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Conversores CC-CA
InversoresIcc
Vcc220 V(230 V), 60 (50) HzVCA
• converte uma tensão contínua de entrada numa tensão alternada simétrica de saída com módulo e frequência
Inversor
alternada simétrica de saída com módulo e frequência determinados.
• A frequência da tensão de saída é determinada pelo chaveamento dos dispositivos semicondutores que formam ochaveamento dos dispositivos semicondutores que formam o inversor, depende, portanto do circuito de controle.
• São estruturas básicas nas conversões fotovoltaica e eólio-
elétrica.
Conversores CC-CA
Inversores
• A função de um inversor é converter uma tensão contínuaçde entrada numa tensão alternada simétrica de saída commódulo e freqüência determinados.
• A freqüência da tensão de saída do inversor édeterminada pelo chaveamento dos dispositivossemicondutores que formam o inversor Dependesemicondutores que formam o inversor. Depende,portanto do circuito de controle.
Conversores CC-CA
Formas de Ondas da Tensão de Saída
VVV
t t t
Onda quadrada Trapezoidal Senoidal
V
t
Multi-nivel
Conversores CC-CA
• A forma de onda da tensão de saída de um inversor idealA forma de onda da tensão de saída de um inversor idealdeve ser senoidal. Entretanto, num inversor real asformas 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 potênciasistemas ininterruptos de energia, sistemas de potência,tração elétrica, na geração distribuída.
Conversores CC-CA
• Se as chaves S1 e S2 abrem e
Princípio de Operação
1 2fecham alternadamente então uma tensão alternada de onda quadrada será aplicada à carga e a se á ap cada à ca ga e afreqüência da onda de tensão será determinada pela freqüência de chaveamento
Vs/2
S1
chaveamento.• S1 e S2 não são chaves mecânicas,
mas transistores.
Carga
Vs/2
• Com carga indutiva, há, para cada transistor um diodo conectado em antiparalelo para continuidade de
S2
p pcorrente quando da abertura do transistor.
Inversor em meia ponte
Conversores CC-CA
• Quando S1 conduz a corrente na
Meia PonteS1D1Quando S1 conduz a corrente na
carga io(t) é positiva.• Quando S1 desliga,
ü t t S liLOAD
Vs/2D1
v0
i0
conseqüentemente S2 liga, a corrente io(t) continua a circular na mesma direção, através de D2
S2
Vs/2
D2
0
até a corrente cair a zero e inverter de sentido, quando então S2 passa a conduzir. Vs/2
S1
v0
2 p
-Vs/2S2
i0
t
0
S1 S2D1 D2
S1 S21 D2
Conversores CC-CA
• O valor eficaz da tensão de Inversor de Meia Ponte
saída dado por:
VdtV2dtV1V s21
2/T 2s
21
T 2s ⎟
⎞⎜⎛
⎟⎞
⎜⎛
∫∫
Vs/2
0
S1
D1Ai o
• O valor eficaz da tensão de 2
dt4T
dt4T
V s
0
s
0
s0 =⎟
⎟⎠
⎜⎜⎝
=⎟⎟⎠
⎜⎜⎝
= ∫∫ 0S 2Vs/2 D
2
Avo
saída dado por:6... 4, 2,=n para 0,= )(2
0 ∑∞
= s nwtsennVvπ
Vs/2
Vs/2
onon
t
S 1 S 2
v o
• Para n=1 determina-se o valor d t f d t l
...5,3,1=n nπ -Vs/2 T/2 T
t 2
i o da componente fundamental da tensão de saída.
