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Prof. Ricardo Ribeiro 1 Sumário Modelo dinâmico do conversor buck. Modelo dinâmico do conversor boost. Modelo dinâmico do conversor buck-boost. Controle on-off – conversor CC/CC. Controle por histerese – conversor CC/CC. Controle PI – conversor CC/CC. Controle PID – conversor CC/CC. Controle em Cascata – conversor CC/CC. 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 1 Prof. Ricardo Ribeiro 2 Conversor Buck – Modelo dinâmico O diagrama elétrico do conversor buck simplificado é apresentado como, 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Duas variáveis de estado são facilmente identificáveis: Corrente no indutor e Tensão no capacitor. O objetivo principal é manter a tensão do capacitor (tensão de saída) constante, para uma tensão de entrada que pode variar em um certo intervalo. Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 2 Prof. Ricardo Ribeiro 3 Conversor Buck – Modelo dinâmico Modelando a saída do conversor em função da corrente iL, 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC A corrente da indutância pode ser expressa como: ou seja, Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 3 Prof. Ricardo Ribeiro 4 Conversor Buck – Modelo dinâmico Aplicando-se a transformada de Laplace, 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC A modelagem da corrente no indutor em função de vL: O que pode ser reescrito como, Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 4 Prof. Ricardo Ribeiro 5 Conversor Buck – Modelo dinâmico 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Admitindo-se que a tensão vL pode ser dada por: Em que: Analisando-se a expressão acima, em termos dos valores médios; ou seja, Onde rL é a resistência intrínseca do indutor L. Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 5 Prof. Ricardo Ribeiro 6 Conversor Buck – Modelo dinâmico 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Aplicando-se a transformada de Laplace, O que pode ser reescrito como, Ou ainda, Fazendo a conexão com a equação da tensão do capacitor, Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 6 Prof. Ricardo Ribeiro 7 Conversor Buck – Modelo dinâmico 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC A tensão Vo pode então ser calculada a partir de, Explicitando-se Vo, ou seja, O que resulta em: Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 7 Prof. Ricardo Ribeiro 8 Conversor Boost – Modelo dinâmico 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC O diagrama elétrico do conversor boost simplificado é Modelando a saída do conversor em função da corrente id, Aplicando-se a transformada de Laplace, Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 8 Prof. Ricardo Ribeiro 9 Conversor Boost – Modelo dinâmico 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC A tensão va está agora sobre a chave q e pode ser expressa como: A modelagem da corrente no indutor em função de vL: Analogamente ao conversor buck, vL pode ser dado por: Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 9 Prof. Ricardo Ribeiro 10 Conversor Boost – Modelo dinâmico 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC A corrente do indutor pode ser obtida a partir de: Aplicando-se Laplace, O valor médio da tensão va pode ser dada por: Portanto, Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 10 Prof. Ricardo Ribeiro 11 Conversor Boost – Modelo dinâmico 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC A relação entre a corrente iL e id é dada por: Assim, Substituindo-se na definição de Vo(s), Reescrevendo a equação acima em termos de Vo(s), Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 11 Prof. Ricardo Ribeiro 12 Conversor Boost – Modelo dinâmico 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Reagrupando os termos dependentes de Vo(s), ou seja, Portanto, a função de transferência do