Apostila de Eletrônica de Potencia Capítulo 9-2008

Prévia do material em texto

CAPÍTULO 9
INVERSORES.PRIVATE �
9.1 - INTRODUÇÃO.
	Os inversores são usados para gerar tensão alternada (AC) a partir de uma tensão contínua (DC). Sua utilização principal está relacionada à geração de tensão AC em NO-BREAKS, em acionamento de motores e em amplificadores de áudio. Os conversores DC/DC são mais usados quando a tensão de saída desejada é do tipo senoidal.
9.2 - INVERSOR ONDA QUADRADA.
	Os inversores com tensão de saída de forma de onda quadrada são usados em baixa potência e quando o circuito que será alimentado pelo inversor aproveita apenas o pico de tensão alternada. 
	As fontes chaveadas são conversores DC/DC com a tensão de entrada proveniente da retificação e filtragem da tensão AC da rede. O capacitor de entrada se carrega com o pico da tensão de rede e, sendo assim, a forma de onda da tensão de entrada é irrelevante. O importante é o pico da tensão de rede. No entanto, a forma de onda AC quadrada não serve para alimentar circuitos com transformadores em sua entrada. Normalmente, esses transformadores trabalham saturados se forem acionados por ondas quadradas.
	A figura 9.1(a) mostra um ciclo de onda quadrada e a figura 9.1(b) traz a amplitude dos harmônicos obtidos da transformada de Fourier. 
	A transformada de Fourier de uma forma de onda mostra sua composição de harmônicos com o nível e fase do harmônico.
Figura 9.1 - (a) Onda Quadrada.
 (b) Intensidade dos 60 Primeiros Harmônicos.
 
	Observa-se que aparecem somente harmônicos ímpares, devido à simetria da onda quadrada. O nível do primeiro harmônico é bastante alto (1,273) e esse é um dos motivos para saturar um transformador alimentado por uma onda quadrada. O primeiro harmônico tem um nível de pico 27% maior que a onda senoidal normalizada em 1. Partindo da suposição que o pico da tensão senoidal e da tensão quadrada são iguais. Os outros harmônicos também contribuem para a saturação do transformador. Isto significa que um transformador para ser alimentado por uma onda quadrada deve ser dimensionado para uma tensão no mínimo 27% maior da tensão de entrada máxima desejada.
	Os inversores de onda quadrada são implementados por meio de conversores Push-Pull e/ou Onda completa, como mostra a figura 9.2.
Figura 9.2 - Conversores Push-Pull e Onda Completa, Usados Como Inversores.
	Obter ondas senoidais a partir de ondas quadradas requer um filtro que corte os harmônicos ímpares, a partir do terceiro harmônico. Este filtro será excessivamente robusto.
9.3 - INVERSOR PWM.
	No inversor PWM, existe um tempo morto entre pulsos. Este tempo morto pode facilitar o controle da tensão de saída. O valor de pico será sempre proporcional à tensão DC de entrada, mas o valor e o RMS variam com a largura de pulso. A figura 9.3 mostra a forma de onda do inversor PWM e sua transformada de Fourier.
	A tensão RMS na saída do inversor pode ser dada por:
				(9.1)
Onde: 	0

.
	A distorção harmônica pode ser dada por:
				(9.2)
	A distorção harmônica mede quão próxima, é a forma de onda em relação à fundamental.
Figura 9.3 - (a) Rampa Vramp para Comparação com Vcomp.
(b) Pulsos Obtidos da Comparação em (a).
(c) Transformada de Fourier de VPWM.
	
