Eletrônica de Potência II Capítulo 4: Inversor meia-ponte Prof. Alessandro Batschauer

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1 Eletrônica de Potência II Capítulo 4: Inversor meiaponte Prof. Alessandro Batschauer Prof. Cassiano Rech 1

2 Introdução E 1 (v 1, f 1 ) Retificador Conversor CCCC Conversor indireto de tensão Conversor indireto de freqüência Conversor direto de freqüência E 2 Inversor (v 2, f 2 ) 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 2

3 Introdução E 1 Conversor CCCA (v 2, f 2 ) 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 pode ser minimizado utilizando técnicas específicas de modulação e filtragem Os inversores podem ser alimentados em tensão (VSI) ou corrente (CSI), monofásicos ou trifásicos, dois níveis ou multiníveis, baixa ou alta freqüência. 3

4 4 Introdução Principais aplicações de Inversores: Acionamento de motores de Baixa e Média Tensão; UPS (Uninterruptible Power Supplies ou Nobreaks); Reatores eletrônicos Geração de energia eólica; Geração de energia fotovoltaica; Estações de tratamento de água; Tração (trens de alta velocidade); Bombeamento de fluidos.

5 Tensão [kv] 5 Limitações tecnológicas 100,0 SCR IGBT GTO e IGCT MOSFET 12 kv / 1,5 ka (Mitsubishi) 7,5 kv / 1,65 ka (Eupec) 6,5 kv / 4,2 ka (ABB) 10,0 1,0 1,2 kv / 0,126 ka (APT) 1,0 kv / 0,16 ka (APT) 6,5 kv / 0,75 ka (Eupec) 4,5 kv / 0,9 ka (Mitsubishi) 3,3 kv / 1,5 ka (Eupec) 0,5 kv / 0,371 ka (APT) 6 kv / 3 ka (ABB) 6,5 kv / 1,5 ka (Mitsubishi) 2,5 kv / 1,8 ka (Fuji) 1,7 kv / 3,6 ka (Eupec) 6,0 kv / 6,0 ka (Mitsubishi) 4,8 kv / 5 ka (Westcode) 0,1 0,1 0,2 kv / 0,434 ka (APT) 1,0 Corrente [ka] 0,1 kv / 0,64 ka (APT) 10,0

6 Inversores alimentados em tensão Inversores monofásicos Meiaponte (halfbridge) Pontecompleta (fullbridge) Pushpull Inversores trifásicos 6

7 Inversor meiaponte (halfbridge): Estrutura básica Possui apenas um braço inversor, contendo um único par de interruptores (que devem operar de forma complementar) conectados em antiparalelo com diodos Necessita de uma fonte de alimentação CC com ponto médio É recomendado para aplicações em baixa potência A tensão aplicada sobre a carga é E i o v o CARGA S 1 D 1 S 2 D 2 7

8 Inversor meiaponte (halfbridge): Estados de comutação Estado S 1 S 2 Tensão 1 ON OFF 2 OFF ON Estado 1 i o > 0 i o < 0 E i o CARGA S 1 D 1 E i o CARGA S 1 D 1 S 2 D 2 S 2 D 2 Prof. Cassiano Rech 8

9 Inversor meiaponte (halfbridge): Estados de comutação Estado S 1 S 2 Tensão 1 ON OFF 2 OFF ON Estado 2 i o > 0 i o < 0 E i o CARGA S 1 D 1 E i o CARGA S 1 D 1 S 2 D 2 S 2 D 2 9

10 Inversor meiaponte (halfbridge): Etapas de operação (Carga RL) 1ª etapa: O interruptor S 1 é acionado, enquanto S 2 permanece bloqueado. A tensão nos terminais da carga RL é. Durante esta etapa a fonte CC entrega energia à carga. A corrente de saída i o cresce exponencialmente. E i o R L S 1 S 2 D 1 D 2 E dio t Ri o t L 2 dt T t 2 E E 1 e io t 1 e e T 2R 2R 2 1 e onde: L R t 10

