UNIVERSIDADE FEDERAL DE
SÃO JOÃO DEL-REI
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
CONVERSORES CC-CA
Sumário
1. O inversor básico2. Inversores de fonte de tensão (VSIs) 3. VSI em ponte completa
4. Técnicas de controle para inversores de tensão 5. Modulação por largura de pulso (PWM)
6. Modulação por largura de pulso simples 7. Modulação por largura de pulso múltipla
8. Modulação por largura de pulso senoidal (SPWM) 9. Outros tipos de modulação PWM
10. Exemplos
11. AVISO
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Introdução
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Os inversores são circuitos estáticos (isto é, não têm partes móveis) que convertem potência CC em potência CA com a frequência, tensão ou corrente de saída desejada. A tensão de saída tem uma forma de onda periódica que, embora não-senoidal, pode, com uma boa aproximação, chegar a ser considerada como tal.
Há muitos tipos de inversores, classificados de acordo com o número de fases, com a utilização de dispositivos
semicondutores de potência, com os princípios de comutação e com as formas de onda de saída.
Introdução
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Os dois principais tipos de inversores são: de fonte de tensão (voltage source inverters – VSI) e de fonte de corrente
(current source inverters – CSI).
Os inversores (monofásicos e trifásicos) são utilizados em muitas aplicações industriais, incluindo: controle de velocidade para motores síncronos e de indução, aquecimento por indução, fontes de alimentação para aeronaves, fontes de alimentação de funcionamento contínuo (uninterruptible power
O inversor básico
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O circuito básico, para gerar uma tensão alternada monofásica à partir de uma alimentação de potência CC, é
mostrado na Figura 9.1. Esse circuito é também conhecido como
inversor em ponte-H, porque usa dois interruptores
semicondutores. Os interruptores S1 e S2 ligam (e desligam) a fonte CC à carga de modo alternado, o que produz uma forma de onda retangular de tensão CA.
O inversor básico
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Uma vez que cada interruptor tem terminais positivo e negativo, a combinação dos dois interruptores fornecem os
4 estados, mostrados na Tabela 9.1.
O inversor básico
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Quando os estados 1 e 3 são repetidos de maneira alternada, uma tensão de onda quadrada é gerada na carga, como mostra a Figura 9.2a.
Se os estados 2 e 4, que fazem a tensão na carga ficar em zero, são utilizados, obtém-se uma onda em degrau ou uma forma de onda quase quadrada, como pode ser observado na Figura 9.2b.
Fig. 9.2 – Sequência de comutação para o inversor em meia-ponte: a) saída em onda quadrada; b) saída em degrau.
O inversor básico
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A tensão de saída CA retangular do inversor serve para algumas aplicações. Entretanto, a tensão de saída senoidal é a forma de onda ideal para muitas aplicações. Dois métodos podem ser utilizados para tornar a saída o mais próximo possível de uma senoide.
Um deles consiste em empregar um circuito filtro no lado da saída do inversor. Esse filtro deve ser capaz de deixar passar a grande potência de saída do dispositivo, o que significa ter um tamanho adequado. Isso aumenta o custo e o peso do inversor. Mais ainda, a eficiência ficará reduzida por causa das perdas adicionais de potência no filtro.
O segundo método, modulação por largura de pulso
(PWM), usa um esquema de comutação no inversor para
Inversores de fonte de tensão (VSIs)
Inversores de fonte de tensão (VSIs)
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O inversor de fonte de tensão (VSI) é o mais empregado. Nele, a tensão da fonte de entrada CC é, essencialmente, constante e independente da corrente drenada pela carga. A tensão de entrada CC pode vir de uma fonte independente, como uma bateria, ou pode ser a saída de um retificador controlado. Um capacitor de valor grande é colocado em paralelo com a entrada da linha CC para o inversor.
