Variador AC de corrente (Projeto)

[Sérgio Lembo]

Circuito corrigido:

 

 

 

[Sérgio Lembo]

Circuito ajustado para 127Vac_rms = 179Vp. Para outras tensões, ajustar R5 e R8 para que fique 10Vp sobre a série R6 + R7.

[MOR_AL]

Calculei a energia entregue a uma carga resistiva em função do ângulo de disparo de um triac. Segue o gráfico.

Observar o seguinte:

1 - O eixo horizontal está em sub múltiplos de PI. Desde zero PI (0º) até 1 PI (180º).

2 - Entre -18º e +18º e entre 162º e 198º, a variação da energia da senóide varia menos que 0,02% do total. 

Ex: Para uma carga com 100W, a variação de energia em cada período mostrado, varia apenas 20mW. Isso mostra que não é necessário usar a comutação nestas regiões. 

3 - Usando um filtro para filtrar o ruído em mais altas frequências, vai provocar uma defasagem entre a tensão e a corrente, ou seja: ao se comutar no zero de tensão, não haverá zero de corrente.

MOR_AL

[albert_emule]

1 hora atrás, MOR disse:

Calculei a energia entregue a uma carga resistiva em função do ângulo de disparo de um triac. Segue o gráfico.

Observar o seguinte:

1 - O eixo horizontal está em sub múltiplos de PI. Desde zero PI (0º) até 1 PI (180º).

2 - Entre -18º e +18º e entre 162º e 198º, a variação da energia da senóide varia menos que 0,02% do total. 

Ex: Para uma carga com 100W, a variação de energia em cada período mostrado, varia apenas 20mW. Isso mostra que não é necessário usar a comutação nestas regiões. 

3 - Usando um filtro para filtrar o ruído em mais altas frequências, vai provocar uma defasagem entre a tensão e a corrente, ou seja: ao se comutar no zero de tensão, não haverá zero de corrente.

MOR_AL

 

Vou simular aqui para ver como fica isso. 

 

O que sugere? Detectar a corrente? 

[Sérgio Lembo]

Estive pensando: se o sincronismos dos últimos fets também tiverem zona morta, se a entrada da zona morta coincidir com a entrada ativada, o rebote não vai ter caminho para descarga. Mais uma alteração:

[MOR_AL]

1 hora atrás, albert_emule disse:

O que sugere? Detectar a corrente? 

 

1 - Sugiro manter o circuito desligado durante estes períodos, apesar de detectar o zero de tensão.

2 - A frequência da rede é bem regulada. Outra opção, ou um acréscimo, seria colocar um filtro passa-faixa de segunda ordem. Daqueles que deixam passar apenas uma estreita faixa, entorno da frequência da rede. Isso deixaria passar a frequência da rede, com desvio nulo de fase entre a tensão e a corrente, e atenuaria bem as outras frequências. Um filtro com um "Q" igual a 5 deve servir. O detalhe é que este filtro tem que casar sua frequência de ressonância com a da rede. Isso não é muito legal de se fazer, já que uma pequena variação na frequência da rede, ou do filtro, provocaria uma defasagem não mínima, entre a corrente e a tensão. 

Como vi que você usou o LTSpice, você pode simular o tal filtro e garantir que ele tenha sua frequência de ressonância em, digamos, 60Hz e com o Q = 5. Visualize a função da amplitude com a frequência para isso e o desvio de fase. Se eu tiver tempo, vou simular esta opção para ver no que dá.

 

3 - Outra opção seria colocar um filtro passa-baixas, mas conhecendo o atraso de fase e incluir este atraso no circuito. 

 

MOR_AL

 

 

[Sérgio Lembo]

Em 13/04/2018 às 18:46, MOR disse:

6 - O duty cicle não pode ser superior a 50%. Tem que dar tempo da corrente no indutor zerar seu valor, caso contrário, o indutor satura.

@MOR, boa tarde.

Acabo de ler com muita atenção seus comentários. Uma coisa que não entendi: por qual razão o duty tem que ficar limitado a 50% forçando a operação do indutor em DCM? Esse indutor que antecede o primário não poderia operar em CCM a exemplo do que ocorre em PFCs de maior potência? Não consegui visualizar de que forma as correntes ficariam se somando. Por mais que olhe o circuito o que consigo enxergar em relação ao indutor é um ciclo que vai do DCM ao CCM dependendo do duty, mas sempre executando as funções de:

- circular corrente no primário sem degraus abruptos de corrente.

- desacoplar altas frequências (ao menos dar uma ajuda nisso).

