INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Conversores Electrónicos de Potência Comutados a Alta Frequência 5º TRABALHO DE LABORATÓRIO (GUIA) INVERSOR MONOFÁSICO Beatriz Vieira Borges e Hugo Ribeiro IST - 2013 1
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Conversores Electrónicos de Potência Comutados a Alta Frequência 5º TRABALHO DE LABORATÓRIO INVERSOR MONOFÁSICO Introdução Para finalizar a realização experimental de conversores comutados de potência vamos considerar neste quinto trabalho, o estudo de um inversor em ponte em que os dispositivos de potência são transístores bipolares de porta isolada ou IGBTs - IsulatedGate Bipolar Transistors. Como já oportunamente referido, estes dispositivos semicondutores são dispositivos híbridos que associam a tecnologia de efeito de campo e a de junção bipolar, beneficiando dos aspectos mais vantajosos das duas tecnologias, isto é, alta impedância de entrada (própria dos transístores de efeito de campo de potência) e grande capacidade em corrente (característica dos transístores bipolares de potência). Tal como nos circuitos rectificadores, encontram-se na indústria inversores monofásicos e trifásicos, sendo estes últimos especialmente dedicados a aplicações que envolvem o controlo de velocidade de motores trifásicos de corrente alternada. Neste trabalho vamos apenas considerar o funcionamento do inversor monofásico em ponte, dado tratar-se de um curso de electrónica, onde os alunos estarão vocacionados para aplicações de menor potência e portanto monofásicas. No entanto, os inversores trifásicos são muito importantes nas aplicações industriais, sendo necessário para a sua realização, a inclusão de apenas mais um braço de transístores na ponte monofásica. O circuito de potência do inversor em estudo encontra-se representado na Fig. 1 onde se apresenta uma fotografia da placa de potência e o respectivo esquema eléctrico com a indicação, em forma de diagrama de blocos, dos circuitos que realizam o tempo morto entre impulsos dos transístores de um mesmo braço. Estão também indicados os circuitos de drive dos transístores, idênticos aos já usados no trabalho anterior. Os drives estão todos isolados 2
usando cada um, para isso, um copulador óptico cuja alimentação também se encontra isolada através de conversores CC-CC com isolamento galvânico. T2 T4 T1 T3 Fig.1 Inversor Monofásico a IGBTs: a) Aspecto da placa de potência: b) Esquema eléctrico. T1 T2 T4 T3 Fig. 2a) Identificação dos transístores na placa; b) Montagem inversor + filtro + carga. 1 Em primeiro lugar pede-se ao aluno que através de consulta das Figs. 1, 2 e 4,identifique os diversos componentes do conversor. Na Fig.3 representa-se os diagramas temporais dos impulsos de comando dos IGBTs, depois de criado o tempo morto. 2 Antes de iniciar o trabalho tente reproduzir, a partir dos sinais de comando, a tensão a obter entre os dois pontos médios dos dois braços do inversor (v A -v B ). Considerando os impulsos de comando dos transístores T 1 e T 2 representados na Fig.3 (amarelo e azul Fig. 3 b)), (provenientes da placade modulação de fase representada na Fig. 7) e também os impulsos de T3 e T4 resultantes da negação destes, tentar obter o diagrama da tensão v AB na carga (a vermelho da Fig.3 b) 3
v GS2 v GS1 v AB Fig. 3 a) Sinais de comando dos transístores com modulação de fase e identificação do tempo morto; b) diagramas temporais dos impulsos nas gates de T 1 et 2 e de V AB. 12V DC Tensão de entrada: 30V DC v G1 v G2 drive T2 T4 v A v B Tensão na carga dead time T1 T3 Fig. 4 Identificação das entradas de tensão e dos terminais de carga v A e v B. Dad time 4
CIRCUITOS DE DRIVE E GERAÇÃO DE TEMPOS MORTOS Drive Tempo morto Fig. 5 Esquemas eléctricos dos circuitos de tempo morto e de drive v G1a v G2a v G1b v G3b v G2b v G4b Tempo Morto Fig. 6 a) Impulsos de comando identificando os tempos mortos; b) detalhe de dois impulsos de comando complementares evidenciando o tempo morto entre os dois impulsos 5
