Projeto Eletrônica de Potência II

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE REGIONAL INTEGRADA DO ALTO URUGUAI E DAS MISSÕES 
PRÓ-REITORIA DE ENSINO 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO 
CÂMPUS DE FREDERICO WESTPHALEN 
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROJETO CARREGADOR PARA NOTEBOOK 
 
 
 
 
ANDERSON QUEIROZ DA SILVA 
JACKSON BASSO 
MAURÍCIO BASSO 
RICARDO FRÉU 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Frederico Westphalen, Junho de 2017.
 
ANDERSON QUEIROZ DA SILVA 
JACKSON BASSO 
MAURÍCIO BASSO 
RICARDO FRÉU 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROJETO CARREGADOR PARA NOTEBOOK 
 
 
 
Trabalho de Eletrônica de Potência II, apresentado 
como requisito parcial pra obtenção do Título de 
Bacharel em Engenharia Elétrica na Universidade 
Regional Integrada do alto Uruguai e das Missões, 
Câmpus de Frederico Westphalen, pelo 
Departamento de Engenharias e Ciência da 
computação. 
Orientador: Prof. Fabricio Hoff Dupont, Dr. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Frederico Westphalen, Junho de 2017. 
 
IDENTIFICAÇÃO 
 
 
 
Instituição de Ensino/Unidade 
Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões 
Câmpus de Frederico Westphalen 
 
Direção do Câmpus 
Diretora-Geral: Profª. Silvia Regina Canan 
Diretora-Acadêmica: Prof.ª Elisabete Cerutti 
Diretor-Administrativo: Prof. Clóvis Quadros Hempel 
 
Departamento/Curso 
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação – Prof. Mauro Marchetti 
Curso de Engenharia Elétrica – Coordenador: Prof. Luiz Cantarelli 
 
Disciplina 
Eletrônica de Potência II 
 
Aluno 
Anderson Queiroz da Silva 
Jackson Basso 
Maurício Basso 
Ricardo Fréu 
 
Orientador 
Prof.: Fabricio Hoff Dupont 
 
 
RESUMO 
Este trabalho aborda o princípio de funcionamento e as aplicações para um Retificador Onda 
Completa com Filtro Capacitivo e um Conversor MCC Buck, quando ambos operam de maneira 
individual e quando estão operando em conjunto. Serão apresentados também conceitos e simulações 
de ambos os estágios, Retificador e Conversor, operando individualmente e em conjunto. 
 
 
ABSTRACT 
This work addresses the operating principle and applications for a Complete Wave Rectifier with 
Capacitive Filter and an MCC Buck Converter when both operate individually and when operating 
together. There will also be concepts and simulations of both stages, Rectifier and Converter, 
operating individually and together. 
 
 
LISTA DE ILUSTRAÇÕES 
Figura 1: (a)Retificador de onda completa com filtro capacitivo; (b)Tensão na fonte e na saída. .......... 9 
Figura 2: (a) Conversor buck CC-CC; (b) circuito equivalente para a chave fechada; (c) circuito 
equivalente para a chave aberta. ............................................................................................................ 11 
Figura 3: Forma de onda no conversor buck; (a) tensão no indutor; (b) corrente no indutor; (c) corrente 
no capacitor. .......................................................................................................................................... 12 
Figura 4: Formas de onda no conversor buck. (a) Corrente no capacitor; (b) tensão de ondulação no 
capacitor. ............................................................................................................................................... 14 
Figura 5: Simulação do retificador com filtro capacitivo. ..................................................................... 15 
Figura 6: Forma de onda na saída do retificador. .................................................................................. 16 
Figura 7: Conversor Buck simulado com os valores calculados. .......................................................... 17 
Figura 8: Comportamento do conversor com os valores calculados. .................................................... 17 
Figura 9: Corrente de saída do conversor. ............................................................................................. 18 
Figura 10: Tensão de saída aproximada do conversor. ......................................................................... 18 
Figura 11: Ondulação de tensão na saída do Buck. ............................................................................... 19 
Figura 12: Circuito interconectado com os valores calculados. ............................................................ 19 
Figura 13: Tensão de saída do circuito interconectado. ........................................................................ 20 
Figura 14:Corrente de saída do circuito interconectado. ....................................................................... 20 
Figura 15: Circuito do projeto com as capacitâncias ajustadas. ............................................................ 21 
Figura 16: Valor da tensão na carga com as capacitâncias ajustadas. ................................................... 21 
Figura 17: Forma de onda da corrente na carga. ................................................................................... 22 
 
