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8/19/2019 Inversores Net
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[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II1
Conversores CC-CA
Inversores
• converte uma tensão contínua de entrada numa tensão alternada
simétrica de saída com módulo e frequência determinados.
• A frequência da tensão de saída é determinada pelo chaveamentodos dispositivos semicondutores que formam o inversor, depende,
portanto do circuito de controle.
• São estruturas básicas nas conversões fotovoltaicas e eólio-elétrica.
I cc
V cc
Inversor
220 V(230 V), 60 (50) HzV CA
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8/19/2019 Inversores Net
2/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II2
• A função de um inversor é converter uma tensão contínua de
entrada numa tensão alternada simétrica de saída com módulo e
freqüência determinados.
• A freqüência da tensão de saída do inversor é determinada pelochaveamento dos dispositivos semicondutores que formam o
inversor, depende, portanto do circuito de controle.
Inversores
Conversores CC-CA
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8/19/2019 Inversores Net
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[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II3
Onda
quadradaTrapezoidal Senoidal
t t t
V V V
Multi-nivel
t
V
Formas de Ondas da Tensão de Saída
Conversores CC-CA
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8/19/2019 Inversores Net
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[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II4
• A forma de onda da tensão de saída de um inversor idealdeve ser senoidal. Entretanto, num inversor real as
formas de onda são não senoidais e contêm certasharmônicas.
• Os inversores têm ampla aplicação no controle demotores de corrente alternada, aquecimento indutivo,sistemas ininterruptos de energia, sistemas de potência,tração elétrica, etc.
Conversores CC-CA
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[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II5
• Se as chaves S1 e S2 abrem efecham alternadamente então uma
tensão alternada de onda quadradaserá aplicada à carga e afreqüência da onda de tensão serádeterminada pela freqüência dechaveamento.
• S1 e S2 não são chaves mecânicas,mas transistores.
• Com carga indutiva, há, para cadatransistor um diodo conectado em
antiparalelo para continuidade decorrente quando da abertura dotransistor.
Princípio de Operação
Conversores CC-CA
Vs/2
S1
Carga
S2
Vs/2
Inversor em meia ponte
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[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II6
Conversores CC-CA
• Quando S1 conduz a corrente nacarga io(t) é positiva.
• Quando S1 desliga,conseqüentemente S2 liga, acorrente io(t) continua a circularna mesma direção, através de D2
até a corrente cair a zero einverter de sentido, quando entãoS2 passa a conduzir.
Meia Ponte
S1
LOAD
S2
Vs/2
Vs/2
D1
D2
v0
i0
Vs/2
-Vs/2
S1
S2
v0
i
t
0
S1 S2D1 D2
-
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• O valor eficaz da tensão de saída
dado por:
• O valor eficaz da tensão de saída
dado por:
• Para n=1 determina-se o valor dacomponente fundamental da
tensão de saída.
Conversores CC-CA
2
Vdt
4
V
T
2dt
4
V
T
1V s
2
12/T
0
2s
2
1T
0
2s
0 =⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =⎟
⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = ∫∫
6...4,2,=n para0,=)(2
...5,3,1
0 ∑∞
=
=n
s nwt senn
V v
π
Inversor de Meia Ponte
ss
1 V45,0
2
V2V =
π
=
Vs/20
S1
S2Vs/2
D1
D2
Vs/2
-Vs/2T/2 T
on
ont
t
S1S2
D2D1 S1 S 2 chaves em condução
i o
vo
Avo
io
-
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[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II8
AC
output
C S1
S2C
Frequencia de chaveamento f S1=f S2 is 50(60) Hz
DC
input
AC
demand
1
2
C1=C2=C
O ponto médio é fornecido por dois capacitores em série
Conversores CC-CA
Inversor de meia ponte monofásico
-
8/19/2019 Inversores Net
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[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II9
Time
170ms 175ms 180ms 185ms 190ms 195ms 200ms-20
-10
0
10
20
12L
5m
21R
50m
V212
V112V4
TD = 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 0TR = 10nsV2 = 15
0
V3
TD = 5msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 0TR = 10nsV2 = 15
M1
IRF150
M3
IRF150
I
iout
Vout
iout
Time220ms 225ms 230ms 235ms 240ms 245ms 250ms-8.0
-4.0
0
4.0
8.0
Vout
V1312
V1412
21 R4
50m
12 L4
5m
V15
TD = 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 0TR = 10nsV2 = 15
0
V16
TD = 5msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 0TR = 10nsV2 = 15
M7
IRF150
M8
IRF150
C2
10m
V
Without output filter
With output filter
Conversores CC-CA
Inversor de meia ponte monofásico - Simulação
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8/19/2019 Inversores Net
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[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II10
Saídaca
FonteCC
S1 S3
S2 S4
Entradacc
Inversor Ponte Completa
Conversores CC-CA
S1 S3
S2 S4
Filtro
Fonte
CC
Entrada
cc
Carga ca
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8/19/2019 Inversores Net
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[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II11
• As chaves S1 e S2 são acionadas complementarmente em intervalos
180°
• Quando S1 e S4 conduzem a tensão de entrada Vs é aplicada à carga.
