aula_Conversores CC-CA_Partes I e II

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Introdução
+
-
VCC
ICC
is
vs
� Operação do conversor de frequência acionando um motor de indução (MI)
MI
vL
iL
1
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Centro Técnico Científico - Departamento de Engenharia Elétrica
Eletrônica de Potência (ENG 1452)
Prof. Luís Fernando Monteiro
-
vL e iL com defasagem angular < 90º => Energia transferida do conversor para o motor
vL e iL com defasagem angular = 90º => Não há demanda de energia
vL e iL com defasagem angular > 90º => Energia transferida do motor para o conversor
� Conversores de frequência utilizado para acionamento de MI com frequencia
de 400Hz
Aplicação - Conversores de Frequência
2
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Aplicação - Conversores de Frequência
� Conversor de frequência utilizado como UPS para aplicações industriais
3
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Eletrônica de Potência (ENG 1452)
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� Alguns dos fabricantes de conversores de frequência
WEG
http://www.weg.net/br/Produtos-e-Servicos/Drives/Inversores-de-Frequencia
Siemens
http://www.industry.siemens.com.br/drives/br/pt/conversores/pages/conversores-de-frequencia.aspx
INVT (Shenzhen INVT Electric CO.)
http://www.invt.com/english.aspx
Fabricantes - Conversores de Frequência
4
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Eletrônica de Potência (ENG 1452)
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http://www.invt.com/english.aspx
Shenzhen Veichi Electric Co., Ltd.
http://www.veichi.com/
LEISTER Technologies AG
http://www.leister.com/
WattDrive Antriebstechnik GmgH
http://www.wattdrive.com/
Conversor de Onda Quadrada Monofásico
� Conversor em meia ponte
cmd 1
cmd 2
0 a
S1
vd
vd
+
+
-
D1
D2
i
vab
vab
i
t
f(t)
vd
5
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Eletrônica de Potência (ENG 1452)
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cmd 2
S2-
ref
cmd 1
cmd 2
∆∆∆∆t3∆∆∆∆t1
∆∆∆∆t2 ∆∆∆∆t4
∆∆∆∆t1→→→→ vab > 0 e i < 0 ∴∴∴∴ (S1 ON com a corrente i fluindo por D1)
∆∆∆∆t2→→→→ vab > 0 e i > 0 ∴∴∴∴ (S1 ON com a corrente i fluindo por S1)
∆∆∆∆t3→→→→ vab < 0 e i > 0 ∴∴∴∴ (S2 ON com a corrente i fluindo por D2)
∆∆∆∆t4→→→→ vab < 0 e i < 0 ∴∴∴∴ (S2 ON com a corrente i fluindo por S2)
Conversor de Onda Quadrada Monofásico
� Conversor em ponte completa
cmd 1
b
S1
vd
vd
+
+
-
D1
D2
i
vab
cmd 2
a
S3
D3
D4
vab
i
t
f(t)
2vd
6
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Eletrônica de Potência (ENG 1452)
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cmd 2
S2-
D2
cmd 1
S4
D4
ref
cmd 1
cmd 2
∆∆∆∆t3∆∆∆∆t1
∆∆∆∆t2 ∆∆∆∆t4
∆∆∆∆t1→→→→ vab > 0 e i < 0 ∴∴∴∴ (S1, S4 ON com a corrente i fluindo por D1, D4)
∆∆∆∆t2→→→→ vab > 0 e i > 0 ∴∴∴∴ (S1, S4 ON com a corrente i fluindo por S1, S4 )
∆∆∆∆t3→→→→ vab < 0 e i > 0 ∴∴∴∴ (S2, S3 ON com a corrente i fluindo por D2, D3)
∆∆∆∆t4→→→→ vab < 0 e i < 0 ∴∴∴∴ (S2, S3 ON com a corrente i fluindo por S2, S3)
Conversor de Onda Quadrada Monofásico
� Conversor em ponte completa – Acionamento independente dos ramos
cmd 1
cmd 2
b
S1
vd
vd
+
+
-
D1
D2
i
vab
cmd 3
cmd 4
a
S3
D3
D4
va0
t
f(t)
vd
t
vd
vb0
pi
 α
2pi
α+pi
0
7
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cmd 2
S2-
cmd 4
S4
ref 1
cmd 1
cmd 2
ref 2
cmd 3
cmd 4
t
2∙vd
vab
 α
 α α+pi
Conversor de Onda Quadrada Monofásico
� Conversor em ponte completa – Acionamento independente dos ramos
cmd 1
cmd 2
b
S1
vd
vd
+
+
-
D1
D2
i
vab
cmd 3
cmd 4
a
S3
D3
D4
t
2∙vd
vab
i
∆∆∆∆t2∆∆∆∆t1 ∆∆∆∆t3 ∆∆∆∆t4 ∆∆∆∆t5 ∆∆∆∆t6
8
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cmd 2
S2-
cmd 4
S4
ref 1
cmd 1
cmd 2
ref 2
cmd 3
cmd 4
∆∆∆∆t1→→→→ vab > 0 e i > 0 ∴∴∴∴ (S1, S4 ON com a corrente i fluindo por S1, S4)
∆∆∆∆t2→→→→ vab = 0 e i > 0 ∴∴∴∴ (S2, S4 ON com a corrente i fluindo por S4 xczx 
zm , D2 )
∆∆∆∆t3→→→→ vab = 0 e i = 0 ∴∴∴∴ (S2, S4 ON com a corrente i =0 )
∆∆∆∆t4→→→→ vab < 0 e i < 0 ∴∴∴∴ (S2, S3 ON com a corrente i fluindo por S2, S3)
∆∆∆∆t5→→→→ vab = 0 e i < 0 ∴∴∴∴ (S1, S3 ON com a corrente i fluindo por S3, D1)
∆∆∆∆t6→→→→ va0 = 0 e i = 0 ∴∴∴∴ (S1, S3 ON com a corrente i =0)
Conversor de Onda Quadrada Monofásico
� Espectro Harmônico – Tensão vab
ωt
2∙vd
vab
 α/2
pi
f(ωt)
pi - (α/2)
pi + (α/2) 2pi
2pi - (α/2)
-2∙vd
9
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)thsin(hcos
h
V
v
,...,,n
d
ab ω
α
pi
⋅











