JANILSON, CARLOS

Conversores CC-CA

Osasco, 2009

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JANILSON MENDES, CARLOS GALLANTE

CONVERSORES CC-CA

Trabalho da disciplina de Eletrnica de Potncia da FAC-FITO Faculdade da

Fundao Instituto Tecnolgico de Osasco

Osasco 2009

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Sumrio

1. Introduo ..................................................................................... 3

2. Conversor monofsico .................................................................. 4

2.1 Inversores de fonte de tenso (VSIs) ............................................ 6

2.1.2 VSI em meia-ponte ........................................................................ 7

2.1.3 VSI em ponte completa ................................................................. 8

3. Produo de uma onda senoidal ................................................. 11

3.1 Controle da tenso de entrada CC .............................................. 11

3.2 Controle da tenso de sada CA .................................................. 12

3.3 Controle da tenso no inversor .................................................... 12

4. PWM ........................................................................................... 12

5. Conversores CC-CA trifsicos ..................................................... 13

6. Concluso ................................................................................... 15

7. Bibliografia .................................................................................. 15

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1. Introduo

A obteno de uma tenso alternada (senoidal ou no) a partir de uma fonte

CC ou mesmo de uma fonte CA de freqncia diferente muitas vezes necessria

para o acionamento de diversas cargas ou alimentao de sistemas.

Os conversores que realizam a transformao CC-CA so chamados

inversores, enquanto a converso CA-CA para distintas freqncias feita pelos

cicloconversores. Como exemplos de aplicaes pode-se citar:

Controle de velocidade de motores de corrente alternada,

Fontes de alimentao ininterrupta (no-break),

Sistemas de alimentao embarcados (navios, avies, etc).

Geralmente os sistemas de alimentao operam a freqncia fixa, gerando a

tenso alternada a partir de fontes CC, utilizando, portanto, inversores. Por exemplo,

o sistema de distribuio de energia em avies comerciais opera a 400Hz.

Os conversores CC-CA que fornecem em sua sada tenses com freqncia

fixa, para determinada aplicao so conhecidos como fonte de tenso, isto ,

fontes de alimentao ininterrupta chamadas de no-break ou UPS - Uninterruptible

Power Supplies,em ingls).

Qualquer sistema no qual o fornecimento da energia eltrica no pode ser

interrompido deve prever uma fonte de emergncia para supri-lo. Quando a potncia

instalada muito grande tem-se, em geral, um sistema de acionamento imediato,

alimentado a partir de baterias, e um sistema motor-gerador que, por necessitar de

alguns minutos para estar em condies ideais de operao, no pode ser usado de

imediato. Tal arranjo usado, por exemplo, em centrais telefnicas, hospitais, etc.

Quando as cargas crticas so distribudas, como no caso de

microcomputadores, podem se usar UPSs modulares, de acionamento imediato, que

so capazes de manter a operao do equipamento por um tempo suficiente para

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que no sejam perdidas operaes que estavam em curso (tipicamente os tempos

so da ordem de dezenas de minutos). Alm disso, os sistemas mais modernos

devem ter a capacidade de trocar informaes com os computadores, de forma a

otimizar seu funcionamento.

Os conversores so circuitos estticos (isto , no tem partes mveis) que

convertem potncia CC em potncia CA com frequncia e tenso ou corrente de

sada controlada.

A tenso de sada tem uma forma de onda peridica que, embora no-

senoidal, pode, com uma boa aproximao, chegar a ser considerada como tal. H

muitos tipos de inversores, classificados de acordo com o nmero de fases, com a

utilizao de dispositivos semicondutores de potncia, com os princpios de

comutao e com as formas de onda de sada.

Analisaremos primeiro o inversor monofsico. Depois os inversores de fonte

de tenso (voltage source inverters VSI) e de fonte ideal de corrente (current

source inverters CSI). Estes dipositivos so usados em muitas aplicaes

industriais, incluindo controles de velocidade para motores sncronos e de induo,

aquecimento por induo, fontes de alimentao para aeronaves, fontes de

alimentao de funcionamento contnuo (uninterruptible power supplier UPS) e

transmisso em alta tenso CC.

2. Conversor monofsico

O circuito bsico para gerar uma tenso alternada monofsica, a partir de

uma alimentao de pontncia CC, mostrado na figura 2.1. Esse circuito tambm

conhecido como inversor em H-ponte (meia-ponte) porque usa duas chaves

semicondutoras. As chaves S1 e S2 ligam e desligam a fonte CC carga de modo

alternado, o que produz uma forma de onda retangular de tenso CA.

