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1/68 PARTE 4: CONVERSORES CC-CA 2/68 SÉRIE DE FOURIER Teorema de Fourier: qualquer função periódica f(t) pode ser descrita por um termo constante mais uma série infinita de termos em senos e em co-senos. 0 1 0 1 0 2 0 2 0 3 0 3 0 0 3 0 cos sen cos 2 sen 2 + cos 3 sen 3 cos sen n f t A A t B t A t B t A t B t A n t B n t 0 0 cos senn n o n f t A n t B n t 0 0 0cos sen cosn n n nA n t B n t C n t 2 2 n n nC A B onde: Cn – amplitude da n-ésima harmônica; n – ângulo de fase da n-ésima harmônica. n arctg n n A B 3/68 SÉRIE DE FOURIER Os coeficientes da série são dados por: 0 00 )(cos n nn CtnCtf 2 0 0 2 0 2 0 1 2 1 cos 1 sen n n A f t d t A f t n t d t B f t n t d t A análise de Fourier consiste na: - determinação dos coeficientes A0, A1,, An e B1, B2,, Bn; - escolha de quantos termos serão considerados na série infinita, de modo que a soma parcial represente a função com o menor erro possível. 4/68 REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DE UMA ONDA QUADRADA - Uma série infinita de harmônicas ímpares com amplitudes específicas resulta em uma onda quadrada. sen sen 3 sen 5 ( ) 51 1 3 5 t t t v t 5/68 DEFINIÇÃO DE POTÊNCIA ATIVA E POTÊNCIA REATIVA EM CONDIÇÕES SENOIDAIS 2 sen 2 sen a a v t V t i t I t 2 sen sen cos . 1 cos 2 sen sen 2 a ap t v t i t V I t t p t V I t V I t A potência instantânea será dada por: Considerando que: Define-se, então: cos Potência ativa sen Potência reativa 1 cos 2 sen 2 P V I Q V I p t P t Q t 6/68 E quando houver harmônicas na rede elétrica? Fator de potência cos P S *Potência complexa (aparente): S V I P jQ 2 0 2 0 1 1 T T V v t dt T I i t dt T P Imaginário Real S jQ DEFINIÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA EM CONDIÇÕES SENOIDAIS 7/68 DEFINIÇÃO DE POTÊNCIA ATIVA E POTÊNCIA REATIVA EM CONDIÇÕES NÃO SENOIDAIS 1 2 1 1 2 2 sen 2 sen 2 sen 2 sen a m m a n n n v t V t V m t i t I t I n t 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 2 2 2 cos 1 cos 2 sen sen 2 cos 1 cos 1 cos 1 cos 1 cos cos n n n n m m m n n n n m p t V I t V I t V I n t n t V I m t m t V I m n t m n t - Considerando a presença de harmônicas tanto na tensão quanto na corrente, tem-se: - A potência instantânea será dada por: 8/68 DEFINIÇÃO DE POTÊNCIA ATIVA E POTÊNCIA REATIVA EM CONDIÇÕES NÃO SENOIDAIS - Generalizando, tem-se: 1 1 1 cos 2 sen 2 cos sen potência distorcida k k k k k k k k p t P t Q t D P V I Q V I D onde: Tem-se, portanto, que apenas as componentes de mesma freqüência de tensão e corrente produzem potência útil. 9/68 DEFINIÇÃO DE PARÂMETROS RELACIONADOS A HARMÔNICAS - Definições importantes: maxFator de crista rms I I 10/68 DEFINIÇÃO DE PARÂMETROS RELACIONADOS A HARMÔNICAS - Definições importantes: 2 2 10 2 2 10 2 2 2 1 2 2 2 1 1 1 100 distorção harmônica total da tensão 100 distorção harmônica total da corrente T rms m m T rms n n m m V n n I V v t dt V T I i t dt I T V THD V I THD I 11/68 DEFINIÇÃO DE PARÂMETROS RELACIONADOS A HARMÔNICAS - Considerando que a tensão é puramente senoidal, tem-se: 1 1 1 1 1 1 11 1 2 2 sen cos potência ativa útil potência aparente cos fator de potência de deslocamento cos cos 1 ( ) onde fator de potência real a I v t V t P V I S V I IP fp S I THD fp P Q D S Tetraedro de Potências 12/68 CONVERSORES CC-CA INVERSOR MONOFÁSICO EM MEIA PONTE ALIMENTANDO CARGA R Capítulo 10: Inversores Modulados por Largura de Pulso – pág. 436 a 477 – Muhammad H. Rashid, Eletrônica de Potência: Circuitos, Dispositivos e Aplicações, Prentice Hall, 2ª edição, 1993. Exercícios: págs. 500 a 502. 