[MOR_AL]

Um filtro passa-baixa como o mostrado nas figuras, tem ganho de 5 em 60Hz e atenuação de 10x por década quando um pouco afastado dos 60Hz.

O filtro está normalizado, ou seja, para uma frequência diferente de 1Hz, multiplique os valores da escala horizontal pelo valor da frequ. Ex: F0 = 60Hz. Multiplique por 60 os valores da escala horizontal.

Fazendo isso, temos:

1 - A frequ. de ressonância passa a valer 60Hz.

em 0,969Hz (x60 = 58,1Hz) a defasagem é de -72º, ou cerca de -18º dos 90º e aos 0,035 x 60 = 62,1Hz, a defasagem é -108º. Logo, a frequência da rede pode variar desde 58,1Hz até 62,1Hz e a defasagem cairia dentro dos 18º, que tem variação de 0,02% da potência.

2 - Como este filtro é um passa-baixas, a defasagem na ressonância se encontra em 90º. O filtro passa-faixa tem defasagem nula na ressonância. Se colocar um PB tem que considerar defasagem de 90º. Se colocar um filtro PF, tem que considerar defasagem de 0º.

MOR_AL

[albert_emule]

Fiz aqui umas simulações bem simplificadas só para visualizar a situação no indutor: 

 

Em azul a tensão de entrada. 

Em verde a tensão na carga

 

 

 

 

 

Em vermelho o PWM antes do indutor: 

 

 

 

 

Detalhe ampliado:

 

 

 

Corrente no indutor:

 

 

 

 

Duty cycle no mosfet chaveador

 

adicionado 7 minutos depois

Nas simulações anteriores o duty cycle estava bem pequeno. Abaixo de 50%.

Nas imagens a seguir o duty cucle estará bem acima de 50%

 

 

 

adicionado 14 minutos depois

 

Em verde a tensão na entrada

Em azul a tensão na saída. 

 

 

 

Em verdade o PWM antes do indutor: 

 

 

 

Em azul a corrente no indutor: 

 

 

 

Em verde a onda entre dreno e Source do mosfet chaveador.

Observem que agora está comutando em duty-cycle muito maior que 50%:

 

 

 

[Sérgio Lembo]

@albert_emule , obrigado pelas imagens. Apenas uma dúvida: esse circuito será direto rede / carga como faz supor o RL no circuito ou vai colocar um trafo de 60Hz na saída?

[MOR_AL]

55 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

@MOR, boa tarde.

Acabo de ler com muita atenção seus comentários. Uma coisa que não entendi: por qual razão o duty tem que ficar limitado a 50% forçando a operação do indutor em DCM? Esse indutor que antecede o primário não poderia operar em CCM a exemplo do que ocorre em PFCs de maior potência? Não consegui visualizar de que forma as correntes ficariam se somando. Por mais que olhe o circuito o que consigo enxergar em relação ao indutor é um ciclo que vai do DCM ao CCM dependendo do duty, mas sempre executando as funções de:

- circular corrente no primário sem degraus abruptos de corrente.

- desacoplar altas frequências (ao menos dar uma ajuda nisso).

Bom.

O delta (duty cicle) pode sim ultrapassar os 50%. Me enganei neste caso e peço que me desculpe pela falha.

Estou acostumado a fazer os cálculos sempre com tempo morto nos indutores, para garantir que ele não vá saturar.

O detalhe é que sempre fiz fonte regulada, onde a tensão de saída é constante e não inversor. Daí a minha primeira postagem deste tópico, que afirmo não entender muito deste assunto (Não entendo muito de inversores, mas podemos discutir um pouco. Quem sabe saia alguma coisa interessante.).

 

Mas dependendo das condições, o indutor pode saturar se o delta for superior aos 50%. 

O circuito do Albert ainda não tem controle (realimentação) para limitar a corrente na carga.

Suponha que o delta seja 80%, ou seja, a corrente cresce durante 4/5 do período. Se a carga não consumir corrente suficiente para que a corrente no indutor retorne a um valor inferior no início da condução, no ciclo seguinte a corrente partirá de um valor maior que no ciclo anterior. Este procedimento se repetindo, a corrente no indutor pode aumentar até que ele sature. Isso é verdade no caso de fonte regulada. Vide foto no período "start-up".

No caso de um variac, ocorre algo diferente. Existe o caso da tensão de entrada ser totalmente transferida para a saída (delta = 100%). Daí o meu engano. Neste caso, ou próximo a ele, a corrente no indutor será a tensão instantânea de entrada, dividida pela resistência de carga, já que a chave ficará sempre conduzindo. O projeto do indutor tem que considerar que haverá uma corrente de 60 Hz.

