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Tópicos Especiais em Energia Elétrica (Projeto de Inversores e Conversores CC-CC)
Aula 4.1
Princípio de Operação dos Inversor
Prof. João Américo Vilela
Departamento de Engenharia Elétrica
Conversor CC-CA (Inversor)
A função de um inversor é converter uma tensão contínua de entrada numa
tensão alternada simétrica de saída com módulo e frequência determinados.
A frequência da tensão de saída do inversor é determinada pelo
chaveamento dos dispositivos semicondutores que formam o inversor,
depende, portanto, do circuito de controle.
Introdução
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Onda
quadrada
t
V
Um inversor pode
apresentar diferentes
formas de onda da
tensão de saída em
função da forma de
operação e de sua
característica
construtiva.
Onda
quadrada
t
V
Trapezoidal
t
V
Senoidal
t
V
Multi-nivel
t
V
Introdução
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Princípio de funcionamento
O inversor monofásico de tensão na configuração ponte completa é
apresentado nas figuras abaixo
Estrutura básica do inversor de
tensão em ponte completa
Inversor Monofásico
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Estrutura básica do inversor de
tensão em ponte completa
Estrutura básica do inversor de
tensão em ponte completa
representando os interruptores e os
diodos em anti-paralelo.
Princípio de funcionamento
O inversor monofásico de tensão na configuração ponte completa é
apresentado nas figuras abaixo
Inversor Monofásico
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
As etapas de operação desse inversor
1ª Etapa) S1 e S2 conduzem e S3 e S4 estão bloqueadas.
Estrutura básica do inversor de
tensão em ponte completa
Forma de onda da tensão na
carga.
Inversor Monofásico
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
As etapas de operação desse inversor
2ª Etapa) S3 e S4 conduzem e S1 e S2 estão bloqueadas.
Estrutura básica do inversor de
tensão em ponte completa Forma de onda da tensão na
carga.
Inversor Monofásico
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Sinal de comando dos interruptores
e forma de onda da tensão e da
corrente na carga.
A partir de uma fonte CC o inversor
foi capaz de produzir uma tensão
alternada na carga.
Inversor Monofásico
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Modulação triangular
O comparador defini a razão cíclica
através da comparação de um sinal
triangular com um tensão de
referencia cc.
Se a frequência da triangular for fixa
o chaveamento dos interruptores
será também numa frequência fixa.
O controle da tensão de saída é
realizado pela variação do tempo de
condução dos interruptores em
relação ao período de chaveamento
(PWM).
T A +
A
D A+
D A -
0
E/2
E/2
+
-
t
VControle
VA0 E/2
-E/2
+ + +
- - -
O valor médio de VAO é positivo
T A -
)12(0 DEVA
Modulação triangular
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
T A +
A
D A+
D A -
0
E/2
E/2 /2
+
-
t
VControle
VA0 E/2
-E/2
O valor medio de VAO é zero
T A -
+ +
- - -
)12(0 DEVA
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Modulação triangular
T A +
A
D A+
D A -
0
E/2
E/2
+
-
t
VControle
VA0 E/2
-E/2
O valor médio de VAO é negativo
T A -
- - -
+ + +
)12(0 DEVA
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Modulação triangular
E
- E
VAO
T /2
T1T2T3
T
V C V PT
tempo
tempo
Modulação PWM senoidal a dois níveis
Modulação PWM Senoidal – dois níveis
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
E
- E
VAO
Modulação PWM Senoidal – dois níveis
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
a) Forma de onda da tensão na saída do inversor, antes do indutor;
b) Sinal modulante senoidal e moduladora triangular.
Modulação PWM Senoidal – dois níveis
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
a) Forma de onda da tensão na saída do inversor e corrente no indutor;
b) Sinal modulante senoidal e moduladora triangular.
Modulação PWM Senoidal – dois níveis
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
a) Forma de onda da tensão na saída do inversor e corrente no indutor;
b) Sinal modulante senoidal e moduladora triangular.
Modulação PWM Senoidal – dois níveis
Modulação PWM senoidal a dois níveis
Durante o semiciclo positivo (S3 e S4 → permanecem bloqueada)
Se Vseno > Vtri, então S1 e S2 em condução => Vo = E
Se Vseno < Vtri, então S1 e S2 bloqueado => D3, D4 em condução Vo = -E
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Modulação PWM Senoidal – dois níveis
Modulação PWM senoidal a dois níveis
Durante o semiciclo negatico (S1 e S2 → permanecem bloqueada)
Se Vseno < Vtri, então S3 e S4 em condução => Vo = -E
Se Vseno > Vtri, então S3 e S4 bloqueado => D1, D2 em condução Vo = E
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Modulação PWM Senoidal – dois níveis
Modulação PWM senoidal a dois níveis
As componentes harmônicas presentes na tensão aplicada a carga são
definidas pela frequência do sinal modulador (frequência de comutação).
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Modulação PWM Senoidal – dois níveis
Modulação PWM senoidal a três níveis
O sinal de comando são obtidos a partir da intersecção de duas ondas
moduladas senoidais de mesma amplitude e frequência, mas defasada
de 180o uma em relação a outra. Assim, o comando das chaves S1 e S4 é
obtido comparando a onda portadora triangular Vtri com a onda
moduladora senoidal Vseno1. Já o comando das chaves S2 e S3 é obtido
através da comparação de Vtri com a onda moduladora senoidal
complementar Vseno2.
