Departamento de Engenharia Elétrica Tópicos Especiais em Energia Elétrica () Aula 4.1 Princípio de Operação dos Inversor Prof. João Américo Vilela
Introdução Conversor CC-CA (Inversor) A função de um inversor é converter uma tensão contínua de entrada numa tensão alternada simétrica de saída com módulo e frequência determinados. A frequência da tensão de saída do inversor é determinada pelo chaveamento dos dispositivos semicondutores que formam o inversor, depende, portanto, do circuito de controle. V t Onda quadrada
Introdução Um inversor pode apresentar diferentes formas de onda da tensão de saída em função da forma de operação e de sua característica construtiva. V V Trapezoidal t V V Senoidal t t t Onda quadrada Multi-nivel
Inversor Monofásico Princípio de funcionamento O inversor monofásico de tensão na configuração ponte completa é apresentado nas figuras abaixo Estrutura básica do inversor de tensão em ponte completa
Inversor Monofásico Princípio de funcionamento O inversor monofásico de tensão na configuração ponte completa é apresentado nas figuras abaixo Estrutura básica do inversor de tensão em ponte completa representando os interruptores e os diodos em anti-paralelo. Estrutura básica do inversor de tensão em ponte completa
Inversor Monofásico As etapas de operação desse inversor 1ª Etapa) S 1 e S 2 conduzem e S 3 e S 4 estão bloqueadas. Estrutura básica do inversor de tensão em ponte completa Forma de onda da tensão na carga.
Inversor Monofásico As etapas de operação desse inversor 2ª Etapa) S 3 e S 4 conduzem e S 1 e S 2 estão bloqueadas. Estrutura básica do inversor de tensão em ponte completa Forma de onda da tensão na carga.
Inversor Monofásico Sinal de comando dos interruptores e forma de onda da tensão e da corrente na carga. A partir de uma fonte CC o inversor foi capaz de produzir uma tensão alternada na carga.
Modulação triangular O comparador defini a razão cíclica através da comparação de um sinal triangular com um tensão de referencia cc. Se a frequência da triangular for fixa o chaveamento dos interruptores será também numa frequência fixa. O controle da tensão de saída é realizado pela variação do tempo de condução dos interruptores em relação ao período de chaveamento (PWM).
Modulação triangular E/2 T A + V Controle t 0 - + A D A+ E/2 T A - V A0 E/2 + + + V A 0 E(2D 1) D A - - - - O valor médio de V AO é positivo -E/2
Modulação triangular E/2 T A + V Controle t 0 - + A D A+ E/2 /2 V A0 E/2 T A - + + D A - - - - -E/2 V A 0 E(2D 1) O valor medio de V AO é zero
Modulação triangular E/2 T A + V Controle t 0 - + A D A+ E/2 V A T A - 0 E(2D 1) D A - V A0 E/2 + + + - - - O valor médio de V AO é negativo -E/2
Modulação PWM Senoidal dois níveis Modulação PWM senoidal a dois níveis V C V PT E tempo V AO - E T /2 T tempo T1T2T3
Modulação PWM Senoidal dois níveis E V AO - E
Modulação PWM Senoidal dois níveis a) Forma de onda da tensão na saída do inversor, antes do indutor; b) Sinal modulante senoidal e moduladora triangular.
Modulação PWM Senoidal dois níveis a) Forma de onda da tensão na saída do inversor e corrente no indutor; b) Sinal modulante senoidal e moduladora triangular.
Modulação PWM Senoidal dois níveis a) Forma de onda da tensão na saída do inversor e corrente no indutor; b) Sinal modulante senoidal e moduladora triangular.
Modulação PWM Senoidal dois níveis Modulação PWM senoidal a dois níveis Durante o semiciclo positivo (S 3 e S 4 permanecem bloqueada) Se V seno > V tri, então S 1 e S 2 em condução => Vo = E Se V seno < V tri, então S 1 e S 2 bloqueado => D 3, D 4 em condução Vo = -E
Modulação PWM Senoidal dois níveis Modulação PWM senoidal a dois níveis Durante o semiciclo negatico (S 1 e S 2 permanecem bloqueada) Se V seno < V tri, então S 3 e S 4 em condução => Vo = -E Se V seno > V tri, então S 3 e S 4 bloqueado => D 1, D 2 em condução Vo = E
Modulação PWM Senoidal dois níveis Modulação PWM senoidal a dois níveis As componentes harmônicas presentes na tensão aplicada a carga são definidas pela frequência do sinal modulador (frequência de comutação).
Modulação PWM Senoidal três níveis Modulação PWM senoidal a três níveis O sinal de comando são obtidos a partir da intersecção de duas ondas moduladas senoidais de mesma amplitude e frequência, mas defasada de 180 o uma em relação a outra. Assim, o comando das chaves S 1 e S 4 é obtido comparando a onda portadora triangular V tri com a onda moduladora senoidal V seno1. Já o comando das chaves S 2 e S 3 é obtido através da comparação de V tri com a onda moduladora senoidal complementar V seno2.
