Eletrônica de potência - Guia rápido

Eletrônica de potência refere-se ao processo de controlar o fluxo de corrente e tensão e convertê-lo em uma forma adequada para cargas do usuário. O sistema eletrônico de potência mais desejável é aquele cuja eficiência e confiabilidade é de 100%.

Dê uma olhada no seguinte diagrama de blocos. Mostra os componentes de um sistema Eletrônico de Potência e como eles estão interligados.

Um sistema eletrônico de potência converte energia elétrica de uma forma para outra e garante que o seguinte seja alcançado -

Eficiência máxima
Confiabilidade máxima
Disponibilidade máxima
Custo mínimo
Menor peso
Tamanho pequeno

As aplicações de Power Electronics são classificadas em dois tipos - aplicações estáticas e aplicações de inversores.

Aplicações estáticas

Isso utiliza peças mecânicas móveis e / ou rotativas, como soldagem, aquecimento, resfriamento e eletrogalvanização e energia DC.

Fonte de alimentação DC

Aplicativos do Drive

As aplicações de acionamento têm peças rotativas, como motores. Os exemplos incluem compressores, bombas, correias transportadoras e sistemas de ar condicionado.

Sistema de ar condicionado

A eletrônica de potência é amplamente utilizada em condicionadores de ar para controlar elementos como compressores. Um diagrama esquemático que mostra como a eletrônica de potência é usada em condicionadores de ar é mostrado abaixo.

Um dispositivo de comutação eletrônico de potência é uma combinação de drivers de semicondutores de potência comutáveis ativos que foram integrados em um. As principais características do switch são determinadas pela correlação interna de funções e interações de seu sistema integrado. A figura abaixo mostra como funciona um sistema de chave eletrônica de potência.

O circuito externo do diagrama acima é normalmente mantido em um alto potencial em relação à unidade de controle. Os transmissores indutivos são usados para suportar a diferença de potencial necessária entre as duas interfaces.

Os dispositivos de comutação de energia são normalmente selecionados com base na classificação com a qual lidam com a energia, ou seja, o produto de sua classificação de corrente e tensão em vez de sua taxa de dissipação de energia. Conseqüentemente, o principal atrativo de uma chave eletrônica de potência é a capacidade de dissipar pouca ou quase nenhuma potência. Como resultado, o interruptor eletrônico é capaz de atingir um surto de energia baixo e contínuo.

Elementos de circuito linear referem-se aos componentes em um circuito elétrico que exibem uma relação linear entre a entrada de corrente e a saída de tensão. Exemplos de elementos com circuitos lineares incluem -

Resistors
Capacitors
Inductors
Transformers

Para obter uma melhor compreensão dos elementos do circuito linear, é necessária uma análise dos elementos do resistor.

Resistores

Um resistor é um dispositivo no qual o fluxo de uma corrente elétrica é restrito, resultando em uma conversão de energia. Por exemplo, quando a eletricidade flui através de uma lâmpada, a eletricidade é convertida em uma forma diferente de energia, como calor e / ou luz. A resistência de um elemento é medida em ohms (Ω).

A medida de resistência em um determinado circuito é dada por -

$$R=\rho \frac{L}{A}$$

Onde R - resistência; ρ - resistividade; L- comprimento do fio; eA - área da seção transversal do fio

Símbolo de vários resistores

Resistor
Um resistor variável
Um potenciômetro

Capacitores

Um capacitor se refere a um dispositivo elétrico que possui dois materiais condutores (também conhecidos como placas) separados por um isolador conhecido como dielétrico. Ele usa campo elétrico para armazenar energia elétrica. O campo elétrico é desenvolvido quando o capacitor é conectado a uma bateria, fazendo com que cargas elétricas positivas se acumulem em uma placa e cargas elétricas negativas na outra.

Quando a energia é armazenada no campo elétrico de um capacitor, o processo é chamado de carregamento e, quando a energia é removida, o processo é chamado de descarga. O nível de energia elétrica armazenado em um capacitor é chamado de capacitância e é medido em farads (F). Um farad é o mesmo que um coulomb por unidade de volt dado por 1 C / V.

A diferença entre um capacitor e uma bateria é que um capacitor armazena energia elétrica, enquanto uma bateria armazena energia química e libera a energia em uma taxa lenta.

Símbolo de vários capacitores

Os vários símbolos de um capacitor são fornecidos na tabela abaixo.

Capacitor Fixo
Capacitor Variável
Capacitor polarizado

Indutores

Indutores são dispositivos eletrônicos que usam campo magnético para armazenar energia elétrica. A forma mais simples de um indutor é uma bobina ou um fio em forma de loop, onde a indutância é diretamente proporcional ao número de loops no fio. Além disso, a indutância depende do tipo de material no fio e do raio do loop.

Dado um certo número de voltas e tamanho do raio, apenas o núcleo de ar pode resultar na menor indutância. Os materiais dielétricos, que têm a mesma finalidade do ar, incluem madeira, vidro e plástico. Esses materiais auxiliam no processo de enrolamento do indutor. A forma dos enrolamentos (formato de rosca), bem como as substâncias ferromagnéticas, por exemplo, o ferro aumentam a indutância total.

A quantidade de energia que um indutor pode armazenar é conhecida como indutância. É medido em Henry (H).

Símbolo de vários indutores

Indutor fixo
Indutor variável

Transformadores

Isso se refere a um dispositivo que altera a energia de um nível para outro por meio de um processo conhecido como indução eletromagnética. Geralmente é usado para aumentar ou diminuir as tensões CA em aplicações que utilizam energia elétrica.

Quando a corrente no lado primário do transformador é variada, um fluxo magnético variado é criado em seu núcleo, que se espalha para os enrolamentos secundários do transformador na forma de campos magnéticos.

O princípio de operação de um transformador se baseia na lei de indução eletromagnética de Faraday. A lei estabelece que a taxa de variação da ligação do fluxo com respeito ao tempo está diretamente relacionada ao EMF induzido em um condutor.

Um transformador tem três partes principais -

Primeira frase
Núcleo magnético
Enrolamento secundário

Símbolo de um transformador

Dispositivos Adicionais

Dispositivos Eletromagnéticos

O conceito de eletromagnetismo é amplamente utilizado em tecnologia e é aplicado em motores, geradores e sinos elétricos. Por exemplo, em uma campainha, o componente eletromagnético atrai um badalo que toca a campainha e faz com que ela toque.

Controladores

Controladores são dispositivos que recebem sinais eletrônicos transferidos de uma variável medida em um processo e comparam o valor obtido com um set point de controle. Ele utiliza algoritmos digitais para correlacionar e comparar funções.

Sensores

Os sensores são usados para determinar a corrente, que varia constantemente para fornecer feedback para fins de controle. A detecção de corrente torna possível alcançar uma função de conversor suave e precisa. Os sensores de corrente são críticos em conversores, de forma que as informações em conversores paralelos ou multifásicos sejam facilmente compartilhadas.

Filtros

Filtros eletrônicos também são usados para realizar o processamento de sinais para remover frequências indesejadas. Eles são circuitos analógicos e existem no estado ativo ou passivo.

Um retificador controlado por silício ou retificador controlado por semicondutor é um dispositivo de controle de corrente de estado sólido de quatro camadas. O nome "retificador controlado de silício" é o nome comercial da General Electric para um tipo de tiristor.

Os SCRs são usados principalmente em dispositivos eletrônicos que requerem controle de alta tensão e potência. Isso os torna aplicáveis em operações de média e alta potência CA, como a função de controle do motor.

Um SCR conduz quando um pulso de porta é aplicado a ele, assim como um diodo. Possui quatro camadas de semicondutores que formam duas estruturas, a saber; NPNP ou PNPN. Além disso, possui três junções rotuladas como J1, J2 e J3 e três terminais (ânodo, cátodo e uma porta). Um SCR é representado em diagramas conforme mostrado abaixo.

O ânodo se conecta ao tipo P, o cátodo ao tipo N e a porta ao tipo P conforme mostrado abaixo.

Em um SCR, o semicondutor intrínseco é o silício ao qual os dopantes necessários são infundidos. No entanto, a dopagem de uma junção PNPN depende da aplicação do SCR.