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Vs/2

S1

Carga

S2

Vs/2

Uma vez que cada chave tem terminais positivo e negativo, a combinao da

duas chaves fornece os quatro estados mostrados na tabela 2.1.

Estado S1 S2 Tenso de Entrada

1 + - + E

2 - - 0

3 - + - E

4 + + 0

Tabela 2.1.

Quando os estados 1 e 3 so repetidos de maneira alternada, uma tenso de

onda quadrada gerada na carga, como mostra a figura 10.2.a. Se os estados 2 e 4

que fazem a tenso na carga ficar em zero, so usados, obtm-se uma onda em

degrau ou uma forma de onda quase quadrada, como pode ser observado na figura

10.2.b.

Vs/2

Vs/2 T/2

T

on

on t

t

S 1 S 2

D 2

D

1 S

1 S

2 chaves em conduo

i o

v o

Figura 2.1

Figura 2.1.a.

Figura 2.1.b.

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A frequncia de teso que se alterna determinada pela taxa de variao do

chaveamento. Se o perodo de chaveamento for de T segundos, a frequncia f ser:

Tf

1= [Hz]

A tenso de sada CA retangular do inversor serve para algumas aplicaes,

entretanto, a tenso de sada senoidal a forma de onda ideal para muitas

aplicaes.

Dois mtodos podem ser usados para tornar a sada o mais prximo possvel

de uma senide. Um deles consiste em empregar um circuito filtro no lado da sada

do inversor. Esse filtro deve ser capaz de deixar pasar a grande potncia de sada

do dispositivo, o que significa ter um tamanho adequado. Isso aumenta o custo e o

peso do inversor. Mas ainda, a eficincia ficar reduzida por causa das perdas

adicionais de potncia no filtro.

O segundo mtodo, modulao por largura de pulso (pulse width modulation

PWM), usa um esquema de chaveamento no inversor para modificar a forma de

onda da tenso de sada.

2.1 Inversores de fonte de tenso (VSIs)

O inversor de fonte de tenso (VSI) o mais usado. Nele, a tenso da fonte

de entrada CC essencialmente constante e independente da corrente puxada pela

carga. A tenso de entrada CC pode vir de uma fonte independente, como uma

bateria, ou pode ser a sada de um retificador controlado. Um capacitor de valor

grande colocado em paralelo com a entrada da linha CC para o inversor. O

capacitor garante que os enventos de chaveamento no alterem de modo significa-

tivo a tenso CC. Ele carrega e descarrega, de acordo com a necessidade de

fornecimento de uma sada estvel. O inversor converte a tenso de entrada CC em

uma onda quadrada CA na sada da fonte.

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2.1.2 VSI em meia-ponte

O inversor em meia-ponte, usado para aplicaes de baixa potncia, o

alicerce bsico dos circuitos inversores. A figura 2.1.2a. mostra uma configurao de

VSI monofsico em meia-ponte que utiliza duas chaves (S1 e S2) e duas fontes de

alimentao CC.

O dispositivo de chaveamento pode ser um transistor de potncia um BJT

(bipolar junction transistor transistor bipolar de juno) ou um MOSFET (metal-

oxide semiconductor field-effect transistor transistor de efeito de campo metal-

xido-semicondutor), um tiristor GTO (Gate-turnnoff thyristor tiristor de

desligamento por porta) ou um SCR (silicon controlled rectifier retificador

controlado de silcio), com seu circuito de comutao. Os diodos D1 e D2 so de

retorno.

A figura 2.1.2.b. mostra a forma de onda da tenso de sada com carga

resistiva. As chaves passam para o estado ligado e desligado alternadamente: uma

estar ligada enquanto a outra estiver desligada. No perodo de 0 a T/2, a chave S1

se mantm fechada, o que faz com que Vo = +E. Em T/2, S1 fica aberta e S2,

fechada. Durante T/2 a T, a tenso de sada Vo = -E. Portanto, essa tenso tem uma

forma de onda retangular com frequncia f = 1/T. Ao controlar T, podemos dominar a

frequncia das tenses de sada do inversor. Entretanto, deve-se tomar cuidado

para no passar ambas as chaves ao estado ligado, pois nesse caso elas

produziriam um curto na fonte CC.

Figura 2.1.2.a.

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2.1.3 VSI em ponte completa

Um VSI em ponte completa pode ser montado com dois VSIs em meia ponte.

Podemos ver na figura 2.1.3.a. o circuito bsico para um inversor monofsico de

fonte de tenso em ponte completa. So necessrias quatro chaves e quatro diodos

de retorno. A amplitude da tenso de sada, e portanto, a potncia de sada o

dobro do modelo meia-ponte. As chaves so passadas para os estados ligados e

desligados por pares em diagonal. Assim, ou as chaves S1 e S4 ou as S2 e S3 vo

para o estado ligado em um semiciclo (T/2). Portanto, a fonte CC fica ligada de

Figura 2.1.2.b.

