CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS

WEBERSON SOUSA SILVA

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

CHOPPERS E INVERSORES DE FREQUÊNCIA

BELO HORIZONTE2013

SUMÁRIO

1. CHOPPERS...............................................................................3

1.1 APLICAÇÃO........................................................................3

1.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO...................................3

1.2.1 Modulação por largura de pulso (PWM – pulse-width

modulation)........................................................................................4

1.2.2 Modulação por frequência de pulso (PFM – pulse-

frequency modulation).......................................................................4

1.3 CHOPPERS STEP-DOWN (BUCK)....................................5

1.4 CHOPPERS STEP-UP (BOOST)........................................6

1.5 TIPOS..................................................................................7

1.5.1 Chopper classe A.....................................................7

1.5.2 Chopper classe B.....................................................7

1.5.3 Chopper classe C.....................................................8

1.5.4 Chopper classe D.....................................................9

1.5.5 Chopper classe E.....................................................9

2. INVERSORES..........................................................................10

2.1 APLICAÇÃO......................................................................10

2.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO.................................11

2.3 TIPOS................................................................................12

2.3.1 Inversores Monofásicos em Ponte.........................12

2.3.2 Inversores Trifásicos..............................................13

2.4 TÉCNICAS DE CONTROLE.............................................16

2.4.1 Controle da tensão de entrada DC fornecida para o

inversor............................................................................................16

2.4.2 Controle da tensão de saída AC do inversor..........17

2.4.3 Controle da tensão no inversor..............................17

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................18

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1. CHOPPERS

1.1 APLICAÇÃOExistem muitas aplicações industriais onde é necessário converter uma

fonte de tensão CC estável para uma fonte de tensão CC variável. O conversor

DC para DC, ou chopper é utilizado quando desejamos obter uma tensão DC

variável a partir de uma fonte de tensão DC constante.

Um chopper pode ser considerado o equivalente CC de um

transformador CA com uma relação de espiras continuamente variável. Assim

com os transformadores, ele pode ser utilizado para abaixar ou elevar a tensão

de uma fonte, porém em CC.

São aplicados com bastante frequência para controle de tração de

motores em automóveis elétricos, trolebus, guindastes marinhos, empilhadeiras

de almoxarifados e transportadores em minas. Tem como principais

características o fornecimento de controle de aceleração suave, alta eficiência

e resposta dinâmica rápida. Também são aplicados em na frenagem

regenerativa de máquinas de corrente contínua (MCC), para devolver energia à

fonte de alimentaçao, resultando assim, em economia de energia para

sistemas de transporte com paradas frequentes. São utilizados em reguladores

de tensão CC, especialmente para os inversores do tipo fonte de corrente.

1.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTOO príncipio de funcionamento básico de um chopper baseia-se na

modificação do estado de uma chave em ligado e desligado, onde esta é

colocada em um circuito alimentado com CC, conforme figura abaixo. Assim

consegue-se variar a tensão média disponibilizada na carga. Esta variação é

realizada através do tempo em que a chave S é aberta e fechada, por exemplo.

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A chave S pode ser subtistuída por transistores ou SCR’s e o tempo de

condução e corte destes componentes são controlados por circuitos

eletrônicos. A tensão média de saída pode ser controlada através de duas

formas:

1.2.1 Modulação por largura de pulso (PWM – pulse-width modulation)

Neste método, a largura do pulso Ton varia enquanto o período de

chaveamento total T é constante. A figura abaixo mostra como as formas de

onda de saída variam de acordo com o ciclo de trabalho aumenta.

1.2.2 Modulação por frequência de pulso (PFM – pulse-frequency modulation)

Neste método, Ton é mantido constante enquanto o período varia.

Conforme a figura abaixo, a tensão de saída é reduzida a medida que a

frequência diminui e é alta nas frequências mais altas.

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1.3 CHOPPERS STEP-DOWN (BUCK)O circuito baixo fornece uma corrente DC linear para cargas práticas,

como um motor DC. O circuito inclui um indutor e um diodo, objetivando

eliminar as pulsações de corrente.