Modos de operação em SCR

OFF state (forward blocking mode)- Aqui, o ânodo é atribuído a uma tensão positiva, a porta é atribuída a uma tensão zero (desconectada) e o cátodo é atribuído a uma tensão negativa. Como resultado, as junções J1 e J3 estão em polarização direta, enquanto J2 está em polarização reversa. J2 atinge seu valor de avalanche de decomposição e começa a conduzir. Abaixo desse valor, a resistência de J1 é significativamente alta e, portanto, diz-se que está no estado desligado.
ON state (conducting mode)- Um SCR é levado a este estado aumentando a diferença de potencial entre o ânodo e o cátodo acima da tensão de avalanche ou aplicando um sinal positivo na porta. Imediatamente o SCR começa a conduzir, a tensão da porta não é mais necessária para manter o estado LIGADO e é, portanto, desligado por -

Diminuindo o fluxo de corrente através dele para o valor mais baixo chamado corrente de retenção
Usando um transistor colocado na junção.

Reverse blocking- Isso compensa a queda na tensão direta. Isso se deve ao fato de que uma região pouco dopada em P1 é necessária. É importante observar que as classificações de tensão de bloqueio direto e reverso são iguais.

A sigla TRIAC significa Triodo para Corrente Alternada. Um TRIAC é um dispositivo semicondutor com três terminais que controlam o fluxo de corrente, daí o nome Triac. Ao contrário do SCR, o TRIAC é bidirecional, enquanto o SCR é bidirecional. É ideal para operação que utiliza energia CA para fins de comutação, pois pode controlar o fluxo de corrente para ambas as metades em um ciclo de corrente alternada. Isso é explicado claramente no diagrama abaixo.

Símbolo TRIAC

O diagrama do circuito para um TRIAC é mostrado abaixo. Assemelha-se a dois tiristores colocados costas com costas.

Estrutura TRIAC

A estrutura TRIAC é considerada um DIAC com um contato de porta extra incorporado para garantir o controle do dispositivo. Semelhante a outros dispositivos de energia, o TRIAC é fabricado em silício. Consequentemente, o processo de fabricação do silício leva à produção de dispositivos mais baratos. Conforme indicado abaixo, o TRIAC tem seis áreas, a saber; quatro regiões do tipo N e duas regiões do tipo P.

Operação TRIAC

O funcionamento do TRIAC é baseado no tiristor. Facilita a função de comutação em componentes e sistemas elétricos CA. Eles são amplamente usados em dimmers de luz porque permitem que as duas metades do ciclo de CA sejam utilizadas. Como resultado, isso os torna mais eficientes no uso de energia. Por mais que seja possível utilizar tiristores para funcionar como TRIAC, não é rentável para operações que requerem baixa potência. É possível visualizar um TRIAC em termos de dois tiristores.

Os TRIACs são normalmente usados em aplicações que não requerem uma potência muito alta, pois exibem comutação não simétrica em sua operação. Isso é desvantajoso para aplicações que utilizam alta potência, pois causa interferência eletromagnética. Como resultado, os TRIACs são usados em controles de motor, dimmers de luz residencial e pequenos ventiladores elétricos para controlar a velocidade.

Um Transistor de Junção Bipolar (BJT) é um transistor cuja operação depende do contato feito por dois semicondutores. Ele pode atuar como um interruptor, amplificador ou oscilador. É conhecido como transistor bipolar, pois seu funcionamento requer dois tipos de portadores de carga (orifícios e elétrons). Os buracos constituem os portadores de carga dominantes nos semicondutores do tipo P, enquanto os elétrons são os portadores de carga principais nos semicondutores do tipo N.

Símbolos de um BJT

Estrutura de um BJT

Um BJT tem duas junções PN conectadas costas com costas e compartilhando uma região comum B (base). Isso garante que os contatos sejam feitos em todas as regiões que são base, coletor e emissor. A estrutura de um transistor bipolar PNP é mostrada abaixo.

O BJT mostrado acima consiste em dois diodos conectados costas com costas, resultando no esgotamento das regiões chamadas quase neutras. A largura do quase neutro do emissor, base e coletor são indicados acima como W _E ', W _B ' e W _C '. Eles são obtidos da seguinte forma -

$$W_{E}^{'}=W_{E}-X_{n,BE}$$ $$W_{B}^{'}=W_{B}-X_{p,BE}-X_{p,BC}$$ $$W_{C}^{'}=W_{C}-X_{n,BC}$$

Os sinais convencionais das correntes para o emissor, base e coletor são denotados por I _E , I _B e I _C respectivamente. Portanto, o coletor e a corrente de base são positivos quando uma corrente positiva encontra o coletor ou o contato de base. Além disso, a corrente do emissor é positiva quando a corrente sai do contato do emissor. Portanto,

$$I_{E}=I_{B}+I_{C}$$

Quando uma tensão positiva é aplicada ao contato da base em relação ao coletor e ao emissor, a tensão do coletor da base, bem como a tensão do emissor da base, torna-se positiva.

Para simplificar, V _CE é considerado zero.

A difusão de elétrons ocorre do emissor para a base, enquanto a difusão dos buracos se origina da base para o emissor. Uma vez que os elétrons alcançam a região esgotada do coletor de base, eles são varridos através da região por um campo elétrico. Esses elétrons formam a corrente do coletor.

Quando um BJT é polarizado no modo ativo direto, a corrente total do emissor é obtida adicionando a corrente de difusão de elétrons ( I _{E, n} ), a corrente de difusão de buraco ( I _{E, p} ) e a corrente de base-emissor.

$$I_{E}=I_{E,n}+I_{E,p}+I_{r,d}$$

A corrente de coletor total é dada pela corrente de difusão de elétrons ( I _{E, n} ), menos a corrente de recombinação de base ( I _{r, B} ).

$$I_{C}=I_{E,n}-I_{r,B}$$

A soma da corrente de base I _B é obtida adicionando a corrente de difusão de orifício ( I _{E, p} ), a corrente de recombinação de base ( I _{r, B} ) e a corrente de recombinação de base-emissor da camada de depleção ( I _{r, d} ).

$$I_{B}=I_{E,p}+I_{r,B}+I_{r,d}$$

Fator de Transporte

Isso é dado pela relação entre a corrente do coletor e a corrente do emissor.

$$\alpha =\frac{I_{C}}{I_{E}}$$

Aplicando a lei das correntes de Kirchhoff, verifica-se que a corrente de base é dada pela diferença entre a corrente do emissor e a corrente do coletor.

Ganho Atual

Isso é dado pela relação entre a corrente do coletor e a corrente de base.

$$\beta =\frac{I_{C}}{I_{B}}=\frac{\alpha }{1-\alpha }$$

O acima explica como um BJT pode produzir amplificação de corrente. O fator de transporte (α) aproxima-se de um se a corrente do coletor for quase equivalente à corrente do emissor. O ganho atual (β) torna-se então maior que um.

Para uma análise posterior, o fator de transporte (α) é reescrito como um produto da eficiência do emissor (γ _E ), o fator de transporte de base (α _T ) e o fator de recombinação da camada de depleção (δ _r ). É reescrito da seguinte forma -

$$\alpha =\gamma _{E}\times \alpha _{T}\times \delta _{r}$$

A seguir está um resumo da eficiência do emissor discutida, fator de transporte de base e fator de recombinação da camada de depleção.

Eficiência do Emissor

$$\gamma _{E}=\frac{I_{E,n}}{I_{E,p}+I_{E,P}}$$

Fator de transporte básico

$$\alpha _{T}=\frac{I_{E,n}-I_{r,b}}{I_{E,n}}$$

Fator de Recombinação da Camada de Depleção

$$\delta _{r}=\frac{I_{E}-I_{r,d}}{I_{E,n}}$$

O transistor bipolar de porta isolada (IGBT) é um dispositivo semicondutor com três terminais e é usado principalmente como uma chave eletrônica. É caracterizado por comutação rápida e alta eficiência, o que o torna um componente necessário em aparelhos modernos, como reatores de lâmpadas, carros elétricos e drives de frequência variável (VFDs).

Sua capacidade de ligar e desligar rapidamente o torna aplicável em amplificadores para processar padrões de onda complexos com modulação por largura de pulso. O IGBT combina as características dos MOSFETs e BJTs para atingir capacidade de alta corrente e baixa tensão de saturação, respectivamente. Ele integra uma porta isolada usando FET (transistor de efeito de campo) para obter uma entrada de controle.