conversor boost é Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 12 Prof. Ricardo Ribeiro 13 Conversor Buck-Boost – Modelo dinâmico 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC O diagrama elétrico do conversor buck-boost simplificado é Modelando a saída do conversor em função da corrente id, A tensão va está agora sobre o diodo d. A tensão na indutância é: Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 13 Prof. Ricardo Ribeiro 14 Conversor Buck-Boost – Modelo dinâmico 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC A modelagem da corrente no indutor em função de vL: A corrente do indutor pode ser obtida a partir de: De forma análoga ao conversor boost a corrente no diodo é: Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 14 Prof. Ricardo Ribeiro 15 Conversor Buck-Boost – Modelo dinâmico 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Assim, a corrente no diodo é então dada por: Substituindo-se na definição de Vo(s), Reescrevendo a equação acima em termos de Vo(s), Reagrupando os termos dependentes de Vo(s), Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 15 Prof. Ricardo Ribeiro 16 Conversor Buck-Boost – Modelo dinâmico 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC A função de transferência do modelo do conversor é então: É importante observar que a única imperfeição introduzida no modelo foi a resistência rL do indutor. É possível introduzir a resistência ESR do capacitor, bem como, a impedância da fonte. A modelagem foi obtida linearizando-se o pólo chaveado pelos seus valores médios. É possível obter-se um modelo mais preciso através da adoção da técnica de pequenos sinais. Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 16 Prof. Ricardo Ribeiro 17 Controle on-off – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Considere o conversor buck apresentado na figura abaixo: Admita-se que o erro de tensão pode ser dado por: Analisando o comportamento dinâmico do circuito acima infere-se que: Se q = 1, a corrente na indutância aumenta e conseqüentemente a tensão na carga também aumenta. Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 17 Prof. Ricardo Ribeiro 18 Controle on-off – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Considere o conversor buck apresentado na figura abaixo: Se q = 0, a corrente na indutância diminui e conseqüentemente a tensão na carga também diminui. É possível definir a seguinte lei de controle: Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 18 Prof. Ricardo Ribeiro 19 Controle on-off – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Análise da Lei de Controle on-off: O controlador on-off não leva em consideração o modelo do conversor. A sua atuação é implementada em função do comportamento do circuito, em função do estado da chave. A definição do estado da chave é obtida a partir da comparação do erro de tensão com zero. O efeito prático desta comparação, faz com que a freqüência de chaveamento tenda ao infinito. Esse incremento em Fs pode levar o pólo chaveado a destruição. É possível limitar a máxima freqüência de operação introduzindo na lógica de comparação, uma banda de histerese. No exemplo do controlador foi utilizado o conversor buck, mas a técnica pode ser implementada em qualquer conversor. Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 19 Prof. Ricardo Ribeiro 20 Controle por histerese – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Considere o conversor buck apresentado na figura abaixo: Dado o erro de tensão definido como: É possível definir a seguinte lei de controle: Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 20 Prof. Ricardo Ribeiro 21 Controle por histerese – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Considere o conversor buck apresentado na figura abaixo: A inserção da variável hys introduz uma zona morta em que não há transição do estado da chave do conversor. O efeito prático desta zona é a limitação da máxima freqüência de comutação do conversor. Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 21 Prof. Ricardo Ribeiro 22 Controle por histerese – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Comportamento do controle de hysterese: No gráfico acima, observa-se que o valor médio da tensão de saída corresponde ao valorde referência: A máxima freqüência é função de hys e é determinada pela completa comutação da chave q. Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 22 Prof. Ricardo Ribeiro 23 Controle por histerese – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Dimensionamento de hys para o controle de hysterese: É possível determinar o valor de hys em função de Fs desejado. Considere os valor de Vo para os conversores buck, boost e buck-boost: Para o conversor buck, Vo é dado por: É possível reescrever a expressão acima como: A relação entre Vo e Fs pode ser dada por: Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 23 Prof. Ricardo Ribeiro 24 Controle por histerese – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Dimensionamento de hys para o controle de hysterese: Para os conversores boost e buck-boost, Vo é dado por: Em função de Fs, a expressão acima como: Consequentemente, hys depende dos parâmetros do conversor e da condição de operação determinada pelo D. Assim, a máxima freqüência é limitada pelo valor hys relativo ao pior caso de operação do conversor. Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 24 Prof. Ricardo Ribeiro 25 Controle PI – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Considere o conversor buck da figura abaixo: Os controladores on-off e por histerese são reguladores não lineares. A saída destes controladores já geram o sinal de comando da chave do conversor. Os controladores lineares geram sinais de controle lineares e portanto requerem um tradutor (PWM) para produzir o sinal de comando para q. Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 25 Prof. Ricardo Ribeiro 26 Controle PI – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Considere o conversor buck da figura abaixo: O modelo dinâmico do conversor buck pode ser dado por: Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 26 Prof. Ricardo Ribeiro 27 Controle PI – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Dimensionamento do controlador PI: Em função de transferência anterior pode ser reescrita como: A FT acima é de segunda ordem e possui dois pólos determinado pelos componentes L e C do conversor. A FT acima pode ser reescrita como sendo: Pela própria natureza do conversor, espera-se que uma das raízes esteja próximo ao eixo Im e a outra bem mais afastada da primeira. Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 27 Prof. Ricardo Ribeiro 28 Controle PI – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Dimensionamento do controlador PI: Os pólos da FT anterior são dados por: A FT de um controlador PI pode ser dada por: A FT de malha aberta do conversor + PI é dada então por: onde: Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 28 Prof. Ricardo Ribeiro 29 Controle PI – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Dimensionamento do controlador PI: A escolha do valor de z e de Kpi para controlador será feita da seguinte forma: Com base nas considerações acima, tem-se que: O valor de z será escolhido para cancelar o pólo mais próximo do eixo Im. O valor de Kpi será determinado para obtenção de pólos reais e iguais em malha fechada. Em malha fechada a FT acima pode é dada por: Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 29 Prof. Ricardo Ribeiro 30 Controle PI – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Dimensionamento do controlador PI: A obtenção de pólos reais e iguais leva a seguinte identidade: Em relação ao tempo do integrador Ti, pode-se escrever que: Algumas observações são importantes sobre este critério de projeto: Não é o critério mais adequado para um sistema de 2ª ordem. É possível obter ajustes mas adequados com um regulador PI, todavia ainda resta um pólo que não foi compensado. Um incremento significativo pode ser obtido aumentando a ordem do controlador ou utilizando-se e um esquema de controle em cascata. Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 30 Prof. Ricardo Ribeiro 31 Controle PID – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Considere o conversor buck da figura abaixo: Da sessão anterior sabe-se que a FT do conversor buck é A FT do controlador PID é: Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 31 Prof. Ricardo Ribeiro 32 Controle PID – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Dimensionamento do controlador PID: O controlador PID possui dois zeros determinados em função de Ti e Td, que são dados por: A FT do controlador PID é: A FT do PID dada acima utiliza uma derivada simples. Na prática, associa-se esta derivada em cascata com um filtro de 1ª ordem. Assim, a FT do PID pode ser reescrita como: Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 32 Prof. Ricardo Ribeiro 33 Controle PID – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Dimensionamento do controlador PID: Desta forma a FT de malha aberta do PID + conversor buck é dada por: Utilizando o critério de cancelamento de pólos e zeros, pode-se fazer: Fechando a malha do conversor + PID, obtém-se: A FT de malha fechada acima é de primeira ordem e o valor Kpid pode ser determinado em função da especificação do tempo de regime permanente. Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 33 Prof. Ricardo Ribeiro 34 Controle em Cascata – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Considere o conversor buck da figura abaixo: A tensão de saída e a corrente do indutor podem ser individualmente controladas por uma associação em cascata de PIs. Considere a seguinte FT que representa a dinâmica da tensão Vo, Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 34 Prof. Ricardo Ribeiro 35 Controle em Cascata – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Dimensionamento do PI de tensão: Considere a seguinte FT que representa a dinâmica da tensão Vo, Admitindo-se que a FT do controlador PI é dada por: Utilizando-se o critério de cancelado de pólos-zeros, Assim, a FT de malha aberta PI + conversor é dada por Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 35 Prof. Ricardo Ribeiro 36 Controle em Cascata – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Dimensionamento do PI de tensão: Conseqüentemente, a FT de malha fechada do PI + conversor é Considere a seguinte FT para dinâmica da corrente na indutância L, A FT de malha fechada acima é de primeira ordem e o valor Kpi é determinado em função da especificação do tempo de regime permanente. Dimensionamento do PI de corrente: Fazendo: Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 36 Prof. Ricardo Ribeiro 37 Controle em Cascata – Conversor CC/CC 4A. Modelagem Dinâmica dos Conversores CC/CC Para este critério de projeto a FT de malha aberta é, Dimensionamento do PI de corrente: E a FT de malha fechada é dada por: Como na malha de tensão, o valor Kpi é determinado em função da especificação do tempo de regime permanente. É importante observar que nas estruturas com PI ou PID são utilizados limitadores do sinal de controle pra garantir as limitações físicas dos componentes do conversor. Eletrônica de Potência Fevereiro/2010 37 ) ( ) ( ) ( t i t i t i R C L + = R v dt dv C R v dt dv C i o o C C L + = + = ) ( ) 1 ( ) ( ) ( ) ( s V R sC R s V s sCV s I o o o L + = + = ) ( ) 1 ( ) ( ) ( ) 1 ( ) ( s I sRC R s V s V R sRC s I L o o L + = Þ + = ) ( ) ( ) ( t v t v t v o a L - = î í ì - = = = ) ) 1 (( 0 0 ) ( 1 ) ( s s in a T D q se DT q se V t v ) ( ) ( ) ( t v DV t v DV