13/68 CONVERSORES CC-CA INVERSOR MONOFÁSICO EM MEIA PONTE ALIMENTANDO CARGA R 14/68 CONVERSORES CC-CA Tensão eficaz de saída total: Série de Fourier da tensão de saída: Valor eficaz da componente fundamental: INVERSOR MONOFÁSICO EM MEIA PONTE ALIMENTANDO CARGA R 15/68 CONVERSORES CC-CA INVERSOR MONOFÁSICO EM MEIA PONTE ALIMENTANDO CARGA RL 16/68 CONVERSORES CC-CA 1ª Etapa 2ª Etapa 3ª Etapa 4ª Etapa INVERSOR MONOFÁSICO EM MEIA PONTE ALIMENTANDO CARGA RL 17/68 CONVERSORES CC-CA Série de Fourier da corrente de saída: Tensão eficaz de saída: Série de Fourier da tensão de saída: Potência útil de saída: INVERSOR MONOFÁSICO EM MEIA PONTE ALIMENTANDO CARGA RL 18/68 CONVERSORES CC-CA INVERSOR MONOFÁSICO EM PONTE COMPLETA ALIMENTANDO CARGA R 1ª Etapa 2ª Etapa 19/68 CONVERSORES CC-CA Tensão eficaz de saída: Série de Fourier da tensão de saída: Valor eficaz da componente fundamental: INVERSOR MONOFÁSICO EM PONTE COMPLETA ALIMENTANDO CARGA R 20/68 CONVERSORES CC-CA INVERSOR MONOFÁSICO EM PONTE COMPLETA ALIMENTANDO CARGA RL 21/68 CONVERSORES CC-CA INVERSOR MONOFÁSICO EM PONTE COMPLETA ALIMENTANDO CARGA RL 1ª Etapa 2ª Etapa 3ª Etapa 4ª Etapa 22/68 CONVERSORES CC-CA Série de Fourier da corrente de saída: Tensão eficaz de saída: Série de Fourier da tensão de saída: INVERSOR MONOFÁSICO EM PONTE COMPLETA ALIMENTANDO CARGA RL 23/68 INVERSOR TRIFÁSICO CONVERSORES CC-CA - Três inversores monofásicos (meia ponte ou ponte completa) são conectados em paralelo; - Os sinais de comando dos interruptores devem ser defasados em 120. 24/68 CONVERSORES CC-CA - Cada interruptor conduz por 180, sendo que sempre três interruptores conduzirão em qualquer intervalo de tempo; - Existem seis modos de operação em um ciclo completo da tensão de saída, sendo que cada um dos mesmos dura 60; - A carga pode ser conectada em estrela ou triângulo. INVERSOR TRIFÁSICO COM CONDUÇÃO POR 180 E CARGA R 25/68 CONVERSORES CC-CA INVERSOR TRIFÁSICO COM CONDUÇÃO POR 180 E CARGA R 26/68 CONVERSORES CC-CA 1ª Etapa INVERSOR TRIFÁSICO COM CONDUÇÃOPOR 180 E CARGA R 27/68 CONVERSORES CC-CA INVERSOR TRIFÁSICO COM CONDUÇÃO POR 180 E CARGA R 28/68 CONVERSORES CC-CA - Constata-se que as tensões de linha são nulas para harmônicas triplas ímpares (múltiplas de três – n=3, 9, 15, ). Tensão eficaz total de linha: Tensão eficaz de linha da componente de ordem n: Tensão eficaz de total de fase: INVERSOR TRIFÁSICO COM CONDUÇÃO POR 180 E CARGA R 29/68 CONVERSORES CC-CA - Para o caso de uma carga do tipo RL: INVERSOR TRIFÁSICO COM CONDUÇÃO POR 180 E CARGA RL 30/68 CONVERSORES CC-CA INVERSOR TRIFÁSICO COM CONDUÇÃO POR 120 E CARGA R - Cada interruptor conduz por 120, sendo que sempre dois interruptores conduzirão em qualquer intervalo de tempo; - Existem seis modos de operação em um ciclo completo da tensão de saída, sendo que cada um dos mesmos dura 60; - A carga pode ser conectada em estrela ou triângulo. 