 

Maiores detalhes sobre Modo Contínuo de Operação pode ser verificado no endereço eletrônico a seguir.

https://www.ti.com/lit/ml/slup127/slup127.pdf

 

MOR_AL

[albert_emule]

1 minuto atrás, Sérgio Lembo disse:

@albert_emule , obrigado pelas imagens. Apenas uma dúvida: esse circuito será direto rede / carga como faz supor o RL no circuito ou vai colocar um trafo de 60Hz na saída?

 

Vou usar aqui na minha humilde bancada como uma nova ferramenta.

Daí dependendo do teste que eu esteja fazendo no dia, posso querer colocar um transformador para elevar a tensão além dos 127Vac.   

 

Um dos usos que quero fazer futuramente, é instalar o circuito na saída de um transformador que elevará de 127Vac para 260Vac. 

Daí por meio de realimentação eu pretendo fazer o circuito ajustar em 220Vac. Estabilização automática. 

Neste dia eu espero que o circuito esteja funcionando com uns IGBTs e um indutor que suportem chavear uma boa corrente, de forma que suporte uns 4000 watts.

O equipamento que vou alimentar é composto basicamente por ponte retificadora com bancos de capacitores eletrolíticos e são equipamentos que não se importam com forma de onda. Apenas é preciso que a tensão depois de retificada, se mantenha estável em 310V DC.   

 

 

 

[MOR_AL]

@Sérgio Lembo

Observe a corrente no indutor que o Albert postou. Acho que tem dois gráficos.

Observe a parte colorida próximo ao máximo. Lá é mostrado que a variação da corrente vai aumentando.

No caso de fonte regulada, se não houver controle, a corrente sobe e pode saturar o indutor. Mas neste caso de variac, a corrente sobe e depois desce, pois a tensão de entrada também desce. Aí há uma situação diferente de fonte regulada e foi aí que eu me enganei.

MOR_AL

[Sérgio Lembo]

54 minutos atrás, albert_emule disse:

O equipamento que vou alimentar é composto basicamente por ponte retificadora com bancos de capacitores eletrolíticos e são equipamentos que não se importam com forma de onda. Apenas é preciso que a tensão depois de retificada, se mantenha estável em 310V DC.   

Mas essa é a tensão retificada de 220Vac. Lembro de um comentário seu da má qualidade da rede no seu endereço. Se tiver 3 fases aí nem compensa um circuito eletrônico, caso contrário dá para pensar num boost PFC a partir dos 127Vac. Dá um pequeno riple de 120Hz, mas nada que uma dose extra de capacitores não resolva. Lembrete: circuitos DCM para até 300W, CCM a partir de 250W. Se tiver um pouco de coragem, LLC. O cálculo é uma tristeza,  coisa para bons matemáticos como o @MOR, mas o site da Infineon te leva no colo.

adicionado 23 minutos depois

@MOR , de início eu pensava que o destino disso era ter uma fosse AC variável para uso geral, inclusive me interessei porque não tenho variac e esse projeto te dá a possibilidade de testar uma montagem com a rede variando. Na última resposta de Albert, eu entendi que se destina a ter uma tensão estável para alimentar um retificador simples e dele extrair 310Vac. Sugeri um PFC usando os 127Vac. Nessa montagem, supondo um regulador que acompanhe a forma senoidal da saída, vai transferir para a rede todo o fator de potência que a carga + retificador simples provocar e ainda somar sobre isso os efeitos de chaveamento. Com menor custo (estabilizador + conversor ac/dc) tem-se um PFC reguladinho, o custo dos capacitores cai pela metade (cálculo para 120Hz), integrados dedicados, apenas 1 mosfet de potência, apenas 3 diodos em série(eficiência), controle moleza. A parte dura fica limitada na construção dos indutores.

adicionado 53 minutos depois

1 hora atrás, MOR disse:

O projeto do indutor tem que considerar que haverá uma corrente de 60 Hz.

Sobre essa consideração dentro da topologia adotada e sua função, penso o seguinte: se estiver com um duty muito elevado, quase 100% e o indutor saturar, e daí? Já vai estar tão próximo da tensão de entrada que não vejo grandes consequências. Sair de um indutor reduzido de 40kHz ou mais para os monstrinhos de 60Hz, da cerâmica que aceita bem alta frequência para as chapas  de 60Hz, como conviver nesses 2 mundos?