V2
t D 2 D 1 S1 S 2 chaves em condução
ss
1 V45,02V2V =
π=
Conversores CC-CA
O ponto médio é fornecido por dois capacitores em série
Inversor de meia ponte monofásico
C S11
ACoutput
DCinput
ACdemand
1
S2C 2
C1=C2=C
Frequencia de chaveamento fS1=fS2 is 50(60) Hz
Conversores CC-CA
TD = 0msTF 10 M1
Inversor de meia ponte monofásico - Simulação
10
20
12L
21R
V112V4
TF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 0TR = 10nsV2 = 15
M1
IRF150
iout
Vout
170ms 175ms 180ms 185ms 190ms 195ms 200ms-20
-10
05m50m
V212
0
V3
TD = 5msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 0TR = 10nsV2 = 15
M3
IRF150
I
Time170ms 175ms 180ms 185ms 190ms 195ms 200ms
iV13TD = 0msTF = 10ns M7
Sem filtro de saída
iout
0
4.0
8.0
Vout
12
21R4
50m
12 L4
5
V15
PW = 5msPER = 10msV1 = 0TR = 10nsV2 = 15
IRF150
C2
Time220ms 225ms 230ms 235ms 240ms 245ms 250ms-8.0
-4.0V14
12
50m 5m0
V16
TD = 5msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 0TR = 10nsV2 = 15
M8
IRF150
C2
10m
V
Com filtro de saída
Com filtro de saída
Conversores CC-CA
S S
Inversor Ponte Completa
Saída ca
Fonte CC
S1 S3
Entrada cc caCC
S2 S4
cc
S1 S FiltroS1 S3
Fonte CC
Entrada cc
S2 S4
CC cc
Carga ca
Conversores CC-CA
isInversor em Ponte
Vs/2S 3
0
D3S1 D1A B
S 4Vs/2
0
D4S2 D2
L R
• As chaves S1 e S2 são acionadas complementarmente em intervalos 180°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
vAB vAO vBO
• Resultando na carga numa onda quadrada de magnitude VS
Conversores CC-CA
o nV s /2
S 1
v A o
o nS 1
Inversor em Ponte
T /2 T
o n
o n-V s /2 t
S 1
S 2
V s /2S
o n1
V B o
is
T /2 T
o n
o n
-V s /2 tS 4
S 3
v A B
o nS 4
Vs/2S3D3S1 D1
is
t- vs
vs
3
SVs/2
0
D4S2 D2
L RA B
o
i
t
A BS4
D4D2
oD 1 S 1 D2 S 2
is
t
D 1D 4
S 1S 4
D2D3
S 2S 3
t
Conversores CC-CA
TD = 0msTD = 0ms
isInversor em Ponte - Simulação
L1R1
V2
TD 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 15TR = 10nsV2 = 0
M1IRF150
V5120Vdc
M4IRF150
V3
TD 0msTF = 10ns
PW = 5msPER = 10ms
V1 = 0TR = 10nsV2 = 15
0
Vout
10m3
M3IRF150V4
TD = 0msTF = 10nsPW = 5ms
PER = 10msV1 = 15TR = 10nsV2 = 0
M2IRF150
V1
TD = 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 0
TR = 10nsV2 = 15
0
VV(L2:2)
-100V
0V
100V
i
Vout
-40A
0A
40A
SEL>>
iout-I(L2)
-40A
-20A
0A
20A
40A
Time
150ms 155ms 160ms 165ms 170ms 175ms 180msI(V7)
40A
is
Conversores CC-CA
• O valor eficaz da tensão na carga será:VV
Inversor em Ponte
• A tensão instantânea será expressa por:SAB VV =
V4
A f ndamental da tensão na carga:
∑∞
= π=
...5,3,1n
sAB )nwtsen(
nV4v
• A fundamental da tensão na carga:
ss
1AB V90,02V4=v =
π• O controle do valor eficaz da tensão de saída pode ser realizado
através da variação da defasagem entre VA0 e VB0. Para um
2π
vés d v ç o d de s ge e e VA0 e VB0. uângulo 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
Vs/2
vAo
Inversor Ponte Completa
T/2 T
on
on-Vs/2 t
S1
S2
onS1
VBoVs/2
S3D3S1 D1
is
/
on
onVs/2
-Vs/2 tS4
S3
onS4S4Vs/2
0
D4S2 D2
L RA B
T/2 TvAB
vs
v
1vAB
V4-v t
s
ss
rmsAB VVv 90,02
4=1
=π
o
i
t
AB
t
Conversores CC-CA
FiltroPonte
Inversor em Ponte
S1 S3
Filtro
Saída caDCinput
Fonte cc Carga ca?
S2 S4
?
Tensão CC
Onda quadrada
Onda senoidal
Conversores CC-CA
TD = 0msTF = 10nsPW = 5ms
M9M10TD = 0msTF = 10nsPW = 5ms
Inversor em Ponte com Filtro LC - Simulação
21R3
301 2
L3
10m
V11PER = 10msV1 = 15TR = 10nsV2 = 0
IRF150
V12
100Vdc
IRF150V15PER = 10msV1 = 0TR = 10nsV2 = 15
0
Load
30 10m
M11
IRF150V13
TD = 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 15TR = 10nsV2 = 0
M12
IRF150V14
TD = 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 = 0TR = 10nsV2 = 15
C1
1m
VVac
200V
Vload
0V
100V
270ms 275ms 280ms 285ms 290ms 295ms 300ms-200V
-100V
Conversores CC-CA
S1 S3D1 D3
isInversor em Ponte com Filtro LC
V(t)vAB
î
i(t)
VsA
1 3
Vs
D1 D3
B
L
t-vs
îac
vacS2 S4D2 D4
CL
vac
ois
IP filt LC f it t ã
ACoutput
aci
o
tθ
Para um filtro LC perfeito a tensão e a corrente de saída serão senoidais.
