Relatorio Conversores Proj Microsol Jan 2009

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

GRUPO DE PROCESSAMENTO DE ENERGIA E CONTROLE

CONVÊNIO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ/FUNDAÇÃO

ASTEF/MICROSOL TECNOLOGIA S.A

PROJETO: UPS 2kVA Rack

Análise de um Carregador de Baterias e de um Conversor Elevador de Tensão

de um Sistema UPS de 2kVA disponível no Mercado

1

Índice Analítico 1. Introdução................................................................................................................................................................... 2 2. Diagrama de Blocos do Sistema UPS Completo e Estratégia de Funcionamento ...................................................... 2 3. Especificações do Carregador de Baterias Analisado................................................................................................. 3 4. Análise da Estrutura Mecânica do Carregador de Baterias ........................................................................................ 4

4.1 Análise da Estrutura Mecânica do Carregador de Baterias ............................................................................... 4 4.2 Análise da Estrutura Elétrica do Carregador de Baterias.................................................................................... 5

4.2.1 Esquemático de Controle e Potência do Carregador de Baterias................................................................ 5 4.2.2 Análise dos Principais Componentes Utilizados nos Circuitos de Controle e Potência do Carregador ..... 7

5. Resultados Experimentais de Obtidos para o Carregador de Baterias........................................................................ 8 5.1 Resultados Experimentais variando-se Tensão RMS de Entrada do Carregador ............................................... 8 5.2 Resultados Experimentais para Condições de Operação Nominais.................................................................. 14 5.3 Análise do Circuito de Controle do Carregador de Baterias............................................................................. 17

6. Especificações do Conversor Elevador de Tensão Analisado .................................................................................. 19 7. Análise da Estrutura Mecânica do Conversor Elevador de Tensão.......................................................................... 21

7.1 Análise da Estrutura Mecânica do Elevador de Tensão ................................................................................... 21 7.2 Análise da Estrutura Elétrica do Conversor Elevador de Tensão ..................................................................... 21

7.2.1 Esquemático de Controle e Potência do Conversor Elevador de Tensão ................................................. 21 7.2.2 Análise dos Principais Componentes Utilizados nos Circuitos de Controle e Potência do Conversor Elevador de Tensão. ................................................................................................................................................. 23

8. Resultados Experimentais de Obtidos para o Elevador de Tensão........................................................................... 24 8.1 Resultados Experimentais Visando Avaliar a Dinâmica do Conversor e Funcionamento com Carga Desbalanceada .............................................................................................................................................................. 24

9. Conclusões................................................................................................................................................................ 30

2

1. INTRODUÇÃO

Este relatório tem como objetivo de analisar as características relevantes de um carregador de

baterias e de um conversor elevador de tensão que estão integrados a um sistema UPS do tipo rack

de 2kVA disponível no mercado. As características a serem verificadas são: disposição mecânica,

estrutura elétrica, performance de operação, etc. Durante a abordagem de cada tópico serão

realizadas as respectivas explicações técnicas e alguns resultados experimentais.

2. DIAGRAMA DE BLOCOS DO SISTEMA UPS COMPLETO E ESTRATÉGIA DE FUNCIONAMENTO

Conforme a análise da topologia principal da etapa de potência do sistema UPS operando no

modo On-line, foi verificado que a mesma consiste numa das topologias apresentadas na literatura

que possui como característica principal a ligação do ponto comum entre a entrada e a saída. Este

tipo de ligação permite que as UPS’s possam operar no modo bypass sem a utilização de um

transformador isolador, característica muito importante para implementação prática de sistemas

compactos que são montados em Racks de 19”. Por isso, geralmente estas topologias são abordadas

nos artigos científicos como sistemas UPS on-line não isoladas.

O diagrama de blocos simplificado de operação deste sistema UPS não-isolado é apresentado

na Fig. 1. Conforme pode ser observado, o sistema UPS consiste de quatro etapas de potência

principais sendo estas: conversor CA-CC do tipo boost a três-níveis, inversor em meia ponte,

conversor CC/CC isolado para interface entre o banco de baterias e o barramento CC, e carregador

de baterias baseado no conversor CC/CC flyback. A operação deste sistema pode ser dividida em

três modos conforme a análise experimental realizada: o modo rede que às vezes também é

conhecido como modo normal de operação ou simplesmente modo on-line, modo bateria e o modo

bypass.

Fig. 1 - Diagrama de blocos da etapa de potência do sistema UPS analisado.

3

Conforme pode ser observado na Fig. 1 e na análise realizada nas placas do sistema, o

carregador de baterias de maior potência e o de menor potência são ligados na saída do filtro de

EMI principal do sistema, antes do relé Ry1, que é responsável pela conexão/desconexão do sistema

à rede.

Portanto, o carregador de baterias é totalmente independente dos circuitos de potência

principais, o que flexibiliza a utilização de um carregador de baterias de qualquer capacidade sem a

necessidade de redimensionamento do circuito principal.

3. ESPECIFICAÇÕES DO CARREGADOR DE BATERIAS ANALISADO

O carregador de baterias analisado compõe um sistema UPS de 2kVA de um grande

fabricante deste tipo de tecnologia, cuja UPS possui como principais características: estrutura do

tipo rack (2U), não-isolação e tensão de entrada igual a tensão de saída. A Fig. 2 apresenta a

fotografia do carregador de baterias.

Fig. 2 - Fotografia do carregador de baterias.