• Quando S2 e S3 conduzem a tensão da fonte com polaridade invertida
fica aplicada à carga
vAB =vAO - vBO
• Resultando na carga numa onda quadrada de magnitude VS
Conversores CC-CA
Vs/2S 3
S 4Vs/2
0
D3
D4
S1
S2
D1
D2
L R
A B
isInversor em Ponte
-
8/19/2019 Inversores Net
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[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II12
Conversores CC-CA
T /2 T
o n
o n
V s / 2
- V s /2 t
S 1
S 2
o
v A o
T /2 T
o n
o n
V s / 2
- V s /2 tS 4
S 3
t
oD 1D 4
S 1S 4
D2D3
S 2S 3
is
i
vA B
t
t
o nS 4
o nS 1
V B o
-vs
vs
A B
Inversor em Ponte
Vs/2S3
S4Vs/2
0
D3
D4
S1
S2
D1
D2
L R A B
is
-
8/19/2019 Inversores Net
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[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II13
L1
10m
R1
3
V2
TD = 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 15TR = 10nsV2 = 0
M1IRF150
V5120Vdc
M4IRF150
M3IRF150
V4
TD = 0msTF = 10nsPW = 5ms
PER = 10msV1 = 15TR = 10nsV2 = 0
M2IRF150
V1
TD = 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 0
TR = 10nsV2 = 15
V3
TD = 0msTF = 10ns
PW = 5msPER = 10ms
V1 = 0TR = 10nsV2 = 15
0
iout
Vout
Vout
is
Conversores CC-CA
Inversor em Ponte - Simulação
V(L2:2)
-100V
0V
100V
-I(L2)-40A
0A
40A
SEL>>
Time
150ms 155ms 160ms 165ms 170ms 175ms 180msI(V7)
-40A
-20A
0A
20A
40A
is
-
8/19/2019 Inversores Net
14/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II14
• O valor eficaz da tensão na carga será:
• A tensão instantânea será expressa por:
• A fundamental da tensão na carga:
• O controle do valor eficaz da tensão de saída pode ser realizado
através da variação da defasagem entre VA0 e VB0. Para umângulo de defasagem de 180° a tensão de saída tem valor eficaz
máximo e igual a Vs. Quando ângulo de defasagem for de zero
grau a tensão de saída terá valor eficaz nulo.
Conversores CC-CA
S AB V V =
∑∞
= π=
...5,3,1n
sAB )nwtsen(n
V4v
ss
1AB V90,02
V4=v =
π
Inversor em Ponte
-
8/19/2019 Inversores Net
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[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II15
T/2 T
on
on
Vs/2
-Vs/2t
S1
S2
vAo
T/2 T
on
onVs/2
-Vs/2 tS4
S3
v
onS4
onS1
VBo
-v t
AB
s
vs
o
i
t
AB
v1
vAB
ss
rms AB V V
v 90,02
4=
1=
π
Inversor Ponte Completa
Conversores CC-CA
Vs/2 S3
S4Vs/2
0
D3
D4
S1
S2
D1
D2
L R
A B
is
-
8/19/2019 Inversores Net
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[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II16
Saída ca
S1 S3
S2 S4
DC
input
FiltroPonte
Fonte
ccCarga ca
Tensão
CCOnda
quadrada
Onda
senoidal
?
