High Efficiency Energy Recycler for Burn-in Tests of Telecommunications DC Sources
Joacillo Luz Dantas1, Fernando Antunes2, Kleber Lima3
José Maurício Andrade Delta Energy Systems
Grupo de Processamento da Energia e Controle Departamento de Engenharia Elétrica Universidade Federal do Ceará 1
[email protected],
[email protected], 3
[email protected] Abstract — This paper shows an architecture for dc source power recycle circuit. This circuit, composed by power electronics devices, accomplishes the burn-in test in a dc power supply with nominal voltage equal 54.5 V and current equal 50 A. It use a PIC16F870 microcontroller for control a current inverter and a non-dissipative snubber to help the commutation in a boost converter.
Ewaldo Luiz de Mattos Mehl Depto. de Engenharia Elétrica Universidade Federal do Paraná
[email protected]
conversor boost, de acordo com o diagrama de blocos mostrado na Fig. 1.
Index Terms — Burn-in, power recycler, dc-dc converters.
I.
Em testes de Burn-in convencionais, para fontes CC, usam-se resistores como carga. Nesses testes a fonte alimenta uma carga, que corresponde a uma porcentagem de 50% a 100%, por um período de 24h às 72h. Toda energia envolvida no processo é perdida em forma de calor. Com o objetivo de diminuir o consumo de energia elétrica nos testes de Burn-in, surgiu o conceito de Reciclagem de Energia [1]. Embora o uso de recicladores de energia seja uma proposta bastante atrativa, principalmente devido a atual preocupação com a otimização dos recursos energéticos, constata-se que a maioria das pesquisas relacionadas a esse tópico, é direcionada para UPS, sendo reduzido o material relacionado com recicladores para fontes CC [1,2,3,4,5,6]. Este artigo mostra uma nova topologia para um reciclador de energia, formado por três conversores, para implementação de testes de Burn-in em fontes CC de 54,5V e 50 A, de aplicação em telecomunicações. Este reciclador devolve para a rede , a energia elétrica consumida no teste, multiplicada pelo rendimento do conversor, injetando na mesma, uma corrente senoidal com TDH em torno de 4%. O reciclador de energia diminui os gastos com o teste de burn-in, eliminando inclusive os custos inerentes à refrigeração, tendo como implicação a produção de uma fonte CC mais competitiva. O investimento inicial em um reciclador de energia pode ser amortizado em menos de um ano [1].
II.
Fig. 1 - Reciclador.
INTRODUÇÃO
DESCRIÇÃO DOS CONVERSORES
O reciclador de energia é um equipamento, baseado em semicondutores de potência, composto por três conversores, a saber: um inversor de corrente, um conversor buck e um
A. Inversor de Corrente O reciclador de energia injetará na rede elétrica, através de um inversor de corrente, Fig. 2, uma corrente senoidal de freqüência 60Hz. A saída do inversor é conectada a um filtro LC para filtrar a alta freqüência proveniente do chaveamento do estágio anterior, o qual injeta no mesmo, uma corrente senoidal retificada. A conexão com a rede elétrica é feita através de um transformador de 60/220V. O uso, ou não, de diodos em série com os IGBT`s depende da tecnologia escolhida para estes, NPT ou PT respectivamente.
Fig. 2 - Inversor de corrente.
B. Conversor Buck O conversor buck, Fig. 3, atua como um controlador de fluxo de energia. Ele é a interface entre o inversor de corrente e o conversor boost. Quando a energia entregue pelo boost é maior que a injetada na rede elétrica pelo inversor de corrente, o circuito de controle aumenta a razão cíclica do chaveamento do conversor buck, com o objetivo de liberar essa energia. Caso contrário, a razão cíclica é diminuída.
