cURSo
DE
PÓS-GRADUAÇÃO
EM
ENGENHARIA
ELETRICA
CONVERSOR
DE
TENSÃO
ALTERNADAICOM
ENTRADA
MONOFASICA
E
SAI_DA
TRIFASICA,
PARA
APLICAÇOES
RURAIS
Dissertação submetida à Universidade Federal de Santa Catarina
como
parte dos requisitos para a obtenção dograu de Mestre
em
Engenharia Elétrica.JoSE
AUGUSTO DA
MATTA
GUEDES
PARA
APLICAÇOES
RURAIS
JosÉ
AUGUSTO
DA MATTA
GUEDES
“Esta Dissertação foi julgada
adequada
para obtençãodo
Título de Mestreem
EngenhariaElétrica,
Area
de Concentraçãoem
Eletrônica de Potência, e aprovadaem
suafonna
final pelo Curso de Pós-Graduaçãoem
Engenharia Elétrica› da Universidade Federal de Santa Catarina.”
Ms
Prof. João rlos dos Santos Fagundes, Dr.
Orientador
;
IProf. Márcio
Cherem
Sóhneider, Dr.Coordenador
em
exercício do Programa de P.G.em
Engenharia ElétricaBanca
Examinadora:
Ms
Prof. João rlos dos Santos Fagundes, Dr.
Presidente
Prof. Í/o Barbi, Dr. Ing.
TREM
DA
VIDA
“A
vidanão
passa deuma
viagem
de trem, cheia deembarques
e desembarques, algunsacidentes, surpresas agradáveis
em
algunsembarques
e grandes tristezasem
outros.Quando
nascemos, entramos nesse trem e nosdeparamos
com
algumas
pessoas quejulgamos, estarão
sempre
nessaviagem
conosco: nossos pais. Infelizmente, isso não éverdade;
em
alguma
estação eles descerão e nos deixarão órfãos de seu carinho,amizade
ecompanhia
insubstituível...mas
isso nãoimpede
que, durante a viagem, pessoasinteressantes e
que
virão a ser super especiais para nós,embarquem.
Para o
fim
dessa viagem, espero que todos se encontremna
ESTAÇÃO
FINAL.”
As
primeiras pessoas aquem
gostaria de agradecer, são aquelas aquem
possa terme
esquecido de citar.Peço
também
desculpa.Foram
tantas as pessoas queme
ajudaramnessa etapa, que tenho a certeza de esquecer alguma. -
Agradeço
a Deus, pela saúde, força e fé encontrados nosmomentos
maisdifíceis.
Ao meu
orientador, Professor Fagundes, por sua valiosa orientação, por suaamizade
e por seu incentivo durante a realização deste trabalho.Ao
Prof. Ivo Barbi, por sua atenção e amizade dispensados durante a realização deste trabalho, expresso aminha
grande admiração.Aos
professores: Ivo Barbi, João Carlos dos Santos Fagundes, DenizarCruz
Martins, Alexandre Ferrari de Souza, Hari
Bruno Mohr,
Arnaldo José Perin,Ênio
Valmor
Kassick,que
durante esse períodome
passaram conhecimentos e auxiliaram-me nestacaminhada.
Aos
amigos: Dé, Yales, Sérgio, Kefas, Tomaselli,Romeu,
Fabaiana, Stephanie,Marcelo, Ênio, René, Falcondes, Grover, Samir, Pacheco, Coelho, Anderson, Dulcemar,
Patrícia, Luiz, Rogers, D. Arlete pela
amizade
e conhecimentos compartilhados duranteeste período.
Aos
amigos: Tina, Bruno, Ricardo, Lara, Cecília, Timóteo, que através de suaamizade, fizeram
com
que esta etapa se tornassebem
mais agradável e proveitosa.“As
amizades
multiplicam as alegrias e dividem os sofrimentos”.A
todo opovo do
Brasil, que contribui para o crescimentodo
país e financiaResumo
da
Dissertação apresentada àUFSC
como
parte dos requisitos necessários paraaobtenção
do
grau de Mestreem
Engenharia Elétrica.~
coNvERsoR
DE
TENSAQ
ALTERNADA
coM
ENTRADA
MoNo1=Ás1cA
~
E
SAÍDA
TRIFÁSICA,
PARA
APLICAÇOES RURAIS
José
Augusto
da
Matta
Guedes
Dezembro/2000
Orientador: Prof. João Carlos dos Santos Fagundes, Dr. Ing.
Área
de Concentração: Eletrônica de Potência.Palavras-chave: retificador, inversor, eletrificação rural.
Número
de Páginas: 123.RESUMO:
Este trabalho apresentauma
síntese de algumas estruturas conversoras deenergia
monofásica
em
trifásica. Inicialmente, faz-seuma
divisão de estruturas capazes deregenerar energia e
com
fator de potência elevadocom
estruturas quenão
tem
a possibilidade de regeneração de energia e conformação da corrente de entrada senoidal eem
fasecom
a tensão de entrada.São mencionadas
as principais características positivas e negativas de cada topologia.A
seguir, apresenta-se a análise teórica deuma
estrutura capaz de realizar a conversão deuma
rede de alimentação monofásicaem
trifásica, sendo esta estrutura divididaem
sua parte retificadora e a sua parte inversora. Demonstra-se os princípios de operação, oequacionamento
dos esforços de tensão e correntebem
como
oseu procedimento de projeto.
Ao
final, tem-se os resultados de simulação e experimentaispara
um
conversor monofásico~
trifásico de 2kVA,
comutando
auma
freqüência de20
Abstract
of
Dissertation presented toUFSC
as a partial fulfillment of therequirements for the degree of Master in Electrical Engineering.
ALTERNATED VOLTAGE
CONVERTER
WITH
SINGLE
PHASE
INPUT
AND
THREE
PHASE
OUTPUT
FOR
RURAL
APPLICATIONS.
José
Augusto
da
Matta
Guedes
December/2000
Advisor: João Carlos dos Santos Fagundes.
Area
of Concentration:Power
Electronics.Keywords:
inverters, rectifiers, rural electrification.Number
of Pages: 123.ABSTRACT:
Thiswork
presents a synthesis ofsome
converter structures used to convertsingle phase energy into three phase energy. Initially, a division
between
structures thatcan regenerate energy with a high
power
factor and structures that are unable to regenerate energy, along with the conformation of the sinusoidal input current in phase with the voltage input are presented.The
positive and negative aspects of each topology are listed.Next, a theoretical analysis of a single phase to three phase converter is presented. This
structure is divided into a rectifier and an inverter.