Inversor em Ponte
Conversores CC-CA
-
8/19/2019 Inversores Net
17/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II17
Vload
Vac
270ms 275ms 280ms 285ms 290ms 295ms 300ms-200V
-100V
0V
100V
200V
21R3
301 2
L3
10m
V11
TD = 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 15TR = 10nsV2 = 0
M9
IRF150
V12
100Vdc
M10
IRF150
M11
IRF150V13
TD = 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 15TR = 10nsV2 = 0
M12
IRF150V14
TD = 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 0TR = 10nsV2 = 15
V15
TD = 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 0TR = 10nsV2 = 15
0
C1
1m
Load
Inversor em Ponte com Filtro LC - Simulação
Conversores CC-CA
-
8/19/2019 Inversores Net
18/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II18
t-vs
o
t
V(t)vAB
î ac
isI
θ
vac
i(t)
Vs
Para um filtro LC perfeito a tensão e acorrente de saída serão senoidais.
Formas de onda da tensão e da correntepara um filtro “perfeito”.
A
S1 S3
S2 S4
Vs
D1
D2
D3
D4
B
is
C
AC
output
L
aci
vac
Inversor em Ponte com Filtro LC
Conversores CC-CA
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8/19/2019 Inversores Net
19/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II19
avgssI.VP =
θπ
ωθωπ
π
cosI
2
td)tsin(I
1
I 0savg =−= ∫
θπ
cosI2
.VP s=
2
00P π
θ
20P
πθ =⇒=
πθπ
≤
-
8/19/2019 Inversores Net
20/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II20
t
o
t
i s
θ=90°
I
o
I
θ=0°
i s
θπ
cosI2.VP s=
I
vs
i s
θ=180°
θ =0°
θ =90°
θ =180°
A
S1 S3
S2 S4
Vs
D1
D2
D3
D4
B
is
C
AC
output
L
aci
vac
aci
vac
aci
vac
V(t)i(t)
acivac
Vs
V(t)i(t)
V(t)i(t)
Inversor em Ponte – Fluxo de PotênciaConversores CC-CA
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8/19/2019 Inversores Net
21/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II21
21R4
31 2
L4
10m
V16
TD = 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 15TR = 10nsV2 = 0
M13
IRF150
V17
120Vdc
M14
IRF150
M15
IRF150V18
TD = 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 15TR = 10nsV2 = 0
M16
IRF150V19
TD = 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 0TR = 10nsV2 = 15
V20
TD = 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 0TR = 10nsV2 = 15
0
C2
3m
1 2L5
10m
R4=3Ω and L5=10m
Ti me
270ms 275ms 280ms 285ms 290ms 295ms 300ms
V( C2: 2) - I ( R4)
- 20
- 10
0
10
20
R4=3Ω and L5=10p (zero)
Ti me
270ms 275ms 280ms 285ms 290ms 295ms 300ms
V( C2: 2) - I ( R4)
- 20
- 10
0
10
20
Inversor em Ponte com Filtro LCConversores CC-CA
-
8/19/2019 Inversores Net
22/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II22
É possível controlar a tensão de saída?
s
T
s
T
s AB V dt V T
dt V T
V =⎟⎟ ⎠ ⎞⎜⎜
⎝ ⎛ =⎟⎟
⎠ ⎞⎜⎜
⎝ ⎛ = ∫∫
2
12/
0
22
1
0
2 21
Vs é constante. Como VAB pode variar?
O controle pode ser feito pelo dafasamento entre VA0 e VB0.
Conversores CC-CAPonte Monofásica – Controle da Tensão de Saída
-
8/19/2019 Inversores Net
23/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II23
Conversores CC-CA
Controle da Tensão de Saída por Defasagem Angular
•VA0 estiver e fase o VB0 a tensão
de saída VAB é zero.