O capacitor garante que os eventos de comutação não alterem, de modo significativo, a tensão CC. Ele carrega e descarrega de acordo com a necessidade de fornecimento de uma saída estável. O inversor converte a tensão de entrada CC em uma onda quadrada CA na saída da fonte.
Inversores de fonte de tensão (VSIs)
11 - VSI em meia-ponte
O inversor em meia-ponte, utilizado para aplicações de baixa potência, é o alicerce básico dos circuitos inversores. A Figura 9.3a mostra uma configuração de VSI monofásico em meia-ponte, que utiliza dois interruptores (S1 e S2) e duas fontes de alimentação CC. Os diodos D1 e D2 são de retorno.
Inversores de fonte de tensão (VSIs)
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A Figura 9.3b mostra a forma de onda da tensão de saída com carga resistiva. Os interruptores passam para o estado ligado e desligado alternadamente: uma estará ligada enquanto a outra estiver desligada. No período de 0 a T/2, o interruptor S1 se mantém fechado, o que faz com que vo = +E. Em T/2, S1 fica aberto e S2 fechado. Durante T/2 a T, a tensão de saída vo = –E. Entretanto, deve-se tomar cuidado para não passar ambos os interruptores ao estado ligado pois, nesse caso, eles produziriam um curto-circuito na fonte CC.
Se a carga for indutiva, a corrente na saída não poderá sofrer inversão no mesmo instante em que a tensão de saída mudar de polaridade. Portanto, o diodo de retorno fornecerá um caminho para que a corrente de carga flua na mesma direção. As formas de onda de tensão e de corrente com uma carga RL são mostradas na Figura 9.3c.
Inversores de fonte de tensão (VSIs)
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Inversores de fonte de tensão (VSIs)
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S
1fechado
Fig. 9.3 – Inversor de fonte de tensão em meia-ponte com carga RL: d) análise de S1 e S2.
Inversores de fonte de tensão (VSIs)
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S
2fechado
Fig. 9.3 – Inversor de fonte de tensão em meia-ponte com carga RL: d) análise de S1 e S2.
Inversores de fonte de tensão (VSIs)
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Nesse circuito, a corrente na saída io fica atrasada em relação à tensão de saída. Durante o intervalo de 0 a T/2, a tensão de saída vo fica positiva. Portanto, S1 ou D1 estará conduzindo nesse intervalo. Entretanto, durante 0 a t1, a corrente na saída io será negativa, indicando que D1 deve estar conduzindo. No período t1 a T/2, io ficará positiva e, portanto, S1 deverá estar conduzindo. Em T/2, S1 passará para o estado desligado e a corrente será transferida para D2. Em t2, D2 passará para o estado desligado e S2, para o ligado, a fim de assumir o controle da condução de t2 a T. O ciclo então se repete. A Figura 9.3d mostra os dispositivos conduzindo durante os diversos intervalos. Observe que os diodos de retorno conduzem somente quando a tensão e a corrente são de polaridades opostas.
Inversores de fonte de tensão (VSIs)
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Para o circuito com carga resistiva, temos:
O valor RMS da tensão de saída é dado por:
A forma de onda da corrente de saída depende da natureza da carga. Se for resistiva, a forma de onda da corrente será similar à da tensão e, então:
A potência entregue à carga é:
p/ um semiciclo 𝑉𝑜(𝑎𝑣𝑔) = 𝐸. 𝑇𝑂𝑁 𝑇/2 = 2. 𝐸. 𝑇𝑂𝑁 𝑇 = 2. 𝐸. 𝑑 𝑉𝑜(𝑅𝑀𝑆) = 𝐸. 2. 𝑑 𝐼𝑜(𝑎𝑣𝑔) = 𝑉𝑜(𝑎𝑣𝑔) 𝑅 𝑃𝐿 = 𝑉𝑜(𝑅𝑀𝑆) 2 𝑅
Exemplo
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Ex. 10.1) O inversor monofásico em meia-ponte, mostrado abaixo, produz
uma onda de saída quadrada em uma carga resistiva. Sabendo que E = 100 V, d = 50% e a resistência de carga R = 1 Ω, obtenha:
a) Determine a tensão direta máxima que o interruptor deve suportar.
