1

Modulação por Largura de Pulso

Definições:

•A modulação determina: • A frequência dos pulsos de comando • A duração dos pulsos de comando • A sequência dos pulsos de comando • O sincronismo dos pulsos de comando

Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers

2

Modulação por Largura de Pulso

Elementos que compõe um modulador:

Sinal de Referência;

Sinal de Portadora;

Modulador

Geração de Sinal Complementar

Tempo Morto

Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno

3

Modulação por Largura de Pulso

Sinal de Referência: O sinal de referência é o sinal desejado na saída do conversor estático, exemplo:

Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno

Referência cc Referência Senoidal

Referência Trifásica

4

Modulação por Largura de Pulso

Sinal de Portadora: É o sinal que define a frequência de comutação dos semicondutores e o padrão dos pulsos de comando, ex emplo:

Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno

Portadora dente de serra

Portadora Triangular

5

Modulação por Largura de Pulso

Modulador (Comparador): É o circuito responsável em comparar o sinal de referência com a portadora.

A largura do pulso na saída do modulador varia de acordo com a amplitude do sinal de referência em comparação com o sinal portador.

Tem-se assim a modulação por largura de pulso – PWM, do inglês Pulse Width Modulation

Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno

6

Modulação por Largura de Pulso

Modulador (Comparador):

Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno

0-1

12345

Vref V2

0 0.0002 0.0004 0.0006Time (s)

0

0.4

0.8

Vout

7

Modulação por Largura de Pulso

Geração de sinal complementar: O sinal complementar é necessário quando existem dois interruptores configurados em braço. O acionamento dos interruptores é realizado de forma complementar, ou seja, quando Q1 conduz, Q2 está bloqueado e quando Q2 está condu zindo, Q1 fica bloqueado e assim sucessivamente

Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno

8

Modulação por Largura de Pulso

Geração de sinal complementar: Na configuração de interruptores em braço é necessário assegurar que dois interruptores de um mesmo braço não sejam acionados ao mesmo tempo, evitando a queima dos mes mos. Para evitar um efeito de curto-circuito no braço do acionamento, um tempo morto deve ser introduzido.

Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno

VQ1

VQ2

0.0

-0.50

-1.00

0.50

1.00

Port_dente_serra Ref

285.00 290.00 295.00 300.00Time (ms)

0.0

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

S1_4

9

Portadora tipo Dente de Serra

Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers

Características: Entrada em condução dependente da moduladora Bloqueio fixo

Emprego: Circuitos onde é necessário sincronizar interruptor es auxiliares com o bloqueio dos interruptores principais.

0.0

-0.50

-1.00

0.50

1.00

Port_dente_serra_inv Ref

285.00 290.00 295.00 300.00Time (ms)

0.0

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

S1_4_c2

10

Portadora tipo Dente de Serra Invertida

Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers

Características: Entrada em condução fixa Bloqueio dependente da moduladora

Emprego: Circuitos onde é necessário sincronizar interruptor es auxiliares com a entrada em condução dos interruptores princip ais.

0.0

-0.50

-1.00

0.50

1.00

Port_triang Ref

285.00 290.00 295.00 300.00Time (ms)

0.0

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

S1_4_c3

11

Portadora tipo Triangular

Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers

Características: Entrada em condução e bloqueio dependente da modula dora

Emprego: Circuitos em geral.

0.0

-50.00

-100.00

50.00

100.00

Vo

0.0

-50.00

-100.00

50.00

100.00

Vo_c2

285.00 290.00 295.00 300.00Time (ms)

0.0

-50.00

-100.00

50.00

100.00

Vo_c3

12

Inversor Monofásico Ponte completa

Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers

Modulações a 2 níveis com portadoras: Triangular, Dente de Serra e Dente de Serra Inverti da

0.0

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

Vo

0.0

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

Vo_c2

0.0 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00Frequency (KHz)

0.0

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

Vo_c3

13

Inversor Monofásico Ponte completa

Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers

Modulações a 2 níveis com portadoras: Triangular, Dente de Serra e Dente de Serra Invertida

14

Conceito DHT e WTHD

Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers

2 2

0

21 1

2 n

n

V VDHT

V V

∞

=

⋅= +

∑

Os conversores comutados introduzem componentes de alta frequência no sinal saída desejado. A distorção harmônica total é um índice básico de performance da tensão sintetizada por um conversor, envolvendo a to pologia e o desempenho do controle.

