Conversores CC/CA, Trabalhos de Eletrônica de Potência

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JANILSON, CARLOS

Conversores CC-CA

Osasco, 2009

JANILSON MENDES, CARLOS GALLANTE

Vs/

CONVERSORES CC-CA

Trabalho da disciplina de Eletrônica de Potência da FAC-FITO – Faculdade da Fundação Instituto Tecnológico de Osasco

Osasco – 2009

Sumário

A obtenção de uma tensão alternada (senoidal ou não) a partir de uma fonte CC ou mesmo de uma fonte CA de freqüência diferente é muitas vezes necessária para o acionamento de diversas cargas ou alimentação de sistemas.

Os conversores que realizam a transformação CC-CA são chamados inversores, enquanto a conversão CA-CA para distintas freqüências é feita pelos cicloconversores. Como exemplos de aplicações pode-se citar:

• Controle de velocidade de motores de corrente alternada,
• Fontes de alimentação ininterrupta (no-break),
• Sistemas de alimentação embarcados (navios, aviões, etc).

Geralmente os sistemas de alimentação operam a freqüência fixa, gerando a tensão alternada a partir de fontes CC, utilizando, portanto, inversores. Por exemplo, o sistema de distribuição de energia em aviões comerciais opera a 400Hz.

Os conversores CC-CA que fornecem em sua saída tensões com freqüência fixa, para determinada aplicação são conhecidos como fonte de tensão, isto é, fontes de alimentação ininterrupta chamadas de “no-break” ou “UPS - Uninterruptible Power Supplies”,em inglês).

Qualquer sistema no qual o fornecimento da energia elétrica não pode ser interrompido deve prever uma fonte de emergência para supri-lo. Quando a potência instalada é muito grande tem-se, em geral, um sistema de acionamento imediato, alimentado a partir de baterias, e um sistema motor-gerador que, por necessitar de alguns minutos para estar em condições ideais de operação, não pode ser usado de imediato. Tal arranjo é usado, por exemplo, em centrais telefônicas, hospitais, etc.

Quando as cargas críticas são distribuídas, como no caso de microcomputadores, podem se usar UPSs modulares, de acionamento imediato, que são capazes de manter a operação do equipamento por um tempo suficiente para que não sejam perdidas operações que estavam em curso (tipicamente os tempos são da ordem de dezenas de minutos). Além disso, os sistemas mais modernos

devem ter a capacidade de trocar informações com os computadores, de forma a otimizar seu funcionamento.

Os conversores são circuitos estáticos (isto é, não tem partes móveis) que convertem potência CC em potência CA com frequência e tensão ou corrente de saída controlada.

A tensão de saída tem uma forma de onda periódica que, embora não- senoidal, pode, com uma boa aproximação, chegar a ser considerada como tal. Há muitos tipos de inversores, classificados de acordo com o número de fases, com a utilização de dispositivos semicondutores de potência, com os princípios de comutação e com as formas de onda de saída.

Analisaremos primeiro o inversor monofásico. Depois os inversores de fonte de tensão ( voltage source inverters – VSI) e de fonte ideal de corrente ( current source inverters – CSI). Estes dipositivos são usados em muitas aplicações industriais, incluindo controles de velocidade para motores síncronos e de indução, aquecimento por indução, fontes de alimentação para aeronaves, fontes de alimentação de funcionamento contínuo (uninterruptible power supplier – UPS) e transmissão em alta tensão CC.

2. Conversor monofásico

O circuito básico para gerar uma tensão alternada monofásica, a partir de uma alimentação de pontência CC, é mostrado na figura 2.1. Esse circuito é também conhecido como inversor em H-ponte (meia-ponte) porque usa duas chaves semicondutoras. As chaves S1 e S2 ligam e desligam a fonte CC à carga de modo alternado, o que produz uma forma de onda retangular de tensão CA.

Uma vez que cada chave tem terminais positivo e negativo, a combinação da duas chaves fornece os quatro estados mostrados na tabela 2.1.

Estado S1 S2 Tensão de Entrada

O inversor de fonte de tensão (VSI) é o mais usado. Nele, a tensão da fonte de entrada CC é essencialmente constante e independente da corrente puxada pela carga. A tensão de entrada CC pode vir de uma fonte independente, como uma bateria, ou pode ser a saída de um retificador controlado. Um capacitor de valor grande é colocado em paralelo com a entrada da linha CC para o inversor. O capacitor garante que os enventos de chaveamento não alterem de modo significa- tivo a tensão CC. Ele carrega e descarrega, de acordo com a necessidade de fornecimento de uma saída estável. O inversor converte a tensão de entrada CC em uma onda quadrada CA na saída da fonte.

2.. VSI em meia-ponte

O inversor em meia-ponte, usado para aplicações de baixa potência, é o alicerce básico dos circuitos inversores. A figura 2.1.2a. mostra uma configuração de VSI monofásico em meia-ponte que utiliza duas chaves (S1 e S2) e duas fontes de alimentação CC.

O dispositivo de chaveamento pode ser um transistor de potência um BJT (bipolar junction transistor – transistor bipolar de junção) ou um MOSFET (metal- oxide semiconductor field-effect transistor – transistor de efeito de campo metal- óxido-semicondutor), um tiristor GTO (Gate-turnnoff thyristor – tiristor de desligamento por porta) ou um SCR (silicon controlled rectifier – retificador controlado de silício), com seu circuito de comutação. Os diodos D1 e D2 são de retorno.