31/68 CONVERSORES CC-CA INVERSOR TRIFÁSICO COM CONDUÇÃO POR 120 E CARGA R Modo 1 [0, /3]: Modo 2 [/3, 2/3]: Modo 3 [2/3, ]: 32/68 CONVERSORES CC-CA INVERSOR TRIFÁSICO COM CONDUÇÃO POR 120 E CARGA R 33/68 CONVERSORES CC-CA CONTROLE DE TENSÃO DE INVERSORES MONOFÁSICOS Motivações para o Controle da Tensão CA de Saída - Compensar variações da tensão de entrada; - Garantir a regulação da tensão de saída; - Manter a relação tensão/frequência constante. Técnicas Convencionais de Modulação: - Modulação por largura de pulso único (PWM – Pulse Width Modulation); - Modulação por largura de pulsos múltiplos (UPWM – Uniform Pulse Width Modulation); - Modulação por largura de pulsos senoidal (SPWM – Sinusoidal Pulse Width Modulation); - Modulação por largura de pulsos senoidal modificada (MSPWM – Modified Sinusoidal Pulse Width Modulation); - Controle por deslocamento de fase (Phase Shift). 34/68 CONVERSORES CC-CA MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO ÚNICO - Há um único pulso por semiciclo, sendo que sua largura é variada de modo a controlar a tensão de saída do inversor; - Os sinais de comando dos interruptores são gerados a partir da comparação de um sinal de referência retangular de amplitude Ar com uma onda portadora triangular de amplitude Ac; - A frequência do sinal retangular determina a frequência fundamental da tensão de saída; - A frequência do sinal triangular determina a frequência de comutação dos interruptores. - Define-se o índice de modulação M como sendo: r c A M A 35/68 CONVERSORES CC-CA MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO ÚNICO - Variando-se a amplitude Ar de 0 até Ac, a largura de pulso varia de 0 a 180. Tensão eficaz de saída: Série de Fourier da tensão de saída: 36/68 CONVERSORES CC-CA MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSOS MÚLTIPLOS - Para reduzir o conteúdo harmônico da tensão de saída, diversos pulsos podem ser empregados para o disparo dos interruptores; - Neste caso, a freqüência do sinal retangular de referência determina a freqüência fundamental da tensão de saída fo e a frequência da onda triangular portadora determina o número de pulsos por semiciclo p; - O índice de modulação controla o valor da tensão de saída. Variando-se M de 0 a 1, a largura de cada pulso varia de 0 a /p e a tensão de saída varia de 0 a Vi. r c A M A 02 cfp f 37/68 Tensão eficaz de saída: Série de Fourier da tensão de saída: CONVERSORES CC-CA MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSOS MÚLTIPLOS 38/68 CONVERSORES CC-CA MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSOS SENOIDAL - É uma técnica de modulação, onde um sinal modulador (senóide) e um sinal portador (triangular) são comparados; - O resultado da comparação gera os sinais de comando para os interruptores; - A senóide encontra-se na frequência desejada na saída (50 Hz ou 60 Hz, geralmente). - A frequência da triangular é igual à frequência de comutação (normalmente acima de 20 kHz); - A amplitude da componente fundamental da tensão de saída é igual ao produto entre o índice de modulação e a tensão de entrada CC. senóide 1 triangular 0 1 Se 1 sobremodulação r io pico c AA M V M V M A A M 39/68 CONVERSORES CC-CA Modulação PWM Senoidal a Dois Níveis: - É a técnica mais simples e fácil de se implementar; - É necessário implementar um circuito para geração de “tempo morto”, com a finalidade de evitar curto-circuito entre braços do inversor. MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSOS SENOIDAL 40/68 CONVERSORES CC-CA Modulação PWM Senoidal a Dois Níveis: - A primeira componente harmônica aparece em torno da frequência de comutação (ou seja, a frequência da portadora triangular); - Quanto maior a frequência de comutação, menor será o filtro LC de saída, mas as perdas por comutação dos interruptores aumentarão; - Esta técnica também é conhecida