figura 3.7. Retificador convencional com filtro capacitivo e formas de onda caractersticas.

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    55

    A Figura 3.8 apresenta a forma de onda da corrente de entrada, bem como o

    seu espectro e sua taxa de distoro harmnica, resultados estes coletados de

    circuitos retificadores utilizados em fontes chaveadas [23].

    Em um ambiente urbano, com significativas construes, as cargas no-lineares

    constituem grande parte das cargas presentes nas instalaes eltricas. Como

    exemplos, so citados os reatores para lmpadas fluorescentes, os quais apresentam

    uma caracterstica no linear no sistema eltrico. Alm destes, modernos escritrios

    podem conter um grande nmero de microcomputadores, impressoras, copiadoras,

    etc., onde cada um deles pode empregar circuitos retificadores convencionais. Embora

    cada carga individualmente possa ser uma pequena frao da potncia total instalada,

    estas podem coletivamente se tornar significativas para o sistema eltrico.

    Na rea industrial, comum a utilizao destes circuitos retificadores como

    estgio de entrada dos Acionamentos de Velocidade Varivel - "ASDs - Adjustable

    Speed Drives" em uma faixa de potncia bastante considervel.

    Figura 3.8. Forma de onda, Espectro e DHT da corrente de linha para o estgio de entrada de um circuito retificador de fonte chaveada [23].

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    56

    A IEC 61000-3-2 [24] estabelece padres para os diferentes tipos de

    equipamentos de baixa potncia com limites de distoro harmnica variados. Esta

    norma limita, especialmente, harmnicas para os equipamentos com uma corrente de

    linha de at 16A, conectados em uma rede monofsica de 50Hz ou 60Hz e 220V a

    240V, alm de sistemas trifsicos com tenso de 380V a 415V.

    Para o estabelecimento dos limites das correntes harmnicas, a norma define

    que os equipamentos eletroeletrnicos so divididos em 4 (quatro) classes:

    Classe A: so os equipamentos com alimentao trifsica equilibrada,

    ferramentas no portteis, equipamentos de udio e todos aqueles que no

    se enquadram nas outras categorias. Os limites para esta classe de

    equipamentos so apresentados na Tabela 3.1;

    Classe B: so as ferramentas portteis. Os limites para esta classe de

    equipamentos so os valores apresentados na Tabela 3.1 acrescidos em

    50%;

    Classe C: so os dispositivos de iluminao. Para os equipamentos com

    potncia ativa de entrada maior do que 25W, os limites esto apresentados

    na Tabela 3.2, expressos em porcentagem da corrente fundamental. Caso a

    potncia ativa de entrada seja menor ou igual a 25W, os limites so os

    apresentados na Tabela 3.3;

    Classe D: so os equipamentos com especificao de potncia de entrada

    menor ou igual a 1kW, tais como, microcomputadores, monitores de vdeo e

    aparelhos de televiso. Os limites apresentados pela Tabela 3.3 so vlidos

    para todos os equipamentos com potncia ativa de entrada maior do que

    50W at o limite de 600W, excetuando aqueles da Classe C com potncia

    inferior a 25W. O limite inferior de 50W resultado de uma reduo do antigo

    valor de 75W, reduo esta prevista para janeiro de 2005, quatro anos aps

    a implementao da norma de janeiro de 2001.

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    57

    Harmnicas - mpares Harmnicas - Pares

    Nmero da Harmnica Corrente Mxima Nmero da Harmnica Corrente Mxima

    3 2,30 A 2 1,08 A

    5 1,14 A 4 0,43 A

    7 0,77 A 6 0,30 A

    9 0,40 A 8 n < 40 0,23 A * (8 / n)

    11 0,33 A

    13 0,21 A

    15 n < 39 0,15 A * (15 / n )

    Nmero da Harmnica Corrente Mxima Percentual da Fundamental.

    2 2%

    3 (30%) * (Power Factor)

    5 10%

    7 7%

    9 5%

    11 n < 39 3%

    Nmero da Harmnica Limite Relativo (mA / W) Limite Absoluto (A)

    3 3,4 2,30 A

    5 1,9 1,14 A

    7 1,0 0,77 A

    9 0,5 0,40 A

    11 0,35 0,33 A

    13 n < 39 3,85 / n See table 3.1

    Tabela 3.1. IEC 61000-3-2 Limites de correntes harmnicas para os equipamentos da Classe A

    Tabela 3.2. IEC 61000-3-2 Limites de correntes harmnicas para os equipamentos da Classe C

    Tabela 3.3. IEC 61000-3-2 Limites de correntes harmnicas para os equipamentos da Classe D

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    58

    3.3.3 - Conversor boost como retificador de alto fator de potncia

    Otimizao do Fator de Potncia e minimizao das distores harmnicas so

    objetivos que podem ser alcanados pela modificao do estgio de entrada de uma

    fonte de alimentao convencional.

    Solues passivas, conforme indica a Figura 3.9, podem ser usadas para atingir

    este objetivo em aplicaes de baixa potncia. Segundo Francisco Canales [19], com

    um filtro indutivo de alta indutncia, o retificador monofsico de onda completa produz

    uma forma de onda quase quadrada para a corrente de linha, conseguindo atender um

    fator de potncia de 0,9 e um THD de 48%.

    Com pequenos valores indutncia, estes objetivos no so atingidos. De

    qualquer forma, o volume desses elementos de filtragem, somando ao fato de no

    promover um fator de potncia unitrio e no anular o THD, torna essas solues

    passivas inaceitveis em muitas aplicaes.

    As solues ativas so as mais utilizadas para melhorar o fator de potncia e

    anular as distores harmnicas em aplicaes de alta potncia. Nestas solues

    ativas, um conversor opera com uma freqncia de chaveamento maior do que a

    freqncia da rede, tipicamente entre 50 e 200kHz, colocado entre a sada dos

    diodos retificadores e o filtro capacitivo, conforme indica a Figura 3.10. A funo deste

    conversor a de se comportar como uma carga resistiva ideal na sada dos diodos

    retificadores com o objetivo de eliminar a gerao de correntes harmnicas na linha.

    Por estas caractersticas, esse conversor tambm conhecido como emulador resistivo

    (resistor emulator).

    Figura 3.9. Retificador monofsico de onda completa com filtro LC e formas de onda tpicas

    Entrada Principal

    Formas de Onda Tenso v(t) e Corrente i(t) na

    entrada do retificador

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    59

    Analisando as caractersticas que este conversor deve oferecer para que ele se

    comporte como uma carga linear, tem-se como base a seguinte expresso para a

    tenso de alimentao do conversor:

    v t` a

    =V g sin t` a

    (3.12)

    Como os diodos retificadores visualizam o conversor como uma carga resistiva,

    a corrente da sada do retificador deve ser proporcional tenso de entrada retificada,

    tal como:

    ig t` a

    =vg t` a

    Re

    ffffffffffffffff (3.13) onde Re um valor hipottico da resistncia apresentada pelo conversor.

    Na condio de que cada par de diodos conduz durante o perodo de 180 da

    tenso alternada de entrada, a tenso retificada pode ser expressa como:

    vg t` a

    =V g sin t` aLL

    L

    MMM (3.14)

    Como a corrente da sada do retificador ig (t) est relacionada com a tenso vg (t)

    pela equao 3.13, pode-se concluir que a corrente ig (t) tambm ter uma forma de

    onda senoidal retificada e que pode ser expressa como:

    Figura 3.10. Esquema de uma soluo ativa para correo de fator de potncia

    CC CC

    Conversor

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    60

    ig t` a

    =V g sin t

    ` aLLL

    MMM

    Re

    ffffffffffffffffffffffffffffffffffff= I g sin t

    ` aLLL

    MMM (3.15)

    Sob esta condio, a corrente de entrada i(t) tambm ser puramente senoidal,

    conforme a expresso:

    i t` a

    = I g sin t` a

    (3.16)

    Considerando que a tenso v(t) e a corrente i(t) so duas formas de onda

    senoidais em fase, pode-se afirmar que o fator de potncia desse retificador ser

    unitrio e com nenhuma taxa de distoro harmnica.

    A potncia instantnea na entrada do conversor definida como:

    p t` a

    = vg t` a

    ig t` a

    sin2

    t` a

    (3.17)

    sendo que esta pulsante e com uma freqncia igual a duas vezes a

    freqncia da rede.

    Esta potncia deve ser igual ao valor da potncia de sada do conversor (neste

    caso est sendo considerado perdas nulas). De acordo com o circuito da Figura 3.10,

    pode-se determinar que o valor da potncia de sada :

    po t` a

    = vo t` a

    io t` a

    (3.18)

    Tendo-se em mente que o objetivo final o de promover um barramento de

    tenso contnua, um capacitor de sada deve ser includo para permitir que esta tenso

    seja constante. Assumindo o fato do valor deste componente ser grande o suficiente

    para permitir um barramento de tenso constante (vo(t) = Vo = constante) e de posse do

    balano de potncia expresso na equao 3.18, tem-se que:

    io t` a

    =V g I g

    V o

    ffffffffffffffffsin

    2t` a

    (3.19)

    Esta equao tambm pode ser expressa como:

    io t` a

    =V g I g

    2V o

    ffffffffffffffff@

    V g I g

    2V o

    ffffffffffffffffcos 2t` a

    (3.20)

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    61

    Desta forma, pode-se visualizar, alm da primeira parcela da equao que a

    componente contnua que flui atravs da carga, a segunda parcela, a qual a

    componente alternada que flui atravs do capacitor C, considerando que este tenha

    sido bem especificado.

    A Figura 3.11 mostra o circuito de um retificador de alto fator de potncia

    implementado com um conversor boost como resistor emulador.

    Segundo Pomlio [25], dentre as vrias topologias de Conversores CC/CC

    existentes, o Conversor Boost o mais utilizado em aplicaes para correo do fator

    de potncia - "PFC - Power Factor Correction". Isso ocorre pelo fato deste conversor

    apresentar vantagens estruturais como:

    a) A presena do indutor na entrada absorve variaes bruscas na tenso da

    rede - "spikes", de forma a no afetar o restante do circuito;

    b) A presena do indutor tambm facilita a obteno de uma forma de onda

    senoidal para a corrente;

    c) A elevada tenso de sada (Vo > E) permite a utilizao de capacitores

    menores, ou seja, com valores baixos de capacitncia para o

    armazenamento da energia transferida da entrada para a sada do conversor;

    d) O controle da forma de onda da corrente mantido para todo o valor

    instantneo da tenso de entrada;

    e) No modo de conduo contnua, as exigncias de filtro para interferncias

    eletromagnticas so minimizadas;

    Figura 3.11. Esquema de um retificador de alto fator de potncia implementado com um conversor boost [25].

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    62

    f) Apresenta eficincia de aproximadamente 95%;

    g) O transistor utilizado para o chaveamento pode ser acionado por um sinal de

    baixa tenso referenciado ao terra.

    O Conversor Boost utilizado em aplicaes para correo do fator de potncia

    pode operar nos modos de conduo contnua e descontnua.

    Ao operar no modo de conduo descontnua, o conversor apresentar valores

    instantneos de corrente na entrada igual a zero a cada ciclo de operao do transistor.

    Com freqncia de chaveamento constante e modulao por largura de pulso, com o

    tempo de conduo do transistor determinado diretamente pelo erro da tenso de

    sada, o valor do pico da corrente no indutor de entrada ser diretamente proporcional

    tenso de alimentao. A Figura 3.12 mostra as formas de onda tpicas, indicando a

    tenso de entrada (senoidal) e a corrente pelo indutor, o qual a mesma corrente

    absorvida da rede e que apresenta uma variao, em baixa freqncia, praticamente

    senoidal.

    Ao operar em modo de conduo contnua, o conversor no apresentar valores

    instantneos de corrente na entrada igual a zero durante os ciclos de operao do

    transistor.

    Figura 3.12. Formas de onda do conversor boost operando como PFC no modo descontnuo [25].

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    63

    O Conversor Boost operando no modo de conduo contnua tem sido a

    topologia mais utilizada em aplicaes PFC devido s suas vantagens, em especial, a

    reduzida ondulao presente na corrente de entrada. A Figura 3.13 mostra as formas

    de onda tpicas do conversor operando no modo de conduo contnua.

    Conforme mostrado na Figura 3.4 da pgina 48, o modo de conduo

    descontnua tende a acontecer para baixos valores de corrente de sada, levando

    exigncia da garantia de um consumo mnimo da carga para que se tenha conduo

    contnua.

    A programao da corrente de entrada do conversor boost realizada atravs

    da imposio de um sinal de freqncia fixa com largura de pulso modulada, ou seja,

    um PWM especfico para o acionamento do dispositivo de chaveamento, neste caso,

    um transistor. A largura de pulso do sinal PWM depende, basicamente, de duas malhas

    de controle, as quais tm o objetivo de controlar a forma de onda da corrente de

    entrada e a magnitude da tenso de sada do conversor. A Figura 3.14 mostra o

    diagrama simplificado do conversor boost PFC e seu bloco de controle.

    Figura 3.13. Formas de onda do conversor boost operando como PFC no modo contnuo

    Figura 3.14. Diagrama simplificado do conversor boost PFC com o circuito de controle

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    64

    A Figura 3.15 mostra os resultados de simulao, apresentados no trabalho de

    Beltrame [26], para um conversor boost com caractersticas citadas nesta mesma

    figura. As chaves utilizadas no circuito foram o IGBT IRGP50b60PD1 e o diodo

    60APU06. Na retificao, foi utilizada a ponte KBPC5010.

    Atravs dos resultados apresentados, pode-se concluir que a forma de onda da

    corrente de entrada do circuito, em vermelho, acompanha satisfatoriamente a forma de

    onda da tenso, em azul. Tal resultado faz com que o conversor boost, perante a rede

    eltrica, se aproxime de uma carga linear com fator de potncia prximo de 1 (um) (PF

    = 0,99) e com baixa distoro harmnica de corrente (THD = 0,8%). Este

    comportamento o torna um circuito retificador de alto fator de potncia, fazendo com

    que ambas as grandezas, tenso e corrente de entrada, estejam em fase e isentas de

    distores harmnicas geradas por este conversor.

    Estes conversores pr-reguladores para correo do fator de potncia (PFC) tm

    sido uma das solues mais adequadas para reduzir o efeito da corrente de entrada

    pulsante, a qual normalmente gerada pelas cargas no lineares (elevada THDi), ou

    ainda, pelos circuitos retificadores convencionais.

    A seguir, ser apresentado o circuito integrado UC3854, uma das opes de

    componentes utilizados para o controle do conversor boost em aplicaes PFC

    Power Factor Correction e que ser aplicada na construo do prottipo concebido

    neste trabalho.

    Figura 3.15. Desempenho do Conversor Boost Resultados de Simulao [26].

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    65

    3.4 Conversor Boost Controlado pelo Circuito Integrado 3854

    3.4.1 Caractersticas bsicas do circuito de controle

    O objetivo do controle de um Conversor Boost em aplicaes PFC o de corrigir

    o fator de potncia atravs da programao da corrente de entrada em funo da

    tenso da rede, fazendo desta forma, com que o sistema apresente caractersticas de

    uma carga linear. Ao manter a relao entre tenso e corrente constante, o estgio de

    entrada do conversor se comportar como uma carga resistiva, promovendo um fator

    de potncia unitrio. Quando a relao se desvia de uma constante, o estgio de

    entrada ir conter desbalanceamento de fase entre tenso e corrente, distores

    harmnicas ou ambos, todos corroborando para a degradao do fator de potncia na

    entrada do conversor [15].

    O circuito de potncia do conversor boost utilizado como pr-regulador para

    correo do fator de potncia o mesmo circuito do conversor boost CC-CC. Existe

    uma ponte retificadora conectada ao indutor para retificar a tenso de entrada CA, mas

    o capacitor de filtro que normalmente seria associado funo de converso CA-CC,

    foi removido para a sada do conversor boost. Neste ponto, a tenso de sada

    constante, mas a corrente de entrada programada para seguir a tenso da rede,

    tornando-se uma funo senoidal em meio ciclo. O fluxo de potncia no capacitor de

    sada no constante, porm possui uma forma de onda senoidal com o dobro da

    freqncia de linha, sendo a magnitude desta potncia igual ao produto dos valores

    instantneos da tenso e da corrente conforme descrito na equao 3.17.

    A Figura 3.16 mostra o comportamento relatado atravs de um grfico. Neste, a

    primeira forma de onda mostra a tenso e a corrente na entrada do conversor. A

    segunda forma de onda mostra o fluxo de energia que entra e sai do capacitor. Este

    componente armazena a energia quando a tenso de entrada alta e fornece a

    energia para a carga quando a tenso de entrada baixa, objetivando assim, manter o

    fluxo de potncia na sada do conversor. A terceira forma de onda mostra a corrente de

    carga e descarga. Esta corrente tem uma forma de onda diferente da corrente de

    entrada e podemos consider-la como a componente de segunda harmnica da tenso

    CA da linha de alimentao.

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    66

    Este fluxo de energia que entra e sai do capacitor resulta em um ripple na

    tenso CC de sada em segunda harmnica. Isto mostrado na quarta forma de onda

    no grfico da Figura 3.16. Percebe-se que o ripple de tenso est defasado de 90 em

    relao ao ripple de corrente, demonstrando a energia reativa armazenada.

    O Conversor Boost precisa de duas malhas de controle para promover a

    correo de fator de potncia. Um dos elos controla a corrente de entrada e o outro a

    tenso de sada. O loop de controle da corrente de entrada comanda o conversor para

    que ele faa com que esta tenha uma forma de onda senoidal. O loop de controle da

    tenso de sada comanda o conversor para que ele opere como uma fonte de tenso

    contnua para a carga. Sendo assim, a programao da corrente de entrada do

    conversor boost realizada atravs da imposio de um sinal PWM especfico para o

    acionamento do dispositivo de chaveamento, ou seja, do transistor IGBT ou MOSFET.

    As malhas de controle do conversor utilizam como variveis, amostras dos sinais de

    tenso de entrada e sada do circuito de potncia do conversor.

    A Figura 3.17 [15] mostra uma concepo bsica para o controle de um

    conversor boost operando como pr-regulador para correo do fator de potncia.

    Figura 3.16. Formas de onda do pr-regulador para correo do fator de potncia [20].

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    67

    3.4.2 Caractersticas gerais dos circuitos integrados de controle

    Dentre as alternativas de circuitos integrados (CI) existentes, as opes

    possveis de controle so:

    a) Modo de conduo descontnuo, atravs de circuitos que produzem sinal

    PWM a partir do erro da tenso de sada. Neste caso, o CI pode ser o mesmo utilizado

    em fontes chaveadas convencionais.

    b) Modo de conduo contnuo, atravs de CIs que possuem um circuito

    multiplicador a fim de gerar a referncia de corrente, a qual deve ser realimentada

    pelas malhas de controle.

    As principais caractersticas dos circuitos integrados utilizados nestas aplicaes

    so [27, 28, 29, 30, 31, 32]:

    Oscilador interno ou programvel (freqncia at 500kHz);

    Sinal PWM ou MLP linear, com ciclo de trabalho de 0 a 100%;

    Amplificador de erro integrado;

    Referncia de tenso integrada;

    Inibio por sub-tenso;

    Elevada corrente de sada no acionador;

    "Soft start" ou sistema para partida suave do conversor;

    Limitao de corrente;

    Capacidade de sincronizao com outros osciladores.

    Figura 3.17. Configurao bsica de um circuito de controle para correo de fator de potncia

    Rede CARede CARede CARede CA

    CARGACARGACARGACARGA

    MULTIPLICADORMULTIPLICADORMULTIPLICADORMULTIPLICADOR Amostra de Amostra de Amostra de Amostra de TensoTensoTensoTenso

    Amostra de Amostra de Amostra de Amostra de CorrenteCorrenteCorrenteCorrente Amostra da Amostra da Amostra da Amostra da Forma Forma Forma Forma

    de de de de OOOOnda da nda da nda da nda da Tenso Tenso Tenso Tenso de de de de entradaentradaentradaentrada

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    68

    Apesar de uma das referncias [27] ter citado, como caracterstica do CI, um

    sinal PWM com ciclo de trabalho de 0 a 100%, na prtica, nenhum controle opera com

    tal razo cclica, pois existem limitaes devido s perdas no circuito de potncia do

    conversor boost.

    Dentre as opes de CIs existentes, as Figuras 3.18 e 3.19 mostram a famlia

    de circuitos integrados que a Texas Instruments/Unitrode Corporation possui para

    atender tais aplicaes de controle desses conversores [28].

    Os circuitos integrados citados e identificados na figura em azul, apresentam

    mtodo de controle por corrente mdia, mtodo este utilizado para correo de fator de

    potncia e minimizao das distores harmnicas. Alm disso, possuem soft-start

    programvel, proteo contra sobrecorrente durante condies de sobrecarga, drivers

    incorporados (onboard) com alta capacidade de corrente para acionamento dos

    transistores MOSFETs ou IGBTs e atingem nveis de fator de potncia acima de

    0,993 [28].