b) Determine a corrente média na carga.
c) Determine a corrente média no interruptor.
d) Determine a potência entregue à carga.
e) Plote as formas de onda para a tensão de saída (vo), as tensões nos SCRs (vSCR1 e vSCR2) e as fontes de correntes (iS1 e iS2). 𝑉𝑜(𝑎𝑣𝑔) = 2. 𝐸. 𝑑 𝑉𝑜(𝑅𝑀𝑆) = 𝐸. 2. 𝑑 𝐼𝑜(𝑎𝑣𝑔) = 𝑉𝑜(𝑎𝑣𝑔) 𝑅 𝑃𝐿 = 𝑉𝑜(𝑅𝑀𝑆) 2 𝑅
Exemplo
VSI em ponte completa
VSI em ponte completa
21 - Com carga resistiva
Um VSI em ponte completa pode ser montado com dois VSIs em meia-ponte. A Figura 9.4 mostra o circuito básico para um inversor monofásico de fonte de tensão em ponte completa.
VSI em ponte completa
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São necessários quatro interruptores e quatro diodos de retorno. Os interruptores são passados para os estados ligado e desligado por pares em diagonal. Assim, ou os interruptores S1 e S4, ou S2 e S3, vão para o estado ligado em um semiciclo (T/2).
Portanto, a fonte CC fica ligada de maneira alternada à carga, em direções opostas. Se os pares de interruptores passarem para o estado ligado em intervalos iguais, a forma de onda da tensão de saída será uma onda quadrada com um pico de amplitude E, como mostra a Figura 9.5.
VSI em ponte completa
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A sequência de comutação é fornecida na Tabela 9.2.
Uma comparação entre as formas de onda das Figuras 9.5 e 9.3b mostra que as formas de onda da tensão de saída dos inversores em meia-ponte e ponte completa são idênticas. Portanto, as mesmas equações podem ser aplicadas.
VSI em ponte completa
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Quando o estado de comutação muda, enquanto se estiver passando de um estado para outro, ambos os pares de interruptores devem estar desligados por um curto período. Isso impedirá que ocorra algum curto-circuito na fonte CC no estado transitório, em que os dois interruptores podem estar acionados ao mesmo tempo.
Podemos também controlar a tensão CA ao usar um terceiro estado do interruptor, durante o qual a tensão de saída é zero. A forma de onda da saída é a onda em degrau, mostrada na Figura 9.6.
Fig. 9.6 – Sequência de comutação e forma de onda de saída de um inversor em ponte: saída em degrau
VSI em ponte completa
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No terceiro estado do interruptor, S1 e S3, ou S2 e S4, se fecham por um tempo δ, durante o qual vo = 0. A sequência de comutação é fornecida na Tabela 9.3.
VSI em ponte completa
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O valor médio da tensão de saída é dado por:
O valor RMS da tensão de saída é dado por:
Portanto, a magnitude da tensão de saída poderá ser modificada através do controle do tempo de atraso de condução dos interruptores. p/ um semiciclo 𝑉𝑜(𝑎𝑣𝑔) = 𝐸. 𝑇/2 − 𝛿 𝑇/2 = 𝐸. 1 − 𝛿 𝑇/2 = 𝐸. 1 − 2. 𝛿 𝑇 𝑉𝑜(𝑅𝑀𝑆) = 𝐸. 1 − 2. 𝛿 𝑇
VSI em ponte completa
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A Figura 9.7a mostra um inversor de fonte de tensão em ponte que usa SCRs como interruptores e alimenta uma carga RL. A tensão de saída é uma forma de onda retangular, com um ciclo de trabalho de 50%. A forma de onda da corrente na saída tem forma exponencial. Quando a tensão de saída for positiva, a corrente crescerá exponencialmente. Durante o ciclo seguinte, quando a tensão de saída for negativa, a corrente cairá exponencialmente.
