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  • Centro Federal de Educao Tecnolgica de Minas Gerais

    Eletrnica de Potncia II Curso Tcnico de Eletrnica

    Prof. Rubens Marcos dos Santos Filho [email protected]

    B E L O H O R I Z O N T E FEVEREIRO DE 2001

  • CEFET-MG Prof. Rubens M. Santos Filho [email protected] 1

    SUMRIO

    PARTE I: CONVERSORES CCCC CHAVEADOS

    I - Introduo ........................................................................................................................................3

    II Princpio da Converso CC-CC Chaveada ....................................................................................4

    III Choppers.......................................................................................................................................6 3.1 Introduo ................................................................................................................................6

    3.1.1 Motor CC...........................................................................................................................7 3.1.2 Quadrantes de Operao do Motor CC ............................................................................8

    3.2 Chopper de 1 Quadrante ........................................................................................................9 3.3 Chopper de 2 Quadrantes.....................................................................................................10 3.4 Chopper de 4 Quadrantes.....................................................................................................12

    IV Fontes Chaveadas .......................................................................................................................12 4.1 Introduo ..............................................................................................................................12 4.2 Fontes de Alimentao Lineares e Fontes Chaveadas .........................................................13

    4.2.1 Fontes Lineares................................................................................................................13 4.2.2 Fontes Chaveadas ............................................................................................................14

    4.3 Conversores CC-CC Chaveados Sem Isolamento Eltrico....................................................17 4.3.1 Conversor Buck...............................................................................................................17 4.3.2 Conversor Boost ..............................................................................................................20 4.3.3 Conversor Buck-Boost ...................................................................................................24

    4.4 Conversores CC-CC chaveados com Isolamento eltrico .....................................................26 4.4.1 Modelo do Transformador para Conversores Chaveados Isolados .................................26 4.4.2 Conversor Flyback .........................................................................................................27 4.4.3 Conversor Forward.........................................................................................................29 4.4.4 Conversor Duplo Forward (Forward a dois transistores) ..............................................31 4.4.5 Conversor Push-Pull.......................................................................................................31 4.4.6 Conversor Half Bridge ( Meia Ponte) ............................................................................33 4.4.7 Conversor Full-Bridge (Ponte-Completa) .....................................................................34

    V Circuitos de Comando de Choppers e Fontes Chaveadas............................................................36

    VI Manuteno de Fontes Chaveadas.............................................................................................39

    VII Especificaes de Fontes Chaveadas ........................................................................................42

    PARTE II: CONVERSORES CC/CA ESTTICOS INVERSORES

    VIII - Introduo.................................................................................................................................44 8.1 Classificao dos Inversores ..................................................................................................44 8.2 Quadrantes de Operao ........................................................................................................46

    IX Tipos de Tenso de Sada dos Inversores VSI ..........................................................................47 9.1 Operao em Onda Quadrada ................................................................................................47 9.2 Operao em Deslocamento de Fase Phase Shift ...............................................................48 9.3 Operao sob Modulao por Largura de Pulsos - PWM......................................................49

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    X Inversores Monofsicos ...............................................................................................................51 10.1 Inversor Monofsico em ponte completa.............................................................................52

    10.1.1 Operao em Deslocamento de Fase - Phase Shift.......................................................53 10.1.2 Operao em Modulao PWM ....................................................................................53

    10.2 Inversor Monofsico em Meia Ponte Half Bridge ............................................................54 10.3 Inversor Monofsico Push-Pull............................................................................................55

    XI Inversores Trifsicos ..................................................................................................................56

    XII Bibliografia ...............................................................................................................................58

    XIII Listas de Exerccios .................................................................................................................58 13.4 LISTA 1: Conversores CC-CC (Parte 1) ............................................................................58 13.5 LISTA 2: Conversores CCCC (Parte 2).............................................................................59 13.6 LISTA 3: Conversores CC-CC (Parte 3) ............................................................................61 13.7 LISTA 4: Conversores CC-CA............................................................................................62

    XIV Anexo: Programa da Disciplina..............................................................................................63

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    PARTE I: CONVERSORES CCCC CHAVEADOS I - INTRODUO

    Os conversores CC-CC so utilizados para obter em sua sada uma tenso CC ajustvel e/ou regulada a partir de uma fonte CC de entrada. A Figura 1 ilustra esta situao.

    Conversor CC-CC

    Fonte CC NoRegulada

    + Sada CC Ajustvel eRegulada

    Controle

    Figura 1 Converso CC-CC

    As aplicaes do conversores CC-CC so bastante diversificadas, mas

    podem basicamente ser separadas em dois grupos: a) Fontes de alimentao chaveadas, que esto presentes em quase

    todos os equipamentos eletrnicos modernos, em carregadores de baterias, em mquinas eletrnicas de solda, etc;

    b) Sistemas de acionamento de motores CC, muito empregados em servomecanismos, trao eltrica, etc.

    Tradicionalmente, os conversores utilizados em acionamentos CC so chamados choppers, embora muitas vezes esse termo tambm seja empregado para designar outros conversores.

    A forma de onda da tenso de sada dos conversores CC-CC pode ser filtrada ou no, pode possuir isolamento eltrico1 ou no, dependendo dos requisitos da carga alimentada. Normalmente, os conversores utilizados para acionar motores de corrente contnua no possuem filtragem de tenso nem isolamento eltrico. A filtragem no necessria pois a indutncia prpria dos enrolamentos atua como um filtro para a corrente, a qual a grandeza responsvel pela produo do torque do motor. Alm disso, a inrcia mecnica no permite variaes rpidas na velocidade angular do motor.

    Por outro lado, os conversores empregados como reguladores de tenso CC em fontes chaveadas necessitam produzir uma tenso de sada com a mnima ondulao possvel, e por isso possuem um estgio responsvel pela filtragem. O isolamento eltrico empregado sempre que o nvel de tenso da fonte for muito superior ao da carga. Neste caso, o transformador isola a sada da entrada, protegendo os usurios do equipamento, contribui na reduo da tenso atravs da relao de espiras e ainda proporciona 1 O isolamento eltrico feito atravs de um transformador

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    mltiplas sadas ao conversor (vrios secundrios). A Figura 2 ilustra a classificao dos conversores CC-CC.

    Conversores CC-CC

    Choppers Fontes Chaveadas

    1 Quadrante

    2 Quadrantes

    4 Quadrantes

    Sem Isolamento Com Isolamento

    Buck

    Boost

    Buck-Boost

    Ck

    Fly-Back

    Forward

    Push-Pull

    Half-Bridge

    Full-Bridge

    Figura 2 Classificao dos Conversores CC-CC

    A converso da energia deve ser realizada da maneira mais eficiente

    possvel, isto , devem haver o mnimo de perdas no processo de converso. Para isso, nos conversores de potncias os dispositivos semicondutores operam como chaves, possuindo somente dois estados: ligado ou desligado, da o nome "chaveados". Atualmente, os transistores MOSFET de potncia e IGBT so empregados como chaves eletrnicas na maior parte das aplicaes, que so de pequena e mdia potncia. Em aplicaes de potncias muito elevadas (na casa das centenas de MW e acima) os tiristores SCR e GTO so empregados. A razo que, embora sejam capazes de manipular tenses e correntes elevadas, a velocidade de comutao dos tiristores baixa. Alm disso, os circuitos de comando dos GTOs so complexos e caros, e os SCRs necessitam de circuitos auxiliares de comutao forada, encarecendo o sistema, elevando sua complexidade e reduzindo a confiabilidade.

    A frequncia de chaveamento possui uma relao direta com o tamanho e peso do conversor: quanto maior a frequncia, menores os capacitores, indutores e transformadores necessrios.

    II PRINCPIO DA CONVERSO CC-CC CHAVEADA

    Os conversores CC-CC efetuamo ajuste da tenso de sada utilizando chaves. Mas como possvel alterar-se o valor da tenso somente utilizando-se os estados ligado e desligado das chaves ? A soluo vem da observao que, alm das posies da chave, possvel tambm controlar-se o tempo em que a chave permanece em cada uma das posies. A Figura 3

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    mostra a forma de onda obtida na sada de um conversor CC-CC chaveado elementar.

    Quando a chave est aberta, no h tenso na carga, ocorrendo o contrrio quando a chave est fechada. Mantendo-se a frequncia de chaveamento constante e variando-se o ciclo de trabalho (D), quer dizer, variando-se a relao entre o tempo ligado tON da chave e o perodo Ts, varia-se tambm a tenso mdia aplicada carga. Por exemplo: se a tenso de entrada for 15V e desejarmos uma tenso mdia de 10V na carga, basta fazermos tON igual a 2/3 do perodo Ts.

    Figura 3 Princpio da converso CC-CC chaveada

    Observa-se que a tenso mdia Vo na carga no depende unicamente de

    tON ou Ts, mas sim da relao entre eles, em outras palavras, depende do ciclo de trabalho D, tambm conhecido por razo cclica ou "duty-cycle":

    (2.1)

    A relao entre a tenso mdia de sada e o ciclo de trabalho :

    So VDV = (2.2)

    A primeira pergunta que pode surgir : mas pode-se alimentar a carga

    com essa tenso "retalhada" ? A resposta : depende. Se a carga for por exemplo um motor de corrente contnua e a frequncia de chaveamento no for muito baixa, no h problema, pois devido prpria inrcia mecnica do motor, este no percebe as oscilaes, apenas "enxerga" o valor mdio da tenso, pois no h tempo para que a velocidade aumente e diminua dentro de um perodo de chaveamento. Por outro lado, se a carga for um circuito eletrnico digital ou analgico, a tenso chaveada dever ser filtrada antes de ser aplicada ao circuito. Esse filtro atenua as oscilaes de alta frequncia e em sua sada obtm-se apenas o valor mdio da tenso de entrada. Uma pequena parcela da oscilao (ripple) tambm aparece na sada do filtro.

    Para gerar o sinal de comando da chaves do conversores chaveados, muito utilizada uma tcnica chamada modulao por largura de pulsos ou PWM

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    Pulse Width Modulation. A idia por trs do PWM fazer-se variar a largura dos pulsos atravs da variao de uma tenso de controle - vCONTROL. A gerao do sinal PWM bastante simples. A Figura 4 ilustra o processo:

    Um sinal peridico de frequncia constante, normalmente tipo dente de serra ou triangular, gerado a partir de um oscilador. Esse sinal chamado portadora. A tenso de controle comparada com a onda portadora e o resultado da comparao o sinal PWM. comparao feita da seguinte forma: quando a amplitude de vCONTROL for maior do que a amplitude da portadora, a sada positiva (chave ligada), quando for menor, a sada zero (ou negativa) (chave desligada). Existem diversos circuitos integrados dedicados que realizam a modulao PWM, como por exemplo o LM3525 e o TL494, dentre outros.

