conversores cc-ca: inversores · conversores cc-ca: inversores eletrônica de potência 2 prof. dr....

Conversores CC-CA: Inversores

Eletrônica de Potência 2

Prof. Dr. Carlos Alberto Canesin

Inversores de Onda Quadrada (Inversores SQW)

Inversores Modulados (Inversores PWM)

Teoria Básica de Inversores

Índice

Inversores de onda quadrada (SQW)

Introdução

Inversor meia ponte

Inversor “push-pull”

Inversor ponte completa

Sem deslocamento de fase

Com deslocamento de fase

Análise do conteúdo harmônico

Controle de inversores de onda quadrada

Conclusões

Introdução

Generalidades: Conversão de energia CC/CA

Inversores: conversão CC-CA

Tipicamente se busca obter um sinal senoidal na carga

Aplicações:

Alimentação de motores CA

Sistemas de alimentação ininterrupta (UPS)

Reatores eletrônicos

Outros

Inversor

Fonte primaria de energía

Carga

=

+

-

uE

iS

uS

Introdução

Considerações para o fluxo de energia

Carga indutiva

iS

uS

uR

uL

Um inversor deve

poder trabalhar nos

4 quadrantes

4 1 2 3

Inversor=

+

-

uE

iS

uS

L

R

Fonte primaria de energía

Carga

Inversor=

+

-

uE

iS

uS

L

R

de energiaCarga

Introdução

Considerações para o fluxo de energia

Funcionamento

como retificador

Inversor=

+

-

uE

iS

uS

L+

uM

iS

uS

uM

uL

Formas de onda com carga RL

Quando a carga é puramente resistiva, a corrente tem a mesma forma de

onda da tensão;

Com uma carga com características indutivas é necessário fazermos

algumas observações, considerando que a corrente nos interruptores

deverá ser bidirecional

V0

V0

iL

iL

LR

Excitando uma carga RL com uma forma de onda de tensão quadrada,

a forma de onda da corrente é conforme mostrado na figura acima

Introdução

Formas de onda com carga RL (II)

Esta forma de onda de corrente exige que os interruptores

sejam bidirecionais

V0

iLVin

V0

M1

M2

M3

M4

iM1,

iM2

iM3,

iM4

iL

Corrente negativa

Introdução

Formas de onda com carga RL (III)

Para conseguir tal condução de corrente bidirecional, se utilizam diodos

iM

Corrente negativa

Os MOSFET possuem diodo

intrínseco. Não é necessário

diodo adicional

Com Bipolares e IGBTs é

necessário o diodo em anti-

paralelo (alguns IGBTs já o

possuem encapsulados)

Introdução

Introdução

Especificações básicas de um inversor:

Outras especificações:

• Obtenção de isolamento galvânico

• Minimização de tamanho e peso

• Simplificação do circuito de controle: inversores auto-

oscilantes

• Melhorar as comutações: inversores ressonantes, ou, com

técnicas de comutação não dissipativa

• Capacidade de ajuste da amplitude da tensão de saída

• Possibilidade de ajuste da freqüência da tensão de saída

• Eliminação/redução de harmônicos na tensão de saída

Introdução

Parâmetros característicos de um inversor:

• O sinal de saída idealmente é SENOIDAL

• Distorção do harmônico n:

1v

vD n

n

Onde vn é a amplitude do harmônico n

• Distorção Harmônica Total:

100·......

1

22

3

2

2

v

vvvTHD

n

Introdução

Classificação dos Inversores

Alimentação em

corrente contínua

Tensão (VSI-Voltage Source Inverter)

Corrente (CSI-Current Source Inverter)

Tensão alternada de

saída

Monofásicos

Trifásicos

Estrutura da etapa

de potência

Meia Ponte

Ponte Completa

Push-Pull

Forma de controle da

estrutura de potência

Onda quadrada (SQW)

Modulação por Largura de Pulso (PWM)

Ressonantes

Inversores de onda quadrada (SQW)

Introdução

Inversor em Meia Ponte


Inversor em Ponte completa





Conclusões

Inversor Meia Ponte

Inversor Meia Ponte: funcionamento básico

Q+

Q-

on off offon

on onoffoff

uSV/2E

-V/2E

V/2E

V/2E

Q+

Q-

uS

Tipicamente se utilizam sinais de controle com Razão Cíclica de 50% e complementares para os interruptores