por modulação bipolar. MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSOS SENOIDAL 41/68 CONVERSORES CC-CA Modulação PWM Senoidal a Três Níveis: - A implementação desta técnica é mais complexa do que a anterior; - Ainda há a necessidade de geração de tempo morto; - A uma frequência de comutação igual a “fs”, o filtro de saída enxerga sinais com freqüência igual a “2fs”. Logo, o filtro de saída requerido é menor; - Há a necessidade de geração de duas senóides defasadas de 180º entre si; - A onda triangular gerada é única para as duas senóides; - Cada senóide gera sinais complementares para cada braço. MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSOS SENOIDAL 42/68 CONVERSORES CC-CA Modulação PWM Senoidal a Três Níveis: MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSOS SENOIDAL 43/68 CONVERSORES CC-CA Modulação PWM Senoidal a Três Níveis: MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSOS SENOIDAL 44/68 CONVERSORES CC-CA Modulação PWM Senoidal a Três Níveis: - Como pode ser notado, para uma mesma frequência de comutação, o número de pulsos aparece dobrado. - A consequência direta é a possibilidade de construção de filtros menores sem o aumento das perdas de comutação nos semicondutores; - Esta técnica também é conhecida por modulação unipolar. MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSOS SENOIDAL 45/68 CONVERSORES CC-CA - Na modulação SPWM, as larguras dos pulsos que são mais próximos do valor máximo de uma senóide não mudam significativamente com a variação do índice de modulação. Isso se deve à característica de uma onda senoidal; - A técnica SPWM pode ser modificada tal que a onda portadora seja aplicada durante o primeiro e o último intervalos de 60 por semiciclo (por exemplo, de 0 a 60 e 120 a 180; - Esse tipo de modulação é conhecido por como MSPWM (Modulação por Largura de Pulsos Senoidal Modificada); A componente fundamental é aumentada e suas características harmônicas são melhoradas. Reduz-se o número de pulsos por semiciclo e as características harmônicas são melhores; - Reduz-se o número de comutações dos dispositivos de potência e também as perdas por comutação. MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSOS SENOIDAL MODIFICADA 46/68 CONVERSORES CC-CA MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSOS SENOIDAL MODIFICADA 47/68 CONVERSORES CC-CA - O controle de tensão ser obtido usando inversores múltiplos e somando as tensões de saída dos inversores individuais; - Por exemplo, um inversor monofásico em ponte completa pode ser entendido como a adição de dois inversores monofásicos meia ponte; - Um defasamento de 180 entre os inversores meia ponte produz uma tensão de saída idênticaà do inversor ponte completa. CONTROLE POR DESLOCAMENTO DE FASE 48/68 CONVERSORES CC-CA - Um ângulo de atraso entre os inversores meia ponte produz uma tensão de saída como se segue. CONTROLE POR DESLOCAMENTO DE FASE A tensão de saída pode ser variada pela alteração do ângulo de atraso. 