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Fig. 9.7 – Inversor em ponte completa com carga RL: b) formas de onda com carga RL.
VSI em ponte completa
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A função dos diodos de retorno é fornecer um caminho de volta para a corrente de carga, quando os interruptores estiverem desligados.
A corrente de carga começará em um valor negativo e crescerá exponencialmente. A fonte de corrente CC, nesse período, é invertida e flui de fato para a fonte CC. Quando a corrente na saída chega a zero, D1 e D4 passam para o estado desligado e SCR1 e SCR4, para o ligado. A tensão e a corrente na saída são positivas e produzem uma potência positiva. A corrente continua a crescer e alcança o valor máximo em t = T/2, quando SCR1 e SCR4 passam para o estado desligado.
VSI em ponte completa
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A tensão de saída se inverte, mas a corrente na saída continua a fluir na mesma direção. A corrente na saída somente pode fluir através dos diodos D2 e D3, que ligam a fonte CC à carga, o que gera tensão inversa. A energia armazenada no indutor retorna à fonte CC e a corrente na saída agora cai de seu valor máximo e chega a zero. Logo que a corrente de carga parar, SCR2 e SCR3 podem conduzir para fornecer potência à carga. A corrente alcança seu valor máximo negativo em t = T e o ciclo se repete.
A Figura 9.7b apresenta as formas de onda de tensão e de corrente. Também mostrados nas formas de onda estão os dispositivos que conduzem durante os vários intervalos. Observe, na forma de onda da fonte de corrente, que esta fica positiva quando os interruptores conduzem e quando há potência entregue pela fonte. Mas se torna negativa quando os diodos conduzem e quando há potência absorvida pela fonte.
Exemplo
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Ex. 10.2) Um inversor monofásico em ponte completa produz a onda de saída
em degrau mostrada abaixo, para uma carga resistiva. Considere E = 200 V, d = 50%, δ = 0,05T e resistência de carga R = 2 Ω.
a) Determine a tensão direta máxima que o interruptor deve suportar.
b) Determine a corrente média na carga.
c) Determine a corrente média no interruptor.
d) Determine a potência entregue à carga.
𝑉𝑜(𝑎𝑣𝑔) = 𝐸. 1 − 2. 𝛿 𝑇 𝑉𝑜(𝑅𝑀𝑆) = 𝐸. 1 − 2. 𝛿
Técnicas de controle para inversores de tensão
Técnicas de controle para inversores de tensão
33 A maioria das aplicações de inversores requer algum modo de controle da tensão de saída CA. Vários métodos utilizados para isso podem ser classificados em três grandes categorias:
controle da tensão de entrada CC fornecida para o inversor;
controle da tensão de saída CA do inversor;
Técnicas de controle para inversores de tensão
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- Controle da tensão de entrada CC fornecida para o inversor
Para um dado padrão de comutação, a tensão de saída do inversor é diretamente proporcional à tensão de entrada. Portanto, a variação da tensão de entrada CC fornecida é a maneira mais simples de controlar a tensão de saída. Se a fonte de potência for CC, então, o uso de um chopper (conversor CC-CC) será o método principal para a obtenção de uma tensão CC variável.
Entretanto, quando a tensão CC advém da tensão CA, o controle é mais simples. Basta utilizar retificadores controlados
Técnicas de controle para inversores de tensão
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- Controle da tensão de saída CA do inversor
Nesse método, a introdução de um regulador CA entre o inversor e a carga controla a tensão CA e, dessa maneira, também a tensão de saída do inversor.
- Controle da tensão no inversor
A modulação por largura de pulso (PWM) é o método mais comum para controlar a tensão. Nela, a tensão de saída é uma onda modulada por largura de pulso, controlada pela variação da duração dos pulsos.