A tensão de saída é uma onda quadrada de amplitude VE/2

Inversor Meia Ponte

Inversor Meia Ponte: implementação prática

uS

VE/2

VE/2

Q+

Q-

iS

• Funcionamento em quatro quadrantes diodos

• Fonte única CC divisor capacitivo

• Isolamento Transformador

uS

VE/2

VE/2

Q+

Q-

iS

VE/2

VE/2

VE

Q+

Q- uS

iS

VE/2

VE/2

VE

Q+

Q-

Inversor Meia Ponte

Inversor Meia Ponte: formas de onda e esforços

uS

VE/2

VE/2

Q+

Q-iS

D+

D-

u(Q+)GE

u(Q-)GE

u(Q+)CE VE

uSiS

i(Q+)

i(D+)Carga R-L

Inversor Meia Ponte

Inversor Meia Ponte Assimétrico

Comportamento equivalente ao Meia Ponte monofásico

A componente continua da tensão de saída se elimina mediante uso de capacitor série C

uS

VE CQ+

Q- uA

uS

V /2E

-V /2E

uA

VE

Inversor Meia Ponte

Inversor Meia Ponte: Resumo das características

1) Onda quadrada de saída: alto conteúdo harmônico

2) Amplitude de saída não controlável

3) Freqüência de saída variável

4) A tensão suportada pelos interruptores é o dobro da

amplitude da tensão de saída

5) Os sinais de controle dos interruptores não estão na

mesma massa: circuito de controle complexo (isolado)

Inversores de onda Quadrada

Introdução

Inversor meia ponte


Inversor Ponte Completa





Conclusões



VE

N1

N1

N2

Q+Q-

uS

u (Q+)GE

u (Q-)GE

uSVE·

N2

N1


Inversor “push-pull”: funcionamento básico

u (Q+)GE

u (Q-)GE

uS

u(Q+)CE

VE

VE

VE

N2

N1

VE

VE

-VE

N2

N1

VE

VE

VE

N2

N1

VE

VE

-VE

N2

N1

VE

N1

N1

N2

Q+Q-


Inversor “push-pull”: resumo das características

1) Onda quadrada de saída

2) Topologia com isolamento

3) Os sinais de controle de ambos interruptores estão na

mesma massa: controle simplificado

4) A máxima tensão sobre os interruptores é o dobro da

tensão de entrada VE

5) Qualquer assimetria nos sinais de controle pode levar o

núcleo do transformador à saturação


Introdução

Inversor meia ponte







Conclusões


Inversor Ponte completa

Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

Quatro interruptores: maiores possibilidades de controle

• Interruptores da diagonal Q1-Q4 uS=+VE

• Interruptores da parte inferior Q2-Q4 uS=0

Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

+VE

• Interruptores da diagonal Q2-Q3 uS=-VE

Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

-VE

• Interruptores da parte superior Q1-Q3 uS=0

Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

0

Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

0

Inversor Ponte completa

Inversor ponte completa: funcionamento

Controle sem deslocamento de fase

Q1

Q2

on off on

off on off

Q4

Q3

VE

-VE

uS

Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

• Permite manejar o dobro de potência em relação ao meia

ponte, para o mesmo esforço nos interruptores



Método de análise alternativo: derivação a partir da meia ponte

VE/2

VE/2

Q1

Q2

vA

Q3

Q4

vB

vAB

Componente

fundamental

v A

v B

v A B

• Sinais de controle de cada ramo desfasados 180º entre si

• Tensão de saída igual ao dobro de cada meia ponte em separadoPode-se modificar a amplitude de saída modificando

a fase relativa entre ambas os ramos?

Controle por deslocamento de fase


Inversor em Ponte Completa

VE/2

VE/2

Q1

Q2

vA

Q3

Q4

vB

vAB

Componente

fundamental

v A

v B

v A B

Controle com deslocamento de fase

v A

v B

v A Bv A

v B

v A Bv A

v B

v A Bv A

v B

v A Bv A

v B

v A Bv A

v B

v A Bv A

v B

v A Bv A

v B

v A Bv A

v B

v A Bv A

v B

v A Bv A

v B

v A Bv A

v B

v A Bv A

v B

v A B

a

• Pode-se ajustar a amplitude de saída mediante o ângulo a




Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

a

Q1

Q2

on off on

off on off

on off on

off on off

Q4

Q3




uS

Q1

Q4

Q1

Q4Q3

Q2

Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

• Pode-se ajustar a amplitude de saída uS através do ângulo a

• A forma de onda obtida é mais próxima de uma onda senoidal:

menor conteúdo harmônico

Inversor Ponte Completa: Resumo das características

1) A tensão de saída pode assumir três valores: VE, -VE e 0

2) Permite o controle da amplitude da tensão de saída

3) Permite reduzir o conteúdo harmônico da tensão de saída

4) Os esforços de tensão nos interruptores são iguais à

tensão máxima de saída



Introdução

Inversor Meia Ponte







Conclusões



Meia Ponte, Push-Pull e Ponte Completa sem deslocamento

FourierVE

-VE

0

sen2

dnVpicoV En

n

Vn

VE

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

n

n

VpicoV E

n cos12

Componente fundamental:

Elevado THD: 48%

EVpicoV

41


Ponte Completa com deslocamento de fase


VE

-VE

a2 2

Fourier

,...5,3,1cos4 22

0

nparadnVpicoV En

a

,...5,3,122

sen4

nparan

n

VpicoV E

n

a

O ângulo de deslocamento apermite ajustar a componente fundamental da tensão de saída

O conteúdo harmônico depende do ângulo a

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

a

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

7o

THD

5o

3o

1o


Introdução

Inversor Meia Ponte

Inversor “Push-Pull”






Conclusões

Controle de inversores SQW

Controle de inversores de onda quadrada (SQW)

Problema do controle do Inversor Meia Ponte

uS

VE/2

VE/2

Q+

Q-

iS

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

td

• É necessário incluir “tempos mortos” para evitar curto-circuitos

pontuais do ramo inversor devidos aos tempos de comutação



Problema do controle do inversor Meia Ponte

uCK

VC1

VC2

+

uCK

TQ

Q

VC1

VC2

Lógica de controle



Problema do controle do inversor Meia Ponte

Circuitos integrados específicos:

• SG3524

• LM3525

• ...

Lógica de controle

VC1

VC2

+

uCK

Lógica de controle

Reloj

VC1

VC2

+

uCK

Lógica

Reloj



Problema do controle do Inversor Meia Ponte

uS

VE/2

VE/2

Q+

Q-

iS

uGE

uGE?

Os sinais de controle não estão referidos para o mesmo ponto:

É necessário isolamentoOpções:

• Transformador de pulsos para o transistor superior

• Fonte isolada + optoacoplador

• Circuitos integrados específicos para o controle de meia ponte

Lógica de controle



Controle Meia Ponte: Transformador de pulsos

Transformador de pulsos

driver

driverlógica de controle

+VE

0

Fontepara o

controle



Controle Meia Ponte: Transformador de pulsos + Driver

+UCC

Control

Transformador de pulsos para o controle de um MOSFET

+UCC

Controle

Transformador de pulsos para o controle de um MOSFET

Controle de Inversores SQW


Controle Meia Ponte: optoacoplador + fonte isolada

driver

driver

• É necessário o emprego de uma fonte isolada para o circuito de

controle do transistor superior

lógica de controle

+VE

0

Controle de Inversores SQW



Fontepara o

controle

Fonte isolada

driver

driver

lógica de controle

+VE

0

Fonte isolada para o driver superior




Obtenção de “fonte isolada” utilizando-se a técnica “bootstrap”

CBOOT

DBOOT

• Redução de custo: uma única fonte para controle

driver

driver

Fontepara o

controle lógica de controle

+VE

0




Obtenção de “fonte isolada” utilizando-se a técnica “bootstrap”

• Quando o transistor inferior conduz, CBOOT carrega-se com energia

proveniente da fonte de controle através de DBOOT

driver

driver

Fuentepara elcontrol lógica de

control

+VE

0

CBOOT

DBOOTdriver

driver

Fuentepara el

lógica de control

+VE

0

driver

driver

Fontepara o

controle lógica de controle

+VE

0

CBOOT

DBOOT



Controle Meia Ponte: circuitos integrados específicos

Família IR21xx: controle de Ponte de MOSFET + “bootstrap”

IR2110: High and low side driver

Alimentação auxiliar “bootstrap”

