Modulação por Largura de Pulso

Transcrição

1 Modulação por Largura de Pulso Definições: A modulação determina: A frequência dos pulsos de comando A duração dos pulsos de comando A sequência dos pulsos de comando O sincronismo dos pulsos de comando Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Converters 1

2 Modulação por Largura de Pulso Elementos que compõe um modulador: Sinal de Referência; Sinal de Portadora; Modulador Geração de Sinal Complementar Tempo Morto Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno 2

3 Modulação por Largura de Pulso Sinal de Referência: O sinal de referência é o sinal desejado na saída do conversor estático, exemplo: Referência cc Referência Senoidal Referência Trifásica Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno 3

4 Modulação por Largura de Pulso Sinal de Portadora: É o sinal que define a frequência de comutação dos semicondutores e o padrão dos pulsos de comando, exemplo: Portadora dente de serra Portadora Triangular Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno 4

5 Modulação por Largura de Pulso Modulador (Comparador): É o circuito responsável em comparar o sinal de referência com a portadora. A largura do pulso na saída do modulador varia de acordo com a amplitude do sinal de referência em comparação com o sinal portador. Tem-se assim a modulação por largura de pulso PWM, do inglês Pulse Width Modulation Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno 5

6 Modulação por Largura de Pulso Modulador (Comparador): Vref Vout V Time (s) Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno 6

7 Modulação por Largura de Pulso Geração de sinal complementar: O sinal complementar é necessário quando existem dois interruptores configurados em braço. O acionamento dos interruptores é realizado de forma complementar, ou seja, quando Q1 conduz, Q2 está bloqueado e quando Q2 está conduzindo, Q1 fica bloqueado e assim sucessivamente Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno 7

8 Modulação por Largura de Pulso Geração de sinal complementar: Na configuração de interruptores em braço é necessário assegurar que dois interruptores de um mesmo braço não sejam acionados ao mesmo tempo, evitando a queima dos mesmos. Para evitar um efeito de curto-circuito no braço do acionamento, um tempo morto deve ser introduzido. VQ1 VQ2 Fonte: Página professor Marcello Mezaroba, relatório interno 8

9 Portadora tipo Dente de Serra Características: Entrada em condução dependente da moduladora Bloqueio fixo Emprego: Circuitos onde é necessário sincronizar interruptores auxiliares com o bloqueio dos interruptores principais. Port_dente_serra Ref S1_ Time (ms) Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Converters 9

10 Portadora tipo Dente de Serra Invertida Características: Entrada em condução fixa Bloqueio dependente da moduladora Emprego: Circuitos onde é necessário sincronizar interruptores auxiliares com a entrada em condução dos interruptores principais. Port_dente_serra_inv Ref S1_4_c Time (ms) Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Converters 10

11 Portadora tipo Triangular Características: Entrada em condução e bloqueio dependente da moduladora Emprego: 1.00 Port_triang Ref Circuitos em geral S1_4_c Time (ms) Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Converters 11

12 Inversor Monofásico Ponte completa Modulações a 2 níveis com portadoras: Triangular, Dente de Serra e Dente de Serra Invertida Vo Vo_c Vo_c Time (ms) Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Converters 12

13 Inversor Monofásico Ponte completa Vo Modulações a 2 níveis com portadoras: Triangular, Dente de Serra e Dente de Serra Invertida Vo_c Vo_c Frequency (KHz) Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Converters 13

14 Conceito DHT e WTHD Os conversores comutados introduzem componentes de alta frequência no sinal saída desejado. A distorção harmônica total é um índice básico de performance da tensão sintetizada por um conversor, envolvendo a topologia e o desempenho do controle. DHT V 0 V n V1 n= 2 V1 = + onde, n representa a ordem da harmônica V representa a amplitude da componente harmônica de n tensão de ordem n = 1, 2,..., Vrepresenta o nível médio presente na tensão ca 0 Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Converters 14

15 Conceito DHT e WTHD A Distorção Harmônica Total não contempla em seu cálculo a ordem das componentes harmônicas. Para suprir esta deficiência, apresenta-se o conceito de distorção harmônica total de primeira ordem (ou distorção harmônica de corrente), a qual contempla em seu cálculo a amplitude de cada harmônica e a ordem da harmônica, onde as harmônicas de ordem mais elevada têm menor impacto no resultado do cálculo. Esta figura de mérito é importante nos conversores comutados, pois apresenta uma correlação com a distorção harmônica de corrente em um motor e, a dificuldade de realizar uma filtragem de primeira ordem de um determinado sinal. WTHD = n= 2 V n V 1 n 2 Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Converters 15

16 Conceito DHT e WTHD 1.30 THD_c THD_c THD_c Time (s) Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Converters 16

17 Conceito DHT e WTHD 30.00m THD1_c m 26.00m 24.00m 22.00m 20.00m 30.00m THD1_c m 26.00m 24.00m 22.00m 20.00m 30.00m THD1_c m 26.00m 24.00m 22.00m 20.00m Time (s) Fonte: Livro Pulse With Modulation or Power Converters 17

18 Modulações de 3 ou mais níveis Modulação com as portadoras dispostas em fase (PD ou IPD - In Phase Disposition) V RefA V Port1 V Port2 V Port3 V Port4 Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer 18

19 Modulações de 3 ou mais níveis Modulação com as Portadoras Dispostas em Oposição de Fase (Phase Opposition Disposition POD) V RefA V Port1 V Port2 V Port3 V Port4 Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer 19

20 Modulações de 3 ou mais níveis Modulação com as Portadoras Dispostas em Oposição Alternada de Fase (Alternative Opposition Disposition APOD) V RefA V Port1 V Port2 V Port3 V Port4 Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer 20

