modulação por largura de pulso - udesc - cct · modulação por largura de pulso definições:...
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1
Modulação por Largura de Pulso
Definições:
•A modulação determina: • A frequência dos pulsos de comando • A duração dos pulsos de comando • A sequência dos pulsos de comando • O sincronismo dos pulsos de comando
Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers
2
Modulação por Largura de Pulso
Elementos que compõe um modulador:
Sinal de Referência;
Sinal de Portadora;
Modulador
Geração de Sinal Complementar
Tempo Morto
Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno
3
Modulação por Largura de Pulso
Sinal de Referência: O sinal de referência é o sinal desejado na saída do conversor estático, exemplo:
Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno
Referência cc Referência Senoidal
Referência Trifásica
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Modulação por Largura de Pulso
Sinal de Portadora: É o sinal que define a frequência de comutação dos semicondutores e o padrão dos pulsos de comando, ex emplo:
Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno
Portadora dente de serra
Portadora Triangular
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Modulação por Largura de Pulso
Modulador (Comparador): É o circuito responsável em comparar o sinal de referência com a portadora.
A largura do pulso na saída do modulador varia de acordo com a amplitude do sinal de referência em comparação com o sinal portador.
Tem-se assim a modulação por largura de pulso – PWM, do inglês Pulse Width Modulation
Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno
6
Modulação por Largura de Pulso
Modulador (Comparador):
Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno
0-1
12345
Vref V2
0 0.0002 0.0004 0.0006Time (s)
0
0.4
0.8
Vout
7
Modulação por Largura de Pulso
Geração de sinal complementar: O sinal complementar é necessário quando existem dois interruptores configurados em braço. O acionamento dos interruptores é realizado de forma complementar, ou seja, quando Q1 conduz, Q2 está bloqueado e quando Q2 está condu zindo, Q1 fica bloqueado e assim sucessivamente
Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno
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Modulação por Largura de Pulso
Geração de sinal complementar: Na configuração de interruptores em braço é necessário assegurar que dois interruptores de um mesmo braço não sejam acionados ao mesmo tempo, evitando a queima dos mes mos. Para evitar um efeito de curto-circuito no braço do acionamento, um tempo morto deve ser introduzido.
Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno
VQ1
VQ2
0.0
-0.50
-1.00
0.50
1.00
Port_dente_serra Ref
285.00 290.00 295.00 300.00Time (ms)
0.0
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
S1_4
9
Portadora tipo Dente de Serra
Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers
Características: Entrada em condução dependente da moduladora Bloqueio fixo
Emprego: Circuitos onde é necessário sincronizar interruptor es auxiliares com o bloqueio dos interruptores principais.
0.0
-0.50
-1.00
0.50
1.00
Port_dente_serra_inv Ref
285.00 290.00 295.00 300.00Time (ms)
0.0
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
S1_4_c2
10
Portadora tipo Dente de Serra Invertida
Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers
Características: Entrada em condução fixa Bloqueio dependente da moduladora
Emprego: Circuitos onde é necessário sincronizar interruptor es auxiliares com a entrada em condução dos interruptores princip ais.
0.0
-0.50
-1.00
0.50
1.00
Port_triang Ref
285.00 290.00 295.00 300.00Time (ms)
0.0
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
S1_4_c3
11
Portadora tipo Triangular
Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers
Características: Entrada em condução e bloqueio dependente da modula dora
Emprego: Circuitos em geral.
0.0
-50.00
-100.00
50.00
100.00
Vo
0.0
-50.00
-100.00
50.00
100.00
Vo_c2
285.00 290.00 295.00 300.00Time (ms)
0.0
-50.00
-100.00
50.00
100.00
Vo_c3
12
Inversor Monofásico Ponte completa
Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers
Modulações a 2 níveis com portadoras: Triangular, Dente de Serra e Dente de Serra Inverti da
0.0
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
Vo
0.0
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
Vo_c2
0.0 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00Frequency (KHz)
0.0
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
Vo_c3
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Inversor Monofásico Ponte completa
Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers
Modulações a 2 níveis com portadoras: Triangular, Dente de Serra e Dente de Serra Invertida
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Conceito DHT e WTHD
Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers
2 2
0
21 1
2 n
n
V VDHT
V V
∞
=
⋅= +
∑
Os conversores comutados introduzem componentes de alta frequência no sinal saída desejado. A distorção harmônica total é um índice básico de performance da tensão sintetizada por um conversor, envolvendo a to pologia e o desempenho do controle.
