UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA JHONATAN DE ABREU SOARES PONTES ANÁLISE DINÂMICA DE CONVERSORES CC-CC BOOST-FLYBACK DE ELEVADO GANHO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO PONTA GROSSA 2018
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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA
BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
JHONATAN DE ABREU SOARES PONTES
ANÁLISE DINÂMICA DE CONVERSORES CC-CC BOOST-FLYBACKDE ELEVADO GANHO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
PONTA GROSSA
2018
JHONATAN DE ABREU SOARES PONTES
ANÁLISE DINÂMICA DE CONVERSORES CC-CC BOOST-FLYBACKDE ELEVADO GANHO
Trabalho de Conclusão de Curso apresen-tado como requisito parcial à obtençãodo título de Bacharel em EngenhariaElétrica, do Departamento acadêmico deeletrônica, da Universidade TecnológicaFederal do Paraná.
Orientador: Prof. Dr. Eloi Agostini Junior
PONTA GROSSA
2018
Ministério da EducaçãoUniversidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus Ponta GrossaDiretoria de Pesquisa e Pós-GraduaçãoDepartamento acadêmico de eletrônica
Bacharelado em Engenharia Elétrica
TERMO DE APROVAÇÃO
ANÁLISE DINÂMICA DE CONVERSORES CC-CC BOOST-FLYBACK DE ELEVADOGANHO
por
JHONATAN DE ABREU SOARES PONTES
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi apresentado em 5 de dezembro de 2018como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica.O(A) candidato(a) foi arguido(a) pela Banca Examinadora composta pelos professo-res abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalhoaprovado.
Prof. Dr. Eloi Agostini JuniorOrientador
Prof. Mesc. Júlio Cesar Guimaraes Prof. Dr. Máuricio dos Santos KasterMembro Titular Membro Titular
Prof. Dr. Josmar Ivanqui Prof. Msc. Jeferson José GomesResponsável pelos TCC Coordenador do Curso
-O Termo de Aprovação encontra-se na na Coordenação do Curso-
AGRADECIMENTOS
Este trabalho não poderia ser realizado sem a ajuda de diversas pessoas às
quais presto minha homenagem. Certamente esses parágrafos não irão atender a
todas as pessoas que fizeram parte dessa importante fase de minha vida. Portanto,
desde já peço desculpas àquelas que não estão presentes entre estas palavras, mas
elas podem estar certas que fazem parte do meu pensamento e de minha gratidão.
Agradeço primeiramente a Deus por ter conseguido tal conquista, por sempre
ter estado ao meu lado nos momentos mais difíceis e pela realização de um sonho.
A minha família, pelo carinho, incentivo e apoio em todos os momentos da
minha vida. Em especial a minha mãe Marcilene que sempre acreditou, apoiou e me
incentivou nos momentos mais difíceis e complicados.
Ao meu orientador Prof. Dr. Eloi Agostini Junior, pela paciência, dedicação no
ensino que me mostrou os caminhos a serem seguidos e pela confiança depositada.
Agradeço pelo apoio, auxílio e atenção nos momentos em que precisei.
A todos os professores e colegas do departamento, que ajudaram de forma
direta e indireta na conclusão deste trabalho.
A UTFPR-PG por conceder espaço físico e material necessário para realiza-
ção do trabalho.
Enfim, a todos os que de alguma forma contribuíram para a realização deste
trabalho.
RESUMO
PONTES, Jhonatan de Abreu Soares. Análise dinâmica de conversores CC-CCBoost-Flyback de elevado ganho. 2018. 58 f. Trabalho de Conclusão de Curso(Bacharelado em Engenharia Elétrica) – Universidade Tecnológica Federal doParaná. Ponta Grossa, 2018.
Este trabalho tem por objetivo modelar o comportamento dinâmico dos conversoresCC-CC boost-flyback convencional e com comutação suave. Esta análise se justificapela necessidade de se controlar variáveis de interesse, tais como tensão e corrente,em aplicações que requerem elevado ganho de tensão, como por exemplo em siste-mas de processamento de energia renovável. Os resultados são validados em am-biente de simulação numérica e também a partir de testes experimentais com doisprotótipos com potência de 500 W, tensão de entrada de 48 V, tensão de saída de 400V e frequência de comutação de 100 kHz. Também é verificada a operação em malhafechada dos conversores utilizando-se um compensador PI com filtro passa-baixas,com o intuito de manter a tensão de saída regulada em 400 V.