Controle independente dos

transistores superior e

inferior



Controle Meia Ponte: módulos específicos

Família SKHIxx: controle de uma ponte de IGBTs

SKHI61: 6-pack driver• Sinais de controle isolados para

um ou vários ramos de IGBTs

• Acoplamento isolado mediante

optoacopladores ou transformador

• Entradas digitais compatíveis

CMOS ou TTL



Problema de controle do Inversor “Push-Pull”

VE

N1

N1

N2

Q+Q-

uS

• Sinais de controle referidos a um

ponto comum

• É necessário introduzir tempos

mortos nos sinais de controle

• Qualquer assimetria no

transformador ou nos sinais de

controle levam o núcleo a

saturação



Problema de controle do inversor “push-pull”

VE

N1-

N1+

N2

Q+Q-

uS

tON+tON-

Idealmente:

tON+ = tON-

N1+ = N1-

ON

E tN

V

1

f

ON

E tN

V

1

f

f =f

Fluxo núcleo

tON-tON+




VE

N1-

N1+

N2

Q+Q-

uS

tON+tON-

Na prática:

f f

tON-tON+

ff

finc




Conclusões do funcionamento do “Push-Pull”:

• Não é necessário isolamento para os sinais de controle

• É preciso incluir tempos mortos nos sinais de controle

• O núcleo do transformador tende a trabalhar na saturação em

parte do período:

Maiores perdas no material magnético e interruptores



Controle de Inversor em Ponte Completa

Mesma problemática que em Meia Ponte:

• É necessário isolamento dos sinais de controle

• É preciso incluir tempos mortos nos sinais de controle dos

transistores de um mesmo ramo (braço)

Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

driverdriver

fase 0 fase 180-a


Introdução

Inversor em Meia Ponte


Inversor em Ponte Completa





Conclusões

Conclusões

Conclusões:

Conversão

CC/CA

Inversores

Meia Ponte

Ponte Completa

Push-pull

Alimentados em tensão monofásicas

Onda quadrada

Onda quadrada

Alto

conteúdo

harmônico

Há alguma forma de reduzir

o conteúdo harmônico e

facilitar a filtragem?

Inversores modulados

Conclusões

Introdução aos inversores modulados:

uS

V /2E

-V /2E

uS

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

V/2E

V/2E

Q+

Q-

uS

• Modificando a proporção de tempo em que estão conduzindo

os interruptores se pode modificar o “valor médio” de saída

Conclusões

Introdução aos inversores modulados:

VE/2

-VE/2

u S

• Freqüência de comutação dos interruptores muito maior do que

a freqüência fundamental da tensão de saída fácil filtragem

Conversores CC-CA: Inversores

Eletrônica de Potência 2

Prof. Dr. Carlos Alberto Canesin

Inversores Modulados (Inversores PWM)

Índice

Inversores Modulados (PWM)

Introdução

Generalidades sobre modulação

Inversores monofásicos

Meia Ponte

Ponte Completa

Controle Bipolar

Controle Unipolar

Inversor trifásico PWM

Conclusões

Introdução

Problema de filtragem nos inversores de onda quadrada

VD

+

-

Carga

Filtro+

-

tempo

VD

Freqüência de corte

Vn

50 150 250 350 450 Hz

atenuação

Introdução

Problema de filtragem nos inversores de onda quadrada

tempo

VD

Vn

50 150 250 350 450Hz

atenuação

Os harmônicos não podem ser

eliminados por estarem

próximos à fundamental

Elevado conteúdo harmônico de baixa freqüência na tensão de saída:

filtragem difícil

A situação se agrava se a freqüência de saída é variável

Índice

Inversores PWM

Introdução



Meia ponte

Ponte completa

Controle bipolar

Controle unipolar


Conclusões

Generalidades

Generalidades sobre modulação:

VD

+

-

VR


VD

+

-

VR V

D

Generalidades


Generalidades

VD

+

-

VR

T

VD


Generalidades

VD

+

-

VR

T T

VD


Generalidades

VD

+

-

VR

T T T

VD


Generalidades

VD

+

-

VR

T T T T

VD


Generalidades

VD

+

-

VR

T T T T T

tempo

VR media

VD

VD


Generalidades

VD

+

-

VR

tempo

VD

Valores médios muito

próximos de uma

distribuição senoidal

Podem ser obtidos sinais senoidais?

