Pré-regulador retificador boost com controle digital por valores médios, para sistema de iluminação fluorescente multi-lâmpadas, utilizando dispositivo FPGA e VHDL

Abstract

Este trabalho trata da análise, desenvolvimento e implementação de um estágio Pré- Regulador Retificador Boost de alto fator de potência, para servir como fonte de alimentação para sistemas de iluminação fluorescente multi-lâmpadas, com potência de até 1.200 watts e com índices de qualidade tanto para a fonte de alimentação em corrente alternada quanto para o sistema de iluminação. Este conversor será controlado de forma digital, através da técnica dos valores médios instantâneos da corrente de entrada, desenvolvido através da linguagem de descrição de hardware VHDL (VHSIC HDL – Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) e implementado em um dispositivo FPGA (Field Programmable Gate Array) Spartan 3. Neste trabalho são apresentadas análises matemáticas, para a obtenção das funções de transferência pertinentes ao projeto dos compensadores, onde será aplicada uma metodologia de projeto capaz de projetar estes compensadores utilizando os diagramas de Bode, de módulo e de fase, e ainda contemplar as influencias dos dispositivos A/D, D/A e do processador digital de sinais. Isto eliminará os erros presentes nos projetos via aproximação e permitirá a diminuição das taxas de aquisição necessárias. O projeto é simulado e validado através da plataforma MatLab/Simulink, onde são apresentados resultados para o regime permanente e para transitórios de carga e da tensão de alimentação. Além disso, o controle do conversor através da linguagem VHDL, usando o modelo comportamental num estilo de projeto topdown, é apresentado e também validado através de simulação. Ademais, um sucinto estudo dos reatores eletrônicos convencionais é apresentado, com o intuito de sevir como base para o desenvolvimento de um filtro capaz de barrar as componentes em ca da corrente que circula entre o capacitor de saída...

This work presents the analysis, development and implementation of a single-phase power factor correction (PFC) pre-regulator rectifier, based on boost circuit, to act as a power supply for 1.200 watts multi-lamp fluorescent systems. The converter’s digital control will be implemented using the average current mode control, based on VHDL language (VHSIC HDL – Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) and using a FPGA (Field Programmable Gate Array) device. In this work, the mathematical analyses of the converter´s model are developed in order to obtain the proper transfer functions to design voltage and current digital compensators. The methodology applied at the digital design is capable to deal with the Bode diagrams and incorporate the analog to digital converter, the digital to analog converter and the digital signal processor, eliminating the uncertainties involving approximation methodologies and minimizing the necessity of high level of acquisition rates. This project is evaluated through MatLab/Simulink, showing results for steady-state operation and dynamics in order to analyze the converter’s response. Moreover, the converter’s digital control is based on VHDL language, using the behavioral modeling in a top-down project style, which is presented and validated through simulation results. In addition, the behavior of the conventional electronic ballasts are presented in order to help in the development of a filter, capable to impede the circulation of the AC components of the ballast current throught the feeding link, guaranteeing the continuous current conduction, among the boost capacitor and the electronic ballasts. Finally, this work presents the laboratorial development of this PFC with digital control, where the prototype was evaluated through experimental results.