 
 
SUMÁRIO 
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 7 
2 METODOLOGIA .............................................................................................................................. 8 
3 RETIFICADOR ONDA COMPLETA COM FILTRO CAPACITIVO ....................................... 9 
4 CONVERSOR BUCK-MCC ........................................................................................................... 11 
4.1 Estados topológicos ................................................................................................................... 12 
4.1.1 Análise coma chave fechada. ............................................................................................. 12 
4.1.2 Análise coma chave aberta. ................................................................................................ 12 
5 SIMULAÇÕES E RESULTADOS ................................................................................................. 15 
5.1 Estágios Separados .................................................................................................................... 15 
5.2 Estágios interconectados ........................................................................................................... 19 
6 CONCLUSÃO .................................................................................................................................. 23 
REFERÊNCIAS .................................................................................................................................. 24 
 
 
7 
1 INTRODUÇÃO 
O projeto a seguir, refere-se a um Carregador para Notebook. O projeto apresentara os 
conceitos e informações necessários para compreender o funcionamento dos estágios para esse 
carregador. Num primeiro estágio, a tensão de entrada - 220Vrms ou 311V de tensão de pico passará 
por um retificador CA - CC com filtro capacitivo. Esse Retificador é o primeiro estágio do projeto que 
tem como características um tempo de descarga menor que o retificador de meia onda, isso graças a 
senoide retificada na segunda metade de cada período. O capacitor não deixa a carga descarregar no 
resistor, ele serve como uma fonte e vai descarregando no intervalo correspondente ao seu período 
atuando como uma pequena fonte auxiliar que não deixa a carga cair até o final, assim a tensão de 
ondulação na saída de retificador passa a ser aproximadamente metadeda tensão de ondulação de um 
retificador meia onda. 
Depois do primeiro estágio, um Conversor buck CC - CC converterá 311 V para 19 V na 
saída do carregador. Esse é o segundo estágio do projeto, um Conversor MCC Buck, que tem como 
características do seu funcionamento operar no estado estável, corrente no indutor sempre no modo 
contínuo, apresenta um valor para capacitor bem alto para que a tensão na saída seja mantida 
constante, período de chaveamento T e componentes são ideais. 
Após os dois estágios serem apresentados individualmente, será apresentado o 
funcionamento em conjunto desses dois componentes Retificador e Conversor. 
 
8 
2 METODOLOGIA 
O trabalho a seguir, consiste na elaboração de um projeto para carregador de Notebook. O 
projeto será composto de dois estágios. O primeiro estágio, contará com um Retificador Onda 
Completa com Filtro Capacitivo e o segundo estágio contará com um Conversor MCC Buck. No 
trabalho será apresentado o funcionamento individual de cada estágio com suas respectivas simulações 
e formas de onda realizadas no LTSpice e posteriormente o funcionamento de ambos os estágios 
aperando em conjunto, também com suas simulações e formas de onda. 
No primeiro estágio, a tensão de entrada - 220Vrms ou 311V de tensão de pico passará por 
um retificador CA - CC com filtro capacitivo No segundo estágio, um Conversor buck CC - CC 
converterá 311 V para aproximadamente 19 V na saída do carregador. 
 
9 
3 RETIFICADOR ONDA COMPLETA COM FILTRO CAPACITIVO 
Colocar um capacitor de alto valor em paralelo com uma carga resistiva pode produzir uma 
tensão na saída que é essencialmente CC conforme a figura 1. 
Figura 1: (a)Retificador de onda completa com filtro capacitivo; (b)Tensão na fonte e na saída. 
 
Fonte: HART, D.W Eletrônica de potência. 2012. 
No circuito de onda completa, o tempo que o capacitor descarrega é menor do que no 
circuito de meia onda por causa da senoide retificada na segunda metade de cada período. 
A tensão de ondulação na saída do retificador de onda completa é aproximadamente a 
metade da tensão de ondulação do retificador de meia onda. A tensão de pico na saída será menor no 
circuito de onda completa porque existe duas quedas de tensão nos diodos em vez de uma. 
A análise é feita exatamente como no caso do retificador de meia onda. A tensão na saída é 
uma função seno positiva, quando o par de diodos está conduzindo e é, por outro lado, uma 
exponencial descendente. Supondo os diodos como ideais, temos as equações: 
 (2-1) 
 
