Eletrônica de Potência Prof. Alessandro Batschauer

(1)

Eletrônica de Potência

Prof. Alessandro Batschauer

1 Prof. Cassiano Rech

(2)

Aulas anteriores

• Inversores monofásicos

 Meia-ponte (half-bridge)

 Ponte-completa (full-bridge)

 Push-pull

(3)

Inversores trifásicos

• Estrutura básica

• Estados de comutação

• Circuitos equivalentes

• Operação em baixa frequência

(4)

Inversor trifásico:

Estrutura básica

• Possui três braços inversores em meia ponte, que devem operar de forma

complementar;

• Possui uma fonte de tensão E;

• A referência se localiza no polo negativo da fonte E;

• Naturalmente, é utilizado em aplicações de maior potência, quando comparado com as

estruturas monofásicas; E A S2 S5 D2 D5 S3 S6 D3 D6 D1 D4 S1 S4 CARGA TRIFÁSICA B C

(5)

E/2 A S2 S5 D2 D5 S3 S6 D3 D6 D1 D4 S1 S4 CARGA TRIFÁSICA B C E/2 Estado S₁ S₂ S₃ V_A V_B V_C V_AB V_BC V_CA

1 OFF OFF OFF -E/2 -E/2 -E/2 0 0 0 2 OFF OFF ON -E/2 -E/2 E/2 0 -E E 3 OFF ON OFF -E/2 E/2 -E/2 -E E 0 4 OFF ON ON -E/2 E/2 E/2 -E 0 E 5 ON OFF OFF E/2 -E/2 -E/2 E 0 -E 6 ON OFF ON E/2 -E/2 E/2 E -E 0 7 ON ON OFF E/2 E/2 -E/2 0 E -E 8 ON ON ON E/2 E/2 E/2 0 0 0

Inversor trifásico:

Estados de comutação

Nulo

Nulo Ativo

- Por que utilizar essa estrutura ?

• Facilita a dedução do modelo matemático da planta;

• O modelo matemático serve para projetar o controle do inversor (Ex: P, PI e PID).

• Facilita a compressão do funcionamento. • Independente da estrutura utilizada

(barramento dividido ou simples), o funcionamento é o mesmo.

(6)

Inversor trifásico:

Circuitos equivalentes

E/2 A S2 S5 D2 D5 S3 S6 D3 D6 D1 D4 S1 S4 B C E/2 CARGA TRIFÁSICA

Estado 1

Estado 2

E/2 A S2 S5 D2 D5 S3 S6 D3 D6 D1 D4 S1 S4 B C E/2 CARGA TRIFÁSICA

Estado 3

Estado 4

E/2 A S2 S5 D2 D5 S3 S6 D3 D6 D1 D4 S1 S4 B C E/2 CARGA TRIFÁSICA E/2 A S2 S5 D2 D5 S3 S6 D3 D6 D1 D4 S1 S4 B C E/2 CARGA TRIFÁSICA

(7)

Inversor trifásico:

Circuitos equivalentes

Estado 5

Estado 6

Estado 7

Estado 8

E/2 A S2 S5 D2 D5 S3 S6 D3 D6 D1 D4 S1 S4 B C E/2 CARGA TRIFÁSICA E/2 A S2 S5 D2 D5 S3 S6 D3 D6 D1 D4 S1 S4 B C E/2 CARGA TRIFÁSICA E/2 A S2 S5 D2 D5 S3 S6 D3 D6 D1 D4 S1 S4 B C E/2 CARGA TRIFÁSICA E/2 A S2 S5 D2 D5 S3 S6 D3 D6 D1 D4 S1 S4 B C E/2 CARGA TRIFÁSICA

(8)

Inversor trifásico:

Operação em baixa freqüência

• Nesta estratégia, cada interruptor mantém-se em condução por 180º (D = 0,5); • Esta modulação não utiliza os estados 1 e 8;

• Os comandos dos interruptores de um mesmo braço são complementares;

• Os comandos dos interruptores de um braço estão defasados de 120º em relação aos comandos dos interruptores do braço vizinho.

S₁ S₄ S₂ S₅ S₃ S₆ t t t t t t E/2 A S2 S5 D2 D5 S3 S6 D3 D6 D1 D4 S1 S4 CARGA TRIFÁSICA B C E/2

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Inversor trifásico:

Operação em baixa freqüência

• Observa-se que há seis estados distintos de comutação em cada período • Logo, a duração de cada estado é de 60º

• Para cada estado existem sempre três interruptores acionados, dois do grupo positivo e um do grupo negativo, ou vice-versa

S₁ S₄ S₂ S₅ S₃ S₆

(10)

Inversor trifásico:

Operação em baixa freqüência

• A tensão das fases A, B e C, em relação à referência, será uma forma de onda

retangular de amplitudes E/2 e –E/2, e

defasada uma em relação a outra de 120º; • Uma vez que se conhece a tensão das fases A e B em relação a uma referência comum, é possível determinar a tensão de linha V_AB subtraindo o potencial de B do potencial de A;

• As tensões de linha estão defasadas de 120º entre si, com amplitude E e –E;

• Embora as tensões de fase possuam harmônicos múltiplos de 3 (harmônicos de sequência zero), as tensões de linha não apresentam esses harmônicos.

