Projeto e Simulação de Fonte Ininterrupta de Energia UPS Monofásica - Eletrônica de Potência

Faculdade de Engenharia CEL040A 202301 Prof Pedro S Almeida TRABALHO FINAL ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Projeto Análise e Simulação de uma Fonte Ininterrupta de Energia Monofásica A proposta é projetar analisar e simular uma fonte ininterrupta de energia monofásica UPS uninterruptible power supply também conhecidas como nobreak no Brasil Esta UPS monofásica tem uma topologia que emprega 2 estágios conversores em cascata sua fonte primária é um banco de baterias cuja tensão é VB ao qual é conectado um préregulador de tensão comutado conversor CCCC nãoisolado que regula com uma tensão constante um barramento CC intermediário VDC que por sua vez é conectado a um inversor conversor CCCA nãoisolado fonte de tensão monofásico do tipo ponte completa fullbridge A tensão VDC é portanto a saída do conversor CCCC e a entrada do conversor CCCA O capacitor de barramento CDC é o capacitor de saída do conversor CCCC A estrutura geral empregada nesta UPS monofásica é mostrada na Fig 1 FIGURA 1 ESTRUTURA GERAL DA UPS MONOFÁSICA PROPOSTA A carga CA monofásica alimentada pela UPS com a tensão de saída vo é puramente resistiva Ro A tensão do banco de baterias VB varia dependendo do seu estado de carga valor mínimo quando descarregado valor máximo quando carregado A tensão do barramento CC VDC é mantida constante pelo préregulador frente a essas variações de VB para permitir que o inversor forneça uma forma de onda de tensão quasequadrada de pico também constante O inversor emprega uma modulação bipolar de onda quasequadrada simétrica possuindo um ângulo de condução β por cada semiciclo o que implica num ângulo de entrada de condução α A Fig 2 mostra um esboço generalizado da forma de onda da tensão de saída vo indicando estes ângulos α e β e também a componente fundamental da tensão de saída vo1 FIGURA 2 FORMA DE ONDA DA TENSÃO DE SAÍDA O objetivo é que o projetista determine qual deve ser o ângulo de condução β para que a tensão de saída vo não possua o 5º harmônico O projetista também deve determinar qual deverá ser o valor da tensão VDC do barramento CC para que o inversor alimente a carga com uma tensão eficaz RMS de 48 V neste formato de onda Faculdade de Engenharia CEL040A 202301 Prof Pedro S Almeida Em seguida ele deve escolher e indicar qual a topologia mais adequada de conversor CCCC nãoisolado dentre as 3 básicas estudadas buck boost buckboost que permitirá regular o barramento CC com esta tensão VDC selecionada dentro de toda a faixa de tensão VB que fornece o banco de baterias e em seguida projetar seus elementos e parâmetros principais razão cíclica D indutância L capacitância CDC Este conversor CCCC deve ser projetado para operar em modo de condução contínua CCM a plena carga e deve ser escolhido como a melhor opção dentre os 3 estudados ie aquele que implicará nos menores esforços de tensão e corrente nos semicondutores ainda que permita converter VB em VDC dentro da faixa desejada de VB Os parâmetros a serem empregados no projeto da UPS monofásica estão tabelados a seguir Assuma que os 2 estágios conversores préregulador e inversor empregam semicondutores e elementos passivos ideais e portanto possuem uma eficiência de conversão de 100 Parâmetro Valor Tensão mínima do banco de baterias descarregada VBmin 30 V Tensão máxima do banco de baterias carregada VBmax 36 V Potência nominal de saída máx da UPS Po 300 W Tensão eficaz de saída da UPS Vorms 48 V Frequência da tensão de saída da UPS fo 60 Hz Frequência de comutação do préregulador fs 60 kHz Máx ondulação alta freq no indutor do préregulador ki ILIL 20 Máx ondulação alta freq no barramento CC kv VDCVDC 001 Itens a constar no relatório final cálculosgráficos teóricos e resultados de simulação 1 Encontre o ângulo de condução do inversor β em graus que leva a um 5º harmônico nulo na tensão de saída vo do inversor 2 Encontre a tensão de barramento necessária VDC para que a tensão de saída vo tenha o valor eficaz desejado de Vorms 48 V neste ângulo de condução calculado 3 Encontre o valor