CIRCUITOS DE MODULAÇÃO DE LARGURA DE IMPULSO a) Conversor DC-AC de alta frequência: Inversor de alta frequência com modelação de fase a dois e a três níveis: Utilizando a placa de modulação de fase representada na Fig.7 e ligando os sinais v GS1 e v GS2 na placa de potência obtém-se um inversor de alta frequência. Gate controlo 1 Gerador de impulsos Fig. 7 Circuito de modulação de fase, geração do impulso de gate de T2 a partir do impulso de T1: a) circuito de modulação de fase (geração dos impulsos para os transístores T1 e T2; b) aspecto da placa de modulação de fase. O circuito opera criando o impulso v GS2 a partir de v GS1 carregando e descarregando um condensador nos flancos positivo e negativo de v GS1 com o atraso dado pela constante de tempo RC. Variando a constante de tempo através do potenciómetro variamos a fase entre os dois sinais. Modulação da tensão de saída: b) Conversor DC-AC de baixa frequência com um andar DC-DC de alta frequência: Inversor com saída em baixa frequência com modulação de largura de impulso (sinusoidal, triangular ou quadrada) a dois níveis. Fig. 8 Circuito de modulação a dois níveis, geração do impulso de gate de T1 e de T2 a partir do cruzamento de uma onda triangular de alta frequência e de uma onda de baixa frequência (sinusoidal, triangular ou quadrada): a) circuito de modulação a dois níveis (geração dos impulsos para os transístores T1 e T2; b) aspecto da placa de modulação a dois níveis. O circuito desta placa Fig.8a) coloca em condução T1 e T3 na alternância positiva da corrente, sempre que a moduladora é superior à portadora. E coloca T2 e T4 em condução na 6
alternância negativa da corrente sempre a tensão da moduladora é maior em valor absoluto que a triangular. c) Conversor DC-AC de baixa frequência com um andar DC-DC de alta frequência: Inversor com saída em baixa frequência com modulação de largura de impulso (sinusoidal, triangular ou quadrada) a três níveis: Fig. 9 Circuito de modulação a três níveis (+V, 0, -V), geração do impulso de gate de T1 e de T2 a partir do cruzamento de uma onda triangular de alta frequência (portadora) e de uma onda de baixa frequência (moduladora, que pode ser sinusoidal, triangular ou quadrada): a) circuito de modulação a três níveis (geração dos impulsos para os transístores T1 e T2; b) aspecto da placa de modulação a três níveis. Fig. 10 Modulação Sinusoidal de Largura de Impulso a três níveis: a) Sinais de comando em dois transístores da mesma diagonal (roxo e verde) e detalhe da corrente e da tensão na carga 10us/div; b) Tensão v AB (azul) e corrente na carga RL(amarelo) 1ms/div. Modulação sinusoidal de largura de impulso a 2 e três níveis. 7
CONDUÇÃO DO TRABALHO 1ª PARTE Inversor monofásico de alta frequência com modulação de fase: 1 - Seleccione no gerador de impulsos um impulso quadrado positivo com 50% de factor de ciclo e amplitude entre 12V/0 (v GS1 ) e frequência superior a 25kHz e menor do que 30kHz. Confira o sinal no osciloscópio e ligue-o na placa de modulação de fase depois de ligar a alimentação da placa. 2 Verifique no osciloscópio os sinais v GS1 e v GS2. Se os sinais estiverem correctos, desligue tudo e ligue a ficha de flat cable à placa do inversor. 3 Ligue uma carga R (RL1 e/ou RL2) entre os pontos V A e V B. Coloque uma sonda de corrente na carga e uma ponta diferencial de tensão entre os pontos A e B. 4 Ligue na placa do inversor a alimentação do circuito de potência (<30V DC ) e a alimentação do circuito de controlo 12V).Registe os seguintes diagramas temporais: 5 tensão e a corrente na carga. 6 tensão e a corrente num transístor. 7 tensão e a corrente na entrada de potência. Calcule a potência de entrada e a potência na carga. 8 Desligue todas as alimentações e sinais das placas e coloque uma bobina em série com a resistência. Repita as alíneas anteriores com L1=47uH e L2=470uH.Faça variar a frequência entre 10 e 40kHz. Comente os resultados. Varie a resistência de carga com cuidado. Comente o que observa (formas de onda de tensão e corrente no inversor e corrente média na fonte) 8