The
operation principles, the strength voltageand
current equations and the design procedure are demonstrated. Finally, simulationand
experimental results of a 2kVA
three phase-
single phase converter, operating at a20
kHz
switching frequency, are presented.SUMÁRIO
SIMBOLOGIA
... ..XII
INTRODUÇAO GERAL
... ..1cAPíTu|.o
1 ... ._3SÍNTESE
DE
ALGUMAS
TOPOLOGIAS
PARA
CONVERSÃO
MONOEÁSICA
_
TRIEÁSICA
... ..31.1 -
INTRODUÇÃO
... _. 31.2 -
ANÁLISE DE TOPOLOOIAS
... _. 51.3 -
TOPOLOOIAS
SEM
CONEORMAÇÃO
DO
FORMATO DA
CORRENTE DE
ENTRADA
... _. 61.3.1 - Topologia Convencional [1] e [2] ... _. 6
1.3.2 - Topologia
Meia
Pontesem
Controle Ativo [4] ... ._8
1.3.3 -
Conversor
PonteCompleta
sem
Controle Ativo [4] ... _.10
1.3.4 -
Conversor
com
Grampeamento
no Ponto
Neutro [4] ... ._ 121.4 -
TOPOLOOIAS
COM CONEORMAÇÃO
DO
FORMATO DA
CORRENTE
DE
ENTRADA
... _. 131.4.1 - Topologia Convencional
com
o Conversor Boost ... _. 131.4.2 -
Conversor Meia-Ponte
com
Controle Ativoda
Corrente ... _. 141.4.3 - Conversor Ponte
Completa
com
Controle ativo de Corrente ... _.16
1.4.4 - Topologia de Enjeti ... _. 17
1.4.5 - Topologia de
Douglas
e Malengret [6] ... _.19
1.5 -
CONCLUSÕES
... .. 22cAPíTuLO
2
... _.25
ESTUDO
DO
ESTÁGIO RETIEICADOR
DO CONVERSOR
MONOEÁSICO
_
TRIFÁSICO
... ..2s2.1
-INTRODUÇÃO
... ..252.2 -
ANÁLISE QUALITATIVA
EQUANTITATIVA
... ..26
2.2.1 - Análise
Grafica
... _.29
2.2.2 - Etapas de
Funcionamento do
Retificador de Entrada ... _.30
2.2.3 - Análise
da Razão
Cíclica ... .. 332.3.1 - Corrente
Média Nos
Interruptores S]E
S2
... ._ 352.3.2 - Corrente
Eficaz
nos Interruptores S] eS2
... ._ 352.3. 3 - Corrente
Média
nosDiodos
D1
eD2
... ._36
2.3.4 - Corrente Eficaz nos
Diodos
D]
eD2
... ..36
2. 3.5 - Representação
Grafica
dos Resultadosda
Analise ... .. 37 2.4 -PROCEDIMENTO
DE
PROJETO
DO
RETIEICADOR
DE
ENTRADA
... ._ 39 2.4.1 - Especificações ... _.39
2.4.2 -Grandezas
Gerais ... _.40
2.4.3 -Dimensionamento do
Indutor Li ... _.40
2.4.4 - Seleção dos Capacitores de Filtragemna
Conexão
Contínua ... _.45
' 2.4.5 -Dimensionamento
dos Semicondutores ... ._ 45 2.4.6 - Cálculo térmico ... _.46
2.4. 7 - Circuito decomando
... ..49
2.4.8 - Estratégia de Controle a Ser
Implementada
... _. 5J 2.4.9 -Modelo
do Conversor
... ._52
2.4.10 -Dimensionamento do
Circuito de Controle ... ..57
2.5 -
CONCLUSAO
... .. 68CAPÍTULO
3
... .. 70INVERSORES
MONOFÁSICO
-TRIFÁSICO
... .. 703.1
-INTRODUÇÃO
... ..7O 3.2 -ETAPAS DE
FUNCIONAMENTO
DO
INVERSOR
PWM
COM
SEISINTERRUPTORES ATIVOS
... .. 703. 2.] - Primeira
Etapa
(to, t2) ... _. 7] 3.2.2 -Segunda Etapa
(t2, t3) ... _. 72 3.2.3 - TerceiraEtapa
(t3, t4) ... _. 72 3.2.4 -Quarta Etapa
(t4, t6) ... ._ 73 3.2.5 - QuintaEtapa
(t6, t7) ... ._ 73 3.2. 6 - SextaEtapa
(t7, t8) ... ._ 74 3.3 -FORMAS
DE
ONDA
BÁSICAS
... _. 74 3.4 -EQUACIONAMENTO
... ._ 77 3. 4.] - PrimeiraEtapa
(to, t2) ... _. 77 3.4.2 _segunda Etapa
(z2, fa) ... .. 793.4.3 - Terceira
Etapa
(t3, t4) ... _.80
3.5 -
CONDIÇÕES
INICIAIS ... ._ 813.6 -
ESEORÇOS NOS SEMICONDUTORES
... .. 82 3. 6. 1 - Correntes de Pico eMédia
nosDiodos
em
antiparalelocom
os interruptoresativos ... ._
82
3. 6.2 - Corrente de Pico,
Média
e Eficaz nos Interruptores Ativos ... ._82
3.7 -
REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DOS RESULTADOS
DA
ANÁLISE
... _. 833.8 -
ETAPAS DE
FUNCIONAMENTO DO
INVERSOR
PWM
COM
QUATRO
INTERRUPTORES
ATIVOS
... .. 863.8.1 - Primeira
Etapa
(to, t2) ... _.88
3.8.2 -
Segunda
Etapa
(t2, t3) ... ..88
3.8.3 - Terceira
Etapa
(t3, t4) ... ._89
3.8.4 -
Quarta Etapa
(t4, t6) ... _.89
3.9 -
ESFORÇOS DE
CORRENTE
NOS SEMICONDUTORES
DO
INVERSOR
TRIFÁSICO ... ._ 903.9.1 - Corrente
Média
nos InterruptoresS3
eS4
... _.92
3.9.2 - Corrente
Eficaz
nos Interruptores Ativos ... _.93
3.9.3 - Corrente
Média
nosDiodos
... ._ 933.9. 4 - Corrente Eficaz nos
Diodos
... ..94
3.10 -
REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DOS ESEORÇOS NOS SEMICONDUTORES
... _.94
3.11 -
PROJETO
DO
INVERSOR
... ._ 953.11.1 - Especificações ... ..
95
3.11.2 -
Grandezas
Gerais ... _.96
3.11_3 -
Dimensionamento
dos Semicondutores ... ..97
3.11_4 - Cálculo térmico ... ._
97
3_11.5 -
Dimensionamento do
Circuito de Controle ... ._98
3.12 -
CONCLUSÃO
... _.99
cAPíTu|.o
4
... ..1ooRESULTADOS
DE
SIMULAÇÃO
E
EXPERIMENTAL
... .. 1004.1 -
INTRODUÇÃO
... .. 1004.1.1 - Resultados de Simulação ... ._
100
4.1.2 - Resultados Experimentais ... _.
106
SIMBOLOGIA
1.
