62ª Reunião Anual da SBPC

B. Engenharias - 1. Engenharia - 8. Engenharia Elétrica

PROJETO, SIMULAÇÃO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL DE 1,5kW.

Leonardo Ataide Carniato 1 Gustavo dos Santos Pires 1 Fábio Henrique Pinheiro Silva 1 Ruben Barros Godoy 1

1. Universidade Federal de Mato Grosso do Sul - UFMS

INTRODUÇÃO:

Cotidianamente a energia elétrica passa por conversões nos níveis de tensão e corrente, desde a sua geração até o uso final dos consumidores. Com o advento da eletrônica de potência, os conversores estáticos passaram a ser uma ferramenta difundida em sistemas onde a conversão de energia envolve potências elevadas. Neste contexto, este artigo apresenta o projeto, simulação e implementação de um conversor CC-CC de 1,5kW utilizado em situações que exigem bidirecionalidade do fluxo de potência, como o acionamento de máquinas e sistemas de fornecimento ininterrupto de energia (UPS - Uninterruptible Power Supply), etc. O conversor proposto é capaz de operar em ambos os sentidos do fluxo de potência podendo atuar como conversor abaixador de tensão (buck) em um sentido, e como elevador de tensão (boost) no outro. Os passos de sua concepção envolveram uma pesquisa bibliográfica e definição da topologia, seguido do projeto dos componentes do conversor e malha de realimentação de tensão, e finalmente, a simulação e implementação do sistema. Serão apresentados também um paralelo entre os resultados obtidos através da simulação e resultados experimentais, bem como o sistema de controle utilizado e os aspectos práticos relativos à implementação da topologia adotada.

METODOLOGIA:

Inicialmente foram estudadas topologias que melhor se adequariam ao conversor proposto. Optou-se pela utilização de uma topologia não isolada que integra, de acordo com o fluxo de potência, as características de um conversor abaixador ou elevador de tensão. Foi considerado a potência de operação de 1,5kW com tensões terminais de 200V, devido ao barramento CC disponível, e 400V, considerando a possibilidade de alimentação de motores trifásicos de 380V. Para o projeto do conversor foi admitido um ripple de 1V na tensão, e uma ondulação de 5% da corrente nominal. Foram utilizados dois compensadores proporcional-integral (PI) discreto com anti-windup, sendo um para cada modo de operação, o qual é definido por um sinal externo, cada qual implementado utilizando um microcontrolador PIC16F684. Posteriormente foi realizada a simulação do sistema em malha fechada por intermédio do software Simulink-MatLab® e do toolbox SimPowerSystems. Após verificado a funcionalidade da malha de realimentação foi implementado o primeiro protótipo para validação do sistema e realização dos primeiros testes experimentais.Visando a otimização da isolação entre circuitos de controle e potência, do sistema de dissipação de calor e as dimensões do conversor, foi implementado um protótipo final.

RESULTADOS:

Devido o objetivo do trabalho ser o desenvolvimento de um protótipo, buscou-se fazer a simulação de modo a torná-la o mais próximo possível do sistema a ser implementado. Portanto, na simulação, foram utilizados IGBT`s e os sinais de realimentação, bem como a amplitude da onda portadora utilizada na geração do sinal PWM de controle, compreendiam uma faixa de 0 a 5V. Foi analisado, ainda na simulação, o comportamento dinâmico dos controladores mediante degrau de tensão e de carga, na qual observou-se que o sistema apresentou estabilidade e boa resposta dinâmica em diferentes situações de operação. No que tange a implementação, foram utilizados sensores de tensão de efeito hall (LV 25-P), os quais adequavam as tensões terminais que então era aquisitadas e processadas pelos microcontroladores para geração dos sinais PWM. Durante os testes iniciais verificou-se a necessidade de inserção de um circuito snubber RC para cada chave, devido ao elevado pico de tensão reversa durante a comutação. Foram realizados testes do conversor operando a vazio e a plena carga, bem como com inserção e retirada súbta de carga nominal e variações na tensão de entrada. Por meio dos resultados obtidos pode-se verificar, assim como na simulação, que o sistema apresentou estabilidade e boa resposta dinâmica.

CONCLUSÃO:

Este trabalho objetivou o desenvolvimento de um conversor CC - CC bidirecional. Durante a sua concepção foram atingidas etapas importantes para o desenvolvimento de um protótipo, visto que foi desenvolvido o projeto do conversor e a sua modelagem, a sintonia dos controladores, bem como a simulação e implementação do sistema. Por meio da simulação pôde-se, além de verificar a funcionalidade do conversor projetado, realizar uma análise qualitativa e quantitativa dos parâmetros, a qual auxiliou na seleção dos componentes a serem utilizados. Durante a implementação, realizou-se algumas modificações no sistema, haja visto o surgimento de problemas relativos à prática experimental. Dentre estas modificações, pode-se citar a inserção de snubbers, a adequação do sistema de dissipação de calor, o roteamento das placas de circuito impresso, entre outros. É importante salientar, que os resultados de simulação e experimentais foram semelhantes, diferindo em alguns aspectos decorrentes da modelagem da planta e da presença de não linearidades dos componentes utilizados. Tendo por base os testes realizados pôde-se concluir que o conversor desenvolvido respondeu de forma satisfatória apresentando boa resposta dinâmica e baixa ondulação de tensão e corrente.

Palavras-chave: Conversor CC-CC , Bidirecional, Fluxo de Potência.