Eletronica de Potencia UDESC 5 2 Inversor full bridge att

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Eletrônica de Potência II
Prof. Alessandro Batscahuer
1Prof. Cassiano Rech
Inversores alimentados em tensão
• Inversores monofásicos
 Meia-ponte (half-bridge)
 Ponte-completa (full-bridge)
 Push-pull
• Inversores trifásicos
2
Breve revisão sobre o conceito dos harmônicos e a influência de
suas parcelas nos equipamentos elétricos e na qualidade de
energia.
Influência dos harmônicos
• Motores:
- Harmônicos de tensão nos terminais do motor
resultam em fluxos harmônicos no núcleo. Esses
fluxos harmônicos não contribuem significativamente
para o torque do motor, pois geram uma velocidade
diferente da velocidade síncrona;
- Diminuição do rendimento;
- Aumento da temperatura;
- Diminuição da vida útil;
- Aumento do ruído sonoro;
- Danificação dos mancais devido ao batimento do
torque.
• Capacitores
- Aumento das perdas;
- Aumento da temperatura;
- Diminuição da vida útil.
3
Influência dos harmônicos
• Transformadores:
- Aumento das perdas no cobre e no ferro;
- Aumento da temperatura;
- Aumento das quedas de tensão nas reatâncias de
dispersão;
- Circulação de corrente pelas capacitâncias parasitas;
• Cabos de alimentação
- Diminuição da área efetiva (efeito pelicular) gerando
aquecimento;
- Aumento do valor eficaz da corrente;
- Ressonância.
4
Conceito fundamental dos 
harmônicos
• Segundo a Série de Fourier: qualquer sinal periódico pode 
ser decomposto em uma soma de sinais senoidais;
• A primeira parcela da equação representa o valor médio e 
a segunda parcela representa o valor fundamental e a 
somatória dos harmônicos.
5
Harmônicos: são formas de onda senoidais com frequências múltiplas 
(h = 2,3,4...) da frequência em que o sistema opera normalmente 
(frequência fundamental).
• O fator de potência depende da taxa de distorção harmônica:
 1
2
1
cos
1
FP
THD


• A taxa de distorção harmônica é a relação entre o valor RMS 
das componentes harmônicas e da componente fundamental: 
2
2
2
1
h
h
I
THD
I



• Apresentar a animação
Conceito fundamental dos 
harmônicos
6
2 2 2S P Q H  
Expressão da potência aparente
• Como o fator de potência depende da defasagem entre as componentes
fundamentais de tensão e corrente, e da distorção harmônica de corrente, é comum
dividir a potência reativa em duas parcelas:
Q: devido à defasagem entre as fundamentais de tensão e corrente;
H: produzida pela distorção harmônica. 
2
1
cos( )
1 iTHD
 

Quando se despreza a taxa de 
distorção harmônica da tensão.
cos( )
cos( )
Q S
H S




Tetraedro de potência
Conceito fundamental dos 
harmônicos
• Os harmônicos influenciam no:
- Desempenho dos equipamentos elétricos e eletrônicos;
- E na qualidade de energia do sistema;
• A potência aparente é composta por uma parcela ativa e duas parcelas
reativas;
• Os equipamentos eletrônicos comercializados na Europa devem atender à
norma IEC 61000-3-2;
• Esta norma regulamenta os harmônicos emitidos pelos equipamentos
eletrônicos. Os equipamentos eletrônicos são divididos em classes e para
cada classe existe um limite aceitável.
7
8
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Estrutura básica
• Esta topologia possui dois braços inversores, compostos por um par de interruptores 
conectados em antiparalelo com diodos;
• Os interruptores S1 e S2, assim como S3 e S4, devem operar de forma complementar
• Com a mesma tensão do barramento CC, a máxima tensão de saída do inversor em 
ponte completa é o dobro do máximo valor obtido com inversor em meia ponte;
• Assim, normalmente é aplicado em maiores níveis de potência, quando comparado ao 
inversor meia-ponte
E CARGA
+ -voio
S
1
S
2
S
3
S
4
9
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Estados de comutação
Estado S1 S2 S3 S4 Tensão 
1 ON OFF OFF ON E 
2 ON OFF ON OFF 0 
3 OFF ON OFF ON 0 
4 OFF ON ON OFF -E 
 