    Figura 4 Gerao do Sinal PWM

    Aplicando-se o mtodo de semelhana de tringulos a um ciclo da onda

    dente de serra, pode-se obter a equao:

    st

    control

    s

    on

    Vv

    TtD == (2.3)

    que mostra a relao entre o ciclo de trabalho e a tenso de controle.

    III CHOPPERS

    3.1 INTRODUO

    Como anteriormente mencionado, os choppers so conversores CC-CC chaveados sem filtragem e sem isolamento eltrico dedicados ao acionamento de motores de corrente contnua. Operando em frequncias de vrios kilohertz, os choppers propiciam um acionamento mais preciso e de resposta dinmica mais rpida do que o acionamento com retificadores controlados.

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    At h uma ou duas dcadas atrs, aproximadamente, os motores CC eram a nica alternativa em aplicaes industriais onde fosse necessrio o controle de velocidade e/ou posio. Isto porque, embora sejam mais robustos e baratos, o acionamento dos motores CA mais complexo, exigindo o emprego de inversores e processadores com razovel poder de clculo.

    Nos dias de hoje, com os avanos na tecnologia de semicondutores de potncia e de microcontroladores, o acionamento de motores CA a velocidade varivel tornou-se uma realidade em larga escala. Os novos transistores IGBT permitem a construo de conversores de pequena e de mdia para alta potncia mais simples e baratos. Entretanto, em aplicaes de potncia muito altas, como em trao eltrica, por exemplo, ainda so utilizados conversores a tiristor (SCR ou GTO). Tais conversores geralmente utilizam circuitos LC auxiliares a fim de efetuarem o desligamento do SCR (comutao forada), que no pode ser realizado atravs do terminal de gate.

    3.1.1 MOTOR CC

    O motor de corrente contnua ou MCC possui normalmente dois enrolamentos, um chamado enrolamento de armadura, e outro chamado enrolamento de campo. Alguns motores no possuem enrolamento de campo, so os motores a m permanente. O enrolamento de campo responsvel pela produo do fluxo magntico na mquina, com o qual ocorrer a interao do fluxo produzido pelo enrolamento de armadura, gerando torque eletromagntico. O circuito equivalente da armadura do MCC pode ser visualizado na Figura 5.

    Figura 5 Smbolo e circuito equivalente da armadura do MCC

    A resistncia R representa a resistncia eltrica do enrolamento, L a indutncia do enrolamento e E a fora contra-eletromotriz interna, a qual depende da velocidade de rotao do motor. Quanto maior a velocidade, maior a f.c.e.m. Se o motor estiver parado, E ser nula. Se o sentido de rotao se inverter, E ficar negativa.

    O enrolamento de campo do MCC, quando existir, pode ser ligado de vrias formas, cada uma conferindo caractersticas particulares torque-velocidade ao motor. A Figura 6 ilustra alguns tipos de ligao mais comuns. A ligao srie muito utilizada em trao, pois oferece um

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    elevado torque de partida. J na ligao independente (ou excitao independente) o motor possui sua velocidade diretamente proporcional ao valor da tenso de armadura, facilitando a regulao da velocidade.

    a) Excitao Separada b) Excitao Srie c) Excitao Paralela

    Figura 6 Alguns tipos de ligao do MCC

    3.1.2 QUADRANTES DE OPERAO DO MOTOR CC

    A mquina CC pode operar em quatro condies, que so definidas pelo sentido do torque e da velocidade de rotao. Estando o enrolamento de campo com excitao de polaridade fixa, a direo da velocidade depende da polaridade da tenso na armadura, e o torque da polaridade da corrente de armadura.

    O modo motor caracteriza-se pela operao com torque e velocidade de mesmo sentido. O modo gerador caracteriza-se pela operao sob toque e velocidade de sentidos contrrios. A Figura 7 mostra os quatro quadrantes de operao do motor CC.

    TorqueCorrente de Armadura

    VelocidadeTenso Interna da Armadura ( E )

    Motor

    Motor

    Gerador

    Gerador

    0

    III

    III IV

    Figura 7 Quadrantes de Operao do MCC

    A operao no modo gerador significa que a mquina CC est na verdade devolvendo energia para a fonte, ou seja, est havendo a frenagem regenerativa da mquina. Para que isto seja possvel, o chopper utilizado deve ser reversvel, isto , deve ser capaz de operar nos quadrantes II e IV. A frenagem regenerativa muito til quando necessrio grande nmero de partidas e paradas do motor, levando a um maior rendimento e economia de energia, uma vez que os freios mecnicos dissipam em forma de calor a energia de movimento. Alm disso, propicia uma reduo mais rpida na velocidade, ou seja, num servomecanismo melhora a resposta dinmica do sistema em relao a um onde a reduo da velocidade fica a cargo das foras de atrito e da carga.

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    3.2 CHOPPER DE 1 QUADRANTE

    O chopper de 1 quadrante somente capaz de acionar a carga no quadrante I , isto , somente capaz de fornecer tenses e correntes de positivas carga. A Figura 8 mostra os circuitos de potncia de um chopper de 1 quadrante tiristorizado e de um transistorizado. Como pode ser observado, a complexidade do circuito de potncia do chopper a SCR maior, devido necessidade do circuito de comutao forada (sombreado na Figura 8a).

    a) Chopper a SCR b) Chopper a Transistor

    Figura 8 Choppers de 1 quadrante a tiristor e a transistor

    O diodo D em paralelo com a armadura do motor serve para manter a continuidade da corrente quando a chave principal (transistor ou tiristor) est aberta. Sem esse diodo no haveria um caminho para a corrente que percorre a indutncia do enrolamento de armadura e consequentemente seria gerada uma elevada sobretenso, provocando a destruio da chave principal. Esse diodo conhecido como diodo de "roda livre". Na Figura 9 esto mostradas as formas de onda principais do circuito operando sob um ciclo de trabalho de aproximadamente 50%.

    Figura 9 Principais formas de onda do chopper de 1 quadrante

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    A forma de onda vo a tenso sobre a armadura do motor, que varia entre a tenso da fonte Vs (chave principal fechada) e zero (chave principal aberta e diodo de roda livre em conduo). Como o ciclo de trabalho no exemplo aproximadamente 50%, a tenso mdia "vista" pelo motor metade da tenso de alimentao.

    A forma de onda da corrente de armadura io constituda por trechos lineares. Na realidade, a variao da corrente exponencial, mas como a frequncia de chaveamento relativamente elevada, o perodo torna-se muito menor do que a constante de tempo L/R da armadura, e os trechos lineares so na verdade pequenas pores de uma curva exponencial, como ilustra a Figura 10. A corrente de armadura cresce quando a chave principal est fechada, e decresce quando est aberta.

    t1

    t

    i

    t1

    iR

    LU

    UR

    Figura 10 Aproximao linear da corrente

    3.3 CHOPPER DE 2 QUADRANTES

    O chopper de 2 quadrantes capaz de acionar o motor CC num dado sentido de rotao e fren-lo. O circuito de potncia do chopper de 2 quadrantes a transistor est mostrado na Figura 11.

    D1T1

    T2 D2

    Vs+ iO

    vO

    +

    -

    iS

    Figura 11 Chopper de 2 quadrantes a transistor

    Os elementos T1 e D2 constituem um chopper de 1 quadrante,

    permitindo a operao no quadrante I. Os elementos T2 e D1 permitem a operao no quadrante II, onde a polaridade da tenso mantida mas corrente mdia se inverte. A Figura 12 mostra as principais formas de onda do chopper de 2 quadrantes.

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    Operao no modo Motor: Para a operao no modo motor (quadrante I), somente o transistor T1 comandado, e o ciclo de trabalho deve ser tal que produza a velocidade desejada. Desta forma, T1 e D2 operam em conjunto: quando T1 conduz, a tenso da fonte aplicada no circuito de armadura e a corrente cresce. Quando T1 corta, D2 entra em conduo mantendo a continuidade da corrente na indutncia de armadura (etapa de roda livre). Variando-se o ciclo de trabalho pode-se variar o torque e consequentemente a velocidade angular do motor.

    Figura 12 Formas de onda do Chopper de 2 quadrantes

    Operao no modo Gerador: Para a operao no modo gerador (quadrante

    II), somente o transistor T2 comandado, e o ciclo de trabalho deve ser tal que produza o torque de frenagem desejado e sem que a mxima corrente de armadura seja excedida. Estando o motor numa velocidade maior que zero, T2 disparado, fazendo com que a corrente cresa negativamente, forada pela fora eletromotriz interna E do motor e consequentemente armazenando energia na indutncia do circuito de armadura. Quando T2 bloqueado, D1 conduz para a fonte Vs a corrente forada pela fora contraeletromotriz da indutncia da armadura.

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    3.4 CHOPPER DE 4 QUADRANTES

    O chopper de 4 quadrantes, como o prprio nome indica, permite que o motor opere em todos os quadrantes, ou seja, acionamento e frenagem em ambas as direes de rotao, pois capaz de aplicar tenses e correntes positivas e negativas ao motor. O diagrama esquemtico do circuito de potncia do chopper de 4 quadrantes est mostrado na Figura 13.

    D1

    D2

    E+ iA

    T1

    T2

    T3

    T4

    D3

    D4

    Figura 13 Chopper de 4 quadrantes a transistor

    Este chopper pode ser visualizado como a ligao de dois choppers de

    2 quadrantes, um de cada lado da armadura. Assim, o funcionamento semelhante ao do chopper de 2 quadrantes.

    Para operao nos quadrantes I e II, mantm-se T4 em conduo e comandam-se os transistores T1 e T2, respectivamente. O transistor T4 ento conduzir quando a corrente no motor for positiva (quadrante I), e o diodo D4 conduzir quando a corrente no motor for negativa (quadrante II).

    Para o funcionamento nos quadrantes III e IV, mantm-se T2 em conduo e comandam-se os transistores T3 e T4, respectivamente. O transistor T2 ento conduzir quando a corrente no motor for negativa (quadrante III), e o diodo D2 conduzir quando a corrente no motor for positiva (quadrante IV).

