CAT169 - Parte 05 - Comando em conversores CA-CC e CC-CC

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ESCOLA DE MINAS
UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
DECAT – DEP. DE ENG. DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Prof. Rúben C. Barbosa
(rubencbarbosa@gmail.com)
Parte 05:
Comando em conversores 
CA-CC e CC-CC
CAT169 – Acionamentos Elétricos
CONTROLE DE RETIFICADORES
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
CONTROLE DE RETIFICADORES
• Condições básicas a serem observadas para se efetuar o disparo de 
um tiristor:
• As características do gatilho: Geração de um sinal capaz de
disparar o tiristor sem danos ao componente.
• A sequência de aplicação de pulsos:
• Realização da função desejada de conversão.
• Critérios de regulação.
• Outras funções:
• Dissipação de potência na junção gatilho-catodo.
• Evitar disparos intempestivos devido a sinais espúrios
(polarização negativa de gatilho).
• Isolamento elétrico entre o circuito de comando e de
potência.
• Limitação do deslocamento de fase.
• Supressão de ruídos.
• etc.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
CONTROLE DE RETIFICADORES
• Comando por pulsos:
• Meio mais eficiente para efetuar o disparo de um tiristor.
• Dissipação de potência na junção gatilho-catodo é 
pequena.
• A duração mínima do pulso para disparo efetivo do tiristor:
• Depende da carga: 
• Quanto mais indutiva, maior deve ser a duração do 
pulso para estabelecer uma corrente no tiristor.
• Pulso de maior duração: 
• Aplicação de um trem de pulsos.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
CONTROLE DE RETIFICADORES
• Circuito básico de comando:
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
CONTROLE DE RETIFICADORES
• Elementos do circuito básico de comando:
• Adaptador:
• Filtragem da tensão de sincronismo.
• Adaptação do nível de tensão.
• Isolamento elétrico.
• Geração da tensão de referência para comparação com o sinal de 
comando.
• Comparador: 
• Comparação entre a Tensão de referência e o sinal de comando para 
determinar o instante de disparo.
• Derivador: 
• Conversão do sinal de saída do comparador em pulsos.
• Conformador: 
• Formatação do pulso de disparo (forma, duração e amplitude).
• Amplificador: 
• Amplificação de potência.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
CONTROLE DE RETIFICADORES
• Transformador de pulsos:
• Isolamento elétrico.
• Distribuição de pulsos.
• Não deve deformar os pulsos.
• Proteção:
• Evitar a aplicação de pulsos 
negativos ao gatilho.
• Impedir desvio da corrente de anodo 
pelo gatilho.
CONTROLE DE RETIFICADORES:
MODOS DE COMANDO
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
CONTROLE DE RETIFICADORES
MODOS DE COMANDO
• Comando Horizontal:
• Utilizado geralmente em circuitos de baixa potência.
• Instante de disparo determinado pela passagem por zero 
do sinal de comando (senoidal) em relação a origem do 
sinal de referência (senoidal).
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
CONTROLE DE RETIFICADORES
MODOS DE COMANDO
• Comando Vertical:
• Comando linear:
• O ângulo de disparo é uma 
função linear do sinal de 
comando.
• Instante de disparo fixado pela 
comparação entre um sinal de 
comando contínuo e um sinal 
de referência dente de serra.
𝛼 =
𝜋
𝑉max
𝑉𝐶
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
CONTROLE DE RETIFICADORES
MODOS DE COMANDO
• Comando Vertical:
• Comando cossenoidal
• Instante de disparo fixado pela 
comparação entre o sinal de 
comando contínuo e um sinal 
de referência cossenoidal.
• Em regime de condução 
contínua, a tensão de saída é 
uma função cossenoidal do 
sinal de comando.
𝛼 = acos
𝑉𝐶
𝑉𝑚𝑎𝑥
COMANDO DE
CONVERSORES CC-CC
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOPCOMANDO DE CONVERSORES CC-CC
COMANDO POR MODULAÇÃO DE PULSOS (PWM):
Comando por modulação de pulsos (PWM):
• Consiste na comparação de um sinal de controle com um sinal 
periódico de frequência constante (normalmente uma dente 
de serra ou uma triangular) conhecido como portadora:
• Sinal de controle > da portadora:
• Chave ligada (on).
• Sinal de controle < da portadora:
• Chave desligada (off).
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOPCOMANDO DE CONVERSORES CC-CC
COMANDO POR MODULAÇÃO DE PULSOS (PWM):
Comando por modulação de pulsos (PWM):
• Frequência de chaveamento (Ts):
• Definida pela frequência da portadora.
• Ciclo de trabalho (D):
• Razão entre a duração do 
estado ligado (on) em 
relação ao período de
chaveamento.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOPCOMANDO DE CONVERSORES CC-CC
COMANDO POR MODULAÇÃO DE PULSOS (PWM):
• Tensão unidirecional de saída:
• Portadora: dente de serra.
• Por semelhança de 
triângulos:
𝐷 =
𝑡𝑜𝑛
𝑇𝑆
=
𝑉𝐶
 𝑉𝑠𝑡
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CONTROLE POR PONTE H (PONTE COMPLETA)
• Tensão bidirecional de saída:
• Portadora: triangular.