Símbolo IGBT

A amplificação de um IGBT é calculada pela relação entre seu sinal de saída e seu sinal de entrada. Em BJTs convencionais, o grau de ganho (β) é igual à razão de sua corrente de saída para a corrente de entrada.

O IGBT tem um valor muito baixo de resistência de estado ON (RON) do que um MOSFET. Isso implica que a queda de tensão (I ² R) através do bipolar para uma operação de chaveamento particular é muito baixa. A ação de bloqueio de avanço do IGBT é semelhante à de um MOSFET.

Quando um IGBT é usado como chave controlada em um estado estático, suas classificações de corrente e tensão são iguais às do BJT. Ao contrário, a porta isolada no IGBT torna mais fácil conduzir cargas BJT e, portanto, menos energia é necessária.

O IGBT é LIGADO ou DESLIGADO com base no fato de seu terminal de portão ter sido ativado ou desativado. Uma diferença de potencial positiva constante entre a porta e o emissor mantém o IGBT no estado LIGADO. Quando o sinal de entrada é removido, o IGBT é desligado.

Princípio de Operação IGBT

O IGBT requer apenas uma pequena tensão para manter a condução no dispositivo, ao contrário do BJT. O IGBT é um dispositivo unidirecional, ou seja, só pode ser ligado na direção direta. Isso significa que a corrente flui do coletor para o emissor, ao contrário dos MOSFETs, que são bidirecionais.

Aplicações de IGBT

O IGBT é usado em aplicações de média a ultra-alta potência, por exemplo, motor de tração. Em grandes IGBTs, é possível lidar com altas correntes na faixa de cem amperes e tensões de bloqueio de até 6kv.

Os IGBTs também são usados em dispositivos eletrônicos de potência, como conversores, inversores e outros aparelhos onde a necessidade de comutação de estado sólido é necessária. Os bipolares estão disponíveis com alta corrente e voltagem. No entanto, suas velocidades de comutação são baixas. Pelo contrário, os MOSFETs têm altas velocidades de chaveamento, embora sejam caros.

O transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico (MOSFET) é um tipo de transistor usado para comutar sinais eletrônicos. Tem quatro terminais a saber; source (S), Drain (D), Gate (G) e Body (B). O corpo do MOSFET é normalmente conectado ao terminal da fonte (S), o que resulta em um dispositivo de três terminais semelhante a outros transistores de efeito de campo ( FET). Como esses dois terminais principais são normalmente interconectados por meio de curto-circuito, apenas três terminais são visíveis nos diagramas elétricos.

É o dispositivo mais comum em circuitos que são digitais e analógicos. Comparado com o transistor normal, um MOSFET precisa de baixa corrente (menos de um mil-ampere) para ligar. Ao mesmo tempo, ele fornece uma carga de alta corrente de mais de 50 Amperes.

Operação de um MOSFET

O MOSFET possui uma fina camada de dióxido de silício, que atua como a placa de um capacitor. O isolamento da porta de controle aumenta a resistência do MOSFET a níveis extremamente altos (quase infinito).

O terminal da porta está bloqueado no caminho da corrente primária; portanto, nenhuma corrente vaza no portão.

Os MOSFETs existem em duas formas principais -

Depletion state- Isso requer a tensão da fonte do gate (V _GB ) para desligar o componente. Quando a porta está em zero (V _GB ), o dispositivo geralmente está LIGADO, portanto, funciona como um resistor de carga para determinados circuitos lógicos. Para carregar dispositivos com depleção do tipo N, 3 V é a tensão limite em que o dispositivo é desligado comutando a porta em 3 V negativos.
Enhancement state- A tensão da porta-fonte (V _GB ) é necessária neste estado para ligar o componente. Quando a porta está em zero (V _GB ), o dispositivo geralmente está DESLIGADO e pode ser ligado, garantindo que a tensão da porta seja maior do que a tensão da fonte.

Símbolo e construção básica

Onde, D - Drenar; G - Portão; S- Fonte; eSub - Substrato

A (BJT) emite uma corrente de 1mA e tem eficiência de emissor de 0,99. O fator de transporte básico é 0,994 e um fator de recombinação da camada de depleção é 0,997. Para o BJT, calcule o seguinte -

O fator de transporte

O fator de transporte reescrito é dado por -

$$\alpha =\gamma _{E}\times \alpha _{T}\times \delta _{r}$$

Substituindo os valores, obtemos

$$\alpha =0.99\times 0.994\times 0.997=0.981$$

O ganho atual

O ganho atual é dado por -

$$\beta =\frac{I_{C}}{I_{B}}=\frac{\alpha }{1-\alpha }$$

Substituindo os valores, obtemos

$$\beta =\frac{0.981}{1-0.981}=51.6$$

O coletor atual

$$I_{C}=\alpha \times I_{E}=0.981\times 1=0.981mA$$

A base atual

$$I_{B}=I_{E}-I_{C}=1-0.981=19\mu A$$

Conversor de fase controlada

Um conversor de fase controlada converte energia CA em CC (linha comutada). Em outras palavras, é usado na conversão de potência CA de frequência fixa e tensão fixa em saída de tensão CC variável. É expresso como

Fixed Input - Tensão, frequência e alimentação CA
Variable output - Saída de tensão DC

A tensão de entrada CA que entra em um conversor é normalmente em RMS fixo (raiz quadrada média) e frequência fixa. A inclusão de tiristores de fase controlada no conversor garante que uma tensão de saída DC variável seja obtida. Isso é possível alterando o ângulo de fase em que os tiristores são acionados. Como resultado, uma forma de onda pulsante da corrente de carga é obtida.

Durante o meio ciclo de alimentação de entrada, o tiristor está em polarização direta e é ligado por meio da aplicação de pulso de porta suficiente (gatilho). A corrente começa a fluir assim que o tiristor é ligado, ou seja, em um ponto ωt = α até o ponto ωt = β. No momento em que a corrente de carga cai para zero, o tiristor é desligado como resultado da comutação de linha (natural).

Existem vários conversores de energia que utilizam comutação natural. Isso inclui -

Conversores AC para DC
Conversores AC para AC
Controladores de tensão AC
Cycloconverters

Os conversores de energia acima serão explicados nos próximos capítulos deste tutorial.

2- Conversor de pulso

Um conversor de pulso de 2 fases, também conhecido como gerador de modulador de largura de pulso de nível 2 (PWM), é usado para gerar pulsos para conversores de modulação de largura de pulso baseados em portadora. Ele faz isso utilizando a topologia de nível dois. Este bloco controla dispositivos de comutação para fins de controle, como IGBTs e FETs que existem em três tipos de conversores, a saber -

1 braço (meia ponte monofásica)
2 braços (ponte completa monofásica)
3 braços (ponte trifásica)

O sinal de entrada de referência em um conversor de 2 pulsos é comparado a uma portadora. Se o sinal de entrada de referência for maior que a portadora, o pulso será igual a 1 para o dispositivo superior e 0 para o dispositivo inferior.

Para controlar um dispositivo com ponte completa monofásica (2 braços), é necessário aplicar modulação de largura de pulso unipolar ou bipolar. Na modulação unipolar, cada um dos dois braços é controlado de forma independente. Um segundo sinal de entrada de referência é gerado internamente por meio de uma mudança no ponto de referência inicial em 180 °

Quando o PWM bipolar é aplicado, o estado do dispositivo de chaveamento inferior na segunda ponte completa monofásica é semelhante ao da chave superior no primeiro dispositivo em ponte completa monofásica. O uso de uma modulação unipolar leva a formas de onda CA suaves, enquanto a modulação bipolar resulta em menor variação de voltagem.

Conversor de 3 pulsos

Considere um conversor trifásico de 3 pulsos, onde cada um dos tiristores está em modo de condução durante o terceiro ciclo de alimentação. A primeira vez que um tiristor é acionado em condução é a 30 ° em referência à tensão de fase.

Seu funcionamento é explicado por meio de três tiristores e três diodos. Quando os tiristores T1, T2 e T3 são substituídos pelos diodos D1, D2 e D3, a condução começará no ângulo de 30 ° em relação às tensões de fase u _an , u _bn e u _cn respectivamente. Portanto, o ângulo de disparo α é medido inicialmente a 30 ° em referência à tensão de fase correspondente a ele.

A corrente só pode fluir em uma direção através do tiristor, que é semelhante ao modo de funcionamento do inversor, onde a energia flui do lado CC para o lado CA. Além disso, a tensão nos tiristores é controlada controlando o ângulo de disparo. Isso é obtido quando α = 0 (possível em um retificador). Assim, o conversor de 3 pulsos atua como um inversor e um retificador.