    IV FONTES CHAVEADAS

    4.1 INTRODUO

    As fontes de alimentao so equipamentos necessrios em praticamente todos os sistemas eletrnicos, analgicos ou digitais. As fontes chaveadas (Switchmode Power Supplies - SMPS) surgiram da necessidade de se reduzir o tamanho e peso das fontes de alimentao convencionais, na dcada de 60, durante a corrida espacial. Atualmente, devido grande evoluo e reduo do preo dos componentes semicondutores de potncia, as fontes chaveadas so amplamente empregadas nos mais diversos tipos de equipamentos domsticos e industriais, tais como:

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    ; Computadores e seus perifricos ; Equipamentos de Telecomunicaes ; Equipamentos Biomdicos ; Satlites ; Avies ; Televisores, vdeo cassetes, etc. ; Equipamentos militares ; PLC's, Soft-Starters, Inversores, Choppers, etc. ; Mquinas Ferramenta CNC (Tornos, Fresas, etc.)

    Essa enorme diversidade de aplicaes consequncia de uma srie de vantagens apresentadas pelas fontes chaveadas:

    & Tamanho e peso reduzidos (maior densidade de potncia) & Maior rendimento energtico2, dissipando menos calor & Menor custo, dependendo da faixa de potncia Entretanto, as seguintes desvantagens devem ser ressaltadas: ' Maior complexidade do circuito ' Ocorre gerao de interferncia eletromagntica (EMI) ' A tenso de sada possui ripple de alta frequncia ' A resposta transitria de pior qualidade 4.2 FONTES DE ALIMENTAO LINEARES E FONTES CHAVEADAS

    4.2.1 FONTES LINEARES

    O diagrama em blocos de uma fonte linear convencional pode ser visto na Figura 14.

    Figura 14 Diagrama em blocos de uma fonte linear convencional

    2 O rendimento () definido como a razo entre a potncia de sada e a potncia de entrada de dado sistema.

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    Observa-se que a estrutura do circuito simples. Um transformador efetua a reduo da tenso da rede eltrica e ao mesmo tempo promove o isolamento eltrico entre os lados CC e CA. importante lembrar que esse transformador opera na frequncia da rede, ou seja, 60Hz. Isso implica que seus tamanho e peso so elevados, uma vez que, para uma dada potncia, quanto menor a frequncia de operao, maior o nmero de espiras e a seo de material ferromagntico necessrios.

    A tenso de sada do transformador entregue a um retificador com filtro capacitivo. O capacitor deve possuir valor elevado o suficiente para no permitir que a tenso "caia" durante o intervalo de tempo entre os semi-ciclos da tenso retificada. A baixa frequncia (120Hz) de operao implica num longo tempo de descarga do capacitor, que portanto deve possuir valor bastante elevado (e por isso grande volume).

    A tenso CC no regulada (vd) obtida aps a retificao e filtragem deve ser estabilizada e regulada para que a carga possa ser alimentada adequadamente. Na fonte linear, essa regulao realizada por um transistor operando na regio ativa (linear), ou seja, como um resistor varivel (ver Figura 14). A tenso de sada vo comparada com a tenso de referncia voref, e o circuito de controle ajusta a corrente de base de maneira que a queda de tenso vCE no transistor seja tal que vo se iguale a voref. A grande desvantagem a elevada dissipao de potncia no transistor, proporcional corrente de sada e diferena entre as tenses de entrada e de sada do estgio regulador. Por esse motivo, as fontes lineares possuem rendimento energtico baixo (30 a 60%) e necessitam de grandes radiadores de calor, com o consequente aumento do volume do equipamento.

    Por esses motivos, as fontes lineares so geralmente utilizadas em baixas potncias (abaixo dos 15W, aproximadamente), onde seu custo as tornam atrativas.

    4.2.2 FONTES CHAVEADAS

    As fontes chaveadas utilizam conversores CC-CC chaveados para efetuarem a regulao da tenso de sada. Nos conversores chaveados, ao contrrio das fontes lineares, os transistores operam nas regies de corte e saturao, isto , como uma chave, da o nome "chaveadas". Desta forma, a dissipao de potncia bastante reduzida, pois quando a chave est aberta, a corrente nula, e portanto a potncia tambm o . Quando a chave est fechada, h corrente circulando, mas no h queda de tenso na chave (idealmente) e portanto a potncia tambm nula.

    A frequncia com que os transistores dos conversores podem ser ligados e desligados, em outras palavras, a frequncia de chaveamento bastante elevada, muitas vezes superior frequncia da rede. Nas fontes chaveadas comerciais esta frequncia se situa entre 10kHz e 1 Mhz,

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    tipicamente. Desta forma, o tamanho dos elementos de filtragem (indutores e capacitores) e do transformador pode ser drasticamente reduzido. Esse fato pode ser melhor compreendido atravs da seguinte comparao: dada certa quantidade de energia a ser convertida, pode-se faz-lo em poucos ciclos por segundo, convertendo-se partes maiores de cada vez (baixa frequncia); ou pode-se converter partes pequenas mais vezes por segundo (alta frequncia). Como o valor dos elementos capacitivos e indutivos est diretamente relacionado com a energia que podem armazenar, conclui-se que quanto maior a frequncia, menor o tamanho necessrio desses elementos.

    Uma desvantagem da operao em alta frequncia a gerao de interferncia eletromagntica3 (EMI) conduzida e irradiada, que deve ser adequadamente controlada a fim de evitar problemas em outros equipamentos e tambm a atender a normas especficas (VDE, FCC, IEC, CISPR).

    Diagrama em Blocos de uma Fonte de Alimentao Chaveada

    A Figura 15 mostra a estrutura interna de uma fonte chaveada. Uma das diferenas mais evidentes em relao fonte linear a retificao direta da rede eltrica, sem a utilizao de um transformador. Nota-se tambm a presena de um filtro de EMI, que tem por objetivo atenuar a radiao eletromagntica que poderia ser conduzida para a rede eltrica e causar interferncia em outros equipamentos eletrnicos. A tenso CC obtida a partir da retificao direta da rede eltrica possui valor aproximadamente igual ao pico da tenso da rede, isto , 180VCC (para 127Vrms) ou 311VCC (para 220Vrms). comum a fonte possuir uma chave 127-220V, sendo que na posio 127 a tenso retificada e dobrada, resultando em aproximadamente 350VCC, e na posio 220 a tenso simplesmente retificada, resultando em aproximadamente 300VCC.

    Figura 15 Diagrama em blocos de uma fonte chaveada

    3 EMI Eletro Magnetic Interference

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    O estgio conversor CC-CC que realmente faz a reduo da elevada tenso retificada no regulada de entrada numa baixa tenso regulada na sada da fonte. Para tal, efetua o chaveamento em alta frequncia da tenso de entrada, aplicando uma tenso "retalhada" no primrio do transformador. No secundrio do transformador esta tenso novamente retificada e filtrada. Este conversor deve ser necessariamente do tipo isolado, isto , possuir um transformador de isolamento, a fim de garantir a segurana dos equipamentos alimentados e principalmente das pessoas que dele fazem uso. Alm de promover o isolamento eltrico, o transformador contribui na reduo da tenso atravs da relao de espiras. possvel tambm obter-se vrias tenses de sada introduzindo-se outros enrolamentos secundrios no transformador.

    Um estgio de realimentao (feedback) utilizado para controlar a tenso na sada, fazendo a correo caso haja algum desvio do valor desejado (erro). Para efetuar essa correo, esse estgio compara a tenso real (Vo) na sada da fonte com a tenso de referncia (voREF), e varia a largura dos pulsos aplicados aos transistores de chaveamento de maneira a manter a sada constante, independente de variaes da carga ou da tenso da rede CA. No caso da fonte possuir mais de uma sada, apenas uma delas pode ser regulada. Esse estgio tambm deve possuir isolamento eltrico com o lado primrio, sendo normalmente utilizados pequenos transformadores de pulso ou foto-acopladores. A resposta transitria da fonte, isto , a forma como a tenso de sada varia em resposta a distrbios (variaes da tenso de entrada, corrente de carga, etc.) depende do projeto e ajuste do estgio de realimentao.

    Tipos de Fontes Chaveadas

    A classificao da fonte chaveada depende do conversor CC-CC utilizado. Os tipos mais importantes de fontes com isolamento eltrico so:

    ; Flyback ; Forward ; Push-Pull ; Half Bridge (Meia Ponte) ; Full Bridge (Ponte Completa)

    Inicialmente, sero estudados os conversores CC-CC elementares sem isolamento:

    ; Buck (abaixador) ; Boost (elevador) ; Buck-Boost (abaixador-elevador)

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    A anlise dos conversores CC-CC chaveados se seguir com base nas seguintes premissas:

    O conversor ideal, isto , no possui perdas; O ripple da tenso de sada pode ser desprezado, isto , a tenso

    de sada ser considerada praticamente constante; Somente ser analisado o comportamento do circuito em regime

    permanente, isto , no sero considerados os transitrios de partida, aplicao ou rejeio de carga.

    Basicamente, os conversores estticos possuem dois regimes (ou

    modos) de operao: regime contnuo, onde a corrente no indutor no decresce at zero durante a operao, e o regime descontnuo, onde a corrente no indutor chega at zero.

    4.3 CONVERSORES CC-CC CHAVEADOS SEM ISOLAMENTO ELTRICO

    4.3.1 CONVERSOR BUCK

    O circuito do conversor buck est mostrado na Figura 16 abaixo.

    Neste conversor a tenso de sada sempre inferior tenso de entrada.

    Figura 16 O conversor Buck

    A funo do indutor e do capacitor do circuito constituir um

    filtro passa baixas para atenuar as oscilaes de alta frequncia resultantes do chaveamento. O diodo estabelece um caminho de retorno da corrente do indutor quando a chave est aberta (como o indutor funciona como uma "inrcia" para a corrente, deve sempre haver um caminho para o escoamento de sua corrente, caso contrrio elevados picos de tenso seriam por ele gerados, o que danificaria os demais componentes do circuito). A seguir so mostradas as etapas e as equaes do conversor para os regimes contnuo e descontnuo.

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    A - Regime contnuo de operao do conversor Buck:

    Etapa 1: Chave fechada O diodo fica inversamente polarizado, e a corrente no indutor cresce linearmente com inclinao (Vd-Vo)/L. O capacitor, o indutor e a carga recebem energia da fonte de entrada Vd.

    Figura 17

    Etapa 2: Chave aberta A corrente do indutor mantida atravs do diodo. O indutor se descarrega auxiliando o capacitor a manter a tenso na carga.

