Conversores CC/CA

Conversores CC/CA

JANILSON, CARLOS

Conversores CC-CA

Osasco, 2009

JANILSON MENDES, CARLOS GALLANTE

CONVERSORES CC-CA

Trabalho da disciplina de Eletrônica de

Potência da FAC-FITO – Faculdade da

Fundação Instituto Tecnológico de Osasco

Osasco – 2009

Sumário

Sumário 3

1.Introdução 4

2.Conversor monofásico 5

2.1Inversores de fonte de tensão (VSIs) 7

2.1.2VSI em meia-ponte 7

2.1.3VSI em ponte completa 9

3.Produção de uma onda senoidal 12

3.1Controle da tensão de entrada CC 12

3.2 Controle da tensão de saída CA 13

3.3 Controle da tensão no inversor 13

4.PWM 13

5.Conversores CC-CA trifásicos 14

6.Conclusão 16

7.Bibliografia 16

  1. Introdução

A obtenção de uma tensão alternada (senoidal ou não) a partir de uma fonte CC ou mesmo de uma fonte CA de freqüência diferente é muitas vezes necessária para o acionamento de diversas cargas ou alimentação de sistemas.

Os conversores que realizam a transformação CC-CA são chamados inversores, enquanto a conversão CA-CA para distintas freqüências é feita pelos cicloconversores. Como exemplos de aplicações pode-se citar:

• Controle de velocidade de motores de corrente alternada,

• Fontes de alimentação ininterrupta (no-break),

• Sistemas de alimentação embarcados (navios, aviões, etc).

Geralmente os sistemas de alimentação operam a freqüência fixa, gerando a tensão alternada a partir de fontes CC, utilizando, portanto, inversores. Por exemplo, o sistema de distribuição de energia em aviões comerciais opera a 400Hz.

Os conversores CC-CA que fornecem em sua saída tensões com freqüência fixa, para determinada aplicação são conhecidos como fonte de tensão, isto é, fontes de alimentação ininterrupta chamadas de “no-break” ou “UPS - Uninterruptible Power Supplies”,em inglês).

Qualquer sistema no qual o fornecimento da energia elétrica não pode ser interrompido deve prever uma fonte de emergência para supri-lo. Quando a potência instalada é muito grande tem-se, em geral, um sistema de acionamento imediato, alimentado a partir de baterias, e um sistema motor-gerador que, por necessitar de alguns minutos para estar em condições ideais de operação, não pode ser usado de imediato. Tal arranjo é usado, por exemplo, em centrais telefônicas, hospitais, etc.

Quando as cargas críticas são distribuídas, como no caso de microcomputadores, podem se usar UPSs modulares, de acionamento imediato, que são capazes de manter a operação do equipamento por um tempo suficiente para que não sejam perdidas operações que estavam em curso (tipicamente os tempos são da ordem de dezenas de minutos). Além disso, os sistemas mais modernos devem ter a capacidade de trocar informações com os computadores, de forma a otimizar seu funcionamento.

Os conversores são circuitos estáticos (isto é, não tem partes móveis) que convertem potência CC em potência CA com frequência e tensão ou corrente de saída controlada.

A tensão de saída tem uma forma de onda periódica que, embora não-senoidal, pode, com uma boa aproximação, chegar a ser considerada como tal. Há muitos tipos de inversores, classificados de acordo com o número de fases, com a utilização de dispositivos semicondutores de potência, com os princípios de comutação e com as formas de onda de saída.

Analisaremos primeiro o inversor monofásico. Depois os inversores de fonte de tensão (voltage source inverters – VSI) e de fonte ideal de corrente (current source inverters – CSI). Estes dipositivos são usados em muitas aplicações industriais, incluindo controles de velocidade para motores síncronos e de indução, aquecimento por indução, fontes de alimentação para aeronaves, fontes de alimentação de funcionamento contínuo (uninterruptible power supplier – UPS) e transmissão em alta tensão CC.

  1. Conversor monofásico

O circuito básico para gerar uma tensão alternada monofásica, a partir de uma alimentação de pontência CC, é mostrado na figura 2.1. Esse circuito é também conhecido como inversor em H-ponte (meia-ponte) porque usa duas chaves semicondutoras. As chaves S1 e S2 ligam e desligam a fonte CC à carga de modo alternado, o que produz uma forma de onda retangular de tensão CA.

