Estágio Inversor Para Nobreaks

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1 Estágio Inversor Para Nobreaks Departamento de Pesquisa e Desenvolvimento - CP Eletrônica S.A. Rua da Várzea 379 CEP: Porto Alegre RS Brasil Fone: (51) Fax: (51) saccol@cp.com.br, bonan@cp.com.br, gustavo@cp.com.br 1. Introdução O objetivo deste artigo é apresentar as principais configurações para o estágio inversor de um sistema ininterrupto de energia o Inversor. Abordando em uma linguagem clara os principais conceitos e topologias de inversores aplicados em nobreaks. Focado em um público técnico, o texto visa preencher lacuna existente na literatura quando tratamos de inversores e a distinção técnica entre topologias aplicadas em nobreaks. 2. O Inversor O inversor é um conversor de potência capaz de converter uma tensão contínua em alternada. Este conversor opera através de uma específica seqüência de disparo dos interruptores de potência, como IGBTs, MOSFETs, etc. A nomenclatura mais adequada ao estágio inversor é conversor CC/CA, porém a sua terminologia mais difundida é inversor. Nos equipamentos que operam com dupla conversão de energia, de acordo com a NBR 15014:2003 [1], o inversor realiza o segundo estágio de conversão, de CC para CA. Desta forma, está sempre operando, seja no modo rede ou no modo bateria. O primeiro estágio de conversão, de CA para CC, é uma tarefa do retificador [2]. A Figura 2.1 ilustra a topologia de nobreak on-line dupla conversão, ressaltando o estágio inversor. ~ RETIFICADOR ~ INVERSOR CHAVE ~ MODO REDE MODO BATERIA CARREGADOR BATERIAS Figura Topologia on-line dupla conversão conforme NBR O conjunto retificador/inversor gera na saída uma tensão com amplitude e freqüência controladas, totalmente independente da tensão e freqüência da rede de alimentação da entrada, caracterizando o nobreak on-line dupla conversão. O inversor, portanto, absorve e transfere a potência do barramento CC, proveniente do estágio retificador, para a saída, convertendo a tensão contínua em alternada. O barramento CC forma o que é chamado de elemento tanque de energia desacoplando a entrada da saída.

2 Existem basicamente dois tipos de inversores, que são os inversores de tensão e os inversores de corrente [3]. O primeiro converte a tensão contínua em tensão alternada. Já o inversor de corrente converte a corrente contínua em corrente alternada. O inversor de corrente se destina a aplicações específicas, sendo pouco utilizado. Já o inversor de tensão é largamente utilizado. O inversor de tensão pode ser entendido como uma fonte de tensão alternada controlada, que retira energia de uma fonte de tensão contínua, como baterias ou saída de algum estágio retificador, transferindo à carga. Esta mudança na forma de tensão, de contínua para alternada, é possível devido às comutações dos estados de condução dos interruptores de potência. A Figura 2.2 ilustra o conceito básico envolvido na conversão de tensão CC/CA. FONTE CC DE ENTRADA INVERSOR DE TENSÃO SAÍDA CA Vcc Vca Figura 2.2 conceito básico da conversão de tensão CC/CA. 3. Topologias de Inversores Utilizadas em Nobreaks Diversas topologias podem ser utilizadas para a geração do circuito inversor em um nobreak. Porém, algumas são preferidas em relação às outras por fatores como desempenho técnico e impacto econômico. A seguir serão apresentadas algumas das topologias de inversores mais usadas em nobreaks. Serão feitas comparações de esforços de tensão e corrente entre algumas topologias, considerando mesmos níveis de tensão e corrente na carga. 3.1 Inversor Push-Pull O circuito inversor Push-Pull foi uma das primeiras topologias de inversores utilizadas industrialmente [3]. Esta topologia é mais bem adaptada às baixas potências e baixas freqüências de chaveamento, sendo empregada em muitos nobreaks do tipo Stand-By. A seqüência de condução alternada dos interruptores S1 e S2, vistos na Figura 3.1, garante uma tensão alternada em virtude do transformador de duplo enrolamento primário. Esses interruptores podem ser IGBTs, MOSFETs, BJTs, etc. Os diodos D1 e D2 são inseridos para garantir a continuidade da corrente nos enrolamentos primários devido à carga indutiva na saída ou aos instantes intermediários ao disparo de um ou outro interruptor. Figura Circuito inversor Push-Pull. As etapas de operação do inversor Push-Pull podem ser vistas na Figura 3.2. CP Eletrônica S.A. 2