Símbolos adotados
nos
equacionamentos
Símbolo Significado Unidade _
Õ <l> 9 ll PCio P020 AI
11
AITIRXAT
AVo
Ae
AreacuAW
BIfl3XC
1 C2 Di Dl eD2
D1(WiÍ) D2 Úzfwil) D3, D4,D5
8D6
os fc ' FP fp¡ fp; fr fs FTLA(s) fz o(s) GÁS) Gsls) GÁS) HÁS) HAS) IU) lz lb Íz Ím(Í) Íozf IDeficaz IDmed R loméúioÂngulo de deslocamento de fase(tensão de entrada x l°fase)
Ângulo de defasagem entre V; e l¡
Ângulo de defasagem entre V¡ e Vfoc
Rendimento
Resistividade a 100 graus Resistividade a 20 graus
Ondulação da corrente de entrada
Variação parametrizada
da
corrente de entradaDiâmetro máximo do condutor
Elevação de temperatura no elemento magnético Ondulação da tensão do barramento continuo
Área da perna central do núcleo
EE
Área da seção de cobre total
Área da janela do núcleo
Máxima densidade de fluxo magnético
Capacitor do barramento contínuo
Capacitor do barramento contínuo
Razão cíclica para o interruptor S2 no período de comutação, no semi-
ciclo positivo
Interruptores passivos do retificador de entrada
Razão cíclica para 0 semi-ciclo positivo da tensão de entrada
Razão cíclica para o interruptor S2 no período de comutação, no semi-
ciclo negativo
Razão cíclica para o semi-ciclo negativo da tensão de entrada
Interruptores passivos do inversor
PWM
Diodo Boost
- Freqüência de cruzamento
Fator de potência
Freqüência do pólo 1 do compensador de corrente
Freqüência do pólo 2 do compensador de corrente Freqüência da rede de alimentação
Frequência de comutação
Função de transferência
em
laço abertoFreqüência do zero do compensador de corrente
Função de transferência da planta
Função de transferência do conversor considerando a amostra da corrente de entrada
Função de transferência simplificada
Função de transferência para o projeto do compensador de tensão Função de transferência amostrada
Função de transferência do compensador de tensão
Corrente contínua de entrada,
em
um
período de comutação Corrente de saida de linha trifásica fase aCorrente de saída de linha trifásica faseb Corrente de saída de linha trifásica fasec
Corrente no interruptor passivo Dl
Corrente eficaz nos interruptores passivos
em
um
período de comutação Corrente eficaz nos interruptores passivosem um
período da rede de alimentaçãoCorrente média nos interruptores passivos
em um
período de comutação Corrente média nos interruptores passivos, período da rede alimentaçãoGraus Graus Graus
Q.m
Q.m
A
A
cm
GrausV
cmzCmz
cmzT
F FHz
HzHz
Hz
HzHz
>>>3>>3>>A
A
ief Ii Íi.(Í) ÍM Im IP IPmax Ircf Ísz(Í) ISef ISeficaz ISmed Ísméai‹› Jmax kz kh
Kw
lg Lú miMLT
N
Nfp PcomD Pcoms PCondD PConds Pi Pi Pmag P0 PTComD PTcoms PTC0ndD PTConds P TD PtotLS Rcc R¡(S) Rsh Rt Rmhz Rthhc Rmjcó Rmjzs Sl 8 S2 S3, S4, S5 6 S6 Sw Tl, T2, T3, T4, T5 6 T6 T1 1, TI2, T21, T22, T13, TI4, T23 6 T24 ta tc Tcn D>>I1>>3>I1>>3>3>>3>Corrente eficaz de entrada Corrente de entrada do retificador Corrente no indutor L¡
Corrente máxima sobre o indutor
em
um
periodo de comutaçãoCorrente mínima no indutor
em um
periodo de comutaçãoCorrente de pico de entrada do conversor
Corrente de pico máxima na entrada do retificador Corrente de referência para o compensador de corrente Corrente no interruptor ativo S2
Corrente eficaz nos interruptores ativos
em um
período de comutação Corrente eficaz nos interruptores ativosem um
período da rede de alimentaçãoCorrente média nos interruptores ativos
em
um
período de comutaçãoA
Corrente média nos interruptores ativos
em
um
período da rede deA
alimentação
Máxima densidade de corrente A/cm
Coeficiente de perdas por correntes parasitas
Coeficiente de perdas por histerese
Fator de enrolamento
Entreferro
cm
Indutância de entrada
H
Índice de modulação do retificador
Comprimento médio de uma espira
Cm
Número de espiras
Número de condutores
em
paraleloPerdas por comutação nos interruptores passivos
Perdas por comutação nos interruptores ativos do retificador
Perdas por condução nos interruptores passivos
Perdas por condução nos interruptores ativos do retificador Potência de entrada do conversor
Perdas no cobre
Perdas magnéticas no núcleo
Potência de saída
Perdas totais de comutação nos interruptores passivos
Perdas totais por comutação nos interruptores ativos do retificador Perdas totais de condução nos interruptores passivos
Perdas totais por condução nos interruptores ativos do retificador Perdas totais nos interruptores passivos
Perdas totais
Resistência total do enrolamento
Função de transferência do compensador
Resistor shunt
Q
Resistência térmica do núcleo
Q
Resistência térmica ambiente dissipador °C/W
Resistência térmica cápsula ambiente °C/W
Resistência térmica junção cápsula para o diodo °C/W
Resistência térmicajunção cápsula para o
IGBT
°C/WInterruptores ativos do retificador de entrada
Interruptores ativos do inversor
PWM
Área da seção de cobre do condutor
Interruptores ativos bidirecionais
loãáãâáããããããããã
Cmz
Interruptores ativos bidirecionais do conversor grampeado no ponto neutro
Interruptor S2 bloqueado s
Interruptor S2 conduzindo s
Temperatura da cápsula para os diodos Graus
TCS T¡(5) Ti' to Ts Vab Vzm vbc Vea VC E(on) Vdc VDmax Vz Vfoc Voe Vi Vi Pmax Vi Pm in VL(Í)
Vo
Vo/2 Voc VP Vsh VSmax VT Vro XiTemperatura da cápsula para os IGBTs Graus
Função de transferência, considerando a amostragem
Temperatura da junção Graus
Origem
Período de comutação Tensão entre as fases a eb
Amostra da tensão de pico maxima Tensão entre as fases b e c
Tensão entre as fases c ea
Tensão coletor emissor Tensão do barramento contínuo
Tensão máxima sobre os interruptores passivos do retificador Tensão de erro do regulador de corrente
Componente fundamental da tensão entre os pontos o ec
Tensão gate emissor
Tensão
da rede de alimentaçãoTensão de pico máxima na entrada Tensão de pico mínima na entrada Tensão sobre o indutor L¡
Tensão do barramento contínuo
Tensão sobre
um
capacitor do barramento contínuo Tensão entre os pontos o ecTensão de pico da rede de alimentação Tensão sobre o resistor shunt
Tensão máxima sobre os interruptores ativos do retificador Amplitude do sinal dente de serra
Tensão reversa sobre os interruptores passivos
Reatância de entrada do conversor
S S lO<<<<<Í<<<<<<<<<<<<<<<<< 2.
Acrônimos
eabreviaturas
Símbolo
__
Significa-‹-1-0CA
CAPES
CC
CI IEEEIGBT
INEP MosfetPWM
TDH
UFSC
Corrente AlternadaFundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
Corrente Contínua
Circuito Integrado
Institute of Electrical and Electronics Engíneers Insulated Gate Bipolar Transístor
Instituto de Eletrônica de Potência
Metal-Oxide-Semiconductor
F
íeld-EffectT
ransístorPulse Width Modulation Taxa de Distorção Harmônica
Símbolo
Significado
C
D
E eVo
Fonte de tensao Fonte de corrente I Capacitor Diodo Li e L lndutorR
S eT
Interruptor Controlado Fonte de tensão Vi Resistor4.
Símbolos de unidades de grandezas
físicas (SI)Símbolo
-Sišnificado
-_
Q
A
FH
Hz
m
Rad sT
€<Ohm
Ampere F arad Henry Hertz Metro Radiano Segundo Tesla Volt WattHabitualmente o fornecimento de energia elétrica para o setor rural é feito através
de redes de distribuição monofásicas, devido a fatores econômicos, já que
com
este tipo derede se
têm
reduzidas as quantidades de condutores necessárias.No
Brasil aindahá
muitoque ser ampliado o atendimento a este setor rural.
