AEM. Acionamento Eletrônico de Máquinas Elétricas INVERSORES MONOFÁSICOS

Transcrição

1 AEM Acionamento Eletrônico de Máquinas Elétricas INVERSORES MONOFÁSICOS Professor Ms :Volpiano

2 MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO PWM Regulador linear Vantagem do conversor chaveado sobre o regulador linear Para os dois circuitos deseja-se manter constante o valor médio da tensão na carga, quando a resistência R1 variar. Condições de análise: A tensão de entrada V1 é constante e a tensão na saída deve ser igual a metade da tensão de entrada. No caso do regulador linear, a diferença entre a tensão de entrada e a tensão na saída é dada pela queda de tensão sobre o resistor RP. Neste caso a potência dissipada no resistor RP será igual a potência fornecida para a carga. Apenas a metade da potência fornecida pela fonte é entregue para a carga, deste modo o rendimento deste regulador será igual a 50% Regulador Chaveado Para o regulador chaveado admitindo chave ideal, a perda na chave será igual a zero e a fonte de entrada V1 somente fornecerá para o circuito a potência transferida para a carga. O rendimento teórico será igual a 100%.

3 Exemplo de aplicação Regulador Chaveado Para o circuito representado será admitido chave ideal que modula periodicamente com freqüência f e razão cíclica D conforme gráfico abaixo. VR1 (t) V1 Ton Toff ( 1 D). T 0 D.T T Ton D T Ton D. T De acordo com o modelo apresentado será determinado Toff D' T Toff D'. T Toff as seguintes expressões: 1- Valor médio e eficaz da tensão na carga. - Potência média transferida para a carga. 3- Valores médios da tensão e da corrente na chave S1. 4- Demonstrar que a potência dissipada na chave é igual a zero. (t)

4 Equações: Valor médio e eficaz da tensão na carga VR1 VR1 med med 1 V 1. V1 dt VR1med. dt T T V1 T DT 0. ( DT ) VR1 D. V 1 med DT 0 VR1 med V1. T t DT 0 VR1 VR1 ef ef DT 1 1 V 1 dt VR1ef. V1 dt VR1ef T T 0 1. V 1 D. T VR1ef T D DT. V1 Potência transferida para a carga PR1 ( ) ( ) VR1ef D. V 1 D. ( V 1) R1 PR1 R1 0 PR1 R1 1. V 1 T t DT 0

5 Potência dissipada na chave S1 VR1 (t) Para o intervalo de (0, DT) a tensão sobre a chave é igual a zero e o produto (VS1(t). IS1(t)) é igual a zero. Durante o intervalo (DT, T) a corrente na chave é igual a zero portanto o produto (VS1(t). IS1(t)) também é igual a zero. Desta forma fica demonstrado que a potência dissipada em uma chave ideal é igual a ZERO. Ton Toff 0 VS1(t) D.T T Ton Toff 0 D.T T IS1(t) (t) (t) Ton Toff 0 D.T T (t)

6 EXEMPLO DE APLICAÇÃO Dado o circuito utilizando um modulador chaveado, sabendo que: V1 100V, R1 0Ω, D 0,5 Calcule: a-) A tensão média na carga. b-) A tensão eficaz na carga c-) A potência dissipada na carga. a ) VR1med D. V1 VR1med 0, VR1med 50V b ) VR1ef D. V 1 VR1ef 0, VR1ef 0, VR1ef 70, 7V c ) PR1 ( VR1ef ) ( 70, 7) R1 PR1 0 PR1 50W

7 EXERCÍCIO DE FIXAÇÃO VR1 (t) Ton Toff 0 D.T T (t) O circuito deve fornecer para a carga uma tensão média igual a 150V, a chave S1 opera em uma freqüência de 0kHz, sendo a tensão V1 igual a 00V. Sabendo que a potência dissipada na carga é igual a 300W Calcule: a-) A razão cíclica D. b-) A tensão eficaz na carga. c-) O valor da resistência de carga R1. d-) O valor da corrente média na carga

8 RESOLUÇÃO

9 EXERCÍCIO DE APLICAÇÃO VR1 (t) Ton Toff 0 D.T T (t) O circuito deve fornecer para a carga uma tensão média igual a 150V, a chave S1 opera em uma freqüência de 0kHz, sendo a tensão V1 igual a 00V. Sabendo que a potência dissipada na carga é igual a 300W, R1 100 Ω e a razão cíclica D 0,75 Calcule: a-) A corrente máxima, eficaz e a média na chave S1. b-) A tensão máxima e média na chave S1. c-) O tempo que a chave S1 permanece em condução. d-) O tempo que a chave S1 permanece em corte