3 + E - + E - - E + - E + Figura 3.2 Etapas de operação do inversor Push-Pull com transformador de relação unitária. Suas principais características são: Necessita de transformador, sendo este com ponto médio no primário; Utiliza apenas uma fonte CC; A saída CA é galvanicamente isolada da fonte CC; Os interruptores de potência e a fonte CC estão na mesma massa, facilitando o projeto dos drivers (circuitos de acionamento) dos interruptores; Tensão máxima nos interruptores igual ao dobro da tensão da fonte CC. Para o inversor Push-Pull, a tensão máxima nos interruptores controlados é: V S max = 2 E, onde E é a tensão da fonte CC. Seja a relação de transformação do transformador: N3 N3 a = =. N1 N 2 A corrente máxima nos interruptores será a corrente de pico da carga refletida ao primário do transformador, ou seja: I I = O _ pk S max a. 3.2 Inversor Meia Ponte O inversor meia ponte apresenta apenas um braço inversor, ou seja, conjunto de interruptores que operam de forma complementar. A estrutura de potência, em sua configuração básica, pode ser vista na Figura 3.3 (a), onde há duas fontes CC formando um barramento CC duplo. Estas fontes podem ser substituídas por um divisor capacitivo, a partir de uma única fonte CC, como ilustrado na Figura 3.3 (b) CP Eletrônica S.A. 3

4 (a) (b) Figura Circuitos do inversor meia ponte. (a) com dupla fonte CC e (b) com fontes CC obtidas a partir de divisor capacitivo. As etapas de operação do inversor meia ponte podem ser vistas na Figura E + + E - + E - - E + Figura 3.4 Etapas de operação do inversor meia ponte. As principais características do inversor meia ponte são: Usa apenas um braço inversor, constituído de dois interruptores que operam de forma complementar; O comando dos interruptores exige, pelo menos, uma fonte isolada ou circuito bootstrap; Comando complementar de apenas dois interruptores; Exige barramento CC dividido ou duas fontes CC, com tensão total equivalente ao dobro da tensão de pico de saída; Modulação em dois níveis; Pode operar sem transformador isolador quando empregado em nobreak on-line dupla conversão; Tensão máxima nos interruptores igual tensão total do barramento, ou seja, 2E. Para o inversor meia ponte, a tensão máxima nos interruptores controlados é: V S max = 2 E, onde E é a tensão de cada fonte individual do barramento CC. A corrente máxima nos interruptores será a corrente de pico da carga, ou seja: I = S I. max O _ pk Nota-se que os esforços de tensão e corrente são os mesmos do inversor Push-Pull, quando este possuir transformador de relação unitária. CP Eletrônica S.A. 4

5 3.3 Inversor Ponte Completa O inversor ponte completa opera com dois braços inversores. A estrutura básica pode ser vista na Figura 3.5, onde há uma fonte CC e dois braços inversores. Esta estrutura exige o comando de quatro interruptores, sendo que dois necessitam de fonte isolada ou circuito bootstrap para seu acionamento. Apesar de um maior número de interruptores, com dois braços inversores, há a vantagem de uso de uma fonte CC única e de menor tensão, quando comparado ao inversor meia ponte. Figura 3.5 Circuito do inversor ponte completa. Quando o inversor ponte completa operar em nobreak on-line dupla conversão exigirá obrigatoriamente o uso de transformador isolador (na entrada ou na saída do nobreak) devido à ligação da chave de transferência estática, em decorrência da conexão do neutro da rede com a carga. As etapas de operação do inversor ponte completa, tanto para modulação em dois níveis quanto para modulação em três níveis, podem ser vistas na Figura E - - E + + E - V = 0 - E + + E - - E + V = 0 (a) (b) Figura Etapas de operação para (a) modulação em dois níveis e (b) modulação em três níveis. O inversor ponte completa possui uma característica interessante que é a possibilidade de etapas de tensão nula na carga, sem interrupção de corrente. Estas etapas possibilitam a operação com modulação em três níveis, garantindo três níveis (+E, 0 e E) de tensão na carga. As principais características do inversor ponte completa são: Usa dois braços inversores; Circuito de comando para quatro interruptores, com pelo menos duas fontes isoladas ou circuitos bootstrap; Comando complementar de dois pares de braços inversores; Barramento CC único, com tensão CC igual ao pico da tensão de saída; Possibilidade de modulação em dois ou três níveis; Necessidade de transformador isolador quando empregado em nobreak on-line dupla conversão; CP Eletrônica S.A. 5