Dentre as características relevantes deste carregador de baterias nos quais podem ser citados

são:

Isolação galvânica entre a entrada da rede e o banco de baterias;

Executa a carga do banco de baterias com corrente pulsada em 120Hz;

A corrente eficaz de carga das baterias é variável com o nível de tensão eficaz na entrada;

Possui alto fator de potência e baixa distorção harmônica da corrente drenada da rede para

a situação de carga nominal.

4

A seguir será abordado com detalhes a especificação e funcionamento do carregador de

baterias. A Tabela I apresenta as características elétricas de entrada e saída do dispositivo.

TABELA I Principais Especificações do Carregador

Entrada Tensão nominal de entrada 127V Correção do Fator de Potência Sim Freqüência de chaveamento 45kHz Variação de tensão de entrada em que o carregador funciona 70 - 140V

Saída Capacidade de Potência de Saída 700W Quantidade de baterias 8 Corrente nominal de saída 7A Tensão de corte do banco de baterias 86,2V (aproximadamente 10,7V por bateria) Tensão de flutuação 108V (aproximadamente 13,5V por bateria) Eficiência em carga nominal 81,4%

4. ANÁLISE DA ESTRUTURA MECÂNICA DO CARREGADOR DE BATERIAS

Nesta seção serão analisados com detalhes alguns pontos relevantes com relação à disposição

mecânica do carregador de baterias no sistema UPS analisado, bem como o estudo do esquemático

elétrico. Inicialmente será abordado o layout interno do equipamento, enfatizando o carregador que

será focado neste estudo, de forma a entender como está organizada a estrutura interna dos

componentes do sistema.

Logo depois serão apresentados esquemáticos sobre a topologia elétrica levantada do

carregador, com descrições simplificadas de funcionamento e listagem de componentes.

4.1 ANÁLISE DA ESTRUTURA MECÂNICA DO CARREGADOR DE BATERIAS

A Fig. 3 apresenta a visão geral interna do sistema UPS na qual está inserido o carregador de

baterias. Conforme pode ser observado, cerca de 70% do espaço físico é dedicado a placas de

circuito impresso da etapa de potência que constitui os seguintes estágios: elevador de tensão do

banco de baterias, retificador boost a três níveis como interface entre a rede elétrica e o barramento

CC e um inversor em meia ponte na saída. Conforme pode ser também visualizado nesta figura, o

banco de baterias é externo ao rack. Para a utilização de baterias com menor capacidade, a placa

principal é provida de um carregador de baterias com a capacidade de 1A. Para a utilização de

baterias de maior capacidade, um carregador com a potência de 700W é adicionado ao rack,

conforme pode ser observado também na Fig. 3.

5

Fig. 3 - Vista geral superior da disposição interna dos componentes do sistema UPS.

O carregador com maior capacidade constitui numa nova placa independente adicionada ao

sistema anterior. Por ser um dispositivo opcional, para que o mesmo não afete o dimensionamento

dos estágios principais de potência do sistema, o mesmo é conectado diretamente na rede elétrica.

Este carregador é provido de um sistema de ventilação dedicado composto de um cooler

posicionado diretamente no seu dissipador

4.2 ANÁLISE DA ESTRUTURA ELÉTRICA DO CARREGADOR DE BATERIAS

4.2.1 ESQUEMÁTICO DE CONTROLE E POTÊNCIA DO CARREGADOR DE BATERIAS

A Fig. 4 apresenta o esquemático simplificado da etapa de potência e controle do carregador

de baterias em questão. Conforme pode ser observado, o mesmo utiliza de um filtro de EMI na

entrada, não possui capacitor de alto valor após a ponte retificadora na entrada, o lhe possibilita

através de um controle adequado realizar a correção do fator de potência. Este controle é

implementado através do integrado analógico dedicado UC3843 da Texas Instruments (Controle

modo corrente).

Conforme será abordado adiante, o mesmo não impõe uma corrente constante no banco de

baterias quando a tensão da entrada do circuito varia e, também carrega o banco de baterias com

corrente pulsada em 120Hz, comprometendo a vida útil do banco de baterias.

6

Frequência de Chaveamento = 45kHz

R1

NSP2R510

C41uF

C24.7nF

C54.7nF

C3680pF

C15680pF

C8

2.2uF

L1

L3GND

CN1

F

CN3

N

AC

3

+1

AC

2

-4

D1D15XB60

GND

L4

R4200R/10W

R6

200R/10WR3

200R/10WR5

200R/10W

R2200R/10W

C13

47nF/1kV

C12

47nF/1kV

C11

22nF/1kV

C10

22nF/1kV

D4

RHR30120

C17

680pF

Q12SK2698

Q22SK2698

R14

47k

R15

47k

R10

200R/7W

C18

GND

R2547R

R13

47R

D7 1N4148

D5 1N4148

R17

0.22R

R21

0.22R

R16

0.22R

R22

0.22R

R31

0.22R

R32

0.22R

GND

ISEN3

VFB2

COMP1

OUT6

VREF8

RT/CT4

GND

5

VCC

7

U3UC3843

1

2

5

4

U2

TLP521

1

2

5

4

U5

TLP521

L2C9

10nF

D2RHR30120

C1 680pF

+ C6

1200uF/160 V

C74.7nF

C144.7nF GND

F1

20A

CN2

+BAT

CN4

-BAT

1

2

3

U4TL431ILP

L5 D3

R7

10R

+C1622uF

CN5

+FAN

CN6

+FAN

C26100nF

C25

100nF

R29

499k

R271k

R3127k

R2343.2k

R24

R26

P1

R30510R

GND

C2310nF

GND

C27 100pF

GND

GNDR32

10R

R33

R

GND

L6

GND

D6

+ C21220uF

C20

100nF

GND

R1218K/3W

3

21

8

4 U1ALM393

GND

C22100nF

GND

C24100nF

GND

C191nF

GND

R1115k

GND

R8

330k

R9

130k

R163.5k

Q32SC1815

R283.2k

D8

1N4148

GND

12

P2

Header 2

Circuito de potência

Circuito de controle

TR1

Fig. 4 - Diagrama esquemático simplificado do carregador de baterias com potência de saída de 700W.