    Figura 18

    Equaes:

    do VDV = onde: T

    tD ON= (ciclo de trabalho)

    ONod t

    LVVI = (I = ripple da corrente no indutor)

    LCD1T

    8VV

    2so

    o)( = (ripple da tenso de sada)

    2IIiL O

    +=max (valor mximo da corrente no indutor) )( D1II LD = (valor mdio da corrente no diodo)

    DII LS = (valor mdio da corrente na chave) Formas de Onda:

    Figura 19

    (tenso no indutor) (corrente no indutor) Obs.: A corrente mdia no indutor IL igual corrente de carga IO, uma vez que a corrente mdia no capacitor zero.

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    B) Regime Descontnuo de operao do conversor Buck:

    Etapa 1: Chave fechada O diodo fica inversamente polarizado, e a corrente no indutor cresce linearmente com inclinao (Vd-Vo)/L. O capacitor, o indutor e a carga recebem energia da fonte de entrada Vd.

    Figura 20

    Etapa 2: Chave aberta A corrente no indutor mantida atravs do diodo. O indutor se descarrega auxiliando o capacitor a manter a tenso na carga.

    Figura 21

    Etapa 3:Chave aberta e indutor descarregado A energia armazenada no indutor esgotou-se e portanto somente o capacitor mantm a tenso na carga. O diodo fica bloqueado.

    Figura 22 Formas de onda:

    Figura 23 Tenso e Corrente no indutor em modo descontnuo

    Equaes:

    d

    O2

    2

    dO

    VTsLI2D

    DVV

    +

    = sodL TDLVVIi == )(max

    C) Fronteira entre regimes contnuo e descontnuo: Conduo Crtica

    Na conduo crtica, a corrente no indutor apenas "encosta" no eixo

    zero e volta a crescer, conforme mostra a Figura 24. Observa-se que se a corrente mdia no indutor for inferior ao valor mostrado na Figura 24, o regime de conduo ser descontnuo. A este valor mnimo de corrente no indutor abaixo do qual a conduo passa a ser descontnua damos o nome corrente crtica (ILC).

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    Figura 24 Tenso e corrente no indutor: conduo crtica

    possvel mostrar que na conduo crtica a corrente mdia no

    indutor igual a metade de seu valor mximo, ou seja:

    2II LC

    = Substituindo o valor de I dado anteriormente obtm-se:

    )( odsLC VVL2TDI

    =

    Lembrando que no conversor Buck a corrente mdia no indutor igual corrente de carga (j que a corrente mdia no capacitor nula), temos:

    se Io > ILC Conduo contnua se Io = ILC Conduo crtica se Io < ILC Conduo descontnua

    Concluses: dados D, Ts, L, Vd, Vo de determinado conversor Buck,

    existe um valor limite chamado ILC de corrente de carga abaixo do qual o regime de conduo passa a ser descontnuo. O modo contnuo apresenta como vantagens a no dependncia da tenso de sada com a carga (em regime permanente) e a variao linear da tenso de sada com o ciclo de trabalho.

    4.3.2 CONVERSOR BOOST

    O circuito de potncia do conversor Boost, tambm conhecido como

    elevador ou "step-up" est mostrado na Figura 25 abaixo.

    Figura 25 O conversor Boost

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    Neste conversor, a tenso de sada sempre maior do que a tenso de entrada. Como pode ser observado nas etapas de funcionamento, o indutor fica em srie com a fonte de entrada, e sua tenso induzida soma-se tenso da fonte de entrada quando a chave se abre.

    A seguir so mostradas as etapas e as equaes do conversor para os regimes contnuo e descontnuo de funcionamento.

    A) Regime contnuo de operao do conversor Boost:

    Etapa 1: Chave fechada O diodo fica inversamente polarizado, e a corrente no indutor cresce linearmente com inclinao Vd/L. O capacitor mantm a tenso na carga.

    Figura 26

    Etapa 2: Chave aberta Quando a chave abre, para manter a continuidade da corrente, o indutor gera uma f.c.e.m. que polariza diretamente o diodo. A energia do indutor transferida para a carga. A tenso no indutor fica em srie com a tenso da fonte Vd, e a tenso Vo fica maior do que Vd.

    Figura 27

    Equaes:

    D11VV do = onde: T

    tD ON= (ciclo de trabalho)

    )( D1II OL =

    onde Io a corrente de sada e IL a corrente mdia no indutor

    ONd t

    LVI = (I = ripple da corrente no indutor)

    CRTDVV soo

    = (ripple da tenso de sada)

    2IIiL L

    +=max (valor mximo da corrente no indutor)

    OD II = (valor mdio da corrente no diodo) DII LS = (valor mdio da corrente na chave)

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    Formas de Onda Conversor Boost Conduo Contnua:

    (tenso no indutor)

    Figura 28

    (corrente no indutor)

    B) Regime Descontnuo de operao do Conversor Boost:

    Etapa 1: Chave fechada O diodo fica inversamente polarizado, e a corrente no indutor cresce linearmente com inclinao Vd/L. O capacitor mantm a tenso na carga.

    Figura 29 Etapa 2: Chave aberta Quando a chave abre, para manter a continuidade da corrente, o indutor gera uma f.c.e.m. que polariza diretamente o diodo. A energia do indutor transferida para a carga. A tenso no indutor fica em srie com a tenso da fonte Vd, e a tenso Vo fica maior do que Vd.

    Figura 30

    Etapa 3: Chave aberta e indutor descarregado A energia armazenada no indutor esgotou-se e portanto somente o capacitor mantm a tenso na carga. O diodo fica bloqueado.

    Figura 31

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    Formas de onda:

    Figura 32 Tenso e Corrente no indutor do Conversor Boost em conduo descontnua

    Equaes: VdVdIL2TsDV 2

    O

    2

    O +=

    C) Fronteira entre regimes contnuo e descontnuo: Conduo Crtica

    Na conduo crtica, a corrente no indutor apenas "encosta" no eixo

    zero e volta a crescer, conforme mostra a Figura 33.

    Figura 33 Tenso e corrente no indutor: conduo crtica

    Observa-se que se a corrente mdia no indutor for inferior ao valor que ocorre na conduo crtica, como mostrado na Figura 33, o regime de conduo ser descontnuo. A este valor mnimo de corrente no indutor abaixo do qual a conduo passa a ser descontnua d-se o nome de corrente crtica (ILC). possvel mostrar que na conduo crtica a corrente mdia no indutor igual a metade de seu valor mximo, ou seja:

    2II LC

    = Substituindo o valor de I dado anteriormente obtm-se:

    ds

    LC VL2TDI

    =

    ou, em funo de VO:

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    )( D1VL2TDI OsLC

    =

    conveniente lembrar que no conversor Boost a corrente mdia no indutor e a corrente mdia na carga se relacionam atravs da equao:

    )( D1II LO =

    e desta forma pode-se escrever:

    )( D1II LCOC =

    onde IOC representa o valor de corrente de sada abaixo da qual a conduo passar a ser descontnua.

    4.3.3 CONVERSOR BUCK-BOOST

    O circuito do conversor Buck-Boost est mostrado na Figura 34. Neste conversor, a tenso de sada pode ser maior ou menor do que a tenso de entrada, dependendo do valor do ciclo de trabalho D. interessante notar que a tenso de sada possui polaridade contrria de entrada.

    Figura 34 O Conversor Buck-Boost

    A seguir so mostradas as etapas e as equaes do conversor para os

    regimes contnuo e descontnuo de conduo.

    A) Regime contnuo de operao do Conversor Buck-Boost:

    Etapa 1: Chave fechada O diodo fica inversamente polarizado, e a corrente no indutor cresce linearmente com inclinao Vd/L. O capacitor mantm a tenso na carga.

    Figura 35

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    Etapa 2: Chave aberta A corrente do indutor mantida atravs do diodo. O indutor se descarrega auxiliando o capacitor a manter a tenso na carga. Note que o sentido da corrente forada pelo indutor carrega o capacitor com tenso negativa em relao fonte de entrada.

    Figura 36

    Equaes: D1

    DVV do = ONd t

    LVI = (ripple da corrente no indutor)

    B) Regime descontnuo de operao do conversor Buck-Boost:

    Etapa 1: Chave fechada O diodo fica inversamente polarizado, e a corrente no indutor cresce linearmente com inclinao Vd/L. O capacitor mantm a tenso na carga.

    Figura 37

    Etapa 2: Chave aberta A corrente do indutor mantida atravs do diodo. O indutor se descarrega auxiliando o capacitor a manter a tenso na carga. Note que o sentido da corrente forada pelo indutor carrega o capacitor com tenso negativa em relao fonte de entrada.

    Figura 38

    Etapa 3:Chave aberta e indutor descarregado A energia armazenada no indutor esgotou-se e portanto somente o capacitor mantm a tenso na carga. O diodo fica bloqueado.

    Figura 39

    Equaes: L2RTsDVV do

    = C) Fronteira entre regimes contnuo e descontnuo: Conduo Crtica

    Como nos conversores anteriores, na conduo crtica a corrente no

    indutor apenas "encosta" no eixo zero e volta a crescer. O valor mdio da corrente no indutor na conduo crtica chamado ILC. Se a corrente mdia no indutor for inferior a ILC, a conduo ser descontnua, do contrrio ser contnua. O valor de ILC dado por (ver Figura 33):

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    2II LC

    =

    Substituindo-se a equao de I do conversor Buck-Boost obtm-se:

    DL2VTI dsLC

    =

    Igualando-se as potncias de entrada e de sada do conversores e efetuando-se algumas substituies, conclumos que:

    D1II OL =

    E assim podemos escrever:

    2osOC D1L2

    VTI )( =

    onde IOC a corrente mnima de carga abaixo da qual a conduo passa a ser descontnua.

    4.4 CONVERSORES CC-CC CHAVEADOS COM ISOLAMENTO ELTRICO

    4.4.1 MODELO DO TRANSFORMADOR PARA CONVERSORES CHAVEADOS ISOLADOS

    Como mencionado anteriormente, as fontes chaveadas utilizam um

    transformador que opera em alta frequncia para promover o isolamento eltrico entre os lados de entrada e de sada, e tambm contribuir na reduo da tenso atravs da relao de espiras. Os conversores isolados podem ser divididos basicamente em duas categorias:

    Aqueles que utilizam somente a parte positiva (quadrante I) da

    curva de magnetizao do ncleo (Flyback e Forward); Aqueles que utilizam toda a curva de magnetizao, ou seja os

    quadrantes I e III: Push-Pull, Meia Ponte, Ponte Completa.