    Figura 3.18. Famlia de circuitos integrados utilizados para controle de fator de potncia [28].

    Famlia de Produtos para Correo do Fator de Potncia (PFC)Famlia de Produtos para Correo do Fator de Potncia (PFC)Famlia de Produtos para Correo do Fator de Potncia (PFC)Famlia de Produtos para Correo do Fator de Potncia (PFC)

    Nvel de Potncia (W)Nvel de Potncia (W)Nvel de Potncia (W)Nvel de Potncia (W)

    Aplicaes

    Aplicaes

    Aplicaes

    Aplicaes

    Caractersticas

    Caractersticas

    Caractersticas

    Caractersticas

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    69

    A opo de controle utilizada neste trabalho o circuito integrado UC3854

    operando no modo de controle por corrente mdia.

    3.4.3 Controle com o circuito integrado UC3854

    Um circuito ativo para correo do fator de potncia deve controlar duas

    variveis: a corrente de entrada e a tenso de sada. O loop de corrente programado

    pela tenso de linha retificada fazendo com que a entrada do conversor se parea com

    o de uma carga resistiva.

    A tenso de sada controlada mudando a amplitude mdia da corrente do sinal

    de programao - (sinal de controle do pr-regulador). Um multiplicador analgico

    produz o sinal de corrente de programao realizando a multiplicao do sinal de

    tenso de alimentao retificada com o sinal de sada do amplificador de erro de

    tenso. Sendo assim, o sinal de corrente de programao ter a forma de onda da

    tenso de entrada e amplitude que controla a tenso de sada [20].

    Figura 3.19. Famlia de circuitos integrados utilizados para controle de fator de potncia [28].

    Solues CA/CC

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    70

    A Figura 3.20 mostra o diagrama de blocos de um circuito de controle bsico

    utilizado nos pr-reguladores para correo do fator de potncia.

    A sada do multiplicador um sinal programado de corrente e chamado de

    Imo. Um dos sinais de entrada do multiplicador vem da tenso de linha retificada e est

    identificado como um sinal de corrente na figura, pois este o procedimento utilizado

    no controle com o circuito integrado UC3854.

    No diagrama apresentado na Figura 3.20 [20], aparece um quadrador e um

    divisor, bem como um circuito comparador no loop de tenso. A sada do amplificador

    de erro de tenso dividida pelo quadrado da tenso mdia de entrada antes de ser

    multiplicado pelo sinal da tenso de alimentao retificado. Este circuito tem a funo

    de manter o ganho do loop de tenso constante. Com a ausncia deste circuito, o

    ganho do loop de tenso mudaria com o quadrado da tenso mdia de entrada. O valor

    mdio da tenso de entrada chamado de tenso Feedforward ou Vff, valor este que

    constitui um loop aberto de correo para contribuir com o loop de tenso do

    conversor. O sinal de sada do amplificador de erro de tenso, chamado de Vvea

    voltage error amplifier- dividido pela tenso mdia de entrada elevada ao quadrado

    Vff (feedforward voltage). O sinal de corrente de programao deve se igualar ao

    mximo com a forma de onda da tenso de entrada retificada para que seja possvel

    maximizar o fator de potncia neste ponto do circuito. Se o loop de tenso tivesse uma

    Figura 3.20. Circuito de controle necessrio para correo de fator de potncia

    Operao do

    Conversor para Elevao do Fator de

    Potncia

    Quadrador

    Divisor Multiplicador

    CARGA

    Rede CA

    MULT

    Km DIV

    Kj

    QUADRADOR Kg

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    71

    banda passante larga, ele modularia a corrente de entrada para manter a tenso de

    sada constante e isto provocaria uma grande distoro desta corrente. Portanto, a

    banda passante do loop de tenso deve ser menor do que a freqncia da rede. No

    entanto, a resposta aos transientes da tenso de sada deve ser rpida, e, sendo

    assim, a banda passante do loop de tenso deve ser o mais larga possvel. O circuito

    quadrador e o circuito divisor mantm o ganho do loop de tenso constante ento a

    banda passante pode ser a mais fechada possvel para a freqncia da rede, de forma

    a minimizar os transientes da tenso de sada. Isto muito importante para que se

    possa controlar um largo range da tenso de entrada.

    Os circuitos que mantm o ganho do loop de tenso constante fazem com que a

    sada do amplificador de erro de tenso seja um controle de potncia, ou seja, a sada

    do amplificador de erro de tenso, nessas condies, controla o fluxo de potncia

    fornecido para a carga. Isto pode ser facilmente implementado. Por exemplo, se a

    tenso de sada do amplificador de erro constante e a tenso de entrada dobrada, o

    sinal de programao ser dobrado, porm tambm ser dividido pelo quadrado da

    tenso feedforward, ou ainda, quatro vezes o valor de entrada, o que resultar na

    corrente de entrada sendo reduzida pela metade do valor anterior. Duas vezes a

    tenso de entrada com a metade da corrente de entrada resulta em uma mesma

    potncia neste ponto [20].

    Sendo assim, a sada do amplificador de erro controla o nvel de potncia de

    entrada do conversor. Isto pode ser usado para limitar a mxima potncia que o

    sistema poder consumir da rede de alimentao. Se a sada do amplificador de erro

    de tenso mantida em algum valor que corresponde a um determinado nvel mximo

    de potncia, ento o conversor PFC no ir consumir mais do que foi estabelecido pela

    sada do amplificador de erro, para toda a faixa de tenso de entrada.

    O circuito integrado UC3854 contm todos os elementos necessrios para se

    fazer o controle de um pr-regulador para correo do fator de potncia.

    Neste trabalho, o UC3854 ser utilizado no modo de controle por corrente

    mdia, embora o mesmo tambm seja flexvel para o mtodo de controle por corrente

    de pico.

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    72

    3.4.4 Caractersticas do circuito integrado UC3854

    Embora existam outras verses deste circuito integrado [33,34], tais como

    UC3854A/B, o diagrama de blocos mostrado na Figura 3.21 o do circuito integrado

    UC3854 standard , pois este o que ser utilizado no desenvolvimento deste trabalho

    de pesquisa. A pinagem do UC3854 est identificada na Figura 3.22 [35].

    O canto superior esquerdo do diagrama de blocos apresentado na Figura 3.21

    contm trs elementos comparadores. O primeiro comparador constitui uma proteo

    de sub-tenso de alimentao do circuito integrado. O UC3854 opera quando a tenso

    da alimentao no pino 15_(Vcc) ultrapassa o valor de 17Vcc, alm de exigir uma fonte

    Figura 3.21. Arquitetura interna do circuito integrado UC3854 [35].

    Figura 3.22. Pinagem do circuito integrado UC3854 [35].

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    73

    de alimentao com corrente estvel de pelo menos 20mA. A mxima tenso permitida

    na alimentao do componente de 35V. O segundo comparador possui como entrada

    no-inversora o pino 10_(ENA - Enable). Este pino uma entrada lgica que habilita

    a operao do sinal PWM, da fonte de referncia de 7,5Vcc e do oscilador, alm de

    permitir a partida suave (soft-start) do conversor. Esta habilitao deve ser realizada

    conectando o pino ENA em 5V ou em +Vcc atravs de um resistor de 22k. A sada

    dos dois comparadores, do primeiro e do segundo, ambas devem ser verdadeiras, ou

    seja, devem apresentar nvel lgico alto para que o circuito integrado possa operar. J

    o terceiro comparador constitui o amplificador de erro, cuja funo, a de estabelecer o

    loop para correo da tenso de sada do conversor boost.

    A entrada inversora do amplificador de erro de tenso conectada ao pino 11 do

    integrado e chamada de Vsense. A entrada no-inversora recebe um sinal de

    referncia proveniente do prprio circuito integrado e de valor igual a 7,5Vcc. O

    UC3854 possui uma fonte de referncia incorporada, conforme mostra a Figura 3.20,

    com tenso igual a 7,5Vcc disponibilizada no pino 9_REF e capaz de fornecer at

    10mA internamente e para circuitos perifricos, sendo que esta possui proteo interna

    contra curto-circuito.

    A sada do amplificador de erro de tenso Vvea voltage error amplifier,

    identificado no componente como VA OUT, obtida no pino 7 do UC3854, alm de ser

    conectada entrada do multiplicador analgico. A outra entrada do multiplicador est

    conectada ao pino 6 . Esta entrada chamada de IAC e tem a funo de programar a

    forma de onda a ser imposta na corrente de entrada do conversor. A entrada IAC

    recebe um sinal de corrente que pode ser de no mximo 10mA.

    A entrada Vff feedforward, est presente no pino 8. O valor de tenso neste

    pino elevado ao quadrado antes de entrar no elemento C de diviso do

    multiplicador, conforme mostrado no diagrama da Figura 3.20. A sada de corrente do

    multiplicador conectada ao pino 5 MULT_OUT e tambm entrada no-inversora do

    amplificador de erro de corrente. A sada do amplificador de erro de corrente

    conectada ao comparador do bloco Modulador por Largura de Pulso PWM Pulse

    Width Modulation onde, neste bloco, comparado com o sinal de rampa do oscilador

    conectado ao pino 14. A freqncia do oscilador definida pelos valores do resistor,

    conectado ao pino 12 Rset, e do capacitor conectado ao pino 14 Ct, ambos conectados

    entre os respectivos pinos e o terra.

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    74

    Pode-se concluir que o circuito integrado UC3854 possui 3 entradas para

    proteo e 4 entradas para a realizao do controle da razo cclica do conversor. As

    entradas de proteo so: - 10_ENA (enable); 13_SS (soft-start) e 2_PKLIM (peak

    current limit).

    A entrada 10_ENA (enable) permite habilitar ou desabilitar a operao do

    componente conforme j descrito anteriormente.

    A entrada 13_SS (soft-start) tem a funo de fazer com que a tenso na

    entrada no-inversora do amplificador de erro cresa suavemente, atravs da

    drenagem de uma corrente constante para um capacitor conectado entre o pino 13_SS

    e o terra, promovendo assim, uma partida suave do conversor boost.

    A entrada 2_PKLIM constitui uma proteo de sobrecorrente para o transistor de

    potncia, onde esta recebe uma amostra da intensidade de corrente na chave, atravs

    da queda de tenso sobre resistor conectado em srie com a mesma durante o perodo

    em que ela est conduzindo. Este resistor especificado em funo da intensidade

    mxima de corrente desejada, sendo que, quando este valor de corrente estiver

    circulando por este, sua queda de tenso ser igual quela que se encontra na entrada

    no-inversora do comparador 2_PKLIM. A tenso na entrada no-inversora definida

    por um divisor de tenso alimentado pela fonte de referncia de 7,5Vcc e com

    referncia do lado negativo da ponte retificadora. A Figura 3.23 mostra um circuito pr-

    regulador para correo do fator de potncia com o UC3854, onde possvel visualizar

    o que foi relatado [36].

    Figura 3.23. Aplicao tpica de um Conversor PFC com o UC3854 [36].

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    75

    J as entradas de controle so: 11_Vsense (Output DC Voltage Sense); 6_IAC

    (Line Waveform); 4_Isense (Line Current); Vrms (RMS Line Voltage).

    A entrada 11_Vsense recebe a amostra da tenso de sada e envia para o

    amplificador de erro para promover a correo da razo cclica do sinal PWM e

    proporcionar o controle da tenso de sada do conversor.

    A entrada 6_IAC tem a funo de programar a corrente de entrada para que ela

    siga a mesma forma de onda da tenso de alimentao, atravs de uma amostra que

    constitui um sinal de corrente proporcional tenso da rede. Esta amostra interfere na

    razo cclica do PWM de forma a forar a corrente de entrada a seguir a forma de onda

    da tenso presente neste ponto.

    A entrada 8_Vrms permite a operao do pr-regulador com um range de tenso

    de trs para um, ou seja, promove a correo do fator de potncia para qualquer valor

    de tenso de entrada na faixa de 85Vac a 255Vac, sendo que isto feito mantendo-se

    a potncia de entrada constante, mesmo com a variao da tenso de entrada

    (considerando a potncia da carga constante). O valor de tenso presente no pino

    8_Vrms proporcional ao valor eficaz da tenso de entrada. Esta elevada ao

    quadrado no UC3854 e usada como divisor no bloco multiplicador. A sada do

    multiplicador, pino 5_MULT_OUT, um sinal de corrente que aumenta com o valor

    presente no pino 6_IAC e com a tenso no pino 7_VAOUT, e decresce com o quadrado

    da tenso no pino 8_Vrms.

    A entrada 4_Isense promove uma realimentao da corrente que circula pelo

    transistor de potncia.

    Pode-se observar no diagrama da Figura 3.23, que na sada do conversor existe

    um divisor de tenso que fornece uma amostra de 7,5 Vcc para o pino 11_Vsense

    quando a sada do conversor estiver com a tenso contnua igual ao valor definido em

    projeto, por exemplo, 385 Vcc. Se a tenso de sada diminuir, a amostra de tenso no

    pino 11_Vsense tambm diminuir, proporcionando o aumento da tenso que

    comparada com o sinal de rampa do oscilador. O aumento desta tenso far com que o

    cruzamento desta com o sinal de rampa do oscilador demore mais para acontecer,

    elevando assim, a razo cclica do PWM objetivando a correo da tenso de sada do

    conversor para o valor desejado. Este comportamento pode ser observado nas formas

    de onda da Figura 3.24, que mostra os sinais de referncia (sada do multiplicador

    analgico), rampa de tenso (sada do oscilador), bem como o comportamento do sinal

    PWM em funo dos dois anteriores [20,37].

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    76

    O resultado da comparao de ambos os sinais, do oscilador e do amplificador

    de erro de corrente, define a razo cclica do PWM atravs do set e reset do flip-flop

    que, por sua vez, comanda a alta corrente de sada no pino 16_GT_DRV do circuito

    integrado UC3854. A sada chaveada internamente em 15Vcc. Esta tenso ir

    comandar as chaves eletrnicas, constitudas por transistores MOSFETs ou IGBTs do

    circuito de potncia do conversor boost.

    A Figura 3.25 mostra um exemplo de um projeto completo de um pr-regulador

    para correo do fator de potncia com o UC3854 [35].

    Segundo Bill Andreycak [38], o desempenho do circuito integrado UC3854, no

    exemplo de aplicao em um conversor PFC de 250W, conforme apresentado na

    Figura 3.25, foi avaliado utilizando instrumentos de preciso para a medio do fator de

    potncia e da distoro harmnica total. O resultado do fator de potncia foi de 0,999 e

    da distoro harmnica total THD, foi de 3,81% em carga nominal.

    Figura 3.24. Formas de onda no comparador do bloco PWM [37].

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    77

    3.5- Consideraes Finais

    Neste captulo, foi apresentado o conversor boost e sua aplicao em PFC

    Power Factor Correction. Inicialmente, sua estrutura topolgica, princpio de

    funcionamento, formas de onda e equaes, para ambos os modos de conduo

    (contnua e descontnua), foram abordados para sua operao como simples

    conversor elevador de tenso.

    Figura 3.25. Projeto completo de um conversor boost P.F.C. de 250W com o UC3854 [35].

  • Captulo III - Conversor Boost e sua aplicao em PFC Power Factor Correction

    78

    Adicionalmente, conceitos e definies relacionados ao fator de potncia nos

    sistemas eltricos de alimentao, bem como os principais problemas para a

    concessionria e consumidor, caso o valor deste seja baixo, foram apresentados

    atravs de uma anlise quantitativa de forma a justificar tanto os prejuzos com o

    sobredimensionamento das instalaes eltricas, como as tarifaes adicionais

    presentes nas contas de energia dos grandes consumidores.

    Os circuitos retificadores convencionais contribuem para a imposio de

    baixos valores de fator de potncia nos sistemas eltricos de alimentao e, em

    resposta a este problema, o conversor boost PFC apresentado como tima

    possibilidade.

    O bom desempenho do conversor boost operando como retificador de alto

    fator de potncia foi justificado atravs de simulaes computacionais e ensaios

    laboratoriais, sendo que este ltimo foi realizado com instrumentos de preciso.

    Ambos os resultados foram apresentados (p.64 e p.76) com base nas referncias

    citadas. Alm disso, foram estudadas as caractersticas bsicas do circuito de

    controle destes conversores boost PFC. Dentre as vrias opes de circuitos

    integrados existentes para controle nestas aplicaes, algumas foram mostradas.

    Em especial, o circuito integrado UC3854 foi estudado de forma mais detalhada em

    funo de ter sido escolhido como componente constituinte do prottipo deste

    trabalho.

    Sendo assim, de posse do conhecimento do princpio de operao do

    conversor boost, bem como de seu funcionamento como pr-regulador para

    correo do fator de potncia e, principalmente, da tcnica de controle e dos

    elementos que compem o circuito integrado UC3854, no prximo captulo, em

    atendimento ao objetivo proposto nesta dissertao, sero aproveitadas

    algumas das caractersticas de funcionamento deste sistema para que se possa

    implementar uma nova proposta de operao para o conversor boost PFC

    Power Factor Correction, de forma a torn-lo um sistema retificador com maior

    suportabilidade frente aos distrbios classificados como afundamentos temporrios

    de tenso.

  • 79

    CAPTULO IV

    PROPOSTA DE CONTROLE PARA MELHORIA DA

    SUPORTABILIDADE DOS CONVERSORES BOOST PFC

    PERANTE OS AFUNDAMENTOS DE TENSO

    4.1 - Consideraes Iniciais

    Os estudos anteriores demonstraram que os retificadores utilizados como

    estgio de entrada da maioria dos equipamentos eletroeletrnicos apresentam baixo

    fator de potncia, elevada distoro harmnica de corrente na entrada e alta

    vulnerabilidade perante os afundamentos de tenso. Alm disso, estes circuitos podem

    ter, dependendo da suportabilidade dos semicondutores utilizados, seus diodos

    comprometidos quando a tenso de entrada retorna a seus valores nominais.

    Para que se atinja o objetivo deste trabalho, primeiramente foi estudada a

    soluo para o baixo fator de potncia e para a elevada distoro harmnica na

    entrada desses sistemas. Sendo assim, foi apresentada, como proposta, a substituio

    desses circuitos de entrada por outros baseados em um conversor boost operando

    como pr-regulador para correo do fator de potncia, o qual utilizou como circuito de

    controle o CI UC3854 Standard, constituindo assim, um sistema retificador de alto

    fator de potncia.

    Neste captulo, ser apresentada a tcnica para correo do fator de potncia e

    aumento da suportabilidade dos circuitos retificadores perante os afundamentos de

    tenso. Esta tcnica consiste na modificao da estratgia de controle dos

    circuitos retificadores PFC, objetivando o aumento da suportabilidade destes

    diante dos distrbios supramencionados. Desta forma, o conversor proposto atuar

    como um PFC convencional quando a rede eltrica estiver em condies normais,

    porm, durante a ocorrncia de um afundamento, o controle priorizar a regulao da

    tenso de sada em detrimento da correo do fator de potncia, uma vez que, nesta

    situao, a prioridade a garantia do pleno regime de operao da carga de forma a

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    80

    evitar prejuzos econmicos ocasionados pelos desligamentos inesperados dos

    equipamentos eletroeletrnicos das linhas de produo.

    Para tanto, ser feita uma abordagem do princpio de operao do conversor

    proposto, das estratgias de estudo para o alcance do objetivo traado, alm da

    apresentao dos resultados experimentais para a validao de sua operao como

    pr-regulador para correo do fator de potncia PFC - "Power Factor Correction" e

    como regulador de tenso em situaes de afundamento Voltage Sag. Para

    validao experimental, implementou-se em laboratrio um prottipo de 250W. Embora

    a implementao deste seja monofsica, o princpio de operao pode ser estendido

    ao caso de alimentao trifsica.

    4.2 Princpio de Operao do Conversor Proposto

    A proposta deste trabalho de apresentar um sistema retificador de alto fator de

    potncia que no seja vulnervel a elevados nveis de afundamentos de tenso. Sendo

    assim, foi concebido um conversor boost PFC que apresenta maior suportabilidade

    (ride-through capability) perante os afundamentos, quando comparado com os

    sistemas retificadores convencionais.

    O conceito de aumento da suportabilidade est atrelado habilidade do

    equipamento em suprir adequadamente a potncia requerida pela carga, garantindo

    assim, seu bom funcionamento sob condies de distrbio, ou, em se tratando de

    processos industriais crticos, em manter a operao contnua desses processos, sem

    perda da qualidade do produto associado.

    Para que se tenha a correo de fator de potncia, faz-se necessrio o controle

    da corrente de entrada do conversor, enquanto que, para garantir o adequado

    funcionamento da carga, este deve promover a plena regulao da tenso de sada.

    O conversor boost mono-chaveado, o que implica em um nico grau de

    liberdade na ao de controle, sendo impossvel controlar simultaneamente a corrente

    de entrada e a tenso de sada. O boost operando como pr-regulador para correo

    do fator de potncia PFC um meio termo entre a imposio de uma corrente senoidal

    na entrada e a regulao da tenso de sada do conversor. Como o grau de liberdade

    da ao de controle reduzido, ou seja, pode-se atuar em apenas uma chave

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    81

    eletrnica, fica impossvel controlar a tenso de sada e, ao mesmo tempo, impor uma

    corrente de entrada senoidal com efetividade.