• Controle de pontes H (ponte completa CC-CC).
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CONTROLE POR PONTE H (PONTE COMPLETA)
• Entrada é uma tensão de magnitude fixa 𝑉𝑑.
• A saída do conversor é uma tensão 𝑉𝑜 que pode ser controlada 
em magnitude e polaridade.
• Diodos são conectados em antiparalelo com as chaves;
• Quando a chave é ligada ela pode ou não conduzir corrente, 
dependendo da direção da corrente de saída 𝑖𝑜
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CONTROLE POR PONTE H (PONTE COMPLETA)
• O conversor CC-CC em ponte H (ou em ponte completa) 
consiste em dois ramos, A e B.
• Cada ramo consiste em 2 chaves e em 2 diodos em 
antiparalelo.
• As chaves em cada ramo um são acionadas de tal maneira que, 
quando uma está ligada, a outra está desligada.
• As 2 chaves do ramo nunca ficam desligadas ou ligadas ao 
mesmo tempo.
A B
𝑉𝐴𝑁
𝑉𝐵𝑁
𝑖𝑜
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CONTROLE POR PONTE H (PONTE COMPLETA)
• Na prática, as 2 chaves ficam desligadas juntas por um 
pequeno intervalo, chamado de “blank time” para evitar curto-
circuito na entrada.
• Porém, para fins de análise, aqui o “blank time” é desprezado.
A B
𝑉𝐴𝑁
𝑉𝐵𝑁
𝑖𝑜
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CONTROLE POR PONTE H (PONTE COMPLETA)
• Considere a figura:
• Quando T1 é ligado:
• 𝑖𝑜 fluirá por T1 se 𝑖𝑜 > 0
• Ou 𝑖𝑜 fluirá por D1 se 𝑖𝑜 < 0
• De qualquer maneira T1 garante que o ponto A fique no 
mesmo potencial do terminal positivo da fonte.
𝑉𝐴𝑁 = 𝑉𝑑
A B
𝑉𝐴𝑁
𝑉𝐵𝑁
𝑖𝑜
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CONTROLE POR PONTE H (PONTE COMPLETA)
• Considere a figura:
• Similarmente, quando T2 é ligado:
• 𝑖𝑜 fluirá por T2 se 𝑖𝑜 < 0
• Ou 𝑖𝑜 fluirá por D2 se 𝑖𝑜 > 0
• Assim:
A B
𝑉𝐴𝑁
𝑉𝐵𝑁
𝑖𝑜
𝑉𝐴𝑁 = 0
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DECAT/EM/UFOPCOMANDO DE CONVERSORES CC-CC
CONTROLE POR PONTE H (PONTE COMPLETA)
• Logo 𝑉𝐴𝑁 depende somente do estado da chave e independe 
do sentido da corrente 𝑖𝑜.
• A média da tensão no ramo A, com uma freq. de chaveamento 
𝑇𝑆, será:
𝑉𝐴𝑁 =
𝑉𝑑𝑡𝑜𝑛 + 0. 𝑡𝑜𝑓𝑓
𝑇𝑠
= DT1. Vd
• Da forma semelhante tem-se que:
𝑉𝐵𝑁 = DT3. Vd
• A tensão média na saída será:
𝑉𝑜 = 𝑉𝐴𝑁 − 𝑉𝐵𝑁
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DECAT/EM/UFOPCOMANDO DE CONVERSORES CC-CC
CONTROLE POR PONTE H (PONTE COMPLETA)
• Nos controladores de chave única discutidos anteriormente, a 
polaridade da tensão de saída é unidirecional.
• Isso é conseguido comparando um sinal dente de serra com a 
tensão de controle.
• Na ponte H, é possível reverter a tensão de saída.• Isso é conseguido comparando um sinal triangular com a 
tensão de controle.
• 2 estratégias são utilizadas para acionamento da ponte H:
• PWM com chaveamento bipolar;
• PWM com chaveamento unipolar;
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CONTROLE POR PONTE H (PONTE COMPLETA)
Tensão bidirecional de saída:
• PWM com chaveamento bipolar:
• T1/T4 e T2/T3 são tratados como dois pares de 
interruptores, sendo cada par simultaneamente chaveado.
• O sinal de chaveamento é gerado comparando a um sinal 
triangular (𝑣𝑡𝑟𝑖) com a tensão de controle (𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡).
• Quando:
• 𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡 > 𝑣𝑡𝑟𝑖 → T1 e T4 são ligados.
• 𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡 < 𝑣𝑡𝑟𝑖 → T2 e T3 são ligados.
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CONTROLE POR PONTE H (PONTE COMPLETA)
• PWM com chaveamento 
bipolar:
• 𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡 > 𝑣𝑡𝑟𝑖 → T1 e T4 são ligados.
• 𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡 < 𝑣𝑡𝑟𝑖 → T2 e T3 são ligados.