Apenas valores

positivos

VD>VR>0

VR media

VD

0

Para gerar os sinais de controle dos interruptores de forma que se

consiga formas de onda SENOIDAIS são necessários dois sinais:

Um sinal de referência: é a forma de onda que se pretende conseguir na

saída. Neste caso, desejamos que seja uma senóide.

Um sinal de portadora: é aquele que estabelece a freqüência de

comutação. Por simplicidade, utiliza-se um sinal triangular.

1

2

Portadora

Referência+

-

Comparador

Saída

Saída

Observa-se que, existem dois

tipos de modulação usuais

Bipolar

Unipolar

Generalidades


Modulação senoidal-triangular


Generalidades


TA +

TA -

A

DA+

DA -

0

VD/2

VD/2

Qual fechamos?

t

TA+ se VControl>VTriangular

TA- se VControl<VTriangular


Modulação contínua-triangular

TA +

A

DA+

DA -

0

VD/2

VD/2

+-

t

VControle

VA0 VD/2

-VD/2

+ + +

- - -

O valor médio da tensão é positivo

TA -

Generalidades



TA +

A

DA+

DA -

0

VD/2

VD/2

+-

t

VControle

VA0 VD/2

-VD/2

O valor médio da tensão é nulo

TA -

+ +

- - -

Generalidades



TA +

A

DA+

DA -

0

VD/2

VD/2

+-

t

VControle

VA0 VD/2

-VD/2

O valor médio da tensão é negativo

TA -

- - -

+ + +

Generalidades


Generalidades

<VA0>Tt função de: VControle ; VTriangular ; VD

VD/2

-VD/2

VPT

VC

TT

TT/2

T2T1 T1

VA0

T1=VC

VPT

TT

4T2=TT/2-2T1

2

TTTT

T

1

2

VV T

121

T

D

Tt0A

PT

CD

TtAV

VVV

20


Generalidades


VD/2

-VD/2

V A0

TT/2

T1 T2 T3

TT

VC VPT

tempo

tempo


Generalidades

VD/2

-VD/2

V A0

PT

CD

TtAV

tVVtV

)(

2)(0

<VA0

>TT

Vcontrole

Vtriangular



Generalidades

|VPC

|

|VPT

|

ma<1, Sistemas modulados

Índice de modulação em amplitude (ma)

ma=

|VPC

|

|VPT

|


Generalidades

|VPC

|

|VPT

|

ma<1, Sistemas modulados

ma>1, Sistemas sobremodulados

As equações deduzidas Não são válidas para

os sistemas sobremodulados

Índice de modulação em amplitude (ma)

ma=

|VPC

|

|VPT

|

triangular

senoidal

portadora

referenciaa

f

f

V

Vm

Se ma<1, a amplitude da freqüência fundamental é linearmente

proporcional à ma: V1 = ma · Vin

Isto implica que poderemos controlar a amplitude da tensão de

saída controlando o valor de ma.

Se ma >1, a amplitude da tensão de saída aumenta ao aumentar ma

de forma não linear. Este efeito é denominado de sobremodulação.

V1

ma1

Vin

3.24

inV4

Generalidades

Generalidades sobre modulação:Índice de modulação em amplitude (ma)

Sobremodulação

V0

Aumenta a tensão de saída e piora

o conteúdo harmônico

Vsen > Vtri

Se ma aumenta muito, a

tensão de saída passa a ser

quadrada.

V1

ma1

Vin

3.24

inV4

Quadrada

SobremodulaçãoLinear

Generalidades sobre

modulação:

Generalidades

senoidal

triangular

referencia

portadora

ff

f

f

fm

Ao aumentar a

freqüência da portadora

(ou aumentar mf)

aumentam as

freqüências do

harmônicos

característicos

f

Amplitude

50 Hz mf· 50 Hz 2mf· 50 Hz

Estando muito separadas a fundamental dos primeiros harmônicos, será fácil

filtrar. O tamanho do filtro diminui se mf é grande.

Entretanto, aumentando a freqüência de comutação, aumentam as perdas.