A Fig. 5 apresenta a fotografia da implementação prática da etapa de potência e controle do

carregador de baterias. Nesta figura não é possível a visualização dos semicondutores principais,

pois o dissipador prevalece acima dos mesmos. Nesta figura prevalecem os seguintes componentes

do carregador: Snubbers das chaves compostos de resistores de potência, transformador isolado em

alta freqüência, filtro de interferência eletromagnética, resistores que realizam a leitura da corrente

através da chave, circuito de controle analógico que contém poucos componentes e o capacitor de

filtro de saída que é ligado em paralelo com o banco de baterias que está sendo carregado.

O comprimento do dissipador contempla todo o comprimento da placa do carregador e o

mesmo tem direcionado um cooler de refrigeração.

7

Fig. 5 - Fotografia ressaltando os elementos pricipais da etapa de potência e controle do carregador de baterias).

4.2.2 ANÁLISE DOS PRINCIPAIS COMPONENTES UTILIZADOS NOS CIRCUITOS DE CONTROLE E

POTÊNCIA DO CARREGADOR

Conforme o esquemático levantado do circuito do carregador apresentado anteriormente na

Fig. 4, foram levantados os principais componentes com o objetivo de comparação de custos com

outras estruturas a serem propostas. A Tabela II apresenta os principais componentes utilizados nos

circuitos de potência e controle do carregador.

TABELA II Listagem dos principais Componentes com as respectivas cotações utilizados no carregador

de baterias

No Qtt. Referência Descrição Valor / Tipo Fabricante Preço DigikeyUSD

1 2 Q1, Q2 MOSFET canal N 2SK2698, 15A, 500V, RDS(on)=0,35Ohm

Toshiba 1.98 / 500 peças

2 1 U3 Circuito integrado PWM que emprega o controle modo corrente

UC3843 Texas Instruments

0.43 / 500 peças

3 5 R2, R3, R4, R5, R6 Resistor de potência 200Ohm / 10W ---------------

- 0.196 / 1000 peças

4 2 D2, D4 Diodo Ultra-rápido RHRP30120, 30A, 1200V Fairchild 1.026 / 500

peças

5 1 D1 Ponte retificadora D15XB60, 15A, 600V Shindengen

6 2 U2, U5 Optoacoplador TLP521 Toshiba

8

7 1 TR1 Transformador de Ferrite Equivalente ao núcleo EE-55/21 do fabricante Thornton

----------------

8 1 C6 Capacitor Eletrolítico PEH532QCE4120M2S, 105oC, 1200uF / 160V

Rifa

1.75 / 600 peças Obs: Panasonic 85°C

9 6 R16, R17, R21, R22, R31, R32

Resistor de potência 0,22Ohm / 3W ---------------- 0.119 / 1000 peças

5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS DE OBTIDOS PARA O CARREGADOR DE BATERIAS

Nesta seção serão apresentados os resultados experimentais obtidos para o carregador de

baterias descrito anteriormente. Vários ensaios foram realizados com o objetivo de verificação da

performance do carregador e ao mesmo tempo de realizar o entendimento da estratégia de controle

utilizada.

5.1 RESULTADOS EXPERIMENTAIS VARIANDO-SE TENSÃO RMS DE ENTRADA DO CARREGADOR

Neste primeiro ensaio o objetivo era verificar a performance do carregador frente as variações

da tensão de alimentação. Conforme será observado nas próximas figuras, este carregador não

regula a corrente de carga para uma situação de tensão abaixo da nominal e além disso o formato da

corrente de carga é indesejável para carregadores de baterias, pois a mesma é pulsada em 120Hz,

comprometendo a vida útil do banco.

A Fig. 6 apresenta os resultados de tensão no banco de baterias, corrente de carga e tensão de

alimentação do carregador. Conforme pode ser observado, a partir de uma tensão de entrada de

70Vca, o carregador de baterias já está em funcionamento no entanto o mesmo não consegue impor

a corrente nominal de 7A. Esta corrente fica limitada a 3,46A aproximadamente. Verifica-se

também nesta figura o formato da corrente de carga que é pulsada em 120Hz conforme foi

comentado anteriormente.

9

Fig. 6 - Tensão no banco de baterias, corrente de carga nas baterias e tensão de entrada do carregador. (Ch4:50V/div.; Ch1:5A/div.; Ch3:100V/div.; 5ms/div.)

Nas figuras 7 até 12 são apresentados os resultados de tensão no banco de baterias, corrente

de carga e tensão de alimentação do carregador. A única diferença imposta foi a tensão de

alimentação da entrada que cresce em passos de 10Vca para cada figura e será constatado a

variação da corrente do banco de baterias, que cresce em função do aumento da tensão de

alimentação da entrada.