6 Tensão máxima nos interruptores igual à tensão do barramento CC. Menor estresse de tensão nos interruptores. Para o inversor ponte completa, a tensão máxima nos interruptores controlados é: V S max = E, onde E é a tensão do barramento CC. A corrente máxima nos interruptores é a mesma corrente de pico na carga, ou seja: I = S I. max O _ pk O inversor ponte completa apresenta menor estresse de tensão nos interruptores controlados quando comparado com os inversores Push-Pull e meia ponte. O estresse de corrente é simular aos anteriores, sob as condições de análise já mencionadas. 3.4 Formas de Onda dos Inversores Monofásicos As formas de onda de tensão e corrente na carga, para uma carga RL (R = 10 Ω L = 15,92 mh) para um inversor monofásico com modulação em dois níveis, podem ser vistas na Figura 3.7. Estes dados foram obtidos através de simulação numérica, servindo para ilustrar o funcionamento das topologias monofásicas apresentadas, ou seja, inversor push-pull, inversor meia ponte ou do inversor ponte completa. O inversor opera na saída com uma onda retangular de amplitude de 200 V e freqüência de 60 Hz. A tensão eficaz de saída é de 200 V, sendo 180 V na freqüência fundamental. A carga total é de 2540 W, sendo 2384 W na freqüência fundamental. Tensão na carga Corrente na carga Figura 3.7 Tensão e corrente na saída do inversor Push-Pull. A Figura 3.8 apresenta resultado de simulação para o inversor ponte completa utilizando modulação a três níveis. Nota-se que a tensão da carga apresenta patamares de tensão de +E, 0 e E. A carga é a mesma da simulação anterior, mas a tensão eficaz na carga é 160 V, a potência total é de 1715 W, sendo 1711 W na freqüência fundamental. Tensão na carga Corrente na carga Figura 3.8 Tensão e corrente na carga para o inversor ponte completa operando com modulação de três níveis. CP Eletrônica S.A. 6

7 3.5 Comparação Entre Inversores Monofásicos Os três tipos de inversores monofásicos apresentados têm suas características resumidas de acordo com o quadro comparativo visto na Tabela 3.1. Tabela 3.1 Comparação entre alguns inversores de tensão monofásicos. Característica Push-Pull Meia Ponte Ponte Completa Número de interruptores controlados Barramento CC Simples Duplo Simples Tensão máxima nos interruptores 2 E 2 E E Corrente de pico nos interruptores I O _ pk a I O _ pk I O _ pk Uso de transformador Sempre Não necessário Necessário em nobreak on-line dupla conversão Circuito de comando Simples, referência na mesma massa Simples com uma fonte isolada Duplo com duas fontes isoladas Modulação Dois níveis Dois níveis Dois ou três níveis 3.6 Inversores Trifásicos A utilização de nobreaks monofásicos como fonte ininterrupta para alimentação de grandes cargas não é a melhor opção. Em geral, para potências superiores a 15 kva os nobreaks monofásicos não são a alternativa mais atrativa. A partir desta faixa de potência as estruturas trifásicas começam a ser mais atrativas. Há diversas formas de se obter os inversores de tensão trifásicos, que são empregados em nobreaks trifásicos, porém a forma mais simples e conhecida é com o uso de três braços inversores, de acordo com a Figura 3.9 a seguir. Figura 3.9 Topologia de inversor trifásico. CP Eletrônica S.A. 7