Estado 1
E CARGA
+ -Eio
S1
S2
S3
S4
io > 0 io < 0
E
io
S1
S2
S3
S4
R L
+ -E
10
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Estados de comutação
E CARGA
+ -0 Vio
S1
S2
S3
S4
E CARGA
+ -0 Vio
S1
S2
S3
S4
Estado S1 S2 S3 S4 Tensão 
1 ON OFF OFF ON E 
2 ON OFF ON OFF 0 
3 OFF ON OFF ON 0 
4 OFF ON ON OFF -E 
 
Estado 2
io > 0 io < 0
11
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Estados de comutação
E CARGA
+ -0 Vio
S1
S2
S3
S4
E CARGA
+ -0 Vio
S1
S2
S3
S4
Estado S1 S2 S3 S4 Tensão 
1 ON OFF OFF ON E 
2 ON OFF ON OFF 0 
3 OFF ON OFF ON 0 
4 OFF ON ON OFF -E 
 
Estado 3
io > 0 io < 0
12
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Estados de comutação
E CARGA
+ --Eio
S1
S2
S3
S4
E CARGA
+ --Eio
S1
S2
S3
S4
Estado S1 S2 S3 S4 Tensão 
1 ON OFF OFF ON E 
2 ON OFF ON OFF 0 
3 OFF ON OFF ON 0 
4 OFF ON ON OFF -E 
 
Estado 4
io > 0 io < 0
13
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Etapas de operação (Carga RL)
 1ª etapa: Os interruptor S1 e S4 são acionados, enquanto S2 e S3
permanecem bloqueados. A tensão nos terminais da carga RL é E. Durante 
esta etapa a fonte CC entrega energia à carga. A corrente de saída io cresce 
exponencialmente.
 
 o
o
di t
E Ri t L
dt
 
 
2
2
1
1
1
T
t t
o T
E E e
i t e e
R R
e

 
 


 
        
    
onde:
L
R
 
E
io
S1
S2
S3
S4
R L
+ -E
14
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Etapas de operação (Carga RL)
 2ª etapa: Em t = T/2, os interruptores S1 e S4 são bloqueados e os 
interruptores S2 e S3 são acionados. A indutância da carga não permite 
variações bruscas na corrente io, então a polaridade da tensão na indutância 
inverte-se para manter a corrente no mesmo sentido. A inversão da 
polaridade da tensão na indutância polariza diretamente os diodos D2 e D3, 
transferindo a energia armazenada no indutor para a fonte CC. A tensão nos 
terminais da carga RL é -E. A corrente io decresce exponencialmente.
 
 o
o
di t
E Ri t L
dt
  
 
2
2
1
1
1
T
t t
o T
E E e
i t e e
R R
e

 
 


 
         
    
E
+ --E
io
S1
S2
S3
S4
R L
15
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Etapas de operação (Carga RL)
 3ª etapa: Esta etapa inicia quando a corrente io se anula, provocando a 
entrada em condução dos interruptores S2 e S3. A partir deste instante, a 
corrente io inverte de sentido e continua sua variação exponencial. A tensão 
nos terminais da carga RL permanece igual a -E. Nesta etapa a carga recebe 
energia da fonte de alimentação CC.
 
 o
o
di t
E Ri t L
dt
  
 
2
2
1
1
1
T
t t
o T
E E e
i t e e
R R
e

 
 


 
         
    
E
+ --E
io
S1
S2
S3
S4
R L
16
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Etapas de operação (Carga RL)
 4ª etapa: Em t = T, os interruptores S2 e S3 são bloqueados e S1 e S4 são 
acionados. Os diodos D1 e D4 entram em condução devido à presença da 
indutância na carga. Durante esta etapa a carga transfere energia para a 
fonte de alimentação CC. A corrente io decresce exponencialmente, 
mantendo o mesmo sentido da etapa anterior. A tensão na carga é agora 
igual à E. Esta etapa finaliza com a anulação da corrente na carga e a 
entrada em condução dos interruptores S1 e S4, iniciando um novo ciclo.
 
 o
o
di t
E Ri t L
dt

 
2
2
1
1
1
T
t t
o T
E E e
i t e e
R R
e

 
 


 
        
    
E
+ -E
io
S1
S2
S3
S4
R L
17
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Formas de onda (Carga RL)
18
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Estratégias de modulação – Onda quadrada
ONDA 
QUADRADA
0 < t < T/2  S1 e S4 estão ligadas, e S2 e S3 estão desligadas (vo = E)
T/2 < t < T  S1 e S4 está desligadas, e S2 e S3 estão ligadas (vo = -E)
 Razão cíclica (D) de todas os 
interruptores é igual à 0,5;
 Operação em baixa freqüência;
 Harmônicos em baixa freqüência;
 Amplitude da componente 
fundamental da tensão:
 