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maneira alternada carga, em direes opostas. A frequncia de sada controlada

pela taxa de velocidade, segundo a qual as chaves se e se fecham. Se os pares de

chaves passarem para o estado ligado em intervalos iguai, a forma de onda da

tenso de sada ser uma onda quadrada com um pico de amplitude E.

Na tabela abaixo mostramos a sequncia de chaveamento atravs da tabela

Tabela 2.1.3.a.

Estado S1 S2 S3 S4 Tenso de Sada

1 Ligada Desligada Desligada Ligada +E

2 Desligada Ligada Ligada Desligada -E

3 Ligada Desligada Desligada Ligada +E

4 Desligada Ligada Ligada Desligada -E

Tabela 2.1.3.a.

Quando o estado do chaveamento muda, enquanto se estiver passando de

um estado para outro, ambos os pares de chaves devem estar desligados por um

curto perodo de tempo. Impedindo que ocorra algum curto na fonte CC no estado

transitrio, em que as duas chaves pode estar se fechando ao mesmo tempo.

Portanto, o chaveamento do estado ligado para o desligado deve ser feito o mais

rpido possvel, enquanto o do desligado para o ligado deve contar com um atraso

apropriado, o que o faz levar um tempo definido.

Podemos controlar a tenso CA ao usar um terceiro estado da chave, durante

o qual a tenso de sada zero. A forma de onda da sada a onda em degrau

mostrada na figura 2.1.3.b.

Figura 2.1.3.a.

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T/2 T

on

on

Vs/2

-Vs/2 t

S 1

S 2

o

v Ao

T/2 T

on

on

Vs/2

-Vs/2 t S 4

S 3

t

o D 1 D 4

S 1 S 4

D 2 D 3

S 2 S 3

is

i

v AB

t

t

on S 4

on S 1

VBo

-v s

v s

AB

S 3

S 4

V

s

D 3

D 4

S 1

S 2

D

1

D 2

L R A B

is

A forma de onda mostrada na figura 2.1.3.b (acima) obtida por meio de um

inversor de fonte de tenso em ponte que usa uma carga RL. A tenso de sada

uma forma de onda retangular, com um ciclo de trabalho de 50%. A forma de onda

da corrente na sada tem forma exponencial. Quando a tenso de sada for positiva,

a corrente crescer exponencialmente. Durante o ciclo seguinte, quando a tenso de

sada for negativa, a corrente cair exponencialmente.

Abaixo na figura 2.1.3.c. mostramos o circuito com a carga RL citada no bloco

do texto anterior.

Figura 2.1.3.b.

Figura 2.1.3.c.

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A funo dos diodos de retorno fornecer um caminho de volta para a

corrente de carga, quando as chaves estiverem desligadas. Logo aps S2 e S3

passarem para o estado desligado em t = 0, por exemplo, os diodos D1 e D4 iro

ligar.

A corrente de carga comear em um valor negativo e crescer

exponencialmente a uma taxa dada pela constante de tempo da carga ( = L/R). A

fonte de corrente CC, nesse perodo, invertida e flui de fato para a fonte CC.

Quando a corrente na sada chega a zero, D1 e D4 passam para o estado desligado

e S1 e S4, para o ligado. A tenso e a corrente na sada so positivas e produzem

uma potncia positiva. A corrente continua a crescer e alcana o valor mximo em

t= T/2, quando S1 e S4 passam para o estado desligado. A tenso de sada se

inverte, mas a corrente na sada continua a fluir na mesma direo. A corrente na

sada somente pode fluir atravs dos diodos D2 e D3, que ligam a fonte CC carga,

o que gera tenso inversa. A energia armazenada no indutor retorna fonte CC e a

corrente alcana seu valor mximo negativo em t = T e o ciclo se repete.

3. Produo de uma onda senoidal

A maioria das aplicaes de inversores requer algum tipo de controle da

tenso de sada CA. Vrios mtodos so usados para isso e podem ser classificados

em trs grande categorias:

Controle da tenso de entrada CC fornecida para o inversor

Controle da tenso de sada CA do inversor

Controle da tenso no inversor

3.1 Controle da tenso de entrada CC

Para um dado padro de chaveamento, a tenso de sada do inversor

diretamente proporcional tenso de entrada. Portanto, a variao da tenso de

entrada CC fornecida a maneira mais simples de controlar a tenso de sada. Se a

fonte de potncai for CC, ento o uso de um chopper (circuito conversor usado para

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se obter uma tenso CC varivel a partir de uma fonte de tenso CC constante),

ser o mtodo principal para a obteno de uma tenso CC varivel. Entretanto,

quando a tenso CC advm da tenso CA, o controle mais fcil. Basta usar

retificadores controlados ou no, para conseguir uma tenso de sada CC varivel.