    Sendo o fenmeno afundamento temporrio de tenso, dos distrbios

    relacionados Qualidade de Energia, o que mais causa problemas aos consumidores,

    sob a forma de interrupo parcial ou total dos processos produtivos, bem como, a

    queima dos dispositivos que compem os circuitos internos dos sistemas retificadores,

    ser implementado um controle do conversor boost que priorize a correo da tenso

    de sada quando submetido ao voltage sag, em vez de controlar a forma de onda da

    corrente de entrada.

    Partindo desse princpio, a contribuio deste trabalho trata da implementao

    de um retificador baseado em um conversor CC/CC, na configurao boost, com

    sistema de monitoramento capaz de selecionar a ao de controle a ser priorizada em

    funo das condies de operao da rede de alimentao.

    Um sistema de superviso far o monitoramento das condies da rede de

    alimentao. Em condies normais de operao, ser feito o controle da corrente de

    entrada, promovendo a eliminao das distores harmnicas e a elevao do fator de

    potncia na entrada do conversor. Caso haja um afundamento de tenso, o sistema

    abandonar o controle da corrente de entrada e priorizar o controle da tenso de

    sada, de forma a garantir o controle da tenso no barramento CC, ou seja, promover

    o aumento da suportabilidade do equipamento frente ao fenmeno voltage sag.

    O conversor boost tem um comportamento no linear do ganho esttico com a

    razo cclica (duty cycle), o que o torna um conversor difcil de controlar. O circuito

    integrado UC3854 contm os elementos necessrios para efetuar o controle, conforme

    j descrito no captulo anterior. Sendo assim, este j concebido para atuao em

    PFC, alm de j promover uma razovel regulao da tenso de sada. No entanto,

    sabe-se que a referncia IAC (pino 6) a responsvel por garantir a imposio de

    uma corrente de entrada senoidal. Assim sendo, esta referncia trabalha na contramo

    de uma boa regulao da tenso de sada, ou seja, quando a tenso de sada est

    aqum do valor desejado, preciso aumentar a corrente de entrada, mas se a rede

    estiver entre 90 e 180 ou 270 e 360, a referncia IAC estar na descendncia e no

    h o que fazer pois a corrente de entrada no aumentar para que se tenha, assim, a

    correo do fator de potncia.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    82

    Considerando que a referncia IAC prejudica a regulao da tenso de sada

    para que se tenha uma corrente senoidal na entrada do conversor, pode-se liberar o

    controle da corrente para que seja priorizado o controle da tenso durante a ocorrncia

    de um afundamento. Neste caso, o controle de fator de potncia fica em segundo

    plano, pois passa a ser mais importante assegurar o pleno funcionamento da carga

    eletrnica conectada ao barramento CC.

    De acordo com o exposto acima, pode-se concluir que a liberao da corrente,

    ou seja, a no necessidade de imposio de uma corrente senoidal na entrada dar ao

    conversor maior capacidade para controlar a tenso de sada. isso que se quer em

    uma situao de afundamento de tenso na alimentao.

    Portanto, se em uma situao de sag for promovido um sinal de referncia IAC

    constante e elevado, tal fato poder permitir ao conversor uma melhor regulagem da

    tenso de sada para baixos valores de tenso de entrada.

    Sendo assim, foi implementado um conversor boost PFC com um sistema que,

    em funo das condies da rede eltrica, faa com que o controle priorize a correo

    de fator de potncia (para rede em condies normais), mantendo a referncia IAC

    conforme proposta original, ou a regulao da tenso de sada (para rede em condio

    de sag) a partir da imposio de uma referncia IAC constante no pino 6 do UC3854,

    enquanto a rede permanecer com o respectivo distrbio.

    4.3 Metodologia de Projeto

    4.3.1 Estratgias de estudo

    Como estratgia para obteno dos resultados e alcance dos objetivos desta

    dissertao, os estudos foram conduzidos atravs de uma abordagem experimental.

    Desta forma, implementou-se um prottipo de 250W para realizao dos ensaios

    experimentais, cujo projeto foi baseado no Application Note apresentado por Todd

    [20], o qual trata de todos os procedimentos necessrios para a especificao de um

    pr-regulador para correo do fator de potncia, baseado em um regulador boost

    controlado pelo UC3854.

    Neste prottipo, foram adicionadas modificaes correspondentes contribuio

    deste trabalho, bem como as protees contra curto-circuito na chave eletrnica

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    83

    (transistor) e contra sobretenso na sada do conversor. Estas protees so

    necessrias, uma vez que os ensaios foram realizados em uma estrutura modificada, a

    qual estava sob teste. Como a faixa de operao do conversor foi ampliada para

    valores menores de tenso de entrada, todas as protees durante os ensaios foram

    de grande importncia. Findo os ensaios e garantida a operao em todas as

    condies exigidas, estas podem ser retiradas.

    De posse do prottipo, foram realizados os ensaios necessrios para aquisio

    dos resultados experimentais do conversor PFC proposto em operao. Os resultados

    adquiridos, em condies especficas de ensaios, esto apresentados da seguinte

    forma:

    a) Situao da corrente de entrada e da tenso de sada, demonstrada

    atravs de suas formas de onda, para o conversor proposto operando

    com a rede em condies normais de tenso de alimentao (90Vca ~

    140Vca), alm das medies de tenso, corrente, potncia, THDs e

    FFTs apresentadas pelo conversor alimentado com 208Vca;

    b) Situao da corrente de entrada e da tenso de sada, demonstrada

    atravs de suas formas de onda, em um comparativo da operao do

    conversor proposto em relao do conversor PFC convencional,

    quando submetido a um afundamento de tenso (50Vca ~90Vca),

    alm das medies de tenso, corrente, potncia, THDs e FFTs

    apresentadas pelo conversor submetido a um afundamento (60Vca);

    c) Situao da tenso de entrada e da tenso de sada, demonstrada

    atravs de um grfico sincronizado de seus valores RMS, promovendo

    assim, uma visualizao das variaes da tenso de entrada e os

    respectivos efeitos na tenso de sada.

    Nos ensaios realizados, tanto as condies adequadas de suprimento como as

    situaes de afundamento, a partir de um determinado instante, foram geradas atravs

    de um variador de tenso (varivolt) monofsico mantendo-se o fator de carga em

    50%.

    Para facilitar a interpretao e localizao dos resultados selecionados para

    apresentao, a Tabela 4.1 mostra uma sntese dessas informaes.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    84

    Caso Estudado Condio operacional Resultado apresentado Pgina

    Forma de onda da tenso de

    entrada

    Forma de onda da corrente de

    entrada

    Conversor PFC Proposto

    Tenso de entrada: 136Vca

    Fator de carga: 50%

    Forma de onda da tenso de

    sada

    140

    Forma de onda da tenso de

    entrada

    Forma de onda da corrente de

    entrada

    Conversor PFC Proposto

    Tenso de entrada: 122Vca

    Fator de carga: 50%

    Forma de onda da tenso de

    sada

    141

    Forma de onda da tenso de

    entrada

    Forma de onda da corrente de

    entrada

    Conversor PFC Proposto

    Tenso de entrada: 110Vca

    Fator de carga: 50%

    Forma de onda da tenso de

    sada

    142

    Forma de onda da tenso de

    entrada

    Forma de onda da corrente de

    entrada

    Conversor PFC Proposto

    Tenso de entrada: 100Vca

    Fator de carga: 50%

    Forma de onda da tenso de

    sada

    143

    Forma de onda da tenso de

    entrada

    Forma de onda da corrente de

    entrada

    Condio Normal de

    operao da rede de

    alimentao

    90Vca ~ 140Vca

    Conversor PFC Proposto

    Tenso de entrada: 90Vca

    Fator de carga: 50%

    Forma de onda da tenso de

    sada

    144

    Tabela 4.1. Sntese dos resultados selecionados para apresentao

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    85

    Continuao

    Caso Estudado Condio operacional Resultado apresentado Pgina

    Forma de onda da tenso de

    entrada

    Forma de onda da corrente de

    entrada

    Conversor PFC

    Convencional

    Tenso de entrada: 90Vca

    Fator de carga: 50% Forma de onda da tenso de

    sada

    147

    Forma de onda da tenso de

    entrada

    Forma de onda da corrente de

    entrada

    Conversor PFC Proposto

    Tenso de entrada: 90Vca

    Fator de carga: 50%

    Forma de onda da tenso de

    sada

    148

    Forma de onda da tenso de

    entrada

    Forma de onda da corrente de

    entrada

    Conversor PFC

    Convencional

    Tenso de entrada: 80Vca

    Fator de carga: 50% Forma de onda da tenso de

    sada

    149

    Forma de onda da tenso de

    entrada

    Forma de onda da corrente de

    entrada

    Conversor PFC Proposto

    Tenso de entrada: 80Vca

    Fator de carga: 50%

    Forma de onda da tenso de

    sada

    150

    Forma de onda da tenso de

    entrada

    Forma de onda da corrente de

    entrada

    Comparativo de

    operao do

    Conversor PFC

    Convencional em

    relao operao

    do Conversor PFC

    Proposto

    submetidos a

    afundamentos de

    tenso

    Conversor PFC

    Convencional

    Tenso de entrada: 70Vca

    Fator de carga: 50% Forma de onda da tenso de

    sada

    151

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    86

    Continuao

    Caso Estudado Condio operacional Resultado apresentado Pgina

    Forma de onda da tenso de

    entrada

    Forma de onda da corrente de

    entrada

    Conversor PFC Proposto

    Tenso de entrada: 70Vca

    Fator de carga: 50%

    Forma de onda da tenso de

    sada

    152

    Forma de onda da tenso de

    entrada

    Forma de onda da corrente de

    entrada

    Conversor PFC

    Convencional

    Tenso de entrada: 60Vca

    Fator de carga: 50% Forma de onda da tenso de

    sada

    153

    Forma de onda da tenso de

    entrada

    Forma de onda da corrente de

    entrada

    Conversor PFC Proposto

    Tenso de entrada: 60Vca

    Fator de carga: 50%

    Forma de onda da tenso de

    sada

    154

    Forma de onda da tenso de

    entrada

    Forma de onda da corrente de

    entrada

    Conversor PFC

    Convencional

    Tenso de entrada: 50Vca

    Fator de carga: 50% Forma de onda da tenso de

    sada

    155

    Forma de onda da tenso de

    entrada

    Forma de onda da corrente de

    entrada

    Comparativo de

    operao do

    Conversor PFC

    Convencional em

    relao operao

    do Conversor PFC

    Proposto

    submetidos a

    afundamentos de

    tenso

    Conversor PFC Proposto

    Tenso de entrada: 50Vca

    Fator de carga: 50%

    Forma de onda da tenso de

    sada

    156

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    87

    Continuao

    Caso Estudado Condio operacional Resultado apresentado Pgina

    Valores de tenso, corrente,

    potncia e THD na entrada.

    Valores de tenso, corrente e

    potncia na sada.

    Medio das

    grandezas na

    entrada e sada do

    Conversor PFC

    Proposto

    SITUAO

    Rede eltrica em

    condies normais

    Conversor PFC Proposto

    Tenso de entrada: 208Vca

    Fator de carga: 50%

    Espectro harmnico FFTs da

    corrente e da tenso na entrada

    do conversor

    145

    Valores de tenso, corrente,

    potncia e THD na entrada.

    Valores de tenso, corrente e

    potncia na sada.

    Medio das

    grandezas na

    entrada e sada do

    Conversor PFC

    Proposto

    SITUAO

    Afundamento de

    Tenso equivalente

    a 0,27 pu (60Vca)

    Conversor PFC Proposto

    Tenso de entrada: 60Vca

    Fator de carga: 50%

    Espectro harmnico FFTs da

    corrente e da tenso na entrada

    do conversor

    157

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    88

    Continuao

    Caso Estudado Condio operacional Resultado apresentado Pgina

    Grfico dos valores RMS da

    tenso de entrada e sada

    162

    Conversor PFC Proposto

    Tenso de entrada:

    94,75Vca ~ 150Vca

    Operao como PFC

    Pr - Afundamento

    Fator de carga: 50%

    Grfico dos valores RMS da

    tenso de entrada e sada 163

    Grfico dos valores RMS da

    tenso de entrada e sada

    Alimentao igual a 90Vca

    164

    Grfico dos valores RMS da

    tenso de entrada e sada

    Afundamento at 50Vca

    Conversor PFC Proposto

    Tenso de entrada: 90Vca

    Atuao do controle para

    "voltage sag"

    Afundamento at 50Vca

    Fator de carga: 50% Grfico dos valores RMS da

    tenso de entrada e sada

    Afundamento abaixo de 50Vca

    165

    Grfico dos valores RMS da

    tenso de entrada e sada

    Comportamento da

    tenso de sada

    frente s variaes

    da tenso de

    entrada

    Conversor PFC Proposto

    Tenso de entrada:

    90,0Vca ~ 150Vca

    Operao como PFC

    Ps - Afundamento

    Fator de carga: 50%

    Grfico dos valores RMS da

    tenso de entrada e sada

    166

    Estas foram as etapas utilizadas como estratgia para o alcance dos

    objetivos propostos nesta dissertao. A seguir, ser apresentado o

    procedimento para especificao do prottipo que ser utilizado neste trabalho.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    89

    4.3.2 Projeto do conversor proposto

    O projeto do prottipo concebido para esta pesquisa teve como base o

    Application Note AN-U-134 [20] que destaca os procedimentos e equaes

    necessrias para a especificao de um pr-regulador para correo do fator de

    potncia, utilizando um conversor boost controlado pelo UC3854. A seguir, esto

    apresentados os requerimentos de operao e os clculos relacionados ao projeto do

    conversor boost PFC proposto, o qual foi utilizado nos ensaios laboratoriais deste

    trabalho.

    4.3.2.1. Especificao geral

    Potncia mxima de sada Pout(mx) = 250W (Tal valor foi adotado, pois o

    controle do conversor boost PFC no se altera para nveis de potncia mais

    elevados, como por exemplo, 5kW) [20].

    Faixa de tenso de entrada (operando como PFC) Vin = 80Vca ~ 270Vca

    Tenso de sada Vout = 400Vcc

    Freqncia de chaveamento fch = 30kHz

    Total de distoro harmnica %THD = 3%

    Carga Resistiva(4 reostatos de 320 em srie = 1280 = 50%Pout(mx))

    4.3.2.2. Especificao do indutor boost

    Corrente mxima de pico no conversor ( Ipk )

    A corrente mxima de pico no conversor ( Ipk ) definida pela equao 4.2,

    sendo que a potncia de entrada igual potncia de sada dividida pelo seu

    rendimento tpico (95%), conforme indicado na expresso 4.1.

    Pin =Pout mx` a

    ffffffffffffffffffffffffffff (4.1)

    Pin =250W0,95fffffffffffffffff

    = 263,16W

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    90

    I pk =2pwwwwwwwwwwwwwwwwwwwAP in

    V in mn` a

    ffffffffffffffffffffffffffffff (4.2)

    Ipk =2pwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwA 263,16W

    80Vffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

    = 4,65A

    Ondulao de corrente ripple ( i )

    A Ondulao de corrente ripple i definida pela expresso 4.3.

    i = 0,2 A I pk (4.3)

    i = 0,2 A 4,65A = 0,93A pico a picob c

    Especificao da razo cclica duty cycle

    A especificao da razo cclica na corrente de pico Ipk dada pela expresso

    4.4, onde Vin o valor de pico da menor tenso de entrada retificada.

    =V out@V in pico

    b c

    Voutffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.4)

    =400V@ 113V

    113Vfffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

    = 0,71

    Clculo da indutncia L

    O valor da indutncia L determinado pela expresso 4.5, onde fch a

    freqncia de chaveamento do conversor.

    L =V in A f ch Aiffffffffffffffffffff (4.5)

    L =113V A 0,71

    30kHz A 0,93Afffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

    = 2,87mH L adotado = 3mH

    Utilizado um indutor com ncleo de ferrite de 3mH/4A produzido e fornecido pela

    MGS Eletrnica Ltda. conforme catlogo em anexo.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    91

    4.3.2.3. Capacitor de sada Co

    Este componente especificado em funo do perodo de tempo que a tenso

    de sada dever permanecer dentro de uma faixa pr-estabelecida, aps o

    desligamento da tenso de entrada. O valor da capacitncia definido pela

    equao 4.6, onde o perodo de tempo chamado de hold-up time t e

    Vo(min) a tenso mnima da faixa pr-estabelecida.

    Co =2 APout At

    V 02@V o

    2 min` a

    ffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.6)

    Foram adotados para o conversor: t = 64ms e Vo(min) = 300V.

    Co =2 A 250W A 64ms

    400V 2@ 300V 2 min` a

    ffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff= 450F

    4.3.2.4. Especificao do resistor Rs para monitoramento da corrente

    O resistor Rs o componente utilizado para informar ao controle do conversor,

    atravs de sua queda de tenso, a intensidade de corrente que est sendo

    solicitada da rede de alimentao. Atravs desse sinal de amostragem, o

    controle pode limitar a mxima corrente de entrada no conversor. O valor tpico

    de queda de tenso Vrs no resistor Rs de 1V, o qual ser adotado neste

    projeto.

    Determinao da corrente mxima no conversor Ipk(mx)

    A mxima corrente no conversor Ipk(mx) definida pela expresso 4.7

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    92

    I pk mx` a

    = I pk +i2fffffff (4.7)

    I pk mx` a

    = 4,42A +0,9A

    2ffffffffffffffff

    = 4,87At 5,0A

    Clculo do Resistor Rs

    Considerando a queda de tenso Vrs adotada (1V), o valor da resistncia

    definido pela equao 4.8.

    Rs =Vrs

    I pk mx` a

    ffffffffffffffffffffffffffffff (4.8)

    Rs =1,0V5,0Affffffffffffffff

    = 0,2 Rs adotado = 0,25

    Sendo assim, o atual valor da tenso Vrs(mx) para Ipk(mx) ser:

    Vrs = I pk mx` a

    ARs (4.9)

    Vrs = 5,0A A 0,25 = 1,25V

    4.3.2.5. Especificao dos resistores do divisor de tenso que

    estabelece o limite de corrente mxima no conversor PKLMT (proteo

    contra sobrecarga)

    Rpk1 e Rpk2 so os resistores do divisor de tenso.

    A corrente mxima de pico em sobrecarga ser Ipk(ovld) = Ipk(mx) + 12%, ou

    seja Ipk(ovld) = 5,6A. Acima desse valor de corrente, o controle ir desarmar o

    conversor.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    93

    Rpk1 ser adotado e igual a 10k.

    Para que se defina o valor de Rpk2, deve-se conhecer o valor da tenso sobre o

    resistor Rs durante a corrente de sobrecarga. Este, ser chamado de Vrs(ovld)

    e seu valor ser definido pela expresso 4.10.

    Vrs ovld` a

    = Rs A I pk ovld` a

    (4.10)

    Vrs ovld` a

    = 0,25 A 5,6A = 1,4V

    O valor do resistor Rpk2 ser definido pela equao 4.11.

    Rpk2 =Vrs ovld` a

    ARpk1Vref

    fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.11)

    onde Vref igual a 7,5Vcc. (valor da tenso de referncia do UC3854).

    Rpk2 =1,4V A 10k

    7,5Vffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

    = 1,87k Rpk2 = 1,8k

    4.3.2.6. Especificao dos resistores de polarizao das entradas Vff e

    IAC do multiplicador analgico.

    A operao do multiplicador analgico dada pela equao 4.12.

    Imo =KmA Iac A Vvea@ 1

    ` a

    Vff 2fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.12)

    onde,

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    94

    Imo corrente de sada do multiplicador analgico;

    Km 1 (constante);

    Iac corrente de entrada do multiplicador;

    Vff tenso feedforward;

    Vvea sinal de sada do amplificador de erro de tenso.

    Clculo dos resistores que compem a malha de entrada Vff

    Quando a tenso de alimentao do conversor for igual a Vin(min), a tenso no

    pino Vff dever ser igual a 1,414V e a tenso em Vffc (outro n do divisor),

    dever ser em torno de 7,5V. O valor mdio Vin(av) da menor tenso RMS de

    entrada Vin(min) dado pela equao 4.13.

    Vin av` a

    = Vin min` a

    A 0,9 (4.13)

    Sendo assim, 2 (duas) equaes 4.14 e 4.15 sero utilizadas para determinar o

    valor dos resistores do divisor de tenso.

    Para Vff = 1,414V, a expresso ser:

    Vff = 1,414V =Vin av` a

    ARff3Rff1 + Rff2 + Rff3ffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.14)

    onde, Rff1, Rff2 e Rff3 so os resistores do divisor de tenso.

