Controle da temperatura de um forno industrial Considere que o diagrama a seguir, ilustrado na Figura 1, representa o circuito de potência simplificado de um forno elétrico, em que a energia absorvida pelo resistor de carga é transformada em calor. Consideraremos a resistência como linear, visando analisar o circuito de controle e a transferência de potência entre a fonte (Vs) e a carga (RL). Figura 1 – Circuito de potência simplificado de um forno elétrico Fonte: o autor. Considere que Vs representa uma fonte de tensão CC,VRL é a tensão entre os terminais do resistor. VDS representa a tensão entre os terminais principais de uma chave estática de potência, Q1, que por sua vez é comandada por um gerador de sinal PWM conectado ao terminal de controle da chave. IRL representa a corrente no resistor de carga. Os dados de operação do circuito são:

Controle da temperatura de um forno industrial

Considere que o diagrama a seguir, ilustrado na Figura 1, representa o circuito de potência simplificado de um forno elétrico, em que a energia absorvida pelo resistor de carga é transformada em calor. Consideraremos a resistência como linear, visando analisar o circuito de controle e a transferência de potência entre a fonte (Vs) e a carga (RL).


Figura 1 – Circuito de potência simplificado de um forno elétrico
Fonte: o autor.
Considere que Vs representa uma fonte de tensão CC,VRL é a tensão entre os terminais do resistor. VDS representa a tensão entre os terminais principais de uma chave estática de potência, Q1, que por sua vez é comandada por um gerador de sinal PWM conectado ao terminal de controle da chave. IRL representa a corrente no resistor de carga.
Os dados de operação do circuito são:

Vs = 120 V

RL = 20 Ω

d = 0,25

F = 5 kHz

 

 

Considere agora que uma chave REAL será utilizada no circuito. Isso significa que ela apresentará perdas durante o funcionamento do circuito. O modelo escolhido foi o transistor MOSFET CANAL N STB7NK80Z. Algumas características deste componente estão mostradas na Tabela 1.

 

Parâmetro	Símbolo	Valor Típico	Unidade
Turn-On Rise Time	tsw on	12	ηs
Turn-Off Fall time	tsw off	20	ηs
Drain-Source Breakdown Voltage	VDS máx	800	V
Drain-Source On-State Voltage	VDS on	0,8	V
Drain Leakage Current	ILeak	10	µA
Maximum Power Dissipation	Pmáx	125	W

Tabela 1 – Características do componente

Fonte: o autor.

 

Na Tabela 1 estão apresentados os valores de tempo de abertura (tSWon) e fechamento (tSWoff), o limite de tensão entre Dreno e Source (VDSmáx), a queda de tensão em condução (VDSon), a corrente de fuga (ILeak) e a potência máxima permitida para esta chave (Pmáx).

 

1. a) Conhecendo os parâmetros da chave, calcule a potência média dissipada na chave Q durante o estado ligado.

 

1 b) Calcule a potência média dissipada na chave durante o estado bloqueado.

 

1 c) Calcule a potência máxima dissipada durante a ligação da chave.

 

1 d) Calcule a Potência Média Total dissipada na chave em relação ao ciclo de chaveamento.

 

2. Um retificador monofásico da Figura 2, no qual os quatro diodos formam uma ponte completa, alimentando a carga RL genérica.

 

Figura 2 – Circuito Retificador Monofásico com carga RL

Fonte: o autor.

 

Dados do circuito:

D1, D2, D3, D4: diodos ideais.

Vs: Fonte de tensão monofásica da rede elétrica.

R: Componente resistiva da carga, cujo valor é de 5 Ω;

L: Componente indutiva da carga, cujo valor é de 7,5 mH.

 

2. a) Se considerarmos os diodos como chaves ideais, qual o valor médio de tensão na carga se o valor máximo da tensão monofásica é de 150 V em 50 Hz?

 

2. b) Qual o valor médio de corrente na carga considerando a mesma situação do item a)?

 

2. c) Qual o valor da potência, em Watts, absorvida pela carga RL?

Obs.: considere a 4ª ordem como a maior da série.

 

3. Você foi contratado para projetar um sistema em que um gerador eólico deve alimentar um banco de baterias. A tensão de saída do gerador varia de 10 a 110 Vcc em diferentes condições de vento e carga. Caso a potência drenada da máquina esteja abaixo da capacidade, a rotação da turbina tende a aumentar e, consequentemente, a tensão nos seus terminais também aumenta. De forma análoga, se a potência drenada for acima da capacidade, a rotação tende a diminuir juntamente com a tensão.

Considerando que o banco de baterias resulta num barramento de 220 Vcc e o objetivo de que, ao menor valor de tensão de operação disponível no gerador, o carregamento da bateria já aconteça, responda as questões a seguir considerando as chaves estáticas como ideais.

 

3. a) A partir dos modelos de conversores cc-cc que você conheceu no curso de eletrônica de potência, quais das topologias se adequam a este projeto? Justifique.

 

3. b) Considerando que a topologia escolhida é a BOOST, calcule os valores máximos e mínimos de razão cíclica para transferir 10 kW do gerador para o banco de baterias.

 

3. c) Desprezando as perdas na chave e nos elementos passivos, calcule a corrente média na entrada do conversor quando o gerador fornece a potência máxima.

 

3. d) Considere que a bateria pode ser representada por uma impedância puramente resistiva de 20 Ω. Calcule o valor médio da indutância L do conversor Boost quando a tensão do barramento estiver em 110 V e a tensão da bateria estiver regulada em 220 V, mantendo 5% de ondulação sobre o valor médio de corrente no indutor. A frequência do conversor é 10 kHz.