UNESP UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA

CAMPUS DE ILHA SOLTEIRA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO

EM ENGENHARIA ELTRICA

Um Novo Sistema de Refrigerao com Controle de

Temperatura, Compressor Aberto, Mquina de Induo

Trifsica com Velocidade Varivel e Correo Ativa do

Fator de Potncia do Estgio de Entrada

Eduardo Leandro

Orientador

Prof. Dr. Carlos Alberto Canesin

Co-Orientador

Dr. Flvio Alessandro Serro Gonalves

Dissertao de mestrado submetida Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira FEIS UNESP como parte dos requisitos exigidos para a obteno do ttulo de MESTRE EM ENGENHARIA ELTRICA.

Ilha Solteira (SP), outubro de 2006.

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FICHA CATALOGRFICA Elaborada pela Seo Tcnica de Aquisio e Tratamento da Informao/Servio Tcnico de Biblioteca e Documentao da UNESP-Ilha Solteira

Leandro, Eduardo L437n Um novo sistema de refrigerao com controle de temperatura, compressor aberto, mquina de induo trifsica com velocidade varivel e correo ativa do fator de potncia do estgio de entrada / Eduardo Leandro. Ilha Solteira : [s.n.], 2006

166 p. : il. Dissertao (mestrado) - Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, 2006 Orientador: Carlos Alberto Canesin Co-orientador: Flvio Alessandro Serro Gonalves Bibliografia: 143-146 1. Sistemas de refrigerao. 2. Eletrnica de potncia. 3. Retificadores de semicondutores. 4. Sistemas de controle digital. 5. Mquinas eltricas de induo.

3

4

Deus. Aos meus pais Braz Leandro e Tarcila de Ftima Leandro Em memria de meu av querido Deocledo Batista da Silva

5

Agradecimentos

UNESP Universidade Estadual Paulista, Campus de Ilha Solteira.

Ao professor Carlos Alberto Canesin pela slida e constante orientao, e por sua

amizade conquistada ao longo desses anos de convvio.

Aos meus pais Braz Leandro e Tarcila de Ftima Leandro e minha princesa Aline

Fernanda Rocha Pereira pelo carinho, compreenso, apoio e incentivo durante todos os

momentos desta jornada.

Ao professor e Co-orientador Flavio Alessandro Serro Gonalves, amigo para todas

as horas, que contribuiu decisivamente para concretizao de todas as etapas do trabalho,

tanto no sentido emocional como tcnico.

Ao professor Fbio Toshiaki Wakabayashi, amigo sincero, pelas conversas que

ditaram o andamento e o desfecho do trabalho.

Ao professor Joo Onofre Pereira Pinto, por todo apoio dado no desenvolvimento das

tcnicas de controle aplicadas no acionamento do motor. Sua participao foi decisiva para

realizao de todo o trabalho.

Ao professor Emanuel Rocha Woisk, pela disponibilidade na orientao do modelo

dinmico do sistema de refrigerao.

Aos amigos do curso de ps-graduao Fausto Donizeti Dantas, Jurandir de Oliveira

Soares, Guilherme Melo por suas presenas marcantes no decorrer do curso.

Ao funcionrio do Laboratrio de Engenharia Eltrica Valdemir Chaves e ao

funcionrio do laboratrio de Engenharia Mecnica Reginaldo Leite por sua disposio e

pelos prstimos realizados quando da implementao laboratorial do projeto.

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Resumo

Este trabalho apresenta uma nova proposta para sistema de refrigerao com controle

dinmico de temperatura, operando com estrutura de compressor aberto, acionado por motor

de induo trifsico com velocidade varivel, e estgio de entrada retificador com correo

ativa do fator de potncia. O estgio de entrada composto por um retificador Boost

monofsico com elevado fator de potncia, com duas clulas entrelaadas, operando no modo

de conduo crtica, empregando tcnica de comutao no dissipativa e controlado por

dispositivo FPGA, associado a um estgio de sada inversor de dois nveis convencional

trifsico IGBT, o qual controlado por um Processador Digital de Sinais (DSP Digital

Signal Processor). A tcnica de comutao no dissipativa para o estgio de entrada baseada

em clulas ZCS (Zero-current-switching). As principais caractersticas do retificador incluem

a reduo da ondulao da corrente de entrada, reduo da ondulao da tenso de sada

retificada, utilizao de componentes com reduzidos esforos, reduzido volume do filtro de

entrada para Interferncias Eletromagnticas (EMI Electromagnetic Interference), elevado

Fator de Potncia (FP) e reduzida Distoro Harmnica Total (DHT) da corrente de entrada,

atendendo os limites da norma IEC61000-3-2. O controle digital para o estgio de sada

inversor foi desenvolvido usando duas diferentes tcnicas, incluindo a tcnica convencional

controle escalar Volts/Hertz (V/Hz) e o controle Vetorial com Orientao pelo Fluxo do

estator, com o propsito de verificar a aplicabilidade e a performance dos controles digitais

propostos, para o controle contnuo da temperatura, aplicados a um prottipo de sistema de

refrigerao.

Palavras chaves: Sistema de refrigerao com compressor aberto e velocidade

varivel; Acionamento eletrnico de motor de induo trifsico; Correo ativa do fator de

potncia; Qualidade da energia eltrica; Controle digital com dispositivos FPGA e DSP.

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Abstract

This work presents a new proposal for refrigeration systems with dynamic control of

temperature, working with structure of open compressor, driving a three-phase induction

motor with variable speed, and input rectifier with active power factor correction. The

proposed system is composed of a single-phase high-power-factor boost rectifier, with two

cells in interleaved connection, operating in critical conduction mode, and employing a soft-

switching technique, controlled by a Field Programmable Gate Array (FPGA), associated with

a conventional three-phase IGBT bridge inverter (VSI Voltage Source Inverter), controlled

by a Digital Signal Processor (DSP). The soft-switching technique for the input stage is based

on zero-current-switching (ZCS) cells. The rectifiers features include reduction in input

current ripple, reduction in output voltage ripple, use of low stress devices, low volume for

the EMI input filter, high input power factor (PF), and low total harmonic distortion (THD) in

the input current, in compliance with the IEC61000-3-2 standards. The digital controller for

the output stage inverter has been developed using two different techniques, the conventional

Voltage-Frequency control (scalar V/Hz control), and a simplified stator oriented vector

control, in order to verify the feasibility and performance of the proposed digital controls, for

continuous temperature control, applied at a refrigerator prototype.

Keyword: Refrigeration system with open compressor and variable speed; Electronic

drives of three-phase induction motor; Active power factor correction; electric energy quality;

Digital control with device FPGA and DSP.

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Lista de Figuras

Captulo 1 Figura 1.1 Consumo total de energia eltrica em porcentagem nas residncias dos EUA....20 Fonte Elaborao prpria a partir de dados do PROCEL 2001.............................................21 Figura 1.2 - Estrutura de consumo de energia eltrica em porcentagem nas residncias brasileiras..................................................................................................................................21 Figura 1.3 - Estrutura de consumo de energia eltrica em porcentagem nas indstrias do Brasil.........................................................................................................................................21 Figura 1.4 Sistema de refrigerao convencional..................................................................22 Figura 1.5 Evoluo do mercado brasileiro...........................................................................23 Figura 1.6 - Evoluo do mercado japons de condicionadores de ar de baixa potncia utilizando inversores de freqncia. .........................................................................................24 Figura 1.7 Comparao do mercado japons com o americano, em x1000 unidades/ano. ...24 Figura 1.8 Novo sistema de refrigerao proposto................................................................26

Captulo 2 Figura 2.1 Forma de onda da corrente de entrada de um conversor Boost CA/CC operando no modo de conduo descontnua...........................................................................................29 Figura 2.2 Forma de onda da corrente de entrada de um conversor Boost CA/CC operando no modo de conduo crtica. ...................................................................................................31 Figura 2.3 Forma de onda da corrente de entrada de um conversor Boost CA/CC operando com controle por valores mdios instantneos de corrente. .....................................................32 Figura 2.4 Entrelaamento de duas clulas de topologia boost PWM. .................................34 Figura 2.5 Clulas de comutao ZCS-PWM. ......................................................................35 Figura 2.6 Circuito bsico do conversor CA/CC Boost ZCS-FM Interleaved......................36 Figura 2.7 - Etapas de funcionamento referentes a uma clula genrica do conjunto retificador em interleaving. Sendo que Vin significa a tenso de entrada instantnea............................37 Figura 2.8 - Principais formas de onda tericas, para uma clula da estrutura retificadora Boost ZCS. ...............................................................................................................................38

9

Figura 2.9 - Principais formas de onda tericas dos esforos nos semicondutores, para uma clula da estrutura retificadora Boost ZCS...............................................................................39 Figura 2.10 Primeira etapa de funcionamento.......................................................................40 Figura 2.11 Segunda etapa de funcionamento.......................................................................40 Figura 2.12 Terceira etapa de funcionamento. ......................................................................41 Figura 2.13 Quarta etapa de funcionamento..........................................................................41 Figura 2.14 Quinta etapa de funcionamento..........................................................................42 Figura 2.15 Sexta etapa de funcionamento............................................................................43 Figura 2.16 Stima etapa de funcionamento. ........................................................................43 Figura 2.17 Oitava etapa de funcionamento. .........................................................................44 Figura 2.18 Pr-regulador Retificador CA/CC Boost ZCS-FM Interleaving, com duas clulas. ......................................................................................................................................45 Figura 2.19 Formas de onda de corrente e tenso de entrada para o pr-regulador . ............46 Figura 2.20 Amplitudes das componentes harmnicas da corrente de entrada e os limites impostos pela IEC 61000-3-2, Classe A...................................................................................46 Figura 2.21 - Diagrama de blocos do algoritmo de controle para o estgio de entrada retificador entrelaado com elevado fator de potncia.............................................................48 Figura 2.22 Tenso e Corrente de entrada, para carga nominal. ...........................................49 Figura 2.23 Amplitudes das componentes harmnicas da corrente de entrada e os limites impostos pela norma IEC 61000-3-2, Classe A. ......................................................................49 Figura 2.24 Amplitudes das componentes harmnicas da corrente de entrada representadas em valor porcentuais.................................................................................................................50