No
ano de 1999 o governo federallançou
um
programa
neste sentido,buscando
fixar ohomem
aocampo,
evitando-se assimas grandes migrações que
têm
ocorrido nos últimos anos para o setor urbano,provocando
ocrescimento excessivo das grandes cidades,
com
todos os problemas que daí decorrem.Com
o crescente avanço tecnológico, que procura-se colocar à disposiçãotambém
do
setor rural, é cada vez maior e crescente o uso de equipamentos e maquinaria elétricapelo
homem
do campo.
Ocorre que grande parte destas máquinas, sobretudo aquelas para aplicaçõesna
produção, são equipamentos trifásicos.Como
dispõe-seda
rede dealimentação monofásica, é de fundamental importância que se tenha maneiras e
equipamentos capazes de fazer a conversão/adaptação da tensão de monofásica para
trifásica, possibilitando, desta fonna, o pleno desenvolvimento das capacidades produtivas
do
setor rural.As
concessionárias brasileiras de energia elétrica reuniram-se,em
1989
e 1990, paracomparar
os procedimentos técnicos e gerenciais relativos à distribuição rural.Constatou-se que ao passar
do
sistema trifásico para o bifásico, monofásico fase-neutro,MRT
(monofásicocom
retorno por terra) eMRT
com
condutor de aço,pode
haver reduçãode
20 %,
43 °/‹›,50%
e 72%
sobre o custo total, respectivamente.O
sistemaMRT
ao invés de três condutores usa apenasum,
sendo oretomo
decorrente feito pela terra.
Ao
invés de três grossos cabos de alumínio, apenasum
fino
arame
de aço.
Quer
dizer, ao invés deum
poste a cada 60 metros, o poste seguintepode
estar a300
metros se o terreno for plano. Aproveitando-se o relevo,com
os postesno
alto dosmorros, vãos enormes,
com
mais deum
quilômetro,podem
ser utilizados.Dentro desta ótica, o objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de
um
conversor de tensão alternada/alternada
(CA/CA),
com
entrada monofásica, a ser ligadana
rede de alimentação, e saída trifásica, a ligar-se à carga. Este conversor deverá atender aos requisitos de segurança, eficiência e funcionalidade,
sem
deixar de observar-se os aspectoseconômicos,
ou
seja,da
eficiênciado
próprio conversor.O
objetivodo
trabalho é o estudo completo de todos os elementos necessários aoprojeto e construção
do
conversor citado precedentemente,compreendendo
também
a sua realizaçao práticaem
laboratório,com
a finalidade de determinar se os principais aspectosde seu funcionamento.
A
metodologia a serempregada compreende
uma
pesquisa bibliográfica, análisematemática teórica, simulação por
computador
e verificação através damontagem
deprotótipo.
No
capitulo 1, é apresentada auma
pesquisa bibliográfica sobre as diferentespossibilidades de construção de
um
conversor monofásico~
trifásico. Esta pesquisa objetiva o conhecimentodo
que já foi desenvolvidoem
análise e projeto destes conversores.No
capítulo 2, é feitoum
estudo analítico da estrutura retificadora,onde
avalia-se os diversos elementos envolvidosno
funcionamento do pré-regulador. Foi apresentado oestudo qualitativo e quantitativo dos esforços de corrente a que estão submetidos os interruptores
do
retificador. Apresentou-setambém
o projeto completoda
estrutura retificadora de entrada.No
capítulo 3, fez-seum
estudo analítico das estrutura inversoras, utilizando 4 e 6interruptores ativos. Foi apresentado o estudo qualitativo e quantitativo dos esforços de
corrente a que estão submetidos os interruptores dos inversores
PWM.
Apresentou-setambém
o projeto completo da estrutura inversora utilizando quatro interruptores ativos.No
capítulo 4, são apresentados os resultados de simulações digitais e osresultados experimentais
do
conversor monofásico-
trifásico escolhido para acA|=>íTuLo
1SÍNTESE
DE
ALGUMAS
ToPoLoG1AS
PARA
coNvERSÃo
MoNoEÁS1cA
-TRIEÁSICA
1.1 -
INTRODUÇÃO
Este capítulo
tem
como
objetivo apresentar e discutiralgumas
possibilidades detopologias e configurações
do
circuito para efetuar a conversão deuma
rede dealimentação monofásica
em
trifásica. Apresenta-se várias topologias usadasem
conversores e
uma
breve explanação das qualidades e desvantagens de cadauma
delas.Esta conversao
pode
ser realizada deuma
maneira mais ampla, fazendo aconversão
da
rede de alimentação,ou
deforma
mais simples e específica, fazendo amesma
conversão para a alimentação exclusivamente deuma
dada
carga trifasica quedeseja-se alimentar. Nesta linha de utilização, poder-se-á pensar
em
um
motor
trifásicosendo alimentado por intermédio de
um
conversor monofásico-
trifásico.A
análise procura enfatizar para o conversor a necessidade de eficiência, robustez,segurança e funcionalidade,
sem
deixar de observar-se os aspectoseconômicos
(custos),bem
como
os aspectos físicosdo
conversor (volume e peso).O
uso de alimentaçao trifásica equilibrada permite maior eficiência eeconomia no
uso de energia elétrica. Isto ocorre principalmente porque o equipamento elétrico trifásico,
como
por exemplo, omotor
de indução, é mais eficiente eeconômico
secomparado
aomonofásico.
Em
muitos casos, entretanto,na
extensão das linhas de potência trifásicas paraaplicações
em
áreas rurais,ou
em
iluminações industriais, o custo se torna elevado aocomparar-se
com
as linhas monofásicas. Por estas razões os conversores monofásicos~
trifásicos são excelentes escolhas para situações
onde
a energia trifásica não estádisponível.
Fez-se
uma
pesquisa, junto à Concessionária de energia elétrica estadual(CELESC),
sobre onúmero
total de áreas rurais atendidas pelacompanhia no
estado deusuários de rede de alimentação monofásica, bifásica e trifásica e as suas energias
consumidas, respectivamente.
Os
resultados estão apresentados na Tabela l.Tabela 1
-
Número
de consumidores rurais.Absoluto Percentual Absoluto Percentual
Monofásico 122859 65,8
%
20951794 46,2%
Bifâsico 43036 23,1%
13017055 28,7 °/6 Trâfâsâw 20705 1 11,1 °/6 11336282 25,1%
Total 186600 1 100%
45355731 Classe 5 RuralNúmero
de ConsumidoresConsumo kWh/mês
5
100
%
A
partirda
Tabela 1 verifica-se o grandenúmero
de consumidorescom
alimentação monofásica disponível,
em
torno de65%
donúmero
total de consumidoresdas áreas rurais.
Quanto
aos percentuais deconsumo
de energia, estas representam46
%
dototal da energia consumida. Já a classe de consumidores
com
alimentação trifásicaapresenta percentuais de ll
%
do
total de consumidores paraum
consumo
de 25%
do
totalde energia
do
sistema rural.A
CELESC
classifica os seus consumidores rurais monofásicosem
quatro gruposdistintos: agropastoril, industrial, coletivo e irrigante.