Formas de onda da tensão e da corrente para um filtro “perfeito”.
Inversor em Ponte – Fluxo de PotênciaConversores CC-CA
S1 S3D1 D3
isV(t)i(t)
Vs
A
1 3
Vs
1 3
B
Lt
-vs
îac
vac
Vs
S2 S4D2 D4
CL
vac
vs
isI
ac
is(t)
IVP =
ACoutput
aci ot
s
θavgss I.VP =
θπ
ωθωπ
π
cosI2td)tsin(I1Isavg=−= ∫ 2
00P πθ <≤⇒> P flui do lado cc p/ ca.
ππ 0
θπ
cosI2.VP s= 20P πθ =⇒=
πθπ≤<⇒< 0P
Não há fluxo de potencia.
P flui do lado ca p/ cc
π πθ ≤<⇒<2
0P P flui do lado ca p/ cc.
Inversor em Ponte – Fluxo de PotênciaConversores CC-CA
S1 S3D1 D3
is
aci
V(t)i(t)
t
i
θ=90°
A
S2 S4
Vs
D2 D4
B
CL
vac
Vs
ot
i sI
θ 90°
22 4
ACoutput
acivac
Vs
θ=0°
θπ
cosI2.VP s=θ =90°
v ivac
V(t)i(t)
V(t)i(t)
aci
vac aciac( )( )
I i s
vs
i
θ=180°
oI s
Ii s
θ =0° θ =180°
Inversor em Ponte com Filtro LCConversores CC-CA
V16
TD = 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 15
M13
IRF150
M14
IRF150V20
TD = 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10msV1 0
21R43
1 2L410m
V16V1 = 15TR = 10nsV2 = 0
IRF150
V17
120Vdc
IRF150
M15TD = 0msTF = 10nsPW = 5msPER = 10ms
M16 TD = 0msTF = 10nsPW = 5ms
V20V1 = 0TR = 10nsV2 = 15
0
C2
1 2L510m
IRF150V18
PER = 10msV1 = 15TR = 10nsV2 = 0
IRF150V19
PW = 5msPER = 10msV1 = 0TR = 10nsV2 = 15
3m
20
-10
0
10
R4=3Ω and L5=10m20
Time
270ms 275ms 280ms 285ms 290ms 295ms 300msV(C2:2) -I(R4)
-20
-10
0
10
[email protected] Time
270ms 275ms 280ms 285ms 290ms 295ms 300msV(C2:2) -I(R4)
-20
R4=3Ω and L5=10p (zero)
Conversores CC-CAPonte Monofásica – Controle da Tensão de Saída
É possível controlar a tensão de saída?p
s
T
s
T
sAB VdtVdtVV =⎟⎟⎞
⎜⎜⎛
=⎟⎟⎞
⎜⎜⎛
= ∫∫21
2/2
21
2 21sssAB TT ⎟
⎠⎜⎝
⎟⎠
⎜⎝
∫∫00
Vs é constante. Como VAB pode variar?
O controle pode ser feito pelo dafasamento entre VA0 e VB0.
Conversores CC-CA
Controle da Tensão de Saída por Defasagem Angular
Vs/2v Ao
ion
on
Vs/2
-Vs/2 t
S
S2
onS11S 3
Vs
D 3S 1 D 1
L RA B
is
T/2 T
onVs/2
S
S3
S
VBo
S 4
Vs
D 4S 2 D 2
•VA0 estiver e fase o VB0 a tensão T/2 T
on-Vs/2 tS4
vAB
onS4
vs
de saída VAB é zero.t-v
sS V ti 180° d f d•Se VA0 estiver 180° defasada
de VB0 a tensão de saída VAB é máxima
•VAB = VA0 - VBO
máxima.