T/2 T
on
on
Vs/2
-Vs/2 t
S
S2
v Ao
T/2 T
on
on
Vs/2
-Vs/2 tS4
S3
t
vAB
onS4
onS1
VBo
-vs
vs
1
•Se VA0 estiver 180° defasada
de VB0 a tensão de saída VAB é
máxima.•VAB = VA0 - VBO
S 3
S 4
Vs
D 3
D 4
S 1
S 2
D 1
D 2
L R A B
is
-
8/19/2019 Inversores Net
24/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II24
T/2 T
t
v AB
-vs
vs
T/2 T
on
on
Vs/2
-Vs/2 t
S
S2
v Ao
on
on
Vs/2
-Vs/2 tS 4
S3
onS4
onS1
VBo
1
γ
θ
θ γ
γ=180° − θ
)2
(4 γ
π
nsen
n
V V s ABn =
θ=0 →γ=180° →VAB=Vs
θ=180° →γ=0 →VAB=0
θ=60°(γ=120°) →VAB3=0
Qualquer harmônica pode ser eliminada fazendo-se VABn=0
θ=72°(γ=108°) →VAB5=0
Conversores CC-CA
Controle da Tensão de Saída por Defasagem Angular
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8/19/2019 Inversores Net
25/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II25
V(t)
i(t)
i (t)1
i (t)3
i(t)
V(t)
i (t)1
0dt)t(p1P 2/T0
11 ≠= ∫T/2
0dt)t(p1
P4/T
033 == ∫T/4
p (t)1
V(t)
i (t)3
p (t)3
A 3ª harmônicada corrente x
fundamental datensão nãoproduzpotência útil
Conversores CC-CA
Influência das harmônicas de corrente
-
8/19/2019 Inversores Net
26/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II26
Time
0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20ms-100V
0V
100V
Time
0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20ms-50V
0V
50V
Time
0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20ms-50V
0V
50V
i1
i3
i5
i1 i3+ + i5
i7
i1 i3+
i7i1 i3+ + i5+
Conversores CC-CA
Harmônicas de corrente - simulação
∑∞
=
=...5,3,1
)sin(π
4)(
n
s AB
nwt n
I t i
C CC CA
-
8/19/2019 Inversores Net
27/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II27
• Vários Pulsos por período da tensão de saída.• As chaves operam em alta frequência.
• Componentes harmônicas só a partir da frequência de chaveamento
• A magnitude da fundamental da tensão de saída pode ser controlada.
• Maiores perdas nas chaves semicondutoras
t
V
1
S1,
S2
S3,
S4
PWM
Conversores CC-CA
S 3
S 4
Vs
D 3
D 4
S 1
S 2
D 1
D 2
L R A
B
is
C CC CA
-
8/19/2019 Inversores Net
28/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II28
Fonte
cc
S1A S3 A
S2AS4A
Vs
S1B S3B
S2BS4B
Vs
S1C S3C
S2CS4C
Vs
0
0
0
A
B
C
Fonte
cc
Fonte
cc
Conversores CC-CA
Inversor Trifásico
C CC CA
-
8/19/2019 Inversores Net
29/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II29
• A estrutura do inversor trifásico pode ser obtida peloacréscimo de mais uma perna ao inversor monofásico emponte.
• Os sinais para acionamento das chaves superiores devemestar defasados de 120° e as chaves na mesma pernadevem estar alternadamente ligadas por 180°.
Conversores CC-CA
Inversor Trifásico
Vs/2
0
S3
S4
Vs/2
D3
D4
S1
S6
D1
D6
AB
is
S5
S2
D5
D2
C
ii
Conversores CC CA
-
8/19/2019 Inversores Net
30/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II30
Trifásico de Seis Passos - Formas de OndaS 1
S 6
S 1
S 6
S 1
S 4
S 3
S 4
S 3
S 4
S 3
S 2
S
5 S 2
S
5 S 2
vA O
vB O
vC O
vA B
vB C
vC A
vA N
vB N
w t
w t
w t
w t
w t
w t
w t
w t
(c )
(b )
(a )
Conversores CC-CA
Vab Vbc Vca
S3
S4
D3
D4
S1
S6
D1
D6
A B
is
S5
S2
D5
D2
CVs
Conversores CC CA
-
8/19/2019 Inversores Net
31/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II31
• A operação do inversor trifásico de seis passos éessencialmente a mesma de um inversor monofásico em
ponte.