A B
𝑉𝐴𝑁
𝑉𝐵𝑁
𝑖𝑜
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CONTROLE POR PONTE H (PONTE COMPLETA)
• PWM com chaveamento bipolar:
Partindo de 𝑡𝑖 a 𝑡𝑓 como mostrado na 
figura:
𝑣𝑡𝑟𝑖 = 𝑉𝑡𝑟𝑖
𝑡
𝑇𝑠/4
0 < 𝑡 <
𝑇𝑠
4
Em 𝑡 = 𝑡1, 𝑣𝑡𝑟𝑖 = 𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡:
𝑡1 =
𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡
𝑉𝑡𝑟𝑖
.
𝑇𝑠
4
O tempo ligado do par T1/T4 é:
𝑡𝑜𝑛 = 2𝑡1 + 𝑇𝑠/2
Pela equação anterior:
𝐷1 =
𝑡𝑜𝑛
𝑇𝑠
=
1
2
1 +
𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡
𝑉𝑡𝑟𝑖
𝑡𝑖 𝑡𝑓
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CONTROLE POR PONTE H (PONTE COMPLETA)
• PWM com chaveamento 
bipolar:
O ciclo de trabalho para o par 2:
𝐷2 = (1 − 𝐷1)
Pelos ciclos de trabalho pode-se obter 
𝑉𝐴𝑁 e 𝑉𝐵𝑁 apresentados 
anteriormente:
𝑉𝐴𝑁 = DT1. Vd
𝑉𝐵𝑁 = DT2. Vd
Logo:
𝑉𝑜 = 𝑉𝐴𝑁 − 𝑉𝐵𝑁 = 2𝐷1 − 1 𝑉𝑑
Substituindo 𝐷1:
𝑡𝑖 𝑡𝑓
𝑉𝑜 =
𝑉𝑑
 𝑉𝑡𝑟𝑖
𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡 = 𝑘𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡
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COMANDO POR MODULAÇÃO DE PULSOS (PWM):
Tensão bidirecional de saída:
• PWM com chaveamento unipolar:
• Cada braço da ponte é controlado de forma independente 
do outro braço.
• Um sinal triangular (𝑣𝑡𝑟𝑖) é comparado com a tensão de 
controle 𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡 e −𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡 para determinar os sinais de 
chaveamento para o braço A e B respectivamente.
A B
𝑉𝐴𝑁
𝑉𝐵𝑁
𝑖𝑜
• Quando T1 e T3 estão 
simultaneamente 
ligados, 𝑣𝑜 = 0.
• Quando T2 e T4 estão 
simultaneamente 
ligados, 𝑣𝑜 = 0.
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• Uma comparação
• entre 𝑣𝑡𝑟𝑖 e 𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡 controla as 
chaves do ramo A.
• e entre 𝑣𝑡𝑟𝑖 e −𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡 controla 
as chaves do ramo B.
• 𝑇1 → 𝑜𝑛 se 𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡 > 𝑣𝑡𝑟𝑖
• 𝑇3 → 𝑜𝑛 se −𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡 > 𝑣𝑡𝑟𝑖
A B
𝑉𝐴𝑁
𝑉𝐵𝑁
𝑖𝑜
𝑣𝐴𝑁
𝑣𝐵𝑁
𝑣𝑜
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CONTROLE POR PONTE H (PONTE COMPLETA)
• De forma similar ao comando 
bipolar, pode-se provar que o 
ciclo de trabalho 𝐷1 será dado 
por:
𝐷1 =
1
2
𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡
𝑉𝑡𝑟𝑖
+ 1 , para T1
• E 𝐷2:
𝐷2 = 1 − 𝐷1, para T3
• Assim, a tensão média na saída, 
de 𝑉𝑜 = 𝑉𝐴𝑁 − 𝑉𝐵𝑁:
𝑣𝐴𝑁
𝑣𝐵𝑁
𝑉𝑜 =
𝑉𝑑
𝑉𝑡𝑟𝑖
𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡 = 𝑘𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡
𝑣𝑜
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DECAT/EM/UFOPCOMANDO DE CONVERSORES CC-CC
CONTROLE POR PONTE H (PONTE COMPLETA)
• Considerações finais:
• Em ambos os casos, unipolar ou bipolar, a tensão média 𝑉𝑜
pode ser feita positiva ou negativa (por isso é chamado de 
bidirecional).
• A corrente também pode ser positiva ou negativa.
• Note que neste tipo de conversor, não há condução 
descontínua para um 𝑖𝑜 pequeno como no caso dos 
unidirecionais).
• Quando considerado o “blank time”, uma sútil não-
linearidade é introduzida na relação entre 𝑣𝑐𝑜𝑛𝑡 e 𝑉𝑜.
• Para mesma frequência da triangular, o chaveamento 
unipolar resulta em uma melhor forma de onda para 𝑣𝑜 e 
uma melhor resposta em frequência uma vez que a 
frequência de chaveamento efetiva da tensão de saída é 
dobrada e o “ripple” é reduzido.
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DECAT/EM/UFOPCOMANDO DE CONVERSORES CC-CC
CONTROLE POR PONTE H (PONTE COMPLETA)
COMANDO BIDIRECIONAL BIPOLAR COMANDO BIDIRECIONAL UNIPOLAR