Quando a chave S é fechada, o diodo D ficará desligado, pois está

inversamente polarizado e ficará assim enquanto S estiver ligada. A

configuração do circuito equivalente é mostrada abaixo. A corrente na entrada

cresce de maneira exponencial e flui através do indutor L e da carga. A tensão

de saída é igual a Vi. A chave S é mantida ligada por um tempo e depois passa

para o estado desligado.

Quando a chave S é aberta, a corrente no indutor começa a cair até se

anular. Assim, no indutor, é gerada uma tensão induzida de polaridade oposta.

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A tensão no indutor polariza o diodo diretamente e a corrente, agora fluindo no

indutor, atua como retorno através do diodo D e da carga. A configuração do

novo circuito é mostrada abaixo.

A tensão na carga é nula e a corrente cai a zero durante todo o tempo

em que S estiver desligada. A energia armazenada em L é entregue à carga.

1.4 CHOPPERS STEP-UP (BOOST)No circuito step-up, a tensão de saída pode variar desde a fonte de

tensao até diversas vezes o valor desta. O circuito básico do chopper step-up é

mostrado na figura abaixo. O indutor L fornece uma corrente linear na entrada.

Quando a chave S é ligada o indutor ficará conectado à alimentação. A

tensão no indutor pulará no mesmo instante para a fonte de tensão, mas a

corrente no indutor aumentará de maneira linear e armazenará energia no

campo magnético. Quando a chave for aberta, a corrente cairá de modo

violento e a energia armazenada no indutor será transferida para o capacitor,

através do diodo D. A tensão induzida no indutor mudará de polaridade e a

tensão no indutor se somará à fonte de tensão, para assim aumentar a tensão

de saída. A corrente que estava fluindo por S, fluirá agora através de L, D, e C

para a carga. Portanto, a energia armazenada no indutor será liberada para a

carga. Quando S for fechada, D se tornará inversamente polarizado, a energia

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do capacitor fornecerá a tensão na carga e o ciclo se repetirá. A figura abaixo

ilustra o circuito equivalente do chopper step-up.

1.5 TIPOS

Com a variação dos sentidos dos fluxos da corrente e da tensão, os

choppers podem ser classificados em cinco tipos:

1.5.1 Chopper classe AA corrente de carga flui “para dentro” da carga. A tensão e a corrente da

carga são positivas, como mostrado na figura abaixo. É denominado chopper

de um quadrante e sua operação pode ser considera como a de um retificador.

1.5.2 Chopper classe BA corrente de carga flui “para fora” da carga. A tensão da carga é

positiva, mas a corrente é negativa, como mostrado na figura abaixo. Este

também é um chopper de um quadrante, porém opera no 2º quadrante e sua

operação é como a de um inversor. A figura abaixo mostra um chopper classe

B, em que a bateria E faz parte da carga, podendo ser a força contra-

eletromotriz (fcem) de uma máquina de corrente contínua.

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1.5.3 Chopper classe CA corrente da carga é tanto positiva quanto negativa, conforme mostrado

nafigura abaixo. A tensão na carga é sempre positiva. Este é conhecido com

um chopper de dois quandrantes. Os choppers classe A e B podem ser unidos

para formar um chopper classe C, como mostrado abaixo. CH1 e D2 operam

como um chopper classe A. CH2 e D1 operam como um chopper classe B. As

duas chaves não podem ser ligadas ao mesmo tempo, evitando que a tensão

de alimentação Vs seja curto-circuitada. Este chopper pode operar tanto como

retificador ou inversor.

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1.5.4 Chopper classe DA corrente da carga é sempre positiva. A tensão na carga pode variar

entre positiva e negativa, como mostrado na figura abaixo. Este tipo também

pode operar como retificador ou inversor. Caso CH1 e CH4 estiverem ligadas,

vL e iL serão positivas. Caso estas sejam desligadas, a corrente da carga iL

será positiva e circulará através de uma carga altamente indutiva. Os diodos

D2 e D3 fornecem um caminho para a corrente de carga e vL será invertida.

1.5.5 Chopper classe EA corrente e a tensão na carga é tanto positiva como negativa, conforme

figura abaixo. Este é conhecido como um chopper de quatro quadrantes.

