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Disciplina: Eletrônica de Potência (ENGC48)

Tema: Técnicas de Modulação

Prof.: Eduardo Simas

eduardo.simas@ufba.br

Aula 8

Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica

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Sumário

Introdução

Controle de Potência CC

Ativação por onda quadrada

Modulação por largura de pulso

Controle de Potência CA

Controle de ciclo integral

Controle de fase CA

Exercícios de Fixação

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1. Introdução

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Controle da Potência Fornecida

A partir de uma fonte (CA ou CC) constante, como controlar a potência fornecida à carga?

Solução 01: Usando um resistor ajustável (potenciômetro) em série com a carga:

Problema: energia dissipada (perdida) na resistência em série.

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Controle da Potência Fornecida

Solução 02: Através de chaves:

Embora a tensão produzida não seja contínua, esse problema é atenuado com a presença de armazenadores de energia (capacitores e indutores) no circuito.

Considerando uma chave ideal, não existem perdas associadas ao chaveamento, garantindo a eficiência energética.

Na prática é possível estimar as perdas (nos estados ligado e desligado e no chaveamento) a partir do dispositivo utilizado como chave.

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2. Controle de Potência CC

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Ativação por Onda Quadrada

Utilizando-se um trem de pulsos (onda quadrada) de características (frequência e

ciclo de trabalho variáveis) pode-se controlar a potência média fornecida à carga:

Exemplo - Ativação através de TBJ a partir de onda quadrada:

+ Vo -

A tensão média na saída é proporcional ao tempo no qual a onda quadrada tem nível alto.

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Modulação por Largura de Pulso

A modulação por largura de pulso (ou PWM – Pulse Width Modulation) é uma técnica muito utilizada para a geração de um trem de pulsos de características variáveis.

Características de um sinal PWM:

t -> Período

t1 -> Largura do Pulso

t2 -> Tempo de nível baixo

D = t1 / t -> Ciclo de trabalho

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Modulação por Largura de Pulso

A ativação por onda quadrada gerada por um modulador PWM é bastante utilizada nos conversores CC-CC para a ativação de chaves eletrônicas (transistores ou GTO).

Transferência de potência proporcional ao ciclo de trabalho:

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Modulação por Largura de Pulso

Um modulador PWM pode ser obtido a partir da comparação entre um sinal de referência e a portadora:

A portadora define a frequência do sinal modulado.

A largura do pulso (e consequentemente o ciclo de trabalho) é ajustado pelo sinal de referência.

Referência

Portadora

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PWM com sinal de referência contínuo

Em conversores CC-CC, em geral, são utilizados:

Sinal de referência contínuo Portadora dente de serra

Esquema do modulador PWM:

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Espectro do Sinal PWM com referência contínua

Componente de frequência CC (representando a portadora)

Componentes nos múltiplos da frequência da portadora (5kHz)

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PWM com referência senoidal

Em conversores CC-CA podem ser utilizados:

Sinal de referência senoidal Portadora triangular

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PWM com referência senoidal + Filtro Passa Baixas

Portadora Triangular Referência Senoidal

Sinal PWM Sinal PWM filtrado

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PWM com referência senoidal + Filtro Passa Baixas

Sinal PWM Sinal PWM filtrado

Componentes de Frequência

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PWM com Três Níveis (Onda Quase-Quadrada)

Elimina alguns componentes de frequência mantendo um período de tensão nula.

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PWM Multinível

Diversos módulos inversores com saída PWM podem ser combinados de modo a produzir uma tensão mais próxima de uma senóide.

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PWM Multinível

Com a combinação de PWM e dispositivos armazenadores de energia é possível gerar de modo aproximado qualquer forma de onda.

Exemplo: Filtro ativo de potência

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Modulação em Frequência

Utiliza-se um pulso de largura fixa e frequência variável.

A frequência da portadora deve ser variada de modo proporcional ao sinal de referência.

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Outras Técnicas de Modulação

Modulação por Limites de Corrente – tanto a frequência como a largura do pulso são variáveis a partir de um sistema em malha fechada que realimenta o valor instantâneo da corrente.