Fig. 7 Tensão de alimentação: 80Vca

Corrente média de carga do banco de baterias: 3,59A

Corrente eficaz de carga do banco de baterias: 4,32A


10









11









12









13

No mesmo ensaio anterior foi realizado a variação de tensão acima de 135Vca, no entanto o

carregador entrava em proteção se desligando para tensão acima deste patamar. Este

comportamento pode ser verificado na Fig. 14. Esta aquisição foi realizada com carga resistiva.

Fig. 14 - Tensão no banco de baterias, tensão na saída do comparador de tensão que desabilita o circuito de controle do carregador, corrente de entrada e tensão de entrada do carregador.

(Ch4:50V/div.; Ch1:5V/div.; Ch2:10A/div.; Ch3:100V/div.; 5ms/div.)

A Fig. 15 mostra o gráfico da evolução da corrente de carga (valor médio) em função da

tensão eficaz na entrada do carregador. Conforme foi comentado anteriormente, este carregador não

mantém a potência constante na saída.

Fig. 15 - Corrente de carga do banco de baterias em função da tensão de alimentação do carregador de baterias.

14

5.2 RESULTADOS EXPERIMENTAIS PARA CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO NOMINAIS

Neste ensaio foi verificado a característica da corrente de entrada drenada pelo carregador de

baterias para condições nominais da tensão de entrada (127Vca), e para a situação do banco de

baterias descarregado.

A Fig. 16 apresenta os resultados de tensão no banco de baterias, corrente de carga, tensão de

alimentação do carregador e corrente drenada da entrada do carregador. Conforme pode ser

observado, o circuito apresenta correção de fator de potência o que é um fato positivo para este

carregador de baterias. Também pode ser constatado nesta figura o achatamento da corrente de

entrada, que acontece principalmente nos valores de pico da tensão da rede, situação em que ocorre

a atuação da malha de corrente do circuito integrado controlador.

Fig. 16 - Tensão e corrente na entrada. (Ch1:100V/div.; Ch3:5A/div.; 4ms/div.)

A Fig. 17 apresenta os resultados da tensão através de um resistor de potência, que compõe o

snubber grampeador de tensão em paralelo com o enrolamento do transformador do carregador de

baterias, tensão de entrada do carregador e corrente de carga no banco de baterias. Conforme pode

ser observado no esquemático apresentado na Fig. 4, este circuito grampeador é composto de

5(cinco) resistores de potência, sendo cada um com a especificação de potência nominal na faixa

dos 10W. Logo, a tensão resultante desta associação será de aproximadamente 5(cinco) vezes o

valor de pico apresentado no gráfico (40V), resultando em próximo de 200V. Foi realizada também

a medição da tensão eficaz através deste resistor que conforme a medição do osciloscópio foi de

34V. Logo, realizando o cálculo da potência dissipada num resistor, sabendo-se que a resistência do

mesmo é de 200Ω, resulta em aproximadamente 6W. Considerando os cinco resistores desta

associação, resulta numa potência total de 30W dissipada no circuito do snubber grampeador.

15

Fig. 17 - Tensão através de 1(um) dos resistores de potência que compõem o snubber grampeador em paralelo com o enrolamento primário do carregador de baterias, tensão de entrada do

carregador e corrente de carga no banco de baterias. (Ch3:20V/div.; Ch2:100V/div.; Ch4:10A/div.; 2,5ms/div.)

A Fig. 18 apresenta o comportamento da tensão através do resistor de potência do snubber

RC em paralelo com os interruptores, a tensão de entrada do carregador e corrente de carga no

banco de baterias. Conforme pode ser observado, o snubber absorve os picos de tensão

provenientes da indutância de dispersão do transformador, evitando-se assim que os interruptores

sejam submetidos a sobretensões indesejáveis, pois os mesmos são especificados para a tensão de

500V. A Fig. 19 apresenta o detalhe desta tensão, que atinge picos na faixa de 300V.

Fig. 18 - Tensão através do resistor que compõe o snubber RC em paralelo com os interruptores do carregador de baterias, tensão de entrada do carregador e corrente de carga no banco de

baterias. (Ch3:100V/div.; Ch2:100V/div.; Ch4:10A/div.; 2,5ms/div.)

16

Fig. 19 - Detalhe da tensão através do resistor que compõe o snubber RC em paralelo com os interruptores do carregador de baterias.(Ch3:100V/div.; 10us/div.)

No decorrer do procedimento de carga do banco de baterias desde a tensão de corte 86,2V

(aproximadamente 10,7V por bateria), até uma tensão de 102,7V, foram realizadas aquisições da

corrente injetada no banco de baterias com o intuito de verificar o comportamento de operação do

carregador durante o processo de carga.

A Fig. 17 apresenta o comportamento da tensão no banco de baterias e corrente de carga no

banco de baterias em função de um intervalo de tempo de carga de 2 horas e 15 minutos. Vale

ressaltar que antes deste procedimento o banco de baterias foi totalmente descarregado.

Fig. 20 - Tensão de carga no banco de baterias, corrente de carga no banco de baterias em função do tempo de carga.

17

A Fig. 18 apresenta a curva de rendimento do carregador de baterias e respectiva corrente de

carga em função da potência de saída. Conforme pode ser observado, o rendimento para a condição

de potência nominal fica em torno de 81,5%. Vale ressaltar que antes deste procedimento o banco

de baterias foi totalmente descarregado.