Conversor de 6 pulsos

A figura abaixo mostra um conversor controlado por ponte de seis pulsos conectado a uma fonte trifásica. Neste conversor, o número de pulsos é o dobro das fases, ou sejap = 2m. Usando a mesma configuração de conversor, é possível combinar duas pontes de seis pulsos para obter um conversor de doze ou mais pulsos.

Quando a comutação não estiver disponível, dois diodos conduzirão a qualquer momento. Além disso, para obter uma queda de tensão na carga, dois diodos devem estar posicionados em pernas opostas da ponte. Por exemplo, os diodos 3 e 6 não podem estar LIGADOS ao mesmo tempo. Portanto, a queda de tensão na carga CC é uma combinação da tensão de linha VL da fonte trifásica.

É importante ressaltar que quanto maior o número de pulsos, maior será a utilização do conversor. Além disso, quanto menor o número de pulsos, menor a utilização do conversor.

A análise da maioria dos conversores é geralmente simplificada em condições ideais (sem impedância da fonte). No entanto, essa suposição não é justificada, uma vez que a impedância da fonte é normalmente indutiva com um elemento resistivo desprezível.

A indutância da fonte tem um impacto significativo no desempenho do conversor porque sua presença altera a tensão de saída do conversor. Como resultado, a tensão de saída diminui conforme a corrente de carga diminui. Além disso, as formas de onda da corrente de entrada e da tensão de saída mudam significativamente.

O efeito da indutância da fonte em um conversor é analisado das duas maneiras a seguir.

Efeito em fase única

Assumindo que o conversor opera no modo de condução e a ondulação da corrente de carga é desprezível, a tensão de circuito aberto torna-se igual à saída CC média em um ângulo de disparo de α. O diagrama abaixo mostra um conversor totalmente controlado com fonte em fase única. Os tiristores T ₃ e T ₄ são considerados em modo de condução quando t = 0. Por outro lado, T ₁ e T ₂ disparam quando ωt = α

Onde -

V _i = tensão de entrada
I _i = corrente de entrada
V _o = tensão de saída
I _o = tensão de saída

Quando não há indutância da fonte, a comutação ocorrerá em T ₃ e T ₄ . Tiristores imediatamente T ₁ e T ₂ está ligado. Isso fará com que a polaridade de entrada mude instantaneamente. Na presença de indutância da fonte, a mudança de polaridade e a comutação não ocorrem instantaneamente. Assim, T ₃ e T ₄ não comutam assim que T ₁ e T ₂ são ligados.

Em algum intervalo, todos os quatro tiristores estarão conduzindo. Esse intervalo de condução é chamado de intervalo de sobreposição (μ).

A sobreposição durante a comutação reduz a tensão de saída DC e o ângulo de extinção γ resultando em falha de comutação quando α está perto de 180 °. Isso é mostrado pela forma de onda abaixo.

Efeito em três fases

Assim como no conversor monofásico, não há comutações instantâneas devido à presença das indutâncias da fonte. Levando em consideração as indutâncias da fonte, os efeitos (qualitativos) no desempenho do conversor são os mesmos de um conversor monofásico. Isso é mostrado no diagrama abaixo.

É importante determinar os parâmetros de desempenho para diferentes conversores cujas topologias podem ser monofásicas ou multifásicas.

Suposições

Os aparelhos utilizados são ideais, ou seja, não apresentam perdas
Os dispositivos têm cargas resistivas

Tensão DC na carga

$$V_{DC}=\frac{1}{T} \int_{0}^{T}V_{L}\left ( t \right )dt$$

Tensão RMS na carga

$$V_{L}=\sqrt{\frac{1}{T}}\int_{0}^{T}V_{L}^{2}\left ( t \right )dt$$

Fator de forma

$$FF=\frac{V_{L}}{V_{DC}}$$

Fator Ondulação

$$RF=\frac{\sqrt{V_{L}^{2}-V_{DC}^{2}}}{V_{DC}}=\sqrt{FF^{2}-1}$$

Eficiência (fator de retificação)

$$\eta =\frac{P_{DC}}{P_{L}+P_{D}}$$

Onde o acima é definido como -

$P_{DC}=V_{DC}\times I_{DC}$

$P_{L}=V_{L}\times I_{L}$

$P_{D}=R_{D}\times I_{L}^{2}$($P_{D}$ são as perdas do retificador e $R_{D}$ a resistência)

$$\eta =\frac{V_{DC}I_{DC}}{\left ( V_{L}I_{L} \right )+\left ( R_{D}I_{L}^{2} \right )}=\frac{V_{DC}^{2}}{V_{L}^{2}}\times \frac{1}{1+\frac{R_{D}}{R_{L}}}$$

Mas $R_{D}=0$

Portanto,

$$\eta =\left ( \frac{V_{DC}}{V_{L}} \right )^{2}=\left ( \frac{1}{FF}\right )^{2}$$

Fator de utilização do transformador

$$TUF=\frac{P_{DC}}{VA \:Rating \:of \:the \:Transformer }=\frac{P_{DC}}{\frac{VA_{p}+VA_{s}}{2}}$$

VA _p e VA _s são as classificações de potência primária e secundária do transformador.

Em conversores de corrente contínua de alta tensão (HVDC), as estações são comutadas por linha. Isso implica que a corrente inicial da válvula só pode ser atrasada em referência a um valor zero da tensão do barramento do conversor na forma CA. Consequentemente, para um melhor controle da tensão, o barramento conversor é conectado a uma fonte de energia reativa.

Fontes de energia reativa são usadas para variar os capacitores em sistemas estáticos. A resposta do sistema de potência reativa é ditada pelo controle de tensão em condições dinâmicas.

Ao operar sistemas CA instáveis, os problemas tendem a surgir devido a tensões instáveis e picos de sobretensão. Uma melhor coordenação das fontes de potência reativa é necessária para simplificar o controle dos ângulos de disparo. Como resultado, esse recurso do conversor de potência reativa está cada vez mais sendo aplicado em conversores modernos que usam HVDC.

Controle de energia reativa em estado estacionário

As equações que expressam a potência reativa em função da potência ativa são dadas em termos de grandezas unitárias.

A tensão do conversor básico é dada por -

$$V_{db}=3\sqrt{\frac{2}{\pi }}\times V_{L}$$

Onde V_L = Tensão de linha para linha (no lado do enrolamento)

Base DC Current (I_db ) = Corrente DC nominal (I_dr)

Base DC Power (P_dc)= n _b × V _db × I _db , onden_b = número de pontes em série

BaseBase AC voltage (V_b) = (V_a)

Base AC Power = Força DC Base

$$\sqrt{\frac{18}{\pi }}\times V_{a}\times I_{db}\times n_{b}$$

Os conversores duplos são encontrados principalmente em drives de velocidade variável (VFDs). Em um conversor duplo, dois conversores são ligados costas com costas. A operação de um conversor duplo é explicada usando o diagrama abaixo. Presume-se que -

Um conversor duplo é ideal (fornece saída DC pura) em seus terminais.
Cada conversor de dois quadrantes é uma fonte DC controlada em série com um diodo.
Os diodos D1 e D2 mostram o fluxo unidirecional da corrente.

Considerando um conversor duplo operando sem corrente circulante, a corrente CA é impedida de fluir por pulsos de disparo controlados. Isso garante que o conversor que transporta a corrente de carga conduza enquanto o outro conversor está bloqueado. Isso significa que não é necessário um reator entre os conversores.

Carregador de bateria

Um carregador de bateria, também conhecido como recarregador, utiliza corrente elétrica para armazenar energia em uma célula secundária. O processo de carregamento é determinado pelo tipo e tamanho da bateria. Diferentes tipos de baterias têm diferentes níveis de tolerância a sobrecarga. O processo de recarga pode ser alcançado conectando-o a uma tensão constante ou fonte de corrente constante.

Taxa de carregamento (C)

A taxa de carregamento é definida como a taxa de carregamento ou descarregamento de uma bateria e é igual à capacidade da bateria em uma hora.

Um carregador de bateria é especificado em termos de sua taxa de carga C. Por exemplo, um carregador de bateria com uma classificação de C / 10 forneceria uma capacidade de carga em 10 horas, enquanto um classificado como 3C carregaria uma bateria em 20 minutos.