Palavras-chave: Conversores CC-CC. Elevado ganho. Boost-flyback . Energia solar.Comutação suave.
ABSTRACT
PONTES, Jhonatan de Abreu Soares. Dynamic analysis of high gainBoost-Flyback DC-DC converters. 2018. 58 p. Final Coursework (Bachelor’sDegree in Electrical Engineering) – Federal University of Technology – Paraná. PontaGrossa, 2018.
This study has the purpose of modeling the dynamic behavior of the conventional andsoft-switching boost-flyback DC-DC converters. This analysis is justified by the need ofcontrolling key system variables, such as voltage and current, in applications requiringa high step-up ratio, as for example in renewable energy processing. The results arevalidated using a simulation software and from the testing of two prototypes with anominal 500 W output power , 48 V input voltage, 400 V output voltage and switching100 kHz frequency. The closed-loop operation is also verified using a PI compensatorplus a low pass filter, aiming to keep the output voltage regulated at 400 V.
Keywords: DC-DC converters. High gain. Boost-flyback . Solar energy. Smooth swit-ching.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Geração de energia elétrica por região no mundo. . . . . . . . . . . 11Figura 2 – Comparação da produção de eletricidade por tipo de combustível da
Nas Figuras 35 e 36 observa-se o circuito utilizado na simulação e a validação
do modelo matemático através de simulação no software Psim respectivamente. É
dado um degrau em determinado momento e então observado o comportamento das
tensões e correntes. Fica evidente que o modelo acompanha a dinâmica do protótipo.
Portanto todo cálculo para o modelo anterior é válido.
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Figura 35 – Circuito simulado para validação do mo-delo boost-flyback com comutação su-ave.
Fonte: Autoria própria.
Figura 36 – Modelo validado do boost-flyback comcomutação suave.
Fonte: Autoria própria.
4.5 PROJETO DO CONTROLADOR
Para o controlador é repetido o processo anterior mais uma vez. É válido re-
forçar que não foi utilizada nenhuma técnica avançada de controle não sendo este o
foco do trabalho. Foi utilizado o mesmo controlador proporcional integral visto na Ex-
pressão 29. Tal escolha pode se justifica pela mesma situação anterior, pois se deseja
erro nulo ao degrau, rastreamento de referência e rejeição de ruído.
O mesmo sensor da Expressão 30 é utilizada, assim como a função de trans-
ferência de laço aberto na Expressão 31.
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O projeto do compensador é realizado com o ambiente sisotool do Matlab. Nas
Figuras 37, 38 e 39 são observados os resultados do projeto que são o gráfico lugar
das raízes com os polos e zeros do sistema, o diagrama de Bode com a frequência de
cruzamento e margem de fase e a resposta ao degrau. O uso do diagrama de Bode se
deve ao fato da necessidade de elevada margem de fase para o devido funcionamento
do projeto. Foi requisito um tempo de estabilização de 2 ms.
Figura 37 – Gráfico lugar das raízes.
Fonte: Autoria própria.
Figura 38 – Diagrama de Bode.
Fonte: Autoria própria.
A partir do sisotool é escolhido uma constante proporcional de 6,2x10−5 e uma
constante integral de 1. Com o uso do software Psim é feita uma simulação a partir
do circuito visto na Figura 40. Um degrau de 350V para 400V é simulado e então
observa-se a ação de controle na Figura 41.
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Figura 39 – Resposta ao degrau.
Fonte: Autoria própria.
Figura 40 – Circuito simulado boost-flyback com co-mutação suave.
Fonte: Autoria própria.
Figura 41 – Resposta ao degrau no conversor boost-flyback com comutação suave.
Fonte: Autoria própria.
Como os resultados obtidos em simulação são aceitáveis é possível partir para
prática e implementar o controle.