A
partir desta divisão fez-seum
levantamento
da
potênciamédia consumida
por usuário de cada grupo.Na
Tabela 2 éapresentado o
consumo
médio
dekWh/mês
de cada categoria.Tabela 2
-
Consumo
individual médio . .Grupos
Consumo
Médio
kWh/mês
Irrigante 1248
Industrial 1345
Coletivo
554
Agropastoril
254
Os
consumidores nas áreas rurais atendidos por rede de alimentação monofásicapodem
disporno
máximo
deum
transformador de 37,5kVA.
A
Celesc utilizatransformadores para os consumidores rurais nas potências de 10
kVA,
15kVA,
25kVA
e 37,5kVA.
Com
estes dados apresentados verifica-se o grande potencial de aplicação para o1.2 -
ANÁLISE DE ToPoLoGIAs
As
topologias estudadaspodem
ser classificadasem
duas categorias.A
primeira refere-se ao conversorsem
controle ativodo
formato da corrente de entradado
conversor, e a outra destaca-se pelo controle ativodo
mesmo. Assim
o diagrama de blocos da Fig. 1.1caracteriza funcionalmente as estruturas.
Retificador inversor seis interruptores
PWM
com
sem
controle ativos.rede de~
ou
ou
Cargaahmemaçao
Retificadgr inversor
PWM
com
tnfaslcacom
controle quatro interruptores ativosFig. 1.1
- Diagramas
de blocos.A
partir desta divisão são apresentadas algumas versõesmeia
ponte e pontecompleta para as duas categorias mencionadas. Apresenta-se
também
a topologia básica,mais convencional, Fig. 1.2, a qual
tem
um
conversor boost acoplado [1] e [2].E
porfim
apresenta-se as topologias propostas e apresentadas
em
[1], [2], [3], [4], [5], [6] e [7].Nessa
síntese das topologias foi explanado o controle dasmesmas,
bem como
oprincípio de funcionamento. Importância foi dada às características principais, focalizando as qualidades e desvantagens de cada topologia.
A
partirda
topologia convencional várias melhorias foram sugeridas. Estasmelhorias incluem:
0 Correntes senoidais na fonte de alimentação monofásica; 0
Operação
com
fator de potência unitário;0 Regulação da alimentação monofásica perante fiutuações da rede;
0
Compensação
da freqüência de alimentação;0 Alta qualidade da saída trifásica;
1.3 -
TOPOLOGIAS SEM
CONFORMAÇÃO
DO
FORMATO
DA
CORRENTE
DE
ENTRADA
Nesta seçao é apresentado de
forma
sucinta O funcionamento de algumastopologias que realizam a conversão de sistema monofásico
em
trifásico. Apresentam-setambém
resultados obtidosem
algumas
simulações,como
formas deonda
da corrente de entrada e tensão de entradado
conversor e ainda as suas tensões e correntes de saída.1.3.1 -
TOPOLOGIA CONVENCIONAL
[1] E [2]Na
Fi . 1.2 é a resentada a toP
olo ia convencionaldo
conversor monofásico-trifásico. Esta topologia emprega, na entrada,
um
retificador eum
capacitor de filtragempara gerar o barramento contínuo. Apresenta
também
seis interruptores ativos,comandados
de maneira
PWM
para produzir as tensões trifásicas.Esta estrutura oferta
uma
pobre corrente de entrada,com
alto conteúdoharmônico
e defasada
da
tensão de entrada, etambém
um
fluxo
de potência unidirecional, isto é,somente da
linha para a carga. Isto indicaum
prejuízo na regulação de linha,bem como
não
permitefrenagem
regenerativa na alimentação deuma
carga tipo motor.O
controle ativodo
formato da corrente de entradapode
ser adicionadocom
Opré-regulador boost. Esta estrutura está representada pela Fig. 1.15. Neste caso melhora-se a qualidade das correntes requeridas, quanto ao seu conteúdo harmônico,
sem
no
entantofacilitar a bidirecionalidade
do
fluxo
de potência.A
rede de alimentação monofásica nãopode
ser regulada perante flutuações da tensão de entrada.A
adiçãodo
conversor boostaumenta
o custo total e as perdas.A
estruturapode
ser concebida
sem
o interruptor S1 e O diodo D5.Esta estrutura mostra-se interessante para
um
projeto deum
conversor monofásico-
trifásico, pois oferece a possibilidade de acrescentarou
não o conversor boost.Com
istopode-se ter inicialmente
uma
estrutura mais simples(menor
custo)ou
com
melhorqualidade das formas de onda,
bem como
fator de potênciapróximo
ao unitário,D1
D3
V- S1' Cl I dc cargal
T2 T4 T6 KD2
4Fig. 1.2 - Topologia convencional do conversor monofásico
-
trifásico.a)
sem
o conversor boost(traço contínuo).b)
com
o conversor boost(incluiramo
em
traço pontilhado)._>
Il *-1 U.) '-1 LI\
*___
Na
Fig. 1.3 apresenta-se as formas deonda
de tensão e de corrente de entrada daestrutura conversora.
Na
Fig. 1.4 apresentam-se as tensões trifásicas de saídado
conversor, as quais irão alimentar a carga. Pode-se observar que estas tensões estão defasadas de 120 °e
possuem
amesma
amplitude, respeitando a configuração deum
sistema de alimentaçãotrifásico.
Na
Fig. 1.5 são apresentadas as correntesem
cadauma
das fases,também
com
ascaracterísticas
do
sistema trifásico._ _ _ _;-n-`
V
[V] tensão de entrada i [A] 'Í
corrente de entrada t [s]v
[v1 Vab___
` '__
______ OVV
«‹ Vbc -_____..E. _.__________¬.¬..I ,.__vV
[V] ` ca OV t [s]'Fig. 1.4
-
Tensões de linha trifásicas equilibradas.t^r~\
/«ea
'b/K
~xr
‹›A - `_
__
x~
__
xxwølf
\\:
\[S]Fig. 1.5
-
Correntes trifásicas equilibradas de cada fase, na saída do conversor.1.3.2 -
TOPOLOGIA
MEIA
PONTE SEM
CONTROLE
ATIVO
[4]Esta topologia não permite o controle ativo do formato da corrente de entrada
do
conversor. Esta estrutura oferta
uma
pobre corrente de entrada etambém
Ofluxo
de energia é unidirecional,não
oferecendo, consequentemente, frenagem regenerativa,no
caso dacarga ser motor.
Uma
desvantagem
deste conversor é acomutação
dos interruptores T1 eT2
estarem sujeitos ao dobrodo
pico de tensão da fase principal.Os
interruptores T1 eT2
são
comandados
através deuma
modulação
senoidal, sendo que amoduladora
estádefasada de
60
°em
relação à tensão de entrada. Desta maneira obtém-se as tensõestrifásicas equilibradas de saída.
A
estrutura propostaemprega
menor
número
de semicondutores e,Fig. 1 .6 DIZ;
c1=TV0
Tišäg
a Li O Vi b c T2I
Dzzscz-:WW
-(Ê
carga---_-
-
Conversor monofásico-
trifásico meia pontesem
controle ativo do formatoda
COITCIIÍG de ellffada.