    Para Vffc (outro n do divisor) = 7,5V, a expresso ser:

    Vffct 7,5V =Vin av` a

    A Rff2 + Rff3` a

    Rff1 + Rff2 + Rff3ffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.15)

    ento, Rff1 = 910k Rff2 = 91k Rff3 = 20k.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    95

    Especificao do resistor Rvac que limita a corrente de entrada do

    multiplicador

    Os circuitos integrados UC3854 e UC3854A/B [35] que constituem parte da

    famlia de controladores para correo de fator de potncia, utilizam trs

    parmetros para controle da potncia solicitada da rede de alimentao, sendo

    eles:

    a) A tenso de sada do conversor;

    b) A tenso RMS de entrada;

    c) A tenso instantnea da entrada que representada por um sinal de corrente

    na entrada IAC do UC3854.

    Existem vrios artigos, escritos por diferentes autores, que descrevem projetos

    de pr-reguladores para correo do fator de potncia com o UC3854, porm,

    adotam critrios diferentes para determinao do nvel adequado de corrente

    para a entrada IAC. Segundo John Bottrill [39], a faixa de corrente recomendada

    para a entrada IAC de 250A a 500 A, onde esta no deve ultrapassar o valor

    mximo de 750 A. Philip Todd [20] adota o valor de 600A para o projeto do

    conversor PFC. Como esse valor no ultrapassa os 750A estabelecidos por

    Bottrill, tambm ser adotado para o projeto do conversor PFC desta pesquisa.

    O valor de corrente IAC mximo ocorrer quando da tenso de entrada estiver

    tambm no valor mximo Vin(mx). O valor de pico da tenso de entrada, neste

    instante, Vpk(mx) definido pela expresso 4.16.

    Vpk mx` a

    = 2pwwwwwwwwwwwwwwwwwwwAVin mx` a (4.16)

    Vpk mx` a

    = 2pwwwwwwwwwwwwwwwwwwwA 270V = 382V

    Sendo assim, o valor da resistncia Rvac ser calculado conforme a equao

    4.17.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    96

    Rvac =Vpk mx

    ` a

    IACfffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.17)

    Rvac =362V

    600Afffffffffffffffffffffff

    = 603,33k Rvac = 620k

    Especificao do resistor Rb1 que limita a corrente constante de entrada do

    multiplicador

    Como a intensidade instantnea da corrente IAC depende da tenso de

    alimentao, nos instantes em que a tenso de entrada for igual a zero no

    haver corrente IAC, o que poderia gerar um problema de cruzamento por zero

    no multiplicador. Para resolver este problema, uma pequena corrente contnua

    ser injetada na entrada IAC a partir da fonte de referncia do UC3854, que

    disponibiliza no pino 9 uma tenso de 7,5Vcc. O resistor Rb1, conectado entre o

    pino 9 e o pino 6, o responsvel por limitar o valor desta corrente CC.

    A equao 4.18 indica o clculo do resistor Rb1.

    Rb1 = 0,25 ARvac (4.18)

    Rb1 = 0,25 A 620k t 155k Rb1 escolhido = 180k

    Especificao dos resistores Rset e Rmo que limitam a mxima corrente de

    sada do multiplicador

    A corrente mxima de sada do multiplicador ocorre quando a tenso de entrada

    est no valor mnimo. Esta corrente, Imo, pode ser calculada pela equao 4.12

    para a condio citada anteriormente. Quando a tenso de entrada estiver no

    valor mnimo, o valor de pico da corrente IAC ser 182 A e a tenso na entrada

    Vff ser de aproximadamente 2,0V. Sendo Vvea igual a 5V (pior condio), a

    corrente da sada do multiplicador ser igual a 365 A no mximo. Como Imo

    no pode ser maior do que duas vezes a corrente IAC, isto representa uma

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    97

    corrente mxima permitida para esta tenso de entrada e, em conseqncia

    disso, a corrente de pico na entrada do conversor ser limitada.

    A corrente Iset, alm de ser a corrente de carga do oscilador, tambm impe

    uma limitao para a corrente de sada do multiplicador. A corrente Imo no

    poder ser maior do que 3,75V dividido pelo valor da resistncia de Rset. Sendo

    assim, o valor de Rset deve ser definido pela expresso 4.19.

    Rset =3,75VImoffffffffffffffffffff (4.19)

    Como Imo no pode ser maior do que 2.IAC, ento

    Rset =3,75V2 A IACffffffffffffffffffffff

    =3,75V

    2 A 182Afffffffffffffffffffffffffffffff

    = 10k

    A mxima corrente no resistor Rs estabelecida quando a tenso sobre o

    mesmo for igual tenso sobre o resistor Rmo. Neste momento, ocorre a

    limitao da corrente de pico na menor tenso de entrada do conversor.

    Considerando Irs(mx)=5A, o valor de Rmo pode ser definido de acordo com a

    equao 4.20.

    Rmo =Irs mx` a

    ARsImo mx

    ` a

    ffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.20)

    Rmo =5A A 0,252 A 182Affffffffffffffffffffffffffffffffff

    = 3,9k

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    98

    4.3.2.7. Especificao do capacitor CT que determinar a freqncia de

    chaveamento do conversor

    Sendo a freqncia de chaveamento fch igual a 30kHz, o capacitor CT ser

    especificado conforme a expresso 4.21.

    CT =1,25

    Rset A f chfffffffffffffffffffffffffffff (4.21)

    CT =1,25

    10k A 30kHzffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

    t 4,16nF CT = 5 x 820pF emparalelo

    4.3.2.8. Compensao do amplificador de erro de corrente

    Ganho do amplificador na freqncia de chaveamento

    Calcula-se a tenso no resistor de amostragem atravs da corrente que passa

    pelo indutor, no instante em que este estiver fornecendo energia para o

    capacitor. O resultado deve ser dividido pela freqncia de chaveamento. A

    equao 4.22 demonstra como calcular este valor de tenso.

    Vrs =V out ARsL A fchfffffffffffffffffffffffffff (4.22)

    Vrs =400V A 0,253mH A 30kHzffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

    t 1,0Vpp

    Esta tenso dever ser igual amplitude de pico a pico da tenso Vs (rampa do

    oscilador). Como a tenso de pico a pico da rampa igual a 5,2V, o valor do

    ganho do amplificador de erro de corrente Gca ser dado pela equao 4.23.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    99

    Gca =Vs

    Vrsfffffffffffffffff (4.23)

    Gca =5,2Vpp1,0Vppfffffffffffffffffffffff

    = 5,2

    Especificao dos resistores que compem a malha de ganho do

    amplificador de corrente Rci e Rcz

    Adota-se Rci igual a Rmo = 3,9k.

    O ganho da malha definido pela expresso 4.24.

    Gca =RczRcifffffffffffff (4.24)

    Sendo o ganho Gca igual a 5,2, conforme descrito anteriormente, o valor do

    resistor Rcz ser:

    Rcz = Rci AGca = 3,9k A 5,2t 20k Rcz = 22k

    Freqncia de corte da realimentao de corrente

    A freqncia de corte do loop de corrente dada pela equao 4.25.

    fci =V out ARs ARcz

    Vs A 2 AL ARciffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.25)

    fci =400V A 0,25 A 22k

    5,2V A 2 A 3mH A 3,9kfffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

    t 5,75kHz

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    100

    Especificao dos capacitores Ccz e Ccp da malha de realimentao de

    corrente

    Escolher o zero na freqncia de corte. Sendo assim, o valor de Ccz ser

    definido conforme a expresso 4.26.

    Ccz =1

    2 A fci ARczfffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.26)

    Ccz =1

    2 A 5,75kHzA 22kffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

    t 1258pF Ccz = 2 x 680pF em paralelo

    O plo dever ser acima da metade da freqncia de chaveamento. Portanto, o

    capacitor Ccp ser calculado conforme a equao 4.27.

    Ccp =1

    2 A fci ARczfffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.27)

    Ccp =1

    2 A 30kHzA 22kffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

    t 241pF Ccp = 3 x 82pF emparaleo

    4.3.2.9. Compensao do amplificador de erro de tenso

    Determinao do valor de pico do ripple da tenso de sada

    O valor de pico do ripple da tenso de sada Vo(pk) definido pela equao

    4.28, onde o termo fr a freqncia da ondulao da tenso de sada.

    Vo pkb c

    =Pin

    2 A frACo AVoffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.28)

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    101

    Vo pkb c

    =250W

    2 A 120HzA 450F A 400Vfffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

    = 1,84V

    Determinao do ripple de tenso Vo(pk) e do ganho Gva da sada do

    amplificador

    A tenso Vo(pk) deve ser reduzida para o valor de ondulao permitida na sada

    do amplificador de erro de tenso. Isto ir determinar o ganho do amplificador na

    segunda harmnica de tenso.

    Este valor de ondulao permitido em funo do THD - Total de Distoro

    Harmnica especificado para este conversor. Neste caso, o conversor est

    especificado para um THD igual a 3%.

    A freqncia harmnica predominante na linha a terceira. A sada do conversor

    contribui em 0,5% de terceira harmnica na entrada para cada 1% de segunda

    harmnica presente na tenso de ondulao. A entrada Vff contribui em 1% de

    terceira harmnica para cada 1% de segunda harmnica presente neste ponto.

    Sendo assim, como a especificao de 3% de THD, para esse conversor ser

    definida uma contribuio de 1,5% pela entrada Vff e de 0,75% pelo ripple de

    tenso de sada, ou seja, 1,5% de segunda harmnica na sada do amplificador

    de erro de tenso Vvao ( VAout_pino 7 ).

    Portanto, conclui-se que o ganho Gva pode ser definido pela expresso 4.29.

    Gva =Vvao A% Ripple

    Vo pkb c

    fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.29)

    No UC3854, a tenso Vvao = 5 1 = 4V. Ento,

    Gva =4V A 1,5%

    1,84Vffffffffffffffffffffffffffffffa

    = 0,0326.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    102

    Este ser o valor do ganho do amplificador para que se tenha a contribuio em

    terceira harmnica conforme especificado.

    Especificao dos componentes da rede de realimentao da tenso de

    sada do conversor Rv1 Rvd Cvf Rvf

    Especificar os componentes de forma a conseguir o ganho estabelecido para o

    amplificador de erro de tenso.

    O valor do resistor Rv1 ser adotado e igual a 511k. (trimpot)

    O valor do resistor Rvd ser definido para que a tenso sobre ele seja 7,5Vcc

    (igual referncia do amplificador de erro), quando a tenso de sada do

    conversor estiver igual a 400Vcc. Sendo assim, este ser definido pela equao

    4.30.

    Rvd =Rvi AVrefV o@Vreffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.30)

    Rvd =511k A 7,5Vcc400V@ 7,5Vccfffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

    = 9,76k Rvd escolhido = 10k trimpotb c

    Define-se o capacitor Cvf atravs da expresso 4.31.

    Cvf =1

    2 A A frARv1 AGvafffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.31)

    Cvf =1

    2 A A 120HzA 511k A 0,0326ffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

    = 0,08F Cvf escolhido = 0,047F

    Para calcular o valor do resistor Rvf, deve-se antes determinar o plo de

    freqncia. A freqncia chamada de fvi, a de ganho unitrio do loop de

    tenso.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    103

    Esta ser definida atravs da equao 4.32.

    fvi2 =Pin

    Vvao AV o ARv1 ACo ACvf A 2 A` a2

    fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.32)

    fvi =250W

    4V A 400V A 511k A 450FA 0,047FA 2 A` a2

    ffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffvuutwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww

    = 19,1 Hz

    A partir da freqncia de ganho unitrio fvi, calcula-se o resistor Rvf pela

    equao 4.33.

    Rvf =1

    2 A A fvi ACvffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.33)

    Rvf =1

    2 A A 19,1HzA 0,047Fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

    = 177k Rvf escolhido = 180k

    4.3.2.10. Especificao dos capacitores Cff1 e Cff2 da malha feedforward

    Estes capacitores determinam o nvel de contribuio da entrada Vff para

    a distoro em 3 harmnica na corrente de entrada. Determina-se a quantidade

    de atenuao necessria em funo do total de distoro especificado para este

    conversor. Conforme descrito anteriormente, esta entrada dever ter uma

    contribuio de 1,5% para a distoro total. Como a 2 harmnica contida na

    tenso retificada de 66,2%, pode-se definir o ganho total do filtro de segunda

    ordem a ser implementado na malha feedforward. O ganho de atenuao Gff

    ser definido pela expresso 4.34.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    104

    Gff =%THD especificado

    66,2%ffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.34)

    Gff =%1,566,2%ffffffffffffffffffff

    = 0,0227

    O ganho total do filtro de segunda ordem igual ao produto dos ganhos

    de cada filtro individualmente. Sendo assim, o ganho de cada filtro igual raiz

    quadrada do ganho total. Utilizam-se dois plos iguais em cascata. Com isso, o

    plo de freqncia fp, sabendo-se que fr a freqncia de 2 harmnica, pode

    ser determinado pela equao 4.35.

    fp = GffpwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwA fr (4.35)

    fp = 0,0227qwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww

    A 120Hz = 18Hz

    De posse do plo de freqncia (freqncia de corte), os capacitores Cff1

    e Cff2 podem ser definidos pelas expresses 4.36 e 4.37.

    Cff1 =1

    2 A A fpARff2fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.36)

    Cff2 =1

    2 A A fpARff3fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (4.37)

    Cff1 =1

    2 A A 18HzA 91kfffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

    = 0,097F Cff1 escolhido = 0,1F

    Cff2 =1

    2 A A 18HzA 20kfffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

    = 0,44F Cff2 escolhido = 0,47F

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    105

    4.3.2.11. Especificao da ponte retificadora / do transistor IGBT / do diodo

    boost

    No prottipo ser utilizada a ponte retificadora SK30/08 da SEMIKRON

    com capacidade de conduo igual a 30A e de tenso mxima reversa igual a

    800V [40], pois constitui componente disponvel alm de atender aos requisitos

    do projeto.

    O mesmo conceito ser aplicado ao transistor IGBT e ao diodo de sada

    do boost, ambos contemplados no mdulo SK30GAL da SEMIKRON com

    capacidade de corrente igual a 33A e tenso de bloqueio igual a 1200V [41].

    4.3.2.12. Tcnica para operao como PFC ou regulador de tenso em

    SAG

    Com o objetivo de promover a operao do conversor durante o

    afundamento de tenso, ser adicionado um resistor de 10k em srie com o

    resistor Rb1 de 180k, conectado entre o pino 9_REF e a entrada de corrente

    no pino 6_IAC, conforme pode ser observado na Figura 4.20 (pg.127). Alm

    disso, ser colocada uma chave analgica CH1 em paralelo com o resistor de

    180k. A comutao dessa chave ser controlada pelo sistema de superviso

    das condies de operao da rede de alimentao.

    Conforme j descrito anteriormente, a razo cclica do sinal PWM varia

    em funo do erro da tenso de sada do conversor e do valor instantneo da

    tenso de entrada, onde esta ltima objetiva a correo do fator de potncia.

    Sendo assim, quando a tenso de alimentao estiver em condies

    normais de operao, o sistema de superviso manter a chave CH1 aberta,

    fazendo com que a amostra do valor instantneo da tenso de entrada do

    conversor, presente no pino 6_IAC, comande a razo cclica do sinal PWM de

    forma a programar a onda da corrente de entrada e promover a correo do fator

    de potncia no sistema retificador.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    106

    No entanto, durante o afundamento de tenso, o sistema de superviso

    comutar a chave CH1, curto-circuitando o resistor de Rb1_180k. Com isso,

    aumenta-se a contribuio de corrente contnua no pino 6_IAC, minimizando a

    interferncia da amostra da tenso de entrada do conversor na razo cclica do

    sinal PWM. Portanto, pode-se concluir que a razo cclica ser corrigida,

    exclusivamente, pelo sinal de sada do amplificador de erro de tenso,

    proporcionando uma melhor regulao na sada do conversor durante o

    fenmeno voltage sag. O sistema de superviso comutar a chave CH1

    quando a tenso de alimentao atingir 90Vca. Embora o projeto do conversor

    PFC determine uma operao na faixa de 80Vca a 270Vca, a chave CH1 atuar

    em 90Vca para a comprovao de que, o acionamento desta, promover

    tambm uma minimizao da ondulao (ripple) da tenso de sada do

    conversor.

    A documentao do 3854 [35] trata o pino 6_IAC como uma entrada de

    corrente, a qual deve ser no mximo de 10mA, sendo que 0,6mA o

    recomendvel. Para uma tenso mxima de entrada de 270Vca RMS, tem-se

    382V de pico. Como o resistor Rvac igual a 620K, ento 382V/620k =

    0,61mA. Nesta condio, Todd [20] afirma que o pino 6_IAC ter uma tenso de

    6V, sugerindo assim, uma impedncia interna de 10k. Ou seja, quando a chave

    CH1 estiver aberta, a corrente de entrada IAC ser de 0,61mA + a contribuio

    de corrente constante proveniente da referncia de 7,5Vcc, via resistor Rb1,

    (7,5Vcc/(180k +10k)=0,039mA), no ultrapassando o mximo de 10mA. Na

    condio de afundamento, a chave CH1 acionada, promovendo um aumento

    de IAC. Por exemplo, para 90Vac RMS de entrada e 127,27V de pico, a corrente

    em Rvac ser de 127,27V/620k=0,2mA, somados corrente constante vinda

    do pino 9_REF (7,5Vcc/10k=0,75mA) totalizar (0,75mA + 0,2mA = 0,95mA).

    Mesmo nessa condio, o sistema no ultrapassar o limite de 10mA

    estabelecido para a entrada IAC do UC3854.

    O fato de o retificador proposto continuar operando com uma boa

    regulao da tenso de sada durante o perodo de afundamento, faz com que

    este tenha maior suportabilidade em relao aos sistemas retificadores

    convencionais, alm de promover a correo do fator de potncia quando o

    conversor no estiver submetido a um afundamento de tenso.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    107

    4.3.2.13. Sistema de superviso da rede eltrica

    4.3.2.13.1. Descrio do sistema e caractersticas do LPC2138

    O sistema de superviso da rede eltrica consiste em um circuito

    microprocessado para o monitoramento dos valores instantneos da tenso de

    alimentao. Este deve fazer a aquisio de uma amostra da tenso da rede e

    compar-la com uma referncia pr-estabelecida. Caso seja detectado um distrbio na

    rede de alimentao, o sistema atuar na chave analgica que seleciona a prioridade

    de controle do conversor (operao em situao normal PFC ou em SAG- regulao

    da tenso de sada), conforme descrito no item 4.3.2.12. O sistema de superviso foi

    implementado com um microcontrolador da famlia LPC213X da Philips [45], baseado

    no ncleo ARM7. Para o desenvolvimento dos estudos e realizao dos ensaios

    laboratoriais, foi utilizada uma plataforma chamada MC_BOARD, a qual foi possvel

    conectar todos os circuitos de apoio necessrios funo de monitoramento das

    condies da rede de alimentao.

    O LPC2138 um microcontrolador de 32 bits que utiliza como ncleo o

    ARM7TDMI-S, parte integrante da famlia ARM de processadores de uso geral. Sua

    capacidade de processamento de 0,9 MIPS / MHz. As principais caractersticas deste

    microcontrolador so [46]:

    Tenso de alimentao de 3,0V a 3,6V;

    512 Kbytes de memria de programa;

    32 Kbytes de memria de dados voltil (RAM);

    22 interrupes (4 externas);

    47 I/Os tolerveis a 5V;

    RTC interno;

    2 Conversores A/D de 10 bits com 8 canais cada;

    1 Canal de converso D/A de 10 bits;

    Opera com cristal de 1MHz a 30MHz ou oscilador externo de 1MHz a

    50MHz;

    60MHz de operao mxima via PLL interno.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    108

    A Figura 4.1 mostra a pinagem do microcontrolador LPC2138 [45].

    4.3.2.13.2. Descrio do circuito eletrnico do sistema de

    superviso da rede eltrica e seu princpio de funcionamento

    A partir da utilizao de um microcontrolador com canal ADC (Conversor

    Analgico/Digital) incorporado e alta velocidade de processamento, foi possvel fazer o

    acompanhamento da variao dos valores instantneos da tenso na rede eltrica. A

    amostra de tenso a ser monitorada conseguida atravs de um conjunto constitudo

    por uma ponte retificadora mais um sensor HALL de tenso, que proporcionar, alm

    de um sinal equivalente a 1/100 da tenso da rede, uma isolao segura do circuito

    eletrnico em relao entrada de energia. Sendo assim, o sinal amostrado ser

    composto por semiciclos (0,5 ciclo) da tenso senoidal de 60 Hz. A sada do sensor

    HALL est conectada ao canal ADC do microcontrolador para que seja feita a aquisio

    do sinal e a atuao no PORT de sada, de acordo com a seguinte conveno:

    Figura 4.1. Pinagem do microcontrolador LPC2138 [45].

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    109

    Se a amostra de tenso for menor que o sinal de referncia (operao em

    SAG) ou igual a este, determinado pino do PORT ser forado para nvel

    lgico 1 (led de sinalizao de SAG acende e a chave analgica CH1

    fecha);

    Se a amostra de tenso for maior que o sinal de referncia (operao

    como PFC), determinado pino do PORT ser forado para nvel 0 (led de

    sinalizao de PFC acende e a chave analgica CH1 abre);

    Na ausncia do sinal de amostragem, o pino do PORT permanece em nvel

    zero (led de sinalizao de PFC pisca, indicando ausncia de sinal).