Captulo 3 Figura 3.1 Diagrama do sistema de refrigerao a vapor. .....................................................53 Figura 3.2 Ilustrao de que a proporo lquido vapor no varia no tempo. .......................55 Figura 3.3 Esquema do modelo do evaporador com duas regies de fluxo. .........................58 Figura 3.4 Esquema do modelo do condensador...................................................................61 Figura 3.5 Prottipo do sistema de refrigerao implementado.............................................68

10

Figura 3.6 Evoluo da vazo mssica do compressor e da vlvula de expanso aps a partida da mquina. ..................................................................................................................69 Figura 3.7 Evolues das temperaturas do refrigerante (R22), aps a partida da mquina. .70 Figura 3.8 Resultados de simulao e experimentais para:(a) temperatura na ambiente controlado, e (b) Presso de entrada do condensador, considerando a operao a 900rpm.....70 Figura 3.9 Comportamento da presso no evaporador e no condensador devido variao na velocidade do compressor. .......................................................................................................72 Figura 3.10 Comportamento da temperatura no ambiente controlado devido a variao da velocidade do compressor. .......................................................................................................73

Captulo 4 Figura 4.1 Mquina de induo simtrica trifsica ...............................................................76 Figura 4.2 Transformao de variveis representada por relaes trigonomtricas .............78 Figura 4.3 Circuito equivalente do modelo da mquina de induo trifsica simtrica nos eixos d-q para referncia girando a velocidade ....................................................................80 Figura 4.4 Modelo completo do motor para implementao no Simulink............................81 Figura 4.5 Resultados de simulao para corrente trifsica, torque e velocidade para o motor.........................................................................................................................................83 Figura 4.6 Sistema de controle de velocidade genrico. .......................................................84 Figura 4.7 Caractersticas do motor de induo em torque constante e regio de campo enfraquecido. ............................................................................................................................86 Figura 4.8 Controle escalar (V/Hz) de velocidade em malha aberta.....................................87 Figura 4.9 Curva de torque velocidade mostrando o efeito da variao da freqncia, torque de carga e tenso de alimentao..............................................................................................88 Figura 4.10 Controle V/Hz em malha fechada. ......................................................................89 Figura 4.11 Controle de velocidade em malha fechada com controle de fluxo e torque ......91 Figura 4.12 Mquina de corrente contnua............................................................................92 Figura 4.13 - Disposio do vetor de fluxo do rotor orientado com eixo 'd' ............................94 Figura 4.14 Princpio de implementao do controle vetorial com modelo do motor. .........94 Figura 4.15 Diagrama de blocos para o controle vetorial direto orientado pelo fluxo do rotor...................................................................................................................................................95

11

Figura 4.16 Fasores ds-qs e de-qe mostrando a correta orientao do fluxo...........................96 Figura 4.17 Circuito equivalente d-q da mquina de induo trifsica. ................................99 Figura 4.18 - Diagrama fasorial para controle vetorial indireto. ............................................102 Figura 4.19 Diagrama de blocos do controle vetorial indireto. ...........................................103 Figura 4.20 Diagrama fasorial do controle vetorial por orientao pelo fluxo do estator...105 Figura 4.21 Diagrama de blocos do circuito de gerao da corrente de desacoplamento. ..106

Captulo 5 Figura 5.1 Controle escalar V/Hz utilizado no sistema de refrigerao..............................111 Figura 5.2 Controle V/Hz em malha aberta: (a) corrente na sada do motor, (b) torque, (c) velocidade...............................................................................................................................112 Figura 5.3 Controle V/Hz em malha fechada .......................................................................113 Figura 5.4 - Resposta dinmica com controle V/Hz em malha fechada: (a) corrente na sada do motor, (b) torque, (c) velocidade. ......................................................................................114 Figura 5.5 Controle vetorial indireto utilizado na simulao no Simulink. ........................115 Figura 5.6 Resultados de simulao para o controle vetorial indireto: (a) torque, (b) velocidade...............................................................................................................................116 Figura 5.7 Diagrama do controle vetorial orientado pelo fluxo do estator..........................116 Figura 5.8 - controle vetorial orientado pelo fluxo do estator com acelerao e desacelerao: (a) corrente na sada do motor, (b) torque, (c) velocidade. ....................................................119 Figura 5.9 Diagrama de blocos para controle da temperatura do ambiente controlado, considerando a operao em velocidade varivel...................................................................120 Figura 5.10 Resultados do sistema de controle proposto, considerando operao com controle V/Hz: (a) temperatura controlada, (b) velocidade e referncia do motor.................121 Figura 5.11 Comportamento da vlvula de expanso para variaes na velocidade de rotao do compressor ............................................................................................................122

Captulo 6 Figura 6.1 Esquema do controle escalar V/Hz implementado no MatLab-Simulink..........124 Figura 6.2 Resultado de simulao para o controle escalar V/Hz em malha fechada.........125

12

Figura 6.3 Resultado experimental para o controle escalar aplicado ao motor trifsico acoplado ao compressor do sistema de refrigerao. .............................................................126 Figura 6.4 Esquema do controle vetorial utilizado na implementao no prottipo de refrigerao.............................................................................................................................128 Figura 6.5 Diagrama do controle vetorial implementado no MatLab-Simulink. ................129 Figura 6.6 Resultado de simulao para o controle vetorial................................................129 Figura 6.7 - Resultado experimental para o controle vetorial aplicado ao motor trifsico acoplado ao compressor do sistema de refrigerao. .............................................................130 Figura 6.8 Diagrama de blocos para controle da temperatura do ambiente controlado, considerando a operao em velocidade varivel...................................................................131 Figura 6.9 Esquema de aquisio e condicionamento do sinal proveniente do sensor de temperatura. ............................................................................................................................132 Figura 6.10 Circuito esquemtico do condicionador de sinal para conversor A/D do DSP133 Figura 6.11 Formas de onda referentes aos sinais de entrada e sada do condicionador de sinais. ......................................................................................................................................134 Figura 6.12 Resultado do sinal de temperatura filtrado.......................................................135 Figura 6.13 Resultados da variao da velocidade do compressor na temperatura. ...........136 Figura 6.14 Resultado experimental da variao da velocidade devido a variao da temperatura .............................................................................................................................137 Figura 6.15 Comparao do consumo de energia entre o motor trifsico e o monofsico. 138

13

Simbologia

1. Smbolos Usados

Smbolo Significado

A rea

A, B, C, D Matrizes do espao de estados

C Capacitor

C0 Capacitor de sada (filtro)

Cr Capacitor ressonante

Cp Calor especfico

Cd Coeficiente de descarga

D Diodo

di/dt Derivada da corrente

dv/dt Derivada da tenso

Di Dimetro interno

de-qe Referncia sncrona

ds-qs Referncia estacionria

E Energia

f, g Funes contnuas

fs Freqncia de chaveamento

fb Freqncia de base

Fij Fluxo concatenado

h Entalpia

I Matriz identidade

i Corrente

Ia Corrente de armadura

If Corrente de campo

idq Corrente de desacoplamento

J Momento de inrcia

k constante

L Comprimento

Lr Indutor ressonante

14

Lin Indutncia de entrada (boost)

Lm Indutncia de magnetizao

m Fluxo de massa P Presso

P0 Potncia de sada

p Nmero de polos

Q Calor

R Resistncia

R0 Resistncia de sada (carga)

Re Nmero de Reynold

Sp Interruptor principal

Sa Interruptor auxiliar

s Entropia

T Temperatura

t Tempo

Te Torque eltrico de sada

TL Torque de carga

u Velocidade do refrigerante ao longo do tubo

U Energia interna

UA Coeficiente de transferncia de calor concentrado

V Volume

V0 Tenso de sada

Vin Tenso de entrada

W Trabalho

x Ttulo, Estados dinmicos

Xls Reatncia concatenada do estator ( e lsL ); Xlr Reatncia concatenada do rotor ( e lrL ); y Sadas

z Coordenada espacial

Z Matriz Eficincia Razo lquido vapor Auto-valores

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Densidade do refrigerante (x) Pequena variao de (x) ngulo Fluxo

b Velocidade base Velocidade Eficincia do motor

Fluxo produzido pela corrente de campo Coeficiente de troca de calor 2 ndices dos smbolos 1, 2, 3 1, 2, 3 regio

a, air ar

a, b, c Fases a, b, c

ave mdia

c Condensador

cs Seo transversal

d Eixo de coordenada d

e Evaporador

f Lquido

g Vapor

h Superaquecido

hx Troca de calor interna

i Interno

in Entrada

int Intermedirio

k Compressor

m Referncia entreferro

o Exterior

out Sada

p Principal

q Eixo de coordenada q

r Refrigerante, Referncia rotrica

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s Referncia no estator

sl escorregamento

sys Sistema

total Total

v Vlvula

w Parede do cano trocador de calor

3 Acrnimos e Abreviaturas A/D Conversor analgico digital

CI Circuito integrado

CC Corrente contnua

CA Corrente alternada

CFP Correo do Fator de Potncia

cos Funo cosseno

DSP Digital Signal Processor

EMI Electromagnetic Interference

EDO Equaes diferenciais ordinrias

EDP Equaes diferenciais parciais

FPGA Field Programmable Gate Array

FEIS Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira

FM Modulao em Freqncia Frequency Modulation

FP Fator de Potncia

FOC Field Oriented Control

fmm fora-magneto-motriz

IM Induction Motor

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

MCC Modo de Conduo Contnua

MCCr Modo de Conduo Critca

MIT Motor de induo trifsico

PWM Pulse width modulation

PI Proporcional e Integral

R&CA Refrigerao e Condicionador de Ar

sen Funo seno

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UNESP Universidade Estadual Paulista