1
4
1,2732ov E E 

 
 
1o
o h
v
v
h

(%) 48,34%vTHD 
19
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Estratégias de modulação
Modulação por largura de 
pulso único ou quase 
quadrada
180º 
vAN
vBN
vo
 Razão cíclica (D) de todas os 
interruptores é igual à 0,5;
 Operação em baixa freqüência;
 Harmônicos em baixa freqüência;
E CARGA
+ -voio
S
1
S
2
S
3
S
4
A B
N
- A razão cíclica da tensão nas extremidades da carga é mantida 
constante,
- A transferência de potência é controlada mudando a defasagem 
entre as tensões nas extremidades da carga.
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Estratégias de modulação
    
Vab
E
-E
t
 
T
0
n td)t.n(sen).t(f.
T
2
b
Coeficientes em seno:








  




2
n td)t.n(sen.Etd)t.n(sen.E.
1
b
         







 ).(ncos2.ncos
n
E
)n.cos(.ncos.
n
E1
bn
 n.cos.
n.
E.4
bn 


 1
4.
.cos
E
b 


Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Estratégias de modulação
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
fundamental
harm.de ordem 3
harm. de ordem 5
harm. de ordem 7
% harmônico em relação a tensão E

%
n
E.4
nb
cosa n 




 

n
571,1

22
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Estratégias de modulação – PWM dois níveis
PWM SENOIDAL 
DOIS NÍVEIS
vref vtri
 vref > vtri  vo = E (S1 e S4 ON)
 vref < vtri  vo = -E (S2 e S3 ON)
 
1o a
v m E
onde:  refa
tri
V
m
V
1/fs
(para ma  1)
s
f
f
m
f

E CARGA
+ -voio
S
1
S
2
S
3
S
4
A B
N
23
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Estratégias de modulação – PWM dois níveis
vref vtri
(vo)1
 vref > vtri  vo = E (S1 e S4 ON)
 vref < vtri  vo = -E (S2 e S3 ON)
Ts
24
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Estratégias de modulação – PWM dois níveis
Harmônicas dominantes da tensão de
saída estão concentradas em torno da
freqüência de comutação
ma = 0,95
fs = 1200 Hz
mf = 20
25
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Estratégias de modulação – PWM três níveis
PWM SENOIDAL 
TRÊS NÍVEIS
 vref > vtri  vAN = E (S1 ON)
 vref < vtri  vAN = 0 (S2 ON)
 (-vref) > vtri  vBN = E (S3 ON)
 (-vref) < vtri  vBN = 0 (S4 ON)
E CARGA
+ -voio
S
1
S
2
S
3
S
4
A B
N
 o AN BNv v v
-vrefvref
1/fs
vtri
 
1o a
v m E
(para ma  1)
26
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Estratégias de modulação – PWM três níveis
vBN
vAN
vo
(vo)1
Ts
• Em um período de comutação, a tensão na saída transita entre 0 à E duas
vezes;
• Portanto, esta modulação possui a vantagem de dobrar a frequência de
comutação na saída sem alterar a frequência de comutação dos
interruptores (em comparação com a modulação PWM dois níveis);
• Isso faz com que os harmônicos dominantes se concentrem em torno do
dobro da frequência de comutação;
• Quanto maior a frequência dos harmônico, mais fácil se torna o projeto do
filtro e menor é o par LC do filtro.
27
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Estratégias de modulação – PWM três níveis
28
Inversor em ponte completa (full-bridge): 
Estratégias de modulação – PWM três níveis
Harmônicas dominantes da tensão de
saída estão concentradas em torno do
dobro da freqüência de comutação
ma = 0,95
fs = 1200 Hz
mf = 20
Bibliografia
29
• D. C. Martins, I. Barbi, “Introdução ao Estudo dos Conversores CC-
CA”
• M. H. Rashid, “Eletrônica de Potência: Circuitos, Dispositivos e 
Aplicações”
• Mohan et. all., “Power Electronics: Converters, applications and 
design”, Second edition
• A. Ahmed, “Eletrônica de Potência”
• D. Borgonovo, “Modelagem e Controle de Retificadores PWM 
trifásicos empregando a transformação de Park”. Dissertação de 
Mestrado, UFSC, 2001.