Eletrônica de Potência II Capítulo 4: Inversor meia-ponte

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1 Eletrônica de Potência II Capítulo 4: Inversor meia-ponte Prof. Alessandro Batschauer Prof. Cassiano Rech 1

2 Introdução E 1 (v 1, f 1 ) Retificador Conversor CC-CC Conversor indireto de tensão Conversor indireto de freqüência Conversor direto de freqüência E 2 Inversor (v 2, f 2 ) Inversores são conversores estáticos que convertem uma fonte de energia CC (tensão ou corrente) em uma fonte de energia CA simétrica, de valor médio nulo e com amplitude e freqüência controláveis 2

3 Introdução E 1 Conversor CC-CA (v 2, f 2 ) As formas de onda na saída dos inversores muitas vezes são não senoidais (retangulares), apresentando elevado conteúdo harmônico Com o desenvolvimento dos dispositivos semicondutores, o conteúdo harmônico das formas de onda de saída dos inversores pode ser minimizado utilizando técnicas específicas de modulação e filtragem Podem ser alimentados em tensão (VSI) ou corrente (CSI), monofásicos ou trifásicos, dois níveis ou multiníveis, baixa ou alta freqüência. 3

4 4 Introdução Principais aplicações de Inversores: Acionamento de motores de Baixa e Média Tensão; UPS (Uninterruptible Power Supplies); Reatores eletrônicos Geração eólica de energia; Estações de tratamento de água; Tração (trens de alta velocidade); Bombeamento de fluidos.

5 5 Limitações tecnológicas 100,0 SCR IGBT GTO e IGCT MOSFET 12 kv / 1,5 ka (Mitsubishi) 7,5 kv / 1,65 ka (Eupec) 6,5 kv / 4,2 ka (ABB) Tensão [kv] 10,0 1,0 1,2 kv / 0,126 ka (APT) 1,0 kv / 0,16 ka (APT) 6,5 kv / 0,75 ka (Eupec) 4,5 kv / 0,9 ka (Mitsubishi) 3,3 kv / 1,5 ka (Eupec) 0,5 kv / 0,371 ka (APT) 6 kv / 3 ka (ABB) 6,5 kv / 1,5 ka (Mitsubishi) 2,5 kv / 1,8 ka (Fuji) 1,7 kv / 3,6 ka (Eupec) 6,0 kv / 6,0 ka (Mitsubishi) 4,8 kv / 5 ka (Westcode) 0,1 0,1 0,2 kv / 0,434 ka (APT) 1,0 Corrente [ka] 0,1 kv / 0,64 ka (APT) 10,0

6 Inversores alimentados em tensão Inversores monofásicos Meia-ponte (half-bridge) Ponte-completa (full-bridge) Push-pull Inversores trifásicos 6

7 Estrutura básica Possui apenas um braço inversor, contendo um único par de interruptores (que devem operar de forma complementar) conectados em anti-paralelo com diodos Necessita de uma fonte de alimentação CC com ponto médio É recomendado para aplicações em baixa potência A tensão aplicada sobre a carga é E/2 7

8 Estados de comutação Estado S 1 S 2 Tensão 1 ON OFF E/2 2 OFF ON -E/2 Estado 1 i o > 0 i o < 0 Prof. Cassiano Rech 8

9 Estados de comutação Estado S 1 S 2 Tensão 1 ON OFF E/2 2 OFF ON -E/2 Estado 2 i o > 0 i o < 0 9

10 Etapas de operação (Carga RL) 1ª etapa: O interruptor S 1 é acionado, enquanto S 2 permanece bloqueado. A tensão nos terminais da carga RL é E/2. Durante esta etapa a fonte CC entrega energia à carga. A corrente de saída i o cresce exponencialmente. E dio ( t ) = Ri o ( t ) + L 2 dt T t 2 E E 1 e τ τ io ( t ) = 1 e e T 2R 2R 2 1+ e τ t τ onde: τ = L R 10

11 Etapas de operação (Carga RL) 2ª etapa: Em t = T/2, o interruptor S 1 é bloqueado e o interruptor S 2 é acionado. A indutância da carga não permite variações bruscas na corrente i o, então a polaridade da tensão na indutância inverte-se para manter a corrente no mesmo sentido. A inversão da polaridade da tensão na indutância polariza diretamente o diodo D2, transferindo a energia armazenada no indutor para a fonte CC. A tensão nos terminais da carga RL é -E/2. A corrente de saída i o decresce exponencialmente. E dio ( t Ri ) o ( t ) L 2 dt = + T t 2 E E 1 e τ τ io ( t ) = 1 e + e T 2R 2R 2 1+ e τ t τ 11

