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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

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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


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


Referência cc Referência Senoidal

Referência Trifásica

4


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


Portadora dente de serra

Portadora Triangular

5


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


6


Modulador (Comparador):


0-1

12345

Vref V2

0 0.0002 0.0004 0.0006Time (s)

0

0.4

0.8

Vout

7


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


8


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.


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


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


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


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


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


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

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Conceito DHT e WTHD


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

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Conceito DHT e WTHD


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


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


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

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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


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

RefA

VPort1

VPort2

VPort3

VPort4

V


20


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

RefA

VPort1

VPort2

VPort3

VPort4

V


21


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

RefAV

VPort2 VPort3 VPort4VPort1


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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


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


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

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Equacionamento da tensão de saída

26



Tensão eficaz

Valor eficaz da componente fundamental de tensão

Distorção harmônica total

27



Da resolução em Série de Fourier tem-se

Onde

e

Solução � OTIMIZAÇÃO NUMÉRICA

28



Da resolução em Série de Fourier tem-se

Onde

e

Solução � OTIMIZAÇÃO NUMÉRICA

29

Modulações Híbridas


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



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



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



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



1

0

-1

SPWM

HPWM

ahpv

ahnvδ δ δ δ

34

Atividades


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

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