Recomenda-se para a freqüência de comutação: f < 6kHz ou f > 20 kHz

6 kHz 20 kHzf

Freqüências Audíveis

Generalidades

Generalidades sobre modulação:Índice de modulação em freqüência (mf)

mf=ft

fc


Generalidades

mf=mf>21, inversores muito moduladosf

t

fc

Índice de modulação em freqüência (mf)


Generalidades

mf=mf<21, inversores pouco modulados

mf>21, inversores muito moduladosft

fc

Índice de modulação em freqüência (mf)

Deve-se tomar algumas precauções ao selecionar a

freqüência de comutação nos inversores pouco modulados


Generalidades

VA0

Inteiro: Evitar subharmônicas indesejáveis;

Simetria de Quarto de Onda: Somente conterá

harmônicas ímpares

•Sinais sincronizados

• “mf” inteiro-ímpar

•Derivadas opostas

entre sinais

Considerações com mf < 21


Generalidades

Considerações: Derivadas opostas entre sinais

ma=0,8 e mf=5

Menor conteúdo harmônico em baixa freqüência

Importante para mf<9

0 5 10 15 20 25

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 5 10 15 20 25

(VA0)n

VD/2

(VA0)n

VD/2harmônicos

harmônicos

Considerações com mf > 21

Com valores de mf grandes, as componentes subharmônicas são

pequenas mesmo quando os sinais triangular e senoidal não estão

sincronizados (mf não é inteiro). Se a freqüência da tensão de saída é

constante, é possível utilizar PWM assíncrono.

Em aplicações de motores, a freqüência da tensão de saída deve variar

para controlar a velocidade do motor. Nestes casos, as componentes

subharmônicas podem dar lugar a correntes de valor elevado.

NÃO se aconselha o uso de PWM assíncrono em aplicações de motores.

Com valores de mf grandes, os valores dos harmônicos são independentes

do valor de mf.

Se mf < 9, os harmônicos podem depender do índice de modulação.

Generalidades


(Quando da variação de velocidade, a modulação PWM

assíncrona leva à índices de modulação não inteiros)

Harmônicos na modulação PWM

Cálculo da série de Fourier

Com mf inteiro ímpar, a saída tem simetria ímpar e a série de Fourier

pode ser expressa como:

1n

0n0 )tn(sen·V)t(v

Cada harmônico Vn é calculado somando o harmônico n de cada um

dos p pulsos de um período completo:

p

1k

nkn VV

p pulsos

pulso k

O conteúdo harmônico de um pulso k qualquer será:

T

0

00nk )t(d)tn(sen)·t(vT

2V

Generalidades

Generalidades sobre

modulação:

Harmônicos na modulação PWM Bipolar

No caso da comutação bipolar, os harmônicos aparecem em:

mf, 2mf*, 3mf, 4mf*, 5mf, 6mf……

Além dos harmônicos nestas freqüências, também aparecem

harmônicos nas freqüências adjacentes:

mf ±2, mf ±4

2mf ±1, 2mf ±3, 2mf ±5

etc….

f/f0

Vn

1 mf 2mf 3mf 4mf

f0=50 Hz

Coeficientes de Fourier normalizados Vn/Vin

ma=1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

n=1 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10

n=mf 0.60 0.71 0.82 0.92 1.01 1.08 1.15 1.20 1.24 1.27

n=mf±2 0.32 0.27 0.22 0.17 0.13 0.09 0.06 0.03 0.02 0.00

Generalidades

tempo

Modulação BipolarVAB

Harmônicos na modulação PWM Unipolar

No caso da comutação unipolar, o conteúdo harmônico é menor e os

primeiros harmônicos aparecem à freqüências mais elevadas. Sendo:

2mf, 4mf, 6mf……

Além dos

harmônicos nestas

freqüências,

também aparecem

harmônicos nas

freqüências

adjacentes como

no caso anteriorf/f0

Vn

1 2mf 4mff0=50 Hz

Coeficientes de Fourier normalizados Vn/Vin

ma=1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

n=1 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10

n=2mf ±1 0.18 0.24 0.31 0.35 0.37 0.36 0.33 0.27 0.19 0.10

n=2mf±3 0.21 0.18 0.14 0.10 0.07 0.04 0.02 0.01 0.00 0.00

Generalidades

tempo

VAB

Modulação Unipolar

Índice

Inversores PWM

Introdução



Meia ponte

Ponte completa

Controle bipolar

Controle unipolar


Conclusões

Meia Ponte


TA +

TA -

A

DA+

DA -

0

VD

/2

VD

/2

+-

PT

CD

TtAV

tVVtV

)(

2)(0

VD=100VFreqüência=50Hzma=0,8mf=15

tsentVTtA 8,0

2

100)(0

V

50V

-50V

A0

tempo

ft=750Hz

Meia Ponte


TA +

TA -

A

DA+

DA -

0

VD

/2

VD

/2

+-

VD=100VFreqüência=50Hzma=0,8mf=15 ft=750Hz

1 15 30 45 60

102030405060

harmônicos

(VA0)n

Harmônicos encontram-se nas

proximidades dos múltiplos de mf.