    Os transformadores dos conversores da primeira categoria tendem a ser maiores devido utilizao de somente a metade da excurso do fluxo magntico que possvel no material. A Figura 40a ilustra a curva de magnetizao tpica de um material ferromagntico.

    A Figura 40b mostra o circuito equivalente de um transformador (sem perdas), onde N1:N2 a relao de espiras, Lm a indutncia de magnetizao, Ll1 e Ll2 so as indutncias de disperso. A indutncia de magnetizao representa o fluxo magntico contido no ncleo do transformador, e as indutncias de disperso representam o fluxo magntico

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    disperso, isto , aquele que envolve cada um dos enrolamentos mas no comum a ambos, pois se fecha por fora do ncleo (pelo ar).

    (a) (b) Figura 40 a)Curva de magnetizao tpica do ncleo

    b)Circuito Equivalente do transformador (sem perdas)

    No transformador de um conversor CC-CC, o acoplamento magntico entre os enrolamentos deve ser o melhor possvel, a fim de tornar mnimas as indutncias de disperso. Desta forma, tambm torna-se mnimo o seu efeito sobre as caractersticas de transferncia dos conversores, bem como a dissipao de sua energia armazenada sobre as chaves e respectivos circuitos snubbers4. Um outro aspecto a ser considerado o valor da indutncia de magnetizao Lm: uma vez que a corrente de magnetizao im flui pelas chaves (assim como a corrente de carga), Lm deve ser a maior possvel, a fim de que im seja reduzida. Uma exceo o conversor fly-back: nele a indutncia de magnetizao assume papel fundamental no funcionamento do conversor.

    4.4.2 CONVERSOR FLYBACK

    O conversor Flyback um conversor CC-CC com isolamento eltrico, derivado do conversor Buck-Boost. Seu funcionamento e equacionamento semelhante, a menos da presena do fator de relao de espiras N1/N2 relativo ao transformador. O diagrama do circuito do conversor Flyback est mostrado na Figura 41.

    Figura 41 O Conversor Flyback

    Esse conversor apresenta como vantagem a sua grande simplicidade

    (pequeno nmero de componentes). Mltiplas sadas podem ser obtidas

    4 Snubbers so circuitos de ajuda comutao das chaves semicondutoras, protegendo-as.

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    utilizando-se um nmero mnimo de componentes extras: cada sada adicional requer somente um enrolamento secundrio adicional, diodo e capacitor. Entretanto, sua utilizao limitada a aplicaes de potncia no superiores a aproximadamente 250W.

    A Figura 42a e a Figura 42b ilustram as etapas de funcionamento no modo contnuo. Quando a chave est fechada, o diodo fica bloqueado, e a indutncia de magnetizao do transformador armazena energia vinda da fonte de entrada, enquanto o capacitor mantm a tenso na carga. Quando a chave se abre, ocorre a inverso da polaridade da tenso nos enrolamentos, o diodo conduz e atravs do enrolamento secundrio a energia armazenada transferida para a carga. No modo contnuo, a chave ligada novamente antes que a energia no ncleo (e consequentemente a corrente no diodo) se anule. No modo descontnuo essa energia esgota-se antes do ligamento da chave. Observa-se que no primrio somente circula corrente no sentido positivo, indicando a utilizao apenas do quadrante I da curva de magnetizao.

    (a)

    (b)

    Figura 42 Circuitos equivalentes do conversor Flyback para: a) chave fechada b)chave aberta

    A tenso de sada do conversor em modo contnuo dada por:

    do VD1D

    N1N2V =

    lembrando que D o ciclo de trabalho (D=tON/Ts). importante observar que quando a chave est aberta, ela deve suportar a tenso da fonte somada com a tenso de sada Vo refletida no enrolamento primrio, ou seja:

    odsw VN2N1VV +=

    O conversor Flyback operando em modo descontnuo apresenta

    resultados similares aos do conversor Buck-Boost, a menos do fator N1/N2 (relao de espiras).

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    4.4.3 CONVERSOR FORWARD

    O conversor Forward um conversor CC-CC com isolamento derivado do conversor Buck. A diferena bsica a presena do transformador de isolamento. A Figura 43 mostra o diagrama do circuito.

    Figura 43 O conversor Forward

    Quando a chave est fechada, o diodo D1 fica diretamente polarizado

    e D2 reversamente polarizado. Assim a energia transferida para a carga. Quando a chave est aberta, o diodo D1 fica inversamente polarizado e D2 entra em conduo devido f.c.e.m. induzida pelo indutor. Nota-se que o estgio de sada idntico ao do conversor Buck. A tenso de sada dada por (modo contnuo):

    DN1N2VV do =

    que a mesma equao do conversor Buck a menos do fator N2/N1.

    Na prtica, entretanto, deve-se realizar a desmagnetizao do

    ncleo, caso contrrio ocorrer a sua saturao e o conversor deixar de funcionar adequadamente5. Para tal utiliza-se6 um terceiro enrolamento no transformador, chamado enrolamento de desmagnetizao, que responsvel pela retirada da energia que foi armazenada no ncleo durante tON. A Figura 44 ilustra o conversor Forward prtico.

    Figura 44 Conversor Forward prtico

    Quando a chave se abre, ocorre a inverso de polaridade nos

    enrolamentos, fazendo com que D3 entre em conduo realizando a desmagnetizao do ncleo (note a polaridade dos enrolamentos). O ncleo deve ser totalmente desmagnetizado antes do novo fechamento da chave.

    5 Quando um elemento magntico satura, sua indutncia cai drasticamente, o que faz com que a corrente se eleve, tendendo a um curto-circuito. 6 Pode-se tambm efetuar a desmagnetizao atravs de um diodo zener no primrio ou secundrio

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    O mximo ciclo de trabalho que permite que isso ocorra :

    N1N311D +=max

    A Figura 45 mostra a identificao das variveis do circuito, e a

    Figura 46 mostra as formas de onda nos principais pontos.

    Figura 45 Principais variveis no conversor Forward

    Figura 46 Conversor Forward e formas de onda

    A corrente na chave isw a soma da corrente de carga i1 referida ao

    primrio e da corrente de magnetizao im. No intervalo de tempo em que a chave est fechada e que D3 conduz, a chave deve suportar a soma da tenso de entrada Vd e da tenso induzida no primrio. Desta forma, a chave deve ser dimensionada para suportar uma tenso superior a:

    ddsw VN3N1VV +=

    O conversor Forward, assim como os demais conversores derivados do conversor Buck, possui corrente no pulsada na sada (modo contnuo), o que torna-o mais adequado a aplicaes de elevada corrente de sada, em potncias de at aproximadamente 250W. Alm disso, seu transformador no necessita de tap central.

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    4.4.4 CONVERSOR DUPLO FORWARD (FORWARD A DOIS TRANSISTORES)

    A vantagem deste conversor no necessitar do enrolamento de desmagnetizao, pois esta se d atravs dos diodos D1 e D2, mostrados na Figura 47.

    Figura 47 Conversor Duplo-Forward

    O comando das chaves simplificado, pois so comandadas

    simultaneamente, estando conjuntamente ligadas ou desligadas, no sendo necessrio a gerao de um "tempo-morto" entre os comandos. Devido presena dos diodos, a tenso nas chaves grampeada no valor da tenso Vd, o que implica na possibilidade da utilizao de chaves com menor capacidade de bloqueio de tenso em relao ao Forward de um transistor.

    4.4.5 CONVERSOR PUSH-PULL

    O conversor Push-Pull tambm derivado do conversor Buck. Sua caracterstica mais marcante a utilizao de um transformador com tap central no primrio, onde o terminal positivo da fonte de entrada ligado. O diagrama do conversor est mostrado na Figura 48.

    Figura 48 O conversor Push-Pull

    Os nveis de potncia atingidos so maiores do que os conversores

    Flyback e Forward (at aproximadamente 500W). As chaves T1 e T2 so controladas uma de cada vez, existindo um intervalo de tempo no qual

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    nenhuma das duas conduz. Os diodos D1 e D2 retificam a tenso induzida no enrolamento secundrio. A configurao tipo tap central tem como vantagem a presena de somente um semicondutor em srie com a corrente de cada vez, reduzindo as perdas por conduo, tanto no primrio quanto no secundrio (na configurao em ponte dois semicondutores conduzem simultaneamente a corrente). A Figura 49 ilustra as principais formas de onda do circuito.

    Figura 49 Principais formas de onda do conversor Push-Pull

    Quando T1 conduz, D1 fica diretamente polarizado, e a corrente no indutor de filtro cresce. T1 bloqueado e antes de T2 ser acionado decorre um intervalo de tempo . Durante esse intervalo onde ambas as chaves ficam desligadas, ocorre a etapa de roda livre da corrente iL do indutor atravs do enrolamento secundrio e dos diodos D1 e D2. Cada diodo conduz portanto aproximadamente metade da corrente de carga. Essa etapa interrompida pela entrada em conduo de T2, levando D1 ao bloqueio. No modo contnuo, a tenso de sada dada por:

    do VDN1N22V =

    possvel observar que neste conversor o ciclo de trabalho D no pode ser superior a 0.5, o que implicaria na conduo simultnea de ambas as chaves e o consequente curto-circuito, levando destruio dos componentes. Os diodos em anti-paralelo com as chaves servem para proteger os transistores contra possveis tenses negativas.

    No conversor Push-Pull as chaves devem suportar o dobro da tenso de entrada Vd, devido tenso induzida na outra metade do enrolamento primrio:

    dsw V2V =

    Considerando-se a mesma potncia, o transformador desse conversor menor do que o do conversor Forward, pois utiliza as partes positiva e negativa da curva de magnetizao, aproveitando melhor o material. O maior problema do conversor a necessidade de se adotar um mtodo de evitar a saturao do ncleo, que suscetvel de ocorrer devido a diferenas, mesmo

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    que pequenas, dos tempos de conduo e das quedas de tenso nas chaves em conduo. Esse problema pode ser solucionado pelo controle da amplitude da corrente no primrio (current mode control).

    4.4.6 CONVERSOR HALF BRIDGE ( MEIA PONTE)

    O circuito do conversor Half-Bridge pode ser visualizado na Figura 50. Os capacitores C1 e C2 formam um divisor de tenso, fixando o potencial no ponto comum a ambos em Vd /2. Nesse conversor, que tambm derivado do conversor Buck, as chaves ficam submetidas a um valor de tenso igual a Vd:

    dsw VV =

    Entretanto, apenas Vd /2 aplicado ao primrio do transformador. A

    presena dos capacitores evita a saturao do transformador, pois um possvel nvel CC na tenso aplicada ao primrio por eles bloqueado. O transformador opera nos quadrantes I e III da curva de magnetizao, sendo aplicadas tenses positivas e negativas em seu enrolamento primrio.

