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GNE 211 – Eletrônica Industrial Profa Sílvia Costa Ferreira – Departamento de Engenharia Lista de Exercícios Chopper e Acionamentos CC Exercício 1 Sobre os conversores CC/CC Responda: (a) Porque é interessante utilizar frequências de chaveamento elevadas nos conversores CC-CC? Quais são os fatores limitantes dessa frequência? (b) De acordo com as características dos principais transistores de potência, qual seria o mais indicado para cada uma dessas aplicações? Fonte chaveada de um computador pessoal. Máquina de lavar roupa industrial (considere um motor CC). Veículo elétrico (baixa potência, baterias de 48 V). Metrô (com motor CC). Exercício 2 Os painéis fotovoltaicos apresentam uma curva de PotênciaXTensão para cada nível de irradiância solar conforme figura abaixo. Para o melhor aproveitamento da geração fotovoltaica é desejável que o painel opere sempre no ponto de máxima potência, para qualquer condição climática. O conversor CC-CC tipo buck mostrado abaixo está instalado na saída do painel fotovoltaico e deve ser controlado de modo a entregar para a carga R = 5 Ω, sempre a máxima potência disponível. Painel solar + - R L C Ch + - Vo IoIs D1 Vin Para este sistema pede-se: (a) Sabendo que para uma irradiância de 1kW/m² a potência máxima do painel é de 315,1 W com uma tensão de 54,7 V, calcule o Duty Cycle da chave Ch para que o conversor transfira a máxima potência do painel para a carga. Apresente também o valor da tensão, corrente e potência na saída do conversor confirmando que toda a potência foi entregue à carga. OBS: Fazer as contas com duas casas decimais de precisão. Considere que os valores de L e C do conversor estão corretamente especificados para garantir um ripple desprezível. (b) Supondo que a irradiância mude para 0,5 kW/m², qual deverá ser o novo ponto de operação do sistema (duty cycle, tensão e corrente na entrada e na saída do conversor)? Exercício 3 Um chopper abaixador (buck) é utilizado para carregar um bateria de chumbo ácido. Sabe-se que o ciclo de carga desta bateria deve seguir a seguinte curva: Inicialmente, a bateria é carregada com corrente constante. Para tanto, a medida que a carga da bateria vai aumentando, é preciso aumentar a tensão aplicada em seus terminais, para manter a corrente constante. Em seguida, a bateria passa por uma fase onde a tensão aplicada aos seus terminais fica constante, e a corrente de carga reduz gradativamente. Sabendo-se que a tensão inicial de carga é igual a 5V e que a tensão da fonte CC de alimentação é de 15V. Responda: (a) Desenhe a curva do duty cycle do conversor para esta aplicação. (b) Explique como esta carga pode ser controlada em malha fechada. Desenhe um diagrama em blocos com um controlador PI. Exercício 4 Um chopper abaixador é utilizado para acionar uma carga RL e controlar a potência entregue a carga. Sabe-se que a Resistência da carga é igual 8[Ω] e a indutância é igual 8[mH]. A tensão de entrada do conversor é de 480[Vdc]. Para este circuito, pede-se: (a) A constante de tempo do circuito (τ = L/R) GNE 211 – Eletrônica Industrial Profa Sílvia Costa Ferreira – Departamento de Engenharia (b) Tempo de acomodação (regime permanente) (≈5 τ) (c) Desenhe as formas de onda de tensão e corrente para o chopper operando com duty cycle 50% e frequência de operação de 1kHZ. (d) Quais as possíveis modificações podem ser feitas nesse circuito para melhorar a filtragem da corrente? Exercício 5 Considere o chopper elevador (boost) da Figura abaixo: (a) Desenhe os circuitos equivalentes para quando a chave está ligada e desligada. (b) Explique o seu princípio de funcionamento através da lei de Faraday das tensões induzidas. (c) Desenhe as formas de onda da corrente na fonte, corrente no diodo, corrente na chave e tensão na carga para o circuito operando com duty cycle de 30%. (d) Para este duty cycle, em quantos porcento a tensão de saída é elevada? (e) Explique porque a frequência de operação deste conversor não pode ser muito baixa. Exercício 6 Um motor CC com excitação independente é alimentado por um conversor CC-CC, a partir de uma fonte CC de 600[V]. A resistência da armadura Ra = 0,05[Ω]. A constante do motor Kv= 1,527[V/A rad/s], a corrente média da armadura Ia = 250[A] e a corrente de campo é If=2,5[A]. Se o ciclo de trabalho do conversor CC-CC é de 60% determine: (a) A Potência de entrada a partir da fonte. (b) A velocidade do motor (c) torque desenvolvido Exercício 7 Um conversor CC-CC controla a velocidade de um motor com excitação independente. A resistência da armadura Ra = 0,04[Ω], a constante Kt =Kv = 1,527 V/A rad/s e a corrente nominal do campo é If = 2,5[A]. A tensão CC de entrada é de 600[V]. Para o caso em que é necessário manter o torque constante de Td = 547[Nm], faça o gráfico da velocidade do motor em função do ciclo de trabalho do conversor. (a) Qual a tensão mínima necessária para vencer a inercia do conjunto e colocá-lo em movimento? (b) Qual a velocidade máxima que pode ser desenvolvida para este torque e esta tensão de alimentação? Exercício 8 Sobre o circuito do chopper para acionamento de motores, um dos circuitos mais comuns é conhecido como chopper de quatro quadrantes. Sobre esse circuito responda: (a) Desenhe a topologia do conversor. (b) Desenhe o circuito equivalente para operação no primeiro quadrante, para as chaves 1 e 4 ligada e desligada. (c) Desenhe o circuito equivalente para operação no quarto quadrante, para as chaves 2 e 3 ligadas e desligadas. (d) Explique porque o sentido de giro do motor muda do item (b) para o item (c). Exercício 9 Sobre o chopper de dois quadrantes: (a) Desenhe a topologia do conversor. (b) Explique o funcionamento do conversor para um acionamento de 1º quadrante. (Circuito Equivalentes e princípio de funcionamento) (c) Explique o funcionamento do conversor para um acionamento de 2º quadrante. (Circuito Equivalentes e princípio de funcionamento) Exercício 10 Um motor CC com excitação independente é alimentado por um conversor CC-CC, a partir de uma fonte CC de 900[V]. A tensão da armadura é de Va = 700V, a resistência da armadura Ra = 0,05[Ω]. A constante do motor Kt =Kv= 1,2[V/A rad/s]. A corrente média da armadura Ia = 150[A] e a corrente de campo é If=2[A] e Vf=600V. A velocidade do motor deve variar de zero até 120% da velocidade nominal, o motor deve operar nos dois sentidos de giro e a fonte de alimentação não é capaz de absorver energia devolvida pela carga. (a) Escolha os conversores do campo e da armadura; (Desenhe o circuito) (b) Defina como deve ser feito o controle das chaves do conversor da armadura para operação com sentido de giro direto e reverso. (c) Calcule o torque desenvolvido pela máquina. (d) Desenhe o gráfico do duty cycle do conversor da armadura x velocidade deste motor para operação de zero á 120% da velocidade nominal sentido de giro direto. (e) Desenhe o gráfico do duty cycle do conversor da campo x velocidade deste motor para operação de zero á 120% da velocidade nominal sentido de giro direto.
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