⋅
⋅
= ∑
=
2
8
531






⋅
⋅
=
2
cos
8
1
α
pih
Vb d Componente fundamental
-2∙vd
Conversor de Onda Quadrada Monofásico
0.6
0.8
1
a
m
p
l
i
t
u
d
e
� Espectro Harmônico – Tensão vab
3°harmônico
5°harmônico
7°harmônico
10
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0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
0
0.2
0.4
alfa (radianos)
a
m
p
l
i
t
u
d
e
7°harmônico
Conversor de Onda Quadrada Trifásico
� Circuito base e Lógica de Chaveamento
cmd 1
cmd 4
cmd 3
cmd 6
cmd 5
cmd 2
ref a
cmd 1
cmd 4
Algoritmo de Controle
Comando dos IGBTs
0 a b c
S1 S3 S5
vd
vd
+
-
+
11
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cmd 4 cmd 6 cmd 2
van vbn vcn
ref b
cmd 3
cmd 6
ref c
cmd 5
cmd 2n
S4 S6 S2-
Conversor de Onda Quadrada Trifásico
� Fomas de Onda das Tensões
va0
vb0
ωωωωt
f(ωωωωt)
S1 ON
S4 ON
S1 ON
pi 2pi 3pi
S ON S ON
vd
-vd0
vd
12
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vc0
ωωωωt
ωωωωt
2pi/3S6 ON
S3 ON
S6 ON
S3 ON
5pi/3 8pi/3
S2 ON
S5 ON
S2 ON
S5 ON
pi/3 4pi/3 7pi/30
0-vd
vd
vd
-vd
Conversor de Onda Quadrada Trifásico
� Fomas de Onda das Tensões
va0
vb0
ωωωωt
ωωωωt
f(ωωωωt)
S1 ON
S4 ON
S1 ON
S4 ON
S6 ON
S3 ON
S6 ON
S3 ON
vd
-vd
-vd
vd
0
0
13
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ωωωωt
vab
pi2pi/3 5pi/3 2pi/3 8pi/3 3pi0
S6 ON S6 ON
S1 ON
S6 ON
S1 ON
S3 ON
S4 ON
S3 ON
S4 ON
S6 ON
S1 ON
S6 ON
S1 ON
S3 ON
-vd
0
2vd
-2vd
Conversor de Onda Quadrada Trifásico
� Fomas de Onda das Tensões
S6 ON
S3 ON
S6 ON
S3 ON
S2 ON
S5 ON S5 ON
S2 ON
vd
ωωωωt
ωωωωt
f(ωωωωt)
vd
vb0
vc0
-vd
-vd
14
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S2 ON S2 ON
ωωωωt
S3 ON
S5 ON
S3 ON
S2 ON
S3 ON
S5 ON
S6 ON
S5 ON
S6 ON
S2 ON
S3 ON
S2 ON
2pi/3 5pi/30 pi/3 4pi/3 7pi/3 8pi/3
vbc
S6 ON
S5 ON
-vd
2vd
-2vd
Conversor de Onda Quadrada Trifásico
� Fomas de Onda das Tensões
S4 ON
S1 ON S1 ON
S2 ON
S5 ON S5 ON
S2 ON
ωωωωt
ωωωωt
f(ωωωωt)
va0
vc0
0
0
vd
-vd
15
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Eletrônicade Potência (ENG 1452)
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S2 ON S2 ON
