Projeto de um Controlador PI para o Conversor CCCC

INSTITUTO FEDERAL DE BRASÍLIA CAMPUS CEILÂNDIA CURSO TÉCNICO EM ELETRÔNICA JOSE ROBERTO CUNHA FERREIRA PROJETO DE UM CONTROLADOR Pi PARA O CONVERSOR CCCC Atividade 3 BRASÍLIA 17 DE NOVEMBRO 2023 1 INTRODUÇÃO A eficiente conversão de energia elétrica desempenha um papel central nos avanços tecnológicos contemporâneos influenciando significativamente uma variedade de domínios desde fontes de alimentação até aplicações em sistemas de energia renovável Dentro desse panorama o conversor CCCC do tipo Buck emerge como uma topologia essencial oferecendo uma solução versátil para a redução de uma tensão de entrada contínua para uma tensão de saída inferior A sua aplicabilidade transcende setores diversos abrangendo eletrônica de potência telecomunicações veículos elétricos entre outros O conversor Buck operando por meio da variação da largura de pulso do sinal de controle realiza a regulação eficaz da tensão de saída Contudo para garantir o desempenho dinâmico desejado a implementação de estratégias de controle se torna imperativa Nesse contexto o controlador ProporcionalIntegral PI destacase como uma abordagem consolidada para a regulação precisa do conversor Buck O controlador PI caracterizado pela combinação de termos proporcionais e integrais proporciona uma resposta dinâmica equilibrada O termo proporcional age na correção de erros instantâneos conferindo estabilidade e agilidade na resposta transitória enquanto o termo integral é instrumental na eliminação do erro estacionário resultando em uma regulação precisa e eficiente A implementação do controlador PI no conversor Buck visa otimizar o desempenho do sistema assegurando estabilidade e precisão mesmo diante de variações na carga e na entrada Esta introdução almeja portanto explorar a sinergia intrínseca entre o conversor Buck e o controlador PI Inicialmente será delineada a importância do conversor Buck na eletrônica de potência elucidando suas aplicações em contextos diversos Posteriormente a atenção será direcionada à dinâmica de controle destacando o papel crucial desempenhado pelo controlador PI na regulação eficaz do conversor Buck Explorarse ão os princípios fundamentais do controlador PI sua formulação matemática e as estratégias de sintonia que viabilizam ajustes precisos para atender às especificações de desempenho 2 OBJETIVOS Projetar um controlador Proporcional Integral para um conversor CCCC do tipo Buck 3 METODOLOGIA Para realizar o projeto do conversor Buck foram realizados os seguintes passos I Definir a estrutura do tipo de malha de controle II Normalizar a tensão de entrada CC do controlador em função da tensão CC do circuito que se deseja controlar III Implementar o circuito de controle do Buck IV Implementar o circuito de controle de porta da chave por PWM 31 DEFINIR A ESTRUTURA DO TIPO DE MALHA DE CONTROLE A estrutura de controle utilizada foi a de malha fechada sendo a retroalimentação com a tensão de saída 32 NORMALIZAÇÃO DA TENSÃO DE ENTRADA DO CONTROLADOR Para que a tensão do controlador fosse adequada para realizar o controle utilizouse da normalização da tensão de entrada em função da tensão CC do circuito que se desejava controlar assim 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑉𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟ê𝑛𝑐𝑖𝑎 1 𝐸 Por exemplo caso a tensão de referência desejada fosse 15V logo a tensão de entrada do controlador seria 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 15 1 24 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 0625 𝑉 33 CIRCUITO DE CONTROLE PROPORCIONALINTEGRAL PI O circuito de controle PI é dado por 𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟𝑃𝐼 𝐾𝑝 𝐾𝑖 𝑠 O ganho do 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟𝑃𝐼 foi normalizado utilizando o mesmo valor do ganho no bloco de retroalimentação do circuito 34 CIRCUITO PWM O circuito PWM compara a tensão de referência com a tensão da onda triangular neste trabalho foi utilizado uma onda triangular com frequência de 500 kHz e tensão de pico a pico de 2V 4 ANÁLISE DOS RESULTADOS Nas seções abaixo estão dispostas as formas de onda da tensão de referência do controle PWM e da tensão de saída do circuito conversor do tipo Buck controlado por um controlador PI 41 Circuito realizado no PSIM Figura 1 Circuito do Conversor CCCC do tipo Buck com Controlador PI 42 Formas de ondas Figura 2 Gráfico da tensão de referência 𝑽𝒓𝒆𝒇 e da tensão de saída do Buck 𝑽𝒐 Figura 3 Gráfico da tensão PWM De acordo com os resultados obtidos temse as seguintes análises I A tensão de saída do Buck é definida pelo valor da tensão de entrada do controlador ProporcionalIntegral através da figura 2 se pode ver que para uma tensão de referência de 10V controlador atua de maneira correta pois a saída vai se estabilizando para 10V II O circuito de controle de disparo da chave também atua de maneira correta pois a modulação por PWM indica o momento correto que deve haver a comutação da chave e consequentemente a correta tensão de saída III A forma de onda na chave é caracterizada por uma alternância entre dois estados Quando o transistor de potência está ligado a tensão cai quase instantaneamente para um valor próximo de zero permitindo que a corrente flua da fonte de alimentação para a carga Ao desligar o transistor a tensão aumenta rapidamente para o valor da tensão de entrada Essa alternância cria uma forma de onda quadrada na tensão da chave que é a base do funcionamento do conversor Buck 5 CONCLUSÃO Em síntese a implementação do controlador ProporcionalIntegral PI no conversor Buck revelouse eficaz na obtenção de desempenho dinâmico desejado atenuando os efeitos de variações na carga e na entrada A estratégia PI demonstrou estabilidade e capacidade de minimizar o erro estacionário resultando em uma resposta transitória controlada e satisfatória Este estudo ressalta a relevância do emprego de técnicas de controle para otimizar a operação de conversores CCCC contribuindo para a robustez e precisão do sistema em aplicações práticas