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

Transcrição

1 Eletrônica de Potência II Capítulo 4: Inversor meia-ponte 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 Inversor (v, f ) 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

3 Introdução E 1 Conversor CC-CA (v, f ) 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 Os inversores têm sido usados em diversas aplicações, entre elas: acionamento de motores de indução, fontes ininterruptas de energia, etc. Podem ser alimentados em tensão (VSI) ou corrente (CSI), monofásicos ou trifásicos, dois níveis ou multiníveis, baixa ou alta freqüência. 3

4 Inversores alimentados em tensão Inversores monofásicos Meia-ponte (half-bridge) Ponte-completa (full-bridge) Push-pull Inversores trifásicos 4

5 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, pois o nível de tensão na carga é duas vezes menor que a topologia inversora em ponte completa (com mesma tensão do barramento) ou, de outra forma, os interruptores tem que suportar o dobro da tensão (com os mesmos níveis de tensão de saída) 5

6 Estados de comutação Estado S 1 S Tensão 1 ON OFF E/ OFF ON -E/ Estado 1 i o > 0 i o < 0 6

7 Estados de comutação Estado S 1 S Tensão 1 ON OFF E/ OFF ON -E/ Estado i o > 0 i o < 0 7

8 Etapas de operação (Carga RL) 1ª etapa: O interruptor S 1 é acionado, enquanto S permanece bloqueado. A tensão nos terminais da carga RL é E/. Durante esta etapa a fonte CC entrega energia à carga. A corrente de saída i o cresce exponencialmente. E dio = Ri o ( t ) + L dt ( t ) T t E E 1 e τ τ io ( t ) = 1 e e T R R 1+ e τ t τ onde: τ = L R 8

9 Etapas de operação (Carga RL) ª etapa: Em t = T/, o interruptor S 1 é bloqueado e o interruptor S 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 D, transferindo a energia armazenada no indutor para a fonte CC. A tensão nos terminais da carga RL é -E/. A corrente de saída i o decresce exponencialmente. E dio ( t Ri ) o ( t ) L dt = + T t E E 1 e τ τ io ( t ) = 1 e + e T R R 1+ e τ t τ 9

10 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. 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/. Nesta etapa a carga recebe energia da fonte de alimentação CC. E dio ( t Ri ) o ( t ) L dt = + T t E E 1 e τ τ io ( t ) = 1 e + e T R R 1+ e τ t τ 10

11 Etapas de operação (Carga RL) 4ª etapa: Em t = T, o interruptor S 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/. 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 dt T t E E 1 e τ τ io ( t ) = 1 e e T R R 1+ e τ t τ 11

12 Formas de onda (Carga RL) 1

13 Estratégias de modulação ONDA QUADRADA 0 < t < T/ S 1 está ligada, e S está desligada (v o = E/) T/ < t < T S 1 está desligada, e S está ligada (v o = -E/) Razão cíclica (D) de todas 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 0,6366E ( v ) o h ( vo ) 1 = THD v(%) = 48,34% h 13

14 Estratégias de modulação PWM SENOIDAL DOIS NÍVEIS v ref > v tri v o = E/ (S 1 ON) v ref < v tri v o = -E/ (S ON) v ref E V = onde: m = ref a V ( v o ) 1 m a (para m a 1) v tri m f = V tri f s f 1/f s 14

15 Estratégias de modulação v ref v tri (v o ) 1 E/ 0 -E/ 15

16 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 16

17 Estratégias de modulação ( v o ) 1 E Fonte: Mohan, Undeland, Robbins, Power Electronics, Second edition. 17

18 Estratégias de modulação m a = 0,95 m f = 0 f s = 100 Hz Harmônicas dominantes da tensão de saída estão concentradas em torno da freqüência de comutação 18

19 Estratégias de modulação m a = m f = 0 f s = 100 Hz Harmônicas dominantes em baixa freqüência (difícil filtragem) 19

20 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 0