ωωωωt
S2 ON
S1 ON
S2 ON
S4 ON
S5 ON
S4 ON
S5 ON
S1 ON
S2 ON
S1 ON
pi 2pi0 pi/3 4pi/3 7pi/3 3pi
vca
S5 ON
S1 ON
-2vd
2vd
0 -vd
Conversor de Onda Quadrada Trifásico
� Cálculo das tensões van , vbn , vcn em função de va0 , vb0 , vc0
0 n
a
vn0
vanva0
16
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0 n
b
c
vbn vcnvb0
vc0
Conversor de Onda Quadrada Trifásico
S4 ON
S1 ON S1 ON ωωωωt
3pi
va0
v
0
vb0
pi
S6 ON
S3 ON
S6 ON
S3 ON
5pi/3 8pi/30 2pi/3
2pi
ωωωωt-vd
vd
-vd
vd
� Fomas de Onda das Tensões
f(ωωωωt)
17
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S2 ON
S5 ON S5 ON
S2 ON
ωωωωt
vc0
0
0
4pi/3 7pi/3
.vd
2
ωωωωt
.vd
4
3
van
pi/3
.vd
-2
3
.vd
-4
vd
-vd
3 3
Conversor de Onda Quadrada Trifásico
� Fomas de Onda das Tensões
S4 ON
S1 ON S1 ON ωωωωt
3pi
va0
v
0
vb0
pi
S6 ON
S3 ON
S6 ON
S3 ON
5pi/3 8pi/30 2pi/3
2pi
ωωωωt
vd
-vd
-vd
vd
f(ωωωωt)
18
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S2 ON
S5 ON S5 ON
S2 ON
ωωωωt
vc0
0
0
4pi/3 7pi/3
.vd
2
3
ωωωωt
vbn
pi/3
.vd
-2
3
3
.vd
-4
.vd
4
3
vd
-vd
Conversor de Onda Quadrada Trifásico
� Fomas de Onda das Tensões
S4 ON
S1 ON S1 ON ωωωωt
3pi
va0
v
0
vb0
pi
S6 ON
S3 ON
S6 ON
S3 ON
5pi/3 8pi/30 2pi/3
2pi
ωωωωt
vd
-vd
-vd
vd
f(ωωωωt)
19
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S2 ON
S5 ON S5 ON
S2 ON
ωωωωt
vc0
0
0
4pi/3 7pi/3
.vd
2
ωωωωt
pi/3
3
3
.vd
-4
vd
-vd
3
.vd
4
vcn
.vd
-2
3
Conversor de Onda Quadrada Trifásico
100
150
Va
100
150
A
m
p
l
i
t
u
d
e
 
(
V
r
m
s
)
THD = 31 %
� Espectro Harmônico das Tensões van , vbn , vcn
20
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Prof. Luís Fernando Monteiro
0
50
200 400 600 800 1000
Frequência (Hz)
0
0
50
A
m
p
l
i
t
u
d
e
 
(
V
Conversor de Onda Quadrada Trifásico
� Espectro Harmônico das Tensões vab , vbc , vca
150
200
250
Vab
100
150
A
m
p
l
i
t
u
d
e
 
(
V
r
m
s
)
200
250
THD = 31 %
21
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0 200 400 600 800 1000
Frequency (Hz)
0
50
100
200 400 600 800 1000
Frequência (Hz)
0
0
50
100
A
m
p
l
i
t
u
d
e
 