VSI Voltage Source Inverter

V/Hz Controle escalar Volts/Hz

VHDL Hardware Description language

VEA Vlvula de expanso automtica

VR Vector Rotation

ZCS Zero-Current-switching

ZVS Zero-Voltage-switching

ZCZVS Zero-Current-Zero-Voltage-switching

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SUMRIO Folha de Aprovao................................................................... Erro! Indicador no definido. Agradecimentos ..........................................................................................................................5 Resumo .......................................................................................................................................6 Abstract.......................................................................................................................................7 Lista de Figuras ..........................................................................................................................8 Simbologia................................................................................................................................13 1 Introduo Geral .................................................................................................................20 2 Estgio de entrada com elevado fator de potncia .............................................................28

2.1 Introduo....................................................................................................................28 2.1.2 Tcnicas de controle para emulao de elevado fator de potncia .....................29

2.2 Estgio de entrada do sistema de refrigerao.............................................................33 2.2.1 Conversor CA/CC Boost Interleaving.............................................................33 2.2.2 Conversor CA/CC Boost do tipo Interleaving com Comutao no Dissipativa..........................................................................................................................................34 2.2.2.1 - Etapas de Funcionamento e Principais Formas de Onda .................................36

2.3 Resultados de Simulao.............................................................................................45 2.4 Estratgias de controle.................................................................................................47 2.5 Resultados Experimentais ...........................................................................................48 2.6 Concluses...................................................................................................................50

3 Modelagem do sistema de Refrigerao.............................................................................52

3.1 Introduo.....................................................................................................................52 3.2.1 - Simplificaes do modelo .....................................................................................54

3.3 Modelos a parmetros concentrados...............................................................................54 3.4 Equaes diferenciais parciais que governam o sistema ................................................56 3.5 Modelos dos componentes do ciclo de compresso a vapor .......................................58

3.5.1 - Modelo do evaporador ..........................................................................................58 3.5.1.1 Conservao de massa do refrigerante na regio bifsica e de superaquecimento...........................................................................................................................................59 3.5.1.2 - Conservao de energia para regio bifsica e de superaquecimento................60 3.5.1.3 - Conservao de energia na parede do tubo para regio bifsica e de superaquecimento .............................................................................................................60 3.5.1.4 - Combinaes algbricas para simplificaes.....................................................60 3.5.2 Modelo do condensador .......................................................................................61 3.5.2.1 - Conservao de massa........................................................................................62 3.5.2.2 - Conservao da energia......................................................................................63 3.5.2.3 - Conservao da energia na parede do tubo ........................................................63 3.5.2.4 Simplificaes no modelo do condensador .......................................................64 3.5.3 Compressor com velocidade varivel e dispositivo de expanso..........................64 3.5.3.1 Modelo do compressor com velocidade varivel .................................................65 3.5.3.1 - Vlvula de expanso automtica. .......................................................................66

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3.6 - Tcnicas de linearizao...............................................................................................66 3.7 Simulao do sistema de refrigerao .........................................................................68

3.7.1 Comportamento do sistema de refrigerao .........................................................69 3.7.2 - Regulagem do sistema de refrigerao .................................................................71

3.8 Concluses...................................................................................................................73 4 - Tcnicas de controle de mquinas de induo trifsicas.....................................................74

4.1 Introduo....................................................................................................................74 4.2 Modelagem do motor de induo: ...............................................................................76

4.2.1 Sistemas de coordenadas: ....................................................................................76 4.3 Estratgias de controle de velocidade..........................................................................83

4.3.2 Controle Volts por Hertz (V/Hz)...........................................................................85 4.3.2.1 Controle escalar (V/Hz) em malha aberta ........................................................85 4.3.2.2 Controle escalar (V/Hz) em malha fechada ......................................................89 4.3.2.2.1 Controle escalar (V/Hz) em malha fechada de torque e fluxo .......................90 4.3.3 Controle vetorial ou controle por orientao de campo ......................................91 4. 3.3.1 - Controle vetorial direto com orientao pelo fluxo do rotor............................95 4.3.3.2 Estimao do vetor fluxo ...................................................................................98 4.3.3.3 - Controle vetorial indireto ................................................................................101 4.3.3.4 - Controle vetorial direto com orientao pelo fluxo do estator........................104

4.4 Concluses.....................................................................................................................108 5 Resultados de Simulao para o Controle de Velocidade da Mquina de Induo .........110

5.1 Introduo..................................................................................................................110 5.2 Controle Escalar (V/Hz) de Velocidade ....................................................................110 5.3 Controle Vetorial Indireto .........................................................................................115 5.4 - Controle Vetorial orientado pelo fluxo no estator......................................................116 5.5 Controle da temperatura pela variao da velocidade do compressor.......................120 5.5 Concluses.................................................................................................................122

6 Resultados Experimentais ................................................................................................124

6.1 Controle Escalar (V/Hz) ............................................................................................124 6.2 Controle Vetorial .......................................................................................................127 6.3 Controle de temperatura pela velocidade do compressor..........................................131

6.3.1 Sensor de temperatura e condicionamento de sinal............................................131 6.3.2 Controle da temperatura .....................................................................................136

6.4 Concluses.................................................................................................................139 7 - Concluses Gerais .............................................................................................................140 7.1- Propostas de Continuidade..............................................................................................141 8 - Referncias Bibliogrficas ................................................................................................143 Apndice A.............................................................................................................................147 Apndice B .............................................................................................................................149 Apndice C .............................................................................................................................155

20

1 Introduo Geral

Sistemas de refrigerao podem ser encontrados em uma ampla faixa de aplicaes,

quer sejam industriais, comerciais ou residenciais. Aplicaes para estes sistemas incluem

conservao de alimentos, remoo de calor de processos industriais, tais como indstrias

qumicas, e numerosas outras aplicaes industriais que requerem um controle fino de

temperatura. Sistemas de refrigerao usando compresso a vapor tm sido usados para

reduzir a temperatura de substncias e/ou processos por mais de cem anos. Entretanto, tem-se

prestado pouca ateno na energia necessria para atingir os objetivos nos processos de

refrigerao. Com o aumento do interesse sobre o uso racional da energia eltrica e o custo

global dos equipamentos, tem impulsionado grande estmulo nas indstrias de refrigerao

para a avaliao da relao custo-eficincia de seus projetos, com investimentos em

modificaes em suas estratgias de operao. Neste contexto, a necessidade por novas

estruturas e a otimizao dos sistemas e processos de refrigerao tm incentivado a

aplicaes das pesquisas neste tema [1 9].

Observa-se que, nos Estados Unidos so gastos bilhes de dlares com energia eltrica

por ano, com equipamentos domsticos de refrigerao. A figura 1.1 apresenta o consumo de

energia em porcentagem nas residncias americanas, onde se pode verificar que os

equipamentos de Refrigerao e Condicionamento de Ar (R&CA) so responsveis por mais

de 33% deste consumo [10].

Figura 1.1 Consumo total de energia eltrica em porcentagem nas residncias dos EUA.

No Brasil, os equipamentos de refrigerao e condicionamento de ar so responsveis

por 25% de toda energia eltrica consumida no pas. Com relao estrutura de consumo nas

21

residncias brasileiras, pode ser observada na figura 1.2 a distribuio deste percentual de

consumo [11].

Fonte Elaborao prpria a partir de dados do PROCEL 2001

Figura 1.2 - Estrutura de consumo de energia eltrica em porcentagem nas residncias brasileiras.

Em termos residenciais, o consumo com refrigeradores e freezers representa cerca de

9% do consumo global de energia eltrica do pas.

No setor comercial os aparelhos de ar condicionado (central e de janela) representam

20% do consumo total de energia nesse setor, o que, no caso, implica 3% do consumo

nacional.

O Setor industrial responde por 46% do consumo da energia eltrica no pas,

distribudo conforme a figura 1.3 [11].

Fonte Elaborao prpria a partir de dados do PROCEL 2001.

Figura 1.3 - Estrutura de consumo de energia eltrica em porcentagem nas indstrias do Brasil.

Portanto, torna-se evidente que um aumento na eficincia dos sistemas de R&CA ter

um grande efeito na economia de energia do pas, na mdia individual dos gastos neste

seguimento, nos mais diversos setores, e, na prpria oferta de energia do parque energtico

nacional. Para tanto, tornam-se necessrias vrias frentes de pesquisas, induzindo-se o

22

refinamento do projeto dos componentes individuais e a melhoria de todo o sistema, e

aplicao de modernas estratgias de controle, visando o mximo de eficincia e performance

dos sistemas de R&CA. Esta prtica tem se tornado vivel com o barateamento dos

processadores e microcontroladores, disponibilizando-se a utilizao de complexas tcnicas

de controle, implementadas digitalmente, a baixo custo, principalmente para aplicaes de

mdias e elevadas potncias.

De maneira geral, sistemas de refrigerao de at mdio porte empregam motor de

induo monofsico, com capacitor de partida, conforme figura 1.4, para o acionamento de

compressores do tipo aberto, acionado por correias. Normalmente, nestas aplicaes

convencionais, tem-se o controle da temperatura proposto da forma liga-desliga. Este tipo

de controle proporciona uma baixa eficincia energtica e baixa performance do sistema de

refrigerao, alm da degradao da qualidade da energia de suprimento.

Figura 1.4 Sistema de refrigerao convencional.