10 RESOLUÇÃO

11 MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO PWM A modulação por largura de pulso é uma técnica de controle que permite variar a tensão na carga a partir de uma fonte de tensão contínua constante. O controle consiste em criar uma forma de onda quadrada onde o período (T) e sempre constante e o tempo de onda ligado (Ton) e o tempo de onda desligado (Toff) são modulados. A modulação é feita através da comparação de duas formas de onda, podendo ocorrer as seguintes variações: Comparação de uma onda triângular com um nível de tensão DC variável Comparação de uma onda dente de serra com um nível de tensão DC variável Comparação de uma onda triângular com uma onda senoidal modulante. VR1 (t) Ton Toff 0 D.T T (t)

12 GERADOR DE PWM

13 PWM SENOIDAL No Pwm Senoidal a tensão e a freqüência na carga são definidos pelo controle da onda senoidal modulante. A freqüência de chaveamento é definida pela freqüência da onda triângular chamada de portadora Freqüência na carga 60Hz Freqüência na carga 30Hz

14 COMPARAÇÃO DA ONDA TRIÂNGULAR COM A ONDA (DC) VARIÁVEL

15 RESULTADO DA 1 SIMULAÇÃO

16 COMPARAÇÃO DA ONDA DENTE DE SERRA COM A ONDA (DC) VARIÁVEL

17 RESULTADO DA SIMULAÇÃO

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19 INVERSOR MONOFÁSICO COM PONTO MÉDIO Emprega apenas um braço de chaves de potência sendo mais simples de ser controlado. A tensão aplicada na carga é igual a metade da tensão da fonte

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23 CIRCUITO DO INVERSOR MONOFÁSICO COM PONTO MÉDIO

24 MODULAÇÃO PWM SENOIDAL APLICADA NO INVERSOR MONOFÁSICO COM PONTO MÉDIO A modulação pwm senoidal é gerada através da comparação de uma onda senoidal que pode ter amplitude e período modulado com uma onda triangular chamada de portadora. Freqüência na carga 60Hz

25 EQUAÇÕES DO INVERSOR MONOFÁSICO COM PONTO MÉDIO O valor da freqüência de chaveamento depende do valor da razão de modulação em freqüência (mf) sendo seu valor calculado pela equação: f mf mf f s frequ ência da ondatriângular frequ ência da onda senoidal O valor da tensão aplicada na carga depende do valor da razão de modulação em amplitude (ma). ma V senoidal V triangular O valor da amplitude máxima da fundamental na região de modulação linear (ma < 1) é calculada através da equação. Vdc Vdc V1hmax. ma V1hef.. ma

26 EXEMPLO DE APLICAÇÃO 1 CASO Vdc 400V, Rb Ω, Lb 15mH ma V senoidal V triangular ma 1 sendo mf f f s mf mf 45 CALCULOS ( Rb) + ( w. Lb) Z ( ) + ( π. 60. ( )) Z Z 6 Ω Vdc Vrms.. Vdc ILrms.. Z 400 ( ma) Vrms.( 1).. ( ma) ILrms. ( 1) ILrms 3, 57 A. Vrms 141, 4V

27 VALORES SIMULADOS

28 CASO EXEMPLO DE APLICAÇÃO Vdc 400V, Rb Ω, Lb 15mH ma V senoidal V triangular ma 0, 5 sendo mf f f s mf mf 90 CALCULOS ( Rb) + ( w. Lb) Z ( ) + ( π. 30. ( )) Z Z 3, 46 Ω Vdc Vrms.. Vdc ILrms.. Z 400 ( ma) Vrms.( 0, 5).. ( ma) ILrms. ( 0, 5) ILrms 0, 44 A. 400 Vrms 70, 71V. 3, 46

29 VALORES SIMULADOS

30 INVERSOR MONOFÁSICO EM PONTE

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32 INVERSORES EM PONTE TÉCNICAS DE CONTROLE Para o inversor em ponte monofásica é possível aplicar duas técnicas de controle, uma para o modo de modulação bipolar onde a tensão na carga varia entre valores positivos e negativos conforme o VSI (inversor fonte de tensão) em meia ponte e a outra para o modo de operação unipolar gerando uma seqüência de pulsos de mesma polaridade para cada ciclo da onda da tensão na carga. INVERSOR EM PONTE COM TÉCNICA DE CONTROLE BIPOLAR