11 Inversor meiaponte (halfbridge): Etapas de operação (Carga RL) 2ª etapa: Em t = T/2, o interruptor S 1 é bloqueado e o interruptor S 2 é acionado. A indutância da carga não permite variações bruscas na corrente i o, então a polaridade da tensão no indutor invertese para manter a corrente no mesmo sentido. A inversão da tensão em L polariza diretamente o diodo D2, transferindo a energia armazenada no indutor para a fonte CC. A tensão nos terminais da carga RL é. A corrente de saída i o decresce exponencialmente. E i o R L S 1 S 2 D 1 D 2 E dio t Ri o t L 2 dt T t 2 E E 1 e io t 1 e e T 2R 2R 2 1 e t 11

12 Inversor meiaponte (halfbridge): 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 2. 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. Nesta etapa a carga recebe energia da fonte de alimentação CC. E i o R L S 1 S 2 D 1 D 2 E dio t Ri o t L 2 dt T t 2 E E 1 e io t 1 e e T 2R 2R 2 1 e t 12

13 Inversor meiaponte (halfbridge): Etapas de operação (Carga RL) 4ª etapa: Em t = T, o interruptor S 2 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. Esta etapa finaliza com a anulação da corrente na carga e a entrada em condução do interruptor S 1, iniciando um novo ciclo. E i o R L S 1 S 2 D 1 D 2 E dio t Ri o t L 2 dt T t 2 E E 1 e io t 1 e e T 2R 2R 2 1 e t 13

14 Inversor meiaponte (halfbridge): Formas de onda (Carga RL) 14

15 Inversor meiaponte (halfbridge): Estratégias de modulação ONDA QUADRADA 0 < t < T/2 S 1 está ligada, e S 2 está desligada (v o = ) T/2 < t < T S 1 está desligada, e S 2 está ligada (v o = ) Razão cíclica (D) de todos os interruptores é igual à 0,5; Operação em baixa frequência; Possui apenas harmônicos ímpares; Harmônicos em baixa frequência; Amplitude das componentes: 4 v 1 v o o h E 0,6366E 2 vo 1 h THD (%) 48,34% v 15

16 Inversor meiaponte (halfbridge): Estratégias de modulação PWM SENOIDAL DOIS NÍVEIS E i o v o CARGA S 1 S 2 D 1 D 2 vref vtri v ref > v tri v o = (S 1 ON) v ref < v tri v o = (S 2 ON) Valor de pico da fundamental: E V onde: m ref a V vo 1 ma 2 (para m a 1) m f f f s tri 1/f s 16

17 Inversor meiaponte (halfbridge): Estratégias de modulação v ref v tri (v o )

18 Inversor meiaponte (halfbridge): Estratégias de modulação REGIÃO LINEAR DE OPERAÇÃO (m a 1) Os harmônicos da tensão de saída concentramse em bandas laterais em torno da frequência de comutação e seus múltiplos As amplitudes dos harmônicos são independentes do índice de modulação de frequência (m f ), se m f for de valor elevado (m f > 10) O índice de modulação de frequência deve ser um número inteiro para evitar o surgimento de subharmônicos (sinais senoidais com frequência menor que a frequência fundamental) Máxima amplitude da componente fundamental de tensão é igual a SOBREMODULAÇÃO (m a > 1) Aumenta a amplitude da componente fundamental de tensão A componente fundamental de tensão não varia linearmente com o índice de modulação de amplitude Tensão de saída apresenta uma maior quantidade de harmônicos Tensão na saída apresenta harmônicos de baixa frequência (difícil filtragem) 18

19 Inversor meiaponte (halfbridge): Estratégias de modulação v o 1 E 2 Fonte: Mohan, Undeland, Robbins, Power Electronics, Second edition. 19

20 Inversor meiaponte (halfbridge): Estratégias de modulação m a = 0,95 m f = 20 f s = 1200 Hz Harmônicas dominantes da tensão de saída estão concentradas em torno da frequência de comutação e seus múltiplos. 20

21 Inversor meiaponte (halfbridge): Estratégias de modulação m a = 2 m f = 20 f s = 1200 Hz Harmônicas dominantes em baixa freqüência (difícil filtragem) 21

22 Simulação Inversor operando com carga RL Caso 1: modulação PWM senoidal com carga RL na saída. Circuito de potência S1c S1 Parâmetro Descrição Valor Ro Lo E Tensão do barramento 500 V Ro Resistência da carga 20 Ω Lo Indutância da carga 2 mh V Vo1 S2c S2 fs Frequência de comutação 12 khz f Frequência fundamental 60 Hz m f m a Índice de modulação de frequência Índice de modulação de amplitude Hz Circuito de comando 12 khz S1c S2c Prof. Cassiano Rech 22