Através de dois choppers classe C podemos formar um chopper classe E, de

acordo com a imagem. As polaridades da tensão e da corrente na carga e os

dispositivos que estão operando nos diferentes quadrantes estão ilustrados na

figura abaixo. Operando no quarto quadrante, o sentido da bateria E tem de ser

invertido. Este tipo de chopper é a base para o inversor monofásico em ponte.

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2. INVERSORES

2.1 APLICAÇÃOInversores de freqüência são equipamentos de baixo custo para o

controle da velocidade de motores de indução trifásicos, o que gera uma

economia de energia sem prejudicar a qualidade final do sistema.

Os Inversores de Freqüência existem tanto em indústrias de

processo quanto em manufaturas, tais como linhas de montagem,

automobilísticas, bebidas e alimentícias, papel e celulose e petroquímicas.

A grande vantagem de utilização de inversores é que além de gerar

economia de energia também reduz o custo de instalação do sistema. Os

inversores variam as velocidades dos motores de acordo com a maior ou

menor necessidade de vazão ou pressão ou temperatura de cada zona de

controle. Ao diminuir a velocidade, os inversores proporcionam grande

economia de energia. Tal efeito não ocorre com as válvulas tradicionais onde a

vazão é reduzida, porém, o motor continua operando na mesma velocidade -

pressionando o fluído sobre a entrada da válvula, absorvendo a mesma

potência.

Outra vantagem que se pode obter utilizando inversores de

freqüência é a possibilidade de redução dos custos de manutenção. Os

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inversores possibilitam que os motores sejam acionados suavemente, sem

trancos. Com isso, reduz-se a quebra de elementos de transmissão como

correntes e rodas dentadas, ocorrências freqüentes em virtude do esforço

adicional provocado pelos motores com partida direta.

Existem várias empresas que fabricam inversores de freqüências, que

apresentam características e funcionamento semelhantes, mas que podem

variar de acordo com a faixa de atuação, tanto da freqüência quanto da

potência. Alguns exemplos de empresas fabricantes são: Weg, Mitsubishi

Electric, Siemens, Hitachi, Fuji Electric, General Electrics, dentre várias outras.

Quase todos fabricantes fazem seus inversores com um resistor de freio

dinâmico, que dissipa a energia produzida pelo motor quando esse se encontra

freando. O resistor de freio dinâmico é conectado no bloco DC e pode

chegar a receber tensões de até 800V durante o processo de frenagem.

2.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTOO inversor é ligado na rede elétrica, que pode ser monofásica ou

trifásica, e em sua saída há uma carga que necessita de uma freqüência

diferente daquela da rede. Para tanto, o inversor tem como primeiro estágio,

um circuito retificador, responsável por transformar a tensão alternada em

contínua. Após isso, existe um segundo estágio capaz de realizar o

inverso, ou seja, a transformação de uma tensão CC para uma tensão CA

(conversor), e com a freqüência desejada pela carga.

Na rede de entrada a freqüência é fixa (60 Hz ou 50 Hz) e a

tensão é transformada pelo retificador de entrada em contínua pulsada

(retificação de onda completa). O Capacitor (filtro) transforma-a em tensão

contínua pura de valor aproximado de Vrede x sqrt2.

Esta tensão contínua é conectada ciclicamente aos terminais de

saída pelos dispositivos semicondutores do inversor, transistores ou tiristores,

que funcionam como chaves estáticas.

O controle desses dispositivos semicondutores é feito pelo circuito de

comando, de modo a obter um sistema de tensão pulsada, cujas freqüências

fundamentais estão defasadas de 120°. A tensão é escolhida de modo

que a relação tensão/freqüência seja constante, resultando em operação com

fluxo constante e, por via de conseqüência, manutenção da máxima

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capacidade de sobrecarga momentânea do motor. A figura abaixo ilustra o

diagrama de blocos simplificado de um inversor que alimenta um motor.

2.3 TIPOSGeralmente os inversores são classificados em dois tipos: inversores

monofásicos e inversores trifásicos. Cada tipo pode usar dispositivos com

disparo ou bloqueio controlados (por exemplo BJTs, MOSFETs, IGBTs, MCTs,

SITs, GTOs) ou tiristores em comutação forçada, dependendo das aplicações.

Esses inversores em geral usam sinais de controle PWM para produzir uma

tensão CA de saída.