Tipos de carregadores de bateria

Existem muitos tipos de carregadores de bateria. Neste tutorial, consideraremos os cinco tipos principais.

Simple chargers - Opera fornecendo uma fonte de alimentação DC constante para a bateria sendo carregada.
Fast chargers - Usa circuitos de controle para carregar a bateria rapidamente e, no processo, evitar que as células da bateria sejam danificadas.
Inductive chargers - Usa indução eletromagnética para carregar a bateria.
Intelligent chargers - Usado para carregar uma bateria que contém um chip que se comunica com the carregador inteligente.
Motion powered charger- Faz uso de movimento humano para carregar uma bateria. Um ímã colocado entre duas molas é movido para cima e para baixo pelo movimento humano, carregando a bateria.

Um motor CC excitado separadamente tem os seguintes parâmetros: 220 V, 100 A e 1450 rpm. Sua armadura possui uma resistência de 0,1 Ω. Além disso, é alimentado por um conversor trifásico totalmente controlado conectado a uma fonte CA trifásica com frequência de 50 Hz e reatância indutiva de 0,5 Ω e 50 Hz. Em α = 0, a operação do motor é com torque e velocidade nominais. Suponha que o motor freie generativamente usando a direção reversa em sua velocidade nominal. Calcule a corrente máxima sob a qual a comutação não é afetada.

Solution -

Nós sabemos isso,

$$V_{db}=3\sqrt{\frac{2}{\pi }}\times V_{L}-\frac{3}{\pi }\times R_{b}\times I_{db}$$

Substituindo os valores, obtemos,

$220=3\sqrt{\frac{2}{\pi }}\times V_{L}-\frac{3}{\pi }\times 0.5\times 100$

Portanto,

$V_{L}=198V$

Tensão na velocidade nominal = $220-\left ( 100\times 0.1 \right )=210V$

Na velocidade nominal, a frenagem regenerativa na direção reversa,

$=3\sqrt{\frac{2}{\pi }}\times 198\cos \alpha -\left ( \frac{3}{\pi }\times 0.5+0.1\right )\times I_{db}=-210V$

Mas $\cos \alpha -\cos \left ( \mu +\alpha \right )=\frac{\sqrt{2}}{198}\times 0.5I_{db}$

Para que a comutação falhe, a seguinte condição limite deve ser satisfeita.

$\mu +\alpha \approx 180^{\circ}$

Portanto, $\quad \cos \alpha =\frac{I_{db}}{198\sqrt{2}}-1$

Além disso,

$\frac{3}{\pi }I_{db}-\frac{3\sqrt{2}}{\pi }\times 198-\left ( \frac{3}{\pi }\times 0.5+0.1 \right )I_{db}=-210$

Isto dá, $\quad 0.3771I_{db}=57.4$

Portanto, $\quad I_{db}=152.2A$

Um chopper usa alta velocidade para conectar e desconectar de uma carga de origem. Uma tensão DC fixa é aplicada de forma intermitente à carga da fonte, acionando continuamente a chave liga / desliga. O período de tempo durante o qual o interruptor de alimentação permanece LIGADO ou DESLIGADO é referido como os tempos de estado LIGADO e DESLIGADO do chopper, respectivamente.

Os choppers são aplicados principalmente em carros elétricos, conversão de energia eólica e solar e reguladores de motor CC.

Símbolo de um helicóptero

Classificação de picadores

Dependendo da saída de tensão, os choppers são classificados como -

Chopper Step Up (conversor boost)
Step Down Chopper (conversor Buck)
Step Up / Down Chopper (conversor Buck-boost)

Step Up Chopper

A saída de tensão média (V _o ) em um chopper incremental é maior do que a entrada de tensão (V _s ). A figura abaixo mostra uma configuração de um chopper step up.

Formas de onda de corrente e tensão

V ₀ (saída de tensão média) é positivo quando o chopper está ligado e negativo quando o chopper está desligado, conforme mostrado na forma de onda abaixo.

Onde

T _ON - intervalo de tempo quando o chopper está LIGADO

T _OFF - intervalo de tempo quando o chopper está desligado

V _L - Tensão de carga

V _s - tensão da fonte

T - Período de tempo de corte = T _ON + T _OFF

V _o é dado por -

$$V_{0}=\frac{1}{T}\int_{0}^{T_{ON}}V_{S}dt$$

Quando o chopper (CH) é ligado, a carga é curto-circuitada e, portanto, a tensão de saída para o período T_ONé zero. Além disso, o indutor é carregado durante esse tempo. Isso dá V _S = V _L

$L\frac{di}{dt}=V_{S},$ $\frac{\Delta i}{T_{ON}}=\frac{V_{S}}{L}$

Conseqüentemente,$\Delta i=\frac{V_{S}}{L}T_{ON}$

Δi = é a corrente de pico a pico do indutor. Quando o chopper (CH) está desligado, a descarga ocorre através do indutor L. Portanto, a soma de V _s e V _L é dada como segue -

$V_{0}=V_{S}+V_{L},\quad V_{L}=V_{0}-V_{S}$

Mas $L\frac{di}{dt}=V_{0}-V_{S}$

Portanto,$L\frac{\Delta i}{T_{OFF}}=V_{0}-V_{S}$

Isto dá,$\Delta i=\frac{V_{0}-V_{S}}{L}T_{OFF}$

Equacionar Δi do estado LIGADO a Δi do estado DESLIGADO dá -

$\frac{V_{S}}{L}T_{ON}=\frac{V_{0}-V_{S}}{L}T_{OFF}$, $V_{S}\left ( T_{ON}+T_{OFF} \right )=V_{0}T_{OFF}$

$V_{0}=\frac{TV_{S}}{T_{OFF}}=\frac{V_{S}}{\frac{\left ( T+T_{ON} \right )}{T}}$

Isso dá a saída de tensão média como,

$$V_{0}=\frac{V_{S}}{1-D}$$

A equação acima mostra que V _o pode variar de V _S ao infinito. Isso prova que a tensão de saída será sempre maior do que a tensão de entrada e, portanto, aumenta ou aumenta o nível de tensão.

Step Down Chopper

Isso também é conhecido como conversor de buck. Neste triturador, a média de saída de tensão V _S for menor que a tensão de entrada V _S . Quando o chopper está LIGADO, V _O = V _S e quando o chopper está desligado, V _O = 0

Quando o helicóptero está LIGADO -

$V_{S}=\left ( V_{L}+V_{0} \right ),\quad V_{L}=V_{S}-V_{0},\quad L\frac{di}{dt}=V_{S}-V_{0},\quad L\frac{\Delta i}{T_{ON}}=V_{s}+V_{0}$

Assim, a carga de corrente de pico a pico é dada por,

$\Delta i=\frac{V_{s}-V_{0}}{L}T_{ON}$

Diagrama de circuito

Onde FD é um diodo de roda livre.

Quando o chopper está DESLIGADO, ocorre inversão de polaridade e descarga no indutor. A corrente passa pelo diodo de roda livre e o indutor para a carga. Isto dá,

$$L\frac{di}{dt}=V_{0}........................................\left ( i \right )$$

Reescrito como -$\quad L\frac{\Delta i}{T_{OFF}}=V_{0}$ $$\Delta i=V_{0}\frac{T_{OFF}}{L}...................................\left ( ii \right )$$

Equacionar as equações (i) e (ii) dá;

$\frac{V_{S}-V_{0}}{L}T_{ON}=\frac{V_{0}}{L}T_{OFF}$

$\frac{V_{S}-V_{0}}{V_{0}}=\frac{T_{OFF}}{T_{ON}}$

$\frac{V_{S}}{V_{0}}=\frac{T_{ON}-T_{OFF}}{T_{ON}}$

A equação acima fornece;

$$V_{0}=\frac{T_{ON}}{T}V_{S}=DV_{S}$$

A equação (i) dá -

$\Delta i=\frac{V_{S}-DV_{S}}{L}DT$, de $D=\frac{T_{ON}}{T}$

$=\frac{V_{S}-\left ( 1-D \right )D}{Lf}$

$f=\frac{1}{T}=$frequência de corte

Formas de onda de corrente e tensão

As formas de onda de corrente e tensão são fornecidas abaixo -

Para um chopper redutor, a saída de tensão é sempre menor que a entrada de tensão. Isso é mostrado pela forma de onda abaixo.