23 Tensão na saída Inversor operando com carga RL Forma de onda da tensão na saída Vo1 THD = 100,34% Espectro harmônio da tensão na saída Os Harmônicos dominantes da tensão de saída estão concentrados em torno de f s e em torno dos múltiplos de f s. m f = Vo1 60 Hz Time (s) 12 khz 24 khz 36 khz Frequency (Hz) Prof. Cassiano Rech 23

24 Simulação Inversor com filtro de segunda ordem do tipo LC Circuito de potência Parâmetro Descrição Valor E Tensão do barramento 500 V S1c S1 Ro Resistência da carga 20 Ω L f Indutância do filtro 4,45 mh Cf Lf C f Capacitância do filtro 5,68 uf f s Frequência de comutação 12 khz V Vo2 S2c S2 f Frequência fundamental 60 Hz m f m a Índice de modulação de frequência Índice de modulação de amplitude Hz Circuito de comando 12 khz S1c S2c Prof. Cassiano Rech 24

25 Resultados obtidos com o filtro LC (frequência de corte 1 khz) O filtro deve atenuar as componentes de alta frequência; E a componente fundamental deve permanecer inalterada (módulo e fase); Frequência de corte do filtro: 1 khz. Lf = 4,45 mh Cf = 5,68 uf Resposta do filtro no domínio da frequência Espectro harmônico da tensão na saída sem o filtro LC 60 Hz 12 khz 24 khz 36 khz Frequency (Hz) Espectro harmônico da tensão na saída com o filtro LC Hz Hz Ganho unitário f c = 1kHz 40dB/dec Frequency (Hz) Tensão na saída (domínio do tempo) 60 Hz Fase 4,8º Time (s) Prof. Cassiano Rech THD = 0,56%

26 Resultados obtidos com o filtro LC (frequência de corte 5 khz) Frequência de corte do filtro: 5 khz. Lf = 891,26 uh ; Cf = 1,13 uf 40dB/dec Espectro harmônico da tensão na saída sem o filtro LC 60 Hz 12 khz 24 khz 36 khz 60 Hz Ganho unitário f c = 5 khz Frequency (Hz) Espectro harmônico da tensão na saída com o filtro LC 60 Hz Fase 1,25º Hz 12 khz Resultados obtidos: Reduziu a indutância e a capacitância do filtro; Reduziu a defasagem da componente fundamental para 1,25º; O filtro não atenuou totalmente os harmônicos; A THD elevou para 13,07% Frequency (Hz) Tensão na saída (domínio do tempo) THD = 13,07% Time (s) Prof. Cassiano Rech 26

27 Resultados obtidos com o filtro LC (frequência de corte 5 khz) Solução para reduzir a THD: aumentar a frequência de comutação para 24 khz. Parâmetros do filtro f c = 5 khz; Lf = 891,26 uh ; Cf = 1,13 uf Espectro harmônico da tensão na saída sem o filtro LC Hz 24 khz 48 khz 72 khz Tensão na saída (domínio do tempo) Frequency (Hz) THD = 0,44% Time (s) Resultados obtidos: Com o mesmo filtro foi possível reduzir a THD apenas elevando a frequência de comutação. O aumento da frequência de comutação aumenta as perdas no conversor (perda de comutação). Espectro harmônico da tensão na saída com o filtro LC Hz Frequency (Hz) Prof. Cassiano Rech 27

28 Considerações no projeto do filtro O projetista possui alguns graus de liberdade que influenciam diretamente no desempenho e no custo do inversor; Foi visto que a frequência de comutação influencia diretamente na posição dos harmônicos; Elevando o valor de fs, menor é o valor da indutância e da capacitância do filtro LC; Valores reduzidos de LC influenciam diretamente no peso, volume e custo do conversor; Entretanto, não é possível aumentar demasiadamente a frequência de comutação. Pois, quanto maior o valor de fs, maior é a perda de comutação e menor é a eficiência do inversor, necessitando de dissipadores mais volumosos. E dissipadores volumosos são mais caros. Prof. Cassiano Rech 28

29 Bibliografia D. C. Martins, I. Barbi, Introdução ao Estudo dos Conversores CCCA 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 Batschauer, A. L. Inversor Multiníveis Híbrido Trifásico Baseado em Módulos MeiaPonte, Tese de Doutorado 29