n
0VnV 1,2,...,n = ∞
onde,
representa a ordem da harmônica
representa a amplitude da componente harmônica de tensão de ordem
representa o nível médio presente na tensão ca
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Conceito DHT e WTHD
Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers
A Distorção Harmônica Total não contempla em seu c álculo a ordem das componentes harmônicas. Para suprir esta deficiência, apresenta-se o conce ito de distorção harmônica total de primeira ordem (ou distorção har mônica de corrente), a qual contempla em seu cálculo a amplitude de cada h armônica e a ordem da harmônica, onde as harmônicas de ordem mais elev ada têm menor impacto no resultado do cálculo. Esta figura de mér ito é importante nos conversores comutados, pois apresenta uma correlaçã o com a distorção harmônica de corrente em um motor e, a dificuldade de realizar uma filtragem de primeira ordem de um determinado sinal .
2
2
1
n
n
V
nWTHD
V
∞
=
=
∑
16
Conceito DHT e WTHD
Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers
1.10
1.15
1.20
1.25
1.30THD_c1
1.10
1.15
1.20
1.25
1.30THD_c2
0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30Time (s)
1.10
1.15
1.20
1.25
1.30THD_c3
17
Conceito DHT e WTHD
Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers
20.00m
22.00m
24.00m
26.00m
28.00m
30.00mTHD1_c1
20.00m
22.00m
24.00m
26.00m
28.00m
30.00mTHD1_c2
0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00Time (s)
20.00m
22.00m
24.00m
26.00m
28.00m
30.00mTHD1_c3
18
Modulações de 3 ou mais níveis
Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer
RefA
VPort1
VPort2
VPort3
VPort4
V
Modulação com as portadoras dispostas em fase (PD o u IPD - In Phase Disposition)
19
Modulações de 3 ou mais níveis
Modulação com as Portadoras Dispostas em Oposição d e Fase (Phase Opposition Disposition – POD)
RefA
VPort1
VPort2
VPort3
VPort4
V
Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer
20
Modulações de 3 ou mais níveis
Modulação com as Portadoras Dispostas em Oposição A lternada de Fase (Alternative Opposition Disposition – APOD)
RefA
VPort1
VPort2
VPort3
VPort4
V
Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer
21
Modulações de 3 ou mais níveis
Modulação com as Portadoras com Deslocamento de Fas e (Phase Shifted – PS)
RefAV
VPort2 VPort3 VPort4VPort1
Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer
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Comparação entre as Modulações
DN 1A
DN 1A'
DN 2A
DN 2A'
+Vx
SN 1A
SN 1A'
SN 2A
SN 2A'
DN-1 1A
DN-1 1A'
DN-1 2A
DN-1 2A'
+Vx
SN-1 1A
SN-1 1A'
SN-1 2A
SN-1 2A'
D1 1A
DN1A'
D1 2A
D1 2A'
+Vx
S1 1A
S1 1A'
S1 2A
S1 2A'
iAA
DN 1C
DN 1C'
DN 2C
DN 2C'
+Vx
SN 1C
SN 1C'
SN 2C
SN 2C'
DN-1 1C
DN-1 1C'
DN-1 2C
DN-1 2C'
+Vx
SN-1 1C
SN-1 1C'
SN-1 2C
SN-1 2C'
D1 1C
DN1C'
D1 2C
D1 2C'
+Vx
S1 1C
S1 1C'
S1 2C
S1 2C'
iCC
DN 1B
DN 1B'
DN 2B
DN 2B'
+Vx
SN 1B
SN 1B'
SN 2B
SN 2B'
DN-1 1B
DN-1 1B'
DN-1 2B
DN-1 2B'
+Vx
SN-1 1B
SN-1 1B'
SN-1 2B
SN-1 2B'
D1 1B
DN1B'
D1 2B
D1 2B'
+Vx
S1 1B
S1 1B'
S1 2B
S1 2B'
iBB
Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer
23
Comparação entre as Modulações
0,8am =750 HzCf =
20 kHzCf =
Tabela – Comparação das distorções harmônicas e das perdas de comutação entre as modulações PD, POD, APOD e PS para um inversor trif ásico em cascata com cinco níveis.
