Projeto e Implementação do Conversor Buck com Controlador PI
Por: nathanael2013 • 17/12/2016 • Artigo • 3.472 Palavras (14 Páginas) • 717 Visualizações
Projeto e Implementação do Conversor Buck com Controlador PI
Nathanael S. Costa, Raquel de S. Silva
Disciplina de Controle de Sistema Dinâmicos, Universidade Federal do Ceará
E-mails: nathan_soaresphb@hotmail.com, rachel_sosusa33@hotmail.com
Professor Vandilberto Pereira Pinto
Depto. de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Ceará
R. C. Estanislau Frota, Centro, 62010-560, Sobral - CE
E-mails: vandilberto@yahoo.com.br
Abstract⎯ This article aims to show the operation of a buck converter controlled, characterized by having a smaller and constant DC output voltage relative to the input voltage. The control applied here serves to stabilize the system in the required voltage in project parameters even this suffering changes in load and input voltage. Here will be presented all the math modeling, simulation, implementation and comparison of current values, voltage, and other parameters. The Used will be a PI controller (Proportional - Integral ).
Keywords⎯ Converter, Buck, Control, PI, Stabilize
Resumo⎯ Este artigo tem por objetivo mostrar o funcionamento de um conversor Buck controlado, caracterizado por ter uma tensão de saída CC menor e constante em relação à tensão de entrada. O controle aqui aplicado serve para estabilizar o sistema na tensão requerida nos parâmetros do projeto, mesmo este sofrendo alterações na carga e na tensão de entrada. Aqui serão apresentadas a modelagem matemática, as simulações, a implementação e a comparação dos valores de corrente, tensão, entre outros parâmetros. O controlador utilizado será um PI (Proporcional - Integral).
Palavras-chave⎯ Conversor, Buck, Controle, PI, Estabilizar
1 Introdução
Conversores CC-CC são circuitos formados por semicondutores de potencia, juntamente com elementos passivos como capacitor e indutor, responsáveis por controlar o fluxo de energia da entrada para a saída. (BARBI, 2007).
Dentre os mais utilizados tem-se conversores não isolados, como: conversor Boost (elevador), conversor Buck (abaixador), Buck-Boost (abaixador e elevador) e conversor Cúk. O conversor Buck é um conversor abaixador de tensão, presente em várias aplicações onde se necessita de uma tensão de saída CC menor que a entrada de alimentação. Sua tensão na saída é variável de acordo com o ciclo de trabalho de acordo com a equação 1:
[pic 1]
Onde D é o duty-cycle, que representa uma fração do período em que a chave conduz, possuindo valor de 0 a 1. Ressalta-se que essa chave é caracterizada por dispositivos semicondutores como Mosfet e TBJ.
Para um bom funcionamento, evitando a queima de componentes este conversor tem a necessidade de um drive isolador, responsável por mudar a referência da chave, este drive é implementado de várias formas, dentre elas a mais comum é utilizando um transformador de pulso.
A fim de mostrar a praticidade deste conversor, aplicado a ele tem um controlador PI projetado com a funcionalidade de trazer equilíbrio à tensão de saída mesmo este sofrendo variações na carga e na tensão de entrada, seguindo sempre os parâmetros do projeto.
2 Conversor Buck
2.1. Funcionamento
O conversor Buck é definido com um conversor CC-CC abaixador de tensão e possui característica de fonte de tensão na entrada e fonte de corrente na saída.
[pic 2]
Figura 01 – Conversor Buck
A Figura 1 mostra o conversor buck. Onde V_in é a tensão de entrada, S a chave semicondutora, D o diodo, L_b o indutor, C_0 o capacitor e V_0 a tensão de saída. O funcionamento do circuito se dá basicamente em dois estágios: quando a chave S é aberta e quando a chave S é fechada.
No primeiro estágio a chave S é fechada e a energia é armazenada no indutor L_b, o diodo D está reversamente polarizado e não conduz. A corrente circula carregando o capacitor C_0 e fluindo através da carga R_0.
No segundo estágio a chave S é aberta e a energia armazenada no indutor L_b é fornecida à carga R_0 e ao capacitor C_0. O diodo D passa a ser diretamente polarizado, fornecendo caminho para a corrente do indutor. Quando toda a energia do indutor L_b é fornecida ao capacitor C_0 e à carga R_0, o capacitor C_0 descarrega, mantendo assim a continuidade de corrente na carga.
2.2. Especificações de Projeto
O projeto requerido para este artigo especifica :
Vin = 50 Vdc
Vin(máx) = 60 Vdc
Vin(mín ) = 40 Vdc
Vout = 24Vdc
Pout = 75 W
fs = 40 KHz
∆Vcapacitor= 10%
∆Iindutor= 10%
Onde Vin é a tensão de entrada, Vin(máx ) é a tensão máxima de entrada, Vin(mín) é a tensão mínima de entrada, Vout é a tensão de saída, Pout é a potência de saída, fs é a frequência de chaveamento do dispositivo semicondutor, ∆Vcapacitor é o ripple de tensão do capacitor e ∆Iindutor é o ripple de corrente do indutor.
2.3.. Projeto de Potência
Para começar a projetar o conversor buck calcula-se primeiro o valor da indutância a ser utilizada através da equação 2:
[pic 3][pic 4]
Onde VE é tensão de entrada, Vs é a tensão de saída, D_max é duty cicle máximo calculado pela divisão entre a tensão de saída e a tensão mínima de entrada, ∆il é variação da corrente no indutor e fs é frequência de chaveamento. A indutância resultou em 1,248mH aproximando para 1,3mH.
Dimensiona-se, então, o núcleo do indutor a ser utilizado a partir do cálculo da profundidade P e do número de fios em paralelo N. A profundidade corresponde ao raio do fio utilizado para confecção do indutor. O cálculo de profundidade do fio é realizado através da equação 3, abaixo:
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