A operao do sistema de refrigerao depende dos estados termodinmicos do

refrigerante nos vrios pontos do ciclo. Estas essenciais variaes de estado incluem presso

no evaporador, condensador, superaquecimento na sada do evaporador e subresfriamento na

sada do condensador. A prpria regulao destas variveis termodinmicas e seu

comportamento dinmico podem levar a uma operao com alta performance e eficincia

energtica, a qual geralmente no alcanada com o controle do tipo liga-desliga. Recentes

pesquisas tm obtido grandes melhorias na eficincia energtica e na confiabilidade dos

sistemas de compresso a vapor utilizando-se velocidade varivel do compressor para garantir

o controle da temperatura [2-4]. No trabalho desenvolvido por Vargas e Parise [2], onde os

autores analisaram a substituio do tradicional sistema liga-desliga por um controle em

malha fechada com velocidade varivel do compressor, foi verificado uma economia de 11%

no consumo de energia eltrica. Para sistemas acionados por motores monofsicos de

induo, esta economia facilmente verificada, sabendo-se que o funcionando do sistema,

com motor monofsico com capacitor de partida, resulta em problemas de elevado conjugado

de partida, com conseqente elevada corrente de partida, resultando em perdas ativas. Alm

23

disso, apresentam reduzido fator de potncia (normalmente de 0,5 at 0,8). Portanto, tais

dispositivos no atendem s restries das normas IEC61000-3-2, ou IEC61000-3-4.

Adicionalmente, possveis problemas de flicker (variaes em baixas freqncias da tenso

eficaz de alimentao, com limites impostos pela norma IEC61000-3-3) e provveis

afundamentos de tenso (voltage sags) podem ocorrer, alm de provveis problemas de

interferncias eletromagnticas (EMI Electromagnetic Interference), em cargas prximas.

O estado da arte em acionamento para eletrodomsticos baseia-se na substituio do

motor de induo monofsico por um trifsico, sem capacitor de partida, com velocidade

varivel e sem a necessidade de freio eletromecnico. Este motor acionado por um

conversor eletrnico que permite a variao da velocidade, a minimizao da emisso de

rudos eltricos na rede, a reduo por mtodos digitais do contedo harmnico entregue ao

motor e, aliado a um grande nmero de possibilidades de controle digital, este tipo de

aplicao atender aos requisitos de economia e desempenho cada vez mais severos impostos

por diversos paises.

Dentre os eletrodomsticos passveis de utilizao deste tipo de acionamento citam-se

os produtos para refrigerao (refrigeradores, freezers e condicionadores de ar). Estes

produtos ou requerem dispositivos que permitam a variao contnua da sua velocidade, ou

permitem a utilizao destes no sentido de melhorar seu desempenho.

De acordo com a referncia [12], o mercado brasileiro para estes produtos tem-se

mantido relativamente estvel, como mostra a figura 1.5. Porm, os volumes produzidos so

significativos e o nmero de empresas que participam deste mercado ainda relativamente

reduzido, constituindo um mercado inexplorado para o acionamento de velocidade varivel.

Figura 1.5 Evoluo do mercado brasileiro

24

Controles com velocidades variveis destinados a aplicaes de consumo tm sofrido

grandes progressos impulsionados por recentes desenvolvimentos na rea acadmica e em

empresas do setor, onde o Japo tem se destacado no desenvolvimento de sistemas de ar-

condicionado (para todas as faixas de potncia inclusive a residencial) comandados por

inversores, cujo objetivo principal o aumento da eficincia e a reduo do consumo de

energia eltrica. De acordo com [13], a figura 1.6 ilustra a evoluo deste mercado no Japo e

exemplifica sua potencialidade.

Figura 1.6 - Evoluo do mercado japons de condicionadores de ar de baixa potncia utilizando

inversores de freqncia.

A referncia [14] compara o mercado de eletrodomsticos japons com o americano

na utilizao de produtos de uso domstico controlados por inversores (especificamente

condicionadores de ar, refrigeradores, lavadoras de roupas e aspiradores de p), como mostra

a figura 1.7. Observa-se que 37% do mercado japons j utiliza inversores, contra apenas 1%

do americano, o que ressalta o grande potencial desta tecnologia.

Figura 1.7 Comparao do mercado japons com o americano, em x1000 unidades/ano.

25

Neste contexto, este trabalho prope a implementao e anlise de um novo sistema de

acionamento com controle da temperatura atravs da variao da velocidade do compressor,

destinado aos sistemas de refrigerao com compressores do tipo aberto, de tal forma que

atenda s restries impostas pelas normas IEC (Harmnicos, Flicker e EMI conduzida),

apresente alto rendimento, fator de potncia elevado, reduzida distoro harmnica na

corrente de alimentao e baixo nvel de interferncia eletromagntica conduzida, com

excelente desempenho e performance no controle da temperatura.

Substituindo-se o motor de induo monofsico, que opera com velocidade fixa, por

um acionador composto por um motor de induo trifsico, alimentado a partir de uma rede

monofsica e comandado por um inversor do tipo fonte de tenso, o desempenho do

dispositivo comandado aumentar significativamente. Nesta situao, o motor opera

continuamente e regula a velocidade de forma suave e precisa, reduzindo-a ou aumentando-a

de forma a obter a refrigerao ou a velocidade desejada, de acordo com a aplicao.

O rudo eltrico e as interferncias eletromagnticas geradas pelas sucessivas partidas

e paradas do motor sero eliminadas, ou fortemente reduzidas, o rudo acstico pode ser

reduzido, a eficincia do compressor aumenta quando operado de forma contnua e,

finalmente o desempenho global do motor melhorado. De forma geral, os sistemas que

oferecem controle contnuo de velocidade so inerentemente mais eficientes, porm mais

complexos e ainda mais caros. Entretanto, de acordo com [2-6], sistemas de condicionamento

de ar que utilizam inversores de freqncia proporcionam uma elevada reduo no consumo

de energia eltrica, quando comparado a sistemas de capacidade constante. Devido elevada

eficincia energtica o custo do inversor pode ser compensado em 3 a 4 anos, apenas

considerando a reduo no consumo de energia eltrica.

No caso especfico de sistemas de refrigerao, pode-se obter ganho de eficincia

reduzindo-se a velocidade do compressor sempre que no for necessria a capacidade mxima

de refrigerao. As altas velocidades de operao ficam reservadas para refrigerao rpida,

ou para quando o refrigerador for abastecido com alimentos com temperaturas superiores

temperatura interna do ambiente controlado, ou seja, o uso de um controle de velocidade

varivel neste tipo de produto proporcionar uma reduo no consumo de energia eltrica.

Para fins de verificao do novo sistema, considerando-se restries laboratoriais, ser

implementado um prottipo com potncia ativa de aproximadamente 1kW, para o pr-

regulador retificador de entrada e de 750W para o inversor trifsico do estgio de sada, para

uma aplicao em sistemas de refrigerao, conforme figura 1.8, onde o compressor utilizado

26

do tipo aberto, Bitzer modelo 1, acionado por correia, atravs de acoplamento mecnico

(polias) com o motor trifsico de induo.

Pr-ReguladorZCS-PWM

(ou ZCS-FM)

Sistema deRefrigeraoMotor Trifsico

de Induo

Inversor 2nveis, com

controle vetorial(ou escalar)

VCC 3

Protees

Controle de TemperaturaLgica VHDLDSP

Controle do Inversor(Velocidade do Motor)

Controle Pr-Regulador

Referncias de Tensoe de Corrente

1 CA 60 Hz97V-260V

Figura 1.8 Novo sistema de refrigerao proposto.

Logicamente, para este nvel de potncia especificado, o sistema de alimentao ser

monofsico. Entretanto, para potncias superiores, com o sistema de alimentao em corrente

alternada sendo trifsico, toda a tcnica poder ser facilmente adaptada, incluindo-se a

coneco de retificador trifsico de entrada com elevado fator de potncia . Portanto, a

especificao limite para a potncia ativa do prottipo a ser implementando, deve-se nica e

exclusivamente s restries instrumentais e laboratoriais admitidos para esta pesquisa.

Neste trabalho, ser analisada somente a variao na velocidade do compressor como

varivel de controle do ciclo de compresso a vapor, sendo que a expanso provocada pela

vlvula ser considerada constante. Como se trata de velocidade varivel, ser considerado os

problemas da qualidade da energia associados aos acionamentos de motores de corrente

alternada.

Conforme se verifica na proposta apresentada na figura 1.8, utilizar-se- um estgio de

entrada retificador com correo ativa do fator de potncia, utilizando-se tcnicas de

comutao no dissipativa para obteno de rendimento elevado e pleno atendimento s

normas IEC 61000-3-2. O estgio de entrada utilizado composto por um retificar boost,

monofsico, com elevado fator de potncia, com duas clulas entrelaadas, operando no modo

de conduo crtica, empregando tcnica de comutao suave (soft-swinching) do tipo ZCS

(Zero-Current-switching) e controlado por dispositivo FPGA (Field Programmable Gate

Array) [15]. Este retificador de entrada proposto permite a operao em uma faixa universal

de tenso de alimentao (97V-260V eficazes).

O estgio de sada composto por uma ponte inversora, dois nveis, trifsica IGBT

(VSI Voltage Source Inverter), controlada por DSP (Digital Signal Processor) [16].

27

Portanto, o acionamento do motor de induo trifsico, realizado pelo estgio de sada

inversor, desenvolvido para o controle efetivo da temperatura em uma cmera de

refrigerao com dimenses de aproximadamente 0,65m de largura, por 0,65m de

comprimento, por 0,62m de altura. O ciclo trmico proposto para um compressor aberto

Bitzer modelo 1, acionado por correia associada s polias do mesmo e do motor de induo

trifsico.