8 O inversor trifásico opera como se fosse constituído de três inversores meia ponte, onde cada um modula uma tensão alternada defasada de 120 elétricos em relação às outras. Na Figura 3.10 podem ser vistas as tensões de fase para uma carga conectada em estrela, de acordo com uma simulação numérica. Figura 3.10 Tensões de fase para uma carga conectada em estrela. No inversor trifásico, do mesmo modo que no inversor ponte completa monofásico, a tensão que surge entre dois braços inversores acaba sendo sempre modulada em três níveis, como pode ser visto na Figura Figura 3.11 Tensões de linha para uma carga conectada em estrela. Para o inversor trifásico, a tensão máxima nos interruptores controlados é: V S max = E, onde E é a tensão do barramento CC. A corrente máxima nos interruptores é a mesma corrente de pico extraída do braço inversor, que para uma carga conectada em estrela também é a mesma corrente de pico na carga, ou seja: I = S I. max O _ pk Dependendo da estrutura de nobreak trifásico a ser utilizado podem ser empregados dois tipos de inversores de tensão, que diferem basicamente quanto ao barramento CC e ligação do neutro. Estas duas topologias são apresentadas a seguir Com barramento CC Único Esta estrutura é empregada em aplicações onde há um transformador trifásico isolador ligado na saída do nobreak. O barramento CC é obtido a partir de uma fonte CC única, como retificador trifásico ou baterias. O neutro da carga é conectado ao neutro da conexão estrela do secundário do transformador isolador. Esta topologia pode ser visualizada na Figura CP Eletrônica S.A. 8

9 TRANSFORMADOR /Y Figura 3.12 Inversor trifásico com saída isolada e barramento CC único Com barramento CC Dividido (Neutro Acessível) Quando o transformador isolador estiver presente na entrada do nobreak, ou mesmo quando o barramento CC for proveniente de um retificador controlado de alto fator de potência, a conexão do neutro da carga pode ser feita de acordo com a Figura Nesta ligação o barramento CC é dividido, o circuito opera como três inversores meia ponte. Figura Inversor trifásico sem transformador isolador. 4. Técnica de Modulação O nobreak pode ser entendido como uma fonte de tensão ininterrupta. Sendo assim, seu objetivo principal é fornecer energia sem interrupções, dentro de certas especificações, tais como, valor eficaz da tensão, freqüência, distorção harmônica, etc. Os requisitos da carga, quanto distorção harmônica, freqüência e valor eficaz de tensão são bastante rígidos, sendo que um inversor de tensão com saída em onda retangular atenderia estas exigências sob pena de uso de filtros muito volumosos e pesados. Para fugir deste problema e cumprir as exigências da carga se faz necessário o uso de uma técnica de modulação em alta freqüência. O uso da modulação aliada ao filtro de saída do inversor garante uma tensão de saída senoidal, com baixíssima distorção harmônica, regulação do valor eficaz e ajuste da freqüência garantidos pelo sistema de controle do nobreak. 4.1 Modulação PWM A modulação é um processo de variação de um sinal modulador, àquele que se deseja reproduzir, através da influência de um sinal portador ou onda de transporte [4]. Nos conversores eletrônicos de potência, dentre estes se encontram os inversores, a modulação empregada é, em geral, a modulação por largura de pulso (MLP), muito conhecida por sua sigla em inglês PWM (pulse-width modulation). Os conversores de potência operam com comutação de estados, ou seja, seus interruptores alteram os estados entre a condição de condução e bloqueio, sendo que idealmente não há estados intermediários. Desta forma, a modulação PWM opera na essência dos conversores de potência, pois CP Eletrônica S.A. 9

