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Eletrônica de potência

SENAI-SP - INTRANET 151

Inversores

Os circuitos inversores CC-CA fazem a conversão da energia elétrica sob a forma decorrente contínua para corrente alternada. Essa conversão é realizada por dispositivossemicondutores de potência (transistores e tiristores) e encontra vasta aplicação emtodas as áreas em que há necessidade de fornecer à carga uma tensão CA deamplitude e freqüência variáveis.

Um exemplo é o acionamento de motores de indução no qual para se obter umconjugado constante, é necessário manter uma relação tensão/freqüência constante.Para variar a velocidade do motor varia-se a freqüência e, para manter U/f constante,varia-se a amplitude da tensão aplicada.

Na transmissão de energia elétrica por corrente contínua, os inversores são utilizadospara a conversão em corrente alternada, nas freqüências de 50 ou 60 Hz.

Os inversores são também usados nos sistemas ou instalações elétricas de elevadaconfiabilidade para fornecer alimentação de emergência tendo como fonte um conjuntode baterias de corrente contínua.

Em aplicações de baixa e média potência, os conversores são de grande utilidade naalimentação de equipamentos portáteis onde a conversão é feita a partir de bateriasde 12 ou 24 volts.

Neste capítulo, vamos estudar algumas configurações de inversores transistorizadosmonofásicos e trifásicos e, também um circuito de disparo.


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Sistemas de Variação de Velocidade

Uma das necessidades que sempre existiram, no passado, foi a variação davelocidade em motores de indução, pois ela é fixa e está relacionada com ascaracterísticas elétricas construtivas do motor e a freqüência da rede de alimentação.

Tipos de Sistemas de Variação de Velocidade1. Variadores Mecânicos2. Variadores Hidráulicos3. Variadores Eletromagnéticos4. Variadores Eletroeletrônicos

Variadores Mecânicos

Foram os primeiros sistemas utilizados para se obter uma velocidade diferente davelocidade do motor.

Características: simplicidade de construção, baixo custo, pequena variação develocidade condicionada a limites (mecânicos e elétricos).

Polias FixasVariação discreta de velocidade, utilizada onde existe necessidade de redução ouampliação de velocidade, porém sempre fixa, sem a possibilidade de uma variaçãocontínua de rotação.



Polias CônicasSistema que permite a variação contínua da velocidade por meio de duas poliascônicas contrapostas.

A variação da velocidade ocorre através do posicionamento da correia sobre asuperfície das polias cônicas.

Esse sistema é utilizado onde não é necessária uma faixa de variação de velocidademuito ampla e não se requerem variações rápidas e precisas.

Esse sistema é utilizado com maior freqüência para pequenos ajustes de sincronismomecânico de baixa precisão.

Polias VariadorasPermite variação contínua da velocidade. Utiliza um dispositivo mecânico que consistede duas flanges cônicas formando uma polia, que pode se movimentar sobre o eixoacionado.

Em seu funcionamento percebe-se que o movimento de aproximação ou afastamentoentre as duas flanges força a correia a subir ou descer, mudando o diâmetro relativo dacorreia e consequentemente a velocidade da máquina.



Moto-redutoresSistema de acoplamento avançado em relação aos anteriores, permite a variaçãodiscreta e contínua da velocidade, através de um jogo de polias e engrenagensvariáveis.

Limitaçõesa) Independentemente da variação da velocidade na saída, o motor que aciona o

moto redutor está funcionando com tensão nominal e freqüência nominal, portantoteremos desperdício de energia elétrica.

b) Esses métodos não permitem controle a distância, têm rendimento muito baixo esão limitados a baixas e médias potências, pois as engrenagens não suportampotências elevadas.

Variadores Hidráulicos

Permitem a variação contínua da velocidade e foram projetados para converter apotência hidráulica de um fluido em potência mecânica.

A conversão é feita através de um dispositivo de engrenagens planetárias ou atravésde acionamento de pistões, com controle efetuado por válvulas direcionais.



Características1. Baixa rotação (5 a 500 rpm)2. Elevado torque3. Permitem rotação nos dois sentidos4. Motores de baixa potência5. Baixo custo

Desvantagens1. Grandes Instalações (tubulações, motores elétricos, bombas etc.)2. Rendimento baixo3. Alto índice de manutenção4. Perdas elevadas nos circuitos hidráulicos

Variadores Eletromagnéticos

Embreagens EletromagnéticasCom os variadores eletromagnéticos mudou-se o conceito de variação exclusivamentemecânica para variação eletromecânica.

As técnicas envolvidas estão baseadas nos princípios físicos das correntes deFoucault, utilizando um sistema de discos acoplados a bobinas que podem ter seucampo magnético variável, variando-se o torque e a velocidade na saída do variador.

Limitações:1. A rotação de saída é sempre a nominal do motor.2. Nesse sistema o motor sempre estará girando na rotação nominal, proporcionando

um acoplamento inadequado (desperdício de energia), quando operamos abaixoda rotação nominal.

3. O rendimento é muito baixo e apresenta perdas por aquecimento.4. As manutenções preventivas são freqüentes porque existem muitas partes

girantes, as quais necessitam de ajustes constantes e substituições periódicas.