Para o controle da temperatura, ou seja, para o controle do acionamento, so

desenvolvidas duas tcnicas de controle de velocidade do motor de induo trifsico. A

primeira tcnica baseada no controle convencional Volts/Hertz (V/Hz), ou seja, controle

escalar clssico, e a segunda metodologia, implementada para fins de comparao da

performance das tcnicas de acionamento, baseada no controle vetorial.

Portanto, esta dissertao pode ser dividida em trs segmentos distintos.

Primeiramente, o estgio de entrada, composto por um retificador monofsico com elevado

fator de potncia, cujo objetivo garantir a qualidade da energia processada. Na seqncia, o

estgio inversor, composto por uma topologia trifsica dois nveis convencional, que

proporcionar o controle de velocidade do motor de induo trifsico atravs do uso do DSP

TMS320F2812, da Texas Instruments. Ser utilizado o convencional controle escalar (V/Hz),

ou controle vetorial no acionamento do motor, o qual est acoplado ao compressor, garantido

desta forma o controle da temperatura, a eficincia energtica e a performance do sistema de

refrigerao. Finalmente, o sistema de refrigerao propriamente dito, tambm chamado de

ciclo de compresso a vapor, o qual ser modelado dinamicamente, com o objetivo de

estabelecerem-se os parmetros de realimentao para o efetivo controle da temperatura.

28

2 Estgio de entrada com elevado fator de potncia

2.1 Introduo

Nos ltimos anos, assuntos relacionados com a qualidade da energia nas redes de

distribuio de energia eltrica tm recebido considervel ateno de pesquisadores, com

objetivo de analisar e propor solues para problemas relacionados com as componentes

harmnicas de correntes, devido proliferao de cargas no- lineares, neste contexto inclui-

se as pontes retificadoras convencionais a diodos aplicadas em acionamentos de corrente

alternada [17]. Conversores retificadores para correo ativa do fator de potncia (CFP) tm

sido extensamente usados para melhorar a qualidade da energia, com o objetivo principal de

atender s restries impostas por normas internacionais, tais como as IEC61000-3-2 e 61000-

3-4 [18 23].

Entretanto, apesar da emulao de elevado fator de potncia, quando da operao em

freqncias elevadas e potncias superiores de 1kW, as tcnicas convencionais de comutao

(dissipativas) levam obteno de reduzidos valores para os rendimentos das estruturas,

devido ao elevado aumento das perdas durante as comutaes, alm do aumento dos esforos

de tenso e corrente (derivadas elevadas, principalmente para potncias elevadas), com

conseqente aumento das interferncias de origem eletromagntica.

Uma das maneiras de se aumentar o rendimento de estruturas que utilizam

semicondutores que operem sob elevadas freqncias a utilizao de topologias que

propiciem a comutao no-dissipativa, ou seja, comutao com perdas nulas. Pode-se obter

tal comutao de duas formas distintas:

1. Tcnica ZVS: Do ingls, Zero-Voltage-Switching. O princpio bsico desta

tcnica consiste em anular a tenso sobre o semicondutor antes de sua entrada

em conduo, ou seja, antes que comece a fluir corrente atravs do mesmo;

2. Tcnica ZCS: Do ingls, Zero-current-Switching. Como sugere o prprio

nome, deve-se anular a corrente que flui atravs do semicondutor antes de se

comand-lo ao bloqueio, ou seja, antes que a tenso sobre o mesmo comece a

crescer.

Entretanto, para potncias elevadas, os MOSFETs introduzem elevadas perdas em

conduo e os interruptores do tipo IGBT so normalmente uma opo a reduo destas

perdas.

29

Desta forma, empregando-se IGBTs, a tcnica ZVS no mais oferece condies de

aplicabilidade, principalmente pela caracterstica da presena da corrente de cauda durante

o processo de bloqueio dos IGBTs.

2.1.2 Tcnicas de controle para emulao de elevado fator de potncia

A emulao da forma de onda da corrente depende da tcnica de controle a ser

adotada. Como algumas das principais tcnicas de controle para emulao de elevado fator de

potncia, pode-se citar:

i) Controle por modo de conduo descontnua

Tambm conhecido como controle automtico, uma vez que o conversor Boost

operando desta forma considerado como um simples seguidor de tenso. Basicamente, seu

princpio de funcionamento consiste na simples limitao da razo cclica mxima da chave,

com o intuito de evitar que a corrente que circula atravs do indutor Boost torne-se contnua.

Assim sendo, possvel obter uma corrente de entrada cuja forma de onda siga

automaticamente a forma de onda da tenso de alimentao em corrente alternada. A figura

2.1 mostra, de maneira simplificada, o comportamento da corrente de entrada durante um

semiciclo da rede CA.

Figura 2.1 Forma de onda da corrente de entrada de um conversor Boost CA/CC operando no modo

de conduo descontnua.

30

Como uma das principais desvantagens desta tcnica de controle, pode-se citar a

existncia de esforos de corrente relativamente altos sobre o semicondutor, uma vez que a

corrente de entrada deve excursionar , partindo do zero, at um valor mximo proporcional

tenso de alimentao. Tal fato acarreta perdas em conduo e de comutao, durante o

bloqueio, no semicondutor, alm da intensificao dos rudos eletromagnticos, devido aos

elevados valores de di/dt e de dv/dt.

As principais vantagens deste modo de controle so: Controle simplificado, uma vez

que a corrente segue naturalmente a tenso de entrada, necessitando apenas de uma malha de

regulao de tenso. Reduo das perdas de comutao no diodo Boost, pois a corrente

atravs do mesmo extingue-se naturalmente e reduo das perdas na entrada em conduo da

chave principal, sendo corrente nula neste instante.

Para que se obtenha uma corrente de elevada qualidade, minimizando-se o ripple de

chaveamento, necessita-se de um filtro de entrada que, em funo da potncia processada,

pode se tornar volumoso.

Desta forma, esta tcnica naturalmente destinada para aplicaes em baixas

potncias, tipicamente inferiores a 500W.

ii) Controle por modo de conduo crtica.

O controle realizado a partir do sensoriamento da corrente que flui atravs do indutor

Boost, fazendo com que a chave seja comandada conduo no exato instante em que esta

corrente chega a zero. No modo de conduo crtica, o tempo de conduo da chave

constante, fazendo com que a freqncia de operao da mesma deva ser varivel. A figura

2.2 apresenta, de maneira simplificada, a forma de onda da corrente de entrada drenada por

uma estrutura que se utiliza deste mtodo de controle.

31

Figura 2.2 Forma de onda da corrente de entrada de um conversor Boost CA/CC operando no modo

de conduo crtica.

Analisando-se a forma de onda da figura 2.2, nota-se que os esforos de corrente so

bastante elevados, fato tambm verificado na tcnica de controle no modo de conduo

descontnua. Desta forma, alm dos problemas decorrentes dos esforos de corrente, tais

como elevadas perdas e considervel nvel de EMI, tem-se ainda a necessidade de operao

em freqncia varivel. Assim, os elementos acumuladores de energia (indutores e

capacitores) devem ser dimensionados para mnima freqncia de operao, aumentando o

seu volume fsico. Neste modo de operao, os efeitos relacionados com a recuperao

reversa do diodo Boost so minimizados, uma vez que a corrente atravs do mesmo se anula

com reduzida derivada, durante o bloqueio, a cada perodo de chaveamento. Alm disso, a

entrada em conduo do interruptor Boost sempre com corrente nula, porm, a freqncia

de chaveamento varivel.

Por outro lado, a operao na regio de fronteira, exige filtragens adicionais da

corrente de entrada e produz picos de correntes que so no mnimo duas vezes o valor mdio

da corrente de entrada, por ciclo de chaveamento. Isto geralmente indesejvel para elevadas

potncias em aplicaes de correo do fator de potncia.

iii) Controle por modo de conduo contnua.

As tcnicas de controle que se baseiam neste modo de conduo consistem no

sensoriamento da corrente que flui atravs do indutor Boost (ou do interruptor principal),

fazendo com que esta siga uma referncia senoidal (cossenoidal). Como resultado, tem-se

uma corrente de entrada com uma forma de onda bastante prxima forma da tenso de

alimentao. Como vantagens adicionais destacam-se a reduo dos esforos de corrente nos

32

semicondutores, a reduo dos rudos de origem eletromagntica, menores perdas em

conduo a reduo dos filtros de EMI.

Varias so as tcnicas de controle que implementam este modo de operao. Dentre as

principais destacam-se:

Controle por histerese: A partir da amostra da tenso de alimentao gera-se uma envoltria para a qual a corrente de entrada dever se adequar.

Controle por corrente de pico imposta: Os picos da corrente que flui atravs do semicondutor so limitados, um a um, em um valor proporcional tenso de

alimentao. Assim sendo, se os picos seguem a forma de onda da tenso de

alimentao, a corrente como um todo possuir uma forma de onda bastante

prxima desejada. Contudo, esta tcnica necessita de compensao de rampa,

para a estabilidade, e de circuito multiplicador, para regulao da tenso de

sada.

Controle por valores mdios instantneos de corrente: A tcnica consiste na gerao de uma corrente de referncia, que na verdade uma imagem da

tenso de alimentao retificada do conversor, para que esta possa ser seguida

atravs do indutor Boost.

A forma de onda da corrente de entrada para o modo de conduo continua por valores

mdios representada, de maneira simplificada, na figura 2.3.

Figura 2.3 Forma de onda da corrente de entrada de um conversor Boost CA/CC operando com

controle por valores mdios instantneos de corrente.

33

2.2 Estgio de entrada do sistema de refrigerao

O estgio de entrada proposto, conforme discutido no captulo 1, pode reduzir

significativamente as perdas durante as comutaes, incluindo reduzidas perdas por

recuperao reversa dos diodos, resultando em elevada eficincia, elevada densidade de

potncia e reduzida emisso de IEM [12].