    Figura 50 O Conversor Half-Bridge (Meia Ponte)

    A Figura 51 mostra as formas de onda nos principais pontos do

    circuito. O funcionamento similar ao do conversor Push-Pull: somente uma chave acionada de cada vez, existindo um intervalo de tempo onde ambas as chaves ficam desligadas. Quando T1 conduz, +Vd /2 aplicado ao primrio do transformador, D1 conduz e a corrente no indutor cresce. Quando T1 bloqueia, os diodos D1 e D2 conduzem a corrente de carga (forada pelo indutor) que decresce atravs do enrolamento secundrio, durante o intervalo . Quando T2 ligado, fazendo com que -Vd /2 seja aplicado ao primrio, D1 bloqueia e a corrente no indutor cresce atravs de D1. Os diodos em anti-paralelo com as chaves servem para conduzir a corrente das indutncias de disperso do transformador, no consideradas na anlise. No modo contnuo, a tenso de sada dada por:

    do VDN1N2V =

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    onde 0 < D < 0.5

    Figura 51 Formas de onda do conversor Meia Ponte

    Os nveis de potncia atingidos por esse conversor so da mesma

    ordem de grandeza daqueles do conversor Push-Pull ( 500W). Os capacitores devem ser cuidadosamente selecionados, devendo suportar metade da corrente eficaz do primrio cada um, e seu valor de capacitncia deve ser tal que o ripple de tenso sobre eles no seja elevado. Por outro lado, no podem ser de valor exageradamente alto sob pena de no efetuarem a compensao do desbalanceamento da tenso no primrio com a rapidez necessria.

    4.4.7 CONVERSOR FULL-BRIDGE (PONTE COMPLETA)

    O conversor Full-Bridge (Figura 52) o que capaz de trabalhar nos nveis mais altos de potncia (acima de 1kW), mas tambm o mais dispendioso, utilizando quatro chaves controladas (transistores). As chaves ficam submetidas no mximo tenso de entrada Vd (caso ideal)

    dsw VV =

    O mesmo problema do conversor Push-Pull ocorre: a possibilidade da

    saturao do ncleo do transformador devido a pequenas diferenas entre as quedas de tenso nas chaves e tempos de conduo. Por isso, necessrio utilizar um mtodo de evitar a saturao: normalmente utiliza-se um capacitor de alto valor em srie com o primrio para bloquear o nvel CC, ou utiliza-se o controle no modo corrente, onde a amplitude da corrente no primrio monitorada.

    A Figura 53 mostra as formas de onda nos principais pontos do circuito. O funcionamento do conversor similar ao dos conversores Push-Pull e Half-Bridge.

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    Figura 52 O Conversor Full-Bridge (Ponte Completa)

    As chaves so acionadas em grupo de duas: T1/T2 e T3/T4, existindo um

    intervalo de tempo onde nenhuma chave acionada. Quando T1/T4 conduzem, +Vd aplicado ao primrio do transformador, D1 conduz e a corrente no indutor cresce. Quando T1/T2 bloqueiam, os diodos D1 e D2 conduzem a corrente de carga (forada pelo indutor) que decresce atravs do enrolamento secundrio, durante o intervalo . T3/T4 so ligadas, fazendo com que -Vd seja aplicado ao primrio, D1 bloqueia e a corrente no indutor cresce atravs de D1. Os diodos em anti-paralelo com as chaves servem para conduzir a corrente das indutncias de disperso do transformador, no consideradas na anlise.

    Figura 53 Formas de onda do Conversor Ponte Completa

    No modo contnuo, a tenso de sada dada por:

    do VDN1N22V =

    onde 0 < D < 0.5

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    V CIRCUITOS DE COMANDO DE CHOPPERS E FONTES CHAVEADAS

    As fontes chaveadas e os Choppers possuem um circuito de comando e controle que realiza as funes de disparo das chaves nos momentos adequados. No caso das fontes chaveadas este comando realizado de maneira que a tenso de sada fique dentro da tolerncia desejada, independente de variaes da tenso de entrada ou da corrente de carga. No caso dos choppers o comando deve efetuar o disparo e bloqueio das chaves de maneira que a velocidade, torque ou posio do eixo do motor seja o mais prximo possvel do valor desejado.

    O comando pode utilizar basicamente duas estratgias, cada uma com suas vantagens e desvantagens prprias:

    ; Controle no Modo Tenso (PWM) ; Controle no Modo Corrente (Current Mode Control)

    No controle no modo tenso, uma tenso de controle vc gerada pelo amplificador de erro controla o ciclo de trabalho D pela comparao com uma onda dente de serra de frequncia fixa (ver Figura 4). Esse controle atua variando a tenso sobre o indutor e desta forma a corrente, levando a tenso de sada ao valor desejado (Figura 54). O controle no modo tenso menos sensvel a rudos, mas sua resposta dinmica mais lenta.

    Figura 54 Controle no modo tenso

    No controle no modo corrente, uma malha adicional interna

    utilizada para controlar diretamente o valor da corrente, (dado pela tenso de controle vc, vinda do amplificador de erro) e desta forma a tenso de sada. As vantagens do controle no modo corrente so:

    ; Limitao ciclo a ciclo da corrente mxima nas chaves, pois a corrente diretamente medida e pode ser facilmente limitada

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    ; Inerente correo de desbalanceamento de fluxo nos transforma-dores, evitando a saturao do ncleo ; Excelente rejeio a distrbios da tenso de entrada ; Sistema de realimentao simplificado ; Permite fcil construo de um sistema modular, onde a corrente igualmente distribuda entre vrias fontes em paralelo.

    Existem vrias tcnicas de controle no modo corrente: ; Histerese (limites de corrente) ; Tempo Off constante ; Frequncia constante com acionamento sincronizado

    A Figura 55 ilustra os diversos mtodos de controle no modo corrente.

    Figura 55 Os vrios tipos de controle no modo corrente

    O controle por histerese de corrente pode ser facilmente

    implementado atravs de um comparador com histerese. O controle modo corrente tipo frequncia constante com acionamento sincronizado pode ser implementado atravs do circuito mostrado na Figura 56, j integrado no CI UC3843 da Unitrode.

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    Figura 56 Implementao do Controle no modo corrente

    Entretanto, o controle no modo corrente exige mais cuidados no lay-

    out e um projeto mais cuidadoso da malha de controle (o projeto do compensador ou (amplificador de erro) uma tarefa complexa que exige conhecimentos avanados de matemtica e sistemas de controle, o que foge ao escopo do presente trabalho). Alm disso, no controle por frequncia constante e acionamento sincronizado, o sistema instvel para ciclos de trabalho superiores a 50%, exigindo a utilizao de compensao da inclinao da tenso de controle vc (slope compensation).

    Existem disponveis no mercado muitos circuitos integrados de comando de fontes chaveadas e choppers, tanto no modo corrente (UC3843, UC3846) quanto no modo tenso (LM3524, TL494, KA7500, MC34063). Esses CIs possuem internamente osciladores, drivers, comparadores e amplificadores operacionais necessrios ao comando, controle e proteo dos conversores chaveados.

    Figura 57 Estrutura interna do CI LM3524 (voltage mode control IC)

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    A Figura 57 mostra o diagrama interno do popular CI LM3524, que um modulador PWM para controle no modo tenso. A Figura 58 mostra o diagrama interno do UC3843, que um controlador modo corrente.

    Figura 58 Estrutura Interna do CI UC3843 (current mode control IC)

    VI MANUTENO DE FONTES CHAVEADAS

    A manuteno de uma fonte chaveada exige conhecimentos tericos mnimos. importante ter em mente sua estrutura interna (Figura 15), bem como o fato que os conversores chaveados empregam tipos de componentes semicondutores especficos, os quais devem possuir caractersticas adequadas ao chaveamento em alta frequncia. Muito cuidado deve ser tomado, uma vez que elevadas tenses (> 200V) esto presentes em alguns pontos do circuito (retificador de entrada e primrio do transformador).

    As falhas so mais frequentes na parte de potncia do que no comando, pois os componentes operam no somente sob condies de di/dt e dv/dt bastante elevados, como tambm sob condies de correntes e tenses elevadas, estando submetidos a um considerveis esforos. A fim de reduzir essas variaes bruscas de tenso e corrente nos transistores e diodos, so utilizados circuitos de ajuda comutao ("snubbers"). Esses so constitudos de resistores, capacitores e diodos que so ligados em paralelo (snubber de tenso) ou em srie (snubber de corrente) com o semicondutor protegido.

    Os principais problemas aparecem nos semicondutores (diodos e transistores), mas os capacitores eletrolticos de filtro tambm so responsveis por grande parte dos problemas. O componente defeituoso deve ser substitudo preferencialmente por outro do mesmo tipo (mesmo cdigo de

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    fabricante). Caso isso no seja possvel, deve-se procurar no catlogo um que possua caractersticas iguais ou superiores. Muita ateno deve ser dada ao tempo de comutao de transistores e diodos, no sendo aconselhvel a troca por outro com tempos de comutao mais elevados (trr no caso de diodos e td(on), tr, td(off) e tf no caso dos transistores). Isso provavelmente implicaria em nova falha do equipamento aps algum tempo de operao. Os diodos de retificao do secundrio geralmente so do tipo Schottky, principalmente nas sadas de maior corrente e baixa tenso. Esses diodos so mais rpidos e possuem menor queda de tenso direta do que os diodos PN, por isso deve-se ter ateno na substituio.

    Os capacitores eletrolticos de filtragem no secundrio so do tipo HFC (High Frequency Capacitors), especiais para operarem em alta frequncia por possurem baixa resistncia e indutncia parasitas srie.

    Os CIs de comando possuem circuitos de proteo contra sobrecargas na sada da fonte. Por isso, caso no estejam gerando os pulsos de comando, deve-se verificar se a proteo est atuando, e ento procurar a causa.

    Geralmente um outro CI responsvel pela medio da tenso da sada que regulada. Devido necessidade do isolamento eltrico, esse CI transmite a informao atravs de um foto-acoplador ou um pequeno transformador de pulsos (Figura 15).

    Antes do incio do chaveamento o circuito de comando deve ser alimentado. Isso feito atravs de uma pequena fonte auxiliar no chaveada, que atua somente durante a partida da fonte. Aps a partida, um enrolamento auxiliar do transformador alimenta o circuito de comando.