Perdas de Comutação Normalizada [%]
PD POD APOD PS
DHT Fase [%] 37,949 37,946 37,948 38,183
DHT Linha [%] 21,552 35,231 29,187 29,512
WTHD Fase [%] 2,518 2,436 2,332 0,543
WTHD Linha [%] 1,452 2,378 1,786 0,414
100,00 100,32 99,91 405,09
Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer
24
Modulação SHE (Selective Harmonic Elimination)
Fonte: T. Cunnyngham, “Cascade Multilevel Inverters for Large Hybrid-Electric Vehicle Applications with Variant Dc Sources”, Master Thesis, University of Tenessee, 2001.
Exemplo de modulação SHE para 4 conversores em cascata Modulação simples que requer uma otimização numérica complexa
25
Modulação SHE (Selective Harmonic Elimination)
Fonte: T. Cunnyngham, “Cascade Multilevel Inverters for Large Hybrid-Electric Vehicle Applications with Variant Dc Sources”, Master Thesis, University of Tenessee, 2001.
Equacionamento da tensão de saída
26
Modulação SHE (Selective Harmonic Elimination)
Fonte: T. Cunnyngham, “Cascade Multilevel Inverters for Large Hybrid-Electric Vehicle Applications with Variant Dc Sources”, Master Thesis, University of Tenessee, 2001.
Tensão eficaz
Valor eficaz da componente fundamental de tensão
Distorção harmônica total
27
Modulação SHE (Selective Harmonic Elimination)
Fonte: T. Cunnyngham, “Cascade Multilevel Inverters for Large Hybrid-Electric Vehicle Applications with Variant Dc Sources”, Master Thesis, University of Tenessee, 2001.
Da resolução em Série de Fourier tem-se
Onde
e
Solução � OTIMIZAÇÃO NUMÉRICA
28
Modulação SHE (Selective Harmonic Elimination)
Fonte: T. Cunnyngham, “Cascade Multilevel Inverters for Large Hybrid-Electric Vehicle Applications with Variant Dc Sources”, Master Thesis, University of Tenessee, 2001.
Da resolução em Série de Fourier tem-se
Onde
e
Solução � OTIMIZAÇÃO NUMÉRICA
29
Modulações Híbridas
Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer
1
0
-1
VPort1
VPort2
(a)
(b)
Emprego de frequências distintas de comutação Permite utilizar semicondutores de características e famílias distintas Permite otimizar as perdas
30
Modulações Híbridas
Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer
Injeção de componentes harmônicas múltiplas de 3 x freq. fundamental Permite elevar o índice de modulação da saída Distorce as tensões de fase
a
VPort1
VPort2
v’
1
0
-1
0
0
0
'
'
'
a a
b b
c c
v v v
v v v
v v v
= − = − = −
( ) ( )0
max , , min , ,
2a b c a b cv v v v v v
v+
=Onde,
31
Modulações Híbridas
Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer
Modulação com dupla referência para cada fase DSPWM
( )
( ) { }min , ,
2 onde , ,max , ,
2
i a b cip
i a b cin
v v v vv
i a b cv v v v
v
−= =
− =
1
0
-1
VPort1
VPort2
apv
anv
32
Modulações Híbridas
Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer
Tabela – Comparação entre as modulações SPWM com in jeção de terceira harmônica e DSPWM
Modulação
DHT Perda de
Comutação Ondulação de Tensão
no Ponto Central
SPWM Menor Menor Maior
DSPWM Maior Maior Menor
HPWM Intermediária Intermediária Intermediária
33
Modulações Híbridas
Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer
1
0
-1
SPWM
HPWM
ahpv
ahnvδ δ δ δ
34
Atividades
Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer
Simular um inversor ponte completa com a modulação 2 níveis e 3 níveis: Considerar os seguintes parâmetros: E = 400 V Fs = 10 kHz (frequência de comutação na carga) Fo = 50 Hz Po = 5 kVA (carga RL conectada com cos (fi) = 0,85), ma = 0,9 Traçar gráficos de DHT de tensão em função do índic e de modulação Traçar gráficos de DHT da corrente de carga em funç ão do índice de modulação