	A figura 9.4 mostra o THD em função da largura de pulso .
Figura 9.4 - Distorção Harmônica Para o Inversor PWM, em Função de .
	Observa-se que THD é mínima para um =2,337 rd, que resulta em uma largura de pulso de 0,744 (/). O valor RMS na saída será igual ao valor RMS de uma senoide com a mesma tensão de pico (normalizada em 1) quando .
9.4 - INVERSORES SENOIDAIS BIPOLARES PWM.
	Para obter inversores com saídas senoidais, são necessários filtros nas saídas dos pulsos de forma a eliminarem os harmônicos.
	O inversor Bipolar PWM gera pulsos de largura variável de forma que vários harmônicos podem ser eliminados. Um gerador de ondas triangulares Vt com freqüência ft e um gerador senoidal Vr com freqüência fr são usados para obter a modulação PWM, como mostra a figura 9.5
Figura 9.5 - (a) Formas de Onda para Gerar Pulsos PWM
(b) Pulsos de Saída do Inversor.
(c) Amplitude de Tensão por Freqüência.
	Na figura 9.5b, a tensão de saída PWM varia de +1 para -1, dependendo do nível de comparação entre Vt e Vr. Na prática, este nível varia de uma certa tensão Vcc para -Vcc. Define-se Razão de Modulação de freqüência Mf dada por:
				(9.3)
	Na figura 9.5a, pode-se notar que Mf=20. Observa-se também que existe um harmônico de 20a ordem (figura 9.5c) e outros harmônicos com amplitudes menores nas freqüências (Mf
2)fr e (Mf 
4)fr. Assim, a modulação PWM de uma senóide em uma onda triangular, produz pulsos cujos harmônicos de baixa ordem podem ser eliminados. Devido à simetria, os harmônicos ímpares são praticamente eliminados até (Mf+4)ft.
	A figura 9.6 mostra o circuito do inversor PWM senoidal bipolar com filtro LC.
Figura 9.6 - Inversor Senoidal Bipolar PWM.
	O filtro LC pode ser calculado por:
					(9.4)
				(9.5)
Onde:
	Ro - Valor da carga para a máxima corrente na saída;
	c - freqüência de corte (c = 2..fc).
	O valor de fc deve ser maior que fr e menor que ft. A figura 9.7a mostra a forma de onda da tensão de saída para fc=5fr com Mf = 20 e a figura 9.7b traz o diagrama de Bode para o ganho do filtro.
Figura 9.7 - (a) Tensão de Saída do Inversor da Figura 9.6
(b) Diagrama de Bode do Filtro LC com Carga Ro.
	Foi utilizada uma onda triangular para gerar pulsos de chaveamento porque sua simetria fornece menos harmônicos. Quando os pulsos são gerados por meio de ondas do tipo dente de serra, que são comuns nos circuitos integrados moduladores de PWM, a quantidade de harmônicos resultante é maior, como mostra a figura 9.8.
Figura 9.8 - Formas de Onda de Modulação PWM com Vt em Forma de Rampa.
9.5 - INVERSORES SENOIDAIS HÍBRIDOS PWM.
	Os transistores (ou outro componente para comutação) usados na figura 9.6, devem ter velocidades de comutação igual. Cada par de transistores comuta na mesma velocidade. Q1 e Q4 e depois Q2 e Q3. A tensão na entrada do filtro fica +Vi e -Vi. É possível usar dois destes transistores (Q1 e Q3 ou Q2 e Q4) mais lentos, se for utilizada a comutação híbrida. Na comutação híbrida, um transistor, por exemplo Q1, ficará conduzindo continuamente em um meio ciclo e no semiciclo seguinte, quem conduzirá será Q2. Assim, a freqüência de comutação de Q1 e Q2 será fr enquanto que a freqüência de comutação de Q3 e Q4 será ft. Além disso, nota-se que a amplitude dos harmônicos gerados pelo chaveamento híbrido PWM é menor e não possui a harmônica de ordem Mf. A figura 9.9 mostra como gerar a modulação híbrida PWM.
Figura 9.9 - Formas de Onda para Gerar a Modulação Híbrida PWM.
	Como conseqüência, a senóide de saída terá menor distorção harmônica. Para o mesmo filtro utilizado anteriormente, tem-se a forma de onda de saída para o Inversor Híbrido PWM como mostra a figura 9.10.
Figura 9.10 - Tensão de Saída Vs com Modulação Híbrida.
EXERCÍCIO.
1) Como devem ser disparadas as chaves T1, T2, T3 e T4 para obter a forma de onda de tensão das figuras 9.11(A), 9.11(B) e 9.11(C) para a carga indutiva? Esboce a forma de onda da corrente na carga com a mesma escala de tempo da tensão.
Figura 9.11 – Inversor com Carga Indutiva.
�PAGE �
�PAGE �210�
_1038276260.unknown
_1038277937.unknown
_1238832508.unknown
_1265545730.unknown
_1238832503.unknown
_1038277874.unknown
_1038276096.unknown
_1038276116.unknown
_1038275923.unknown