Fig. 21 - Rendimento do carregador de baterias e corrente de carga em função da potência de saída.

A Tabela III apresenta as temperaturas de operação nos componentes mais relevantes do

carregador, verificadas durante os ensaios de carga para a situação de potência nominal.

TABELA III Temperaturas verificadas nos principais componentes do carregador para a situação de

potência nominal

Transformador (TR1) 98oC Dissipador de calor 58oC Capacitor de filtro (C8) 62oC

5.3 ANÁLISE DO CIRCUITO DE CONTROLE DO CARREGADOR DE BATERIAS

O circuito de controle do carregador de baterias é implementado através do circuito integrado

dedicado UC3843 do fabricante Texas Instruments, que utiliza a estratégia de controle PWM modo

corrente. O diagrama interno deste integrado é exibido na Fig. 22.

Conforme o esquemático do circuito carregador apresentado na Fig. 4, o controle

implementado não utiliza o amplificador de erro interno ao integrado, pois o mesmo é aterrado

através do pino 2 do CI. Assim, o controlador de tensão é implementado através de uma referência

de tensão (TL 431) e um opto-acoplador U2 (TLP 521). Este sinal é então injetado no pino 1 do

integrado, para posteriormente ser comparado internamente com uma composição da tensão através

18

Fig. 22 - Diagrama de blocos interno do circuito integrado UC3843 da texas instruments.

dos resistores em série com os interruptores e a tensão de emissor do transistor Q3 menos a queda

de tensão no diodo D8, resultando numa forma de onda semelhante a uma dente de serra no período

de chaveamento.

A Fig. 23 ilustra este comportamento para dois períodos de chaveamento do conversor. De

cima para baixo são apresentados os seguintes sinais: tensão de controle da malha de tensão, sinal

de comparação(dente de serra), tensão da rede e o pulso de comando nos interruptores do

carregador. Conforme pode ser observado, quando a tensão de controle ultrapassa o sinal dente de

serra, um pulso de comando desligando os interruptores é realizado.

Fig. 23 - Tensão no pino 3 do integrado(sinal dente de serra), tensão no pino 1 do integrado(sinal da malha de tensão), tensão da entrada do carregador e pulso de comando no interruptor do

carregador. (Ch4:1V/div.; Ch1:5V/div.; Ch3:100V/div.; Ch4:1V/div.; 5us/div.)

19

A Fig. 24 ilustra os mesmos sinais tal como foi mostrado anteriormente na Fig. 23, no entanto

foi disparada a aquisição da forma de onda quando a tensão da rede estava próxima ao valor zero.

Neste instante percebe-se que a forma de onda triangular é quase constante no ciclo da rede

(comparado ao sinal anterior) e o sinal de controle bem como a razão cíclica estão ajustados para o

valor máximo.

Fig. 24 - Tensão no pino 3 do integrado(sinal dente de serra), tensão no pino 1 do integrado(sinal da malha de tensão), tensão da entrada do carregador e pulso de comando no interruptor do

carregador. (Ch4:1V/div.; Ch1:5V/div.; Ch3:100V/div.; Ch4:1V/div.; 5us/div.)

6. ESPECIFICAÇÕES DO CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO ANALISADO

O conversor elevador de tensão tem como função principal a elevação da tensão do banco de

baterias para um nível de tensão adequado para o funcionamento do inversor. Conforme a análise

realizada, o mesmo é composto basicamente por um conversor do tipo push-pull alimentado em

tensão e com indutores de saída para interconexão com o barramento CC. A Fig. 25 apresenta a

fotografia do conversor elevador de tensão.

20

Fig. 25 - Fotografia do carregador de baterias.

Dentre as características relevantes deste conversor nos quais podem ser citados são:

Não existe isolação galvânica entre o banco de baterias e o barramento;

Drena uma corrente bastante pulsada em 120Hz das baterias para uma carga de onda

completa;

Utiliza um filtro capacitivo grande capacidade e baixa resistência série equivalente para

filtrar a componente de alta freqüência presente na entrada do conversor;

Não possui qualquer circuito auxiliar de balanceamento da tensão de saída, sendo realizada

esta compensação através do sinal da amostragem de tensão, que é proveniente de um

microcontrolador, sendo o conversor pouco vulnerável a cargas de meia onda.

A seguir será abordado com detalhes a especificação e funcionamento do conversor elevador

de tensão. A Tabela IV apresenta as características elétricas de entrada e saída do dispositivo.

TABELA IV Principais Especificações do Conversor Elevador de Tensão

Entrada Tensão nominal de entrada 96V Quantidade de baterias 8 Freqüência de chaveamento 42kHz Variação de tensão de entrada em que o conversor funciona 86,2V - 108V

Saída Potência de Saída 1400W Corrente nominal de saída estimada 3,5A Tensão de saída total 400V (200V + 200V)

21

7. ANÁLISE DA ESTRUTURA MECÂNICA DO CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO

Nesta seção serão analisados com detalhes alguns pontos relevantes com relação à disposição

no espaço dos componentes do conversor elevador de tensão no sistema UPS analisado.

Logo depois serão apresentados esquemáticos sobre a topologia elétrica levantada do

conversor elevador, com descrições simplificadas de funcionamento e listagem de componentes.