T DT V t v o in L in s s in a - = Þ = = dt di L i r t v DV L L L o in + = - ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( s sLI s I r s V s DV L L L o in + = - ) ( ) ( ) ( ) ( s I sL r s V s DV L L o in + = - )) ( ) ( ( ) 1 ( / 1 ) ( s V s DV r L s r s I o in L L L - + = )) ( ) ( ( ) / 1 ( / 1 ) 1 ( ) ( s V s DV r sL r sRC R s V o in L L o - + + = ) ( ) / 1 )( 1 ( / ) ( ) / 1 )( 1 ( / ) ( s V r sL sRC r R s V r sL sRC r DR s V o L L in L L o + + - + + = ) ( ) / 1 )( 1 ( / ) ) / 1 )( 1 ( / ) / 1 )( 1 ( )( ( s V r sL sRC r DR r sL sRC r R r sL sRC s V in L L LL L o + + = + + + + + ) ( / ) / 1 )( 1 ( / ) ( s V r R r sL sRC r DR s V in L L L o + + + = ) ( ) ( ) ( ) ( 2 L L in o r R L Rr s LRC s DR s V s V + + + + = R v dt dv C i o o d + = ) ( 1 ) ( s I sRC R s V d o + = î í ì - = = = ) ) 1 (( 0 ) ( 1 0 ) ( s o s a T D q se V DT q se t v ) ( ) ( t v V t v a in L - = dt di L i r t v V L L L a in + = - ) ( )) ( ) ( ( / 1 / 1 ) ( ) ( ) ( s V s V r sL r sL r s V s V s I a in L L L a in L - + = + - = o in L o s s o a v D V t v v D T T D v t v ) 1 ( ) ( ) 1 ( ) 1 ( ) ( - - = Þ - = - = )) ( ) 1 ( ) ( ( / 1 / 1 ) ( ) ( ) ( s V D s V r sL r sL r s V s V s I o in L L L a in L - - + = + - = L d i D i ) 1 ( - = )) ( ) 1 ( ) ( ( / 1 / 1 ) 1 ( ) ( s V D s V r sL r D s I o in L L d - - + - = )) ( ) 1 ( ) ( ( ) / 1 ( / 1 ) 1 ( ) 1 ( ) ( s V D s V r sL r D sRC R s V o in L L o - - + - + = ) ( ) / 1 )( 1 ( / ) 1 ( ) ( ) / 1 )( 1 ( / ) 1 ( ) ( 2 s V r sL sRC r R D s V r sL sRC r R D s V o L L in L L o + + - - + + - = ) ( ) / 1 )( 1 ( / ) 1 ( ) ) / 1 )( 1 ( / ) 1 ( ) / 1 )( 1 ( )( ( 2 s V r sL sRC r R D r sL sRC r R D r sL sRC s V in L L L L L o + + - = + + - + + + ) ( / ) 1 ( ) / 1 )( 1 ( / ) 1 ( ) ( 2 s V r R D r sL sRC r R D s V in L L L o - + + + - = ) ) 1 (( ) ( ) 1 ( ) ( ) ( 2 2 L L in o r R D L Rr s LRC s R D s V s V + - + + + - = ) ( ) 1 ( ) ( ) ( s V D s DV s V o in L - - = )) ( ) 1 ( ) ( ( / 1 / 1 ) ( s V D s DV r sL r s I o in L L L - - + = ) ( ) 1 ( ) ( s I D s I L d - = )) ( ) 1 ( ) ( ( / 1 / 1 ) 1 ( ) ( s V D s DV r sL r D s I o in L L L - - + - = )) ( ) 1 ( ) ( ( ) / 1 ( / 1 ) 1 ( ) 1 ( ) ( s V D s DV r sL r D sRC R s V o in L L o - - + - + = ) ( ) / 1 )( 1 ( / ) 1 ( ) ( ) / 1 )( 1 ( / ) 1 ( ) ( 2 s V r sL sRC r R D s V r sL sRC r R D D s V o L L in L L o + + - - + + - = ) ( ) / 1 )( 1 ( / ) 1 ( ) ) / 1 )( 1 ( / ) 1 ( ) / 1 )( 1 ( )( ( 2 s V r sL sRC r R D D r sL sRC r R D r sL sRC s V in L L L L L o + + - = + + - + + + ) ) 1 (( ) ( ) 1 ( ) ( ) ( 2 2 L L in o r R D L Rr s LRC s R D D s V s V + - + + + - = o o v v - = * e î í ì = Þ < = Þ > 0 0 1 0 q q e e î í ì = Þ - < = Þ > 0 1 q hys q hys e e ( ) s o s o T D L V T C V - = D 1 8 1 ( ) D CLF V V s o o - = D 1 8 2 2 2 o o V hys V hys D = Þ D = s o o RCF D V V = D RC DT V V s o o = D s o boost buck boost RCF D V hys 2 / = - LRC r R LRC L Rr s s LC D s V s V L L in o ) ( ) ( ) ( ) ( 2 + + + + = ) )( ( ) ( ) ( 2 1 t t + + = s s K s V s V buck in o RLC LC Rr LC R L L Rr Rr L Rr l l l l 2 4 4 2 ) ( 2 2 2 2 , 1 - - + + ± - - = t ÷ ø ö ç è æ + = s z s K s R pi pi ) ( ) )( ( ) ( ) ( 2 1 t t + + + = s s s z s K K s G buck pi o i T z 1 = ) ( ) ( 2 1 t t + = Þ = s s K K s G z buck pi o buck pi buck pi f K K s s K K s G + + = 2 2 ) ( t 1 1 1 1 1 t t t = Þ = Þ = i i T T z buck pi buck pi K K K K 4 0 4 2 2 2 2 t t = Þ = - ÷ ÷ ø ö ç ç è æ + + = s T s s T K s R i d pid pid / 1 ) ( 2 d d i T T T z 2 4 1 1 2 , 1 + ± - = ÷ ø ö ç è æ + + = s z s z s K s R pid pid ) )( ( ) ( 2 1 î í ì = = 2 2 1 1 t t z z s K K s G buck pid o = ) ( buck pid buck pid f K K s K K s G + = ) ( RC s C s I s V L o / 1 / 1 ) ( ) ( + = RC T RC T z i i = Þ = = 1 1 s C K s G pi o / ) ( = C K s C K s G pi pi f / / ) ( + = L r s L s V s I L L L + = / 1 ) ( ) ( l i l i r L T L r T z = Þ = = 1 s L K s G pi o / ) ( = L K s L K s G pi pi f / / ) ( + =
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