    Os sinais de referncia e de amostragem devem ser sincronizados para que se

    possa realizar a comparao de forma efetiva. Para isso, foi adicionado um circuito de

    deteco de zero da senide. Um segundo sensor HALL de tenso envia para a

    entrada de um amplificador operacional (AO) uma amostra da tenso no retificada.

    Como o AO est operando como um comparador de tenso, este gerar uma

    transio na tenso de sada (borda de subida e descida) toda vez que o valor da

    senide for igual a zero. Sendo assim, na sada do comparador, teremos uma forma de

    onda retangular sincronizada com a tenso da rede.

    A cada borda de descida da forma de onda retangular, ser gerada uma

    interrupo externa no microcontrolador (EINT_1). No LPC2138, a interrupo externa

    gerada apenas em um sentido da borda (neste caso foi configurado borda de

    descida). No entanto, neste componente possvel configurar 2 (dois) pinos diferentes

    para serem sensibilizados mesma interrupo externa (EINT_1) [46]. Diante desta

    possibilidade de configurao, foi utilizada uma porta lgica inversora CD4049 na sada

    do AO comparador, com a finalidade de gerar uma segunda forma de onda retangular

    defasada 180 em relao primeira. Sendo assim, a partir dos dois sinais defasados,

    obtm-se uma borda de descida a cada semiciclo. Ambas as sadas do circuito

    integrado CD4049 esto conectadas nos pinos 26 (P0.3) e 41 (P0.14) do LPC2138, os

    quais esto configurados como entradas de atendimento mesma interrupo externa.

    A referncia senoidal, gerada pelo microcontrolador, est disponibilizada para

    medio em seu pino 9, ou seja, na sada do Conversor Digital/Analgico DAC. Este

    procedimento, realizado via software, tem o objetivo de possibilitar a comprovao do

    sincronismo da tenso de referncia com a rede. Esta comprovao foi realizada com o

    osciloscpio atravs da medio de suas formas de onda.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    110

    A Figura 4.2 mostra o diagrama completo do sistema de superviso da rede. As

    Figuras 4.3, 4.4 e 4.5 ilustram os testes iniciais realizados com o sistema de

    superviso. J as Figuras 4.6, 4.7 e 4.8, mostram as formas de onda do sinal

    amostrado, bem como dos sinais referentes deteco de passagem pelo zero, sendo

    estes ltimos, os responsveis pelo sincronismo com a rede e pela gerao das

    interrupes externas no microcontrolador.

    Figura 4.2. Sistema de Superviso da Rede Eltrica com o LPC2138.

    Figura 4.3. Testes Iniciais com o Sistema de Superviso da Rede Eltrica com o LPC2138.

    Placa com os sensores HALL de tenso

    Circuito de deteco de zero

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    111

    Figura 4.6. CH2 = Amostra de tenso da rede CH1 = Deteco do Zero.

    Figura 4.5. MC-BOARD Plataforma de ensaios para o LPC2138.

    Figura 4.4. Circuito de Deteco de Zero.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    112

    O tempo de atraso mostrado na Figura 4.7 (ZOOM) imposto pelo conjunto de

    componentes eletrnicos utilizados no circuito de deteco de zero da rede (sensores e

    amplificador operacional).

    Figura 4.7. ZOOM CH2 = Amostra de tenso da rede CH1 = Deteco do Zero.

    Figura 4.8. CH1 = Deteco do Zero CH2 = Deteco do Zero Defasada. Bordas de descida a cada 180 para gerao da interrupo.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    113

    4.3.2.13.3. Software de programao do sistema de superviso - Firmware

    Na rotina de tratamento da interrupo, o processador dever fazer a aquisio

    do sinal amostrado, gerar a referncia e comparar ambos os sinais. Com os dois sinais

    sincronizados, possvel compar-los e fazer com que os PORTS de sada sejam

    ativos conforme conveno j estabelecida. Caso a amostra de tenso seja maior ou

    igual referncia, o microcontrolador definir o estado de sada do PORT de forma a

    comandar a chave analgica, presente na malha de realimentao do UC3854, para a

    priorizao do controle do conversor em PFC (prioridade a correo do fator de

    potncia). Caso o sinal amostrado esteja abaixo da referncia, o microcontrolador

    mudar o nvel lgico do PORT, o qual comutar a chave analgica e alterar a

    prioridade de controle do conversor para operao em SAG (prioridade a regulao

    da tenso de sada).

    Na inicializao, o sistema habilitar a interrupo externa, configurar os

    respectivos pinos de I/O (Input /Output) e ficar aguardando a amostra de tenso a ser

    medida. Caso esteja tudo normal, o sistema comea a monitorar a rede. Se no tiver

    sinal de amostragem, o led verde ficar piscando, sinalizando ausncia de sinal. Na

    presena de sinal, este gerar interrupes a cada final de semiciclo do sinal amostrado.

    Cada interrupo gerada far com que o microcontrolador leia o canal ADC e atualize os

    PORTs de sada com base na comparao do sinal medido com o sinal de referncia.

    Enquanto o sinal da rede estiver presente e em condies adequadas, o led verde ficar

    aceso e o P0.20 permanecer com nvel lgico 0 (zero) (operao como PFC). Caso

    ocorra um afundamento de tenso na rede eltrica, o led verde apagar, o led vermelho

    acender e o P0.20 ir para nvel lgico 1 (um), ativando a chave analgica e alterando

    a respectiva prioridade de controle do conversor (o controle prioriza a regulao da

    tenso de sada).

    O software de programao foi desenvolvido em linguagem C. Para o tratamento

    dos valores de tenso adquiridos no canal ADC, foi utilizado o sistema de ponto fixo.

    No LPC2138, as variveis inteiras so definidas em 32 bits. Desta forma, para cada

    valor utilizado, deve-se escolher a melhor representao possvel, levando-se em

    considerao os valores mximos, mnimos e a preciso desejada. No software

    desenvolvido, os valores correspondentes amostra da tenso de entrada e ao seno

    dos respectivos ngulos, sero trabalhados com 3 (trs) casas decimais, ou seja, para

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    114

    a faixa de tenso de 0 a 300V, ser utilizada a conveno (0 a 300.000). J para os

    valores na faixa de 0 a 1, equivalentes aos respectivos senos dos ngulos, ser

    utilizada a conveno (0 a 1000).

    O LPC2138 possui dois conversores ADCs com 8 canais cada (AD0 e AD1).

    Este programa realiza a leitura do canal 7 do AD0 (PORT P0.5). A tenso de trabalho

    destes canais de 0 a 3V e o respectivo tempo de converso de 2,44s. O sensor

    HALL de tenso SETHER220BE15 trabalha com uma faixa de tenso de +/- 350Vcc

    em sua entrada. Na sada deste, a tenso 100 (cem) vezes menor em relao

    entrada, estando assim, com o nvel seguro e adequado para conexo deste ponto

    entrada do conversor ADC do microcontrolador.

    Para a gerao da tenso de referncia, foi desenvolvida uma tabela em ponto

    fixo baseada na estrutura LUT LOOK UP TABLE, a qual contm o valor do seno em

    funo de cada ngulo compreendido na faixa de 0 a 180. Esta tabela foi obtida

    experimentalmente, ou seja, a partir da adequao do nmero mximo de pontos que o

    sistema pode gerar para construir uma referncia (1/2 ciclo senoidal) com freqncia

    de 120Hz, considerando a velocidade mxima de processamento igual a 54MIPS

    (60MHz de clock). Sendo assim, a tabela foi construda com 154 pontos. Estes

    constituem o conjunto de valores dos senos que definiro os 154 pontos da tenso de

    referncia para cada intervalo de 8,3ms.

    O LPC2138 possui um conversor digital-analgico DAC. Este foi utilizado com o

    objetivo de monitorar a referncia senoidal gerada pelo microcontrolador e comprovar o

    seu sincronismo com a rede eltrica.

    A interrupo externa EINT_1 garante o sincronismo com a rede. Aps a

    ocorrncia de cada interrupo, d-se incio ao processo de aquisio, gerao dos

    pontos e superviso. A taxa de amostragem correspondente a 154 pontos por semiciclo

    foi gerada por loop de programa (aquisio, gerao da referncia, comparao e

    atuao no PORT). Sabe-se que o ideal colocar um timer para gerar interrupes

    peridicas, cuja subrotina de atendimento faa a gerao dos pontos e a superviso,

    pois dentro do loop fechado, pode existir diferena entre as aquisies caso, na etapa

    de comparao, o sinal amostrado seja maior ou menor que a referncia. Porm, a

    diferena entre um caminho ou outro de apenas uma instruo assembler, conforme

    demonstrado na Figura 4.10, ou seja, 1 ciclo de instruo o qual equivalente a 18,5ns

    para uma freqncia de clock igual a 60MHz. Considerando esta diferena mnima, foi

    optado por no fazer as aquisies por interrupes peridicas, as quais implicariam

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    115

    ainda em um acrscimo de tempo (416ns) para atendimento de cada interrupo

    gerada dentro de um semiciclo.

    O nmero de aquisies durante um semiciclo define que o sistema detecta

    distrbios com tempos superiores a (8300s/154) =54s. Desta forma, o sistema impe

    uma taxa de amostragem de 18,5kHz para as funes de superviso da rede e atuao

    no controle do conversor. Tal fato garante que o sistema proposto, aps a ocorrncia

    de um afundamento de tenso, tenha um tempo de resposta equivalente a 54s para

    definio da prioridade de controle.

    A Figura 4.9 mostra o fluxograma geral do software de programao concebido

    para o sistema de superviso da rede eltrica.

    INCIO DO PROGRAMA PRINCIPAL

    Configuraes Iniciais. GPIOs PLL AD

    DA - Interrupo

    PISCA LED (sinalizao de ausncia do sinal de amostragem)

    Tratamento da INTERRUPO

    Aquisio da amostra de Tenso = Resultado

    (Leitura do A/D)

    Gerao da referncia senoidal e

    disponibilizao no D/A

    Referncia <

    2,961V ?

    Resultado

    < Referncia ?

    Operao normal Controle PFC

    P0.20 = 0

    Fim do Semiciclo

    ?

    FIM DA INTERRUPO / RETORNA PARA O PROGRAMA PRINCIPAL

    Operao em SAG Controle da Tenso de Sada

    P0.20 = 1

    S S

    S

    N

    N

    N

    Figura 4.9. Fluxograma geral do software de programao.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    116

    Conforme descrito anteriormente, a Figura 4.10 demonstra a mnima diferena

    de tempo existente no processo de aquisio por loop de programa, caso haja

    diferena no resultado da comparao do sinal amostrado com o sinal de referncia

    senoidal.

    EQUIVALENTE ASSEMBLER ETAPA DE COMPARAO 11 if(Resultado < Referencia) \ 0000007E .... LDR R0,??DataTable9 ;; Resultado \ 00000080 0068 LDR R0,[R0, #+0] \ 00000082 1F49 LDR R1,??IRQ_interrupt_1+0x14 ;; Referencia \ 00000084 0968 LDR R1,[R1, #+0] \ 00000086 8842 CMP R0,R1 \ 00000088 06DA BGE ??IRQ_interrupt_4 (Desvia para interrupt_4 se resultado for >ou =)

    412 { 413 414 MA_WritePort_GPIO(0,0x00102000,0x00103000);// aciona LD2,3 \ 0000008A .... LDR R2,??DataTable11 ;; 0x103000 \ 0000008C 8121 MOV R1,#+0x81 \ 0000008E 4903 LSL R1,R1,#+0xD ;; #+0x102000 \ 00000090 0020 MOV R0,#+0 \ 00000092 ........ _BLF MA_WritePort_GPIO,MA_WritePort_GPIO??rT \ 00000096 05E0 B ??IRQ_interrupt_3 (Instruo a mais caso resultado seja

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    117

    As Figuras 4.11 e 4.12 ilustram as principais partes do software de programao

    em Linguagem C, concebido para o sistema de superviso.

    Partes do programa para o LPC2138 ROTINA DE INTERRUPO void IRQ_interrupt(void) { p1=&valor[0]; // inicializa ponteiro p1 com o endereo da varivel valor[0] final=&valor[153]; // carrega ponteiro final com o endereo da varivel valor[153] Loop de Programa loop: ponto=~ponto; // gera complemento_borda de subida ou descida a cada inicio de nova aquisio MA_WritePort_GPIO(0,ponto,0x00800000); //seta e reseta bit a cada aquisio (Linhas de comando acima para demonstrao da taxa de amostragem via osciloscpio)

    Resultado = leia_adc(); //CHAMA FUNO DE LEITURA DO A/D Resultado = (300000 * Resultado)/1023; // converte 0 a 3V(entrada do AD) para 0 a 300000 seno=*p1; // varivel seno igual ao contedo do endereo apontado pelo ponteiro p1 Referencia = (141 * seno); // senide interna de referncia igual a Vmx*seno

    Res = (1023 * Referencia) /330000; // CONVERTE REFERNCIA EM UM VALOR DE 0 A 1023 PARA O DA MA_SetValue_DAC(Res); // Carrega o DA para monitoramento da referncia interna via osciloscpio Inibio de atuao para valores prximos de zero

    if(Referencia < 2961)

    { goto loop2; // pula comparao e atuao do port para valores de tenso menores que 2,961V } Comparao e atuao do port if(Resultado < Referencia) { MA_WritePort_GPIO(0,0x00102000,0x00103000); // aciona LD2,3 (Led SAG + CH1) } else { MA_WritePort_GPIO(0,0x00001000,0x00103000); // aciona LD1 PFC } loop2: if (p1 != final) { p1++; goto loop; } else { EXTINT = 0X00000007; VICVectAddr0 = 0; // finaliza interrupo }

    VICVectAddr0 = (unsigned) IRQ_interrupt; // atualiza endereo do vetor de interrupo }

    Figura 4.11. Rotina de Interrupo Aquisio, Comparao e Atuao no PORT.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    118

    Para demonstrar a taxa de amostragem do sistema de superviso, foi utilizado o

    recurso de setar e resetar um bit a cada aquisio gerada pelo loop de programa.

    A Figura 4.13 mostra os respectivos nveis zeros e uns, alm do sinal de tenso

    amostrado. A aquisio da amostra de tenso ocorre a cada transio do sinal

    presente no pino 58 PORT P0.23.

    Na tabela construda para a estrutura LUT LOOK UP TABLE, poderia ser

    utilizado o valor da tenso de forma direta (141*seno), no necessitando da linha de

    comando Referncia = 141*seno. Essa possibilidade foi testada, porm, no

    aumentou significativamente a velocidade de processamento. Sendo assim, optou-se

    por manter a referida linha no loop de programa. Desta forma, pode-se mudar o valor

    da tenso de referncia atravs da simples alterao do Vmx na expresso.

    Na etapa de comparao do sinal amostrado com o sinal de referncia, o

    sistema pode ficar muito sensvel prximo passagem por zero. Isto ocorre pelo fato

    da relao sinal/rudo ser muito baixa nestes momentos, o que pode ocasionar em

    atuao do sistema para mudana na prioridade de controle sem que haja sag. Sendo

    assim, foi estabelecida uma faixa de valores prximos passagem por zero onde no

    Partes do programa para o LPC2138 Tabela do seno (0 a 180) com a varivel valor[153] ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- valor[0]=0; valor[1]=21; valor[2]=41; valor[3]=62; ....... valor[73]=997; valor[74]=999; valor[75]=1000; valor[76]=1000; valor[77]=1000; valor[78]=1000; valor[79]=999; valor[80]=997; valor[81]=996; valor[82]=994; valor[83]=991; ......... valor[150]=62; valor[151]=41; valor[152]=21; valor[153]=0; --------------------------------------------------------------------------------------------------------

    Figura 4.12. Tabela do seno em ponto fixo para gerao da tenso de referncia.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    119

    haver atuao do sistema. No restante do ciclo, foi programado para que ocorra

    atuao a partir de um determinado nvel de afundamento (abaixo da referncia). Nas

    Figuras 4.9 e 4.11, as quais mostram o fluxograma e partes do software de

    programao respectivamente, percebe-se que a atuao do sistema foi inibida para

    valores abaixo de 2,916V.

    77 bordas em 1/4 ciclo ou 154 em ciclo,

    comprovando as 154 aquisies

    Figura 4.13. Taxa de amostragem gerada pelo Loop de Programa aps a deteco da passagem por zero.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    120

    A Figura 4.14 mostra o sinal de deteco do zero e a tenso de referncia

    gerada pelo microcontrolador. J a Figura 4.15 mostra o sinal amostrado e o de

    referncia, ambos sincronizados para a realizao da comparao e atuao no PORT.

    Figura 4.15. CH1 = Amostra de tenso da rede CH2 = Tenso de referncia. (NORMAL e ZOOM)

    Figura 4.14. CH1 = Deteco do Zero CH2 = Tenso de referncia.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    121

    Com a finalidade de se comprovar a velocidade de atuao do

    microcontrolador aps a comparao dos dois sinais, foi colocado um sinal CC em um

    dos canais ADC (AD0.0), o qual pode ser variado a partir de um trimpot. Desta forma,

    em vez do microcontrolador ler a amostra da rede no canal AD0.1, ele ler o sinal CC

    presente no canal AD0.0 e far a comparao com a referncia senoidal. Assim sendo,

    com o sinal CC cruzando a referncia senoidal, percebe-se a partir da Figura 4.16, a

    mudana de estado lgico no PORT de sada nos instantes em que a tenso CC

    amostrada maior e menor que a referncia gerada pelo LPC2138. Tal ensaio teve

    como objetivo a verificao da velocidade de atuao do PORT, mediante a presena

    de valores amostrados maiores e menores que a referncia gerada internamente pelo

    microcontrolador.

    Ressalta-se que a tcnica utilizada neste sistema de superviso para a

    realizao do sincronismo da referncia interna com a amostra da rede eltrica

    susceptvel a problemas ocasionados por distrbios nesta tenso, os quais podem

    deslocar a sua passagem por zero.

    Figura 4.16. Atuao do PORT aps a comparao de um sinal CC com a referncia senoidal

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    122

    4.3.2.14. Especificao das protees contra sobrecorrente no IGBT e

    contra sobretenso na sada do conversor

    Para evitar eventuais problemas no circuito durante os ensaios

    experimentais, sero adicionados ao mesmo, protees contra sobrecorrente no

    IGBT e contra sobretenso na sada do conversor. Como o prottipo constitui

    uma estrutura modificada onde a faixa de operao est sendo ampliada, faz-se

    necessrio a instalao de protees adicionais. A funo destas ser de

    desabilitar o gate do IGBT caso a corrente ultrapasse certo limite ou caso a

    tenso de sada supere o valor de 450Vcc. Ambos os sinais j so monitorados,

    tanto a corrente de entrada como a tenso de sada.

    Para efetuar a proteo contra sobrecorrente no IGBT, ser utilizado o

    driver SKHI-10 da SEMIKRON [42]. O driver contm uma proteo automtica

    contra curto-circuito. Caso haja uma sobrecorrente, o driver atuar, desligando o

    IGBT mesmo que o UC3854 continue comandando, sendo necessrio um reset

    para retornar operao normal. Desta forma, o sinal de sada do UC3854,

    presente no pino 16_GT DRV, ser conectado entrada Vin do driver e a sada

    deste, ser conectada ao gate do IGBT. A Figura 4.17 mostra o diagrama de

    blocos do driver utilizado no prottipo e a Figura 4.18 mostra a disposio dos

    componentes.

    Figura 4.17. Diagrama de blocos do driver SKHI-10 [42].

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    123

    A proteo contra sobretenso na sada do retificador ir desabilitar o

    funcionamento do UC3854 caso a tenso de sada ultrapasse 450Vcc, fazendo

    com que o transistor IGBT pare de operar. Dessa forma, a tenso de sada ser

    reduzida a um valor prximo do pico de tenso da rede, como se fosse um

    simples retificador com filtro, evitando assim, a queima de componentes por

    sobretenso na sada do conversor.

    Esta proteo tem como base a comparao da amostra da tenso de

    sada, presente no pino 11_Vsense do UC3854, com uma tenso de referncia

    igual a 8,5Vcc (equivalente a 450Vcc na sada do conversor). Caso a tenso

    Vsense ultrapasse a referncia de 8,5Vcc, o sistema atuar no pino 10_ENABLE

    do circuito integrado UC3854, atravs de uma chave analgica CH0, de forma a

    desabilitar a operao do mesmo. Assim como acontece na proteo de

    sobrecorrente, faz-se necessrio um "reset" para retornar operao normal.

    Para sinalizao de atuao das protees, sero utilizados leds

    vermelhos. Estes sero acionados caso a proteo atue, indicando por qual

    motivo o conversor deixou de operar. Para sinalizar condies adequadas de

    operao, tanto para a corrente no transistor IGBT como para a tenso de sada

    Figura 4.18. Disposio dos componentes e conectores do driver [42].