V_A V_B V_C V_AB V_BC V_CA E -E E/2 -E/2 E -E E -E E/2 -E/2 E/2 -E/2





₁

6 0,78

linha

v



E



E



(11)

Inversor trifásico:

Operação em baixa

freqüência – Carga em Y

E/2 A S2 S5 D2 D5 S3 S6 D3 D6 D1 D4 S1 S4 B C E/2 N

• Na conexão Y tem-se o terminal neutro, aqui denominado de N

• A tensão sobre cada carga é a diferença de potencial entre sua respectiva fase e o terminal neutro (tensão fase-neutro)

(12)

Inversor trifásico:

Operação em baixa

freqüência – Carga em Y

 

A AN N B BN N C CN N

v

t

v

t

v

t

v

t

v

t

v

t

v

t

v

t

v

t













Somando as equações referentes as tensões de fase:

 



 



3  

A B C AN BN CN N

v

t



v

t



v

t



v

t



v

t



v

t



v

t

Para um sistema trifásico equilibrado tem-se que:

 

0

AN BN CN

v

t



v

t



v

t



 

3

A B C N

v

t

v

t

v

t

v

t





(13)

Inversor trifásico:

Operação em baixa

freqüência – Carga em Y

V_A V_B V_C V_AN V_BN V_CN E/6 -E/6 E/2 -E/2 2E/3 -2E/3 E/3 -E/3 E/2 -E/2 E/2 -E/2 V_N

 



 



 



 



 



 



1

2

3

1

2

3

1

2

AN A B C BN A B C

v

t

v

t

v

t

v

t

v

t

v

t

v

t

v

t

v

t

v

t

v

t

v

t



















(14)

Inversor trifásico:

Operação em alta freqüência

• Três sinais de referência defasados entre si de 120º

PWM SENOIDAL

TRIFÁSICO

v_{ref_A} v_{ref_B} v_{ref_C} v_tri



v

_{ref_A}

> v

_tri



S

₁

ON



v

_{ref_A}

< v

_tri



S

₄

ON



v

_{ref_B}

> v

_tri



S

₂

ON



v

_{ref_B}

< v

_tri



S

₅

ON



v

_{ref_C}

> v

_tri



S

₃

ON



v

_{ref_C}

< v

_tri



S

₆

ON

(15)

Inversor trifásico: Operação em alta

freqüência – Etapas de operação

Região 1 Região 2 Região 3 Região 4 Região 5 Região 6 (a) (b)

ia _i

C ib

(a) (b) (a) (b) (a) (b) (a) (b) (a) (b)

ωt

• Dentro de um período de comutação existem 6 etapas de operação;

• Entretanto, as etapas de operação variam em função das regiões de operação do inversor; • As regiões dependem da magnitude e do sentido das correntes de carga;

• Dentro de um período da fundamental (60Hz ou 50Hz), existem 12 regiões possíveis; • Portanto, o VSI trifásico possui 72 combinações diferentes;

• Região de operação: 1 (b);

(16)

Inversor trifásico:

Operação em alta

freqüência – Etapas de operação

0 -0.5 -1 0.5 1 v_{ref_A} v_{ref_B} v_{ref_C} S₁ S₂ S₃

1ª

2ª

3ª

4ª

5ª

6ª

Etapas de operação

1º est. 2º est. 6º est. 8º est. 6º est. 2º est. OFF OFF OFF OFF OFF ON ON OFF ON ON ON ON ON OFF ON OFF OFF ON

(17)

Inversor trifásico:

Operação em alta

freqüência – Etapas de operação

E/2 A B C E/2 S2 S5 D2 D5 S3 S6 D3 D6 D1 D4 S1 S4 N

1ª etapa: S1, S2, S3 (OFF, OFF, OFF)

E/2 A B C E/2 N S2 S5 D2 D5 S3 S6 D3 D6 D1 D4 S1 S4

2ª etapa e 6ª etapa: S1, S2, S3 (OFF, OFF, ON)

3ª e 5ª etapas: S1, S2, S3 (ON, OFF, ON)

E/2 A B C E/2 N S2 S5 D2 D5 S3 S6 D3 D6 D1 D4 S1 S4

4ª etapa: S1, S2, S3 (ON, ON, ON)

E/2 A B C E/2 S2 S5 D2 D5 S3 S6 D3 D6 D1 D4 S1 S4 N

(18)

Inversor trifásico:

Definição da tensão do barramento

• Para um determinado valor de tensão de linha desejada, a tensão do barramento em função do índice de modulação de amplitude é obtida por:





2 6

3

linha rms a

V

E

m



onde: ref fase





a tri

V

m

V



(19)

Inversor trifásico:

Formas de onda, modulação PWM

0 200 400 Va 0 200 400 Vb 0 -400 400 Vab 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 Time (s) 0 -40 40