Figura 2.1

Uma vez que cada chave tem terminais positivo e negativo, a combinação da duas chaves fornece os quatro estados mostrados na tabela 2.1.

Estado

S1

S2

Tensão de Entrada

1

+

-

+ E

2

-

-

0

3

-

+

- E

4

+

+

0

Tabela 2.1.

Quando os estados 1 e 3 são repetidos de maneira alternada, uma tensão de onda quadrada é gerada na carga, como mostra a figura 10.2.a. Se os estados 2 e 4 que fazem a tensão na carga ficar em zero, são usados, obtém-se uma onda em degrau ou uma forma de onda quase quadrada, como pode ser observado na figura 10.2.b.

Figura 2.1.a.

Figura 2.1.b.

A frequência de tesão que se alterna é determinada pela taxa de variação do chaveamento. Se o período de chaveamento for de T segundos, a frequência f será:

[Hz]

A tensão de saída CA retangular do inversor serve para algumas aplicações, entretanto, a tensão de saída senoidal é a forma de onda ideal para muitas aplicações.

Dois métodos podem ser usados para tornar a saída o mais próximo possível de uma senóide. Um deles consiste em empregar um circuito filtro no lado da saída do inversor. Esse filtro deve ser capaz de deixar pasar a grande potência de saída do dispositivo, o que significa ter um tamanho adequado. Isso aumenta o custo e o peso do inversor. Mas ainda, a eficiência ficará reduzida por causa das perdas adicionais de potência no filtro.

O segundo método, modulação por largura de pulso (pulse width modulation – PWM), usa um esquema de chaveamento no inversor para modificar a forma de onda da tensão de saída.

    1. Inversores de fonte de tensão (VSIs)

O inversor de fonte de tensão (VSI) é o mais usado. Nele, a tensão da fonte de entrada CC é essencialmente constante e independente da corrente puxada pela carga. A tensão de entrada CC pode vir de uma fonte independente, como uma bateria, ou pode ser a saída de um retificador controlado. Um capacitor de valor grande é colocado em paralelo com a entrada da linha CC para o inversor. O capacitor garante que os enventos de chaveamento não alterem de modo significa- tivo a tensão CC. Ele carrega e descarrega, de acordo com a necessidade de fornecimento de uma saída estável. O inversor converte a tensão de entrada CC em uma onda quadrada CA na saída da fonte.

      1. VSI em meia-ponte

O inversor em meia-ponte, usado para aplicações de baixa potência, é o alicerce básico dos circuitos inversores. A figura 2.1.2a. mostra uma configuração de VSI monofásico em meia-ponte que utiliza duas chaves (S1 e S2) e duas fontes de alimentação CC.

Figura 2.1.2.a.

O dispositivo de chaveamento pode ser um transistor de potência um BJT (bipolar junction transistor – transistor bipolar de junção) ou um MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor – transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor), um tiristor GTO (Gate-turnnoff thyristor – tiristor de desligamento por porta) ou um SCR (silicon controlled rectifier – retificador controlado de silício), com seu circuito de comutação. Os diodos D1 e D2 são de retorno.

A figura 2.1.2.b. mostra a forma de onda da tensão de saída com carga resistiva. As chaves passam para o estado ligado e desligado alternadamente: uma estará ligada enquanto a outra estiver desligada. No período de 0 a T/2, a chave S1 se mantém fechada, o que faz com que Vo = +E. Em T/2, S1 fica aberta e S2, fechada. Durante T/2 a T, a tensão de saída Vo = -E. Portanto, essa tensão tem uma forma de onda retangular com frequência f = 1/T. Ao controlar T, podemos dominar a frequência das tensões de saída do inversor. Entretanto, deve-se tomar cuidado para não passar ambas as chaves ao estado ligado, pois nesse caso elas produziriam um curto na fonte CC.

Figura 2.1.2.b.