A figura 2.1.2.b. mostra a forma de onda da tensão de saída com carga resistiva. As chaves passam para o estado ligado e desligado alternadamente: uma estará ligada enquanto a outra estiver desligada. No período de 0 a T/2, a chave S se mantém fechada, o que faz com que Vo = +E. Em T/2, S1 fica aberta e S2, fechada. Durante T/2 a T, a tensão de saída Vo = -E. Portanto, essa tensão tem uma

forma de onda retangular com frequência f = 1/T. Ao controlar T, podemos dominar a frequência das tensões de saída do inversor. Entretanto, deve-se tomar cuidado para não passar ambas as chaves ao estado ligado, pois nesse caso elas produziriam um curto na fonte CC.

3.. VSI em ponte completa

Um VSI em ponte completa pode ser montado com dois VSIs em meia ponte. Podemos ver na figura 2.1.3.a. o circuito básico para um inversor monofásico de fonte de tensão em ponte completa. São necessárias quatro chaves e quatro diodos de retorno. A amplitude da tensão de saída, e portanto, a potência de saída é o dobro do modelo meia-ponte. As chaves são passadas para os estados ligados e desligados por pares em diagonal. Assim, ou as chaves S1 e S4 ou as S2 e S3 vão para o estado ligado em um semiciclo (T/2). Portanto, a fonte CC fica ligada de

A forma de onda mostrada na figura 2.1.3.b (acima) é obtida por meio de um inversor de fonte de tensão em ponte que usa uma carga RL. A tensão de saída é uma forma de onda retangular, com um ciclo de trabalho de 50%. A forma de onda da corrente na saída tem forma exponencial. Quando a tensão de saída for positiva, a corrente crescerá exponencialmente. Durante o ciclo seguinte, quando a tensão de saída for negativa, a corrente cairá exponencialmente. Abaixo na figura 2.1.3.c. mostramos o circuito com a carga RL citada no bloco do texto anterior.

A função dos diodos de retorno é fornecer um caminho de volta para a corrente de carga, quando as chaves estiverem desligadas. Logo após S2 e S passarem para o estado desligado em t = 0, por exemplo, os diodos D1 e D4 irão ligar. A corrente de carga começará em um valor negativo e crescerá

exponencialmente a uma taxa dada pela constante de tempo da carga (F 07 4 = L/R). A

fonte de corrente CC, nesse período, é invertida e flui de fato para a fonte CC. Quando a corrente na saída chega a zero, D1 e D4 passam para o estado desligado e S1 e S4, para o ligado. A tensão e a corrente na saída são positivas e produzem uma potência positiva. A corrente continua a crescer e alcança o valor máximo em t= T/2, quando S1 e S4 passam para o estado desligado. A tensão de saída se inverte, mas a corrente na saída continua a fluir na mesma direção. A corrente na saída somente pode fluir através dos diodos D2 e D3, que ligam a fonte CC à carga, o que gera tensão inversa. A energia armazenada no indutor retorna à fonte CC e a corrente alcança seu valor máximo negativo em t = T e o ciclo se repete.

3. Produção de uma onda senoidal

A maioria das aplicações de inversores requer algum tipo de controle da tensão de saída CA. Vários métodos são usados para isso e podem ser classificados em três grande categorias:

• Controle da tensão de entrada CC fornecida para o inversor
• Controle da tensão de saída CA do inversor
• Controle da tensão no inversor

1. Controle da tensão de entrada CC

Para um dado padrão de chaveamento, a tensão de saída do inversor é diretamente proporcional à tensão de entrada. Portanto, a variação da tensão de entrada CC fornecida é a maneira mais simples de controlar a tensão de saída. Se a fonte de potêncai for CC, então o uso de um chopper (circuito conversor usado para se obter uma tensão CC variável a partir de uma fonte de tensão CC constante), será o método principal para a obtenção de uma tensão CC variável. Entretanto, quando a tensão CC advém da tensão CA, o controle é mais fácil. Basta usar retificadores controlados ou não, para conseguir uma tensão de saída CC variável.

2. Controle da tensão de saída CA

faixa de freqüência utilizada. Quando o conteúdo harmônico se concentra nas altas freqüências tem-se uma diminuição de dimensão, peso e custo dos componentes do filtro.

5. Conversores CC-CA trifásicos

A estrutura do inversor trifásico pode ser obtida pela inserção de mais uma “perna” ao bloco do inversor monofásico em ponte, e os sinais para acionamento das chaves superiores devem estar defasados de 120º um do outro e as chaves na mesma “perna” devem estar alternadamente ligadas por 180º uma da outra, abaixo na figura 5.a. podemos ver o esquemático de inversor trifásico.

A operação do inversor de seis passos é essencialmente a mesma de um inversor monofásico em ponte, como no monofásico cada chave é ligada e desligada durante intervalos de 180º e cada terminal de saída é conectado alternadamente por meio período aos pólos positivos e negativos da fonte de tensão contínua. A tensão trifásica é obtida conservando um defasamento mútuo de 120º entre as sequencias de chaveamento nas três “pernas” do conversor. Esse defasamento entre as fases resulta numa sequencia que é mostrada na figura 5.b. logo abaixo, fazendo uma referencia para a figura 5.a. da página anterior.

Abaixo na figura 5.c. vemos a forma de onda de um conversor trifásico de seis passos.

6. Conclusão

A finalidade desse trabalho foi apresentar as principais caracteristicas de um conversor CC-CA com suas principais variações de circuitos, formas de onda de saída, técnicas de modulação para a obtenção de uma senoide e seu funcionamento para o sitema trifásico.

7. Bibliografia

AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência. São Paulo, Pearson Prentice Hall,

ANTUNES, Fernando. Inversores. http://www.dee.ufc.br/~fantunes/inversores.ppt. Acesso em: 17/05/2009.