eficaz da corrente de saída Iorms e da resistência equivalente de saída Ro da UPS na condição nominal da carga Po e na tensão nominal de saída desejada 4 Trace um gráfico com o conteúdo harmônico teórico da tensão de saída vo para os 15 primeiros harmônicos1 5 Encontre os valores teóricos da amplitude de pico da componente fundamental Vo1 e do 3º harmônico Vo3 da tensão de saída vo do inversor 6 Encontre a distorção harmônica total teórica THD da tensão de saída vo do inversor2 7 Esboce as seguintes formas de onda num mesmo gráfico teórico e com eixo horizontal angular em graus como na Fig 2 a tensão de saída idealizada vo a componente fundamental de vo os 3º e 5º harmônicos de vo a reconstrução de vo por série de Fourier para os 30 primeiros harmônicos 5 curvas no total Indique nas figuras os ângulos α e β e também os picos VDC e Vo1 8 Indique qual é a topologia de conversor CCCC não isolado que foi escolhida para implementar o pré regulador da UPS que conecta banco de baterias ao barramento CC premissas empregar a mais simples e com menores esforços de tensãocorrente nos semicondutores ainda que permita regular a tensão desejada e calculada para VDC dentro de toda a faixa fornecida de VB 1 Ou seja de n 1 até n 15 no eixo horizontal eixo vertical em V de pico 2 Utilize um total de harmônicos Nmax 30 no seu cálculo ordens de n 1 até 30 Faculdade de Engenharia CEL040A 202301 Prof Pedro S Almeida 9 Encontre a razão cíclica mínima Dmin e máxima Dmax para os casos extremos da tensão do banco de baterias máxima e mínima tensão respectivamente 10 Encontre o valor da resistência de carga equivalente vista pelo barramento CC RDC quando o inversor alimenta potência nominal na saída 11 Encontre os valores máximo IBmax e mínimo IBmin para a corrente média de entrada do préregulador que são consequentemente as mesmas fornecidas pelo banco de baterias para os extremos de tensão do banco de baterias VBmin e VBmax respectivamente quando a UPS alimenta carga nominal 12 Projete a indutância L do conversor CCCC escolhido para o préregulador para a ondulação de corrente percentual ki indicada na tabela Assuma o pior caso para projeto maior corrente média na indutância e na condição de carga nominal 13 Projete a capacitância CDC de barramento e consequentemente de saída do préregulador para a ondulação de tensão percentual kv indicada na tabela Assuma o pior caso para projeto maior corrente média na indutância e na condição de carga nominal 14 Encontre qual é a mínima potência de carga na saída Pomin abaixo da qual o conversor CCCC entraria em modo de condução descontínua DCM com os valores projetados 15 Confira todos seus resultados utilizando simulação no PSIM primeiro simule os conversores independentemente préregulador alimentando uma carga equivalente RDC inversor alimentado por uma tensão constante VDC em seguida simule os 2 conversores conectados em cascata saída do pré regulador barramento CC conectado à entrada do inversor e verifique os impactos na simulação No PSIM utilize um tempo de simulação total de 500 ms com um print time de 200 ms e passo de simulação time step de 1 µs Para os semicondutores é recomendado utilizar diodos e MOSFETs ideais para seu disparocomando é recomendado utilizar um elemento gating block para cada MOSFET Para projeto e análise teórica utilize um software de análise matemática MATLAB Octave Sage Smath Mathcad Python etc para fazer os cálculos solicitados e traçar formas de ondas teóricas Inclua o programaplanilha de cálculo como arquivo de upload junto ao relatório final assim como o arquivo de simulação do PSIM Todos estes valores teóricos solicitados precisam constar de estarem sendo calculados no seu programaplanilha Utilize sempre 3 casas decimais nas suas respostas Responda às perguntas e indique os valores calculados conforme solicitados Inclua os prints solicitados de formas de onda tanto de simulação do PSIM quanto teóricas do software matemático como upload nos campos solicitados ao final do formulário Faça o upload dos arquivos solicitados m xmcd sm psimsch etc dos programasplanilhas de cálculo também ao final do formulário