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    124

    do conversor, ser utilizado um led na cor verde. Um led de cor amarela

    sinalizar o acionamento do boto de "reset".

    Objetivando garantir imunidade a rudo para o circuito de proteo contra

    sobretenso, ser colocado entre a amostragem Vsense e a entrada do

    comparador (AO), um filtro RC passivo passa baixa com freqncia de corte em

    3KHz e um seguidor de tenso para garantir o desacoplamento. Ou seja, o sinal

    Vsense entrar no filtro e a sada deste ser conectada ao comparador.

    A Figura 4.19 mostra o diagrama do circuito de proteo contra

    sobretenso, bem como as sinalizaes de atuao das duas protees

    (sobrecorrente e sobretenso).

    A proteo de sobrecorrente ser contemplada pelo driver e a proteo de

    sobretenso ser contemplada pelo circuito acima projetado.

    Figura 4.19. Diagrama do circuito de proteo contra sobretenso e sinalizaes de atuao

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    125

    4.3.2.15- Implementao do soft-start manual

    Para promover a variao de tenso na entrada do conversor, ser utilizado um

    "varivolt" de 127V de tenso de entrada e com capacidade para at 11A de corrente de

    sada. Em funo disso, a faixa de tenso de alimentao utilizada nos ensaios

    experimentais ser restrita ao valor mximo de 140Vac, valor este conseguido na sada

    do "varivolt".

    Na energizao do conversor, a tenso de sada, especificada para 400Vcc,

    estar com valor muito abaixo do desejado, o que resultaria em uma amostra desta

    tenso com um erro muito grande em relao referncia de 7,5Vcc presente na

    entrada no inversora do amplificador (AO interno do UC3854). Com isso, promove-se

    uma intensa ao de correo na razo cclica, provocando assim, a imposio de uma

    elevada corrente na partida do conversor. Para eliminar este problema, o circuito

    integrado UC3854 tem uma funo chamada "soft-start", implementada no pino 13_SS,

    com o objetivo de promover a partida suave do sistema atravs de uma suavizao do

    crescimento da razo cclica do sinal de controle PWM. Isto ocorre, atravs da

    imposio de uma rampa de tenso de 0 a 7,5Vcc na entrada no inversora do

    amplificador (referncia), durante a energizao. O perodo da rampa de tenso

    definido pelo valor do capacitor conectado entre o pino 13_SS e o terra. Como o

    UC3854 possui uma fonte de corrente de 14A conectada ao pino 13, o capacitor se

    carregar com uma determinada constante de tempo, fazendo com que o potencial na

    entrada no inversora do amplificador de erro no atinja 7,5Vcc instantaneamente e,

    consequentemente, proporcione uma ao de correo da tenso de sada sem

    imposio de picos na corrente de entrada.

    No entanto, a ao do "soft-start" acontece somente na energizao do circuito

    de controle. Depois disso, o capacitor estar carregado e a tenso de referncia estar

    estabilizada em 7,5Vcc, necessitando assim, que a tenso de alimentao j esteja na

    faixa especificada para correta operao do conversor. Para que se tenha uma maior

    liberdade em variar a tenso de entrada, estando com o circuito de controle j em

    operao, ou ainda, energizar o circuito de controle e, aps isso, aumentar

    gradativamente a tenso de alimentao do conversor, sem implicar em picos de

    corrente na entrada, ser implementado um "soft-start" manual. Isso far com que se

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    126

    possa liberar ou no a operao do conversor em qualquer instante, facilitando o

    manuseio do mesmo durante os ensaios experimentais.

    Para implementao do soft-start manual, deve-se considerar alguns pontos.

    De acordo com o catlogo do UC3854 [25], o pino 13_SS permanecer em GND

    enquanto o circuito integrado estiver desabilitado (pino 10_ENA) ou sua tenso de

    alimentao (pino 15_Vcc) estiver abaixo do valor mnimo especificado. Caso estes

    estejam em condies adequadas, o potencial do pino 13_SS ser elevado a 8V por

    uma fonte de corrente interna de 14A. Este pino atuar como referncia da entrada do

    amplificador de tenso caso seu potencial seja menor que a tenso da fonte de

    referncia interna (REF=7,5V).

    Como a fonte interna de corrente, em operao, drena 14A do pino 13_SS para

    o GND, colocando um potencimetro com valor adequado, possvel alterar o

    potencial de tenso no pino SS, passando este a ser a referncia do amplificador

    quando seu valor for menor que REF=7,5V. No entanto, pelo que pde ser observado

    nos ensaios experimentais, no permitido curto-circuitar este pino para o terra. Ao

    fazer isto, o potencial cai a zero e no se consegue aumentar mais. como se

    houvesse uma proteo do mesmo. O curto-circuito imposto pelo capacitor na

    energizao muito rpido. J o imposto pelo transistor interno, no instante em que

    este est saturado pelo fato de ter ocorrido subtenso ou desabilitao do chip, este

    tambm desarma o oscilador interno e a fonte de referncia do integrado. Quando

    imposto um curto-circuito externo com a fonte de referncia habilitada, ocorre desarme

    desta, fazendo com que a tenso em SS permanea em aproximadamente zero

    (300mV). S possvel o rearme da fonte interna, desligando e ligando novamente o

    circuito. Sendo assim, foi colocado um potencimetro 560K e, em srie com este, um

    resistor de 220K. Quando o potencimetro est em zero, a resistncia de 220K

    impe uma tenso de 2,2V. Ao variar a resistncia atravs do potencimetro, a tenso

    aumenta at 7,9V.

    Com isso, dependendo da posio do potencimetro, torna-se possvel obter

    diferentes valores de tenso de referncia para o amplificador de erro, dentro da faixa

    de 2,2V a 7,9V, alm do que, pode-se impor esta referncia em qualquer instante de

    operao do conversor.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    127

    4.3.2.16- Diagrama do conversor PFC proposto

    A Figura 4.20 mostra o diagrama completo do conversor PFC proposto nesta

    dissertao, conforme especificao feita nos itens 4.3.2, cuja implementao em

    prottipo ser utilizada para coleta dos resultados experimentais.

    Figura 4.20. Diagrama completo do conversor PFC com suportabilidade a voltage sag.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    128

    4.3.3 Construo do prottipo e testes iniciais

    4.3.3.1 Fases de construo

    O prottipo utilizado neste trabalho, foi implementado conforme projeto descrito

    no item 4.3.2 deste captulo. Como estrutura para montagem do circuito, foi

    utilizada uma carcaa de um inversor de freqncia inoperante. Esta, j contm

    o dissipador e a ventoinha (cooler) para compor o sistema de refrigerao dos

    dispositivos de potncia.

    As figuras a seguir ilustram as fases de construo de toda a estrutura para a

    realizao dos ensaios experimentais.

    A Figura 4.21 mostra a estrutura utilizada para montagem do prottipo, contendo

    dissipador de calor, a ventoinha, a ponte retificadora e o transistor IGBT.

    Figura 4.21. Estrutura com o dissipador e a ventoinha para refrigerao dos dispositivos de potncia

    Ponte Retificadora

    SKD30/08

    Disjuntor de Proteo 4A

    Dissipador de

    Calor

    Transistor IGBT

    SK30 GAL

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    129

    Atravs da Figura 4.22, pode-se visualizar a placa de controle contendo o

    circuito integrado UC3854, bem como os elementos que constituem o circuito de

    potncia, ou seja, o resistor Rs, o capacitor de sada Co e o indutor boost L. J a

    Figura 4.23, mostra a montagem da placa de proteo contra sobretenso, bem

    como as sinalizaes de atuao.

    Placa de controle com

    o UC3854

    Indutor Boost

    3 mH

    Placa com o Capacitor de

    Sada e o Resistor Rs

    Divisor de tenso Rv1 e Rvd 511K e 10K

    Figura 4.22. Estrutura com o circuito de potncia e com a placa de controle utilizando o UC3854

    Figura 4.23. Circuito de proteo contra sobretenso e sinalizao de atuao por sobretenso ou sobrecorrente

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    130

    A Figura 4.24, mostra o driver SKHI10 e o circuito de proteo contra

    sobretenso montados em uma base de acrlico. J a Figura 4.25, apresenta

    ambas as protees montadas na estrutura do prottipo.

    Driver SEMIKRON

    SKHI10 Proteo

    contra sobrecorrent

    Proteo contra

    sobretenso

    Figura 4.24. Driver de acionamento do IGBT com proteo automtica contra sobrecorrente e circuito de proteo contra sobretenso

    Figura 4.25. Driver SKHI10 + Proteo Contra Sobretenso + Semicondutores de Potncia

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    131

    A Figura 4.26a mostra a vista frontal do prottipo montado, contendo bornes

    para alimentao do conversor, para a sada do conversor e para acesso ao

    soft-start manual. A figura tambm mostra os leds de sinalizao de atuao

    das protees, bem como o boto de reset para rearme do sistema. J a

    Figura 4.26b, mostra a vista traseira, contendo os bornes de alimentao do

    circuito de controle.

    Tenso de Alimentao

    50Vca ~ 270Vca

    Tenso de

    Sada 400Vcc

    Tenso do pino 13_SS

    Soft Start Manual

    Sinalizao das Protees

    e Boto de Reset

    Figura 4.26a. Vista frontal da estrutura montada contendo bornes e leds de sinalizao.

    Figura 4.26b. Vista traseira do prottipo montado contendo bornes para alimentao do circuito de controle

    Tenso de Alimentao

    20Vcc

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    132

    A Figura 4.27 apresenta o prottipo pronto para a realizao dos ensaios, onde,

    como teste inicial, foi alimentado o circuito eletrnico de controle e coletado a

    forma de onda da sada do driver SKHI10. A figura acima mostra a conexo do

    cabo do osciloscpio no terminal de gate do transistor IGBT. Atravs Figura

    4.28, pode-se visualizar a forma de onda da sada do driver, conectada ao gate

    do IGBT.

    Figura 4.27. Teste do circuito de controle na estrutura montada

    Cabo de osciloscpio conectado na sada do

    driver

    Figura 4.28. Forma de onda do sinal de sada do driver SKHI10

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    133

    De acordo com a Figura 4.28, percebe-se o valor da freqncia de chaveamento

    em 34,72kHz, alm do sinal de sada do driver que apresenta uma tenso de

    15V para nvel lgico 1 (um) e de 8V para nvel lgico 0 (zero).

    Com o objetivo de se fazer a aquisio, na mesma base de tempo, das formas

    de onda da tenso e da corrente na entrada do conversor, ser implementada

    uma pequena estrutura contendo sensores HALL para tenso e para corrente. O

    sensor de corrente eltrica por efeito Hall realimentado ser o SECOHR 50 CI

    15, da SECON, que pode ser usado para medir corrente contnua e alternada de

    valor nominal igual a 50A, com isolao galvnica e sinal de sada em corrente

    [43]. J o sensor de tenso ser o SETEHR 220 BE15, tambm da SECON, de

    220Vrms ou +/- 350Vcc [44]. As Figuras 4.29 e 4.30 mostram o diagrama de

    conexes dos sensores de corrente e tenso respectivamente.

    Figura 4.29. Diagrama de conexes do sensor SECOHR 50CI-15 50A [43].

    Figura 4.30. Diagrama de conexes do sensor SETEHR 220BE15 [44].

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    134

    Na Figura 4.31 pode-se visualizar a placa contendo os dois sensores HALL para

    aquisio dos sinais de tenso e corrente na entrada do conversor.

    4.3.3.2 Testes iniciais realizados

    Para a realizao dos testes iniciais, objetivando a verificao do

    funcionamento do prottipo conforme especificao do projeto, todos os

    equipamentos, materiais e instrumentos foram colocados em bancada para

    possibilitar o ensaio experimental do conversor.

    A fonte de alimentao utilizada foi uma MPS-3003 de 0 a 30V com

    corrente mxima de sada de 3A. Foram utilizados 3 multmetros digitais Minipa

    modelo ET-2100 para medio da tenso de entrada, da tenso de sada e do

    softstart manual. Para visualizao das formas de onda foi utilizado um

    osciloscpio digital TEKTRONIX TDS -1002 de 2 canais.

    A Figura 4.32 mostra a bancada com o prottipo, o variador de tenso

    (varivolt), reostatos, fonte de alimentao, placa com os sensores HALL e os

    instrumentos para teste e medio.

    Figura 4.31. Placa com os sensores SECOHR 50CI-15 50A, SETEHR 220BE15 220Vrms e Fonte Simtrica +15V / -15V

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    135

    Para verificao do funcionamento do conversor e da placa para aquisio dos

    sinais de entrada (tenso e corrente), foi aplicado 127Vca como tenso de

    alimentao, coletado os sinais de entrada com o osciloscpio e medido a

    tenso de sada com o multmetro.

    No sensor Hall de tenso, com 127Vca na entrada do sensor, seu valor eficaz de

    tenso de sada igual a 2,06V. Sendo assim, 127V / 2,06V = 61,6, onde este

    o valor da relao do sensor de tenso.

    Na Figura 4.33, pode-se visualizar a tenso de entrada em 127Vca e o

    potencimetro do soft-start manual no valor mnimo, impondo uma tenso de

    2,3Vcc na entrada no-inversora do amplificador de erro de tenso no UC3854.

    Assim sendo, tem-se a operao do conversor como um simples retificador com

    filtro capacitivo, conforme indicam as formas de onda mostradas na figura.

    A forma de onda superior no osciloscpio trata-se da tenso de entrada aplicada

    ao conversor, enquanto que a forma de onda inferior trata-se da corrente na

    entrada do mesmo.

    Figura 4.32. Montagem em bancada para realizao de testes iniciais

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    136

    Nesta situao, a tenso de sada do conversor apresentou o valor de 180Vcc

    conforme mostra a Figura 4.34.

    Potencimetro do soft-starter manual

    Figura 4.33. Atuao do soft-start manual e operao como retificador convencional

    Figura 4.34. Valor da tenso de sada em operao como retificador convencional

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    137

    Ao partir o conversor atravs do soft-start manual, percebe-se a elevao da

    referncia do amplificador de erro de tenso para 7,98V, a imposio de uma corrente

    de entrada senoidal, bem como a correo da tenso de sada para aproximadamente

    400Vcc. Atravs da Figura 4.35, pode-se comprovar esta descrio de operao.

    Figura 4.35. CH1_Forma de onda da tenso de entrada CH2_Forma de onda da corrente de entrada MULTMETRO_Medio do valor de referncia do amplificador de erro de tenso

    Figura 4.36. Valor da tenso de sada em operao como retificador PFC pr-regulador para correo do fator de potncia

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    138

    Com relao forma de onda da tenso durante a operao como PFC, esta

    estava preenchida com componentes em alta freqncia, conforme mostra a Figura

    4.35. Isto acontece em funo da interferncia da impedncia imposta pelo varivolt na

    alimentao. Como desta forma a medio no casa com os aspectos tericos, foi

    preciso resolver a influncia do varivolt.

    Tentou-se colocar um capacitor na sada do varivolt para prover o

    desacoplamento de sua impedncia srie, bem como eliminar o preenchimento na

    tenso e obter a envoltria senoidal. Essa ao no foi bem sucedida, pois interferiu

    muito no desempenho do conversor como pr-regulador para correo do fator de

    potncia PFC. Sendo assim, foram colocados 5 (cinco) capacitores de 0,022F em

    paralelo com o resistor de sada do sensor hall de tenso, onde os mesmos atuaram

    como filtro para as componentes de alta freqncia, possibilitando a aquisio da

    envoltria senoidal. Este procedimento est demonstrado atravs da Figura 4.37. A

    Figura 4.38, apresenta a operao do conversor conforme projeto especificado,

    concluindo assim os testes iniciais do prottipo e da placa de aquisio.

    Capacitores 0,022F

    Figura 4.37. (a) CH1_Forma de onda da tenso filtrada, CH2_Forma de onda da corrente. (b) Detalhamento dos capacitores de filtro instalados na sada do sensor de tenso.

    (a) (b)

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    139

    A Figura 4.39 mostra as formas de onda da tenso e da corrente na entrada do

    conversor para sua operao com 127Vca, porm, sem a utilizao do VARIVOLT.

    Atravs desta figura, percebe-se que a tenso de entrada no apresenta componentes

    em alta freqncia (THDv=4,2% e THDi=4,1% obtidos a partir de um analisador de

    redes), comprovando assim, a influncia deste equipamento na referida tenso de

    entrada, conforme indicado na Figura 4.35.

    Figura 4.38. Formas de onda na entrada do conversor e medio da tenso de sada

    Figura 4.39. Formas de onda da tenso e da corrente na entrada do conversor_sem VARIVOLT

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    140

    4.4 Resultados Experimentais

    Findo os testes iniciais, foram realizados os ensaios necessrios para aquisio

    dos resultados experimentais do conversor PFC proposto, objetivando assim, a

    validao dos objetivos propostos nesta dissertao.

    Os resultados experimentais sero apresentados da seguinte forma:

    No item 4.4.1, ser apresentada a situao da corrente de entrada e da

    tenso de sada, demonstrada atravs de suas formas de onda para o

    conversor proposto operando com a rede em condies normais de tenso

    de alimentao (90Vca ~ 140Vca). Alm disso, para o conversor alimentado

    com 208Vca, sero apresentados os valores de tenso, corrente, potncia e

    THD na entrada do conversor, as respectivas FFTs da tenso e corrente

    neste mesmo ponto, bem como a tenso, corrente e potncia na sada do

    sistema;

    No item 4.4.2, ser apresentada estar a situao da corrente de entrada e

    da tenso de sada, demonstrada atravs de suas formas de onda, em um

    comparativo da operao do conversor proposto em relao do conversor

    PFC convencional, quando submetido a afundamentos de tenso voltage

    sag (50Vca ~90Vca). Alm disso, para o conversor submetido a um distrbio

    equivalente a 0,27pu, sero apresentados os valores de tenso, corrente,

    potncia e THD na entrada do conversor, as respectivas FFTs da tenso e

    corrente neste mesmo ponto, bem como a tenso, corrente e potncia na

    sada do sistema;

    No item 4.4.3, ser feita uma comparao do ripple da tenso de sada para

    a operao do conversor como PFC e do ripple para a operao como

    regulador prioritrio de tenso, ou seja, com a chave CH1 aberta e com a

    chave CH1 fechada respectivamente, quando a tenso de entrada estiver em

    90Vca e 100Vca. O objetivo desta comparao mostrar que durante a

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    141

    operao em condies normais da rede, caso o controle de SAG seja

    acionado, este minimizar o ripple da tenso de sada em funo desta

    opo priorizar a regulao da mesma;

    No item 4.4.4, estar a situao da tenso de entrada e da tenso de sada,

    demonstrada atravs de um grfico sincronizado de seus valores RMS,

    promovendo assim, uma visualizao do transitrio da tenso de entrada e

    os respectivos efeitos na tenso de sada.

    4.4.1 Conversor proposto submetido s condies normais de operao

    Os resultados experimentais da operao do conversor como PFC pr-

    regulador para correo do fator de potncia, durante o perodo em que a rede

    permanece em condies normais de alimentao, sero apresentados atravs

    das figuras a seguir. Da Figura 4.40 at a 4.49, pode-se visualizar o

    comportamento da tenso e da corrente na entrada, bem como a tenso de

    sada para uma faixa de operao entre 136Vca e 90Vca. Embora a faixa de

    operao prevista seja de at 270Vca para o conversor, o varivolt utilizado pode

    operar no mximo em 127Vca, limitando assim, a mxima tenso de

    alimentao no sistema.

    Para os valores de entrada, a forma de onda superior a da tenso e a

    inferior a da corrente. Para a tenso de sada, o osciloscpio estar na

    escala de 50V por diviso, alm de apresentar o valor da tenso mdia ao lado

    direito da tela.

    A Figura 4.40 mostra as formas de onda na entrada para uma

    alimentao de 136Vca, enquanto que a Figura 4.41 mostra a forma de onda da

    tenso de sada com valor mdio igual a 399Vcc.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    142

    A Figura 4.42 mostra as formas de onda na entrada para uma alimentao de

    122Vca, enquanto que a Figura 4.43 mostra a forma de onda da tenso de sada

    com valor mdio igual a 402Vcc.

    Figura 4.40 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_136Vca

    Figura 4.41 Forma de onda da tenso de sada_399Vcc

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    143

    A Figura 4.44 mostra as formas de onda na entrada para uma alimentao de

    110Vca, enquanto que a Figura 4.45 mostra a forma de onda da tenso de sada

    com valor mdio igual a 403Vcc.

    Figura 4.42 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_122Vca

    Figura 4.43 Forma de onda da tenso de sada_402Vcc

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    144

    A Figura 4.46 mostra as formas de onda na entrada para uma alimentao de

    100Vca, enquanto que a Figura 4.47 mostra a forma de onda da tenso de sada

    com valor mdio igual a 395Vcc.

    Figura 4.44 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_110Vca

    Figura 4.45 Forma de onda da tenso de sada_403Vcc

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    145

    A Figura 4.48 mostra as formas de onda na entrada para uma alimentao de

    90Vca, enquanto que a Figura 4.49 mostra a forma de onda da tenso de sada

    com valor mdio igual a 382Vcc.