V[V]'
1{A]^ 0 fííä. J-*§ Í Í ensão de entradla\
`i:':-..~.~ _ 2...- _... v[v] V[V] V[V] t[s]Fig. 1.7
-
Tensão e corrente de entrada.í"`*wb
¬ cKa
iiiiiao/2
Ê
Ê
corrgte de entrada i É~
ileiiiiiiiiiill
Fnn
WfiWm“UmÍ*Ê~f5Íl1m¬*ifi¬mwml:
*[5]l[A] . lb lc la
.f“*` 7, __ _ z -/"“/\-›~ _. __ _..- - ___-- _ ,___
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T /J`^'\'\.\\
*F ' "` `š¡\`}~f="["i""` _""'A “"`7` "H _ "` ';I.;_¡~d`;/Ê"
"
' _¬ I
t[s]
i I I
Fig. 1.9
-
Correntes trifásicas equilibradas de cada fase, na saída do conversor.Na
Fig. 1.7 apresenta-se as formas deonda
de tensão e corrente de entradado
conversor.
Na
Fig. 1.8 mostram-se as formas de ondas das tensões trifásicas de linhado
conversor
meia
ponte,sem
controle ativo daforma
deonda
da corrente de entradado
conversor, estas irão alimentar a carga. Pode-se observar que as tensões estão equilibradas e defasadas de
modo
queobedecem
a constituição deum
sistema trifásico. Estasmesmas
caracteristicaspodem também
ser observadasna
Fig. 1.9, que mostra as correntesem
cadauma
das fasesna
saídado
conversor.1.3.3 -
CoNvERsoR
PONTE
COMPLETA
SEM
CoNrRoLE
Arlvo
[4]Na
Fig. 1.10 está representado o conversor ponte completasem
controle ativo daforma da
corrente de entrada. Esta estrutura utiliza quatro interruptores ativos(T
1-
T4) e dois diodosD1
eD2.
Foi propostaem
porDívan
[12].A
tensão sobre os interruptores ativos, a capacitância dos capacitores dobarramento de tensão contínua e a relação Í/.A são
menores
queno
casodo
conversorapresentado
na
Fig. 1.6.O
fluxo
de energia é unidirecional e a estruturanão
oferececontrole ativo para a
forma
da corrente de entrada,nem
o controledo
fator de potência visto pela rede.Apresenta baixa qualidade na
forma
deonda
da corrente de entrada,ou
seja,um
elevado conteúdo
harmônico
e defasadaem
relação a tensão de entradado
conversor.Uma
aplicação possível desta estrutura
em
ponte completa é na alimentação de motores trifásicos.conversor.
Na
Fig. 1.12 mostram-se as formas de ondas das tensões trifásicas de linha doconversor e na Fig. 1.13 são apresentadas as formas de
onda
das correntes trifásicasequilibradas, verificando-se a
adequada composição
deum
sistema de alimentaçãotrifásico.
T
DIZ: T1 3 a Li O _C:
V1 b C T2 T4 CargaFig. 1.10 - Conversor monofásico
-
trifásico ponte completasem
controle ativo do formato dacorrente de entrada. V[V] tensão de entrada ¡[A]
Õ
,\
os ,/
\\
\l
/
corrente de entrada\\
"'~~` / \\` ,/" | I[S]VW]
l Vflb Í l VbcvlYÊ~'vza
_.._"
I I t[S] V K“X3
I I l Í , l .Fig. 1.12
-
Tensões trifásicas equilibradas de saída.*[^1_\_/“R
lb/*“^\
/f“\
O 0,Ê\\,
/
>(
\¿?\
xx
/“
\/
<
--__
_
_.- .__-_
- ,I_,
_ñ_í_.
I i t[s] ` I flFig. 1.13
-
Correntes trifásicas equilibradas de cada fase, na saídado
conversor.1.3.4 -
CONVERSOR
coM GRAMPEAMENTQ
No
PoNTo NEUTRO
[4]A
topologia deste conversor está apresentadana
Fig. 1.14.Os
diodosD1
eD2
permitem
aos capacitores daconexão
contínua, serem carregados pela fonte V,-.Os
interruptores
T
J 1 a TJ 4 e T2] aT24
sãocomandados
de maneiraPWM
para gerar as tensões de três níveis V¡,,, e Vc", as quais estão defasadas de l20°uma
da
outra.O
resultadoda tensão Vbc são cinco níveis
PWM
e nãocontém
as harmônicas de terceira ordem.As
formas de
onda
das tensões de saída nos terminais a, b e c são trifásicas equilibradas eapresentam alta qualidade,
ou
sejamenor
conteúdo harmônico.Os
diodos grampeadores asseguram que cada interruptor seja submetido àmetade
da
tensãodo
barramento de corrente contínua. Este aspecto particular facilita o uso desta topologiaem
alta tensão e alta potência.A
topologia não oferece controle ativo do formato da corrente de entradado
oferecendo, consequentemente,
frenagem
regenerativa,no
caso da carga ser motor. Está estrutura não possibilita controledo
fator de potência.___,_%$_-
____` h D1 ZXC:
' HÉ
É
É
É
*sã
¬>f JR; f<;.¬f<í; @‹»~ Mew_i'"
¿}_
,_f\r£J/l\/\_,,0 Ii V1--
--
C _ _l;-___.._.__.___ a carga Ú' TI4 T24DZA
C:
'“` _ À] _»~..__I-.._1
Fig. 1.14
-
Conversor monofásico-
trifásicocom
grampeamento
no ponto neutro.1.4 -
TOPOLOGIAS
COM
CONFORMAÇÃO
DO
FORMATO
DA CORRENTE
DE
ENTRADA
Nesta seção é apresentado de
forma
sucinta o funcionamento dealgumas
topologias que realizam a conversão de sistema monofásico
em
trifásico,com
aconformação do
formato da corrente de entrada. Apresentam-setambém
resultados obtidosem
algumas
simulações,como
formas deonda
da corrente de entrada e tensão de entradaeainda as tensões e correntes de saída
do
conversor. Será apresentado o retificador deentrada, o qual é responsável pela
conformação da
corrente de entradado
conversor. Destamaneira obtém-se corrente de entrada senoidal e
em
fasecom
a tensão de entrada,consequentemente fator de potência unitário.
1.4.1 -
TOPOLOGIA CONVENCIONAL
COM
O
CONVERSOR
Boosr
Na
Fig. 1.15 está representada a estrutura convencionaldo
conversor monofásico-
trifásico, acrescida deum
estágio boost. Está estrutura utiliza o pré-regulador boost paraentrada. Para obter-se as tensões trifásicas equilibradas de saída utiliza-se
um
inversorPWM
senoidal. Este inversor apresenta seis interruptores ativos.5252
"
Í T2 _... T4-Tó
_D2"
"D4
_
_
_: ._ .__ 0Fig. 1.15
-
Topologia convencional do conversor monofásico-trifásico,com
o conversor boost.V[V] /-¬, g,.\
i[A]
\2nsão
de ent ada.
_,
F____
___.“__
O_
c rrente de entrado_o;
e
X/
aM
¬ . .tm
. . .Fig. 1.16
-
Tensão e corrente de entrada, forma qualitativa.Na
Fig. 1.16 estão representadas deforma
qualitativa as formas deonda da
tensão e da corrente de entrada para a topologia apresentada. Pode-se observarque
tem-se, neste caso, formasde
onda
senoidais eem
fase.As
formas deonda
das tensões trifásicasequilibradas de linha e das correntes de linha são exatamente as
mesmas
representadas nas Fig. 1.4 e Fig. 1.5.As
formas deonda da
tensão e corrente de entradado
conversordiferem-se da topologia convencional por serem senoidais e
em
fase, gerando fator depotência unitário.