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Os três métodos mais utilizados para modulação por largura de pulso enquadram-se nos seguintes grupos:
modulação por largura de pulso simples;
modulação por largura de pulso múltipla;
modulação por largura de pulso senoidal.
Além desses grupos, existem outros métodos avançados, que serão vistos mais adiante.
Modulação por largura de pulso simples
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Nesse método de controle de tensão, a forma de onda da tensão de saída consiste em um único pulso a cada semiciclo da tensão de saída requerida. Para uma dada frequência, a largura do pulso tw pode variar, a fim de controlar a tensão de saída CA. A forma de onda da tensão de saída de um
inversor monofásico em ponte, sem modulação, é mostrada na Fig. 9.8a.
Fig. 9.8 – Formas de onda de saída moduladas por largura de pulso simples: a) sem modulação.
Aqui, os interruptores S1 e S4 estão ligados em um semiciclo e S2 e S3, no outro semiciclo, de modo a produzir a tensão máxima
de saída. Obtém-se o
controle da tensão com a variação da fase de S3 e de S4 em relação a S1 e a S2.
Modulação por largura de pulso simples
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A Figura 9.8b mostra a forma de onda da tensão de saída quando o intervalo de condução de S3 e de S4 está adiantado por um ângulo δ = 90°.
Essa tensão é obtida com a adição das duas tensões de onda quadrada, deslocadas em fase uma em relação à outra. A tensão de saída consiste em pulsos alternados com uma largura de (180° – δ) = 90°.
Exemplo
39 Ex. 10.4) A forma de onda da tensão de saída de um inversor
PWM que alimenta uma carga resistiva é mostrada abaixo. Determine o valor RMS da tensão de saída e também o novo valor de TON necessário para reduzir a 75% a tensão de saída RMS.
‘
𝑉𝑜(𝑅𝑀𝑆) = 𝐸. 1 − 2. 𝛿 𝑇
Modulação por largura de pulso múltipla
Modulação por largura de pulso múltipla
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Em vez de reduzir a largura do pulso para controlar a tensão, a saída do inversor pode ser rapidamente comutada passando para os estados ligado e desligado por diversas vezes, durante cada semiciclo, para fornecer um
trem de pulsos de amplitude constante. A Figura 9.9 mostra a ideia da
modulação por largura de pulso múltipla.
Modulação por largura de pulso múltipla
42 Uma abordagem alternativa de controle da amplitude da tensão de saída é manter o número de pulsos constante e variar a largura do pulso tw (ver Figura 9.10).
Modulação por largura de pulso senoidal (SPWM)
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Na modulação por largura de pulso senoidal (sinusoidal
pulse-width modulation – SPWM), a tensão de saída é
controlada pela variação dos períodos nos estados ligado e desligado, de modo que os períodos ligados (largura do pulso) sejam mais longos no pico da onda. A Figura 9.11 mostra um padrão geral de SPWM.
Modulação por largura de pulso senoidal (SPWM)
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Os tempos de comutação são determinados como na Figura 9.12.
Modulação por largura de pulso senoidal (SPWM)
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vR(t) é uma onda senoidal de modulação de referência, com amplitude Vm e frequência fm, igual à frequência desejada na saída do inversor. Uma portadora de alta frequência com onda triangular vc(t),
com amplitude Vc e frequência fc, é comparada à onda senoidal de referência. Os pontos de comutação são determinados pela interseção das ondas de vc(t) e de vR(t). A largura do pulso tw é determinada pelo tempo durante o qual |vc(t)|<|vR(t)| em ambos semiciclos.
Os dois parâmetros de controle que regulam a tensão de saída são a relação de funcionamento do chopper e o índice de modulação. A relação de frequência fc/fm é conhecida como relação N da portadora de funcionamento do chopper. Ela determina o número de pulsos em cada semiciclo da tensão de saída do inversor.