• Como no monofásico cada chave é ligada e desligada
durante intervalos de 180° e cada terminal de saída éconectado alternadamente por meio período aos pólospositivo e negativo da fonte de tensão contínua.
Conversores CC-CA
Trifásico
Conversores CC CA
-
8/19/2019 Inversores Net
32/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II32
• A tensão trifásica é obtida conservando um defasamentomútuo de 120° entre as seqüências de chaveamento nas
três pernas do inversor.
• Este defasamento entre as fases resulta na seqüência
indicada no diagrama da figura a seguir, tomando comoreferência a estrutura mostrada na figura anterior.
Conversores CC-CA
Trifásico
Conversores CC CA
-
8/19/2019 Inversores Net
33/36
[email protected] www.dee.ufc.br/~fantunes Eletrônica de Potência II33
• Uma chave quando ligada assim permanece por 180°.
• Sempre há três chaves ligadas ao mesmo tempo.
• As chaves na mesma perna operam complementarmente• Há uma comutação a cada 60°
Conversores CC-CA
Trifásico - Seis Passos
I
II
IIIIV
V
VI
S
0 o
60 o
120o
180 o
240o
300o
6 S1
S1S6
S6S1
S3S3
S3
S4 S4
S4S5
S5S5
S2
S2S2
S3
S4
D3
D4
S1
S6
D1
D6
A B
is
S5
S2
D5
D2
C
Vs
Conversores CC-CA
-
8/19/2019 Inversores Net
34/36
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• As tensões de linha são obtidas tomando-se a diferençaentre duas tensões de pólo. Então:
v
AB
= v AO
- vBO
vBC= vBO - vCO
vCA= vCO - v AO
Conversores CC-CA
Trifásico - Tensões de Linha
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+⎟
⎠
⎞⎜⎝
⎛ π+++⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ π++⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ π+π
=
⎥⎦⎤⎢
⎣⎡ +⎟
⎠ ⎞⎜
⎝ ⎛ π−++⎟
⎠ ⎞⎜
⎝ ⎛ π−+⎟
⎠ ⎞⎜
⎝ ⎛ π−π=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ ++++π
=
...3
2wtsen7
7
1wtsen5
5
1
3
2wt3sen
3
1
3
2wtsen
2
V4v
...32wtsen7
71wtsen5
51
32wt3sen
31
32wtsen
2V4v
...wt7sen7
1wt5sen
5
1wt3sen
3
1wtsen
2
V4v
s0C
s0B
s0A
Conversores CC-CA
-
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35/36
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• As tensões de linha, que são obtidas da diferença de duastensões polares, não contêm a terceira harmônica e seusmúltiplos.
• As harmônicas resultantes nas tensões de linha são daordem k=6 + 1, onde n é um número inteiro qualquer.
• Valor eficaz da tensão de linha:
• Componente fundamental da tensão de linha:
Conversores CC CA
⎥
⎦
⎤⎢
⎣
⎡ −+++−= ...1313
111
11
17
7
15
5
1320 wt senwt senwt senwt sensenwt V v s A
π
ss ABef V V V 816,032 ==
Trifásico - Fourier da tensão de Linha
ss
ef 1AB V78,0V6V =π
=
Conversores CC-CA
-
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Conversores CC CA
Trifásico de Seis Passos - Formas de OndaS 1
S 6
S 1
S 6
S 1
S 4
S 3
S 4
S 3
S 4
S 3
S 2
S 5
S 2
S 5
S 2
vA O
vB O
vC O
vA B
vB C
vC A
vA N
vB N
w t
w t
w t
w t
w t
w t
w t
w t
(c )
(b )
(a )
(a) Tensões Polares
(b) Tensões de Linha
(c) Tensões de Fase
S3
S4
D3
D4
S1
S6
D1
D6
A B
is
S5
S2
D5
D2
CVs