1.4.2 -
CoNvERsoR
MEIA-PQNTE
coM
CQNTROLE
Arivo
DA
CORRENTE
Esta estrutura diferencia-se da apresentada na Fig. 1.6 pela presença de mais dois interruptores ativos, T] e T2, cuja função é conformar a corrente de entrada para que seja
A
Fig. 1.17 ilustra o conversormeia
pontecom
controle ativo daforma
deonda
da
corrente de entradado
conversor.Os
interruptores ativos T1 eT2
são controlados atravésda
estratégia demodulação
PWM
sincronizadocom
tensão de entrada, garantindocom
isto que aforma da
corrente de entrada seja senoidal e estejaem
fasecom
a tensão.Os
interruptores
T3
eT4
são operados de maneiraPWM
para gerar a tensão Vbc, já mostrada Fig. 1.8.A
tensão entre os pontos a e b, Vab, é essencialmente a tensão de alimentação.Para o controle de T1 e
T
2 usa-seuma
técnicaPWM
[10] e [1 1], a qual proporciona aeliminação das harmônicas de baixa ordem.
O
indutor Li atuana
filtragem das harmônicasde corrente de
ordem
elevadas.Além
disso, a freqüência decomutação
deT
1 eT
2pode
ser escolhida para produzirum
menor
indutor de filtragem.A
corrente de entrada resultante 1,- é senoidal de alta qualidade,com
baixadistorção e
em
faseem
relação a tensão de entrada, e o fator de potência épróximo
do unitário.A
topologia permite o controle ativo da forma deonda
da corrente de entrada.O
fluxo
de energia é bidirecional, possibilita, consequentemente, frenagem regenerativa,no
caso
da
carga serum
motor.Uma
desvantagem
deste conversor é o fato de os interruptores estarem sujeitos aodobro
do
pico de tensãoda
fase principal, nas suas comutações.Na
Fig. 1.16 estão apresentadas, deforma
qualitativa, as formas deonda
da tensão e corrente de entrada para o pré-regulador boostcom
ponto médio, utilizadotambém
nesta topologiameia
ponte e nas próximas aqui apresentadas, dos conversores monofásicos-
trifásicos.
As
tensões trifásicas de saída, são as já apresentadas na Fig. 1.8. Estas tensõespossuem
amesma
amplitude e estão defasadas de 120 O entre elas, respeitando o principiobásico de
um
sistema trifásico.As
tensões representadasna
Fig. 1.8 são as tensões de linha|”*;°`~í"'
0 ,J_
"1 .:ti
Tear
~šà¬.É
c~- , ____
sá.
carga_»__.___
..-7
C1" ew cr ,Ás
_Dt_JO
T> Ofã
Fig. 1.17 - Conversor monofásico
-
trifásico meia pontecom
controle ativo do formato dacorrente de entrada.
1.4.3 -
CONVERSOR
PONTE
COMPLETA
COM
CONTROLE
ATIVO
DE
CORRENTE
O
conversor ponte completacom
controle ativo do formato da corrente de entradaestá representado
na
Fig. 1.18.Os
interruptores T] eT
2 são controlados de maneiraPWM
para que a corrente de entrada seja senoidal.
Quando
a tensão de entrada Vi é positiva Ointerruptor
T2
é colocadoem
condução, para elevar a tensãono
capacitor e confonnar a corrente de entrada para que seja senoidal, ecom
fator de potência unitário.No
ciclo negativo de V,-, o interruptor T1 realiza esta função.Os
interruptores T3 aT
6geram
a tensão Vbc, a qual está defasada de 120 °com
relação à tensão Vab. Deste
modo
as tensões resultantes nos terminais a, b e c sao vetores trifásicos equilibrados.Esta topologia apresenta
também
a característica de bidirecionalidadedo
fluxo
deenergia entre a fonte e a carga, o que representa
uma
vantagem.Além
disso, esta característica adicional é obtidasem
a adição de outro estágio de potência.A
tensão nos interruptores ativos, a capacitância e a relação I/.A sãomenores
queno
casodo
conversor apresentado na Fig. 1.17. Apresenta, ainda, alta qualidadena forma
de
onda da
corrente de entrada.A
tensão e a corrente de entrada para esta topologia ponte completa,na
suaforma
qualitativa, são aquelas apresentadas
na
Fig. 1.16.Quanto
às tensões trifásicas equilibradasde linha deste conversor, são as
mesmas
já mostradas na Fig. 1.12.As
tensões de linha sãoVab, Vbc e Vw, respectivamente. Estas tensões estão defasadas de 120 O entre elas,
f1+íÊÊ]?¬¿Í;
¬ÊT .mw
Lzj%;m_.Lp
0° 1 cargaFig. 1.18 - Conversor monofásico
-
trifásico ponte completacom
controle ativo do formato dai
corrente de entrada.
1.4.4 -
ToPoLoG1A
DE
ENJET1
Na
Fig. 1.19 é mostrada a topologia proposta por Erzjeti [1] e [7].A
configuraçãoapresentada incorpora
na
sua entradaum
retificador ativoem
meia
ponte. Esta estruturacomplementar
é responsável pela produção da conexão contínua edo
controle ativo daforma
deonda da
corrente de entrada.Além
disso, permite bidirecionalidadedo
fluxo
deenergia entre a
conexão
contínua e a linha alternada principal.A
entrada monofásica alternada, de freqüência fixa, é retificada pelos interruptores T1 e T2.O
banco
capacitivo, dividido naconexão
contínua é carregado através dos diodosem
anti-paralelocom T
1 e T2.Os
interruptores ativosT
1 eT2
são controlados através da estratégia demodulação
PWM,
sincronizadacom
a tensão deentrada. Desta maneira é garantido o formato da corrente de entrada senoidal e a obtenção de
um
fator de potênciapróximo
ao unitário.O
indutor de filtro L,- atua na filtragem dasharmônicas de corrente de
ordem
elevadas. 'Os
interruptoresT3
aT6
são operados a partir de técnicasPWM
conhecidas naliteratura. Este inversor
PWM
éformado
por apenas quatro interruptores ativos, sendo estaestrutura independente
do
pré-regulador boost utilizado.Logo
poder-se-á pensarem
utilizá-la
em
estruturassem
correção do fator de potência.O
conversor propostopode
ser controlado para produzir corrente de entradasenoidal, fator de potência unitário e simultaneamente gerar
boa
qualidade na tensão0 ele
emprega somente
seis transistoresou
interruptoresIGBT,
consequentemente implicando baixo custo;
0 possui tensão e freqüência de saída variáveis;
ø ele
produz
corrente de entrada senoidal e fator de potênciapróximo
aounitário;
0
fluxo
de energia é bidirecional entre aconexão
contínua e a linha alternada principal. Este aspecto produz excelente regulação da tensão contra flutuaçõesna
tensão de entrada e facilita a frenagem regenerativa,no
caso de acionamento de motores;0 é de
tamanho
compacto, já que a estrutura de seis interruptoresdo
conversorseja disponível
em
módulos
de diversos fabricantes; 0produz
tensão trifásica de alta qualidade.Nesta topologia proposta, o retorno pelo terra da alimentação é usado
como
uma
das três fases de saída
do
conversor. Portanto, é aplicável à linhasMRT
(monofilar
com
retorno pelo terra).
