Disciplina: Eletrônica de Potência (ENGC48) Tema: Técnicas de Modulação

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1 Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica Disciplina: Eletrônica de Potência (ENGC48) Tema: Técnicas de Modulação Prof.: Eduardo Simas Aula 8

2 Sumário Introdução Controle de Potência CC Ativação por onda quadrada Modulação por largura de pulso Controle de Potência CA Controle de ciclo integral Controle de fase CA Exercícios de Fixação 2/34

3 1. Introdução 3/34

4 Controle da Potência Fornecida A partir de uma fonte (CA ou CC) constante, como controlar a potência fornecida à carga? Solução 01: Usando um resistor ajustável (potenciômetro) em série com a carga: Problema: energia dissipada (perdida) na resistência em série. 4/34

5 Controle da Potência Fornecida Solução 02: Através de chaves: Embora a tensão produzida não seja contínua, esse problema é atenuado com a presença de armazenadores de energia (capacitores e indutores) no circuito. Considerando uma chave ideal, não existem perdas associadas ao chaveamento, garantindo a eficiência energética. Na prática é possível estimar as perdas (nos estados ligado e desligado e no chaveamento) a partir do dispositivo utilizado como chave. 5/34

6 2. Controle de Potência CC 6/34

7 Ativação por Onda Quadrada Utilizando-se um trem de pulsos (onda quadrada) de características (frequência e ciclo de trabalho variáveis) pode-se controlar a potência média fornecida à carga: Exemplo - Ativação através de TBJ a partir de onda quadrada: + Vo - A tensão média na saída é proporcional ao tempo no qual a onda quadrada tem nível alto. 7/34

8 Modulação por Largura de Pulso A modulação por largura de pulso (ou PWM Pulse Width Modulation) é uma técnica muito utilizada para a geração de um trem de pulsos de características variáveis. Características de um sinal PWM: t -> Período t 1 -> Largura do Pulso t 2 -> Tempo de nível baixo D = t 1 / t -> Ciclo de trabalho 8/34

9 Modulação por Largura de Pulso A ativação por onda quadrada gerada por um modulador PWM é bastante utilizada nos conversores CC-CC para a ativação de chaves eletrônicas (transistores ou GTO). Transferência de potência proporcional ao ciclo de trabalho: 9/34

10 Modulação por Largura de Pulso Um modulador PWM pode ser obtido a partir da comparação entre um sinal de referência e a portadora: Referência Portadora A portadora define a frequência do sinal modulado. A largura do pulso (e consequentemente o ciclo de trabalho) é ajustado pelo sinal de referência. 10/34

11 PWM com sinal de referência contínuo Em conversores CC-CC, em geral, são utilizados: Sinal de referência contínuo Portadora dente de serra Esquema do modulador PWM: 11/34

12 Espectro do Sinal PWM com referência contínua Componente de frequência CC (representando a portadora) Componentes nos múltiplos da frequência da portadora (5kHz) 12/34

13 PWM com referência senoidal Em conversores CC-CA podem ser utilizados: Sinal de referência senoidal Portadora triangular 13/34

14 PWM com referência senoidal + Filtro Passa Baixas Portadora Triangular Referência Senoidal Sinal PWM Sinal PWM filtrado 14/34

15 PWM com referência senoidal + Filtro Passa Baixas Componentes de Frequência Sinal PWM Sinal PWM filtrado 15/34

16 PWM com Três Níveis (Onda Quase-Quadrada) Elimina alguns componentes de frequência mantendo um período de tensão nula. 16/34

17 PWM Multinível Diversos módulos inversores com saída PWM podem ser combinados de modo a produzir uma tensão mais próxima de uma senóide. 17/34

18 PWM Multinível Com a combinação de PWM e dispositivos armazenadores de energia é possível gerar de modo aproximado qualquer forma de onda. Exemplo: Filtro ativo de potência 18/34

19 Modulação em Frequência Utiliza-se um pulso de largura fixa e frequência variável. A frequência da portadora deve ser variada de modo proporcional ao sinal de referência. 19/34