    A Figura 59, a Figura 60 e a Figura 61 a seguir mostram alguns diagramas esquemticos de fontes chaveadas comerciais.

    Figura 59 Conversor chaveado 1

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    Figura 60 Conversor chaveado 2

    Figura 61 Conversor Chaveado 3

    A Figura 62 mostra alguns encapsulamentos de diodos comumente

    utilizados em fontes chaveadas.

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    IO < 3A 10A < IO < 30A 15A < IO < 30A IO > 30A Figura 62 Encapsulamentos de Diodos retificadores de potncia

    Nas fontes de pequena potncia, na faixa dos 300W e frequncia de chaveamento da ordem de at 40kHz, ainda comum a utilizao de transistores bipolares de potncia (sries MJE, BUV, 2SD, etc.). Os transistores MOSFET de potncia (sries IRF, IRFP, BUZ, MFP, etc.) so utilizados em todas as faixas de potncia de fontes chaveadas, principalmente nas que operam em frequncias mais elevadas.

    VII ESPECIFICAES DE FONTES CHAVEADAS

    Existem alguns parmetros primrios que caracterizam as fontes chaveadas, servindo como base para a especificao e comparao, de modo a atender determinada demanda ou aplicao. Deve-se atentar para as condies sob as quais so especificados os parmetros, como temperatura, nvel percentual de carga, tenso de entrada, etc. Os parmetros principais so:

    Tempo Mdio Entre Falhas (MTBF Mean Time Between Faults):

    fornecido pelo fabricante e indica a robustez do equipamento, ou seja, o nmero de horas de funcionamento sem ocorrer defeitos. Quanto maior o MTBF, melhor.

    Tempo de Sustentao (Hold Up Time): o tempo durante o qual a

    fonte capaz de manter a tenso de sada constante quando ocorre uma interrupo na alimentao. Esse parmetro muito importante quando a fonte alimenta equipamentos microprocessados, e deve ser superior a ciclo de rede (8,33ms).

    Regulao de Linha: a variao percentual na tenso de sada em

    resposta a uma mudana na tenso de entrada.

    Regulao de Carga: a variao percentual na tenso de sada em resposta a uma variao na corrente de carga

    Resposta Transitria a variao de carga: um parmetro que permite

    verificar o desempenho do sistema de controle utilizado. Consiste basicamente na forma como a tenso de sada da fonte varia em resposta a um

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    distrbio na corrente de carga. A aplicao e a rejeio de carga so testes comuns para avaliar a qualidade da resposta transitria.

    Nvel de Isolamento Eltrico: o mximo nvel de tenso CA

    suportado entre a entrada e a sada, ou entre o chassis e a sada. Esse parmetro importante, uma vez que tenses potencialmente letais advindas da rede ou do prprio equipamento atinjam o usurio final do produto.

    Interferncia Eletromagntica Conduzida (Conducted EMI): um

    parmetro que indica o nvel de interferncia eletromagntica injetada na rede eltrica. Deve estar de acordo com normas especficas (VDE, CISPR, FCC, IEC), sob pena da fonte causar problemas em outros equipamentos conectados na rede eltrica. O filtro de entrada da fonte deve ser de boa qualidade. A faixa de frequncias coberta pela norma CISPR, por exemplo, vai de 150kHz a 30MHz.

    Interferncia Eletromagntica Irradiada (Irradiated EMI): um

    parmetro que indica o nvel de interferncia eletromagntica irradiada para o espao pela fonte, e deve estar de acordo com as normas. A faixa de frequncias coberta pelas normas vai de 30MHz a 1GHz, tipicamente. A fim de minimizar a EMI irradiada, mas pode-se tomar algumas precaues que visam evitar o agravamento da situao: todos os caminhos por onde circula corrente elevada devem ter o menor comprimento possvel. Elevados di/dt e dv/dt advindos do chaveamento devem ser reduzidos atravs de snubbers adequados.

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    PARTE II: CONVERSORES CC-CA ESTTICOS INVERSORES VIII - INTRODUO

    Os conversores CC-CA ou Inversores so utilizados para obter em sua sada uma tenso CA varivel e/ou regulada a partir de uma fonte CC de entrada, como ilustrado na Figura 63.

    Conversor CC-CA

    Fonte CC NoRegulada

    + Sada CA com Frequnciae Amplitude Ajustveis e

    Reguladas

    Controle

    Figura 63 Converso CC-CA

    Os inversores estticos de potncia possuem muitas aplicaes nas reas industrial e comercial, tais como:

    Acionamento de motores CA a velocidade varivel; UPS Fonte ininterrupta de energia ("No-Break"); Aquecimento indutivo Fornos Transmisso de energia em CC a alta tenso HVDC Filtros Ativos de Potncia etc.

    8.1 CLASSIFICAO DOS INVERSORES

    Primeiramente, os inversores podem ser classificados em Inversores No-Autnomos e Inversores Autnomos:

    Inversores No-Autnomos

    Os inversores no-autnomos utilizam tiristores e operam ligados rede eltrica CA, a qual responsvel pela comutao dos dispositivos, da o seu nome. A frequncia de funcionamento fixa e igual frequncia da rede. O controle do fluxo de energia do lado CC para o lado CA pode ser efetuado atravs da variao do ngulo de disparo dos tiristores, que deve ser maior que 90 para o funcionamento no modo inversor.

    Atualmente, a utilizao de inversores no autnomos restrita a aplicaes de potncias muito elevadas, como nos sistemas HVDC. A Figura 64

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    ilustra um circuito tpico. O indutor necessrio para fazer a interface entre as fontes CC e CA.

    +

    L

    Figura 64 Inversor no autnomo trifsico

    Inversores Autnomos

    Nos inversores autnomos, a comutao das chaves determinada pelo circuito de comando, ou seja, esses inversores utilizam chaves com disparo e bloqueio comandveis. Desta forma, os inversores autnomos operam independentemente da rede eltrica, e podem gerar em sua sada tenses com frequncias ajustveis. As estruturas de inversores autnomos sero estudadas posteriormente neste texto. Devido ao grande desenvolvimento dos semicondutores de potncia nos ltimos anos, atualmente a maior parte dos inversores comerciais utilizam transistores IGBT, ficando os tiristores reservados s aplicaes de altssimas potncias. Os transistores IGBT so muito mais fceis de se comandar, pois sua caracterstica de entrada a mesma de um MOSFET, ou seja, so dispositivos comandados por tenso. Alm disso, os transistores IGBT so muito mais rpidos, permitindo a operao em frequncias mais elevadas com menores perdas. J os tiristores, por outro lado, possuem apenas o disparo comandado, o que exige caros e complexos circuitos auxiliares de comutao forada.

    Com relao caracterstica da sada, os inversores podem ser:

    Inversores de tenso (VSI "Voltage Source Inverters" : Nos

    inversores VSI, a tenso de sada a varivel imposta, ficando a corrente dependente da necessidade da carga;

    Inversores de corrente CSI "Current Source Inverters": J nos

    inversores CSI, a corrente de sada imposta pelo inversor. Normalmente so utilizados em aplicaes de potncias mais elevadas.

    No presente trabalho sero estudados somente inversores VSI, os

    quais so muito mais difundidos. A Figura 65 mostra uma classificao geral dos inversores estticos

    de potncia.

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    Inversores

    Autnomos No Autnomos

    Monofsicos Trifsicos

    Monofsicos Trifsicos

    VSI CSI

    Figura 65 Classificao dos Inversores

    8.2 QUADRANTES DE OPERAO

    De um modo geral, a corrente de sada de um inversor VSI no estar em fase com a tenso gerada, possivelmente pela carga possuir uma parcela indutiva ou caractersticas no lineares. A Figura 66a mostra uma situao de funcionamento em que a corrente de carga senoidal e est atrasada em relao tenso.

    a) Tenso e Corrente na Carga b) Quadrantes de operao Figura 66 Tenso de corrente de sada do inversor

    Nos intervalos 1 e 3 mostrados na Figura 66a, tenso e corrente possuem a mesma polaridade, o que indica que o fluxo de energia do inversor para a carga, ou seja do lado CC para o lado CA (modo inversor). J nos intervalos 4 e 2, tenso e corrente possuem polaridades opostas, o que indica o fluxo de energia da carga para a fonte, ou seja, do lado CA para o lado CC (modo retificador). A Figura 66b resume os quadrantes de operao do inversor.

    Desta forma, para que a carga seja alimentada adequadamente, o inversor deve ser capaz de operar nos quatro quadrantes do plano v x i.

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    IX TIPOS DE TENSO DE SADA DOS INVERSORES VSI

    Utilizando chaves, os inversores estticos VSI sintetizam em sua

    sada uma forma de onda CA a partir de uma tenso contnua CC. Entretanto, apenas trs valores discretos de tenso so possveis na sada do inversor: +Vd, -Vd, ou zero, onde Vd o valor da tenso CC disponvel. Utilizando apenas essas trs possibilidades, o inversor deve sintetizar uma tenso CA com amplitude, frequncia e forma de onda adequadas carga. Quase sempre a forma de onda desejada senoidal. A seguir esto apresentados as tcnicas de operao utilizadas:

    9.1 OPERAO EM ONDA QUADRADA

    Nesta tcnica, apenas a frequncia da tenso de sada pode ser controlada. A amplitude da tenso gerada dependente apenas da tenso da fonte CC, enquanto sua frequncia pode ser variada Figura 67.

    a) Forma de onda b) Espectro de frequncia

    Figura 67 Operao em onda quadrada

    O contedo harmnico da forma de onda da tenso possui harmnicas de grande amplitude em baixas frequncias (3,5,7...), o que exige o emprego de filtros grandes e caros. Por outro lado, as chaves somente mudam de estado duas vezes por ciclo, o que reduz as potncia perdida devido comutao. Isto importante em potncias muito elevadas, onde geralmente os semicondutores so lentos (SCRs e GTOs).

    A componente fundamental da forma de onda de tenso dada pela equao:

    dd1o V2731V4V == , (9.1)

    onde observa-se que ela possui amplitude maior do que a prpria tenso CC Vd.

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    9.2 OPERAO EM DESLOCAMENTO DE FASE PHASE SHIFT

    Nesta tcnica, a amplitude da componente fundamental da tenso de sada do inversor variado atravs do ngulo de permanncia no nvel zero ("blank time") Figura 68. A forma de onda quase quadrada. Para operar em phase-shift, o inversor utilizado deve ser capaz de gerar o valor zero em sua sada.

