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8/19/2019 Inversores Net

1/36

[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


2/36


• 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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Onda

quadradaTrapezoidal Senoidal

t t t

V V V

Multi-nivel

t

V

Formas de Ondas da Tensão de Saída

Conversores CC-CA


4/36


• 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


5/36


• 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


6/36


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


7/36


• 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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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


9/36


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


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


0

V16


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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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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• 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


12/36


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


13/36


L1

10m

R1

3

V2


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


14/36


• 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


15/36


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


16/36


Saída ca

S1 S3

S2 S4

DC

input

FiltroPonte

Fonte

ccCarga ca

Tensão

CCOnda

quadrada

Onda

senoidal

?

Inversor em Ponte

Conversores CC-CA


17/36


Vload

Vac

270ms 275ms 280ms 285ms 290ms 295ms 300ms-200V

-100V

0V

100V

200V

21R3

301 2

L3

10m

V11


M9

IRF150

V12

100Vdc

M10

IRF150

M11

IRF150V13


M12

IRF150V14


V15


0

C1

1m

Load

Inversor em Ponte com Filtro LC - Simulação

Conversores CC-CA


18/36


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


19/36


avgssI.VP =

θπ

ωθωπ

π

cosI

2

td)tsin(I

1

I 0savg =−= ∫

θπ

cosI2

.VP s=

2

00P π

θ

20P

πθ =⇒=

πθπ

≤


20/36


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


21/36


21R4

31 2

L4

10m

V16


M13

IRF150

V17

120Vdc

M14

IRF150

M15

IRF150V18


M16

IRF150V19


V20


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


22/36


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


23/36


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


24/36


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


25/36


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


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Time

0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20ms-100V

0V

100V

Time


0V

50V

Time


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


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• 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


28/36


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


29/36


• 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


30/36


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


31/36


• 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


32/36


• 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


33/36


• 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


34/36


• 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


35/36


• 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


36/36


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

Inversores Net

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