20 Outras Técnicas de Modulação Modulação por Limites de Corrente tanto a frequência como a largura do pulso são variáveis a partir de um sistema em malha fechada que realimenta o valor instantâneo da corrente. 20/34

21 Outras Técnicas de Modulação Modulação por Limites de Corrente utiliza um comparador com histerese (Schmitt-Trigger): Curva de operação do Schmitt-Trigger 21/34

22 Outras Técnicas de Modulação Modulação Vetorial : Utilizada principalmente em inversores trifásicos; circuitos de controle de motores (drivers) ; filtros ativos de potência. É possível a geração de sinais com características distintas em cada uma das fases. Os sinais trifásicos são decompostos em componentes de uma base de vetores ortogonais. Técnica de modulação implementada digitalmente através de microcontroladores e DSPs (processadores digitais de sinais). 22/34

23 3. Controle de Potência CA 23/34

24 Introdução: Normalmente implementado a partir de tiristores (SCRs ou TRIAC). O objetivo é controlar a potência fornecida a uma carga de CA a partir de uma fonte CA fixa (Conversão CA-CA). Existem basicamente dois modos de executar essa conversão: por controle de ciclo completo e por controle de fase. Conversor CA-CA com SCRs Conversor CA-CA com TRIACs 24/34

25 Controle de Ciclo Completo Consiste em ligar ou desligar o circuito de alimentação CA da carga por vários ciclos. Problema: pode gerar grande flutuação de tensão. 25/34

26 Controle de Ciclo Completo Características: Potência Média Tensão Média Sendo: 26/34

27 Controle de Ciclo Completo Cálculo do Fator de Potência: Considerando o no caso resistivo: Conversor ligado -> corrente e tensão estejam em fase Conversor desligado -> corrente nula e tensão não nula Então: 27/34

28 Controle de Fase O disparo dos tiristores é efetuado de modo periódico a cada ciclo: Sendo: α ->o ângulo de disparo T -> o período do sinal 0 > α > 180 o Menor flutuação da tensão se comparado ao controle de ciclo integral! 28/34

29 Controle de Fase Características: Considerando o circuito: Temos: Vo ef /Vi ef Fator de potência: 29/34

30 Controle de Fase Componentes Harmônicos: Componente na Frequência Fundamental: Componentes nas demais frequências (k > 1): 30/34

31 Controle de Fase Componentes Harmônicos: 31/34

32 4. Exercícios de Fixação 32/34

33 Exercícios de Fixação Q01 Considerando que uma fonte de corrente contínua de 100 V é utilizada para alimentar um motor CC que opera a 500 rpm quando alimentado por 100 V, então: a. Escolha o ciclo de trabalho necessário para um conversor DC-DC operando com sinal de ativação em onda quadrada para que o motor opera a 300 rpm. b. Explique a influência da frequência de chaveamento do conversor na operação do sistema. c. Caso seja utilizado um esquema de modulação PWM com referência DC, qual o valor necessário para o sinal DC caso a portadora tenha valor máximo 2 V. Q02 Uma fonte monofásica AC de 120 V é utilizada num controlador de ciclo integral para alimentar uma carga resistiva de 5 Ω. Determine a. O valor médio da corrente na saída b. A corrente máxima na chave c. A potência máxima fornecida d. O ciclo de trabalho e o valor de TON para que a carga receba 1 kw de potência e. O fator de potência para a parte d Q03 Uma fonte monofásica AC de 110 V é utilizada num controlador de fase para alimentar uma carga resistiva de 10 Ω, sendo α = 30 o, determine a. A potência média na saída b. A tensão de pico inversa c. O valor RMS da corrente de entrada d. O fator de potência do circuito Q04 Para o circuito do exemplo 4, encontre o valor do ângulo de disparo necessário para que a potência dissipada seja igual a 900 W. 33/34

34 Leitura indicada: Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and Applications, Segunda Edição, Elsevier, Mohan, Undeland and Robins, Power Electronics, Converters, Applications and Design, Wiley Pomilio, José Antenor. Eletrônica de Potência, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, UNICAMP, 1998, Revisado em A. Ahmed. Eletrônica de Potência. Prentice Hall, Algumas figuras utilizadas nesta apresentação foram retiradas das referências citadas acima. 34/34