 (2-2) 
Sendo a equação (1-1) aplicada para um par de diodos em condução e a equação (1-2) para 
os diodos em corte. A constante Ɵ é o ângulo quando os diodos tornam-se polarizados reversamente. 
Seu valor é dado pela equação (1-3). 
 (2-3) 
10 
A tensão mínima é obtida pela avaliação de Vo no instante em que o segundo par de diodos 
entra em condução, 
 (2-4) 
 (2-5) 
que pode ser resolvida numericamente para encontrar α. 
A variação de tensão de pico a pico, ou ondulação, é a diferença entre as tensões máxima e 
mínima. 
 | | (2-6) 
ou 
 (2-7) 
Em circuitos práticos em que ωRC>>π: 
 (2-8) 
 (2-9) 
A tensão mínima na saída é aproximada por 
 
 (2-10) 
de forma que a ondulação na tensão de saída é 
 
 (2-11) 
sendo que exponencial acima pode ser expandida na série 
 
 
 
 (2-12) 
e a ondulação resulta em 
 
 
 
 (2-13) 
 
11 
4 CONVERSOR BUCK-MCC 
A análise do conversor Buck no modo de condução contínua da Figura. 2a começa a partir 
de determinadas posições, que se dão a seguir: 
 O funcionamento do circuito é no estado estável; 
 A corrente no indutor é no modo contínuo (sempre positiva); 
 O valor do capacitor é bem alto e a tensão na saída é mantida constante em Vo ; 
 O período de chaveamento é T e a chave é fechada pelo tempo DT e aberta pelo 
tempo (1-D) ou D’T; 
 Os componentes são ideais. 
Uma sugestão de análise para determinação da tensão Vo é examinar a corrente e a tensão no 
indutor primeiramente com a chave fechada e depois com a chave aberta. A mudança final resultante 
na corrente do indutor sobre um período deve ser zero para o funcionamento no estado estável. A 
tensão média no indutor á zero. 
Figura 2: (a) Conversor buck CC-CC; (b) circuito equivalente para a chave fechada; (c) circuito equivalente para 
a chave aberta. 
 
Fonte: HART, D.W Eletrônica de potência. 2012. 
 
 
12 
4.1 Estados topológicos 
4.1.1 Análise coma chave fechada. 
Quando a chave é fechada no circuito de conversor Buck da figura 2a, o diodo é polarizado 
reversamente e a figura 2b é um circuito equivalente. A tensão no indutor é 
 
 
 
 (3-1) 
Como a derivada da corrente é uma constante positiva, a corrente aumenta linearmente. A 
ondulação na corrente enquanto a chave está fechada é calculada por 
 (
 
 
) (3-2) 
4.1.2 Análise coma chave aberta. 
Quando a chave é aberta, o diodo fica polarizado diretamente para conduzir a corrente no 
indutor e o circuito equivalente é o da Fig. 2c. A tensão no indutor quando a chave esta na posição 
aberta é 
 
 
 
 (3-3) 
A derivada da corrente no indutor é uma constante negativa, e a corrente diminui linearmente 
como mostra a Fig. 3b. A variação total da corrente no indutor é dada por 
 (
 
 
) (3-4) 
Figura 3: Forma de onda no conversor buck; (a) tensão no indutor; (b) corrente no indutor; (c) corrente no 
capacitor. 
 
Fonte: HART, D.W Eletrônica de potência. 2012. 
13 
O funcionamento no estado estável exige que a corrente no indutor no final do ciclo de 
chaveamento seja a mesma do início. A troca líquida de corrente no indutor sobre um período é zero. 
 (
 
 
) (
 
 
) (3-5) 
O valor máximo da corrente no indutor é 
 
 
 
 (3-6) 
sendo assim 
 (
 
 
 
 
 
) (3-7) 
e o valor mínimo da corrente no indutor é 
 
 
 
 (3-8) 
 (
 
 
 
 
 
) (3-9) 
O valor mínimo de indutância que garante a operação do conversor no modo de condução 
contínua é determinado a partir do valor mínimo da corrente da equação (3-9) 
 
 
 
 (3-10) 
Esse valor de indutância também é denominado como indutância critica. Outras indutâncias 
de valor inferior farão com que o conversor opere no modo de condução descontínua (MCD). A 
equação de projeto para determinar os valores da indutância é 
 
 
 
