EPCES_aula_12

Prévia do material em texto

Eletrônica de Potência
e-mail: fernandonogueira@cesjf.br
fernando.nogueira@engenharia.ufjf.br (alternativo)
Juiz de Fora, 2019
Fernando José Nogueira
2
Introdução
Entrada CC  Saída CA
O conversor CC/CA produz uma tensão CA na saída a partir de uma tensão CC na entrada;
Conversores CC-CA são também denominados na literatura como inversores de frequência;
3
Introdução
Principio Geral:
4
Introdução
Estes conversores usam em sua estrutura chaves semicondutoras autocomutadas (IGBT, MOSFET, GTO, TJB, etc.) que permitem o controle dos instantes de disparo e corte através de sinais elétricos aplicados em seus terminais de gate;
5
Classificação dos inversores
Podem ser classificados, em relação a fonte CC conectada em seus terminais de entrada, como:
Inversor fonte de tensão (VSI - Voltage Source Inverter );
Inversor fonte de corrente (CSI - Current Source Inverter ).
(a)Inversor fonte de corrente; (b) inversor fonte de tensão.
6
Comentários
Nos dois tipos de conversores mostrados anteriormente, a operação de chaveamento dos semicondutores resulta em formas de onda de tensão e corrente não senoidais nos terminais de saída.
Na maioria dos casos as tensões e correntes chaveadas, dependentes da frequência de chaveamento dos inversores, devem ser filtradas antes de alimentar uma carga.
7
Aplicações
8
Topologia básica
Conversor VSI em meia ponte:
Topologia de um inversor em meia ponte.
Comentários
As chaves de um mesmo ramo devem ser controlados de maneira complementar:
Se S1  FECHADO, então S2  ABERTO
Se S2  FECHADO então S1  ABERTO
Classificação de acordo com a frequência de chaveamento:
Inversor de onda quadrada;
Inversor com modulação da largura dos pulsos (PWM).
Chaveamento em onda quadrada
Tensão de saída do inversor em meia ponte.
Coeficientes da série de Fourier
Espectro harmônico da tensão de saída
Espectro harmônico para chaveamento em onda quadrada.
Comentários
Representação em três dimensões para a tensão chaveada do inversor em meia ponte.
Simulação
Chaveamento PWM
Na modulação por largura de pulso (PWM) as chaves semicondutoras do VSI são disparadas e cortadas várias vezes por ciclo do sinal fundamental de tensão ou corrente;
As estratégias de modulação PWM pode ser agrupadas em:
Modulação fixa: onde os conversores operam com um número fixo de comutações por ciclo;
Modulação programada: os instantes de chaveamentos são pré-definidos e tem como objetivo eliminar alguns harmônicos;
Modulação em tempo real: os instantes de comutação das chaves dos inversores são determinados em “tempo real”.
Modulação PWM senoidal
O PWM senoidal ou modulação seno-PWM é uma das estratégias de modulação em “tempo real” mais populares.
Uma portadora triangular, de amplitude e frequência fs, é comparada com um sinal de referência senoidal, de amplitude e frequência f , para gerar os pulsos para as chaves semicondutoras do inversor.
Modulação PWM senoidal
(a) Portadora triangular e sinal de referência senoidal, (b) Tensão chaveada de saída.
Detalhe do PWM senoidal
Simulação: PWM
Simulação: PWM
Tensão média “instantânea”
O valor médio “instantâneo” da tensão PWM de saída é:
onde Ts = (ton + toff ) é o período da portadora triangular.
Modulação
Da figura anterior tem-se:
Manipulando matematicamente, chega-se:
Fazendo ton = (Ts − toff ) na expressão do valor médio “instantâneo” e substituindo na eq. anterior, tem-se:
Modulação
Define-se “ fator de modulação de amplitude” como:
Pode-se então reescrever Vao como se segue:
Modulação
A primeira harmônica da tensão de saída será dada por:
Para: ma ≤ 1
 		
A amplitude da primeira harmônica da tensão de saída é dada por:
O valor de ma varia linearmente até 1;
A amplitude da fundamental varia linearmente para ma ≤ 1.
Relação da tensão de saída e o fator de modulação - Ma
Fator de modulação de frequência
A tensão PWM de saída tem uma componente na frequência fundamental que é a mesma do sinal de referência senoidal;
As componentes harmônicas da tensão PWM aparecem em torno dos múltiplos inteiros da frequência de chaveamento conforme pode ser constatado na figura do próximo slide;
Pode-se definir um Fator de Modulação da Frequência como:
Espectro harmônico da tensão PWM de saída
Espectro de harmônico para tensão PWM do VSI em meia ponte.
Bidirecionalidade em corrente
(a) Topologia do VSI, (b) Chaves ativas S3 ON e S4 ON.
A conexão do diodo em antiparalelo com o IGBT garante uma característica bidirecional em corrente.
(a) VSI em meia ponte; (b) formas de onda da tensão e corrente (carga indutiva).
Simulação: Carga Indutiva
	O inversor monofásico meia-ponte representado pela figura abaixo tem uma carga resistiva de 10 Ohms e a tensão CC de entrada é de 100V. Determinar:
a) A tensão eficaz de saída e a potência ativa de saída.
c) A tensão eficaz de saída na frequência fundamental.
d) Quais são as componentes harmônicas da tensão de saída?
e) Faça um esboço da tensão de saída e da sua componente fundamental.
30
Fator de modulação de frequência
VSI monofásico em ponte
Topologia do VSI monofásico em ponte H.
Chaveamento BIPOLAR
(a) Topologia do VSI, (b) Chaves ativas S1 ON e S2 ON.
As chaves S1 e S2 são disparadas simultaneamente.
Chaveamento BIPOLAR
(a) Topologia do VSI, (b) Chaves ativas S3 ON e S4 ON.
As chaves S3 e S4 são disparadas simultaneamente.
Chaveamento UNIPOLAR
(a) S1 ON e S2 ON e (b) S1 ON e S3 ON.
As chaves (S1 e S4) e (S3 e S2) são disparadas de maneira independente.
Chaveamento UNIPOLAR
(a) S3 ON e S4 ON e (b) S2 ON e S4 ON.
As chaves S3 e S4 são disparados simultaneamente.
Chaveamento UNIPOLAR
Chaveamento UNIPOLAR
Simulação Chaveamento UNIPOLAR
Simulação Chaveamento Bipolar PWM com Filtro na Saída
Simulação Chaveamento Bipolar
Inversor Trifásico de 6 pulsos (Chaves comutadas a cada 120°)
Inversores Multiníveis