Chopper Step Up / Step Down

Isso também é conhecido como conversor buck-boost. Permite aumentar ou reduzir o nível de entrada de tensão. O diagrama abaixo mostra um helicóptero buck-boost.

Quando o chopper é ligado, o indutor L é carregado pela tensão da fonte V _s . Por conseguinte, V _s = V _L .

$$L\frac{di}{dt}=V_{S}$$ $$\Delta i=\frac{V_{S}}{L}T_{ON}=\frac{V_{S}}{L}T\frac{T_{ON}}{T}=\frac{DV_{S}}{Lf}$$

Porque -

$D=\frac{T_{ON}}{T}$ e $f=\frac{1}{T} .............................................. \left ( iii \right )$

Quando o chopper é desligado, a polaridade do indutor é invertida e isso faz com que ele descarregue através do diodo e da carga.

Conseqüentemente,

$$V_{0}=-V_{L}$$ $$L\frac{di}{dt}=-V_{0}$$

$L\frac{\Delta i}{T_{OFF}}=-V_{0}$, portanto $\Delta i=-\frac{V_{0}}{L}T_{OFF}................................\left ( iv \right )$

A avaliação das equações (iii) e (iv) dá -

$\frac{DV_{S}}{Lf}=-\frac{V_{0}}{L}T_{OFF}$, $DV_{S}=-DV_{S}=-V_{0}T_{OFF}f$

$DV_{S}=-V_{0}\frac{T-T_{ON}}{T}=-V_{0}\left ( 1-\frac{T_{ON}}{T} \right )$, $V_{0}=-\frac{DV_{S}}{1-D}$

Porque $D=\frac{T_{ON}}{T}=\frac{T-T_{OFF}}{1-D}$

Isto dá,

$V_{0}=\frac{DV_{S}}{1-D}$

D pode ser variado de 0 a 1. Quando, D = 0; V _O = 0

Quando D = 0,5, V _O = V _S

Quando, D = 1, V _O = ∞.

Portanto, no intervalo 0 ≤ D ≤ 0,5, a tensão de saída varia na faixa 0 ≤ V _O <V _S e obtemos a operação de redução ou Buck. Considerando que, no intervalo 0,5 ≤ D ≤ 1, a tensão de saída varia na faixa V _S ≤ V _O ≤ ∞ e obtemos a operação de intensificação ou de reforço.

Em um conversor, existem dois métodos básicos de controle usados para variar a tensão de saída. Estes são -

Controle de proporção de tempo
Controle de limite de corrente

Controle de proporção de tempo

No controle da razão de tempo, uma constante k dada por $\frac{T_{ON}}{T}$é variado. A constante k é chamada de razão de trabalho. O controle da relação de tempo pode ser alcançado de duas maneiras -

Frequência Constante

Neste método de controle, a frequência (f = 1 / T _0N ) é mantida constante enquanto o tempo ON T é variado. Isso é conhecido como modulação por largura de pulso (PWM).

Frequência Variável

Na técnica de frequência variável, a frequência (f = 1 / T) é variada enquanto o tempo ON T é mantido constante. Isso é conhecido como controle de modulação de frequência.

Controle de limite de corrente

Em um conversor DC para DC, o valor da corrente varia entre o nível máximo e o mínimo para tensão contínua. Nesta técnica, o chopper (interruptor em um conversor CC para CC) é LIGADO e depois DESLIGADO para garantir que a corrente seja mantida constante entre os limites superior e inferior. Quando a corrente vai além do ponto máximo, o chopper é desligado.

Enquanto a chave está em seu estado OFF, a corrente gira livremente através do diodo e cai de uma maneira exponencial. O chopper é ligado quando a corrente atinge o nível mínimo. Este método pode ser usado quando o tempo ON T é constante ou quando a frequência (f = 1 / T).

Conversores de chave ressonante referem-se a conversores que possuem redes de indutores e capacitores (LC) e cujas formas de onda de corrente e tensão variam de maneira senoidal durante cada período de comutação. Existem vários conversores de chave ressonante -

Conversores ressonantes DC para DC
Inversores DC para AC
Inversores ressonantes AC para conversores DC

Neste tutorial, vamos nos concentrar em conversores Ressonant DC para DC

Conversores ressonantes DC para DC

O conceito de fonte de alimentação comutada (SMPS) é explicado abaixo usando um conversor DC para DC. A carga recebe uma alimentação de tensão constante (V _OUT ) que é obtida de uma fonte primária de alimentação de tensão V _IN . O valor de V _OUT é regulado pela variação do resistor em série (R _S ) ou pela fonte de corrente conectada em shunt ( I _S ). Ao controlar V _OUT através da variação de I _S e garantindo que R _S seja mantido constante, uma quantidade considerável de energia é perdida no conversor.

Fonte de alimentação comutada (SMPS)

Um SMPS (fonte de alimentação comutada) refere-se a um dispositivo eletrônico que usa um regulador de comutação com a finalidade de converter energia elétrica de maneira eficiente. O SMPS obtém energia das linhas principais de energia e a transfere para uma carga. Por exemplo, um computador garantindo que as características de tensão e corrente sejam convertidas.

A diferença entre um SMPS e uma fonte de alimentação linear é que o primeiro continua LIGADO e DESLIGADO durante baixa dissipação e usa menos tempo durante regiões de alta dissipação. Isso garante que menos energia seja desperdiçada. Na verdade, um SMPS não dissipa nenhuma potência.

O tamanho de um SMPS é menor e muito leve, em comparação com um dispositivo de alimentação linear normal do mesmo tamanho e formato.

A figura abaixo mostra o diagrama de circuito de um SMPS. Quando a frequência de chaveamento é variada, a energia armazenada pode ser variada para cada ciclo e, portanto, a saída de tensão é variada.

As formas de onda abaixo são para um conversor de meia ponte também conhecido como push-pull. É usado em aplicações que utilizam alta potência. A tensão de entrada é reduzida à metade, conforme indicado na forma de onda.

Um chopper intensificador tem uma tensão de entrada de 150V. A saída de tensão necessária é de 450V. Dado que o tiristor tem um tempo de condução de 150μsegundos. Calcule a frequência de corte.

Solution −

The chopping frequency (f)

$f=\frac{1}{T}$

Onde T - Período de tempo de corte = $T_{ON}+T_{OFF}$

Dado - $V_{S}=150V$$V_{0}=450V$ $T_{ON}=150\mu sec$

$V_{0}=V_{S\left ( \frac{T}{T-T_{ON}} \right )}$

$450=150\frac{T}{T-150^{-6}}$ $T=225\mu sec$

Portanto, $f=\frac{1}{225\ast 10^{-6}}=4.44KHz$

The new voltage output, on condition that the operation is at constant frequency after the halving the pulse width.

Reduzir pela metade a largura do pulso dá -

$$T_{ON}=\frac{150\times 10^{-6}}{2}=75\mu sec$$

A frequência é constante, portanto,

$$f=4.44KHz$$ $$T=\frac{1}{f}=150\mu sec$$

A saída de tensão é dada por -

$$V_{0}=V_{S}\left ( \frac{T}{T-T_{ON}} \right )=150\times \left ( \frac{150\times 10^{-6}}{\left ( 150-75 \right )\times 10^{-6}} \right )=300Volts$$

Um inversor se refere a um dispositivo eletrônico de potência que converte a energia da forma CC para a forma CA na frequência e tensão de saída exigidas.

Os inversores são classificados em duas categorias principais -

Voltage Source Inverter (VSI) - O inversor da fonte de tensão tem uma tensão de fonte DC rígida, que é a tensão DC que tem impedância limitada ou zero nos terminais de entrada do inversor.
Current Source Inverter (CSI)- Um inversor de fonte de corrente é fornecido com uma corrente variável de uma fonte CC com alta impedância. As ondas de corrente resultantes não são influenciadas pela carga.

Inversor Monofásico

Existem dois tipos de inversores monofásicos - inversor de ponte completa e inversor de meia ponte.

Inversor de meia ponte

Este tipo de inversor é o bloco de construção básico de um inversor de ponte completa. Ele contém duas chaves e cada um de seus capacitores tem uma saída de tensão igual a$\frac{V_{dc}}{2}$. Além disso, as chaves se complementam, ou seja, se uma for ligada, a outra será desligada.