49/68 CONVERSORES CC-CA - Um inversor trifásico pode ser considerado como três inversores monofásicos e a saída de cada inversor monofásico é defasada em 120 entre si; - As técnicas de controle de tensão discutidas anteriormente são plenamente aplicáveis em inversores trifásicos; - Um inversor trifásico possui três braços inversores em meia ponte, que devem operar de forma complementar; - Naturalmente, é utilizado em aplicações de maior potência, quando comparado com as estruturas monofásicas. CONTROLE DE TENSÃO DE INVERSORES TRIFÁSICOS 50/68 CONVERSORES CC-CA CONTROLE DE TENSÃO DE INVERSORES TRIFÁSICOS Para um determinado valor de tensão de linha desejada, a tensão do barramento em função do índice de modulação é obtida por: 51/68 CONVERSORES CC-CA TÉCNICAS AVANÇADAS DE MODULAÇÃO - A modulação SPWM, que é mais comumente utilizada, apresenta empecilhos (por exemplo, tensão fundamental de saída baixa). - Outras técnicas que oferecem performances melhoradas são: modulação trapezoidal; modulação escada; modulação por injeção de harmônicas; modulação delta. - Modulação Trapezoidal: os sinais de comando são gerados por comparação de uma onda portadora triangular com uma onda moduladora trapezoidal. A onda trapezoidal pode ser obtida a partir de uma onda triangular pela limitação de sua amplitude em ±Ar, que está relacionado ao valor máximo Ar(máx) por: onde é o fator triangular, porque a forma de onda se torna uma onda triangular quando este é unitário. 52/68 CONVERSORES CC-CA TÉCNICAS AVANÇADAS DE MODULAÇÃO - O índice de modulação M é: - O ângulo da porção plana da onda trapezoidal é dado por: - Esse tipo de modulação aumenta a máxima tensão fundamental de saída até 1,05Vi, mas existem harmônicas de baixa ordem. 53/68 CONVERSORES CC-CA TÉCNICAS AVANÇADAS DE MODULAÇÃO Modulação Escada: - O sinal modulador é uma onda escada, a qual não é uma amostra aproximada de uma onda senoidal; - Os níveis dos patamares são calculados para eliminar harmônicas específicos. - A razão das freqüências de modulação e o número de degraus são escolhidos para obter a qualidade desejada da tensão de saída; - Trata-se de um PWM otimizado, não sendo recomendado para menos que 15 pulsos em um ciclo; - Esse tipo de controle fornece alta qualidade da tensão de saída com um valor fundamental de até 0,94Vi. 54/68 CONVERSORES CC-CA TÉCNICAS AVANÇADAS DE MODULAÇÃO Modulação Escada: Modulação Degrau: - O sinal modulante é uma onda degrau, que não é uma amostra aproximada da senóide; - É dividida em intervalos específicos, por exemplo 20°, e cada intervalo é controlado individualmente para controlar a amplitude da componente fundamental e para eliminar harmônicas específicas; 55/68 CONVERSORES CC-CA TÉCNICAS AVANÇADAS DE MODULAÇÃO Modulação Degrau: - Esse tipo de controle fornece não apenas baixa distorção, mas também uma amplitude fundamental mais alta se comparada àquela do controle PWM normal. 56/68 CONVERSORES CC-CA TÉCNICAS AVANÇADAS DE MODULAÇÃO Modulação por Injeção de Harmônicas: - O sinal modulador é gerado pela inserção de harmônicas selecionadas para a onda senoidal. Isso resulta em uma forma de onda de topo plano e reduz a sobremodulação; - Assim, tem-se uma componente fundamental de valor mais alto e baixa distorção da tensão de saída; - O sinal modulante é normalmente composto de: - Deve-se ressaltar que a presença das harmônicas de terceira ordem não afetará a qualidade da tensão de saída, porque a saída de um inversor trifásico não contém harmônicas ímpares triplas; 57/68 CONVERSORES CC-CA TÉCNICAS AVANÇADAS DE MODULAÇÃO Modulação por Injeção de Harmônicas: - O sinal modulador pode ser gerado a partir de 2/3 segmentos de uma senóide. Isso é equivalente a injetar harmônicas de terceira ordem em uma onda senoidal; 58/68 CONVERSORES CC-CA TÉCNICAS AVANÇADAS DE MODULAÇÃO Modulação por Injeção de Harmônicas: - A tensão de linha é PWM senoidal, e a amplitude da componente fundamental é, aproximadamente, 15% maior que aquela de um PWM senoidal normal. Como cada ramo permanece desligado por um terço do período, as perdas nos dispositivos de comutação é reduzido. 