[Sérgio Lembo]

@albert_emule, um pensamento que me ocorreu: usando esse circuito direto na carga, sem trafo, se fosse uma carga de alto consumo variável, um aparelho de som que pode estar tocando baixo ou não, como ficaria a saída de tensão num momento de baixíssima carga? Gosto de escutar piano e em muitas obras há momentos de intervalo de silêncio que superam e muito o tempo de 1 semiciclo. O que faria a tensão desse capacitor de saída cair, como ficaria a situação no momento em que o outro semiciclo entrasse?

Estou fazendo a parte de advogado do diabo, afinal nem todas as cargas são santas. Abraços e aguardo curioso pela resposta.

adicionado 8 minutos depois

Acabo de me lembrar dos diodos de roda livre sincronizados, vai cair tudo por ele na virada de semiciclo com limite  de corrente dado pelo indutor, creio eu.

adicionado 13 minutos depois

Curiosidade: essa descarga consegue dar conta antes da comutação sair da zona morta? Já que está com o simulador montado, põe uma carga bem leve e publica o resultado,

Abraços

Sérgio.

[albert_emule]

Em 15/04/2018 às 20:19, Sérgio Lembo disse:

@albert_emule, um pensamento que me ocorreu: usando esse circuito direto na carga, sem trafo, se fosse uma carga de alto consumo variável, um aparelho de som que pode estar tocando baixo ou não, como ficaria a saída de tensão num momento de baixíssima carga? Gosto de escutar piano e em muitas obras há momentos de intervalo de silêncio que superam e muito o tempo de 1 semiciclo. O que faria a tensão desse capacitor de saída cair, como ficaria a situação no momento em que o outro semiciclo entrasse?

Em malha aberta vai variar mesmo. 

Mas lembre-se que posso colocar um PWM em malha fechada. 

E sempre há como implementar melhorias. Umas das melhorias, além da malha fechada, seria a correção de distorções harmônica da tensão. 

 

 

Em 15/04/2018 às 20:19, Sérgio Lembo disse:

Estou fazendo a parte de advogado do diabo, afinal nem todas as cargas são santas. Abraços e aguardo curioso pela resposta.

adicionado 8 minutos depois

Acabo de me lembrar dos diodos de roda livre sincronizados, vai cair tudo por ele na virada de semiciclo com limite  de corrente dado pelo indutor, creio eu.

adicionado 13 minutos depois

Curiosidade: essa descarga consegue dar conta antes da comutação sair da zona morta? Já que está com o simulador montado, põe uma carga bem leve e publica o resultado,

Abraços

Sérgio.

 

Na simulação eu nem usei circuito para detectar o zero da senoide. 

Apenas usei fontes geradoras sincronizadas para acionar os mosfets. 

[albert_emule]

Olá pessoal. Ainda não tive tempo de montar o circuito. 

 

Mas venho trazer uma curiosidade. Um equipamento no-break de 10Kw 

 

 

 

Observem o indutor de saída.

Este indutor desempenha o mesmo serviço que o indutor do circuito que discutimos aqui.

Só que este é para 10Kw. 

 

 

Vejam como é o esquema desta etapa de potência: 

 

 

 

 

adicionado 10 minutos depois

A outra placa que tem dois indutores, faz uma fonte simétrica. 

[.if]

Legal mano! O curioso é um indutor destes a 10KW e ter pouca perda (se for só ele o responsável). É um toque pra quem curte circuitos lineares, amplificador, fonte e afins.

 

Ontem mesmo revi uma reportagem (reprise) do discovery science sobre energia. Registrei algo como uma carreta de baterias (não tinha percebido na 1ª vez). A ideia era acumular energia da rede nas horas vagas e liberar no horário de pico. Certamente havia um circuito semelhante  lá. Ou um pouco maior...

[albert_emule]

1 hora atrás, Isadora Ferraz disse:

Legal mano! O curioso é um indutor destes a 10KW e ter pouca perda (se for só ele o responsável). É um toque pra quem curte circuitos lineares, amplificador, fonte e afins.

 

Sim. Está totalmente completo. Só falta o banco de baterias aí.

Ele é 11Kva e 10Kw. 

Também possui etapa de PFC na entrada de rede. 

A outra placa que tem dois indutores, é a placa que faz a fonte simétrica e PFC. 

 

 

1 hora atrás, Isadora Ferraz disse:

 

Ontem mesmo revi uma reportagem (reprise) do discovery science sobre energia. Registrei algo como uma carreta de baterias (não tinha percebido na 1ª vez). A ideia era acumular energia da rede nas horas vagas e liberar no horário de pico. Certamente havia um circuito semelhante  lá. Ou um pouco maior...

 

Podia fornecer 27 Mega watts durante 15 minutos igual a este no-break aqui??