Inversor Full Bridge

Este circuito inversor converte DC em AC. Ele consegue isso fechando e abrindo os interruptores na sequência correta. Ele tem quatro estados operacionais diferentes com base nos interruptores fechados.

Inversor Trifásico

Um inversor trifásico converte uma entrada CC em uma saída CA trifásica. Seus três braços são normalmente atrasados em um ângulo de 120 ° para gerar uma alimentação CA trifásica. Cada uma das chaves do inversor tem uma proporção de 50% e a comutação ocorre após cada T / 6 do tempo T (intervalo de ângulo de 60 °). Os interruptores S1 e S4, os interruptores S2 e S5 e os interruptores S3 e S6 complementam-se.

A figura abaixo mostra um circuito para um inversor trifásico. Não passa de três inversores monofásicos colocados na mesma fonte CC. As tensões dos pólos em um inversor trifásico são iguais às tensões dos pólos no inversor de meia ponte monofásico.

Os dois tipos de inversores acima têm dois modos de condução - 180° mode of conduction e 120° mode of conduction.

Modo de condução 180 °

Neste modo de condução, cada dispositivo está no estado de condução de 180 °, onde são ligados em intervalos de 60 °. Os terminais A, B e C são os terminais de saída da ponte que são conectados à conexão trifásica delta ou estrela da carga.

A operação de uma carga conectada em estrela balanceada é explicada no diagrama abaixo. Para o período de 0 ° - 60 ° os pontos S1, S5 e S6 estão em modo de condução. Os terminais A e C da carga são conectados à fonte em seu ponto positivo. O terminal B está conectado à fonte em seu ponto negativo. Além disso, as resistências R / 2 estão entre o neutro e o terminal positivo, enquanto a resistência R está entre o neutro e o terminal negativo.

As tensões de carga são fornecidas como segue; V _AN = V / 3, V _BN = −2V / 3, V _CN = V / 3	As tensões de linha são fornecidas como segue; V _AB = V _AN - V _BN = V, V _BC = V _BN - V _CN = −V, V _CA = V _CN - V _AN = 0

Formas de onda para modo de condução de 180 °

Modo de condução 120 °

Neste modo de condução, cada dispositivo eletrônico está em um estado de condução de 120 °. É mais adequado para uma conexão delta em uma carga porque resulta em um tipo de forma de onda de seis etapas em qualquer uma de suas fases. Portanto, a qualquer momento, apenas dois dispositivos estão conduzindo porque cada dispositivo conduz a apenas 120 °.

O terminal A na carga é conectado à extremidade positiva, enquanto o terminal B está conectado à extremidade negativa da fonte. O terminal C na carga está em uma condição chamada estado flutuante. Além disso, as tensões de fase são iguais às tensões de carga, conforme mostrado abaixo.

Tensões de fase = tensões de linha

V _AB = V

V _BC = −V / 2

V _CA = −V / 2

Formas de onda para modo de condução de 120 °

PWM é uma técnica usada para reduzir a distorção harmônica geral (THD) em uma corrente de carga. Ele usa uma onda de pulso na forma retangular / quadrada que resulta em um valor médio de forma de onda variável f (t), depois que sua largura de pulso foi modulada. O período de tempo para a modulação é dado por T. Portanto, o valor médio da forma de onda é dado por

$$\bar{y}=\frac{1}{T}\int_{0}^{T}f\left ( t \right )dt$$

Modulação de largura de pulso sinusoidal

Em um inversor de tensão de fonte simples, as chaves podem ser LIGADAS e DESLIGADAS conforme necessário. Durante cada ciclo, a chave é ligada ou desligada uma vez. Isso resulta em uma forma de onda quadrada. No entanto, se a chave for ligada várias vezes, um perfil harmônico que é a forma de onda aprimorada é obtido.

A forma de onda PWM sinusoidal é obtida comparando a forma de onda modulada desejada com uma forma de onda triangular de alta frequência. Independentemente de a tensão do sinal ser menor ou maior do que a da forma de onda portadora, a tensão de saída resultante do barramento CC é negativa ou positiva.

A amplitude sinusoidal é dada como A _m e a do triângulo portador é dada como A _c . Para PWM senoidal, o índice de modulação m é dado por A _m / A _c .

PWM de forma de onda sinusoidal modificada

Uma forma de onda PWM senoidal modificada é usada para controle de potência e otimização do fator de potência. O conceito principal é deslocar a corrente atrasada na rede para a rede de tensão, modificando o conversor PWM. Conseqüentemente, há uma melhora na eficiência de energia, bem como uma otimização no fator de potência.

Multiple PWM

O PWM múltiplo tem várias saídas que não têm o mesmo valor, mas o período de tempo durante o qual são produzidas é constante para todas as saídas. Os inversores com PWM são capazes de operar com saída de alta tensão.

A forma de onda abaixo é uma onda sinusoidal produzida por um PWM múltiplo

Controle de Tensão e Harmônicas

Uma forma de onda periódica que tem frequência, que é uma integral múltipla da potência fundamental com frequência de 60 Hz, é conhecida como harmônica. A distorção harmônica total (THD), por outro lado, refere-se à contribuição total de todas as frequências de corrente harmônica.

Harmônicos são caracterizados pelo pulso que representa o número de retificadores usados em um determinado circuito. É calculado da seguinte forma -

$$h=\left ( n\times P \right )+1 \quad or \quad -1$$

Onde n - é um inteiro 1, 2, 3, 4… .n

P - Número de retificadores

Está resumido na tabela abaixo -

Harmonic	Frequency
1ª	60 Hz
2 ^nd	120 Hz
3 ^rd	180Hz
4 ^th	240Hz
5 ª . . 49º	300Hz . . 2940Hz

Os harmônicos têm um impacto na saída de tensão e corrente e podem ser reduzidos usando transformadores de isolamento, reatores de linha, redesenho de sistemas de potência e filtros de harmônicos.

Inversor Ressonante Série

Um inversor ressonante é um inversor elétrico cuja operação é baseada na oscilação da corrente ressonante. Aqui, o dispositivo de comutação e o componente ressonante são conectados em série um ao outro. Como resultado das características naturais do circuito, a corrente que passa pelo dispositivo de comutação cai para zero.

Este tipo de inversor produz uma forma de onda sinusoidal em frequências muito altas na faixa de 20kHz-100kHz. Portanto, é mais adequado para aplicações que exigem uma saída fixa, como aquecimento por indução e iluminação fluorescente. Geralmente é pequeno em tamanho porque sua frequência de comutação é alta.

Um inversor ressonante tem inúmeras configurações e, portanto, é categorizado em dois grupos -

Aqueles com interruptores unidirecionais
Aqueles com interruptores bidirecionais

Um inversor de meia ponte monofásico tem uma resistência de 2,5Ω e tensão DC de entrada de 50V. Calcule o seguinte -

Solution -

a. The RMS voltage occurring at the fundamental frequency

$E_{1RMS}=0.9\times 50V=45V$

b. The power Output

Tensão de saída RMS $E_{ORMS}=E=50V$

Potência de saída $=E^{2}/R=\left ( 50\right )^{2}/2.5=1000W$

c. Peak current and average current

Corrente de pico $I_{p}=E_{0}/R=50/2.5=20A$

Corrente média$=I_{p}/2=20/2=10A$

d. Harmonic RMS voltage

$E_{n}=\left \{ \left ( E_{ORMS} \right )^{2}-\left ( E_{1RMS} \right )^{2} \right \}^{0.5}=\left [ 50^{2} -45^{2}\right ]^{0.5}=21.8V$

e. Total harmonic distortion

$E_{n}/E_{1RMS}=21.8/45=0.48\times 100\%=48\%$

Um controlador CA monofásico (controlador de tensão) é usado para variar o valor da tensão alternada após ela ter sido aplicada a um circuito de carga. Um tiristor também é colocado entre a carga e a fonte constante de tensão CA.

A voltagem alternada quadrada média é regulada pela alteração do ângulo de disparo do tiristor. No caso de controle de fase, os tiristores são empregados como chaves para estabelecer uma conexão da alimentação de entrada CA ao circuito de carga durante cada ciclo de entrada. Para cada tensão de entrada positiva, ocorre corte e a tensão é reduzida.

Diagrama de Circuito com Carga Resistiva

Durante a metade do ciclo, a chave do tiristor é ligada para permitir que a entrada de tensão apareça na carga. Isso é seguido pelo estado OFF durante o último meio ciclo para desconectar a carga da tensão da fonte.

