Tópicos Especiais em Energia Elétrica (Projeto de Inversores e Conversores CC-CC)

Transcrição

1 Departamento de Engenharia Elétrica Tópicos Especiais em Energia Elétrica () Aula 4.1 Princípio de Operação dos Inversor Prof. João Américo Vilela

2 Introdução 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. V t Onda quadrada

3 Introdução Um inversor pode apresentar diferentes formas de onda da tensão de saída em função da forma de operação e de sua característica construtiva. V V Trapezoidal t V V Senoidal t t t Onda quadrada Multi-nivel

4 Inversor Monofásico 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

5 Inversor Monofásico 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 representando os interruptores e os diodos em anti-paralelo. Estrutura básica do inversor de tensão em ponte completa

6 Inversor Monofásico As etapas de operação desse inversor 1ª Etapa) S 1 e S 2 conduzem e S 3 e S 4 estão bloqueadas. Estrutura básica do inversor de tensão em ponte completa Forma de onda da tensão na carga.

7 Inversor Monofásico As etapas de operação desse inversor 2ª Etapa) S 3 e S 4 conduzem e S 1 e S 2 estão bloqueadas. Estrutura básica do inversor de tensão em ponte completa Forma de onda da tensão na carga.

8 Inversor Monofásico 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.

9 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).

10 Modulação triangular E/2 T A + V Controle t A D A+ E/2 T A - V A0 E/ V A 0 E(2D 1) D A O valor médio de V AO é positivo -E/2

11 Modulação triangular E/2 T A + V Controle t A D A+ E/2 /2 V A0 E/2 T A D A E/2 V A 0 E(2D 1) O valor medio de V AO é zero

12 Modulação triangular E/2 T A + V Controle t A D A+ E/2 V A T A - 0 E(2D 1) D A - V A0 E/ O valor médio de V AO é negativo -E/2

13 Modulação PWM Senoidal dois níveis Modulação PWM senoidal a dois níveis V C V PT E tempo V AO - E T /2 T tempo T1T2T3

14 Modulação PWM Senoidal dois níveis E V AO - E

15 Modulação PWM Senoidal dois níveis a) Forma de onda da tensão na saída do inversor, antes do indutor; b) Sinal modulante senoidal e moduladora triangular.

16 Modulação PWM Senoidal dois níveis a) Forma de onda da tensão na saída do inversor e corrente no indutor; b) Sinal modulante senoidal e moduladora triangular.

17 Modulação PWM Senoidal dois níveis a) Forma de onda da tensão na saída do inversor e corrente no indutor; b) Sinal modulante senoidal e moduladora triangular.

18 Modulação PWM Senoidal dois níveis Modulação PWM senoidal a dois níveis Durante o semiciclo positivo (S 3 e S 4 permanecem bloqueada) Se V seno > V tri, então S 1 e S 2 em condução => Vo = E Se V seno < V tri, então S 1 e S 2 bloqueado => D 3, D 4 em condução Vo = -E

19 Modulação PWM Senoidal dois níveis Modulação PWM senoidal a dois níveis Durante o semiciclo negatico (S 1 e S 2 permanecem bloqueada) Se V seno < V tri, então S 3 e S 4 em condução => Vo = -E Se V seno > V tri, então S 3 e S 4 bloqueado => D 1, D 2 em condução Vo = E

20 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).

21 Modulação PWM Senoidal três 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 180 o uma em relação a outra. Assim, o comando das chaves S 1 e S 4 é obtido comparando a onda portadora triangular V tri com a onda moduladora senoidal V seno1. Já o comando das chaves S 2 e S 3 é obtido através da comparação de V tri com a onda moduladora senoidal complementar V seno2.