      1. VSI em ponte completa

Um VSI em ponte completa pode ser montado com dois VSIs em meia ponte. Podemos ver na figura 2.1.3.a. o circuito básico para um inversor monofásico de fonte de tensão em ponte completa. São necessárias quatro chaves e quatro diodos de retorno. A amplitude da tensão de saída, e portanto, a potência de saída é o dobro do modelo meia-ponte. As chaves são passadas para os estados ligados e desligados por pares em diagonal. Assim, ou as chaves S1 e S4 ou as S2 e S3 vão para o estado ligado em um semiciclo (T/2). Portanto, a fonte CC fica ligada de maneira alternada à carga, em direções opostas. A frequência de saída é controlada pela taxa de velocidade, segundo a qual as chaves se e se fecham. Se os pares de chaves passarem para o estado ligado em intervalos iguai, a forma de onda da tensão de saída será uma onda quadrada com um pico de amplitude E.

Figura 2.1.3.a.

Na tabela abaixo mostramos a sequência de chaveamento através da tabela Tabela 2.1.3.a.

Estado

S1

S2

S3

S4

Tensão de Saída

1

Ligada

Desligada

Desligada

Ligada

+E

2

Desligada

Ligada

Ligada

Desligada

-E

3

Ligada

Desligada

Desligada

Ligada

+E

4

Desligada

Ligada

Ligada

Desligada

-E

Tabela 2.1.3.a.

Quando o estado do chaveamento muda, enquanto se estiver passando de um estado para outro, ambos os pares de chaves devem estar desligados por um curto período de tempo. Impedindo que ocorra algum curto na fonte CC no estado transitório, em que as duas chaves pode estar se fechando ao mesmo tempo. Portanto, o chaveamento do estado ligado para o desligado deve ser feito o mais rápido possível, enquanto o do desligado para o ligado deve contar com um atraso apropriado, o que o faz levar um tempo definido.

Podemos controlar a tensão CA ao usar um terceiro estado da chave, durante o qual a tensão de saída é zero. A forma de onda da saída é a onda em degrau mostrada na figura 2.1.3.b.

Figura 2.1.3.b.

A forma de onda mostrada na figura 2.1.3.b (acima) é obtida por meio de um inversor de fonte de tensão em ponte que usa uma carga RL. A tensão de saída é uma forma de onda retangular, com um ciclo de trabalho de 50%. A forma de onda da corrente na saída tem forma exponencial. Quando a tensão de saída for positiva, a corrente crescerá exponencialmente. Durante o ciclo seguinte, quando a tensão de saída for negativa, a corrente cairá exponencialmente.

Abaixo na figura 2.1.3.c. mostramos o circuito com a carga RL citada no bloco do texto anterior.

Figura 2.1.3.c.

A função dos diodos de retorno é fornecer um caminho de volta para a corrente de carga, quando as chaves estiverem desligadas. Logo após S2 e S3 passarem para o estado desligado em t = 0, por exemplo, os diodos D1 e D4 irão ligar.

A corrente de carga começará em um valor negativo e crescerá exponencialmente a uma taxa dada pela constante de tempo da carga ( = L/R). A fonte de corrente CC, nesse período, é invertida e flui de fato para a fonte CC. Quando a corrente na saída chega a zero, D1 e D4 passam para o estado desligado e S1 e S4, para o ligado. A tensão e a corrente na saída são positivas e produzem uma potência positiva. A corrente continua a crescer e alcança o valor máximo em t= T/2, quando S1 e S4 passam para o estado desligado. A tensão de saída se inverte, mas a corrente na saída continua a fluir na mesma direção. A corrente na saída somente pode fluir através dos diodos D2 e D3, que ligam a fonte CC à carga, o que gera tensão inversa. A energia armazenada no indutor retorna à fonte CC e a corrente alcança seu valor máximo negativo em t = T e o ciclo se repete.

  1. Produção de uma onda senoidal

A maioria das aplicações de inversores requer algum tipo de controle da tensão de saída CA. Vários métodos são usados para isso e podem ser classificados em três grande categorias:

  • Controle da tensão de entrada CC fornecida para o inversor

  • Controle da tensão de saída CA do inversor

  • Controle da tensão no inversor

    1. Controle da tensão de entrada CC

Para um dado padrão de chaveamento, a tensão de saída do inversor é diretamente proporcional à tensão de entrada. Portanto, a variação da tensão de entrada CC fornecida é a maneira mais simples de controlar a tensão de saída. Se a fonte de potêncai for CC, então o uso de um chopper (circuito conversor usado para se obter uma tensão CC variável a partir de uma fonte de tensão CC constante), será o método principal para a obtenção de uma tensão CC variável. Entretanto, quando a tensão CC advém da tensão CA, o controle é mais fácil. Basta usar retificadores controlados ou não, para conseguir uma tensão de saída CC variável.