Este novo sistema permitir a operao em uma faixa universal de tenso de

alimentao (97V-260V, eficazes), com fator de potncia aproximadamente unitrio e

distores harmnicas da corrente de entrada de acordo com as normas IEC61000-3-2. Todos

os resultados e anlises para este conversor foram desenvolvidas por Gonalves [24] e sero

descritas neste trabalho de forma informativa.

2.2.1 Conversor CA/CC Boost Interleaving

Observa-se que a topologia mais largamente adotada e empregada para a correo

ativa do fator de potncia no estgio de entrada de fontes de alimentao o retificador Boost,

operando no Modo de Conduo Contnua (MCC) e com imposio da forma de onda da

corrente de entrada. Todavia, entre as principais desvantagens desta tcnica esto as perdas

relacionadas com a recuperao reversa no bloqueio do diodo Boost, uma vez que o modo de

conduo contnuo. Estas perdas podem ser minimizadas se o conversor tiver seu modo de

operao modificado para a regio de fronteira entre a continuidade e a descontinuidade,

denominada de regio crtica, onde o bloqueio do diodo Boost acontece de forma natural, pois

a corrente se anula a cada perodo de chaveamento. Entretanto, a operao na regio de

fronteira, MCCr, exige filtragens adicionais da corrente de entrada e produz picos de correntes

que so no mnimo duas vezes o valor mdio da corrente de entrada, por ciclo de

chaveamento. Isto geralmente indesejvel para elevadas potncias em aplicaes de

correo do fator de potncia. Conseqentemente, estas desvantagens podem ser aliviadas se

dois ou mais conversores operarem com entrelaamento (interleaved operation).

Conversores de potncia com entrelaamento referem-se interconexo de mltiplas

clulas para as quais a freqncia de chaveamento a mesma, contudo, os pulsos de controle

so defasados em fraes iguais do perodo de chaveamento. Esta associao diminui a

amplitude da ondulao (ripple) da corrente no estgio de entrada e eleva a freqncia desta

ondulao, sem aumentar as perdas de chaveamento ou os esforos sobre os componentes.

34

Um sistema entrelaado pode proporcionar redues nas exigncias de filtragem e

armazenamento de energia, resultando em aumento da densidade da converso de potncia,

sem sacrificar a sua eficincia. A figura 2.4 mostra uma exemplo da configurao dupla do

conversor Boost, composto por duas clulas PWM conectadas em entrelaamento, desta

tcnica para o inV a tenso retificada instantnea.

D1L1

S1

D2L2

VinS2

+

-

iLin

iL2

iL1 iD1

iD2

C

+

-

iDout

VC

Figura 2.4 Entrelaamento de duas clulas de topologia boost PWM.

2.2.2 Conversor CA/CC Boost do tipo Interleaving com Comutao no Dissipativa

O conversor bsico CA/CC Boost Interleaved proposto uma aplicao da tcnica de

interleaving, atravs do emprego de uma derivao da clula de comutao ZCS analisada

em [25] e apresentada na figura 2.5(a). Na clula de comutao ZCS-PWM apresentada na

figura 2.5(b), o diodo D1 deslocado deixando de estar localizado em srie com o diodo D2, e

conseqentemente no caminho de transferncia de energia para o estgio de sada [26].

35

CrLr1 Lr2

D2Lin

DSpSp DSaSa

D1 D1

CrLr1 Lr2

D2Lin

DSpSp DSaSa

(a) Clula ZCS-PWM (b) Clula ZCS-PWM modificada

Figura 2.5 Clulas de comutao ZCS-PWM.

Apesar da topologia da clula de comutao ser anloga quela analisada em [25],

com a imposio da operao no modo crtico todas as anlises envolvendo as etapas de

funcionamento, a obteno do ganho esttico e metodologia de projeto foram novamente

deduzidas por Gonalves em [24].

Neste contexto, prope-se a aplicao da clula ZCS modificada para permitir a

eliminao das perdas durante o bloqueio do interruptor principal, devido ao fato de que no

modo de operao com conduo crtica, o valor de pico da corrente atravs deste interruptor,

no instante do seu bloqueio, bem superior quele no modo de conduo contnua,

considerando-se as mesmas condies de projeto e potncia processada.

Adicionalmente, uma vez que o modo de conduo crtica permite a entrada em

conduo do interruptor principal (Sp) de maneira no dissipativa com corrente nula (ZCS) e o

bloqueio do diodo D2 atravs de uma derivada suave, tem-se ainda nesta estrutura proposta a

entrada em conduo ZVS do diodo D2.

Para os interruptores auxiliares, ter-se-o comutaes tambm no dissipativas, do tipo

ZCS na entrada em conduo de Sa, com bloqueio com tenso e corrente nulas (ZCZVS),

assim como a entrada em conduo ZVS do diodo auxiliar (D1).

Portanto, sendo todas as comutaes no dissipativas e com a minimizao da

recuperao reversa de D2, ter-se- uma estrutura com reduzido nvel de interferncia

eletromagntica e elevado rendimento, uma vez que as perdas em conduo nos elementos

auxiliares so desprezveis quando comparadas com as perdas em conduo dos dispositivos

semicondutores principais Sp e D2.

A figura 2.6 ilustra o diagrama esquemtico do conversor simplificado CA/CC Boost

Interleaved, empregando duas clulas de comutao e comutao no dissipativa, atravs do

emprego da clula de comutao apresentada na figura 2.5(b).

36

Figura 2.6 Circuito bsico do conversor CA/CC Boost ZCS-FM Interleaved.

O nmero aps o hfen inserido no final do ndice de cada componente da figura 2.6

indica de qual clula o mesmo integrante.

Observa-se ainda na figura 2.6 que cada clula de comutao composta por um

interruptor principal (Sp-i), um interruptor auxiliar (Sa-i), ambos com diodos associados em

anti-paralelo com os mesmos (DSp-i e DSa-i, respectivamente). Em cada clula, tem-se um

diodo principal (D2-i) e um diodo auxiliar (D1-i), alm dos parmetros ressonantes compostos

pelos elementos passivos (Lr1-i, Lr2-i e Cr-i).

Em funo da tcnica de comutao ZCS propiciada pela estrutura proposta, os

interruptores ativos sero do tipo IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), com diodos

encapsulados em anti-paralelo com os mesmos.

2.2.2.1 - Etapas de Funcionamento e Principais Formas de Onda

Partindo da imposio que todas as clulas integrantes do conversor sero

consideradas idnticas, ou seja, possuiro a mesma topologia e todas as intensidades dos

componentes armazenadores de energia sero as mesmas, as etapas de funcionamento do

conversor global podem ser analisadas atravs das etapas de funcionamento de uma clula

genrica (i), pois, as demais clulas operam de maneira anloga.

Em regime permanente uma clula genrica da estrutura retificadora Boost ZCS

analisada excursiona por oito etapas de funcionamento durante um perodo de chaveamento.

As etapas de funcionamento de uma clula genrica da topologia conversora proposta so

mostradas na figura 2.7, e as principais formas de ondas idealizadas atravs dos elementos

ressonantes so mostradas na figura 2.8, considerando-se um perodo genrico de

funcionamento.

37

A figura 2.9 ilustra as principais formas de ondas tericas dos esforos nos

semicondutores, para uma clula genrica da estrutura retificadora Boost ZCS analisada,

durante um perodo de funcionamento genrico.

D1

CrLr1 Lr2

D2Lin

Vin

DSpSp DSaSa

V0

Etapa 1 (t0, t1)

D1

CrLr1 Lr2

D2Lin

Vin

DSpSp DSaSa

V0

Etapa 2 (t1, t2)

D1

CrLr1 Lr2

D2Lin

Vin

DSpSp DSaSa

V0

Etapa 3 (t2, t3)

D1

CrLr1 Lr2

D2Lin

Vin

DSpSp DSaSa

V0

Etapa 4 (t3, t4)

D1

CrLr1 Lr2

D2Lin

Vin

DSpSp DSaSa

V0

Etapa 5 (t4, t5)

D1

CrLr1 Lr2

D2Lin

Vin

DSpSp DSaSa

V0

Etapa 6 (t5, t6)

D1

CrLr1 Lr2

D2Lin

Vin

DSpSp DSaSa

V0

Etapa 7 (t6, t7)

D1

CrLr1 Lr2

D2Lin

Vin

DSpSp DSaSa

V0

Etapa 8 (t7, t8)

Figura 2.7 - Etapas de funcionamento referentes a uma clula genrica do conjunto retificador em

interleaving. Sendo que Vin significa a tenso de entrada instantnea.

38

t1 t2 t3t0 t4 t5 t6 t7 t8

t

t

t

t

IP5

V5

IP7IP6

IP1 IP2

IP1

D.T

iLin(t)

iLr1(t)

vCr(t)

V6V3 V4

IP2 IP3 IP4

I4cI4b

I2a I3a

V0 V0

iLr2(t)

E-1 E-2 E-3 E-4 E-5 E-6 E-7 E-8 Figura 2.8 - Principais formas de onda tericas, para uma clula da estrutura retificadora Boost ZCS.

39

t

t

t 1 t 2 t 3t 0 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8

t

t

t

I P 7

I P 1

v S p ( t )i S p ( t )

V 6I P 2

I 2 a I 3 a

V 0

V 0

I P 7V 0

V 0V 5 V 6v S a ( t )i S a ( t )

v D 1 ( t )i D 1 ( t )

v D 2 ( t )i D 2 ( t )

v g S a ( t )

v g S p ( t )

t S a

t

t S p

t o f f

E - 1 E - 2 E - 3 E - 4 E - 5 E - 6 E - 7 E - 8

Z C S Z C Z V S

Z C Z V SZ C S

Z V S

Z V S

Z C S

Figura 2.9 - Principais formas de onda tericas dos esforos nos semicondutores, para uma clula da

estrutura retificadora Boost ZCS.