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4.6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Para avaliar o comportamento dinâmico do sistema e validar os resultados
obtidos em simulação o mesmo procedimento do protótipo anterior é repetido. Foi co-
locado um banco de resistores com valor equivalente a 1,1k𝛺 em paralelo com uma
carga de aproximadamente 580𝛺. A carga de 1,1k𝛺 foi ligada por meio de um disjuntor
de tal forma que foi possível variar a carga na saída de maneira abrupta. A associa-
ção assegurou que o valor nominal da carga do conversor fosse respeitado, dessa
forma prevenindo possíveis acidentes. Ao acionar o disjuntor o valor da carga seria de
aproximadamente 380𝛺, não correndo o risco do valor ser menor que o valor nominal
pra carga de 320𝛺. A Figura 42 é uma fotografia retirada do conversor boost-flyback
com comutação suave, assim como esquemas elétricos e dados sobre a topologia nos
anexos no final do trabalho. Foi utilizado para as medições um osciloscópio Tektronix
DPO3014.
Figura 42 – Fotografia do protótipo de 500 W do con-versor boost-flyback com comutação su-ave.
Fonte: (TEODORO, 2016).
Num dado momento com carga de 580𝛺, 400V na saída e 48V na entrada o
disjuntor é acionado fazendo a carga variar para 380𝛺. Na Figura 43 é visto o com-
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portamento da tensão e corrente na carga após o acionamento do disjuntor assim
como a ação de controle corrigindo a razão cíclica para regular a tensão na saída do
conversor, prevenindo assim picos de corrente destrutivos.
Figura 43 – Degrau de 580𝛺 para 380𝛺.
Fonte: Autoria própria.
Em outro momento um degrau positivo é dado, ocorre uma variação abrupta
de carga de 380𝛺 para 580𝛺. Tal ação faz surgir um pico de tensão na saída e con-
sequentemente achatamento da corrente. Mais uma vez o controle atua corrigindo a
razão cíclica, permitindo que o conversor torne a operar da forma que foi projetado.
Tal efeito é visto na Figura 44.
Figura 44 – Degrau de 380𝛺 para 580𝛺
Fonte: Autoria própria.
Mantendo a carga fixa foi variada a referência de 350V para 400V. Observa-
se na Figura 45 que o controle atua da forma como foi projetado com um tempo de
resposta de aproximadamente 2 ms.
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Figura 45 – Referência de 350V para 400V com cargafixa.
Fonte: Autoria própria.
Em seguida é dado um degrau de 400V para 350V com carga fixa e observa-
se a dinâmica na Figura 46. O resultado é satisfatório, pois o controle atua da forma
desejada estabilizando a tensão de saída para valores aceitáveis.
Figura 46 – Referência de 400V para 350V com cargafixa.
Fonte: Autoria própria.
Novamente é valido ressaltar que a pequena ondulação de tensão e corrente
nos resultados experimentais se deve a fonte linear. Foi feita uma fonte linear a partir
de um autotransformador ajustável, porém mesmo utilizando um filtro capacitivo de
valor elevado um pequeno resíduo de ondulação com o dobro de frequência da rede
elétrica (120 Hz) pôde ser observado.
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5 CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS
Com base em estudos feitos é nítida a necessidade de tecnologias capazes
de processar energia com maior rendimento e ganho. Uma vez que a demanda por
energias renováveis vem crescendo ao longo do tempo, em especifico a solar que é
muito mais fácil de ser utilizada pelas pessoas. Sendo assim, o projeto como um todo
tem um impacto positivo no estudo de energias renováveis.
A análise dinâmica de dois conversores denominados boost-flyback conven-
cional e boost-flyback com comutação suave ambos de elevado ganho foi proposta.
A partir da modelagem realizada foi possível chegar ao modelo dos dois converso-
res. Em seguida, os modelos dinâmicos foram validados em ambientes de simulação,
fornecendo o subsídio necessário para o projeto dos compensadores.
A partir dos resultados obtidos nos experimentos práticos é correto afirmar
que o projeto foi bem sucedido. Medições realizadas em laboratório corroboraram a
operação dos sistemas de controle. Entretanto, ainda há margem para a melhoria dos
compensadores, cujo projeto não era o foco principal do trabalho. Uma possível me-
lhora seria um projeto mais elaborado para o controle utilizando técnicas mais avança-
das. Uma proposta para trabalhos futuros seria utilizar controle adaptativo e verificar
possíveis otimizações nos conversores.