n

0VnV 1,2,...,n = ∞

onde,

representa a ordem da harmônica

representa a amplitude da componente harmônica de tensão de ordem

representa o nível médio presente na tensão ca

15

Conceito DHT e WTHD

Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers

A Distorção Harmônica Total não contempla em seu c álculo a ordem das componentes harmônicas. Para suprir esta deficiência, apresenta-se o conce ito de distorção harmônica total de primeira ordem (ou distorção har mônica de corrente), a qual contempla em seu cálculo a amplitude de cada h armônica e a ordem da harmônica, onde as harmônicas de ordem mais elev ada têm menor impacto no resultado do cálculo. Esta figura de mér ito é importante nos conversores comutados, pois apresenta uma correlaçã o com a distorção harmônica de corrente em um motor e, a dificuldade de realizar uma filtragem de primeira ordem de um determinado sinal .

2

2

1

n

n

V

nWTHD

V

∞

=

=

∑

16

Conceito DHT e WTHD

Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers

1.10

1.15

1.20

1.25

1.30THD_c1

1.10

1.15

1.20

1.25

1.30THD_c2

0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30Time (s)

1.10

1.15

1.20

1.25

1.30THD_c3

17

Conceito DHT e WTHD

Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Convert ers

20.00m

22.00m

24.00m

26.00m

28.00m

30.00mTHD1_c1

20.00m

22.00m

24.00m

26.00m

28.00m

30.00mTHD1_c2

0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00Time (s)

20.00m

22.00m

24.00m

26.00m

28.00m

30.00mTHD1_c3

18

Modulações de 3 ou mais níveis

Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer

RefA

VPort1

VPort2

VPort3

VPort4

V

Modulação com as portadoras dispostas em fase (PD o u IPD - In Phase Disposition)

19

Modulações de 3 ou mais níveis

Modulação com as Portadoras Dispostas em Oposição d e Fase (Phase Opposition Disposition – POD)

RefA

VPort1

VPort2

VPort3

VPort4

V

Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer

20

Modulações de 3 ou mais níveis

Modulação com as Portadoras Dispostas em Oposição A lternada de Fase (Alternative Opposition Disposition – APOD)

RefA

VPort1

VPort2

VPort3

VPort4

V

Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer

21

Modulações de 3 ou mais níveis

Modulação com as Portadoras com Deslocamento de Fas e (Phase Shifted – PS)

RefAV

VPort2 VPort3 VPort4VPort1

Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer

22

Comparação entre as Modulações

DN 1A

DN 1A'

DN 2A

DN 2A'

+Vx

SN 1A

SN 1A'

SN 2A

SN 2A'

DN-1 1A

DN-1 1A'

DN-1 2A

DN-1 2A'

+Vx

SN-1 1A

SN-1 1A'

SN-1 2A

SN-1 2A'

D1 1A

DN1A'

D1 2A

D1 2A'

+Vx

S1 1A

S1 1A'

S1 2A

S1 2A'

iAA

DN 1C

DN 1C'

DN 2C

DN 2C'

+Vx

SN 1C

SN 1C'

SN 2C

SN 2C'

DN-1 1C

DN-1 1C'

DN-1 2C

DN-1 2C'

+Vx

SN-1 1C

SN-1 1C'

SN-1 2C

SN-1 2C'

D1 1C

DN1C'

D1 2C

D1 2C'

+Vx

S1 1C

S1 1C'

S1 2C

S1 2C'

iCC

DN 1B

DN 1B'

DN 2B

DN 2B'

+Vx

SN 1B

SN 1B'

SN 2B

SN 2B'

DN-1 1B

DN-1 1B'

DN-1 2B

DN-1 2B'

+Vx

SN-1 1B

SN-1 1B'

SN-1 2B

SN-1 2B'

D1 1B

DN1B'

D1 2B

D1 2B'

+Vx

S1 1B

S1 1B'

S1 2B

S1 2B'

iBB

Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer

23

Comparação entre as Modulações

0,8am =750 HzCf =

20 kHzCf =

Tabela – Comparação das distorções harmônicas e das perdas de comutação entre as modulações PD, POD, APOD e PS para um inversor trif ásico em cascata com cinco níveis.