    1. Controle da tensão de saída CA

Para usar esse tipo de controle é introduzido um regulador CA entre o inversor e a carga, assim podemos controlar a tensão CA e, dessa maneira também a tensão de saída do inversor.

    1. Controle da tensão no inversor

A modulação por largura de pulso (PWM) é o método mais comum para controlar a tensão num conversor. Nela, a tensão de saída é uma onda modulada por largura de pulso, controlada pela variação da duração dos pulsos, ou SPWM (Modulação por largura de puplso de senoidal).

  1. PWM

A modulação por largura de pulso varia a razão cíclica aplicada aos interruptores em uma alta freqüência de comutação com o intuito de suprir uma determinada tensão ou corrente na saída em baixa freqüência, ou seja, tem-se como objetivo criar uma seqüência de pulsos que devem ter o mesmo valor fundamental de uma referência desejada. Todavia, nesta seqüência de pulsos existem componentes harmônicos indesejados que devem ser minimizados.

Na SPWM, a largura dos pulsos enviados para os interruptores depende da amplitude da referência senoidal de tensão, fazendo com que a tensão Vab tenha uma componente fundamental na mesma freqüência da tensão de referência e os harmônicos deslocados em torno da freqüência da portadora Vtri. Esta modulação apresenta a característica de possuir um único comando para cada dois interruptores, como por exemplo, S1 e S4. Nos outros dois interruptores pode-se usar, idealmente, um comando complementar.

Entre os pontos positivos da vasta utilização da SPWM na indústria destacam-se a operação em freqüência fixa e o conteúdo harmônico deslocado para altas freqüências utilizando-se uma portadora. O emprego de freqüência fixa aperfeiçoa o projeto dos componentes magnéticos, tendo em vista que em aplicações onde a freqüência é variável os componentes magnéticos devem ser projetados para toda a faixa de freqüência utilizada. Quando o conteúdo harmônico se concentra nas altas freqüências tem-se uma diminuição de dimensão, peso e custo dos componentes do filtro.

  1. Conversores CC-CA trifásicos

A estrutura do inversor trifásico pode ser obtida pela inserção de mais uma “perna” ao bloco do inversor monofásico em ponte, e os sinais para acionamento das chaves superiores devem estar defasados de 120º um do outro e as chaves na mesma “perna” devem estar alternadamente ligadas por 180º uma da outra, abaixo na figura 5.a. podemos ver o esquemático de inversor trifásico.

Figura 5.a.

A operação do inversor de seis passos é essencialmente a mesma de um inversor monofásico em ponte, como no monofásico cada chave é ligada e desligada durante intervalos de 180º e cada terminal de saída é conectado alternadamente por meio período aos pólos positivos e negativos da fonte de tensão contínua. A tensão trifásica é obtida conservando um defasamento mútuo de 120º entre as sequencias de chaveamento nas três “pernas” do conversor. Esse defasamento entre as fases resulta numa sequencia que é mostrada na figura 5.b. logo abaixo, fazendo uma referencia para a figura 5.a. da página anterior.

Figura 5.b.

Abaixo na figura 5.c. vemos a forma de onda de um conversor trifásico de seis passos.

Figura 5.b.

  1. Conclusão

A finalidade desse trabalho foi apresentar as principais caracteristicas de um conversor CC-CA com suas principais variações de circuitos, formas de onda de saída, técnicas de modulação para a obtenção de uma senoide e seu funcionamento para o sitema trifásico.

  1. Bibliografia

AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência. São Paulo, Pearson Prentice Hall, 2008.

ANTUNES, Fernando. Inversores.

http://www.dee.ufc.br/~fantunes/inversores.ppt. Acesso em: 17/05/2009.

BARBI, Ivo. Projetos de Fontes Chaveadas. Florianópolis, Edição do autor, 2001.

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