A
segunda e terceira fases são produzidas poruma
modulação
PWM
assimétrica.
O
neutro da alimentação é conectadono
centro dos capacitores.A
amplitudedas três fases de saída são reguladas pelo controle
do
barramento contínuo.As
formas deonda
da tensão e corrente de entrada para este conversor sãoidênticas as já apresentadas na Fig. 1.16.
Na
Fig. 1.19.Na
Fig. 1.20 apresenta-se as formas deonda
das tensões de linha Vab, Vbc e Vea, respectivamente. Trata-se de tensões trifásicasequilibradas e defasadas de 120 ° entre elas.
Examinando
as tensões de linha deste sistema, percebe-se a presença deuma
modulação
PWM
assimétrica na estrutura.Na
Fig. 1.21/[Vo/2
T:i¿}
vi bigi-
If)-Hfã
I I ” T2ÉC2
TW/2 TílíjíšT§¿¶}
l
zFig. 1.19
-
Topologia proposta por Enjeti para o conversor monofásico-trifásico.VIVI vab " é¡t¡ ¡:“.p ' OV .'I\I ~ W' V :TW i Vbc
nrui
|nmmn||||||||||| \m|u|||nu|u|u|umm|mm
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AE
Leg-
o `_{>¡(T| O---\i_+› Q: 'J~a
_{>`|. . nsões trifásicas equilibradas de linha.
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zm
` ' `
Fig. 1.21
-
Correntes trifásicas equilibradas de cada fase, na saída do conversor1.4.5 -
TOPOLOGIA
DE
DOUGLAS
E
MALENGRET
[6]Na
Fig. 1.22 está representada a topologia proposta porDouglas
e Malengret [6]O
conversor apresentaum
retificador de entrada, o qualimpõe
que o formatoda
correntede entrada seja senoidal para a alimentação.
O
primeiro braçodo
inversor é o retificador de entrada. Este braço é capaz deregular a primeira fase de saída
do
conversor.O
valor de pico da tensão sobre os interruptores é praticamente o valordo
barramento contínuo.Com
isto, a amplitude daprimeira fase
pode
ser controlada variando-se o barramento contínuo.A
tensãoda
primeira fase é atrasadaem
relação à tensão de entrada pelo ângulo Õ.Um
aumento
em
Õ
resultaem
um
aumento da
tensãodo
barramento contínuo ealém
dissoaumenta
a tensão de fase.A
regulaçãodo
conversor é, portanto,dada
pelo deslocamento de faseda
modulação
PWM
senoidal para o primeiro braço.Assim,
pelo controle da freqüência decomutação
e do ângulo de deslocamento defase Õ os interruptores T] e
T2
são controlados.O
conversor apresenta vantagens distintas.As
sub-harmônicas de tensão de saídasão baixas.
A
topologia oferece controle ativodo
formato da corrente de entrada.O
fluxo
deenergia é bidirecional, oferecendo, consequentemente, frenagem regenerativa,
no
caso dacarga ser
um
motor.IQ;
‹› ,rn V¡_
*W
> carga_%_.
nc2:f__-
._t.__
É
c __ _.,_T"
Fig. 1.22 - Topologia proposta por Douglas e Malengret para 0 conversor monofásico-
11
1111111111-~w~fi1
1|||||||1`“ 1111111111of1 I e 11111111111111111me
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1 ea , , 1 ` *‹I1I11‹1IIiII*I=i1â1,1¡1-11app*-ea
111n1›u1|1|11|1 1 f[S]Fig. 1.23
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Tensões trifásicas equilibradas de linha.¡[A}X\
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V
V
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t[s]
Fig. 1.24
-
Correntes trifásicas equilibradas de cada fase, na saídado
conversorA
principaldesvantagem
deste conversorem
um
acionamento de velocidade variável, é a alta tensão requeridano
barramento contínuo. Seforem
necessários400
V
natensão de linha, então para o barramento contínuo serão necessário 1500 V. Entretanto, esta topologia é satisfatória para tensões baixas de motores, por
exemplo
110V
de linha.Para
um
melhor
resultado, deve-se investigar técnicas para limitar a tensãodo
barramentocontínuo.
Na
Fig. 1.23 estão representadas as formas deonda
das tensões de linha V,,¡,, Vbc eVw, respectivamente.
As
tensões estão equilibradas e defasadas de 120 O entre elas,respeitando 0 princípio
do
sistema trifásico.Da
observação das formas deonda
apresentadas
na
Fig. 1.23 conclui-se que oPWM
assimétriconão
está presente neste sistema.A
Fig. 1.24 ilustra as formas deonda
das correntes trifásicas equilibradas de linha.1.5 -
CONCLUSÕES
Várias topologias
foram
apresentadas e analisadas de maneira sucinta.O
objetivoprincipal destas topologias é a conversão monofásica
-
trifásica.Na
síntese dasmesmas
procurou-se levantar as caracteristicas básicas de funcionamento, atendendo aos requisitos
de segurança, eficiência e funcionalidade,
sem
deixar de observar-se os aspectoseconômicos,
ou
seja,da
eficiênciado
próprio conversor, e dos custosdo
mesmo.
Apresentou-se
uma
configuração do
tipomeia
ponte, a qual possui apenas doisinterruptores ativos e dois diodos. Esta topologia por conseguinte
não
oferecebidirecionalidade
no
fluxo
de energia, etambém
não apresenta controle ativo para que oformato
da
corrente de entrada possa ser senoidal. Foitambém
mostrada a versãomeia
ponte
com
controledo
formatoda
corrente de entrada. Esta versão possui quatrointerruptores ativos,
bem
como
bidirecionalidadedo
fluxo de energia.Nas
Fig. 1.10 e Fig. 1.18foram
apresentadas as versões ponte completa,sem
controle ecom
controle ativodo
formatoda
corrente de entrada, respectivamente.A
tensão sobre os interruptores ativos, a capacitância e a relaçao V.A sãomenores
que nosconversores apresentados nas Fig. 1.6 e Fig. 1.17.
Na
Fig. 1.14 foi apresentadoum
conversorcom
grampeamento no
ponto neutro. Este conversornão
é capaz de realizar bidirecionalidadeno
fluxo
de energia,mas
mostra- se interessante para aplicaçõesem
alta tensão. Isto é devido aos interruptores estaremsubmetidos a
metade
da tensaodo
barramento contínuo.As
Fig. 1.19 e Fig. 1.22 apresentam os conversores propostos por Enjeti eDouglas, respectivamente.
Os
conversoresembora
similares,possuem
funcionamentosdiferentes.
Apresentam
característicasbem
próximas,como
bidirecionalidadeno
fluxo
depotência e fator de energia
próximo
ao unitário.Este trabalho procurou realizar
uma
análise entre algumas diferentes topologias possíveis para realizaçãoda
conversão monofásica-
trifásica.Na
Tabelas 3 e Tabela 4 é apresentadauma
comparação
das diferentes topologiaspossíveis para efetuar a conversão monofásica
-
trifásica. Nesta Tabela 3 apresenta-seum
resumo
das estruturassem
o controle ativoda
forma deonda
da corrente de entrada.Na
Tabela 4 é são apresentadas as estruturas que