10 tem como resultado os pulsos de comando dos interruptores. Estes comutam entre os estados de condução e bloqueio, assim como os pulsos da modulação PWM. Há várias formas de se obter a modulação PWM [5]. Uma das mais conhecidas é através da comparação da onda moduladora com a portadora. A Figura 4.1 ilustra a modulação PWM obtida dessa forma. moduladora V mod moduladora + + V tri + _ portadora triangular PWM portadora comparação Pulsos PWM Figura 4.1 Formação dos pulsos de comando com modulação PWM. Quando a onda moduladora é uma senóide, a modulação PWM é conhecida como modulação PWM senoidal. A modulação PWM senoidal é utilizada nos inversores para que em sua saída seja obtida uma tensão senoidal. A Figura 4.2 ilustra a modulação PWM senoidal. Portadora triangular Moduladora senoidal Pulsos de comando Tensão de saída fase R Figura 4.2 Modulação PWM senoidal. Uma das vantagens da modulação PWM senoidal é que o espectro das componentes harmônicas da tensão é deslocado para freqüências mais elevadas, como pode ser visto na Figura 4.3, onde pode ser visto o espectro harmônico das tensões de saída de um inversor com modulação PWM senoidal e também de um inversor de onda retangular. Tensão de saída com modulação PWM senoidal fundamental (a) Deslocamento dos componentes harmônicos Tensão de saída com onda quadrada fundamental (b) Figura 4.3 Espectro harmônico da tensão de saída. (a) modulação PWM senoidal e (b) onda retangular. CP Eletrônica S.A. 10

11 O deslocamento do espectro harmônico beneficia a filtragem, pois causa diminuição de peso e volume do filtro. Desta forma se obtém um nobreak leve e compacto, com tensão de saída de alta qualidade, com baixíssima distorção harmônica. 5. Filtragem da Tensão de Saída Independente da estratégia de modulação aplicada ao inversor, a tensão presente na saída do braço inversor será constituída por pulsos retangulares que variam entre uma tensão máxima e mínima. Para algumas aplicações, como em nobreaks, esta tensão chaveada ou comutada não é adequada à alimentação das cargas, pois apresenta grande distorção harmônica. Nesta situação é necessário o uso de um filtro para diminuir ou eliminar as componentes harmônicas indesejadas. Desde que seja feita de forma apropriada, a modulação não introduz freqüências harmônicas inferiores à fundamental. Desta forma, o tipo de filtro mais adequado aos inversores é o passa-baixa, eliminando as freqüências harmônicas superiores à fundamental. INVERSOR DE TENSÃO FILTRO LC L F C F BANDA PASSANTE DO FILTRO HARMÔNICOS ELIMINADOS Figura 5.1 Filtro passa-baixa e seu efeito no espectro harmônico Existem diversas topologias de filtros passivos passa-baixa, porém o filtro LC, de segunda ordem, é o mais difundido e utilizado [3]. Esta topologia é utilizada por sua eficiência e baixo número de componentes. O filtro LC e seu comportamento em freqüência podem ser vistos na Figura 5.1. Os resultados da simulação numérica, apresentados na Figura 5.2, ilustram o efeito do filtro quando aplicado na modulação PWM em um inversor. A tensão de saída do inversor apresentava uma distorção harmônica da ordem de 96% antes da filtragem, passando para 0,2% após a filtragem. Há três fatores importantes no projeto do filtro do inversor, que são: freqüência de corte, regulação de tensão e corrente a vazio. A freqüência de corte deve ser o mais baixa possível, porém superior à freqüência de saída, para que o filtro não atenue a própria tensão de saída. A combinação paramétrica de L f e C f determina a freqüência de corte do filtro da seguinte forma: 1 fo =. 2π L C f f Onde f o é a freqüência de corte do filtro de saída. CP Eletrônica S.A. 11