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Outras Técnicas de Modulação

Modulação por Limites de Corrente utiliza um comparador com histerese (Schmitt-Trigger):

Curva de operação do Schmitt-Trigger

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Outras Técnicas de Modulação

Modulação Vetorial :

Utilizada principalmente em

inversores trifásicos;

circuitos de controle de motores (drivers) ;

filtros ativos de potência.

É possível a geração de sinais com características distintas em cada uma das fases.

Os sinais trifásicos são decompostos em componentes de uma base de vetores ortogonais.

Técnica de modulação implementada digitalmente através de microcontroladores e DSPs (processadores digitais de sinais).

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3. Controle de Potência CA

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Introdução:

Normalmente implementado a partir de tiristores (SCRs ou TRIAC).

O objetivo é controlar a potência fornecida a uma carga de CA a partir de uma fonte CA fixa (Conversão CA-CA).

Existem basicamente dois modos de executar essa conversão: por controle de ciclo completo e por controle de fase.

Conversor CA-CA com SCRs Conversor CA-CA com TRIACs

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Controle de Ciclo Completo

Consiste em ligar ou desligar o circuito de alimentação CA da carga por vários ciclos.

Problema: pode gerar grande flutuação de tensão.

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Controle de Ciclo Completo

Características:

Potência Média Tensão Média

Sendo:

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Controle de Ciclo Completo

Cálculo do Fator de Potência:

Considerando o no caso resistivo:

Conversor ligado -> corrente e tensão estejam em fase

Conversor desligado -> corrente nula e tensão não nula

Então:

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Controle de Fase

O disparo dos tiristores é efetuado de modo periódico a cada ciclo:

Sendo: α ->o ângulo de disparo T -> o período do sinal 0 > α > 180o

Menor flutuação da tensão se comparado ao controle de ciclo integral !

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Controle de Fase

Características:

Considerando o circuito: Temos:

Voef/Vief

Fator de potência:

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Controle de Fase

Componentes Harmônicos:

Componente na Frequência Fundamental:

Componentes nas demais frequências (k > 1):

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Controle de Fase

Componentes Harmônicos:

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4. Exercícios de Fixação

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Exercícios de Fixação

Q02 – Uma fonte monofásica AC de 120 V é utilizada num controlador de ciclo integral para alimentar uma carga resistiva de 5 Ω. Determine

a. O valor médio da corrente na saída

b. A corrente máxima na chave

c. A potência máxima fornecida

d. O ciclo de trabalho e o valor de TON para que a carga receba 1 kW de potência

e. O fator de potência para a parte d

Q03 – Uma fonte monofásica AC de 110 V é utilizada num controlador de fase para alimentar uma carga resistiva de 10 Ω, sendo α = 30o , determine

a. A potência média na saída

b. A tensão de pico inversa

c. O valor RMS da corrente de entrada

d. O fator de potência do circuito

Q04 – Para o circuito do exemplo 4, encontre o valor do ângulo de disparo necessário para que a potência dissipada seja igual a 900 W.

Q01 – Considerando que uma fonte de corrente contínua de 100 V é utilizada para alimentar um motor CC que opera a 500 rpm quando alimentado por 100 V, então:

a. Escolha o ciclo de trabalho necessário para um conversor DC-DC operando com sinal de ativação em onda quadrada para que o motor opera a 300 rpm.

b. Explique a influência da frequência de chaveamento do conversor na operação do sistema.

c. Caso seja utilizado um esquema de modulação PWM com referência DC, qual o valor necessário para o sinal DC caso a portadora tenha valor máximo 2 V.

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Leitura indicada:

Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and

Applications, Segunda Edição, Elsevier, 2007.

Mohan, Undeland and Robins, Power Electronics, Converters, Applications

and Design, Wiley

Pomilio, José Antenor. Eletrônica de Potência , Faculdade de Engenharia

Elétrica e de Computação, UNICAMP, 1998, Revisado em 2002.

A. Ahmed. Eletrônica de Potência. Prentice Hall, 2006.

Algumas figuras utilizadas nesta apresentação foram retiradas das

referências citadas acima.