Conversores CC-CA
Vs/2v Ao γ=180° − θ
Controle da Tensão de Saída por Defasagem Angular
T/2 T
on
on
Vs/2
-Vs/2 t
S
S2
on S1
VBo
1
γ
θ γ 180 θ
4 γnV
T
T/2 T
on
on Vs/2
-Vs/2 tS 4
S3
on S4
VBo
)2
(4 γπ
nsennVV s
ABn =
T/2 T
vAB v s
θ=0 →γ=180° →VAB=Vs
θ 180° →γ 0 →V =0t
-v s
θ γ θ=180° →γ=0 →VAB=0
Qualquer harmônica pode ser eliminada fazendo se V =0
θ=60°(γ=120°) →VAB3=0
Qualquer harmônica pode ser eliminada fazendo-se VABn=0
θ=72°(γ=108°) →VAB5=0
Conversores CC-CAInfluência das harmônicas de corrente
V(t)
i(t)
i (t)1
i(t)i(t)i (t)3
p (t)1
V(t) 0dt)t(p1P4/T
0 33 == ∫T/4
1V(t)
p (t)3i (t)1 A 3ª harmônica
da corrente x fundamental da
i (t)3fundamental da tensão não produz potência útil
[email protected])t(p1P
2/T
0 11 ≠= ∫T/2
potência útil
Conversores CC-CA
( ) ( ) ( ) ( )1( ) 2 2 i 2 i 2f b b( ) ( ) ( ) ( )0 1 2 1 2( ) cos 2cos 2 ..... sin 2sin 2 ....2
f t a a wt a wt b wt b wt= ⋅ + ⋅ + ⋅ + + ⋅ + ⋅ +
Conversores CC-CA
4 1 I t d ti4.1. Introduction
Série de Fourier
Uma onda quadrada com amplitude Vs é expressa pela equação:
( )2( ) sinsVv t n wt∞ ⋅
= ⋅ ⋅∑
Vs/2
( )1,3,5,...
( ) sinn
v t n wtn π= ⋅∑
Amplitude Ordem da frequênciaq
-Vs/2
s
Conversores CC-CAHarmônicas de corrente - simulação
100V
i3i1 i3+
100V
0V
i1
i3
∞ 4ITime
0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20ms-100V
50V
i5i1 i3+ + i5
∑=
=...5,3,1
)sin(π
4)(n
sAB nwt
nIti
0V
i5
Time
0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20ms-50V
50V
i7i1 i3+ + i5+
0V
i771 3 5
Time
0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20ms-50V
Unidade VII Conversores CC-CA
VPWM
i1
S 3
Vs
D 3S 1 D 1
L RA B
is
t
S S
S 4D 4S 2 D 2
• Vários Pulsos por período da tensão de saída.• As chaves operam em alta frequência.
S1, S2
S3, S4
p q• 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
Unidade VII Conversores CC-CA
S1A S3A A
Inversor Trifásico
Fonte cc
S1A S3A
S2AS4A
Vs
0S2AS4A
S S
0
BS1B S3B
SS
Vs
BFonte
ccS2BS4B
S S
0
CS1C S3C
Vs
CFonte
cc
S2CS4C 0
Unidade VII Conversores CC-CAInversor Trifásico
S 3D 3S 1 D 1
A B
is
S 5D 5
CVs
S 4D 4S 6 D 6
S 2D 2
• A estrutura do inversor trifásico pode ser obtida pelo acréscimo de mais uma perna ao inversor monofásico emacréscimo de mais uma perna ao inversor monofásico em ponte.
• Os sinais para acionamento das chaves superiores devemOs sinais para acionamento das chaves superiores devem estar defasados de 120° e as chaves na mesma perna devem estar alternadamente ligadas por 180°.
Unidade VII Conversores CC-CA
Trifásico de Seis Passos - Formas de OndaS 1
S 6
S 1S 6
S 1
v A O
v w t
S 4
S 3S 4
S 3S 4
S 3
S 2
S 5S 2
S 5S 2
v B O
v C O
w t
w t
S3D3S1 D1
A B
isS5D5C v A B
w t
w t(a )
S4D4S6 D6
A B
S2D2
CVs
v B C
w t
V V V v C A
w t
Vab Vbc Vca
v A N
v B N
w t
(b )
w t(c )
Unidade VII Conversores CC-CA
A operação do inversor trifásico de seis passos é
Trifásico
• A operação do inversor trifásico de seis passos é essencialmente a mesma de um inversor monofásico em pontemonofásico em ponte.
• Como no monofásico cada chave é ligada e desligada durante intervalos de 180° e cada terminal de saída é conectado alternadamente por meio período aos pólos positivo e negativo da fonte de tensão contínua.