3.2 Controle da tenso de sada CA

Para usar esse tipo de controle introduzido um regulador CA entre o

inversor e a carga, assim podemos controlar a tenso CA e, dessa maneira tambm

a tenso de sada do inversor.

3.3 Controle da tenso no inversor

A modulao por largura de pulso (PWM) o mtodo mais comum para

controlar a tenso num conversor. Nela, a tenso de sada uma onda modulada

por largura de pulso, controlada pela variao da durao dos pulsos, ou SPWM

(Modulao por largura de puplso de senoidal).

4. PWM

A modulao por largura de pulso varia a razo cclica aplicada aos

interruptores em uma alta freqncia de comutao com o intuito de suprir uma

determinada tenso ou corrente na sada em baixa freqncia, ou seja, tem-se como

objetivo criar uma seqncia de pulsos que devem ter o mesmo valor fundamental

de uma referncia desejada. Todavia, nesta seqncia de pulsos existem

componentes harmnicos indesejados que devem ser minimizados.

Na SPWM, a largura dos pulsos enviados para os interruptores depende da

amplitude da referncia senoidal de tenso, fazendo com que a tenso Vab tenha

uma componente fundamental na mesma freqncia da tenso de referncia e os

harmnicos deslocados em torno da freqncia da portadora Vtri. Esta modulao

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apresenta a caracterstica de possuir um nico comando para cada dois

interruptores, como por exemplo, S1 e S4. Nos outros dois interruptores pode-se

usar, idealmente, um comando complementar.

Entre os pontos positivos da vasta utilizao da SPWM na indstria

destacam-se a operao em freqncia fixa e o contedo harmnico deslocado para

altas freqncias utilizando-se uma portadora. O emprego de freqncia fixa

aperfeioa o projeto dos componentes magnticos, tendo em vista que em

aplicaes onde a freqncia varivel os componentes magnticos devem ser

projetados para toda a faixa de freqncia utilizada. Quando o contedo harmnico

se concentra nas altas freqncias tem-se uma diminuio de dimenso, peso e

custo dos componentes do filtro.

5. Conversores CC-CA trifsicos

A estrutura do inversor trifsico pode ser obtida pela insero de mais uma

perna ao bloco do inversor monofsico em ponte, e os sinais para acionamento das

chaves superiores devem estar defasados de 120 um do outro e as chaves na

mesma perna devem estar alternadamente ligadas por 180 uma da outra, abaixo

na figura 5.a. podemos ver o esquemtico de inversor trifsico.

A operao do inversor de seis passos essencialmente a mesma de um

inversor monofsico em ponte, como no monofsico cada chave ligada e desligada

durante intervalos de 180 e cada terminal de sada conectado alternadamente por

meio perodo aos plos positivos e negativos da fonte de tenso contnua. A tenso

Figura 5.a.

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S 1

S 6

S 1

S 6

S 1

S 4

S 3

S 4

S 3

S 4

S 3

S 2

S 5

S 2

S 5

S 2

v AO

v BO

v CO

v AB

v BC

v CA

v AN

v BN

wt

wt

wt

wt

wt

wt

wt

wt

(c)

(b)

(a)

trifsica obtida conservando um defasamento mtuo de 120 entre as sequencias

de chaveamento nas trs pernas do conversor. Esse defasamento entre as fases

resulta numa sequencia que mostrada na figura 5.b. logo abaixo, fazendo uma

referencia para a figura 5.a. da pgina anterior.

Abaixo na figura 5.c. vemos a forma de onda de um conversor trifsico de seis

passos.

Figura 5.b.

Figura 5.b.

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6. Concluso

A finalidade desse trabalho foi apresentar as principais caracteristicas de um

conversor CC-CA com suas principais variaes de circuitos, formas de onda de

sada, tcnicas de modulao para a obteno de uma senoide e seu funcionamento

para o sitema trifsico.

7. Bibliografia

AHMED, Ashfaq. Eletrnica de Potncia. So Paulo, Pearson Prentice Hall,

2008.

ANTUNES, Fernando. Inversores.

http://www.dee.ufc.br/~fantunes/inversores.ppt. Acesso em: 17/05/2009.

BARBI, Ivo. Projetos de Fontes Chaveadas. Florianpolis, Edio do autor,

2001.