(
V
THD = 31 %
Modulação por Largura de Pulso – Conversores CC-CA
� Princípio de Funcionamento
-vtrig
^
vtrig
^
vtrig
vref
Modulação por Largura de Pulso (PWM)
+
-
-
+
vCC
vCC
v0
S1
S2
0
VL
22
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-vCC
-vtrig
vo
t1
TS
Ciclo de Trabalho (D) = 
TS
t1
Tensão produzida por meio 
da modulação PWM
+vCC
0
vref = ma∙sin(ωt) 
Modulação por Largura de Pulso – Conversores CC-CA
Freqüência da Portdora Triângular (fS)
Freqüência do sinal vRef
Amplitude da 
componente 
fundamental 
(A1)
� Espectro de Frequência da Tensão Produzida
23
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0
fS
Freqüência (Hz)
2fS
3fSf1
A1 = vtrig
^
vref
^
=> (Valor de Pico da Tensão de Referência)
x vCC
vref
^
=> (Amplitude da portadora triangular)vtrig
^
(2fS + 1)
(fS - 2) (fS + 2)
(2fS + 3)
(3fS - 2)
Modulação por Largura de Pulso – Conversores CC-CA
+
-
-
+
vCC
vCC
v0
S1
S2
vConv
L
� Tensão Produzida x Tensão na Carga
i
V _ ca rg a IL *2 .5
i
vConv
0
23+1
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i
v0
Carga => Circuito RL série
Tensão v0 sobre a resistência
vconv (t) = Ldi(t) + Ri(t)
dt
Modulação por Largura de Pulso – Conversores CC-CA
+
-
-
+
vCC
vCC
v0
S1
S2
vConv
L
� Tensão Produzida x Tensão na Carga
i
V_carga IL*2.5
vConv
i
0
25
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i
v0
Aumento da frequência de chaveamento:
☺ Redução do THD!
� Aumento das perdas de chaveamento…
�Necessidade em estabelecer um compromisso entre a distorção harmônica da tensão na 
carga com a perda de rendimento do conversor.
V _ ca rg a IL *2 .5
Modulação por Largura de Pulso – Conversores CC-CA
+
-
-
+
vCC
vCC
v0
S1
S2vConv
L
� Conversor em ponte completa – Acionamento PWM Bipolar
i
S1
S2
vConv
i
0
26
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-
S1 i
v0
ganho 1
PI1
v0
Comando S1
vref_ajs
vtrig
vref
Comando S2
Modulação por Largura de Pulso – Conversores CC-CA
� Conversor em ponte completa – Acionamento PWM Bipolar
V_carga
THD = 156 %
THD = 3.8 %
vConv
v0
A1
A1
Freqüência da Portdora Triângular (fS)
Freqüência do sinal vRef
27
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THD = 3.8 %
A1 = vtrig
^
vref
^
=> (Valor de Pico da Tensão de Referência)
x2vCC
vref
^
=> (Amplitude da portadora triangular)vtrig
^
fS
Freqüência (Hz)
f1 2fS 3fS 4fS
Modulação por Largura de Pulso – Conversores CC-CA
� Corrente do lado CC (iCC)
+
-
cf1
iCCLf1
v0
i0
cf2
Lf2iCC*
vCC Circuito RL
t)sin(ωV2vv 1ooo1 ==
28
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)-tsin(ωi2i 1oo1 φ= => Corrente atrasada da tensão em função do circuito RL
φ)tsin(ωI2t)sin(ωV2iviV 1o1ooo
*
CCCC −⋅=⋅=⋅
CC_2CC1
CC
oo
CC
oo*
CC iIφ)tcos(2ω
V
IV
cos(φ
V
IV
i +=−
⋅
−
⋅
= )
Modulação por Largura de Pulso – Conversores CC-CA
� Conversor em ponte completa – Acionamento PWM Unipolar
+
-
-
+
vCC
vCC
v0
S1
S2vConv
L
i
S4
S3
0
V_conv-V_ind i_carga*10
vConv
i
v
29
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ganho 1
PI1
v0
Comando S1
vtrig
vref
Comando S2
Comando S3
vtrig Comando S4
- 1
v0
Modulação por Largura de Pulso – Conversores CC-CA
� Conversor em ponte completa – Acionamento PWM Unipolar
V_conv-V_ind
THD = 77.4 %
vConv
A1
Componente harmônica em 2fS
Freqüência do sinal vRef
v0vref
^
30
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fS
f1 2fS 3fS 4fS
THD = 2.26 %
v0
A1 = vtrig
^
vref
^
x2vCC
Freqüência (Hz)