Unidade VII Conversores CC-CA
• A tensão trifásica é obtida conservando um
Trifásico
A tensão trifásica é obtida conservando um defasamento mútuo de 120° entre as seqüências de chaveamento nas três pernas do inversor.de chaveamento nas três pernas do inversor.
Este defasamento entre as fases resulta na• Este defasamento entre as fases resulta na seqüência indicada no diagrama da figura a seguir, tomando como referência a estrutura mostrada na figura anterior.
Unidade VII Conversores CC-CA
• Uma chave quando ligada assim permanece por 180°.Trifásico - Seis Passos
• Sempre há três chaves ligadas ao mesmo tempo.• As chaves na mesma perna operam complementarmenteAs chaves na mesma perna operam complementarmente• Há uma comutação a cada 60°
0 o
S60 o
300 o
6 S1S4 S4
S5 S5
I
II
IIIIV
V
VIS1S6
S3
S4S5
S2
S
S 3D 3S 1 D 1
A B
is
S 5D 5
CVs
120o
240o S6
S1
S3S3
S2S2
S 4D 4S 6 D 6
S 2D 2
180 o
Unidade VII Conversores CC-CA
• As tensões de linha são obtidas tomando-se a diferença Trifásico - Tensões de Linha
entre duas tensões de pólo. Então:vAB= vAO - vBOAB AO BO
vBC= vBO - vCO
vCA= vCO - vAO⎤⎡ 111V4
⎥⎤
⎢⎡
+⎟⎞
⎜⎛ π
++⎟⎞
⎜⎛ π
+⎟⎞
⎜⎛ π
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ ++++
π=
2wtsen71wtsen512wt3sen12wtsenV4v
...wt7sen71wt5sen
51wt3sen
31wtsen
2V4v
s
s0A
⎥⎤
⎢⎡
+⎟⎞
⎜⎛ π
+++⎟⎞
⎜⎛ π
++⎟⎞
⎜⎛ π
+=
⎥⎦
⎢⎣
+⎟⎠
⎜⎝
−++⎟⎠
⎜⎝
−+⎟⎠
⎜⎝
−π
=
...2wtsen71wtsen512wt3sen12wtsenV4v
...3
wtsen77
wtsen553
wt3sen33
wtsen2
v
s0C
s0B
⎥⎦
⎢⎣
+⎟⎠
⎜⎝
+++⎟⎠
⎜⎝
++⎟⎠
⎜⎝
+π
...3
wtsen77
wtsen553
wt3sen33
wtsen2
v 0C
Unidade VII Conversores CC-CA
• As tensões de linha, que são obtidas da diferença de Trifásico - Fourier da tensão de Linha
duas tensões polares, não contêm a terceira harmônica e seus múltiplos.
• As harmônicas resultantes nas tensões de linha são da ordem k=6 + 1, onde n é um número inteiro qualquer.
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −+++−= ...13
13111
1117
715
5132
0 wtsenwtsenwtsenwtsensenwtVv sA π
• Valor eficaz da tensão de linha:
ssABef VVV 816,032 ==
• Componente fundamental da tensão de linha:ssABef ,
s V780V6V
ss
ef1AB V78,06V =π
=
Unidade VII Conversores CC-CA
Trifásico de Seis Passos - Formas de OndaS 1
S 6
S 1S 6
S 1
v A O
v w t
S 4
S 3S 4
S 3S 4
S 3
S 2
S 5S 2
S 5S 2
v B O
v C O
w t
w t
S3D3S1 D1
A
isS5D5
v A B
w t
w t(a )
S4D4S6 D6
A B
S2D2
CVs
v B C
w t
v C A
w t
(a) Tensões Polares
(b) Tensões de Linhav A N
v B N
w t
(b )
(c) Tensões de Fase
w t(c )
Tensões de Fase
S3D3S1 D1
is S5D5Vs/2
S4
3
D4S6
1
D6
A B
S2
5
D2
CVs/2
0
)3
(3
0000
CBAAAN
VVVVV +−−=
N
00
00
NBNB
NANA
VVVVVV
+=+=
)(
)3
(3
000
0000
BAC
CABBBN
VVVVV
VVVVV
+
+−−=
0000
00
00
3 NCNBNANCBA
NCNC
NBNB
VVVVVVVVVVVVV
+++=+++=+ )
3(
3000
0BAC
CCN VV −−=
Para sistema equilibrado
0VVV
0=++ CNBNAN VVV
![[Apostila] Eletronica de Potencia - Cefet - 10](https://img.document.onl/doc/110x75/55721448497959fc0b942e1e/apostila-eletronica-de-potencia-cefet-10.jpg)