High Efficiency Energy Recycler for Burn-in Tests of Telecommunications DC Sources O estágio buck possui também a função de fornecer uma corrente senoidal retificada de 120Hz, possibilitando que o inversor opere com chaveamento em 60Hz. A identificação do fluxo energético é feita através do monitoramento da tensão no capacitor de saída do conversor boost. Quando a energia fornecida pelo boost é maior que a recebida pela rede elétrica, desprezando-se as perdas, a tensão no capacitor tende a aumentar. Caso contrário esta tensão diminui. O conversor buck opera no modo de condução contínua,
Devido ao fato da corrente no interruptor do conversor boost ser relativamente elevada, foi necessária a busca de um chaveamento não dissipativo. Optamos pelo uso de um circuito de ajuda à comutação, denominado snubber passivo não-dissipativo, o qual possibilita uma comutação quase ZCS na entrada em condução e quase ZVS no bloqueio [7,8,9]. A Fig. 4 mostra o conversor boost utilizando o snubber passive não-dissipativo.
III.
DESCRIÇÃO DO SNUBBER
A elevação da freqüência de comutação em conversores
Fig. 3 - Conversor buck .
com uma razão cíclica que varia senoidalmente, dada em (1), e a corrente média no interruptor é mostrada em (2).
Dk (θ ) =
Vs _ pico × sen(θ ) Vik π
I mchk =
∫ λ.
2 .I ef _ inv .sin 2 (θ )dθ
0
(1)
(2)
π .η k
Onde,
λ=
Vs _ pico
Vik
Vs_pico: tensão de pico de saída do buck. Vik: tensão de entrada do buck.
Ief_inv: Corrente eficaz na saída do inversor de corrente. η k : Rendimento do conversor buck. C. Conversor Boost A fonte CC a ser testada é fabricada pela empresa Delta Energy System, e possui os seguintes valores de tensão e corrente de saída: 54,5V e 50A. Esta fonte é ligada diretamente ao conversor boost, e este, têm como função solicitar uma corrente CC constante, com 5% de ondulação, determinando o nível de potência do teste. A fonte tem controle de tensão de saída, e apresenta menos de 1% de variação a plena carga. Logo é suficiente que o conversor boost só controle a corrente a ser drenada da fonte, o que implica em um controle da potência.
Fig. 4 - Conversor boost empregando snubber passivo nãodissipativo.
estáticos proporciona a redução no peso e volume dos componentes magnéticos. Entretanto, o aumento da freqüência causa elevação das perdas na comutação e interferência eletromagnética (EMI). A recuperação reversa no diodo boost Ds na Fig. 4, também contribui para uma adicional perda em condução. O circuito snubber utilizado atua tanto na entrada em condução, quanto no bloqueio do interruptor, proporcionando comutações pseudo ZCS e ZVS, respectivamente. Os dois elementos que devem ser adicionados ao circuito a fim de proporcionar, corrente nula, na entrada em condução, e tensão nula, no bloqueio do interruptor, são um pequeno indutor e um capacitor. O indutor prover a corrente nula na entrada em condução do interruptor e limita a corrente de recuperação reversa do diodo, enquanto que o capacitor proporciona tensão nula durante o instante do bloqueio [7]. Os componentes passivos que completam o circuito snubber, são utilizados para recuperar a energia armazenada no indutor Lsn e capacitor Csn, para a saída. De acordo com a análise das etapas de operações do snubber e suas restrições, realizadas em [7,8,9], é possível o dimensionamento de seus elementos. Definindo-se a variável k, como o fator que determina a faixa da corrente de entrada na qual o snubber opera corretamente, e x como a relação entre os capacitores Csn e Ca, tem-se (3) e (4).
High Efficiency Energy Recycler for Burn-in Tests of Telecommunications DC Sources
x=
k=
Csn Ca
Ie(MÍN) Ie(MÁX)
(3)
(4)
O ábaco mostrado na Fig. 5, expressa o parâmetro k em função do parâmetro x [7,9]. Através da utilização dos gráficos das figuras 5, 6, 7 e 8, como também, do equacionamento obtido em [7,8,9], é possível o dimensionamento dos elementos do circuito snubber apresentado.
Fig. 7 – Reatância do capacitor Csn em função de x.
Fig. 8 – Reatância do capacitor Ca em função de x.
IV.
ESTÁGIO DE CONTROLE
A. Controle Boost Fig. 5 – Relação entre k e x.
O controle do conversor boost é feito no modo corrente, utilizando-se o modelo de Vatché Vorperian para condução contínua [10] . Um sensor Hall coleta a corrente de saída da fonte, que é a variável a ser controlada. Na implementação optamos pelo uso do circuito integrado 3525, muito difundido para este tipo de regulação, como mostra a Fig. 9.
