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Tópicos Especiais em Energia Elétrica (Projeto de Inversores e Conversores CC-CC)

Aula 4.1

Princípio de Operação dos Inversor

Prof. João Américo Vilela

Departamento de Engenharia Elétrica

Conversor CC-CA (Inversor)

A função de um inversor é converter uma tensão contínua de entrada numa

tensão alternada simétrica de saída com módulo e frequência determinados.

A frequência da tensão de saída do inversor é determinada pelo

chaveamento dos dispositivos semicondutores que formam o inversor,

depende, portanto, do circuito de controle.

Introdução

Projeto de Inversores e Conversores CC-CC

Onda

quadrada

t

V

Um inversor pode

apresentar diferentes

formas de onda da

tensão de saída em

função da forma de

operação e de sua

característica

construtiva.

Onda

quadrada

t

V

Trapezoidal

t

V

Senoidal

t

V

Multi-nivel

t

V

Introdução


Princípio de funcionamento

O inversor monofásico de tensão na configuração ponte completa é

apresentado nas figuras abaixo

Estrutura básica do inversor de

tensão em ponte completa

Inversor Monofásico






representando os interruptores e os

diodos em anti-paralelo.

Princípio de funcionamento

O inversor monofásico de tensão na configuração ponte completa é

apresentado nas figuras abaixo



As etapas de operação desse inversor

1ª Etapa) S1 e S2 conduzem e S3 e S4 estão bloqueadas.



Forma de onda da tensão na

carga.



As etapas de operação desse inversor

2ª Etapa) S3 e S4 conduzem e S1 e S2 estão bloqueadas.


tensão em ponte completa Forma de onda da tensão na

carga.



Sinal de comando dos interruptores

e forma de onda da tensão e da

corrente na carga.

A partir de uma fonte CC o inversor

foi capaz de produzir uma tensão

alternada na carga.




Modulação triangular

O comparador defini a razão cíclica

através da comparação de um sinal

triangular com um tensão de

referencia cc.

Se a frequência da triangular for fixa

o chaveamento dos interruptores

será também numa frequência fixa.

O controle da tensão de saída é

realizado pela variação do tempo de

condução dos interruptores em

relação ao período de chaveamento

(PWM).

T A +

A

D A+

D A -

0

E/2

E/2

+

-

t

VControle

VA0 E/2

-E/2

+ + +

- - -

O valor médio de VAO é positivo

T A -

)12(0 DEVA



T A +

A

D A+

D A -

0

E/2

E/2 /2

+

-

t

VControle

VA0 E/2

-E/2

O valor medio de VAO é zero

T A -

+ +

- - -

)12(0 DEVA



T A +

A

D A+

D A -

0

E/2

E/2

+

-

t

VControle

VA0 E/2

-E/2

O valor médio de VAO é negativo

T A -

- - -

+ + +

)12(0 DEVA



E

- E

VAO

T /2

T1T2T3

T

V C V PT

tempo

tempo

Modulação PWM senoidal a dois níveis

Modulação PWM Senoidal – dois níveis



E

- E

VAO



a) Forma de onda da tensão na saída do inversor, antes do indutor;

b) Sinal modulante senoidal e moduladora triangular.



a) Forma de onda da tensão na saída do inversor e corrente no indutor;

b) Sinal modulante senoidal e moduladora triangular.



Durante o semiciclo positivo (S3 e S4 → permanecem bloqueada)

Se Vseno > Vtri, então S1 e S2 em condução => Vo = E

Se Vseno < Vtri, então S1 e S2 bloqueado => D3, D4 em condução Vo = -E




Durante o semiciclo negatico (S1 e S2 → permanecem bloqueada)

Se Vseno < Vtri, então S3 e S4 em condução => Vo = -E

Se Vseno > Vtri, então S3 e S4 bloqueado => D1, D2 em condução Vo = E




As componentes harmônicas presentes na tensão aplicada a carga são

definidas pela frequência do sinal modulador (frequência de comutação).



Modulação PWM senoidal a três níveis

O sinal de comando são obtidos a partir da intersecção de duas ondas

moduladas senoidais de mesma amplitude e frequência, mas defasada

de 180o uma em relação a outra. Assim, o comando das chaves S1 e S4 é

obtido comparando a onda portadora triangular Vtri com a onda

moduladora senoidal Vseno1. Já o comando das chaves S2 e S3 é obtido

através da comparação de Vtri com a onda moduladora senoidal

complementar Vseno2.