 (3-11) 
Na figura 4a, temos o estágio de saída, onde a corrente no capacitor é 
 (3-12) 
e enquanto a corrente no capacitor for positiva, ele estará carregando. Pela definição de capacitância, 
 (3-13) 
sendo que a variação na carga é a área do triângulo do eixo do tempo 
 
 
 
 (3-14) 
A tensão de ondulação de pico a pico na saída é mostrada na Fig. 4b. É usual, expressar a 
ondulação como uma fração da tensão de saída 
 
 
 
 
 
 
 (3-15) 
Para projetos, é vantajoso escrevermos capacitância em termos da ondulação de tensão 
desejada, então temos 
 
 
 
 (3-16) 
Se a ondulação não for elevada, a suposição de que a tensão na saída é constante é razoável e 
a análise será essencialmente válida. 
14 
Figura 4: Formas de onda no conversor buck. (a) Corrente no capacitor; (b) tensão de ondulação no capacitor. 
 
Fonte: HART, D.W Eletrônica de potência. 2012. 
 
15 
5 SIMULAÇÕES E RESULTADOS5.1 Estágios Separados 
As simulações realizadas tem como objetivo demonstrar o funcionamento dos sinais de 
tensão e corrente após passar pelo retificador e pelo conversor individualmente e com os dois estágios 
conectados. A potência aparente consumida pela carga pode ser calculada pela multiplicação da 
corrente e da tensão de saída, obtendo aproximadamente 50W. Como sinal de entrada utilizamos uma 
tensão de 220Vrms, ou seja, 311V de pico com uma frequência de 60Hz. Esse sinal de entrada vai 
passar pelo retificador com filtro capacitivo para que saia como um sinal CC. Tendo o formulário para 
o cálculo dos parâmetros do nosso retificador, utilizamos a equação 
 (5-1) 
assumindo que a variável θ assume o valor de π/2 para casos práticos, e que nossa carga é de 8Ω, valor 
esse encontrado pela razão entre a corrente que queremos na carga e a tensão final. Temos assim a 
capacitância mínima do retificador: 
 ⁄ (5-2) 
 (5-3) 
Utilizamos o valor comercial de 10μF na simulação. Tendo o valor da capacitância, fizemos 
a simulação do retificador, constando o circuito na figura 5. 
Figura 5: Simulação do retificador com filtro capacitivo. 
 
Fonte: Os autores. 
A forma de onda da saída do retificador está demosntrada na figura 6. Como podemos 
perceber, a tensão se torna totalmente contínua na saída, com uma pequena queda de tensão. Sendo 
assim nosso V0 passa a ser aproximadamente 309V. 
16 
Figura 6: Forma de onda na saída do retificador. 
 
Fonte: Os autores. 
Tendo projetado o retificador, fomos para o projeto do nosso conversor Buck CC-CC, com o 
objetivo de obter uma tensão de saída de aproximadamente 19V a partir da saída do retificador. 
Inicialmente projetamos o conversor isolado do retificador. Devido a queda de tensão do retificador, 
assumimos que a tensão de entrada do Buck é de 309Vdc, calculando assim a razão cíclica do 
conversor, que é dada por 
 
 
 
 (5-4) 
 
 
 
 (5-5) 
 (5-6) 
Podemos calcular o valor da carga que vamos usar a partir do valor da potência consumida. 
Esta potência foi calculada a partir do valor da corrente do indutor que deve ser aproximadamente 
2.4A, e da tensão de saída de 19V. 
 (5-7) 
 (5-8) 
 (5-9) 
Com o valor da potência, calculamos a resistência da carga 
 
 
 
 
 (5-10) 
 
 
 
 (5-11) 
 (5-12) 
assim, arredondamos o valor da carga para 8Ω. 
Assumindo uma frequência de chaveamento do Buck de 50kHz, nos resta calcular os valores 
do indutor e capacitor do filtro do conversor. 
 
 
 
 (5-13) 
17 
 
 
 
 (5-14) 
 (5-15) 
 
 
 ⁄ 
 (5-16) 
 
 
 
 (5-17) 
Com os valores de todos os componentes em mãos, montamos o circuito do nosso conversor 
no LTspice para comprovarmos por meio de simulação se os valores encontrados são realmente 
eficazes. 
Figura 7: Conversor Buck simulado com os valores calculados. 
 
Fonte: Os autores. 
Figura 8: Comportamento do conversor com os valores calculados. 
 