Perdas de Comutação Normalizada [%]

PD POD APOD PS

DHT Fase [%] 37,949 37,946 37,948 38,183

DHT Linha [%] 21,552 35,231 29,187 29,512

WTHD Fase [%] 2,518 2,436 2,332 0,543

WTHD Linha [%] 1,452 2,378 1,786 0,414

100,00 100,32 99,91 405,09

Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer

24

Modulação SHE (Selective Harmonic Elimination)

Fonte: T. Cunnyngham, “Cascade Multilevel Inverters for Large Hybrid-Electric Vehicle Applications with Variant Dc Sources”, Master Thesis, University of Tenessee, 2001.

Exemplo de modulação SHE para 4 conversores em cascata Modulação simples que requer uma otimização numérica complexa

25

Modulação SHE (Selective Harmonic Elimination)

Fonte: T. Cunnyngham, “Cascade Multilevel Inverters for Large Hybrid-Electric Vehicle Applications with Variant Dc Sources”, Master Thesis, University of Tenessee, 2001.

Equacionamento da tensão de saída

26

Modulação SHE (Selective Harmonic Elimination)

Fonte: T. Cunnyngham, “Cascade Multilevel Inverters for Large Hybrid-Electric Vehicle Applications with Variant Dc Sources”, Master Thesis, University of Tenessee, 2001.

Tensão eficaz

Valor eficaz da componente fundamental de tensão

Distorção harmônica total

27

Modulação SHE (Selective Harmonic Elimination)

Fonte: T. Cunnyngham, “Cascade Multilevel Inverters for Large Hybrid-Electric Vehicle Applications with Variant Dc Sources”, Master Thesis, University of Tenessee, 2001.

Da resolução em Série de Fourier tem-se

Onde

e

Solução � OTIMIZAÇÃO NUMÉRICA

28

Modulação SHE (Selective Harmonic Elimination)

Fonte: T. Cunnyngham, “Cascade Multilevel Inverters for Large Hybrid-Electric Vehicle Applications with Variant Dc Sources”, Master Thesis, University of Tenessee, 2001.

Da resolução em Série de Fourier tem-se

Onde

e

Solução � OTIMIZAÇÃO NUMÉRICA

29

Modulações Híbridas

Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer

1

0

-1

VPort1

VPort2

(a)

(b)

Emprego de frequências distintas de comutação Permite utilizar semicondutores de características e famílias distintas Permite otimizar as perdas

30

Modulações Híbridas

Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer

Injeção de componentes harmônicas múltiplas de 3 x freq. fundamental Permite elevar o índice de modulação da saída Distorce as tensões de fase

a

VPort1

VPort2

v’

1

0

-1

0

0

0

'

'

'

a a

b b

c c

v v v

v v v

v v v

= − = − = −

( ) ( )0

max , , min , ,

2a b c a b cv v v v v v

v+

=Onde,

31

Modulações Híbridas

Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer

Modulação com dupla referência para cada fase DSPWM

( )

( ) { }min , ,

2 onde , ,max , ,

2

i a b cip

i a b cin

v v v vv

i a b cv v v v

v

−= =

− =

1

0

-1

VPort1

VPort2

apv

anv

32

Modulações Híbridas

Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer

Tabela – Comparação entre as modulações SPWM com in jeção de terceira harmônica e DSPWM

Modulação

DHT Perda de

Comutação Ondulação de Tensão

no Ponto Central

SPWM Menor Menor Maior

DSPWM Maior Maior Menor

HPWM Intermediária Intermediária Intermediária

33

Modulações Híbridas

Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer

1

0

-1

SPWM

HPWM

ahpv

ahnvδ δ δ δ

34

Atividades

Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer

Simular um inversor ponte completa com a modulação 2 níveis e 3 níveis: Considerar os seguintes parâmetros: E = 400 V Fs = 10 kHz (frequência de comutação na carga) Fo = 50 Hz Po = 5 kVA (carga RL conectada com cos (fi) = 0,85), ma = 0,9 Traçar gráficos de DHT de tensão em função do índic e de modulação Traçar gráficos de DHT da corrente de carga em funç ão do índice de modulação