7.1 ANÁLISE DA ESTRUTURA MECÂNICA DO ELEVADOR DE TENSÃO

Na Fig. 26 é mostrado mais uma vez o sistema UPS destacando-se o conversor elevador de

tensão, que conforme pode ser observado ocupa um espaço físico razoável. Este conversor tem seus

interruptores principais colocados no mesmo dissipador do conversor boost. Isto acontece porquê os

dois estágios não funcionam ao mesmo tempo, sendo uma boa alternativa para diminuir o material e

espaço utilizados. Os diodos retificadores do secundário do transformador estão em pequenos

dissipadores localizados próximo ao transformador elevador. O circuito de controle do conversor

está localizado próximo aos interruptores do lado primário.

Os dissipadores que dão suporte aos interruptores deste conversor não possuem fluxo de ar

direto por algum cooler, mas são resfriados pelo fluxo de ar que se dirige da parte frontal para a

traseira, devido aos coolers localizados ao lado do dissipador do estágio inversor.

Fig. 26 - Vista geral superior da disposição interna dos componentes do sistema UPS.

7.2 ANÁLISE DA ESTRUTURA ELÉTRICA DO CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO

7.2.1 ESQUEMÁTICO DE CONTROLE E POTÊNCIA DO CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO

A Fig. 27 apresenta o esquemático simplificado da etapa de potência e controle do conversor

elevador em questão. Conforme pode ser observado, Trata-se de um conversor push-pul com

22

características de fonte de tensão na entrada, necessitando de uma capacitância de alto valor em

paralelo com o banco de baterias na entrada para que seja realizada a filtragem da alta freqüência,

evitando que esta componente flua através do banco de baterias.

Os interruptores do lado primário e os diodos retificadores do lado secundário possuem

snubbers para proteção contra sobretensões, devido principalmente à energia acumulada nas

indutâncias de dispersão do transformador.

A topologia do elevador não permite correção do desbalanço das tensões no barramento CC,

que poderá ser ocasionada por alguma carga conectada no inversor com característica de meia-

onda. Isto foi verificado experimentalmente por uma diferença de tensão tolerável entre os

barramento de tensão superior e inferior quando submetido a este tipo de carga.

Frequência de Chaveamento = 42kHz

Circuito de controle

Circuito de potência

SYNC3

NI2

INV1

SOFT/START 8

COMP 9OSC OUT

4

GND

12

VCC

13

DISCH7

RT6

CT5

SHUTDOWN10

OUT A 11

+VIN 15VREF16

OUT B14

U1UC3525

R193.3k

R2330k

R2010k

R2410k

R14150k

R15150k C6

1uF

C14100nF

C13100nF

C10470nF

C4100nF

R1310k

C81nF

R214.12k

R22100R

C11100nF

C12100uF

3525OFF

+12V

BUS.VFB

C91uF

D1

1N4148R2

5R

Q1FQA38N30

1

2

5

4

U2

ICTLP521

D2

1N4148

R4

5R

Q2

FQA38N30

R1710k

R547KR6

47K

CHGOFF5VR25

470

D6

1N4148R10

5R

Q3FQA38N30

D7

1N4148

R12

5R

Q4

FQA38N30

R1647KR18

47K

C3

100nF

TR2

F1F20A

F2F20A

+ C15

1200uF

BAT+

D3RHRP3060 D4

RHRP3060

D8

RHRP3060

D9

RHRP3060

L1

L2

D5

UF5408

D10

UF5408

C1

100nF/400VR3

680R/7WR7

680R/7W

R11

680R/7W

R8

680R/7W

C7100nF/400V

+BUS

-BUS

R954R/7W

C510nF/1kV

R1

54R/7WC210nF/1kV

Fig. 27 - Diagrama esquemático simplificado do conversor elevador de tensão.

Com relação à implementação do circuito de controle, é utilizado o circuito integrado

UC3525 sendo empregado o controle modo tensão. A amostragem da tensão nos capacitores do

barramento é realizada através de um microcontrolador, sendo este o responsável pelo envio do

sinal da tensão amostrada para as malhas de tensão analógica do estágio elevador e conversor boost.

Conforme a análise deste sinal, foi concluído que a compensação do desbalanço é realizada pelo

microcontrolador que atua na referência de tensão para o controle dos estágios elevador e boost.

O circuito de driver do conversor elevador de tensão é proveniente do próprio integrado

controlador UC3525, sendo este sinal injetado nos interruptores deste estágio. Outro detalhe é que o

ponto central dos capacitores do barramento CC é interconectado com o terra da bateria, sendo este

23

também conectado ao neutro da rede. Portanto, não existe isolação entre o banco de baterias e a

carga.

A Fig. 28 apresenta a fotografia da implementação prática da etapa de potência e controle do

conversor elevador de tensão. Nesta figura é possível a visualização dos seguintes elementos:

semicondutores principais, circuito de controle, transformador elevador em alta freqüência, diodos

retificadores de saída, indutores de filtro da saída e capacitor de filtro da entrada.

O comprimento do dissipador contempla os interruptores de potência do conversor elevador

de tensão, e todos os semicondutores do estágio boost a três níveis, que é utilizado como conversor

do modo on-line para o sistema UPS.

Fig. 28 - Fotografia ressaltando os elementos pricipais da etapa de potência e controle do conversor

elevador de tensão).

Outro detalhe é que não existe ventilação direta para este dissipador sendo o fluxo

proveniente dos coolers localizados no dissipador do estágio inversor.