Fig. 6 – Reatância do indutor Lsn em função de x.
Fig. 9 – Controle do conversor boost.
High Efficiency Energy Recycler for Burn-in Tests of Telecommunications DC Sources B. Controle Buck Para implementar o controle do conversor buck, que tem na entrada corrente e tensão CC, e na saída tensão e corrente senoidal retificada em 120Hz, foi usado o UC3854, que é um circuito integrado amplamente utilizado em projetos de conversores boost atuando como pré-reguladores CA/CC de alto fator de potência e baixa THD. Porém o comportamento do controle de tensão é justamente o oposto do nosso projeto. Para adequação do UC3854 aos nossos requisitos foi necessária a adição de um inversor na coleta da tensão. O conversor Buck e derivados são relativamente fáceis de controlar, principalmente no modo corrente. O critério adotado para o compensador de corrente foi o de Limitações de rampa ( Slope Limitations) [11].
dVdspp Gcck = Rsk
dt
dVLk
(5)
dt
Vrs = Vik × Rsk (Vdspp × sLk ) (6) Vcea Onde ,
Fig. 10 – Sinais de comandos para os drivers dos IGBT’s.
seqüencial de chaves [1]. Inclusive é bastante conveniente a implementação de um circuito de inrush. O microcontrolador PIC16F870 usado para controle do inversor, tem ainda a incumbência de gerenciar todo esse processo. No nosso sistema as chaves são relés de 12V, 40A.
VI.
RESULTADOS DE SIMULAÇÃO
Alguns resultados obtidos em simulação são mostrados a seguir. A simulação foi feita a 90% da potência nominal da fonte CC, usando-se o software ORCAD. A corrente injetada na rede elétrica apresentou TDH de 4,8%, analisando-se até a harmônica de ordem 50.
Gcck: Ganho do compensador de corrente. Vrs : Tensão no resistor shunt na saída do buck. Vcea: Tensão na saída do compensador de corrente. Vik: Tensão de entrada do buck. Rsk: Resistência shunt na saída do buck. Vdspp: Tensão pico-a-pico da dente de serra do 3854. Lk: Indutância buck. Para o compensador de tensão adotamos o mesmo critério usado em [1] e [12].
Fig. 11 – Corrente drenada da fonte CC.
C. Controle Inversor de Corrente O disparo dos IGBTs do inversor de corrente sempre serão feitos quando a tensão da rede for nula. Sendo também, neste instante, nula a corrente injetada na mesma. Com um microcontrolador PIC16F870 [13], usando sua característica de possuir diodos internos de proteção nas portas , e através de software feito em ASSEMBLY , detectamos a passagem da tensão senoidal por zero, e se a passagem foi na subida ou na descida. Assim, determinamos que par de IGBTs (Fig. 2) serão acionados (Fig. 10). É importante salientar que, por segurança, os acionamentos dos IGBTs sofrem duas sobreposição de 300 microssegundos, na passagem por zero, em cada ciclo da rede.
V.
ENTRADA E SAÍDA DO SISTEMA DE BURN-IN
O processo de conectar e desconectar o Reciclador de Energia à fonte CC deve passar por um acionamento
Fig. 12 – Entrada em condução da chave boost usando snubber.
High Efficiency Energy Recycler for Burn-in Tests of Telecommunications DC Sources
Fig. 13 – Formas de onda.
VII.
CONCLUSÕES
O reciclador de energia para fontes CC mostrado, apresenta como vantagens uma comutação, na chave boost, quase-ZVS no bloqueio e quase ZCS na entrada em condução. Apreenta ainda um controle do inversor e o gerenciamento de energização e desenergização com um microcontrolador PIC. Apresenta a desvantagem de possuir três conversores, o que compromete o seu rendimento final, no entanto devido a sua inerente aplicação ele ainda se torna viável.
AGRADECIMENTOS Este trabalho de pesquisa e desenvolvimento representa uma parceria entre a Universidade Federal do Ceará , através do Grupo de processamento de Energia e Controle (GPEC) e a empresa Delta Energy System [14], produtora de fontes CC de aplicação em telecomunicações [15].
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