Modulação PWM Senoidal – três níveis
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
VA0
VB0
VAB
VCB V
CA
E/2
-E/2
tempo
-
E
E
-E
Modulação PWM senoidal a três níveis
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Modulação PWM Senoidal – três níveis
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
1º Etapa 2º Etapa
3º Etapa 4º Etapa
Etapas de operação do inversor monofásico em ponte completa
Modulação PWM Senoidal – três níveis
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
5º Etapa 6º Etapa
7º Etapa 8º Etapa
Etapas dos semiciclo negativo de operação
Modulação PWM Senoidal – três níveis
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Forma de onda da modulação, da corrente no indutor e da corrente no
capacitor
Modulação PWM Senoidal – três níveis
Modulação PWM senoidal a três níveis
Lógica de controle da modulação a três níveis
Se Vseno1 > Vtri, então S1 em condução => VAN = E/2;
Se Vseno1 < Vtri, então S4 em condução => VAN = -E/2;
Se Vseno2 > Vtri, então S3 em condução => VBN = E/2;
Se Vseno2 < Vtri, então S2 em condução => VBN = -E/2;
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Modulação PWM Senoidal – três níveis
Durante o semiciclo positivo (S3, S4 permanecem bloqueado)
VAN = E/2 ; VBN = -E/2 => V0 = E => S1 e S2 em condução;
VAN = E/2 ; VBN = E/2 => V0 = 0 => S2 bloqueado e S1, D3 em condução;
VAN = -E/2 ; VBN = -E/2 => V0 = 0 => S1 bloqueado e S2, D4 em condução;
Durante o semiciclo negativo (S1, S2 permanecem bloqueado)
VAN = -E/2 ; VBN = E/2 => V0 = -E => S3 e S4 em condução;
VAN = -E/2 ; VBN = -E/2 => V0 = 0 => S3 bloqueado e S4 D2 em condução;
VAN = E/2 ; VBN = E/2 => V0 = 0 => S4 bloqueado e S3, D1 em condução.
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Modulação PWM Senoidal – três níveis
Modulação PWM senoidal a três níveis
Verifica-se que algumas harmônicas, que estavam presentes no espectro
de frequência para a modulação a dois níveis, estão ausentes na
modulação PWM a três níveis.
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Modulação PWM Senoidal – três níveis
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Modulação PWM Senoidal – três níveis
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
a) Forma de onda da tensão na saída do inversor, antes do indutor;
b) Sinais modulantes senoidal defasados de 180º e moduladora triangular.
Modulação PWM Senoidal – três níveis
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
a) Forma de onda da tensão na saída do inversor e corrente no indutor;
b) Sinais modulantes senoidal defasados de 180º e moduladora triangular.
Modulação PWM Senoidal – três níveis
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
a) Forma de onda da tensão na saída do inversor e corrente no indutor;
b) Sinais modulantes senoidal defasados de 180º e moduladora triangular.
Modulação PWM Senoidal – três níveis
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Modulação triangular com dente de serra três níveis
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Modulação triangular com dente de serra três níveis
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Modulação triangular com dente de serra três níveis
Modulação a três níveis
com sinal modulador na
forma de dente de serra.
A frequência da tensão de
saída é igual a frequência
de comutação dos
interruptores.
Modulação a três níveis
com sinal modulador na
forma de triangular.
A frequência da tensão de
saída é o dobro da
frequência de comutação
dos interruptores.
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Modulação triangular com dente de serra três níveis
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Inversor Trifásicos
Inversor trifásico com modulação PWM senoidal a dois níveis
Na estratégia de controle descrita o
sinal de comando enviado a cada
braço do inversor é do tipo dois
níveis. Desse modo, a tensão de
fase apresenta-se em dois níveis,
enquanto que a tensão de linha
(entre duas fases) se apresenta em
três níveis.
0.8
V A (t) V B (t) )
V A0
V B0
E/2
-E/2
E/2
-E/2
E/2
-E/2
V AB
V C (t) )
(V AB ) 1
Tempo
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Inversor Trifásicos
Inversor trifásico com modulação PWM senoidal a dois níveis
0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
Time (s)
20
40
60
80
100
Ia Ib Ic
Corrente na saída do
inversor
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Inversor Trifásicos
Inversor trifásico com modulação PWM senoidal a dois níveis
0
-0.5
-1
0.5
1
Vra Vrb Vrc Vtri
0
-100
100
200
300
400
500
V8
0
-100
100
200
300
400
500
V9
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
Time (s)
0
-100
100
200
300
400
500
V10
Sinais modulantes e a tensão fase terra na saida do inversor
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Inversor Trifásicos
0
-0.5
-1
0.5
1
Vra Vrb Vrc Vtri
0
-200
-400
-600
200
400
Vab
0
-200
-400
200
400
Vbc
0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
Time (s)
0
-200
-400
-600
200
400
Vca
Inversor trifásico com modulação PWM senoidal a dois níveis
Sinais modulantes e a tensão de linha na saida do inversor
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Inversor Trifásicos
0
-20
-40
20
40
I(RL1a) I(RL1b) I(RL1c)
0
-200
-400
-600
200
400
Vab
0
-200
-400
200
400
Vbc
0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
Time (s)
0
-200
-400
-600
200
400
Vca
Inversor trifásico com modulação PWM senoidal a dois níveis
Corrente na saída do inversor e a tensão de linha na saida do inversor
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Inversor Trifásicos
Inversor trifásico com modulação PWM senoidal a dois níveis
0
20
40
60
80
100
Ia
0
-0.5
-1
0.5
1
Vtri Vra
0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
Time (s)
0
-100
100
200
300
400
500
V8
Corrente de linha, sinal modulante e tensão fase neutro.
Projeto de Inversores e Conversores CC-CC
Operação dos Inversores
Geração dos pulsos na modulação PWM
Necessidade de tempo morto no braço inversor