7.2.2 ANÁLISE DOS PRINCIPAIS COMPONENTES UTILIZADOS NOS CIRCUITOS DE CONTROLE E

POTÊNCIA DO CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO.

Conforme o esquemático levantado do circuito do carregador apresentado anteriormente na

Fig. 27, foram levantados os principais componentes com o objetivo de comparação de custos com

outras estruturas a serem propostas. A Tabela V apresenta os principais componentes utilizados nos

circuitos de potência e controle do conversor elevador de tensão.

24

TABELA V Listagem dos principais Componentes com as respectivas cotações utilizados no conversor

elevador de tensão

No Qtt. Referência Descrição Valor / Tipo Fabricante Preço DigikeyUSD

1 4 Q1, Q2, Q3, Q4 MOSFET canal N FQA38N30, 38.4A, 300V,

RDS(on)=0,085Ohm Fairchild 1.997 / 450 peças

2 1 U1 Controlador PWM SG3525 ONsemi 0.675 / 500 peças

3 2 R1, R9 Resistor de potência 54Ohm / 7W ----------------

4 4 D3, D4, D8, D9 Diodo Ultra-rápido RHRP3060, 30A, 600V Fairchild 0.999 / 400

peças

5 2 D5, D10 Diodo Ultra-rápido UF5408 ----------------

0.295 / 2800

6 2 L1, L2 Indutor com núcleo toroidal

150uH, Diâmetro externo 34mm.

----------------

7 1 TR1 Transformador de Ferrite

Equivalente ao núcleo EE-55/21 do fabricante Thornton

----------------

8 1 C15 Capacitor Eletrolítico

PEH532QCE4120M2S, 105oC, 1200uF / 160V Rifa

1.75 / 600 peças Obs: Panasonic85°C

9 4 R3, R7, R8, R11 Resistor de potência 680Ohm / 7W ---------------- 0.43 / 1000

peças 10 1 U2 Optoacoplador TLP521 Toshiba

8. RESULTADOS EXPERIMENTAIS DE OBTIDOS PARA O ELEVADOR DE TENSÃO

Nesta seção serão apresentados os resultados experimentais obtidos para o conversor elevador

de tensão descrito anteriormente. Vários ensaios foram realizados com o objetivo de verificação da

performance do elevador e ao mesmo tempo de realizar o entendimento da estratégia de controle

utilizada.

8.1 RESULTADOS EXPERIMENTAIS VISANDO AVALIAR A DINÂMICA DO CONVERSOR E

FUNCIONAMENTO COM CARGA DESBALANCEADA

Neste primeiro ensaio o objetivo era verificar a dinâmica do conversor elevador frente às

variações de carga. Conforme será observado nas próximas figuras, este conversor comporta-se

bem frente às variações de carga, tanto na retirada como aumento da carga. Também será verificado

que as tensões nos capacitores inferior e superior do barramento CC não apresentam sobre-tensões,

o que é uma característica favorável de operação deste estágio.

25

A corrente no capacitor da entrada também será analisada nestes ensaios, para a constatação

do alto valor eficaz drenado por este dispositivo, pois apenas a componente de baixa freqüência da

corrente é verificada no banco de baterias. Na primeira parte desta seção serão apresentados os

resultados para a carga com característica de onda completa do tipo não-linear, e para a segunda

parte serão apresentados os resultados para a carga com característica de meia onda do tipo não-

linear.

Resultados com Carga Não-linear do tipo Onda Completa

A Fig. 29 apresenta o comportamento em regime permanente das seguintes variáveis segundo

a ordem de visualização de cima para baixo: tensões nos capacitores superiores e inferiores no

barramento CC, corrente através dos capacitores de filtro de entrada do conversor elevador e

corrente através da carga. Conforme pode ser observado, as tensões do barramento estão reguladas

em 200V e sem nenhum desbalanço aparente para esta condição de carga. Também pode ser visto

que a corrente drenada dos capacitores de filtro de entrada apresentam a característica de alta

freqüência, devido a baixa resistência série equivalente, resultando em altos valores eficazes na

corrente destes capacitores. Nas aquisições posteriores poderá ser visto que não existe nenhuma

componente de alta freqüência drenada do banco de baterias, no entanto esta corrente será pulsada

na freqüência da corrente de carga conectada no inversor.

Fig. 29 - Operação em regime permanente (Carga não linear em onda completa): Tensão nos capacitores do barramento CC, corrente através do capacitor de filtro em paralelo com o banco de baterias e corrente na carga. (Ch2: 100V/div.; Ch3: 100V/div.; Ch4: 10A/div.;

Ch1: 10A/div.; 10ms/div.)

A Fig. 30 apresenta o comportamento durante o degrau de carga de 50% para 100%, das

seguintes variáveis segundo a ordem de visualização de cima para baixo: tensões nos capacitores

26

superiores e inferiores no barramento CC, corrente através dos capacitores de filtro de entrada do

conversor elevador e corrente através da carga.

Conforme pode ser observado nesta situação, as tensões do barramento não apresentam

variações bruscas que caracterizam subtensões e continuam reguladas no valor médio de 200V, sem

nenhum desbalanço aparente para esta condição de carga.

Também pode ser visto que a corrente drenada dos capacitores de filtro de entrada apresentam

a característica de alta freqüência com maior magnitude, com a envoltória em baixa freqüência que

caracterizará a corrente drenada pelo banco de baterias.