2.3.1 Inversores Monofásicos em PonteUm inversor monofásico em ponte é mostrado na figura abaixo.

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Este consiste de quatro choppers. Quando os transistores Q1 e Q2

conduzem simultaneamente, a tensão de entrada Vs aparece sobre a carga.

Se os transistores Q3 e Q4 conduzem ao mesmo tempo, a tensão sobre a

carga é invertida e é –Vs. A forma de onda para a tensão de saída é mostrada

na figura abaixo.

Quando os diodos D1 e D2 conduzem, a energia é devolvida para a

fonte CC, e eles são conhecidos como diodos de realimentação. A figura

abaixo mostra a forma de onda da corrente de carga para a carga indutiva.

2.3.2 Inversores TrifásicosEstes são normalmente utilizados para aplicaçõs de potência elevada.

Três inversores monofásicos de meia-ponte (ou completa) podem ser

conectados em paralelo, como mostra a figura abaixo, para formar a

configuração de um inveror trifásico.

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Os sinais de comando dos inversores monofásicos devem ser

adiantados ou atrasados em 120º um em relação ao outro, para se obterem

tensões trifásicas (fundamentais) equilibradas. Os enrolamentos primários dos

transformadores devem ser isolados uns dos outros, enquanto os enrolamentos

secundários podem ser conectados em estrela ou em triângulo.

Uma saída trifásica pode ser obtida a partir de uma configuração com

seis transistores e seis diodos, como mostrado abaixo. Dois tipos de sinais de

controle podem ser aplicados aos transistores: condução por 180º ou condução

por 120º.

Na condução por 180º cada transistor conduz por 180º. Três transistores

permanecem conduzindo em qualquer instante de tempo. Quando o transistor

Q1 entra em condução, o terminal a é conectado ao positivo da tensão CC de

entrada. Quando o transistor Q4 entra em condução, o terminal a é levado ao

negativo da fonte CC. Existem seis modos de operação em um ciclo e a

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duração de cada modo é de 60º. Os transistores são numerados em sua

sequência de comando (por exemplo, 123, 234, 345, 456, 561, 612). Os sinais

de comando mostrado na figura abaixo são defasados de 60º uns dos outros

para se obterem tensões trifásicas (fundamentais) equilibradas.

Já na condução por 120º cada transistor conduz por 120º. Somente dois

transistores estão conduzindo em qualquer instante de tempo. Os sinais de

comando são mostrados na figura abaixo. A sequência de condução dos

transistores é 61, 12, 23, 34, 45, 56, 61).

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2.4 TÉCNICAS DE CONTROLEA maioria das aplicações de inversores requer algum modo de controle

da tensão de saída AC. Vários métodos usados para isso podem ser

classificados em três grandes categorias: controle da tensão de entrada DC

fornecida para o inversor, controle da tensão de saída AC do inversor e

controle da tensão no inversor.

2.4.1 Controle da tensão de entrada DC fornecida para o inversorPara um determinado padrão de chaveamento, a tensão de saída do

inversor é diretamente proporcional à tensão de entrada. Assim, a variação da

tensão de entrada DC fornecida é a maneita mais simples de controlar a tensão

de saída. Se a fonte de potência é DC, então o uso de um chopper será o

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método principal para a obtenção de uma tensão DC variável. Porém, se a

tensão for AC, basta utilizar retificadores (controlados ou não) para conseguir,

com um chopper, um tensão de saída DC variável.

2.4.2 Controle da tensão de saída AC do inversorEste método é mais simples, onde a introdução de um regulador AC

entre o inversor e a carga controla a tensão AC e, assim, também controla a

tensão de saída do inversor.

2.4.3 Controle da tensão no inversorA modulação por lagura de pulso (PWM) é o método mais comum para

controlar a tensão. Nela, a tensão de saída é uma onda modulada por largura

de pulso, controlada pela variação da duração dos pulsos.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Ahmed, Ashfaq. Eletrônica de Potência. 1ª ed. Pearson, São Paulo: 2000;

Rashid, Muhammad H. Eletrônica de Potência – Circuitos, Dispositivos e

Aplicações. 2ª ed. Makron Books, São Paulo 1999.