As anlises de cada etapa de funcionamento de uma clula, so apresentadas no

decorrer desta seo. No desenvolvimento foram admitidas as seguintes hipteses de

simplificao:

Os semicondutores so considerados como interruptores ideais, sendo assumidos como curtos-circuitos quando em conduo e circuitos abertos

quando bloqueados;

O filtro de sada (C0) em conjunto com a carga (R0) pode ser representado por uma fonte de tenso constante (V0), igual ao valor nominal da tenso na carga;

A tenso de entrada retificadora Vin considerada constante, para cada perodo genrico de chaveamento.

40

Etapa 1 [t0, t1] Esta etapa de funcionamento tem o seu incio no instante de tempo t=t0, onde o

interruptor principal Sp comandado para a conduo com corrente nula (ZCS), conforme a

figura 2.10. A corrente atravs do indutor boost Lin, parte do seu valor nulo, crescendo de

forma linear regida pelas intensidades da tenso da fonte de entrada, da indutncia boost e da

indutncia ressonante Lr1.

D1

CrLr1 Lr2

D2Lin

Vin

DSpSp DSaSa

V0

Figura 2.10 Primeira etapa de funcionamento.

Etapa 2 [t1, t2] No instante de tempo t=t1 o interruptor auxiliar Sa comandado para a conduo com

corrente nula (ZCS), conforme figura 2.11.

D1

CrLr1 Lr2

D2Lin

Vin

DSpSp DSaSa

V0

Figura 2.11 Segunda etapa de funcionamento.

Inicia-se o perodo de ressonncia entre os componentes Lr2 e Cr, o que proporciona

um crescimento senoidal da corrente atravs do indutor ressonante Lr2 e um decrescimento co-

senoidal da tenso sobre o capacitor ressonante Cr,

41

Etapa 3 [t2, t3] Esta etapa tem incio com a entrada em conduo ZVS do diodo D1, sendo regida por

uma nova freqncia de ressonncia, pois com a entrada do diodo D1 h a interconexo entre

os dois circuitos que vinham funcionando separadamente na etapa anterior, conforme a figura

2.12.

A tenso sobre o capacitor ressonante Cr passa a crescer de forma ressonante, mas com

polaridade negativa, conforme figura 2.8. Observa-se tambm que a tenso sobre Cr, durante a

sua excurso por esta etapa, passa pelo seu mximo valor negativo (pico).

D1

CrLr1 Lr2

D2Lin

Vin

DSpSp DSaSa

V0

Figura 2.12 Terceira etapa de funcionamento.

De forma ressonante, as correntes atravs dos indutores ressonantes Lr1 e Lr2

decrescem, at o instante de tempo t=t3, onde a corrente que flui atravs de Lr1 chega zero.

Etapa 4 [t3, t4] Esta etapa comea com a entrada em conduo do diodo DSp, associado em

antiparalelo com o interruptor SP, o qual comea a assumir a conduo da corrente atravs do

indutor ressonante Lr1, que agora flui em seu sentido negativo, conforme a figura 2.13.

D 1

CrLr1 Lr2

D 2L in

V in

D SpSp D SaSa

V 0

Figura 2.13 Quarta etapa de funcionamento.

42

Assim, as correntes atravs dos indutores Lin, Lr1 e Lr2 e a tenso sobre o capacitor Cr

continuam a evoluir de forma ressonante.

Durante esta etapa de funcionamento seria possvel comandar para o bloqueio o

interruptor principal Sp em condies de corrente e tenso nulas (ZCZVS). Entretanto, apesar

da circulao de corrente somente atravs de DSp, o bloqueio de Sp se dar conjuntamente

com Sa.

Esta etapa termina no instante de tempo t=t4, momento em que a corrente que flui pelo

indutor ressoante Lr2 chega a zero, fazendo com que o diodo DSa associado em antiparalelo

com o interruptor auxiliar Sa entre em conduo assumindo esta corrente atravs de Lr2.

Etapa 5 [t4, t5] Esta etapa tem incio com a entrada em conduo do diodo DSa em anti-paralelo com o

interruptor auxiliar, assumindo a excurso negativa da corrente que flui atravs do indutor

ressonante Lr2, conforme a figura 2.14.

D1

CrLr1 Lr2

D2Lin

Vin

DSpSp DSaSa

V0

Figura 2.14 Quinta etapa de funcionamento.

Assim, as correntes atravs dos indutores Lin, Lr1 e Lr2 e a tenso sobre o capacitor Cr

continuam a evoluir de forma ressonante.

Nesta etapa de funcionamento propiciam-se condies de tenso e corrente nulas para

o interruptor auxiliar Sa, permitindo seu bloqueio, conjuntamente com o interruptor principal

SP, com comutao no dissipativa do tipo ZCZVS, conforme figura 2.9.

O trmino desta etapa marcado pelo fato da corrente atravs do indutor Lr2 voltar a

se anular, fazendo com que o diodo DSa seja bloqueado por corrente nula (ZCS).

Para garantir a comutao do tipo no dissipativa em ambos os interruptores (SP e Sa),

ou seja, que as etapas de funcionamento ocorram da maneira terica esperada, deve-se

garantir por meio de restries impostas, em funo dos parmetros de normalizao, que a

corrente atravs do indutor ressonante Lr1 chegue zero, na ressonncia, antes da corrente

43

atravs do indutor ressonante Lr2. Adicionalmente, deve-se garantir tambm que a corrente

atravs do indutor ressonante Lr2 chegue a zero e que exista uma parcela negativa, de

intensidade estipulada, durante esta etapa.

Etapa 6 [t5, t6] Esta etapa inicia no instante de tempo t = t5, com o bloqueio do diodo DSa com

corrente nula (ZCS), removendo o brao do circuito da clula que continha o interruptor

auxiliar Sa e o indutor ressonante Lr2, conforme a figura 2.15.

D1

CrLr1 Lr2

D2Lin

Vin

DSpSp DSaSa

V0

Figura 2.15 Sexta etapa de funcionamento.

A corrente atravs do indutor ressonante Lr1 decresce de forma ressonante, at que no

instante de tempo t=t6 se anula. Conseqentemente, ocorre o bloqueio o diodo DSp com

corrente nula (ZCS).

Etapa 7 [t6, t7] Esta etapa tem seu incio demarcado com o bloqueio do diodo DSp associado em anti-

paralelo com o interruptor principal, conforme a figura 2.16.

D1

CrLr1 Lr2

D2Lin

Vin

DSpSp DSaSa

V0

Figura 2.16 Stima etapa de funcionamento.

44

A corrente atravs do indutor boost Lin e a tenso sobre o capacitor ressonante Cr

variam de forma ressonante.

Esta etapa tem o seu trmino determinado pelo instante de tempo em que o capacitor

ressonante Cr atinge o valor da tenso de sada VO, fazendo com que o diodo D2 entre em

conduo com condies de tenso nula (ZVS), conforme figura 2.9, provocando o bloqueio

do diodo auxiliar D1.

Etapa 8 [t7, t8] Esta etapa tem o seu incio com a entrada em conduo do diodo D2, realizando a

interconexo entre o elemento armazenador de energia, o indutor boost Lin e a carga,

representada pela fonte de tenso VO, ocorrendo assim transferncia de energia para a carga,

conforme a figura 2.17.

A corrente atravs do indutor Lin decresce de forma linear, enquanto a tenso sobre o

capacitor ressonante fica grampeada em VO.

D1

CrLr1 Lr2

D2Lin

Vin

DSpSp DSaSa

V0

Figura 2.17 Oitava etapa de funcionamento.

O final desta etapa ocorre no instante de tempo t=t8, instante em que a corrente atravs

de Lin chega zero, fazendo com que o diodo D2 seja bloqueado com corrente nula (ZCS),

onde o decrscimo da corrente ocorre com uma derivada suave, conforme a figura 2.9.

Todas as etapas descritas anteriormente evoluem de forma anloga durante a variao

senoidal da tenso de alimentao em corrente alternada, para cada perodo de chaveamento.

45

2.3 Resultados de Simulao

Sero apresentas os principais resultados de simulao para um exemplo de projeto do

pr-regulador retificador Boost-ZCS em inteleaving, com duas clulas. Para exemplificar o

funcionamento deste conversor, especificam-se os parmetros de projeto na tabela 2.1.

Tabela 2.1 Dados para o projeto.

Parmetro Intensidade Vin 220 V

VO 400 V

PO 1 kW

fs 50 kHz

Nmero de Clulas 2

Onde:

Vin = Valor eficaz nominal de tenso de alimentao;

V0 = Valor mdio nominal da tenso de sada do estgio retificador;

P0 = Valor nominal da potncia mdia na carga;

fs = Freqncia nominal de chaveamento.

A principal forma de onda para o Pr-regulador Retificador CA/CC Boost ZCS-FM

Interleaving, com duas clulas, apresentado na figura 2.18, operando no modo de conduo

crtica, obtidas atravs de simulaes utilizando o software Pspice, apresentada na figura

2.19.

Carga

CO RO

IO(t)

Vin(t)

Estgio Entrada

Iin(t) Iin-1(t)

Iin-2(t)

IO-1(t)

IO-2(t)D1-2

Cr-n

Lr1-2 Lr2-2

D2-2Lin-2

DSp-n DSa-n

Sa-nSp-n

Clula de Comutao 2

D1-1

Cr-1Lr1-1 Lr2-1

D2-1Lin-1

DSp-1 DSa-1

Sa-1Sp-1

Clula de Comutao 1

428,4H28,5H 19,9H

10nF

428,4H28,5H 19,9H

220F 160

Figura 2.18 Pr-regulador Retificador CA/CC Boost ZCS-FM Interleaving, com duas clulas.