12 Tensão no braço inversor Espectro harmônico da tensão no braço inversor Espectro harmônico da tensão Filtrada Tensão Filtrada Figura 5.2 Tensão de saída do inversor e espectro harmônico antes e após a filtragem. O parâmetro responsável pela regulação de tensão é L f, o indutor do filtro, pois a corrente da carga, ao circular por este, causa uma queda de tensão devido à impedância do indutor na freqüência de saída do inversor. Desta forma, quanto menor for o valor da indutância do filtro, menor será a queda de tensão, ou regulação, necessária para manter a tensão de saída em valores aceitáveis. A corrente que circula pelo inversor em vazio é um efeito relativo ao capacitor de filtragem. Quanto maior for o valor da capacitância do filtro, maior será a corrente em vazio do inversor. Embora esta corrente não transmita potência ativa à saída, ela acaba consumindo potência ativa da entrada, pois causa perdas nos semicondutores de potência do inversor. Logo, a corrente em vazio deve ser mantida o menor possível. Para tanto, o valor da capacitância do filtro deve ser reduzido ao máximo. Há um compromisso e, ao mesmo tempo, uma divergência entre os valores de indutância do filtro e capacitância, pois a freqüência de corte do filtro depende da relação entre as duas. A regulação exige um indutor com valor reduzido. Em contrapartida, o valor da capacitância também deve ser reduzido para diminuir a corrente em vazio. A redução do valor destes dois parâmetros aumenta a freqüência de corte do filtro, o que é indesejado. A Figura 5.3 apresenta as formas de onda de tensão de um nobreak da linha Breakless New. Seu estágio inversor é composto por inversor meia ponte com modulação PWM senoidal em dois níveis. Pode ser percebido o efeito da filtragem da tensão de saída, com eliminação das harmônicas de alta ordem e permanência apenas da componente fundamental, puramente senoidal. Figura 5.3 Formas de onda de tensão para modulação dois níveis, obtida do estágio inversor de um nobreak da linha Breakless New. A Figura 5.4 apresenta as formas de onda de tensão do estágio inversor de um nobreak da linha Trunny. Seu inversor usa a topologia ponte completa, o esquema de modulação usado é PWM senoidal CP Eletrônica S.A. 12

13 em três níveis. Também nota-se o efeito da filtragem através da permanência apenas da tensão fundamental, puramente senoidal. Figura 5.4 Formas de onda de tensão para modulação três níveis, obtida do estágio inversor de um nobreak da linha Trunny. 6. Conclusão Neste artigo foram apresentadas algumas das principais topologias de inversores utilizados nas fontes ininterruptas, conhecidas como nobreaks. Os nobreaks do tipo on-line dupla conversão são identificados por duas conversões de energia. Os inversores formam o segundo estágio de conversão de energia, de CC para CA. O primeiro estágio, de CA para CC, é uma tarefa dos retificadores. Algumas diferenças entre as topologias utilizadas em nobreaks monofásicos foram apresentadas de forma comparativa. Estas topologias são escolhidas de acordo com alguns fatores como potência, limites de esforços de tensão e corrente nos interruptores, peso, volume e custo dos equipamentos. Também foram apresentadas algumas das formas de se obter inversores trifásicos, sendo utilizados em nobreaks com ou sem transformador isolador. A modulação PWM foi abordada de forma simples, para ilustrar como funciona este esquema de modulação amplamente utilizado em nobreaks com saída senoidal. Além disso, abordou-se a filtragem da tensão na saída do inversor, eliminando-se os componentes harmônicos indesejados para que seja entregue à carga apenas uma tensão puramente senoidal. 7. Referências [1] NBR 15014:2003 Conversor e semicondutor Sistema de alimentação de potência ininterrupta, com saída em corrente alternada (nobreak) Terminologia. [2] BONAN, G., GABIATTI, G. e MARTINS, A. S., Estágio Retificador Para Nobreaks [3] MARTINS, D. C. ; BARBI, I. Eletrônica de Potência: Introdução ao Estudo dos Conversores CC-CA. 02. ed. Florianópolis: Edição dos Autores, v p. [4] GOMES, A. T. Telecomunicações : transmissão, recepção, AM-FM sistemas pulsados. 2. ed. São Paulo: Livros Erica, p. [5] PERIN, A. J. Curso - Modulação PWM. Publicação Interna, INEP/EEL/UFSC. Florianópolis, SC, CP Eletrônica S.A. 13