    Figura 4.46 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_100Vca

    Figura 4.47 Forma de onda da tenso de sada_395Vcc

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    146

    Atravs dos resultados apresentados acima, pode-se visualizar que a forma de

    onda da corrente na entrada senoidal e em fase com a tenso de alimentao,

    caracterizando assim, a atuao do conversor em correo de fator de potncia e

    minimizao da distoro harmnica.

    Figura 4.48 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_90Vca

    Figura 4.49 Forma de onda da tenso de sada_382Vcc

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    147

    A Figura 4.50 apresenta o comportamento do sistema proposto operando com

    tenso de alimentao igual a 208Vca. Os valores apresentados confirmam que na

    faixa especificada para operao como PFC, o fator de potncia visto pela rede de

    0,99, o THD da tenso e corrente de entrada so respectivamente 4,243% e 4,112%

    e o seu rendimento de aproximadamente 94%.

    A Figura 4.51 mostra as FFTs da corrente e da tenso de entrada para o

    conversor operando como PFC.

    Figura 4.50 Grandezas medidas na entrada e na sada do conversor operando como PFC_ Vin=208Vca e Vout=399Vcc

    Figura 4.51 Espectro Harmnico da corrente e da tenso de entrada do conversor operando como PFC

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    148

    4.4.2 Comparativo entre a operao do conversor PFC convencional e a

    operao do conversor proposto quando submetidos a afundamentos de tenso

    Neste ensaio, as formas de onda da tenso e da corrente na entrada, bem

    como a da tenso de sada, sero coletadas com o conversor operando sob

    condies de afundamento de tenso, ou seja, trabalhando em uma faixa menor

    ou igual a 90Vac. O sistema de superviso acionar o controle para priorizar a

    regulao da tenso de sada quando a entrada for igual a 90Vac, ou seja, a

    chave CH1 ser acionada a partir desse valor de tenso.

    O afundamento de tenso ser gerado a partir de um variador de tenso

    (VARIVOLT) conectado entre a rede de alimentao e a entrada do conversor

    sob teste. O menor valor de tenso gerado na entrada ser de 50Vac,

    representando para um sistema de 220Vac, uma intensidade de afundamento

    igual a 0,22 pu.

    Como o objetivo deste ensaio o de comparar a operao do conversor

    proposto em relao operao do pr-regulador de fator de potncia

    convencional quando submetidos a afundamentos de tenso, para coletar os

    resultados para o sistema convencional, ser bloqueado o sistema de

    superviso, ou seja, no ser acionada a chave CH1 durante o afundamento. J

    para a aquisio dos resultados do comportamento do sistema idealizado, ser

    liberada a atuao do sistema de superviso, ou seja, a chave CH1 ser

    acionada nestas condies de operao.

    As figuras a seguir, apresentaro os resultados da comparao entre os

    dois sistemas, possibilitando a verificao da maior suportabilidade do conversor

    proposto em relao ao conversor convencional.

    Sendo assim, a Figura 4.52 mostra as formas de onda na entrada do

    conversor PFC convencional quando o mesmo est submetido a uma tenso

    de alimentao igual a 90Vca. Nestas condies, a Figura 4.53 mostra a forma

    de onda da tenso de sada, apresentando um valor mdio de 382Vcc.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    149

    A Figura 4.54 mostra as formas de onda na entrada do conversor PFC

    proposto quando o mesmo est submetido a uma tenso de alimentao igual a

    90Vca. Nestas condies, a Figura 4.55 mostra a forma de onda da tenso de

    sada, apresentando um valor mdio de 405Vcc.

    Figura 4.52 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema convencional_90Vca

    Figura 4.53 Forma de onda da tenso de sada_sistema convencional_ 382Vcc

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    150

    A Figura 4.56 mostra as formas de onda na entrada do conversor PFC

    convencional quando o mesmo est submetido a uma tenso de alimentao

    igual a 80Vca. Nestas condies, a Figura 4.57 mostra a forma de onda da

    tenso de sada, apresentando um valor mdio de 350Vcc.

    Figura 4.54 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema proposto_90Vca

    Figura 4.55. Forma de onda da tenso de sada_sistema proposto_ 405Vcc

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    151

    A Figura 4.58 mostra as formas de onda na entrada do conversor PFC

    proposto quando o mesmo est submetido a uma tenso de alimentao igual a

    80Vca. Nestas condies, a Figura 4.59 mostra a forma de onda da tenso de

    sada, apresentando um valor mdio de 403Vcc.

    Figura 4.56 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema convencional_80Vca

    Figura 4.57 Forma de onda da tenso de sada_sistema convencional_ 350Vcc

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    152

    A Figura 4.60 mostra as formas de onda na entrada do conversor PFC

    convencional quando o mesmo est submetido a uma tenso de alimentao

    igual a 70Vca. Nestas condies, a Figura 4.61 mostra a forma de onda da

    tenso de sada, apresentando um valor mdio de 314Vcc.

    Figura 4.58. Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema proposto_80Vca

    Figura 4.59. Forma de onda da tenso de sada_sistema proposto_ 403Vcc

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    153

    A Figura 4.62 mostra as formas de onda na entrada do conversor PFC

    proposto quando o mesmo est submetido a uma tenso de alimentao igual a

    70Vca. Nestas condies, a Figura 4.63 mostra a forma de onda da tenso de

    sada, apresentando um valor mdio de 390Vcc.

    Figura 4.60. Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema convencional_70Vca

    Figura 4.61. Forma de onda da tenso de sada_sistema convencional_ 314Vcc

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    154

    A Figura 4.64 mostra as formas de onda na entrada do conversor PFC

    convencional quando o mesmo est submetido a uma tenso de alimentao

    igual a 60Vca. Nestas condies, a Figura 4.65 mostra a forma de onda da

    tenso de sada, apresentando um valor mdio de 271Vcc.

    Figura 4.62 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema proposto_70Vca

    Figura 4.63. Forma de onda da tenso de sada_sistema proposto_ 390Vcc

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    155

    A Figura 4.66 mostra as formas de onda na entrada do conversor PFC

    proposto quando o mesmo est submetido a uma tenso de alimentao igual a

    60Vca. Nestas condies, a Figura 4.67 mostra a forma de onda da tenso de

    sada, apresentando um valor mdio de 371Vcc.

    Figura 4.64. Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema convencional_60Vca

    Figura 4.65. Forma de onda da tenso de sada_sistema convencional_ 271Vcc

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    156

    A Figura 4.68 mostra as formas de onda na entrada do conversor PFC

    convencional quando o mesmo est submetido a uma tenso de alimentao

    igual a 50Vca. Nestas condies, a Figura 4.69 mostra a forma de onda da

    tenso de sada, apresentando um valor mdio de 236Vcc.

    Figura 4.66. Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema proposto_60Vca

    Figura 4.67. Forma de onda da tenso de sada_sistema proposto_ 371Vcc

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    157

    A Figura 4.70 mostra as formas de onda na entrada do conversor PFC

    proposto quando o mesmo est submetido a uma tenso de alimentao igual a

    50Vca. Nestas condies, a Figura 4.71 mostra a forma de onda da tenso de

    sada, apresentando um valor mdio de 363Vcc.

    Figura 4.68 Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema convencional_50Vca

    Figura 4.69 Forma de onda da tenso de sada_sistema convencional_ 236Vcc

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    158

    Atravs dos resultados apresentados acima, durante o afundamento de

    tenso, pode-se visualizar que a tenso de sada possui uma melhor qualidade

    com relao ao seu valor mdio quando o conversor proposto ativa o controle de

    regulao prioritria da tenso de sada. No conversor proposto, a corrente de

    entrada fica distorcida durante o afundamento, caracterizando a prioridade de

    controle estabelecida no mesmo.

    Figura 4.70. Formas de onda da tenso e corrente na entrada_sistema proposto_50Vca

    Figura 4.71. Forma de onda da tenso de sada_sistema proposto_ 363Vcc

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    159

    A Figura 4.72 mostra as medidas das grandezas de entrada e sada do sistema

    proposto submetido a um afundamento de tenso igual a 0,27 pu (60Vca), objetivando

    a comparao destas com as apresentadas na Figura 4.50, a qual ilustrou a operao

    do conversor proposto sob condies normais da rede de alimentao.

    A Figura 4.73 apresenta as respectivas FFTs da corrente e da tenso de

    entrada para o sistema proposto operando em situao de afundamento. Nesta

    situao, o THD da corrente de entrada ruim mesmo, pois a correo da tenso de

    sada o fator prioritrio.

    Figura 4.72. Grandezas medidas na entrada e na sada do conversor_ operao em SAG_ Vin=60Vca e Vout=371Vcc

    Figura 4.73. Espectro Harmnico da corrente e da tenso de entrada do conversor operando em situao de SAG

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    160

    importante ressaltar que a distoro da tenso de entrada ocorre devido

    utilizao de um VARIVOLT para a gerao dos afundamentos durante os ensaios

    experimentais. Na entrada do VARIVOLT, para a mesma condio de operao, no

    ocorre distoro da tenso.

    4.4.3 Comparativo do ripple de sada entre a operao do conversor PFC

    convencional e a operao do conversor proposto

    A situao a ser considerada neste item no diz respeito ao nvel de

    afundamento de tenso, mas sim, em como se comportaria a tenso de sada

    caso o controle para situao de voltage sag atuasse para valores de tenso

    de alimentao enquadrados na faixa especificada para operao como pr-

    regulador para correo do fator de potncia.

    Como no controle em situao de afundamento priorizada a regulao da

    tenso de sada, este promover uma melhor regulao em relao ao controle

    PFC, o que implicar em uma menor ondulao e melhor qualidade desta

    tenso, possibilitando, tambm, a utilizao desta tcnica para prover a

    alimentao de cargas mais sensveis.

    Sendo assim, ser realizada a comparao da forma de onda da tenso de

    sada do conversor para as duas formas de controle, PFC e voltage sag,

    quando submetido a uma alimentao de 100Vca e 90Vca respectivamente.

    A Figura 4.74 mostra a forma de onda da tenso de sada do conversor PFC

    proposto quando o mesmo est submetido a uma tenso de alimentao igual a

    100Vca e com controle PFC ativado. Nestas condies de entrada, a Figura

    4.75 mostra a forma de onda da tenso de sada, porm, com controle de

    voltage sag ativado.

    J a Figura 4.76, mostra a forma de onda da tenso de sada do conversor PFC

    proposto quando o mesmo est submetido a uma tenso de alimentao igual a

    90Vca e com controle PFC ativado. Nas mesmas condies de entrada, a

    Figura 4.77 mostra a forma de onda da tenso de sada com controle de voltage

    sag ativado.

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    161

    Figura 4.74. Forma de onda da tenso de sada_controle PFC_100Vca

    Figura 4.75. Forma de onda da tenso de sada_controle voltage sag_100Vca

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    162

    Percebe-se, com esses resultados, a melhora na qualidade da tenso de sada,

    a qual apresenta menor ondulao durante a operao como regulador de

    tenso (controle voltage sag).

    Figura 4.76. Forma de onda da tenso de sada_controle PFP_90Vca

    Figura 4.77 Forma de onda da tenso de sada_controle voltage sag_90Vca

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    163

    4.4.4 Comportamento da tenso de sada em funo das variaes da tenso de

    entrada

    Este ensaio tem como objetivo mostrar o comportamento do conversor proposto

    durante um afundamento temporrio de tenso.

    Para a aquisio dos resultados foi utilizado um registrador HIOKI 8807 de 2

    canais.A tenso de entrada VAC in foi coletada via canal 1 e a tenso de sada VDC

    out foi coletada via canal 2. A tenso de entrada foi medida de forma indireta

    utilizando um sensor hall de tenso. Quando aplicado 127V na entrada do sensor, a

    tenso eficaz de sada igual a 2,04V. Sendo assim, foi definida a constante de

    multiplicao dividindo 127V (V_entrada) por 2,04V (V_sada). A tenso de sada foi

    medida de forma direta com a ponta de prova atenuada em 10 vezes.

    O canal 1 foi ajustado para 500mV/div x 61,7 (ponta de prova x1) para

    visualizarmos na tela o valor real de tenso de entrada. Isto sugere uma escala de

    30,85V/div para o canal 1. O canal 2 foi ajustado para 5V/div x 10 (ponta de prova

    x10) para visualizarmos o valor real de tenso de sada. Isto sugere uma escala de

    50V/div para o canal 2. Estes ajustes esto demonstrados nas Figuras 4.78 e 4.79. A

    menor escala de tempo do registrador de 500ms/div, o que implica em uma janela

    de 5 segundos para cada figura apresentada.

    Figura 4.79. Ajuste do registrador para visualizao do valor real de tenso

    Figura 4.78. Ajuste do registrador para visualizao do valor real de tenso

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    164

    Nas figuras a seguir, pode-se visualizar os valores de tenso de entrada e de

    sada na mesma base de tempo. Tm-se dois cursores (A e B). O cursor A informa a

    tenso do canal 1 e o cursor B informa a tenso do canal 2. Visualiza-se tambm (B-

    A), ou seja, a diferena entre a tenso de sada e a tenso de entrada (ch2 - ch1).

    Embora esta ltima seja uma medio de pouca relevncia, no possvel omiti-la da

    tela do registrador.

    As curvas correspondem aos valores RMS para VACin (CH1_cor vermelha) e

    mdios para VDCout (CH2_cor verde), ou seja, a opo de registro no registrador

    para valores RMS nos 2 canais, conforme mostrado na Figura 4.78.

    As Figuras 4.80 e 4.81 demonstram a tenso de entrada variando de 94,75V a

    150,94V e a tenso de sada em 400V.

    Figura 4.80 CH1_Tenso de entrada, CH2_Tenso de sada. Comportamento da tenso de entrada e da tenso de sada Pr-afundamento

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    165

    Na Figura 4.80, no instante zero segundo, o circuito j estava energizado com

    uma tenso de entrada igual a 94,7V, conforme indica o cursor no canal 1, ou

    seja, o circuito j estava em condies normais de operao e deu-se incio ao

    registro. A partir do instante 1,25s, foi efetuada uma variao na tenso da

    entrada, com o varivolt, para valores acima de 90Vca (entre 90V e 150V

    aproximadamente) para que se percebesse a regulao da tenso de sada

    frente s variaes da tenso de entrada. Sendo assim, a pulsao observada

    na entrada (Figura 4.80) devido variao efetuada com o varivolt, dentro da

    faixa de operao do conversor como PFC pr-regulador para correo do

    fator de potncia. A Figura 4.81 mostra a continuao do registro e a indicao

    do cursor A em 150,9Vca aproximadamente. Em ambas as figuras, a tenso de

    sada permanece regulada em 400Vcc.

    Figura 4.81 CH1_Tenso de entrada, CH2_Tenso de sada. Comportamento da tenso de entrada e da tenso de sada Pr-afundamento

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    166

    A Figura 4.82 mostra a tenso de entrada atingindo o valor de 90Vca. Neste

    instante, o controle de voltage sag foi acionado para priorizar o controle da

    tenso de sada. Esta permaneceu com o valor aproximado de 400Vcc.

    A Figura 4.83 apresenta o afundamento da tenso de entrada de 90Vca para

    aproximadamente 50Vca. A tenso de sada caiu de 396Vcc para

    aproximadamente 360Vcc. Fica demonstrado que para um afundamento de

    tenso com magnitude de 0,22pu (50Vca - considerando 220Vca como tenso

    nominal) ou 0,18pu (50Vca considerando que o conversor opera com at

    270Vca), a tenso de sada sofre uma queda de apenas 10%, ou seja,

    permanece em 0,9pu.

    J a Figura 4.84, mostra a tenso de entrada caindo abaixo de 50Vca e depois

    retornando para 90Vca. Para uma tenso de entrada de aproximadamente

    30Vca, a tenso de sada do conversor chegou a atingir 310Vcc

    aproximadamente. Quando a tenso de entrada retornou para valores acima de

    50Vca, a tenso de sada foi corrigida para a mdia de 400Vcc.

    Figura 4.82. CH1_Tenso de entrada, CH2_Tenso de sada. Comportamento da tenso de entrada e da tenso de sada Instante de acionamento do controle de voltage-sag em 90Vca

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    167

    Figura 4.83. CH1_Tenso de entrada, CH2_Tenso de sada. Comportamento da tenso de entrada e da tenso de sada Afundamento at 50Vca

    Figura 4.84. CH1_Tenso de entrada, CH2_Tenso de sada. Comportamento da tenso de entrada e da tenso de sada Afundamento abaixo de 50Vca

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    168

    Figura 4.85. CH1_Tenso de entrada, CH2_Tenso de sada. Comportamento da tenso de entrada e da tenso de sada PsAfundamento

    90Vca ~ 122Vca

    Figura 4.86. CH1_Tenso de entrada, CH2_Tenso de sada. Comportamento da tenso de entrada e da tenso de sada PsAfundamento

    122Vca ~150Vca

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    169

    As Figuras 4.85 e 4.86 mostram a tenso de entrada retornando para valores

    acima de 90Vca. A partir da, o controle de voltage sag foi desativado, fazendo

    com que o conversor passasse a operar como pr-regulador para correo do

    fator de potncia. A tenso de sada permaneceu em aproximadamente 400Vcc

    para uma variao de entrada de 90Vca a 150Vca.

    Estes resultados possibilitaram a anlise, atravs de um grfico sincronizado dos

    valores RMS de entrada e mdio de sada, do comportamento do conversor,

    possibilitando uma visualizao das variaes da tenso de entrada e os

    respectivos efeitos na tenso de sada.

    4.5 Consideraes Finais

    Neste captulo, inicialmente, foi apresentado o princpio de operao do

    conversor PFC proposto, em atendimento soluo dos problemas descritos

    nos captulos anteriores, dentre eles, o baixo fator de potncia, a alta distoro

    harmnica e a baixa suportabilidade dos sistemas eletroeletrnicos frente aos

    afundamentos de tenso.

    Em seguida, foi demonstrada toda a metodologia de estudos, partindo do

    projeto e implementao de um conversor PFC convencional, o qual foi utilizado

    nos ensaios laboratoriais, at a concepo da tcnica de controle para melhoria

    de sua suportabilidade perante os afundamentos de tenso, constituindo assim,

    o conversor PFC proposto deste trabalho. Neste ponto, foi enfatizado o sistema

    de superviso da rede eltrica, o qual tem o objetivo de identificar distrbios na

    tenso de alimentao e atuar, em funo das condies desta, nas malhas de

    realimentao do UC3854 para o estabelecimento da respectiva prioridade de

    controle.

    Todo o desenvolvimento do prottipo, bem como todas as estratgias de

    estudo para a aquisio dos resultados necessrios validao da proposta

    desta dissertao, tambm foram apresentados. Considerando as limitaes

    relacionadas disponibilidade dos instrumentos de teste e medio

    indispensveis realizao dos ensaios, tentou-se explorar ao mximo os

  • Captulo IV Proposta de Controle para Melhoria da Suportabilidade dos Conversores Boost PFC perante os Afundamentos de Tenso

    170

    recursos nos momentos em que estavam disponveis, objetivando a coleta das

    medies mais importantes em cada etapa de estudo.

    Finalmente, foram apresentados todos os resultados experimentais

    coletados nos ensaios laboratoriais, sendo estes compostos por formas de onda

    de tenso e corrente, valores de grandezas como tenso, corrente, potncia e

    distoro harmnica total THDs, espectros harmnicos FFTs da tenso e

    corrente na entrada do sistema, alm dos grficos sincronizados dos valores

    RMS das tenses de entrada e sada do conversor. As medies foram

    realizadas no conversor funcionando sob trs condies de operao, sendo

    elas:

    Rede eltrica em condies normais;

    Rede eltrica em situao de voltage sag com o conversor operando nas

    duas formas de controle (PFC convencional e PFC proposto com

    suportabilidade a SAG), objetivando a comparao entre ambos os casos;

    Comparao do ripple da tenso de sada para o conversor operando sob

    condies normais de alimentao e em ambas as prioridades de controle,

    demonstrando desta forma que ao priorizar a regulao da tenso de sada

    em detrimento da correo do fator de potncia, o ripple torna-se bem menor,

    constituindo assim, uma caracterstica interessante caso o conversor esteja

    alimentando cargas sensveis.

    Sendo assim, conclui-se que a partir dos estudos desenvolvidos nos

    captulos anteriores, do projeto e da concepo do sistema proposto, alm de

    todos os resultados experimentais apresentados neste captulo, pode-se analisar

    e comprovar toda contribuio advinda deste trabalho de pesquisa e,

    principalmente, fomentar e subsidiar o desenvolvimento de futuros trabalhos

    para mitigao de problemas ocasionados pelos distrbios aqui considerados,

    sendo eles, os afundamentos de tenso.

  • 171

    CAPTULO V

    CONCLUSES GERAIS

    Este captulo tem por objetivo a apresentao de uma sntese das principais

    constataes feitas nos captulos anteriores, destacando as contribuies relevantes a

    respeito dos estudos realizados nesta dissertao.

