Aplicações e Funcionamento de Inversores na Eletrônica de Potência

INVERSORES Uma aplicação muito comum dos dispositivos da eletrônica de potência é na conversão de corrente alternada CA fornecida pela concessionária de energia em corrente contínua CC para alimentar vários circuitos eletrônicos presentes no nosso dia a dia Entretanto a eletrônica de potência permitiu que a conversão para corrente alternada antes praticamente inexistente pudesse ser desenvolvida A conversão para corrente alternada está presente em diversos equipamentos como os inversores de frequência atuando nas indústrias e nos sistemas fotovoltaicos permitindo a geração de energia em corrente alternada a altas potências e podendo gerar sinais com altas frequências de modo a permitir o controle de velocidade de motores síncronos Dentre outras aplicações podemos citar os nobreaks do inglês UPS uninterruptible power supply fonte de energia ininterrupta compensadores de tensão sistemas de transmissão flexível em corrente alternada do inglês FACTS Flexible AC Transmission System Outro dispositivo que gera corrente alternada em sua saída é o cicloconversor cuja energia terá uma frequência menor que a da entrada cuja aplicação está no acionamento de grandes motores em baixa velocidade INVERSORES MONOFÁSICOS A invenção dos motores elétricos no século XIX trouxe grandes inovações para a indústria alterando seus métodos de produção No século XX que vivenciou o nascimento e grande crescimento da eletrônica em geral as formas de acionamentos de motores foram se tornando cada vez mais eficientes fazendo com que os motores de corrente alternada pudessem ter um lugar de destaque em conjunto com os inversores de frequência SAWA KUME 2004 Em todos os tipos de aplicação industrial o controle de velocidade de um motor é de extrema importância e as inovações que a eletrônica de potência trouxe foram cruciais nesse ponto BOSE 1993 Em termos gerais um inversor de frequência converte energia em CC para energia em CA Essa energia é representada por uma forma de onda cujas amplitude e frequência podem ser definidas de acordo com certos parâmetros de controle para a aplicação Tradicionalmente a energia em CA é representada por uma senoide e tem as seguintes características 1 é periódica 2 varia entre um valor positivo e um valor negativo 3 tem valor médio nulo De acordo com essas características várias outras formas de onda podem também ser alternadas mesmo não sendo senoidais As formas de saída de um inversor em geral não serão perfeitamente senoidais mas sim aproximações de ondas quadradas como os inversores multiníveis ou então pulsos de diferentes larguras como os inversores PWM Todos esses circuitos utilizam como base uma ponte H mostrada genericamente com chaves na Figura 1a e o chaveamento de cada componente determinará o tipo de saída HART 2012 Em geral este circuito é construído utilizando IGBTs InsulatedGate Bipolar Transistor como mostra a Figura 1b Figura 1 Circuito ponte H AUTOR 2017 INVERSORES MONOFÁSICOS MULTINÍVEIS Os inversores multinível geram formas de onda quadradas em uma carga de acordo com as chaves que são fechadas sempre em pares A Figura 2 mostra um circuito ponte H de um nível e a forma de onda associada sendo que quando as chaves S1 e S2 estão fechadas a carga recebe uma tensão VCC e quando as chaves S3 e S4 estão fechadas recebe uma tensão VCC HART 2012 Figura 2 Inversor em um nível AUTOR 2017 Na prática entretanto os componentes eletrônicos apenas conduzem em uma direção podendo ser danificados se submetidos a correntes reversas de valores muito elevados Essa situação é resolvida com diodos conectados em paralelo conhecidos como diodos de freewheeling ou diodos de feedback como mostra a Figura 3a Na situação onde há a troca de polaridade súbita de tensão os diodos conduzem enquanto os IGBTs são chaveados como pode ser observado no gráfico da Figura 3b HART 2012 Figura 3 Atuação dos diodos de feedback AUTOR 2017 De acordo com a temporização no chaveamento é possível fazer com que a forma da onda de saída tenha uma amplitude menor controlando as chaves agora em outras duas posições que forçarão a carga a ter tensão zero como pode ser visto na Figura 4 HART 2012 Figura 4 Condições de chaveamento para forçar tensão zero na carga AUTOR 2017 Assim é possível variando o estado de apenas uma chave forçar uma condição de tensão zero na carga diminuindo a largura do pulso retirando um intervalo 2α de cada semiciclo um no início e outro no fim como pode ser visto na Figura 5 HART 2012 Figura 5 Controle de amplitude AUTOR 2017 Para tornar a forma de onda mais próxima de uma senoide várias pontes H podem ser associadas onde cada circuito terá um controle de amplitude diferente gerando sinais mais complexos como pode ser visto na Figura 6 Figura 6 Inversor multinível AUTOR 2017 Os inversores trifásicos têm a função de gerar as tensões alternadas de um sistema trifásico equilibrado a partir de uma fonte CC Uma forma de obter um inversor trifásico seria utilizando três circuitos monofásicos garantindo a defasagem entre a saída em CA de cada um deles Uma alternativa consiste no circuito em ponte H trifásico mostrado na Figura 7 Figura 9 Ponte H trifásica AUTOR 2017 A ponte H trifásica da Figura 9 pode ser controlada pulsando os dispositivos de chaveamento em pares O circuito de controle faz com que cada chave fique fechada durante T2 e que uma mudança de chaveamento ocorra a cada intervalo T6 sendo que as duas chaves de um mesmo ramo não podem nunca ser fechadas ao mesmo tempo A Figura 10 mostra uma possível ordem de chaveamento e as tensões de linha geradas HART 2012 Figura 10 Sequência de chaveamento de um inversor trifásico e suas tensões de linha AUTOR 2017 A decomposição do sinal de saída em uma série de Fourier mostra que não existe a terceira harmônica e nem as harmônicas pares apenas a fundamental na frequência de chaveamento e aquelas múltiplas de n 6k 1 para k 1 2 3 REFERÊNCIAS BILIOGRÁFICAS BARBI I Eletrônica de potência 6 ed Florianópolis Ed do Autor 2005 BOSE B K Power electronics and motion controltechnology status and recent trends IEEE Transactions on Industry Applications v 29 n 5 p 902909 setout 1993 doi 10110928245713 HART D W Eletrônica de potência análise e projetos de circuitos Porto Alegre AMGH 2012 RASHID M H Eletrônica de potência circuitos dispositivos e aplicações São Paulo Makron Books 1999 RASHID M H Power electronics handbook 3 ed Oxford Elsevier 2011 SAWA T KUME T Motor drive technology history and visions for the future In IEEE ANNUAL POWER ELECTRONICS SPECIALISTS CONFERENCE 35 2004 Proceedings sl IEEE 2004 v1 p 29 doi 101109PESC20041355703