Apoio MAPA Eletrônica de Potência

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Considere que o diagrama a seguir, ilustrado na Figura 1, representa o circuito de potência simplificado de um forno elétrico de pequeno porte aplicado em uma indústria que trabalha com termoplásticos.
O objetivo deste circuito é controlar a temperatura do forno a partir do controle da transferência de potência entre uma fonte e uma carga.
Considere que E representa uma fonte de tensão CC e Rc representa a resistência elétrica de aquecimento do forno. VDS representa a tensão entre os terminais principais de uma chave estática de potência Q que por sua vez é comanda um gerador de sinal PWM com razão cíclica d e frequência f conectado ao terminal de controle da chave. Vc e Ic representam a tensão e a corrente na carga, respectivamente.
Os dados de operação do circuito são:

1.1.a) Considerando a chave Q como ideal calcule o valor médio da tensão na carga; 1.1.b) Ainda considerando a chave Q ideal, calcule o valor médio da potência na carga. 1.1.c) A partir dos itens anteriores, qual o valor médio da potência na chave Q?
1.1.d) Calcule a eficiência da transferência de potência.

Atividade 1.2) Considerando um chave não-ideal
Agora, vamos substituir a chave ideal por um transistor MOSFET modelo IRP450. Algumas características deste componente estão mostradas na Tabela 1.

Nesta tabela, estão os tempos chaveamento (abertura e fechamento), o limite de tensão entre Dreno e Source, a queda de tensão em condução, a corrente de fuga e a potência máxima permitida para esta chave.
1.2.a) Calcule a potência média dissipada na chave durante o estado ligado;
1.2.b) Calcule a potência média dissipada na chave durante o estado bloqueado;
1.2.c) Calcule a potência máxima dissipada durante a ligação da chave;
1.2.d) Calcule a potência média dissipada na chave em relação ao ciclo de chaveamento.
Atividade 2) Deseja-se alimentar uma carga resistiva de 20 Ohms a partir de uma fonte linear sem filtro. A tensão eficaz de saída do transformador monofásico é de 48 V entre fases em 60 Hz.
2.a) Considerando que um retificador de onda completa com terminal central (centertap) será utilizado e os diodos como chaves ideais, qual a tensão média sobre a carga resistiva?
2.b) Calcule, para o item 2a) a corrente média na carga.
2.c) Qual a potência entregue à carga considerando a configuração do item 2a)?
2.d) Considere agora que 2 diodos foram adicionados ao circuito com o objetivo de construir a topologia de onda completa em ponte de diodos. Haverá alteração nos valores médios de tensão e corrente na carga? Caso sim, calcule os novos valores.
2.e) A partir do novo circuito do item 2.d, calcule a potência na carga resistiva.
2.f) Esboce graficamente as formas de onda de corrente na carga para as situações dos itens 2.a)
e 2.g) em função da tensão de saída do transformador (entre fases). Não esqueça de identificar os valores de escala em cada um dos gráficos.

2.g) A partir das formas de onda esboçadas no item anterior, é possível estimar o Fator de Potência do conversor nas duas situações? Apresente esses valores.
2.h) Se considerarmos que no circuito do item 2.d), foi adicionado um indutor de 50 mH em série com o resistor de carga. Neste caso, qual seria o valor médio da corrente com a nova configuração de carga? Justifique o valor apresentado.
2.i) Baseado no valor de corrente calculado no item 2.h), qual o valor da potência entregue à carga? 2.j) Qual o fator de potência do circuito na configuração do item 2.h)?

Atividade 3) Agora vamos falar de projeto!?

3.a) Qual seriam as topologias de conversor CC-CC adequadas a este projeto? Justifique.
3.b) Dando preferência aos circuitos não isolados e de menor ordem possível, represente o diagrama elétrico do conversor estático que melhor se enquadra nestes parâmetros.
3.c) Para o circuito escolhido no item 3.b), calcule os valores de razão cíclica máximos e mínimos para manter a tensão da bateria em 14 V.
Nota: Considere o valor de tensão mínimo de operação do painel em 5 V.
3.d) Considere que a bateria pode ser representada por uma impedância de 5 . Calcule o valor médio da
impedância do conversor quando a tensão do painel estiver em 17 V e a tensão da bateria estiver regulada em 14 V. A frequência do conversor é 1 kHz.
3.e) O que acontece com a indutância do conversor de aumentarmos a frequência para 5 kHz? Justifique o novo valor calculado.
3.f) Qual o valor da variação de corrente no indutor (ΔIL) para a situação em 3.d)?
3.g) Agora calcule o valor da variação de corrente no indutor (ΔIL) considerando o indutor de 3.e).
3.h) Com o objetivo de que a tensão na bateria tenha no máximo 5% de ondulação sobre o valor médio, calcule o valor do Capacitor de filtro para o conversor.