21 Modulações de 3 ou mais níveis Modulação com as Portadoras com Deslocamento de Fase (Phase Shifted PS) V RefA V Port1 V Port2 V Port3 V Port4 Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer 21

22 Comparação entre as Modulações A B C S 1 1A D 1 1A S 1 2A D 1 2A i A S 1 1B D 1 1B S 1 2B D 1 2B i B S 1 1C D 1 1C S 1 2C D 1 2C i C V x V x V x S 1 1A' D N1A' S 1 2A' D 1 2A' S 1 1B' D N1B' S 1 2B' D 1 2B' S 1 1C' D N1C' S 1 2C' D 1 2C' S N-1 1A D N-1 1A S N-1 2A D N-1 2A S N-1 1B D N-1 1B S N-1 2B D N-1 2B S N-1 1C D N-1 1C S N-1 2C D N-1 2C V x V x V x S N-1 1A' D N-1 1A' S N-1 2A' D N-1 2A' S N-1 1B' D N-1 1B' S N-1 2B' D N-1 2B' S N-1 1C' D N-1 1C' S N-1 2C' D N-1 2C' S N 1A D N 1A S N 2A D N 2A S N 1B D N 1B S N 2B D N 2B S N 1C D N 1C S N 2C D N 2C V x V x V x S N 1A' D N 1A' S N 2A' D N 2A' S N 1B' D N 1B' S N 2B' D N 2B' S N 1C' D N 1C' S N 2C' D N 2C' Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer 22

23 Comparação entre as Modulações Tabela Comparação das distorções harmônicas e das perdas de comutação entre as modulações PD, POD, APOD e PS para um inversor trifásico em cascata com cinco níveis. f C = 750 Hz m a = 0,8 PD POD APOD PS DHT Fase [%] 37,949 37,946 37,948 38,183 DHT Linha [%] 21,552 35,231 29,187 29,512 WTHD Fase [%] 2,518 2,436 2,332 0,543 WTHD Linha [%] 1,452 2,378 1,786 0,414 Perdas de Comutação Normalizada [%] f C = 20 khz 100,00 100,32 99,91 405,09 Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer 23

24 Modulação SHE (Selective Harmonic Elimination) Exemplo de modulação SHE para 4 conversores em cascata Modulação simples que requer uma otimização numérica complexa Fonte: T. Cunnyngham, Cascade Multilevel Inverters for Large Hybrid-Electric Vehicle Applications with Variant Dc Sources, Master Thesis, University of Tenessee,

25 Modulação SHE (Selective Harmonic Elimination) Equacionamento da tensão de saída Fonte: T. Cunnyngham, Cascade Multilevel Inverters for Large Hybrid-Electric Vehicle Applications with Variant Dc Sources, Master Thesis, University of Tenessee,

26 Modulação SHE (Selective Harmonic Elimination) Tensão eficaz Valor eficaz da componente fundamental de tensão Distorção harmônica total Fonte: T. Cunnyngham, Cascade Multilevel Inverters for Large Hybrid-Electric Vehicle Applications with Variant Dc Sources, Master Thesis, University of Tenessee,

27 Modulação SHE (Selective Harmonic Elimination) Da resolução em Série de Fourier tem-se Onde e Solução OTIMIZAÇÃO NUMÉRICA Fonte: T. Cunnyngham, Cascade Multilevel Inverters for Large Hybrid-Electric Vehicle Applications with Variant Dc Sources, Master Thesis, University of Tenessee,

28 Modulação SHE (Selective Harmonic Elimination) Da resolução em Série de Fourier tem-se Onde e Solução OTIMIZAÇÃO NUMÉRICA Fonte: T. Cunnyngham, Cascade Multilevel Inverters for Large Hybrid-Electric Vehicle Applications with Variant Dc Sources, Master Thesis, University of Tenessee,

29 Modulações Híbridas (a) Emprego de frequências distintas de comutação Permite utilizar semicondutores de características e famílias distintas 1 V Port1 Permite otimizar as perdas 0 (b) -1 V Port2 Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer 29

30 Modulações Híbridas 1 0 V Port1 v a Injeção de componentes harmônicas múltiplas de 3 x freq. fundamental -1 V Port2 Permite elevar o índice de modulação da saída v ' a = va v v ' b = vb v v ' c = vc v Onde, v 0 = Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer Distorce as tensões de fase ( v v v ) + ( v v v ) max,, min,, a b c a b c 2 30

31 Modulações Híbridas 1 0 V Port1 v ap Modulação com dupla referência para cada fase DSPWM V Port2-1 v v ip in = = ( ) v min v, v, v i a b c 2 v max v, v, v ( ) i a b c 2 v an { a b c} onde i =,, Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer 31

32 Modulações Híbridas Tabela Comparação entre as modulações SPWM com injeção de terceira harmônica e DSPWM Modulação DHT Perda de Comutação Ondulação de Tensão no Ponto Central SPWM Menor Menor Maior DSPWM Maior Maior Menor HPWM Intermediária Intermediária Intermediária Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer 32

33 Modulações Híbridas 1 v ahp 0 HPWM SPWM -1 v ahn δ δ δ δ Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer 33

34 Atividades Simular um inversor ponte completa com a modulação 2 níveis e 3 níveis: Considerar os seguintes parâmetros: E = 400 V F s = 10 khz (frequência de comutação na carga) F o = 50 Hz P o = 5 kva (carga RL conectada com cos (fi) = 0,85), ma = 0,9 Traçar gráficos de DHT de tensão em função do índice de modulação Traçar gráficos de DHT da corrente de carga em função do índice de modulação Fonte: Tese Doutorado Alessandro Luiz Batschauer 34