Choppers e Inversores

 

 

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS

WEBERSON SOUSA SILVA

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

CHOPPERS E INVERSORES DE FREQUÊNCIA

BELO HORIZONTE 2013

 

 

SUMÁRIO 1. CHOPPERS ............................................................................. 3 1.1 APLICAÇÃO ...................................................................... 3 1.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO FUNCIONAMENTO .................................. 3 1.2.1 Modulação por largura de pulso (PWM ( PWM – pulse-width modulation)...................................................................................... 4 1.2.2 Modulação por frequência de pulso (PFM – pulsefrequency 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 FUNCIONAMENTO ................................ 11 2.3 TIPOS.............................................................................. 12 2.3.1 Inversores Monofásicos em Ponte ........................ 12 2.3.2 Inversores Inversor es 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 APLICAÇÃO Existem 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 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 FUNCIONAMENTO O 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 ttempo empo 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.

 

6   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

 

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

 A 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. r etificador.

1.5.2 Chopper classe B  A corrente de carga flui “para fora” da ccarga. arga. 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 invers inversor. or. A figura abaixo mostra um chopper classe classe B, em que a bateria E faz parte da carga, podendo ser a força contraeletromotriz (fcem) de uma máquina de corrente contínua.

 

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1.5.3 Chopper classe C  A 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 D  A 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 E  A corrente e a tensão na carga é tanto positiva como negativa, co conforme nforme 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 APLICAÇÃO Inversores 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 vválvulas álvulas 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

 

11  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 FUNCIONAMENTO

O inversor é ligado na rede elétrica, que pode ser monofásica ou

trifásica, e em sua saída há u uma ma carga que necessita de uma freqüência diferente daquela da re rede. de. Para tanto, o inversor tem co como mo 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, seja, a trans transformação formação de uma tensão CC para u uma ma tensão CA (conversor), e com a freqüência f reqüência desejada pela carga. Na rede de entrada a freqüência é fixa (60 Hz ou 50 Hz) e a tensão é trans transformada formada p pelo elo retificador retificador de entrada em co contínua ntínua 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 d do o inversor, trans transistores istores ou tiristores, que funcionam como chaves estáticas. O controle desses desses dispositivos semicondutores semicondutores é feito pelo circ circuito uito 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 o operação peração com fluxo constante e, por via de conseqüência, manutenção da máxima

 

12  capacidade de sobrecarga momentânea do motor. A figura abaixo ilustra o diagrama de blocos simplificado de um inversor que alimenta um motor.

2.3 TIPOS Geralmente 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 Ponte Um inversor monofásico em ponte é mostrado na figura abaixo.

 

13  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 Trifásicos Estes 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

 

15  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 CONTROLE  A 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 inversor  Para 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

 

17  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 s aída AC do inversor  Este 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 inversor   A 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. Potência. 1ª ed. Pearson, São Paulo: Paulo: 2000; Rashid, Muhammad H. Eletrônica de Potência  – Circuitos, Dispositivos e  Aplicações. 2ª ed. Makron Makron Books, São Paulo 1999.