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REFERÊNCIAS
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LIANG, Tsorng-Juu; TSENG, KC. Analysis of integrated boost-flyback step-upconverter. IEE Proceedings-Electric Power Applications, IET, v. 152, n. 2, p.217–225, 2005. Citado na página 14.
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OGATA, Katsuhiko. Engenharia de Controle Moderno. [S.l.]: Prentice/Hall do Brasil,1982. 470 p. Citado 3 vezes nas páginas 20, 21 e 22.
SEO, Sang-Uk et al. Aggregated modeling and control of integrated boost-flybackhigh step-up converter. In: IEEE. IECON 2011-37th Annual Conference on IEEEIndustrial Electronics Society. [S.l.], 2011. p. 1191–1196. Citado na página 18.
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SPIAZZI, G et al. Improved integrated boost-flyback high step-up converter. In: IEEE.Industrial Technology (ICIT), 2010 IEEE International Conference on. [S.l.], 2010.p. 1169–1174. Citado na página 15.
TATTIWONG, K; BUNLAKSANANUSORN, C. Design and implementation of anintegrated boost-flyback converter. In: IEEE. Industrial Electronics Society, IECON2015-41st Annual Conference of the IEEE. [S.l.], 2015. p. 003491–003496. Citado2 vezes nas páginas 14 e 18.
TEODORO, Stefany Huendy. Conversores CC-CC boost-flyback de elevadosganho e rendimento. 2016. Dissertação (B.S. thesis) — Universidade TecnológicaFederal do Paraná, 2016. Citado 11 vezes nas páginas 14, 15, 24, 25, 35, 38, 39, 49,56, 57 e 58.
TSENG, KC; LIANG, Tsorng-Juu. Novel high-efficiency step-up converter. IEEProceedings-Electric Power Applications, IET, v. 151, n. 2, p. 182–190, 2004.Citado 3 vezes nas páginas 14, 17 e 18.
XU, Duo et al. A novel two winding coupled-inductor step-up voltage gain boost-flyback converter. In: IEEE. Power Electronics and Application Conference andExposition (PEAC), 2014 International. [S.l.], 2014. p. 1–5. Citado na página 18.
ANEXOS
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ANEXO A – ESQUEMAS ELÉTRICOS DOS CONVERSORES BOOST-FLYBACK
CONVENCIONAL E BOOST-FLYBACK COM COMUTAÇÃO SUAVE
Figura 47 – Esquema elétrico do conversor boost-flyback convencional.
Fonte: (TEODORO, 2016)
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Tabela 5 – Componentes utilizados no conversor boost-flyback convencional.
Parâmetros Componente
𝐶1, 𝐶2, 𝐶3 e 𝐶4 2,2 µF x 450V Polipropileno𝐶5 e 𝐶6 2,2 µF x 630V Polipropileno𝐶7 100 µF x 50V Eletrolítico𝐶8 e 𝐶9 100 nF Cerâmico𝐶10 5,6 µF x 1600V Polipropileno𝑅1 10 kW𝑅2 170 kW𝐷𝑓𝑒𝐷𝑏 C3D06060A𝐷1 MUR1100𝑆1 STW75NF30
Fonte: (TEODORO, 2016).
Tabela 6 – Componentes utilizados no conversor boost-flyback com comutação suave.
Parâmetros Componente
𝐶1, 𝐶2, 𝐶3 e 𝐶4 2,2 µF x 450V Polipropileno𝐶5 e 𝐶6 2,2 µF x 630V Polipropileno𝐶7 100 µF x 50V Eletrolítico𝐶8 e 𝐶9 100 nF Cerâmico𝐶10 5,6 µF x 1600V Polipropileno𝑅1 10 kW𝑅2 170 kW𝐷𝑓𝑒𝐷𝑏 C3D06060A𝐷1 MUR1100𝑆1 STW75NF30
Fonte: (TEODORO, 2016).
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Figura 48 – Esquema elétrico do conversor boost-flyback com comutação suave.