33 PWM PARA O MODO DE CONTROLE BIPOLAR

34 PWM PARA O MODO DE CONTROLE BIPOLAR

35 PWM PARA O MODO DE CONTROLE BIPOLAR

36 EQUAÇÕES DO INVERSOR MONOFÁSICO EM PONTE CONTROLE BIPOLAR O valor da freqüência de chaveamento depende do valor da razão de modulação em freqüência (mf) sendo seu valor calculado pela equação: f mf mf f s frequ ência da ondatriângular frequ ência da onda senoidal O valor da tensão aplicada na carga depende do valor da razão de modulação em amplitude (ma). ma V senoidal V triangular O valor da amplitude máxima da fundamental na região de modulação linear (ma < 1) é calculada através da equação. Vdc V1hmax Vdc. ma V1hef. ma

37 EXEMPLO DE APLICAÇÃO 1 CASO Vdc 400V, Rb Ω, Lb 15mH ma V senoidal V triangular ma 1 sendo mf f f s mf mf 45 CALCULOS Vrms ( Rb) + ( w. Lb) Z ( ) + ( π. 60. ( )) Z Z 6 Ω Vdc. Vdc ILrms. Z 400 ( ma) Vrms.( 1). 400 ( ma) ILrms. ( 1) ILrms 47, 14 A Vrms 8, 84V. 6

38 VALORES SIMULADOS

39 CASO EXEMPLO DE APLICAÇÃO Vdc 400V, Rb Ω, Lb 15mH ma V senoidal V triangular ma 0, 5 sendo mf f f s mf mf 90 CALCULOS ( Rb) + ( w. Lb) Z ( ) + ( π. 30. ( )) Z Z 3, 46 Ω Vdc Vrms. Vdc ILrms. Z 400 ( ma) Vrms.( 0, 5). ( ma) ILrms. ( 0, 5) ILrms 40, 87 A Vrms 141, 4V , 46

40 VALORES SIMULADOS

41 INVERSOR EM PONTE COM TÉCNICA DE CONTROLE UNIPOLAR Nesta técnica de controle utilizam-se duas ondas senoidal de controle que podem modular em amplitude e período defasadas em 180.

42 PWM PARA O MODO DE CONTROLE UNIPOLAR

43 CONTROLE UNIPOLAR FORMA DE ONDA DA TENSÃO E DA CORRENTE NA CARGA

44 CONTROLE UNIPOLAR FORMA DE ONDA DA TENSÃO E DA CORRENTE NA CARGA

45 CONTROLE UNIPOLAR FORMA DE ONDA DA TENSÃO

46 EQUAÇÕES DO INVERSOR MONOFÁSICO EM PONTE CONTROLE UNIPOLAR O valor da freqüência de chaveamento depende do valor da razão de modulação em freqüência (mf) sendo seu valor calculado pela equação: f mf mf f s frequ ência da ondatriângular frequ ência da onda senoidal O valor da tensão aplicada na carga depende do valor da razão de modulação em amplitude (ma). ma V senoidal V triangular O valor da amplitude máxima da fundamental na região de modulação linear (ma < 1) é calculada através da equação. Vdc V1hmax Vdc. ma V1hef. ma

47 EXEMPLO DE APLICAÇÃO 1 CASO Vdc 400V, Rb Ω, Lb 15mH ma V senoidal V triangular ma 0, 8 sendo mf f f s mf mf 56 CALCULOS Vrms ( Rb) + ( w. Lb) Z ( ) + ( π. 48. ( )) Z Z 4, 9463Ω Vdc. Vdc ILrms. Z 400 ( ma) Vrms.( 0, 8). ( ma) ILrms. ( 0, 8) ILrms 45, 75 A Vrms 6, 7V , 9463

48 VALORES SIMULADOS

49 EXEMPLO DE APLICAÇÃO CASO Vdc 400V, Rb Ω, Lb 15mH ma V senoidal V triangular ma 0, 4 sendo mf f f s mf mf 11 CALCULOS Vrms ( Rb) + ( w. Lb) Z ( ) + ( π. 4. ( )) Z Z 3, 0Ω Vdc. Vdc ILrms. Z 400 ( ma) Vrms.( 0, 4). ( ma) ILrms. ( 0, 4) ILrms 37, 46 A Vrms 113, 14V , 0

50 VALORES SIMULADOS

51 Referências Bibliográficas Volpiano, Sérgio Luiz. Eletrônica de Potência Aplicada ao Acionamento de Máquinas Elétricas. 1 ed. São Paulo: Editora Senai, p. RASHID, Muhammad H. Eletrônica de Potência: circuitos, dispositivos e aplicações. São Paulo: Makron Books, p. MOHAN, Ned; UNDELAND, Tore M; ROBBINS, William P. Power Electronics: Converters, Applications and Design.. Ed. New York: John Wiley, p