    Os circuitos retificadores so utilizados em grande escala nos sistemas

    eletroeletrnicos residenciais e industriais, constituindo o estgio de entrada desses

    equipamentos. Estes, por sua vez, possuem baixo fator de potncia e elevada

    distoro harmnica da corrente de entrada, os quais contribuem para limitao da

    potncia ativa a ser consumida da rede eltrica, para a m operao dos equipamentos

    sensveis conectados mesma rede, alm dos prejuzos econmicos, assumidos pelos

    grandes consumidores, oriundos dos pagamentos de multas ocasionadas pelo

    consumo excedente de reativos.

    Conjugado a estes problemas, cita-se tambm a susceptibilidade desses

    circuitos retificadores perante os afundamentos temporrios de tenso. A ocorrncia

    desses eventos pode provocar desligamentos indesejados das cargas, os quais

    implicam em perda de qualidade ou parada de mquinas e equipamentos, interferindo

    assim, na lucratividade do sistema produtivo e, consequentemente, em mais prejuzos

    econmicos para a empresa. Alm do mais, estes circuitos retificadores, caso no

    estejam preparados com circuitos de inrush, podem ter seus diodos comprometidos

    quando a tenso de alimentao retorna ao seu valor nominal.

    Em resposta a estes problemas, este trabalho teve como objetivo consubstanciar

    uma nova proposta de controle para conversor boost operando como retificador de alto

    fator de potncia, a qual permite priorizar o requisito de alto fator de potncia, sob

    condio normal da rede, ou priorizar a regulao da tenso de sada diante de

  • Captulo V Concluses Gerais

    172

    afundamentos de tenso. O controle implementado consistiu na modificao das

    malhas de realimentao do circuito UC3854. Nos aspectos de Qualidade de Energia,

    o conversor proposto dever corrigir o fator de potncia e minimizar o total de distoro

    harmnica quando a rede estiver em condies normais de operao. Durante a

    ocorrncia de um afundamento, o sistema priorizar o controle da tenso de sada de

    forma a garantir a continuidade de operao da carga, evitando assim, desligamentos

    indesejados. Esta ltima caracterstica consolida a idia deste trabalho, a qual

    convergiu para a concepo de uma nova proposta de controle para o conversor boost

    PFC convencional, findando no aumento de sua imunidade frente aos afundamentos de

    tenso de elevada ordem.

    Visando alcanar os objetivos descritos nesta dissertao, o captulo II

    apresentou uma breve abordagem do fenmeno afundamento de tenso a partir de

    suas definies, classificaes, origens e impactos nos sistemas eletroeletrnicos

    industriais, alm da apresentao de dados estatsticos relacionados quantidade de

    ocorrncias deste evento, bem como os respectivos prejuzos financeiros ocasionados

    por estes distrbios aos consumidores residenciais, comerciais e industriais. Por

    conseguinte, foi apresentada a melhoria dos aspectos econmicos de uma empresa,

    promovida pelas aes concebidas mitigao do fenmeno afundamento de tenso.

    No captulo III, foi estudada a soluo para o baixo fator de potncia imposto

    pelos equipamentos constitudos por circuitos retificadores convencionais. Tal soluo

    foi conduzida atravs da imposio de uma corrente de entrada prxima senoidal,

    resultando assim, na reduo de sua distoro harmnica e, consequentemente, na

    elevao do fator de potncia na entrada destes retificadores. Para tanto, foi utilizado o

    conversor boost operando como Retificador de Alto Fator de Potncia Boost Rectifier

    PFC - Power Factor Correction. Desta forma, inicialmente, este captulo comps

    estudos relacionados ao princpio de funcionamento do conversor boost e aos

    problemas ocasionados pela operao dos circuitos retificadores convencionais, tais

    como, baixo fator de potncia e elevada taxa de distoro harmnica. Posteriormente,

    foi mostrada a aplicao do conversor boost em PFC, alm do circuito integrado

    UC3854, uma das opes de controle existentes para o conversor boost nessas

    aplicaes, a qual foi escolhida para a implementao do prottipo utilizado nos

    ensaios experimentais deste trabalho.

  • Captulo V Concluses Gerais

    173

    Na seqncia, o captulo IV concentrou-se em apresentar a metodologia para o

    alcance dos objetivos traados na introduo deste trabalho, a descrio completa do

    princpio de operao do sistema proposto, bem como todo o desenvolvimento do

    projeto e construo do prottipo para coleta dos resultados experimentais. Alm disso,

    ressaltou-se que apesar de a implementao do prottipo ter sido monofsica, o

    princpio de operao pode ser estendido ao caso de alimentao trifsica. Neste

    captulo, inicialmente foi apresentada a tcnica para correo do fator de potncia e

    aumento da suportabilidade dos circuitos retificadores perante os afundamentos de

    tenso, a qual consistiu na modificao da estratgia de controle do conversor

    boost PFC convencional, objetivando o aumento de sua suportabilidade diante

    destes distrbios. Desta forma, o conversor proposto atua como um PFC

    convencional quando a rede eltrica est em condies normais, porm, durante a

    ocorrncia de um afundamento, o controle prioriza a regulao da tenso de sada em

    detrimento da correo do fator de potncia, uma vez que, nesta situao, a prioridade

    a garantia do pleno regime de operao da carga de forma a evitar prejuzos

    econmicos ocasionados pelos desligamentos inesperados dos equipamentos

    eletroeletrnicos nas linhas de produo.

    Por conseguinte, de posse do prottipo, dos equipamentos e dos instrumentos

    necessrios para aquisio dos resultados, foram realizados os ensaios laboratoriais

    do conversor perante condies normais de alimentao e de afundamento de tenso

    voltage sag. Os resultados experimentais mostraram a operao do conversor

    proposto como PFC (Pr-regulador para Correo do Fator de Potncia), a

    comparao entre o comportamento do conversor proposto e do convencional, ambos

    submetidos a afundamentos de tenso, alm de uma anlise, atravs de curvas

    sincronizadas, do comportamento da tenso de sada frente s variaes da tenso de

    entrada.

    Tendo o conversor proposto duas aes de controle, sendo a primeira para

    atuao como PFC e segunda para exclusiva regulao da tenso de sada, as quais

    so selecionadas em funo da condio da rede de alimentao, ao operar com a

    segunda ao acionada, o conversor priorizar a regulao da tenso de sada e no

    atuar na correo do fator de potncia. Sendo assim, tem-se ainda neste captulo,

    uma comparao da tenso de sada para operao do sistema proposto com cada

    uma das opes de controle possveis de serem selecionadas, mantendo-se a

  • Captulo V Concluses Gerais

    174

    alimentao dentro da faixa de tenso especificada (80Vca a 270Vca) para que o

    conversor atue como PFC, ou seja, com valores de tenso iguais a 100Vca e 90Vca

    respectivamente. O motivo desta comparao foi de demonstrar que na operao

    dentro da faixa especificada para funcionar como PFC, se for acionado o controle de

    regulao prioritria da tenso de sada, minimiza-se a ondulao (ripple) desta,

    promovendo assim, uma melhoria de sua qualidade em relao apresentada pelo

    conversor proposto operando como um PFC convencional.

    De uma maneira geral, pode-se dizer que os resultados experimentais aqui

    apresentados foram concludentes no que concerne demonstrao dos objetivos

    alcanados nesta dissertao. Para tanto, foi demonstrada a correo do fator de

    potncia e a minimizao da distoro harmnica da corrente na entrada do conversor,

    ambas promovidas pelo sistema operando sob condies normais de alimentao da

    rede. Demonstrou-se tambm, o aumento da suportabilidade do sistema proposto

    quando submetido a afundamentos de at 0,22 pu (50Vca), onde a sada sofreu uma

    perturbao mnima, se comparada quela apresentada pelo sistema retificador PFC

    convencional. Adicionalmente, teve-se ainda a demonstrao da minimizao do

    (ripple) ou da ondulao da tenso de sada quando o controle regulador de tenso

    em sag est acionado para condies normais da rede de alimentao, possibilitando

    assim, a utilizao desta tcnica na operao do conversor com cargas mais sensveis,

    ou seja, cargas que exijam melhor qualidade para a tenso de sada. Alm de todos os

    resultados supracitados, somou-se ainda a apresentao de um grfico sincronizado

    das curvas dos valores eficazes da tenso de entrada e dos valores mdios da tenso

    de sada, a qual findou a visualizao do comportamento desta ltima frente s

    variaes ocorridas na tenso de entrada.

    Finalmente, recomenda-se que os temas contemplados nesta dissertao

    possam auxiliar o desenvolvimento de pesquisas direcionadas para os estudos de

    estruturas trifsicas PFC com imunidade a afundamentos de tenso, ou para a

    elaborao de um sistema de superviso e controle implementados em um nico

    microcontrolador, objetivando a simplificao e consolidao de um conversor PFC

    imune a afundamentos e contendo um circuito eletrnico robusto e de baixo custo.

  • Referncias Bibliogrficas

    175

    REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

    1 Publicaes Consultadas

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    2 Artigos Publicados

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    SILVA, D.D.R., COELHO, E.A.A. Correo de Fator de Potncia e Aumento da Suportabilidade dos Circuitos Retificadores a Afundamentos Temporrios de Tenso. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE AUTOMTICA - CBA, 17., 2008, Juiz de Fora, MG. Anais... Juiz de Fora, MG: UFJF, 2008. [CD-ROM].

  • Apndices

    181

    APNDICE 01

    ALGORITMO DO SISTEMA DE SUPERVISO DA REDE ELTRICA

    DESENVOLVIDO EM LINGUAGEM C PARA O MICROCONTROLADOR

    LPC2138

  • Apndices

    182

    /* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * Sistema de Monitoramento da Tenso Instantnea da Rede ARM7 (LPC2138) * * * * * * UFU - UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLNDIA * * * * DANIEL DIVINO RODRIGUES DA SILVA * * ORIENTADOR: PROF. DR. ERNANE ANTNIO ALVES COELHO * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * VERSO : 1.0 * * DATA : 23/12/2007 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */ /* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * Descrio geral * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */ /* Este sistema realiza o monitoramento da tenso instantnea da rede atravs da aquisio de um sinal de amostragem via canal AD e comparao deste com uma referncia senoidal gerada internamente e sincronizada com o sinal monitorado. */ /* **=========================================================================== ** 1 GENERAL ** 1.1 Revisions ** ** Please read the IAR MakeApp for Philips LPC2138-48 readme file ** ** **=========================================================================== */ /* **=========================================================================== ** 1.2 References ** ** No Identification Name or Description ** == =================== ================================ ** 1 November 22, 2004 Philips LPC2131/2132/2138 ** User Manual, Preliminary Release ** **=========================================================================== */ /* **=========================================================================== ** 2. INCLUDE FILES ** 2.1 Standard include files **=========================================================================== */ /* **=========================================================================== ** 2.2 Application include files **=========================================================================== */

  • Apndices

    183

    #include "usercode.h" /* Usercode macros (see ) */ #include "ma_tgt.h" /* Target specific header file */ #include "ma_sfr.h" /* Special function register bitfield macros */ #include "iolpc2138.h" /* Defines Special function registers */ #include "stdio.h" #include "math.h" /* **--------------------------------------------------- ** IAR MakeApp peripheral modules header files ** Include the header files used by the application **--------------------------------------------------- */ #include "ma_scb.h" #include "ma_vic.h" #include "ma_pcb.h" #include "ma_gpio.h" #include "ma_uart0.h" #include "ma_uart1.h" #include "ma_i2c.h" #include "ma_spi.h" #include "ma_tmr.h" #include "ma_pwm0.h" #include "ma_adc.h" #include "ma_dac.h" #include "ma_rtc.h" #include "ma_wdt.h" #include "LCD_MCBOARD_ARM_01.h" //BIBLIOTECA PADRO PARA O MDULO LCD /* **=========================================================================== ** 3. DECLARATIONS ** 3.1 Internal constants **=========================================================================== */ /* **=========================================================================== ** 3.2 Internal macros **=========================================================================== */ /* **=========================================================================== ** 3.3 Internal type definitions **=========================================================================== */ /* **=========================================================================== ** 3.4 Global variables (declared as 'extern' in some header file) **=========================================================================== */ /* **=========================================================================== ** 3.5 Internal function prototypes (defined in Section 5) **===========================================================================

  • Apndices

    184

    */ void IRQ_interrupt(void); void Delay(void); unsigned short leia_adc(void); //FUNO QUE L UM CANAL ANALGICO /* **=========================================================================== ** 3.6 Internal variables **=========================================================================== */ char TranBuff[3]; int Resultado; int Referencia; int Res; int seno; int ponto= 0x00000000; int ciclo; int vez=0; int *p1; int *final; int valor[200]; /* **=========================================================================== ** 4. GLOBAL FUNCTIONS (declared as 'extern' in some header file) **=========================================================================== */ void main( void ) /* **--------------------------------------------------------------------------- ** ** Abstract: ** User application ** ** Parameters: ** None ** ** Returns: ** None ** **--------------------------------------------------------------------------- */ { /* **------------------------------------------------------------------ ** System init **------------------------------------------------------------------ */ MA_Init_SCB(); /* **----------------------------- ** Initialise used peripherals **----------------------------- */

  • Apndices

    185

    MA_Init_DAC(); MA_Init_PCB(); MA_Init_GPIO(); MA_Init_ADC(); MA_Reset_DAC(); /* **-------------------------------------------- ** Initialise used interrupt service routines **-------------------------------------------- */ /* MA_SetISRAddress_VIC((U8 *)&MA_IntHandler_UART1, 5); */ /* **--------------------------------- ** Your application code goes here **--------------------------------- */ inicializa_LCD(); //INICIALIZAO DO LCD comando_LCD(0x80); //POSICIONA CURSOR NA LINHA 0 COLUNA 0 escreve_frase_LCD("Daniel Divino"); // aluno comando_LCD(0xC0); //POSICIONA CURSOR NA LINHA 0 COLUNA 0 escreve_frase_LCD("Ernane Coelho"); // orientador seno=0; ciclo=0; Resultado=0; Res=0; valor[0]=0; valor[1]=21; valor[2]=41; valor[3]=62; valor[4]=82; valor[5]=102; valor[6]=123; valor[7]=143; valor[8]=164; valor[9]=184; valor[10]=204; valor[11]=224; valor[12]=244; valor[13]=264; valor[14]=284; valor[15]=303; valor[16]=323; valor[17]=342; valor[18]=361; valor[19]=380; valor[20]=399; valor[21]=418; valor[22]=437; valor[23]=455; valor[24]=473; valor[25]=491; valor[26]=509; valor[27]=526; valor[28]=544; valor[29]=561; valor[30]=578;

  • Apndices

    186

    valor[31]=594; valor[32]=611; valor[33]=627; valor[34]=643; valor[35]=658; valor[36]=674; valor[37]=689; valor[38]=703; valor[39]=718; valor[40]=732; valor[41]=746; valor[42]=759; valor[43]=773; valor[44]=785; valor[45]=798; valor[46]=810; valor[47]=822; valor[48]=834; valor[49]=845; valor[50]=856; valor[51]=866; valor[52]=876; valor[53]=886; valor[54]=895; valor[55]=904; valor[56]=913; valor[57]=921; valor[58]=929; valor[59]=936; valor[60]=943; valor[61]=950; valor[62]=956; valor[63]=962; valor[64]=967; valor[65]=972; valor[66]=977; valor[67]=981; valor[68]=985; valor[69]=988; valor[70]=991; valor[71]=994; valor[72]=996; valor[73]=997; valor[74]=999; valor[75]=1000; valor[76]=1000; valor[77]=1000; valor[78]=1000; valor[79]=999; valor[80]=997; valor[81]=996; valor[82]=994; valor[83]=991; valor[84]=988; valor[85]=985; valor[86]=981; valor[87]=977; valor[88]=972; valor[89]=967; valor[90]=962; valor[91]=956;

  • Apndices

    187

    valor[92]=950; valor[93]=943; valor[94]=936; valor[95]=929; valor[96]=921; valor[97]=913; valor[98]=904; valor[99]=895; valor[100]=886; valor[101]=876; valor[102]=866; valor[103]=856; valor[104]=845; valor[105]=834; valor[106]=822; valor[107]=810; valor[108]=798; valor[109]=785; valor[110]=773; valor[111]=759; valor[112]=746; valor[113]=732; valor[114]=718; valor[115]=703; valor[116]=689; valor[117]=674; valor[118]=658; valor[119]=643; valor[120]=627; valor[121]=611; valor[122]=594; valor[123]=578; valor[124]=561; valor[125]=544; valor[126]=526; valor[127]=509; valor[128]=491; valor[129]=473; valor[130]=455; valor[131]=437; valor[132]=418; valor[133]=399; valor[134]=380; valor[135]=361; valor[136]=342; valor[137]=323; valor[138]=303; valor[139]=284; valor[140]=264; valor[141]=244; valor[142]=224; valor[143]=204; valor[144]=184; valor[145]=164; valor[146]=143; valor[147]=123; valor[148]=102; valor[149]=82; valor[150]=62; valor[151]=41; valor[152]=21;

  • Apndices

    188

    valor[153]=0; VICVectAddr0 = (unsigned) IRQ_interrupt; MA_Init_VIC(); while( 1 ) { VICVectAddr0 = (unsigned) IRQ_interrupt; VICVectCntl0 = 0x0000002F; MA_SetValue_DAC(0); MA_WritePort_GPIO(0,0x00000000,0x00103000); Delay(); Delay(); MA_WritePort_GPIO(0,0x00001000,0x00103000); Delay(); Delay(); } } /* main */ void IRQ_interrupt(void) { loop1: p1=&valor[0]; final=&valor[153]; loop: ponto=~ponto; MA_WritePort_GPIO(0,ponto,0x00800000);//seta e reseta bit a cada aquisio Resultado = leia_adc(); //CHAMA FUNO DE LEITURA DO A/D Resultado = (300000 * Resultado)/1023; seno=*p1; Referencia = (141 * seno); Res = (1023 * Referencia)/330000; // CONVERTE REFERNCIA EM UM VALOR DE DE 0 A 1023 PARA O DA MA_SetValue_DAC(Res); if(Referencia < 2961) { goto loop2; } if(Resultado < Referencia) { MA_WritePort_GPIO(0,0x00102000,0x00103000);// aciona LD2,3 } else

  • Apndices

    189

    { MA_WritePort_GPIO(0,0x00001000,0x00103000);// aciona LD1 PFC } loop2: if (p1 != final) { p1++; goto loop; } else {

    EXTINT = 0X00000007; VICVectAddr0 = 0; } VICVectAddr0 = (unsigned) IRQ_interrupt; } /* **=========================================================================== ** 5. INTERNAL FUNCTIONS (declared in Section 3.5) **=========================================================================== */ unsigned short leia_adc(void) { unsigned int AdcResult; unsigned char ADChannel; unsigned short ADValue; signed char RetCode; //ADChannel = 0; ADChannel = 7; // INICIA CONVERSO MA_Start_ADC(MA_AD_CONVERTER_0, MA_AD_SOFTWARE_MODE, AD0CR_START_START_NOW, MA_AD_CHANNEL_7); // LER O RESULTADO DA CONVERSO RetCode = MA_EMPTY; while(RetCode == MA_EMPTY) RetCode = MA_Read_ADC(MA_AD_CONVERTER_0, &ADChannel, &ADValue); if(RetCode == MA_OK) AdcResult = ADValue; else AdcResult = 0; // PARAR CONVERSO RetCode = MA_Stop_ADC(MA_AD_CONVERTER_0); return(AdcResult); } void Delay(void) { unsigned int tmp; tmp = 95000; while(tmp--); } /* **=========================================================================== ** END OF FILE **=========================================================================== */

  • Apndices

    190

    APNDICE 02

    Artigo Publicado em Congresso

    XVII Congresso Brasileiro de Automtica CBA2008

    CORREO DE FATOR DE POTNCIA E AUMENTO DA

    SUPORTABILIDADE DOS CIRCUITOS RETIFICADORES A

    AFUNDAMENTOS TEMPORRIOS DE TENSO

  • Apndices

    191

  • Apndices

    192

  • Apndices

    193

  • Apndices

    194

  • Apndices

    195

  • Apndices

    196

  • Anexos

    197

    ANEXOS

    AN.1 Estrutura do Microcontrolador LPC2138

  • Anexos

    198

  • Anexos

    199

    AN.2 Data Sheet SEMIKRON High Power IGBT Driver SKHI10

  • Anexos

    200

  • Anexos

    201

  • Anexos

    202

  • Anexos

    203

  • Anexos

    204

  • Anexos

    205

  • Anexos

    206

  • Anexos

    207

    AN.3 Data Sheet SEMIKRON Ponte Retificadora SKD30

  • Anexos

    208

  • Anexos

    209

  • Anexos

    210

    AN.4 Data Sheet SEMIKRON Transistor IGBT SK30GAL

  • Anexos

    211

  • Anexos

    212

  • Anexos

    213

  • Anexos

    214

    AN.5 Catlogo MGSEL Indutor Boost - Ncleo de Ferrite 3mH