Modulação PWM Senoidal três níveis Modulação PWM senoidal a três níveis V CA V CB V A0 E/2 -E/2 V B0 E V AB -E tempo - E
Modulação PWM Senoidal três níveis Etapas de operação do inversor monofásico em ponte completa 1º Etapa 2º Etapa 3º Etapa 4º Etapa
Modulação PWM Senoidal três níveis Etapas dos semiciclo negativo de operação 5º Etapa 6º Etapa 7º Etapa 8º Etapa
Modulação PWM Senoidal três níveis Forma de onda da modulação, da corrente no indutor e da corrente no capacitor
Modulação PWM Senoidal três níveis Modulação PWM senoidal a três níveis Lógica de controle da modulação a três níveis Se V seno1 > V tri, então S 1 em condução => V AN = E/2; Se V seno1 < V tri, então S 4 em condução => V AN = -E/2; Se V seno2 > V tri, então S 3 em condução => V BN = E/2; Se V seno2 < V tri, então S 2 em condução => V BN = -E/2;
Modulação PWM Senoidal três níveis Durante o semiciclo positivo (S 3, S 4 permanecem bloqueado) V AN = E/2 ; V BN = -E/2 => V 0 = E => S 1 e S 2 em condução; V AN = E/2 ; V BN = E/2 => V 0 = 0 => S 2 bloqueado e S 1, D 3 em condução; V AN = -E/2 ; V BN = -E/2 => V 0 = 0 => S 1 bloqueado e S 2, D 4 em condução; Durante o semiciclo negativo (S 1, S 2 permanecem bloqueado) V AN = -E/2 ; V BN = E/2 => V 0 = -E => S 3 e S 4 em condução; V AN = -E/2 ; V BN = -E/2 => V 0 = 0 => S 3 bloqueado e S 4 D 2 em condução; V AN = E/2 ; V BN = E/2 => V 0 = 0 => S 4 bloqueado e S 3, D 1 em condução.
Modulação PWM Senoidal três níveis Modulação PWM senoidal a três níveis Verifica-se que algumas harmônicas, que estavam presentes no espectro de frequência para a modulação a dois níveis, estão ausentes na modulação PWM a três níveis.
Modulação PWM Senoidal três níveis
Modulação PWM Senoidal três níveis a) Forma de onda da tensão na saída do inversor, antes do indutor; b) Sinais modulantes senoidal defasados de 180º e moduladora triangular.
Modulação PWM Senoidal três níveis a) Forma de onda da tensão na saída do inversor e corrente no indutor; b) Sinais modulantes senoidal defasados de 180º e moduladora triangular.
Modulação PWM Senoidal três níveis a) Forma de onda da tensão na saída do inversor e corrente no indutor; b) Sinais modulantes senoidal defasados de 180º e moduladora triangular.
Modulação triangular com dente de serra três níveis
Modulação triangular com dente de serra três níveis
Modulação triangular com dente de serra três níveis Modulação a três níveis com sinal modulador na forma de dente de serra. A frequência da tensão de saída é igual a frequência de comutação dos interruptores. Modulação a três níveis com sinal modulador na forma de triangular. A frequência da tensão de saída é o dobro da frequência de comutação dos interruptores.
Modulação triangular com dente de serra três níveis
Inversor Trifásicos Inversor trifásico com modulação PWM senoidal a dois níveis Na estratégia de controle descrita o sinal de comando enviado a cada braço do inversor é do tipo dois níveis. Desse modo, a tensão de fase apresenta-se em dois níveis, enquanto que a tensão de linha (entre duas fases) se apresenta em três níveis. E/2 -E/2 E/2 V A0 V B0 V A (t) V C (t)) V B (t ) -E/2 E/2 V AB (V AB ) 1 -E/2 0.8 Tempo
Inversor Trifásicos Inversor trifásico com modulação PWM senoidal a dois níveis 100 Ia Ib Ic Corrente na saída do inversor 80 60 40 20 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 Time (s)
Inversor Trifásicos Inversor trifásico com modulação PWM senoidal a dois níveis Vra Vrb Vrc Vtri 1 0.5 0-0.5-1 V8 500 400 300 200 100 0-100 V9 500 400 300 200 100 0-100 V10 500 400 300 200 100 0-100 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 Time (s) Sinais modulantes e a tensão fase terra na saida do inversor
Vra Vrb Vrc Vtri Inversor Trifásicos Inversor trifásico com modulação PWM senoidal a dois níveis 1 0.5 0-0.5-1 Vab 400 200 0-200 -400-600 Vbc 400 200 0-200 -400 Vca 400 200 0-200 -400-600 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 Time (s) Sinais modulantes e a tensão de linha na saida do inversor
I(RL1a) I(RL1b) I(RL1c) 40 Inversor Trifásicos Inversor trifásico com modulação PWM senoidal a dois níveis 20 0-20 -40 Vab 400 200 0-200 -400-600 Vbc 400 200 0-200 -400 Vca 400 200 0-200 -400-600 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 Time (s) Corrente na saída do inversor e a tensão de linha na saida do inversor
Inversor Trifásicos Inversor trifásico com modulação PWM senoidal a dois níveis Ia 100 80 60 40 20 0 Vtri Vra 1 0.5 0-0.5-1 V8 500 400 300 200 100 0-100 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 Time (s) Corrente de linha, sinal modulante e tensão fase neutro.
Operação dos Inversores Geração dos pulsos na modulação PWM Necessidade de tempo morto no braço inversor