Fig. 11 Aspecto da placa do inversor e da placa de modulação de fase em funcionamento. Nas figuras seguintes indicam-se os diagramas temporais experimentais de algumas grandezas eléctricas correspondentes à operação do inversor a fornecer na saída uma onda de tensão alternada de alta frequência. Fig.11Tensão v AB (azul); corrente na carga indutiva (amarelo). Sinais de contro dos transístores T1 e T2 (verde e roxo) Fig.12Tensão v AB (azul); corrente na entrada (amarelo)c/ carga indutiva.sinais de contro dos transístores T1 e T2 (verdee roxo). Fig.13Tensão v AB (azul); corrente na carga (amarelo) c/ carga indutiva. Sinais de comando dos transístores T1 e T2 (verde e roxo). Fig.14Tensão v AB (azul); corrente no transístor T1 (amarelo) c/ carga indutiva. Sinais de comando dos transístores T1 e T2 (verde e roxo). 9
Fig.15Tensão v AB (roxo); corrente na carga (verde)c/ carga fortemente indutiva. Sinais de comando dos transístores T1 e T2 (amarelo e azul). Fig.16Tensão v AB (roxo); corrente na entrada a (verde)c/ carga fortemente indutiva Sinais de comando dos transístores T1 e T2 (amarelo e azul). Fig.17Tensão v AB (roxo); corrente na entrada a (verde) c/ carga indutiva. Fase aproximadamente 180º: Sinais de comando dos transístores T1 e T2 (amarelo e azul). 2ª PARTE Modulação de largura de impulso a dois e a três níveis. Alternativamente ao que se viu na primeira parte do trabalho, onde o objectivo era obter à saída do inversor ondas alternadas de alta frequência, tendo-se para isso realizado modulação por um impulso com variação de fase, agora pretende-se obter na carga ondas de tensão e de corrente de baixa frequência, mas com baixo conteúdo harmónico de baixa frequência. Obviamente que seria possível usar a técnica anterior para realizar um impulso quadrado de baixa frequência, mas neste caso o conteúdo harmónico de baixa frequência seria muito elevado e necessitar-se-ia de um filtro de elevadas dimensões. Assim, para atingir o objectivo desejado, recorre-se a uma modulação por vários impulsos em que a largura de cada impulso varia de acordo com uma função de modulação específica. Este processo de modulação consiste em obter os impulsos de comando dos transístores através da comparação de uma onda triangular de alta frequência, portadora, e a referência de baixa frequência modulante. Tipicamente é adoptada para a portadora uma frequência de 10x a modulante de modo a reduzir o conteúdo harmónico de baixa frequência na tensão de saída. 10
V carr -portadora I(RL 1a )- corrente na carga Fig. 18 Modulação sinusoidal de largura de impulso a três níveis: Vcarr Triangular 1500Hz (portadora); Vc sinusoidal 50Hz, (modulante). Índice de modulação A carr /A mod =0,8 f carr /f mod =1500/50=30. A Fig. 18 apresenta as formas de onda das grandezas eléctricas obtidas por simulação de um inversor monofásico com modulação sinusoidal de largura de impulso a três níveis. Como referido anteriormente, para proceder ao ensaio experimental do conversor DC-AC com modulação por vários impulsos, vamos utilizar as placas definidas nas Figs. 8 e 9. Modulação a dois níveis 1 Com o circuito desligado substituir a placa de modulação de fase pela representada na Fig.8 b), placa de modulação a dois níveis. 2 Colocar entre os pontos A e B uma carga RL2. 3 Colocar as sondas de tensão e de corrente na carga. 4 Num gerador de funções, colocar na uma onda triangular alternada de frequência elevada 10kHz com amplitude 6V (Vcarr). 5 No outro gerador de funções, colocar uma onda sinusoidal de baixa frequência 50Hz com amplitude 3V. Verificar no osciloscópio estas duas formas de ondas. 6 Ligar as alimentações das placas (atenção! Ligar os -12V na placa do modulador) e verificar a tensão e corrente na carga. 7 Registar as duas tensões dos geradores e os impulsos em T1 e T2. 8 Registar a tensão e a corrente na carga para as frequências assinaladas. Registe a tensão na resistência e determine o espectro. 9 - Varie a frequência da portadora e diga o que acontece. Registe a tensão na resistência e determine o seu espectro. 11
10 - Varie o índice de modulação e explique o que acontece. Registe a tensão na resistência e determine o seu espectro. 12 Continuando a observar a tensão na resistência, mude a forma da moduladora para onda quadrada e depois para onda triangular. Comente a frase: Este circuito comporta-se como um amplificador de potência. Modulação a três níveis: Repita as alíneas anteriores usando a placa de modulação a três níveis representada na Fig.9 b). http://www.ipes.ethz.ch/ipes/inverter/e_h_bruecke.html 12