Outros tipos de modulação PWM
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Existem ainda diversos tipos de modulação PWM, cada qual com uma aplicação / característica distinta.
Outros tipos de modulação PWM
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Outros tipos de modulação PWM
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Outros tipos de modulação PWM
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AVISOS
Planejamento das aulas
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As próximas aulas da disciplina seguirão o seguinte cronograma:
18/10 – AULA 20 – CONVERSORES CC-CA (INVERSOR TRIFÁSICO)
23/10 – AULA 21 – REVISÃO PARA A PROVA 2
25/10 – PROVA 2
29/10 – HORÁRIO LIVRE NO LABORATÓRIO (17h às 19h)
30/10 – 2ª ETAPA TRABALHO FINAL (EM LABORATÓRIO)
01/11 – AULA PRÁTICA 01 – CONVERSOR BUCK (TURMA A)
06/11 – AULA PRÁTICA 01 – CONVERSOR BUCK (TURMA B)
08/11 – AULA PRÁTICA 02 – RETIFICADOR MONOFÁSICO (TURMA A)
13/11 – AULA PRÁTICA 02 – RETIFICADOR MONOFÁSICO (TURMA B)
20/11 – AULA PRÁTICA 03 – INVERSOR MONOFÁSICO (TURMA A)
22/11 – AULA PRÁTICA 03 – INVERSOR MONOFÁSICO (TURMA B) / ENTREGA DO RELATÓRIO
DO TRABALHO FINAL
27/11 – APRESENTAÇÃO TRABALHO FINAL EM LABORATÓRIO
29/11 – APRESENTAÇÃO TRABALHO FINAL (SALA DE AULA)
04/12 – NÃO HAVERÁ AULA
06/12 – PROVA PRÁTICA
11/12 – PROVA PRÁTICA
Divisão de Turmas
TURMA A
1. Albertto da Costa Dias 2. Andre Siqueira Barros
3. Augusto Cesar Santos Sousa 4. Augusto Guimaraes Kozuki 5. Bruno Villanova de Almeida 6. Denis Martins Ribeiro
7. Diego Gomes Ferreira 8. Fabio Ricardo de Faria
9. Francisco Moreira da Silva Neto 10. Geraldo Leonel Ribeiro
11. Heitor de Carvalho Barros Terra 12. Ian Brum Assaf
13. Isabella de Paiva Gomes 14. Italo Franco Oliveira
15. Joao Gabriel de Oliveira Gomes 16. Joao Marcos Carvalho Bechir 17. Joao Nobrega Neto
18. Joao Paulo Gomes Andrade 19. Leandro Thales Souza Mello 20. Luan Bruno Araujo Terra
TURMA B
1. Lucas Diniz Rezende
2. Lucas Henrique Goncalves Michelini 3. Luiz Fernando de Faria
4. Marco Antonio Chaves Soares 5. Marco Aurelio Nascimento 6. Marcos Silverio Paes da Cruz 7. Nayara Pinto Brasilio
8. Otavio Augusto Rodrigues de O. Freitas 9. Raphael Donisete Ferreira Gomes
10. Rizia Amaral Almeida
11. Samuel Carlos Pessoa Oliveira 12. Tarcisio Braz de Melo Junior 13. Thiago Almeida Santos 14. Thiago Boldrini Amaral
15. Vinicius Guilherme Pascoalini 16. Wallace Luciano Soares de Souza 17. Yure Marques Toledo de Almeida 18. Felipe Italo Pereira Abrahao
19. Hugo Joaquim Maia 20. Melissa Abrahao Freitas
Bibliografia
1. Ashfaq Ahmed, Eletrônica de Potência, Prentice Hall, 1ª edição, 2000. – Capítulo 10
2. Muhammad H. Rashid, Eletrônica de Potência: Circuitos, Dispositivos e Aplicações, Prentice Hall, 2ª edição, 1999. – Capítulo 10