Meia Ponte


Tabela de conteúdo harmônico mf >9 e ímpar

mf 1,242 1,150 1,006 0,818 0,601

mf2 0,016 0,061 0,131 0,220 0,318

mf4 0,018

4mf 1 0,163 0,157 0,008 0,105 0,068

4mf3 0,012 0,070 0,132 0,115 0,009

4mf5 0,034 0,084 0,119

4mf7 0,017 0,050

2mf 1 0,190 0,326 0,370 0,314 0,181

2mf3 0,024 0,071 0,139 0,212

2mf5 0,013 0,033

3mf 0,335 0,123 0,083 0,171 0,113

3mf2 0,044 0,139 0,203 0,176 0,062

3mf4 0,012 0,047 0,104 0,157

3mf6 0,016 0,044

1 0,2 0,4 0,6 0,8 1Fundamental

ma

h 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Meia Ponte


Sobremodulação ma>1 VD=100Vma=1,2mf=15

50

50

VA0

tempo

Os efeitos aparecem no conteúdo

harmônico

1 15 30 45 60

10

30

50

harmônicos

(VA0)N

(VA0)1>VD/2

harmônicos de

baixa freqüência

Meia Ponte


Sobremodulação ma>1

Linear Sobremodulação Quadrada

ma

(VA0

)1

VD/2

1

4/

1 3,2

4

• Equações deduzidas são

válidas

• Relação linear entre ma e a

fundamental

• O valor da fundamental é

limitado a VD/2

• Equações deduzidas não

são válidas

• Relação não linear entre ma

e a fundamental

• O valor da fundamental é

limitado a 2VD/π

Um sinal quadrado pode ser

interpretado como um caso

extremo de sobremodulação

Índice

Inversores PWM

Introdução



Meia ponte

Ponte completa

Controle bipolar

Controle unipolar


Conclusões

Ponte Completa


TA +

TA -

A

0

VD/2

VD/2

TB +

TB -

B

VD

VAB

Controle bipolar

Ponte completa


TA +

TA -

A

0

VD/2

VD/2

TB +

TB -

B

VD

VAB

Controle bipolar

VD

-VD

TA+ e TB- são fechados juntos

Ponte completa


TA +

TA -

A

0

VD/2

VD/2

TB +

TB -

B

VD

VAB

Controle bipolar

VD

-VD

TA+ e TB- são fechados juntos

TA- e TB+ são fechados juntos

TA +

TA -

A

0

VD/2

VD/2

TB +

TB -

B

VD


VD

-VD

VAB VAB=VA0-VB0

tempo

Tensão VAB (Controle bipolar)

VD/2

-VD/2

VB0

tempo

VD/2

-VD/2

VA0

tempo+

+

-

-

+

-

Ponte completa

Ponte completa


Tensão VAB (Controle bipolar)

Sinais de controle: ma e mf

Todos os resultados obtidos para

meia ponte são aplicáveis

alterando VD/2 para VD

Não se melhora o conteúdo

harmônico

VD

-VD

VAB VAB=VA0-VB0

tempo

VD/2

-VD/2

VB0

tempo

VD/2

-VD/2

VA0

tempo

•Não necessita duas fontes de

corrente contínua

•Somente UM sinal de

controle

•Não necessita duas fontes de

corrente contínua

•DOIS sinais de controle

•Melhora o conteúdo

harmônico

tempo


tempo

VAB


Ponte completa


Funcionamento com controle unipolar

Ponte completa


Funcionamento com controle unipolar: seqüência de disparo

tempo

VCA

VCB

VD/2

-VD/2

VD

-VD

VA0

VB0

VAB

tempo

VAB


Anulam-se os harmônicos próximos à freqüência da triangular e seus

múltiplos impares (mf, 3mf,..)