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010115040120

 

 

[.if]

Um pouco + novo. É de 2011 acho. E baterias não eram niquel cadmio. A reportagem algo como

Mas acho que era a seguinte. Não achei. Sempre repete (e sempre assisto). Se passar de novo, presto + atenção ao momento da carreta nobreak e vos mostro...

Se moderador apagar (de boa)... Procure "futuro energético" no ytb

[albert_emule]

Desvobri uma solucao simples e estava bem na cara e eu não percebi; 

 

No lugar mosfet em azul, basta colocar uma etapa primária de fonte chaveadas dual-forward. 

Resolve todos os problemas. 

 

[albert_emule]

Olá pessoal!

 

Está difícil de fazer algo que seja muito simples para regular tensão AC através de PWM. 

Eu montei o esquema da foto abaixo. Mas se comportou como um tanque ressonante. 

 

 

Entre o capacitor de 10uF e o indutor a corrente é alta. 

Mas a corrente AC que circula aí na entrada da ponte retificadora é baixa. 

Em fim. Ficou inviável. 

adicionado 14 minutos depois

Cheguei a pensar em um conversor Buck duplo. Mas é impossível para corrente alternada. Por causa dos diodos.

Teria que chavear duas bobinas num trafo para dar certo. Como se fosse um Push-pull. 

 

Acabo voltando ao circuito inicial que é este da foto a seguir:

 

 

 

Mas se for para usar estes diodos todos e mais três mosfets ou IGBTs, vejo que é mais vantagem montar logo uma ponte H e fazer um inversor completo:

 

É isso que vou fazer.

A ideia é retificar sem filtrar. Daí eu uso um PWM fixo que acionará as duas metades da ponte sincronizada com os 60Hz da rede.. 

 

O resultado será este:

 

 

 

 

[.if]

ô Albert não lembro se acompanhei (acho que sim) e to com preguiça de ler tudo..., você tá querendo fazer um inversor grid tie? Ou um variac eletrônico? Ou algo do gênero e genérico de potência elevada mas minimalista sem mc? E com boa eficiência? Se não for genérico e focar só na carga que ele vai alimentar (p.ex. motor ac), não torna a tarefa menos difícil? Sei lá... Só pra reflexão mesmo

[albert_emule]

3 horas atrás, Isadora Ferraz disse:

ô Albert não lembro se acompanhei (acho que sim) e to com preguiça de ler tudo..., você tá querendo fazer um inversor grid tie? Ou um variac eletrônico? Ou algo do gênero e genérico de potência elevada mas minimalista sem mc? E com boa eficiência? Se não for genérico e focar só na carga que ele vai alimentar (p.ex. motor ac), não torna a tarefa menos difícil? Sei lá... Só pra reflexão mesmo

 

É uma forma controlar corrente AC através de PWM, por ser mais eficiente. 

O PWM também permite que um circuito eletrônico mantenha o controle. 

 

Queria brincar com duas coisas:

Primeiro um modo de estabilizar tensão AC.

 

Segundo eu queria brincar com um negócio chamado de STATCOM: Static synchronous compensator.

Este segundo experimento seria para controlar as reativas que excita as bobinas de um motor de indução quando ele está sendo usado como gerador.

 

Mas a prioridade é estabilizar tensão.

Veja um exemplo:

https://www.youtube.com/watch?v=avdc3RyxumM&

 

 

 

 

[albert_emule]

Em 15/04/2018 às 16:40, albert_emule disse:

Fiz aqui umas simulações bem simplificadas só para visualizar a situação no indutor: 

 

Em azul a tensão de entrada. 

Em verde a tensão na carga

 

 

 

 

 

Em vermelho o PWM antes do indutor: 

 

 

 

 

Detalhe ampliado:

 

 

 

Corrente no indutor:

 

 

 

 

Duty cycle no mosfet chaveador

 

adicionado 7 minutos depois

Nas simulações anteriores o duty cycle estava bem pequeno. Abaixo de 50%.

Nas imagens a seguir o duty cucle estará bem acima de 50%

 

 

 

adicionado 14 minutos depois

 

Em verde a tensão na entrada

Em azul a tensão na saída. 

 

 

 

Em verdade o PWM antes do indutor: 

 

 

 

Em azul a corrente no indutor: 

 

 

 

Em verde a onda entre dreno e Source do mosfet chaveador.

Observem que agora está comutando em duty-cycle muito maior que 50%:

 

 

 

 

Parece que estabilizar tensão AC através de PWM só funciona com as técnicas mostrada nos prints de simulação acima. 

 

És que surge a necessidade novamente:

 https://www.youtube.com/watch?v=W5Z09fWyZes&feature=youtu.be