Fonte: Os autores. 
18 
Figura 9: Corrente de saída do conversor. 
 
Fonte: Os autores. 
Retirando a parte de transitório da simulação, percebemos que o nosso V0 atinge 
aproximadamente 19,5V. 
Figura 10: Tensão de saída aproximada do conversor. 
 
Fonte: Os autores. 
Aproximando bem nosso traço da tensão podemos observar também se a ondulação de 
tensão de saída se comporta conforme o projetado. Conforme está mostrado na figura 11, a variação de 
tensão não ultrapassa 2,5mV, ou seja, está seguindo os padrões do projeto. 
19 
Figura 11: Ondulação de tensão na saída do Buck. 
 
Fonte: Os autores. 
5.2 Estágios interconectados 
O projeto desenvolvido exige que o retificador e o conversor estejam interconectados, então 
ligamos o conversor na saída do retificador e simulamos para obter a tensão e a corrente de saída. O 
circuito e os resultados estão descritos nas figuras 12,13 e 14 abaixo. 
Figura 12: Circuito interconectado com os valores calculados. 
 
Fonte: Os autores. 
20 
Figura 13: Tensão de saída do circuito interconectado. 
 
Fonte: Os autores. 
Figura 14:Corrente de saída do circuito interconectado. 
 
Fonte: Os autores. 
Como percebemos, quando conectamos o retificador com o conversor buck, temos uma 
queda na tensão de saída, e por consequência na corrente na carga. Além disso podemos ver que a 
ondulação na saída aumentou consideravelmente. Esse problema ocorre devido ao fato de que as 
capacitâncias do retificador e do indutor tornam-se muito pequenas devido ao chaveamento do 
circuito. Um capacitor é visto pelo circuito como uma fonte de tensão, então sua função é armazenar 
energia para descarregar na carga de forma constante. Nos valores projetados separadamente, eles não 
tem capacidade de descarregar essa energia de forma contínua. 
Logicamente, para resolver o problema do nosso projeto, devemos aumentar o valor das 
capacitâncias o suficiente para que possamos atingir a tensão desejada. Não há um padrão para a 
obtenção dessas capacitâncias, devemos aumentar arbitrariamente os valores, verificando o 
21 
comportamento das formas de onda para cada valor atribuido até chegar numa forma de onda que se 
aproxime do projetado. 
Foi ajustado os valores das capacitâncias até chegarmos nas capacitâncias da figura 15, 
obtendo-se os valores de tensão e corrente demosntrados abaixo. 
Figura 15: Circuito do projeto com as capacitâncias ajustadas. 
 
Fonte: Os autores. 
Figura 16: Valor da tensão na carga com as capacitâncias ajustadas. 
 
Fonte: Os autores. 
22 
Figura 17: Forma de onda da corrente na carga. 
 
Fonte: Os autores. 
Com esse ajuste, foi atingido os valores próximos do desejado para o nosso projeto, sem 
levar em conta os circuitos auxiliares como drivers de chaveamento, snubbers, tempo morto e 
dissipadores térmicos. 
 
23 
6 CONCLUSÃO 
Observando os resultados dos experimentos, constatamos a importância dos retificadores e 
conversores usualmente empregados em carregadores, reguladores de tensão dentre outros. 
Os carregadores com essa estrutura fornecem tensões CC a partir de uma fonte CA de 
qualquer magnitude, controlando a razão cíclica do conversor buck e modulando a ondulação forma de 
onda de tensão e corrente para que seja a menor possível. Controlar essa forma de onda na saída foi a 
parte do projeto que o grupo encontrou mais dificuldade. No restante, somente foram seguidos os 
parâmetros passados em aula. Foi ajustado o valor da tensão para aproximadamente 19,5V, devido a 
queda de tensão dos circuitos auxiliares como dissipadores, snubbers e drivers de acionamento. 
 
24 
REFERÊNCIAS 
HART, D.W. Eletrônica de Potência: análise e projeto de circuitos. Porto Alegre: AMGH, 2012. 
	1 Introdução
	2 METODOLOGIA
	3 Retificador onda completa com filtro capacitivo
	4 Conversor Buck-MCC
	4.1 Estados topológicos
	4.1.1 Análise coma chave fechada.
	4.1.2 Análise coma chave aberta.
	5 simulações e resultados
	5.1 Estágios Separados
	5.2 Estágios interconectados
	6 Conclusão
	Referências