Modulação PWM Senoidal – três níveis


VA0

VB0

VAB

VCB V

CA

E/2

-E/2

tempo

-

E

E

-E





1º Etapa 2º Etapa

3º Etapa 4º Etapa

Etapas de operação do inversor monofásico em ponte completa



5º Etapa 6º Etapa

7º Etapa 8º Etapa

Etapas dos semiciclo negativo de operação



Forma de onda da modulação, da corrente no indutor e da corrente no

capacitor



Lógica de controle da modulação a três níveis

Se Vseno1 > Vtri, então S1 em condução => VAN = E/2;

Se Vseno1 < Vtri, então S4 em condução => VAN = -E/2;

Se Vseno2 > Vtri, então S3 em condução => VBN = E/2;

Se Vseno2 < Vtri, então S2 em condução => VBN = -E/2;



Durante o semiciclo positivo (S3, S4 permanecem bloqueado)

VAN = E/2 ; VBN = -E/2 => V0 = E => S1 e S2 em condução;

VAN = E/2 ; VBN = E/2 => V0 = 0 => S2 bloqueado e S1, D3 em condução;

VAN = -E/2 ; VBN = -E/2 => V0 = 0 => S1 bloqueado e S2, D4 em condução;

Durante o semiciclo negativo (S1, S2 permanecem bloqueado)

VAN = -E/2 ; VBN = E/2 => V0 = -E => S3 e S4 em condução;

VAN = -E/2 ; VBN = -E/2 => V0 = 0 => S3 bloqueado e S4 D2 em condução;

VAN = E/2 ; VBN = E/2 => V0 = 0 => S4 bloqueado e S3, D1 em condução.




Verifica-se que algumas harmônicas, que estavam presentes no espectro

de frequência para a modulação a dois níveis, estão ausentes na

modulação PWM a três níveis.




a) Forma de onda da tensão na saída do inversor, antes do indutor;

b) Sinais modulantes senoidal defasados de 180º e moduladora triangular.



a) Forma de onda da tensão na saída do inversor e corrente no indutor;

b) Sinais modulantes senoidal defasados de 180º e moduladora triangular.



Modulação triangular com dente de serra três níveis



Modulação a três níveis

com sinal modulador na

forma de dente de serra.

A frequência da tensão de

saída é igual a frequência

de comutação dos

interruptores.

Modulação a três níveis

com sinal modulador na

forma de triangular.

A frequência da tensão de

saída é o dobro da

frequência de comutação

dos interruptores.


Inversor Trifásicos

Inversor trifásico com modulação PWM senoidal a dois níveis

Na estratégia de controle descrita o

sinal de comando enviado a cada

braço do inversor é do tipo dois

níveis. Desse modo, a tensão de

fase apresenta-se em dois níveis,

enquanto que a tensão de linha

(entre duas fases) se apresenta em

três níveis.

0.8

V A (t) V B (t) )

V A0

V B0

E/2

-E/2

E/2

-E/2

E/2

-E/2

V AB

V C (t) )

(V AB ) 1

Tempo




0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

Time (s)

20

40

60

80

100

Ia Ib Ic

Corrente na saída do

inversor




0

-0.5

-1

0.5

1

Vra Vrb Vrc Vtri

0

-100

100

200

300

400

500

V8

0

-100

100

200

300

400

500

V9

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

Time (s)

0

-100

100

200

300

400

500

V10

Sinais modulantes e a tensão fase terra na saida do inversor



0

-0.5

-1

0.5

1

Vra Vrb Vrc Vtri

0

-200

-400

-600

200

400

Vab

0

-200

-400

200

400

Vbc

0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

Time (s)

0

-200

-400

-600

200

400

Vca


Sinais modulantes e a tensão de linha na saida do inversor



0

-20

-40

20

40

I(RL1a) I(RL1b) I(RL1c)

0

-200

-400

-600

200

400

Vab

0

-200

-400

200

400

Vbc

0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

Time (s)

0

-200

-400

-600

200

400

Vca


Corrente na saída do inversor e a tensão de linha na saida do inversor




0

20

40

60

80

100

Ia

0

-0.5

-1

0.5

1

Vtri Vra

0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

Time (s)

0

-100

100

200

300

400

500

V8

Corrente de linha, sinal modulante e tensão fase neutro.


Operação dos Inversores

Geração dos pulsos na modulação PWM

Necessidade de tempo morto no braço inversor

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