59/68 CONVERSORES CC-CA TÉCNICAS AVANÇADAS DE MODULAÇÃO Modulação Delta: - Uma onda triangular oscila dentro de uma janela definida V, acima e abaixo da senóide de referência vr. Também é conhecida como modulação porhisterese; - A função de chaveamento do inversor, que é idêntica à tensão de saída Vo, é gerada a partir dos vértices de onda triangular vc; - A tensão fundamental de saída pode ser de até 1Vi, sendo dependente da amplitude Ar e da freqüência fr da tensão de referência. 60/68 CONVERSORES CC-CA REDUÇÃO DE HARMÔNICAS - Uma dada componente harmônica pode ser eliminada em um inversor de onda quadrada através da escolha adequada do ângulo de deslocamento ; - Para eliminar a 3ª harmônica, deve-se ter =360/3=120; - Um par de harmônicas indesejáveis na saída de inversores monofásicos pode ser eliminado pela introdução de um par de recortes bipolares de tensão simetricamente colocados. 61/68 CONVERSORES CC-CA REDUÇÃO DE HARMÔNICAS - Para um número genérico de recortes m por quarto de onda, tem-se: - A 3ª e a 5ª harmônicas serão eliminadas se B3=B5=0: - Estas equações podem ser resolvidas iterativamente, supondo inicialmente 1=0. Assim, obtém-se 1=23,62 e 2=33,3. 62/68 CONVERSORES CC-CA REDUÇÃO DE HARMÔNICAS - Com recortes unipolares da tensão, tem-se: - A 3ª e a 5ª harmônicas serão eliminadas se B3=B5=0: - Estas equações podem ser resolvidas iterativamente, supondo inicialmente 1=0. Assim, obtém-se 1=17,83 e 2=37,97. 63/68 CONVERSORES CC-CA REDUÇÃO DE HARMÔNICAS - Assim, um deslocamento de /3 e uma combinação de tensões por conexão de transformadores eliminariam harmônicas ímpares múltiplas de três. 64/68 CONVERSORES CC-CA PROJETO DO FILTRO DE SAÍDA - As harmônicas a serem filtradas estão na alta freqüência (“fs” para dois níveis e “2fs” para três níveis). - Só existem as harmônicas de ordem ímpar; - Existem diversas estruturas de filtros: LC, LCC, LCLC (cascata) e outros; - A estrutura de filtro mais utilizada inversores senoidais para aplicações gerais é do tipo LC. 65/68 CONVERSORES CC-CA - Simples, barato e fácil de projetar. - Estrutura sem capacitor série. - Característica saída-entrada do filtro: PROJETO DO FILTRO DE SAÍDA - Forma alternativa da característica saída-entrada: - Freqüência natural do filtro: - Fator de amortecimento do filtro: 66/68 CONVERSORES CC-CA Filtros de Saída: - As curvas de margem de ganho são plotadas para fatores de amortecimento 0,1, 0,3, 0,707, 1 e 2. PROJETO DO FILTRO DE SAÍDA 67/68 CONVERSORES CC-CA Filtros de Saída: - As curvas de margem de fase são plotadas para fatores de amortecimento 0,1, 0,3, 0,707, 1 e 2. PROJETO DO FILTRO DE SAÍDA 68/68 CONVERSORES CC-CA Projeto dos Elementos do Filtro de Saída: - O valor do amortecimento deve estar entre 0,707 e a unidade; - A freqüência de corte (natural) do filtro deve estar a uma décadaabaixo da freqüência dos pulsos de entrada (“fs” para dois níveis e “2fs” para três níveis); - A freqüência de corte deve ser, pelo menos, trinta vezes superior à freqüência da senóide na carga; - Calcula-se o valor da capacitância do filtro; - Então, calcula-se o valor da indutância do filtro. PROJETO DO FILTRO DE SAÍDA
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