    Figura 68 Operao em Deslocamento de Fase Phase Shift

    (a) Tenso de sada (b) Espectro de frequncias

    A amplitude da componente fundamental da forma de onda da tenso dada por:

    cos= d1o V4V (9.2)

    A equao (9.2) indica que, se for igual a zero, a componente

    fundamental da forma de onda de tenso de sada do inversor ter amplitude 4/ vezes a tenso no barramento CC, ou seja, com = 0 a tenso de sada quadrada.

    um mtodo simples do controle do valor eficaz da tenso de sada, levando a pequenas frequncias de chaveamento e portanto baixas perdas por chaveamento. A tenso de sada possui componentes harmnicas de baixa frequncia e grande amplitude, o que dificulta e encarece a filtragem.

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    9.3 OPERAO SOB MODULAO POR LARGURA DE PULSOS - PWM

    Esta tcnica a que produz a tenso de sada mais prxima de uma senide. A amplitude da componente fundamental da tenso variada atravs da largura dos pulsos, as quais por sua vez dependem do valor da tenso de controle vcontrol, que o sinal modulante da portadora vtri. H basicamente duas formas de PWM: dois e trs nveis.

    PWM de 2 Nveis

    A Figura 69 mostra os sinais referentes modulao PWM de dois nveis. Atravs do espectro de frequncia mostrado, possvel observar que a tenso de sada possui componentes harmnicas de alta frequncia e pequena amplitude, as quais so muito mais facilmente filtrveis.

    A frequncia de chaveamento igual frequncia da portadora, que pode variar desde 3kHz nos inversores de grande potncia at 20kHz nos de menor potncia, aproximadamente. Entretanto, devido maior frequncia de chaveamento, as perdas por comutao so tambm maiores.

    Figura 69 Modulao PWM de dois nveis

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    O ndice de modulao em amplitude ma definido como a relao entre a amplitude da tenso modulante vcontrol e a amplitude da portadora vtri:

    tri

    controla V

    Vm = (9.3)

    A amplitude da componente fundamental da tenso dada por:

    da1o Vmv = (9.4)

    desde que ma < 1.

    O ndice de modulao em frequncia definido como a relao entre a frequncia da portadora e a frequncia de vcontrol.

    1

    sf f

    fm = (9.5)

    As componentes harmnicas aparecem em grupos centrados em mf, 2mf,

    3mf ... etc. Se mf um inteiro mpar, as harmnicas pares so eliminadas da forma de onda da tenso de sada, ficando apenas as mpares.

    PWM de 3 Nveis

    A Figura 70 mostra os sinais referentes modulao PWM de trs nveis. So utilizadas duas tenses de controle: vcontrol e vcontrol, cada uma gerando um sinal de comparao que aplicado s chaves do inversor. A forma de onda da tenso resultante na sada do inversor possui trs nveis: +Vd, -Vd e zero, da o nome da tcnica.

    Em relao modulao PWM de 2 nveis, o contedo harmnico da tenso de sada menor, como pode ser observado na Figura 70c. interessante observar que os harmnicos aparecem em grupos centrados em 2mf, 4mf, 6mf, etc., ou seja, o primeiro grupo de harmnicos aparece centrado numa frequncia que o dobro da frequncia em relao modulao PWM de 2 nveis.

    A mesma expresso define a amplitude da componente fundamental da tenso de sada:

    da1o Vmv = (9.6)

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    Figura 70 Modulao PWM de trs nveis

    X INVERSORES MONOFSICOS

    De um modo geral, os inversores monofsicos podem ser controlados para gerarem tenses PWM de 2 e 3 nveis, Phase-Shift ou onda quadrada. O mtodo utilizado dever levar em conta as necessidades da carga e o compromisso entre frequncia de chaveamento e perdas por comutao nos dispositivos.

    Os inversores podem ser implementados com tiristores (SCRs e GTOs) ou com transistores. Devido necessidade de circuitos de comutao forada, os inversores a SCR so mais complexos (Figura 71), e por isso hoje possuem aplicaes muito especficas de potncias bastante elevadas. Neste texto somente sero estudados inversores implementados com transistores.

    Na Figura 71, os SCRs T1 a T4 e os diodos D1 a D4 so as chaves principais do circuito, enquanto os tiristores T1A a T4A so chaves auxiliares que juntamente com as malhas RL formam os circuitos de comutao forada.

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    Figura 71 Inversor monofsico em ponte a SCRs

    10.1 INVERSOR MONOFSICO EM PONTE COMPLETA

    A Figura 72 mostra o circuito de potncia do inversor monofsico em ponte completa implementado com transistores IGBT. Esta configurao pode operar sob quaisquer esquemas mostrados na seo II.

    D1

    D2

    E+ vo -

    T1

    T2

    T3

    T4

    D3

    D4

    CARGA

    io+

    Figura 72 Inversor monofsico em ponte completa a IGBTs

    De acordo com as polaridades de tenso e corrente na carga, h as

    seguintes possibilidades de conduo das chaves:

    Tabela 1 Configurao vo io Chaves em Conduo Fluxo de Energia

    1 +E + T1, T4 Fonte Carga 2 +E - D1, D4 Fonte Carga 3 -E - T2, T3 Fonte Carga 4 -E + D2, D3 Fonte Carga 5 0 + (T1, D3) ou (T4, D2) Recirculando 6 0 - (T3, D1) ou (T2, D4) Recirculando

    Em resumo: sempre que a tenso tiver a mesma polaridade da corrente,

    estaro conduzindo dois transistores opostos. Sempre que a tenso na carga tiver polaridade contrria corrente, estaro conduzindo dois diodos opostos. Sempre que a tenso na carga for zero, estaro conduzindo um transistor e um diodo.

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    10.1.1 OPERAO EM DESLOCAMENTO DE FASE - PHASE SHIFT

    A Figura 73 mostra a forma de onda de tenso de sada do inversor operando no modo de deslocamento de fase, juntamente com a forma de onda da corrente numa carga tipo resistor-indutor. Os nmeros indicados na figura correspondem aos da Tabela 1.

    Devido ao defasamento causado pela presena da parcela indutiva na carga, surgem etapas (2 e 4) onde tenso e corrente possuem polaridades opostas, o que indica fluxo de energia no sentido CA para o CC. Estas etapas no ocorreriam caso a carga fosse puramente resistiva.

    vo

    t

    1 5 4 2 . . .3 6 1

    vo,io

    io

    Figura 73 Tenso e Corrente na carga Operao em Phase-Shift

    Observa-se que a forma de onda da corrente no senoidal, fato que

    deriva do grande contedo harmnico presente na forma de onda da tenso de sada do inversor. A frequncia de chaveamento a mesma da tenso gerada, normalmente 60Hz.

    10.1.2 OPERAO EM MODULAO PWM

    A operao sob modulao PWM permite uma forma de onda de corrente menos distorcida, ou seja mais senoidal, o que muito importante quando a carga um motor CA. medida que a frequncia de chaveamento elevada, a filtragem da tenso exige capacitores e indutores de menor tamanho. No caso da carga ser um motor CA, a corrente tende a ficar mais senoidal, devido ao efeito de filtragem efetuado pela indutncia do enrolamento do estator. A Figura 74a mostra a forma de onda da tenso PWM (3 nveis), juntamente com sua componente fundamental. A Figura 74b mostra a forma de onda de corrente resultante. A Figura 74c mostra a forma de corrente para uma frequncia de chaveamento maior.

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    Figura 74 -

    a) Tenso PWM e sua componente fundamental

    b) corrente numa carga indutiva c) corrente na carga indutiva para uma maior frequncia de

    chaveamento

    As configuraes assumidas so as indicadas na Tabela 1. Sendo a frequncia de chaveamento maior, essas configuraes se alternaro tambm com maior frequncia.

    10.2 INVERSOR MONOFSICO EM MEIA PONTE HALF BRIDGE

    A Figura 75 mostra o circuito de potncia do inversor monofsico em meia ponte implementado com transistores IGBT. Esta configurao somente pode operar sob o esquema de onda quadrada e PWM de dois nveis porque no possvel impor tenso nula na carga e manter a continuidade da corrente ao mesmo tempo. Com carga puramente resistiva no h essa restrio.

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    C1

    C2

    E+ vo -

    T1

    T2

    D1

    D2

    CARGA

    io+

    Figura 75 Inversor monofsico em Meia Ponte a IGBTs

    A tenso instantnea aplicada carga assume os valores +E/2 e -E/2

    devido ao divisor de tenso capacitivo formado por C1 e C2. A vantagem a economia de dois transistores e dois diodos.

    De acordo com as polaridades de tenso e corrente na carga, h as seguintes possibilidades de conduo das chaves:

    Tabela 2

    Configurao vo io Chaves em Conduo Fluxo de Energia 1 +E/2 + T1 Fonte Carga 2 +E/2 - D1 Fonte Carga 3 -E/2 - T2 Fonte Carga 4 -E/2 + D2 Fonte Carga

    10.3 INVERSOR MONOFSICO PUSH-PULL

    A Figura 76 mostra o circuito de potncia do inversor monofsico Push-Pull. A utilizao do transformador permite o ajuste da tenso de sada, o que til por exemplo em UPSs ("No-Breaks") que utilizam baixas tenses de bateria (12V, 24V, p.ex.). A amplitude da tenso instantnea induzida no secundrio igual a nE, onde n a relao de espiras.

    E

    T1 T2

    +

    + vo -CARGA

    io

    D1 D2

    1 : n

    Figura 76 Inversor Monofsico tipo Push-Pull

    O transformador deve ser projetado para a frequncia fundamental da onda de tenso (normalmente 50 ou 60Hz), e no para a frequncia de

  • CEFET-MG Prof. Rubens M. Santos Filho [email protected] 56

    chaveamento. Devido ao efeito auto-transformador no primrio, cada semicondutor deve suportar o dobro da tenso contnua E.

    Com carga indutiva, esta configurao somente pode operar sob o esquema de onda quadrada e PWM de dois nveis porque no possvel impor tenso nula na carga.

    De acordo com as polaridades de tenso e corrente na carga, h as seguintes possibilidades de conduo das chaves:

    Tabela 3

    Configurao vo io Chaves em Conduo Fluxo de Energia 1 +nE + T1 Fonte Carga 2 +nE - D1 Fonte Carga 3 -nE - T2 Fonte Carga 4 -nE + D2 Fonte Carga

    XI INVERSORES TR