22 Modulação PWM Senoidal três níveis Modulação PWM senoidal a três níveis V CA V CB V A0 E/2 -E/2 V B0 E V AB -E tempo - E

23 Modulação PWM Senoidal três níveis Etapas de operação do inversor monofásico em ponte completa 1º Etapa 2º Etapa 3º Etapa 4º Etapa

24 Modulação PWM Senoidal três níveis Etapas dos semiciclo negativo de operação 5º Etapa 6º Etapa 7º Etapa 8º Etapa

25 Modulação PWM Senoidal três níveis Forma de onda da modulação, da corrente no indutor e da corrente no capacitor

26 Modulação PWM Senoidal três níveis Modulação PWM senoidal a três níveis Lógica de controle da modulação a três níveis Se V seno1 > V tri, então S 1 em condução => V AN = E/2; Se V seno1 < V tri, então S 4 em condução => V AN = -E/2; Se V seno2 > V tri, então S 3 em condução => V BN = E/2; Se V seno2 < V tri, então S 2 em condução => V BN = -E/2;

27 Modulação PWM Senoidal três níveis Durante o semiciclo positivo (S 3, S 4 permanecem bloqueado) V AN = E/2 ; V BN = -E/2 => V 0 = E => S 1 e S 2 em condução; V AN = E/2 ; V BN = E/2 => V 0 = 0 => S 2 bloqueado e S 1, D 3 em condução; V AN = -E/2 ; V BN = -E/2 => V 0 = 0 => S 1 bloqueado e S 2, D 4 em condução; Durante o semiciclo negativo (S 1, S 2 permanecem bloqueado) V AN = -E/2 ; V BN = E/2 => V 0 = -E => S 3 e S 4 em condução; V AN = -E/2 ; V BN = -E/2 => V 0 = 0 => S 3 bloqueado e S 4 D 2 em condução; V AN = E/2 ; V BN = E/2 => V 0 = 0 => S 4 bloqueado e S 3, D 1 em condução.

28 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.

29 Modulação PWM Senoidal três níveis

30 Modulação PWM Senoidal três níveis a) Forma de onda da tensão na saída do inversor, antes do indutor; b) Sinais modulantes senoidal defasados de 180º e moduladora triangular.

31 Modulação PWM Senoidal três níveis a) Forma de onda da tensão na saída do inversor e corrente no indutor; b) Sinais modulantes senoidal defasados de 180º e moduladora triangular.

32 Modulação PWM Senoidal três níveis a) Forma de onda da tensão na saída do inversor e corrente no indutor; b) Sinais modulantes senoidal defasados de 180º e moduladora triangular.

33 Modulação triangular com dente de serra três níveis

34 Modulação triangular com dente de serra três níveis

35 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.

36 Modulação triangular com dente de serra três níveis

37 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. E/2 -E/2 E/2 V A0 V B0 V A (t) V C (t)) V B (t ) -E/2 E/2 V AB (V AB ) 1 -E/2 0.8 Tempo

38 Inversor Trifásicos Inversor trifásico com modulação PWM senoidal a dois níveis 100 Ia Ib Ic Corrente na saída do inversor Time (s)

39 Inversor Trifásicos Inversor trifásico com modulação PWM senoidal a dois níveis Vra Vrb Vrc Vtri V V V Time (s) Sinais modulantes e a tensão fase terra na saida do inversor

40 Vra Vrb Vrc Vtri Inversor Trifásicos Inversor trifásico com modulação PWM senoidal a dois níveis Vab Vbc Vca Time (s) Sinais modulantes e a tensão de linha na saida do inversor

41 I(RL1a) I(RL1b) I(RL1c) 40 Inversor Trifásicos Inversor trifásico com modulação PWM senoidal a dois níveis Vab Vbc Vca Time (s) Corrente na saída do inversor e a tensão de linha na saida do inversor

42 Inversor Trifásicos Inversor trifásico com modulação PWM senoidal a dois níveis Ia Vtri Vra V Time (s) Corrente de linha, sinal modulante e tensão fase neutro.

43 Operação dos Inversores Geração dos pulsos na modulação PWM Necessidade de tempo morto no braço inversor