Visualizando também a corrente de carga para as duas situações, conclui-se que foi realizado

o ensaio de degrau de carga, pois verifica-se o incremento do valor de pico da corrente de carga.

Fig. 30 - Degrau de carga de 50% para 100% (Carga não linear em onda completa): Tensão nos capacitores do barramento CC, corrente através do capacitor de filtro em paralelo com o banco de baterias e corrente na carga. (Ch2: 100V/div.; Ch3: 100V/div.; Ch4: 50A/div.;

Ch1: 25A/div.; 10ms/div.)

A Fig. 31 apresenta o comportamento durante a retirada de carga de 100% para 50%, das

seguintes variáveis segundo a ordem de visualização de cima para baixo: tensões nos capacitores

superiores e inferiores no barramento CC, corrente através do banco de baterias e corrente através

da carga.

Conforme pode ser observado nesta situação, as tensões do barramento não apresentam

variações bruscas que caracterizam sobretensões e continuam reguladas no valor médio de 200V,

sem nenhum desbalanço aparente para esta condição de carga.

Nesta figura é visualizada a corrente no banco de baterias, que possui a envoltória em baixa

freqüência da corrente drenada pelos capacitores de filtro. Portanto, a corrente drenada do banco de

baterias é bastante pulsada.

27

A Fig. 32 apresenta o detalhe das formas de onda visualizadas na Fig. 31, na qual pode ser

visualizada melhor a característica da corrente drenada do banco de baterias.

Fig. 31 - Degrau de carga de 100% a 50% (Carga não linear em onda completa): Tensão nos capacitores do barramento CC, corrente através do banco de baterias e corrente na carga.

(Ch2: 100V/div.; Ch3: 100V/div.; Ch4: 10A/div.; Ch1: 25A/div.; 25ms/div.)

Fig. 32 - Detalhe do degrau de carga de 100% a 50% (Carga não linear em onda completa): Tensão nos capacitores do barramento CC, corrente através do banco de baterias e corrente na carga.


28

A Tabela VI apresenta as temperaturas de operação nos componentes mais relevantes do

conversor elevador de tensão, verificadas durante os ensaios com carga não linear de onda completa

para a situação de potência de 1kW.

TABELA VI Temperaturas verificadas nos principais componentes do carregador para a situação de

potência de 1kW

Transformador (TR2) 80oC Dissipador de calor 50oC Diodos retificadores do secundário 68oC Indutores de filtro (L1 e L2) 85oC

Resultados com Carga Não-linear do tipo Meia Onda

Esta condição de carga constitui no tipo mais crítico para este tipo de configuração de UPS,

pois a tendência é que seja retirada energia de apenas um dos capacitores do barramento CC

(inferior ou superior).

A Fig. 33 apresenta o comportamento em regime permanente das seguintes variáveis segundo

a ordem de visualização de cima para baixo: tensões nos capacitores superiores e inferiores no

barramento CC, corrente através do banco de baterias e corrente através da carga.

Conforme pode ser observado, as tensões do barramento para esta situação de carga

apresentam um desbalanço de tensão na ordem de 20V, o que é uma característica aceitável para

esta estrutura, pois toda a potência de saída está sendo praticamente solicitada de um dos

barramentos (inferior ou superior). Se o circuito fosse desprovido de algum sinal de compensação, a

tendência das tensões do barramento seria desbalancear ainda mais comprometendo a geração

correta da tensão de saída do inversor.

Nesta figura é visualizada a corrente no banco de baterias, que possui a envoltória em baixa

freqüência da corrente drenada pelos capacitores de filtro. Portanto, a corrente drenada do banco de

baterias é bastante pulsada também para esta condição de carga.

29

Fig. 33 - Operação em regime permanente (Carga não linear em meia onda): Tensão nos capacitores do barramento CC, corrente através do banco de baterias e corrente na carga.


30

9. CONCLUSÕES

Neste relatório foi realizada uma análise técnica de dois conversores que constituem um

Nobreak de 2kVA disponível no mercado. O primeiro conversor analisado foi um carregador de

baterias com potência de saída de 700W.

Baseado na primeira análise foi verificado as seguintes características para este carregador de

baterias, tais como:

Isolação galvânica entre a entrada da rede e o banco de baterias;

Executa a carga do banco de baterias com corrente pulsada em 120Hz;

A corrente eficaz de carga das baterias é variável com o nível de tensão eficaz na entrada;

Possui alto fator de potência e baixa distorção harmônica da corrente drenada da rede para

a situação de carga nominal.

O segundo conversor analisado foi um conversor elevador de tensão responsável pela

interface e adaptação do nível de tensão do banco de baterias para o barramento CC. Baseado na

análise deste conversor foi verificado as seguintes características:

Não existe isolação galvânica entre o banco de baterias e o barramento CC;

Drena uma corrente bastante pulsada em 120Hz das baterias para uma carga de onda

completa e de meia onda isenta de componente em alta frequência;

Utiliza um filtro capacitivo grande capacidade e baixa resistência série equivalente para

filtrar a componente de alta freqüência presente na entrada do conversor;

Não possui qualquer circuito auxiliar de balanceamento da tensão de saída, sendo realizada

esta compensação através do sinal da amostragem de tensão, que é proveniente de um

microcontrolador, sendo o conversor pouco vulnerável a cargas de meia onda.

Fortaleza, Janeiro de 2009.

Cícero Marcos Tavares Cruz

Relatorio Conversores Proj Microsol Jan 2009

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