Quando o ângulo de disparo α é controlado, o valor RMS da tensão na carga também é controlado. O ângulo de disparo α é, portanto, definido como o valor deωt no qual o tiristor é ligado.

Controle de sequência de estágios múltiplos do conversor CA

Quando dois ou mais estágios de controle de sequência são conectados, é possível ter uma melhoria no fator de potência e uma redução adicional no THD (distorção harmônica total). Um conversor de controle de sequência de n estágios tem n enrolamentos na parte secundária do transformador com cada e _s / n nominal (a tensão da fonte).

Quando dois conversores AC são colocados paralelamente um ao outro, o caminho de seqüência zero é criado. Uma pequena diferença entre os dois conversores causa uma grande seqüência zero na corrente circulante. O diagrama abaixo mostra o sistema paralelo de um conversor. A direção da corrente é anti-horária em relação àquela do sistema de tensão.

Um cicloconversor refere-se a um trocador de frequência que pode mudar a energia CA de uma frequência para energia CA em outra frequência. Este processo é conhecido como conversão AC-AC. É usado principalmente em tração elétrica, motores CA com velocidade variável e aquecimento por indução.

Um cicloconversor pode alcançar a conversão de frequência em um estágio e garante que a tensão e as frequências sejam controláveis. Além disso, a necessidade de utilizar circuitos de comutação não é necessária porque utiliza comutação natural. A transferência de energia dentro de um cicloconversor ocorre em duas direções (bidirecional).

Um grande problema com os cicloconversores é que, quando estão operando em pequenas correntes, ocorrem ineficiências criadas com o atraso de disparo. Além disso, as operações são suaves apenas em frequências que não são iguais aos valores de entrada de meia frequência. Isso é verdade porque um cicloconversor é um conversor CA-CA controlado por fase. Portanto, para que ele forneça a tensão de saída CA necessária, ele tem que fazer uma seleção dos segmentos de entrada de tensão aplicando a comutação de linha (natural). Isso explica porque a frequência de saída é menor do que a frequência de entrada.

Os harmônicos em um cicloconversor são afetados principalmente por métodos de controle, efeito de sobreposição, número de pulsos em um determinado ciclo, modo de operação e modo de condução.

Existem dois tipos de cicloconversores-

Step Up cycloconverter - Esses tipos usam comutação natural e fornecem uma saída em frequência mais alta do que a de entrada.
Step Down cycloconverter - Este tipo usa comutação forçada e resulta em uma saída com uma frequência menor que a da entrada.

Os cicloconversores são ainda classificados em três categorias -

Single phase to single-phase- Este tipo de cicloconversor possui dois conversores de onda completa conectados costas com costas. Se um conversor está operando, o outro está desabilitado, nenhuma corrente passa por ele.
Three-phase to single-phase - Este cicloconversor opera em quatro quadrantes que são (+ V, + I) e (−V, −I) os modos de retificação e (+ V, −I) e (−V, + I) os modos de inversão.
Three-phase to three-phase - Este tipo de cicloconversor é usado principalmente em sistemas de máquinas CA que operam em máquinas de indução trifásica e síncronas.

Os controladores de ciclo integral são conversores com a capacidade de realizar comutação direta sem perdas. O processo converte diretamente AC para AC sem ter que realizar os processos intermediários de AC para DC e DC para AC.

O ciclo de controle integral básico é sinusoidal por natureza. Ele opera combinando e eliminando meio-ciclos de frequência mais alta da entrada CA. Os controladores são normalmente LIGADOS ou DESLIGADOS durante meio ciclos onde a entrada de tensão é zero, uma vez que apenas o ciclo completo ou meio ciclo são utilizados. Portanto, os circuitos de ciclo integral alcançam a comutação em tensão zero sem exigir um circuito ressonante.

O diagrama abaixo mostra um controlador de ciclo integral simples. Ele contém uma carga e um interruptor de energia, que realiza a conversão direta. Este diagrama mostra a conversão da frequência da fonte de um fator de três para um.

Controle de fator de potência

O controle do fator de potência, também conhecido como correção do fator de potência, é o processo de redução da quantidade de potência reativa. O dispositivo eletrônico de potência usado neste caso é chamado de controlador de fator de potência (PFC). Do triângulo de potência (que compreende a potência reativa, verdadeira e aparente), a potência reativa está em ângulo reto (90 °) com a potência real e é usada para energizar o campo magnético. Embora a energia reativa não tenha valor real em equipamentos eletrônicos, a conta de energia elétrica compreende os custos reais e reativos. Isso torna necessário ter controladores de fator de potência em dispositivos eletrônicos.

O fator de potência (k) é definido como a razão entre a potência real (em kW) e a potência reativa (em kVAr). Seu valor varia de 0 a 1. Se um dispositivo tem um fator de potência de 0,8 e acima, diz-se que está usando a energia de forma eficiente. Incorporar um PFC garante que o fator de potência varia de 0,95 a 0,99. Os controladores de fator de potência são utilizados principalmente em equipamentos industriais para minimizar a energia reativa gerada por lâmpadas fluorescentes e motores elétricos.

Para garantir que o fator de potência seja melhorado sem causar distorção harmônica, os capacitores convencionais não devem ser usados. Em vez disso, são usados filtros (combinação de capacitores e reatores) para supressão de harmônicas. A figura abaixo mostra um filtro harmônico.

O tipo de filtro harmônico acima é referido como um filtro único sintonizado. Um fator de qualidade Q deste filtro é definido como fator de qualidade de sua reatância (X _L ) em Q (frequência de sintonia), onde Q é dado por (nX _L / R).

Um conversor de matriz é definido como um conversor com um único estágio de conversão. Ele utiliza uma chave controlada bidirecional para obter a conversão automática de energia CA para CA. Ele fornece uma alternativa ao retificador de tensão PWM (dupla face).

Os conversores de matriz são caracterizados por formas de onda senoidais que mostram as frequências de comutação de entrada e saída. Os interruptores bidirecionais tornam possível ter uma entrada de fator de potência controlável. Além disso, a falta de links CC garante um design compacto. A desvantagem dos conversores de matriz é que eles não possuem interruptores bilaterais totalmente controlados e capazes de operar em altas frequências. Sua relação de tensão de saída para a tensão de entrada é limitada.

Existem três métodos de controle do conversor de matriz -

Modulação do vetor espacial
Modulação de largura de pulso
Venturi - análise de transferência de função

O circuito conversor de matriz

O diagrama abaixo mostra um conversor de matriz monofásico.

Ele contém quatro chaves bidirecionais com cada chave tendo a capacidade de conduzir tanto no bloqueio direto quanto na tensão reversa.

Modulação do vetor espacial (SVM)

SVM se refere a um método de algoritmo usado para controlar o PWM. Ele cria formas de onda CA que acionam motores CA em várias velocidades. No caso de um inversor trifásico com alimentação CC, suas três pernas principais na saída são conectadas a um motor trifásico.

Os interruptores estão sob controle para garantir que não haja dois interruptores na mesma perna LIGADOS ao mesmo tempo. Os estados ON simultâneos podem resultar em curto-circuito da alimentação CC. Isso leva a oito vetores de comutação, onde dois são zero e seis são vetores ativos para a comutação.

Um conversor de tensão CA monofásico tem os seguintes detalhes -

Tempo LIGADO = 6 min, tempo DESLIGADO = 4 min, frequência = 50 Hz, e

Fonte de tensão V _o = 110V

Calcule o seguinte.

Ângulo de disparo α

Solution -

$T=2\times \left ( T_{ON}+T_{OFF} \right )$ mas $f=50Hz,$ $T=2\times \left ( 6+4 \right )=20mins$

$360^{\circ}=20min,$ $1min=18^{\circ}$

Portanto, $T_{OFF}=4min$

Então,

$$\alpha =\frac{4}{0.1}\times 1.8=72^{\circ}$$

Saída de Tensão

Solution -

$$V_{0}=\left ( V_{S}\times D \right ),\quad where \quad D=\frac{T_{ON}}{T_{ON}+T_{OFF}}=\frac{6}{10}=0.6$$ $$T_{ON}=6min,\quad T_{OFF}=4 min,\quad V_{S}=110V$$ $$V_{0}\left ( Voltage Output \right )=V_{S}\times D=110\times 0.6=66Volts$$