46

Figura 2.19 Formas de onda de corrente e tenso de entrada para o pr-regulador .

A figura 2.19 mostra a forma de onda de corrente e tenso de entrada, durante um

perodo da rede de CA, para o pr-regulador CA/CC Boost Interleaved, operando com carga

nominal.

O espectro harmnico da corrente de entrada e um grfico comparativo das amplitudes

das componentes harmnicas, com os respectivos limites impostos pela norma IEC-61000-3-

2, mostrado na figura 2.20. Constata-se que as componentes harmnicas esto com

amplitudes bem abaixo dos limites impostos pela norma internacional. Alm disso, a anlise

das componentes harmnicas presentes na corrente resultou em uma taxa de distoro

harmnica da corrente em torno de 6,9%, resultando em um fator de potncia elevado de

aproximadamente 0,99.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150

0.5

1

1.5

2

2.5IEC 61000-3-2 Classe A Limites

Ordem Harmnica

Cor

rent

e (A

)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

Comp. Harmnicas da Corrente de Entrada

Ordem Harmnica

Cor

rent

e (A

)

Figura 2.20 Amplitudes das componentes harmnicas da corrente de entrada e os limites impostos

pela IEC 61000-3-2, Classe A.

47

2.4 Estratgias de controle

Existem vrios circuitos integrados (CI) de baixo custo que oferecem o controle no

modo de conduo crtica para um conversor boost. Entretanto, no h CIs disponveis

capazes de providenciar uma operao ideal de defasagem entre as clulas, requeridas para

tcnica de entrelaamento, junto com o modo de conduo crtica. Usualmente, devido ao

perodo de chaveamento varivel, inerente tcnica, a soluo para a determinao da

defasagem ideal leva necessidade de circuitos analgicos de controle relativamente

complexos. Neste contexto, o controle digital pode ser facilmente incorporado nesta tarefa,

monitorando o perodo de chaveamento e permitindo elevada performance para a tcnica de

entrelaamento. Assim, o controle digital baseado em dispositivos lgicos programveis, tais

como os FPGAs (Field Programmable Gate Array), pode permitir metodologia de projeto de

baixo custo e simplicidade, principalmente para os FPGAs onde a linguagem de descrio de

hardware, VHDL (Hardware Description language), permite a descrio de sistemas digitais

usando modelos comportamentais [27].

A figura 2.21 mostra o algoritmo de controle para o estgio de entrada do retificador

interleaved com elevado fator de potncia. O dispositivo FPGA Xilinx XC2S200E-pq208-6C

foi empregado e montado na placa de desenvolvimento D2E da DIGILENT Inc. O controle da

corrente de entrada por valores de pico para impor o bloqueio dos interruptores principais.

Assim, quando a corrente atravs dos interruptores principais alcana um dado valor de

referncia, seus sinais de comando (gate) so impostos para o nvel baixo. Alm disso, a

tcnica garante a entrada em conduo dos interruptores principais com corrente nula, e, o

comando informado que o comeo de cada perodo de chaveamento est referenciado no

nvel de transio de baixo para alto dos sinais de gate.

Uma das clulas de comutao ZCS do retificador boost adotada como referncia

para as defasagens requeridas para a tcnica de entrelaamento. Apesar da operao com

freqncia varivel, o perodo de chaveamento das clulas quase constante considerando-

se perodos de comutao anterior e posterior. Ento, com o propsito de se determinar a

defasagem ideal, considerando-se a clula de referncia, informaes de seus perodos de

chaveamento precedentes so usadas. Particularmente, o controle digital monitora a borda de

subida do sinal de gate do interruptor principal da clula de referncia. O compensador de

tenso para o estgio de entrada um PI (Proporcional e Integral) com um plo na origem e

outro em alta freqncia, e, um zero em baixa freqncia, como mostra a figura 2.21.

48

V0(t)

ILin-2(t)

Deteco de corrente Zero

iLin-2[n]

PWM Digital

Gate_Sp_2[n]

Gate_Sa_2[n]

Switch on-timetON - [i ]

ZERO_DETECT.VHDL

DPWM.VHDL

CRITICO2CEL. VHDL

Perodo de controle

PERIOD_CTRL.VHDL

Determinao

PERIOD.VHDL

Gate_Sp[n]

< Clula de referncia >

DPWM.VHDLZERO_DETECT. VHDL

ILin-1(t)

ADCONV_2.VHDL

iLin-1[n] iLin -1[n]

GC(z)PI

Vin[n]

V0-Ref

eV0[n]V0[n]

LimitadorSwitch on-time

tON - [i]

Vin(t)

V_CTRL.VHDL

Gate_Sa[n]

Gate_Sp[n]

iLin-2[n]

DescrioComportamental

do PCC( PeakCurrent Control)

Con

vers

ores

A/D

( )[ ][ ],IN Lin if V n i

Phase- Shift

Deteco de corrente Zero

PWM Digital

Figura 2.21 - Diagrama de blocos do algoritmo de controle para o estgio de entrada retificador

entrelaado com elevado fator de potncia.

2.5 Resultados Experimentais

A estrutura proposta e implementada foi alimentada com valor nominal da tenso de

entrada (220Veficazes) e carga nominal por clula, totalizando uma potncia de sada de 1000W

na operao com duas clulas.

A figura 2.22 apresenta o resultado experimental para a tenso e corrente de entrada,

nas condies de carga nominal e operando com duas clulas de comutao. Adicionalmente,

nenhum tipo de filtro foi utilizado no estgio de entrada nestes ensaios experimentais.

Verifica-se na figura 2.22, relacionada operao com duas clulas de comutao, que

a corrente de entrada encontra-se em fase com a tenso de entrada.

49

0 iin

vin

vin: 100V/div, iin: 5A/div e 2ms/div

0 iin

vin

vin: 100V/div, iin: 5A/div e 1ms/div

PO = 1000W VO 400V 2 clulas de comutao Figura 2.22 Tenso e Corrente de entrada, para carga nominal.

O espectro harmnico da forma de onda da corrente de entrada, representado na forma

porcentual da componente harmnica fundamental, e grficos comparativos das amplitudes

das componentes harmnicas, com os respectivos limites impostos pela norma IEC-61000-3-

2, so mostrados nas figuras 2.23 e 2.24. Constata-se que as intensidades das componentes

harmnicas possuem amplitudes bem abaixo dos limites impostos pela norma internacional, e

que as componentes de ordem impar inicias (terceira, quinta, stima e nona ordens)

apresentam maior relevncia na somatria total das componentes harmnicas.

Figura 2.23 Amplitudes das componentes harmnicas da corrente de entrada e os limites impostos

pela norma IEC 61000-3-2, Classe A.

50

Figura 2.24 Amplitudes das componentes harmnicas da corrente de entrada representadas em valor

porcentuais.

Alm disso, a anlise das componentes harmnicas presentes na forma de onda da

corrente resultou em uma taxa de distoro harmnica da corrente em torno de 6,26%, e um

fator de potncia experimental, medido para a condio de carga nominal, elevado de

aproximadamente 0,989. Observa-se ainda que a taxa de distoro harmnica da tenso de

entrada, nas condies dos resultados apresentados na figura 2.22, foi de 0,324%.

2.6 Concluses

Neste captulo analisou-se o emprego de um arranjo de duas clulas de comutao em

um conversor Boost pr-regulador retificador com tcnica de interleaving, com a finalidade

de alimentar um estgio inversor a dois nveis trifsico, aplicado ao acionamento de um

sistema de refrigerao.

Os resultados de simulao apresentados demonstraram a presena de comutao no

dissipativa nos interruptores das clulas de comutao, durante toda a excurso da tenso de

entrada em CA. Adicionalmente, devido ao modo de conduo crtica empregado, os diodos

D2-i bloqueiam de maneira natural, devido a extino natural da corrente, minimizando-se

as perdas relacionados com a recuperao reversa dos mesmos, possibilitando ainda a reduo

dos fatores que influenciam nos nveis de interferncias eletromagnticas

Obtm-se ainda a reduo da amplitude do ripple da corrente de entrada, em funo

da aplicao da tcnica do interleaving. Desse modo, a anlise do contedo harmnico da

corrente de entrada, para o conversor operando com carga nominal, revelou que as amplitudes

51

das componentes harmnicas esto em valores bem inferiores aos valores mximos impostos

pela norma internacional IEC 61000-3-2. A taxa de distoro harmnica da corrente de

entrada da ordem de 6,9%, resultando num fator de potncia de aproximadamente 0,99.

Os principais resultados para a operao no modo de conduo crtica, com duas

clulas de potncia em interleaving, foram apresentados, considerando-se operao em

carga nominal, verificando-se a plena funcionalidade do circuito de controle digital

implementado.

Observa-se que esta metodologia de implementao e resultados foram obtidos em

Gonalves [24], e aqui proposta para alimentao do sistema de refrigerao em anlise, com

a finalidade da obteno de elevados nveis de qualidade para o processamento da energia. Tal

metodologia do projeto de controle foi desenvolvida para operar com um nmero genrico

n de clulas de comutao, permitindo a ampliao da potncia (aumento do nmero de

clulas em interleaving) de sada.

Adicionalmente, com a imposio do controle dos valores para cada perodo de

chaveamento, tem-se condies de se controlar correntes de inrush, curto-circuito e demais

problemas associados ao acionamento de mquinas de induo.

Observou-se o pleno atendimento da corrente de entrada no que se refere ao contedo

harmnico e limites impostos pela norma IEC 61000-3-2.

52

3 Modelagem do sistema de Refrigerao

3.1 Introduo

Neste captulo apresentam-se os modelos matemticos dos componentes do sistema de

compresso a vapor. A operao do sistema pode ser dividida primariamente em regime

permanente e regime transiente. No regime permanente todas as entradas e sadas so

co