12 Etapas de operação (Carga RL) 3ª etapa: Esta etapa inicia quando a corrente i o se anula, provocando a entrada em condução do interruptor S 2. A partir deste instante, a corrente i o inverte de sentido e continua sua variação exponencial. A tensão nos terminais da carga RL permanece igual a -E/2. Nesta etapa a carga recebe energia da fonte de alimentação CC. E dio ( t Ri ) o ( t ) L 2 dt = + T t 2 E E 1 e τ τ io ( t ) = 1 e + e T 2R 2R 2 1+ e τ t τ 12

13 Etapas de operação (Carga RL) 4ª etapa: Em t = T, o interruptor S 2 é bloqueado e o interruptor S 1 é acionado. O diodo D 1 entra em condução devido à presença da indutância na carga. Durante esta etapa a carga transfere energia para a fonte de alimentação CC. A corrente de carga decresce exponencialmente, mantendo o mesmo sentido da etapa anterior. A tensão na carga é agora igual à E/2. Esta etapa finaliza com a anulação da corrente na carga e a entrada em condução do interruptor S 1, iniciando um novo ciclo. E dio ( t ) = Ri o ( t ) + L 2 dt T t 2 E E 1 e τ τ io ( t ) = 1 e e T 2R 2R 2 1+ e τ t τ 13

14 Formas de onda (Carga RL) 14

15 Estratégias de modulação ONDA QUADRADA 0 < t < T/2 S 1 está ligada, e S 2 está desligada (v o = E/2) T/2 < t < T S 1 está desligada, e S 2 está ligada (v o = -E/2) Razão cíclica (D) de todos os interruptores é igual à 0,5; Operação em baixa freqüência; Harmônicos em baixa freqüência; Amplitude da componente fundamental da tensão: 4 ( v ) 1 o E = = π 2 0,6366E ( v ) o h ( vo ) 1 = THD v (%) = 48,34% h 15

16 Estratégias de modulação PWM SENOIDAL DOIS NÍVEIS v ref > v tri v o = E/2 (S 1 ON) v ref < v tri v o = -E/2 (S 2 ON) v ref Valor de pico da fundamental: ( v o ) 1 = m a 2 v tri E V = onde: m = ref a V (para m a 1) m f = f s f tri 1/f s 16

17 Estratégias de modulação v ref v tri (v o ) 1 E/2 0 -E/2 17

18 Estratégias de modulação REGIÃO LINEAR DE OPERAÇÃO (m a 1) Os harmônicos da tensão de saída concentram-se em bandas laterais em torno da freqüência de comutação e seus múltiplos As amplitudes dos harmônicos são independentes do índice de modulação de freqüência (m f ), se m f for de valor elevado (m f > 10) O índice de modulação de freqüência deve ser um número inteiro para evitar o surgimento de subharmônicos (sinais senoidais com freqüência menor que a freqüência fundamental) Máxima amplitude da componente fundamental de tensão é limitada SOBREMODULAÇÃO (m a > 1) Aumentar a amplitude da fundamental de tensão Fundamental de tensão não varia linearmente com o índice de modulação de amplitude Tensão de saída apresenta uma maior quantidade de harmônicos 18

19 Estratégias de modulação ( v o ) 1 E 2 Fonte: Mohan, Undeland, Robbins, Power Electronics, Second edition. 19

20 Estratégias de modulação m a = 0,95 m f = 20 f s = 1200 Hz Harmônicas dominantes da tensão de saída estão concentradas em torno da freqüência de comutação 20

21 Estratégias de modulação m a = 2 m f = 20 f s = 1200 Hz Harmônicas dominantes em baixa freqüência (difícil filtragem) 21

22 Bibliografia D. C. Martins, I. Barbi, Introdução ao Estudo dos Conversores CC-CA M. H. Rashid, Eletrônica de Potência: Circuitos, Dispositivos e Aplicações Mohan et. all., Power Electronics: Converters, applications and design, Second edition A. Ahmed, Eletrônica de Potência Batschauer, A. L. Inversor Multiníveis Híbrido Trifásico Baseado em Módulos Meia-Ponte, Tese de Doutorado 22

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