1 9 18 27

0.20.40.60.8

1

(VA0)n

VD

ma=0,8mf=9

harmônicos tempo


(VAB)n

VD

1 9 18 27

0.20.40.60.81

harmônicos

ma=0,8mf=9

Funcionamento com controle unipolar: conteúdo harmônico

Ponte completa



Meia ponte ou ponte completa com controle bipolar:

tabela de conteúdo harmônico mf >9 e ímpar

mf 1,242 1,150 1,006 0,818 0,601

mf2 0,016 0,061 0,131 0,220 0,318

mf4 0,018

4mf 1 0,163 0,157 0,008 0,105 0,068

4mf3 0,012 0,070 0,132 0,115 0,009

4mf5 0,034 0,084 0,119

4mf7 0,017 0,050

2mf 1 0,190 0,326 0,370 0,314 0,181

2mf3 0,024 0,071 0,139 0,212

2mf5 0,013 0,033

3mf 0,335 0,123 0,083 0,171 0,113

3mf2 0,044 0,139 0,203 0,176 0,062

3mf4 0,012 0,047 0,104 0,157

3mf6 0,016 0,044

1 0,2 0,4 0,6 0,8 1Fundamental

ma

h 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Ponte completa

Ponte completa com controle unipolar:

tabela de conteúdo harmônico mf >9 e ímpar

mf 0 0 0 0 0

mf2 0 0 0 0 0

mf4 0

3mf 0 0 0 0 0

3mf2 0 0 0 0 0

3mf4 0 0 0 0

3mf6 0 0

Índice

Inversores PWM

Introdução



Meia ponte

Ponte completa

Controle bipolar

Controle unipolar


Conclusões

Inversor1

Inversor2

Inversor3

Inversores trifásicos a partir de monofásicos


Ponte trifásica com modulação PWM


TA +

TA -

A0

VD/2

VD/2

TB +

TB -

B

TC +

TC -

C

Neutro

(se for necessário)



Tensão entre fases

Sinais de controle

defasados 120º

FB=120º

VD

2ma

VB0

VD

2ma

VA0

FB

2

1202 0 senVV AAB

0.8

VCA(t) VCB(t))

VA0

VB0

VD/2

-VD/2

VD/2

-VD/2

VD

-VD

VAB

VCC(t))

(VAB)1

tempo



Conteúdo harmônico

1 15 30 45 60

102030405060

harmônicos

(VA0)n

Conteúdo harmônico de uma

semiponte

0 15 30

0.2

0.4

0.6

0.8

1

(VAB)nVD

harmônicos

ma=0,8mf =15

( )231

×= a

D

AB

mV

V

3327

Conteúdo harmônico de uma

tensão entre fases

Empregando mf múltiplo de 3 se obtêm sinais idênticos defasados

de 120º em cada semiponte. Como resultado os harmônicos

múltiplos de 3 são eliminados



Conteúdo harmônico da tensão entre fases

mf 2 0,010 0,037 0,080 0,135 0,195

mf4 0,005 0,011

2mf1 0,116 0,200 0,227 0,192 0,111

2mf5 0,008 0,020

3mf2 0,027 0,085 0,124 0,108 0,038

3mf4 0,007 0,029 0,064 0,096

4mf1 0,100 0,096 0,005 0,064 0,042

4mf5 0,021 0,051 0,073

4mf7 0,010 0,030

1 0,122 0,245 0,367 0,490 0,612Fundamental

ma

h 0,2 0,4 0,6 0,8 1

mf múltiplo de 3, ímpar e maior que 9

Aplicações de Inversores trifásicos


M Motores

Equipamentos industriais de

potências superiores a 2-5kW (aprox.)

-Sistemas de alimentação

-Máquinas de solda

-etc.

Índice

Inversores PWM

Introdução



Meia ponte

Ponte completa

Controle bipolar

Controle unipolar


Conclusões

Conclusões

Conclusões:

Obviamente há muito conteúdo na literatura para o aprofundamento

dos estudos dos inversores PWM (monofásicos e trifásicos);

O aluno deverá buscar conhecimento necessário na literatura,

principalmente para o projeto dos elementos de filtro, e, dispositivos

analógicos e digitais para a implementação da modulação PWM;

Os inversores PWM são elementos de extrema importância para a

produtividade industrial atual, e, elementos vitais para o

aproveitamento dos recursos energéticos alternativos e geração

distribuída.

conversores cc-ca: inversores · conversores cc-ca: inversores eletrônica de potência 2 prof. dr....

Documents