Componentes1. Motor2. Carcaça do variador3. Eixo do variador4. Núcleo de bobina



5. Alçapão6. Tampa7. Gerador8. Rotor9. Tampa10. Parafuso de fixação do motor11. Ventilador12. Rolamento central13. Retentor especial14. Rotor aranha15. Bobina de campo16. Parafuso para fixação do núcleo17. Parafuso para fixação do alçapão18. Rolamento da tampa19. Parafuso para fixação da tampa20. Carcaça21. Porca e arruela de segurança

Variadores Eletroeletrônicos

Acionamento de Motor Assíncrono de Rotor GaiolaA variação da velocidade em Motores Assíncronos pode ser dividida em dois grupos:• Variação Discreta:

Pode ser feita através da variação do número de pólos.• Variação Contínua:

Pode ser feita através da variação da freqüência, tensão ou escorregamento.



Para os Motores Assíncronos a relação entre velocidade, freqüência, número de pólose escorregamento é expressa por:

Nr = [120.f.(1 – S) / Np]

Analisando a fórmula, podemos ver que para variar a velocidade de um motorassíncrono podemos atuar nos seguintes parâmetros:

Np = Números de pólos (Variação discreta)S = Escorregamento (Variação contínua)f = Freqüência da rede de alimentação

Variação do Número de PólosExistem três formas de variar o número de pólos de um motor assíncrono:1. Múltiplos enrolamentos separados no estator2. Um enrolamento com comutação polar3. Combinação dos dois anteriores

Motores de duas velocidades com enrolamentos separados

Esse método apresenta a vantagem de combinar enrolamentos com qualquer númerode pólos, embora seja limitado pelo dimensionamento eletromagnético do núcleo(Estator/Rotor).

Motores de duas velocidades com enrolamentos por comutação de pólos

O sistema mais comum é a Ligação Dahlander, que implica uma Relação de pólos de1:2, com conseqüente relação de rotação de 1:2.

Podemos obter esse sistema de três formas diferentes:• Conjugado Constante: o conjugado nas duas rotações é constante e a relação de

potência é da ordem de 0,63:1. Nesse caso o motor tem sua ligação de triângulopara dupla estrela.

• Exemplo: Motor de 0,63/1cv IV / II pólos.• Potência Constante: nesse caso a relação de conjugado é de 1:2 e o motor possui

uma ligação de Dupla Estrela para Triângulo.



• Exemplo: Motor de 10/10cv IV / II pólos.• Conjugado Variável: nesse caso, a relação de potência será de aproximadamente

1:4. É muito aplicado a cargas como bombas e ventiladores, e sua ligação é emestrela para dupla estrela.Exemplo : Motor de 1/4cv IV / II pólos.

Variação do Escorregamento

A variação do escorregamento de um motor de indução com rotor gaiola é obtida pelavariação da tensão estatórica. É um sistema pouco utilizado, pois gera perdas rotóricase a faixa de variação da velocidade é pequena.

O controle de velocidade em motores de gaiola por meio da variação da tensãoaplicada é utilizado nas seguintes aplicações:

Aplicação de curta duração, por exemplo, partida lenta de máquinas, através da chavecompensadora ou soft start.Faixa de Potência típica: 1 a 50 KwFaixa de regulação de velocidade: 1 - 20Faixa de variação de velocidade: 500 - 3000 rpm

Circuitos inversores transistorizados

Apesar da facilidade de comutação dos transistores, seu uso é limitado pela potênciade dissipação. Por isso, eles são empregados nos inversores de baixa e médiapotência (5 a 10 kWs).

Tipos de circuitos inversores transistorizados

Os circuitos inversores transistorizados que serão estudados neste capítulo são:• Inversor monofásico em ponte;• Inversor monofásico de fonte com tomada central;• Inversor monofásico de carga com tomada central;• Inversor monofásico com configuração “push - pull”;• Inversor transistorizado trifásico.



O inversor monofásico em ponte é constituído por quatro transistores que sãocomutados dois a dois. Desta forma, a corrente se alternará na carga, ora da esquerdapara a direita, ora da direita para esquerda.

Veja a seguir a representação esquemática desse circuito e a forma de onda de tensãona carga.

O inversor monofásico de fonte com tomada central necessita de uma fonte simétricapara a sua alimentação. Dois transistores (um de cada vez) são responsáveis pelacomutação. Isso permite a inversão da polaridade na carga através da ligação a ambosos extremos da fonte alternadamente. Veja circuito e forma de onda a seguir.

O inversor monofásico de carga com tomada central normalmente utiliza umtransformador com tomada central (center tap) para simular uma carga simétrica e acomutação é feita por dois transistores (um de cada vez) alternando a ligação ora numextremo do transformador, ora no outro extremo.



Configuração com carga indutiva

Todas as configurações mostradas até o momento têm cargas resistivas. Mudando-sea carga resistiva por carga indutiva, os transistores são curtocircuitados com diodoentre o emissor e o coletor no sentido inverso de sua condução para permitir o retornoda fcem produzida pela carga. Essa configuração e suas respectivas formas de ondade tensão e corrente é mostrada a seguir.

Funcionamento

Do instante t0 até o instante t2, o transistor T1 está conduzindo a corrente de cargaque atinge um valor máximo + IL. No instante t1, tira-se a corrente da base de T1 epôe-se corrente na base de T2.

Como a corrente na indutância não muda instantaneamente o seu sentido e, nestemomento, a corrente de carga em T1 é positiva, a condução será feita por D2 até oinstante t2.



Durante o período compreendido entre t1 e t2, a energia armazenada na indutância dacarga é dissipada: parte na resistência de carga e parte no retorno para a fonte de CC.Esse fluxo de corrente entre t1 e t2 corresponde ao retorno ou recuperação dapotência reativa.

Devido à inversão da corrente, no instante t2, esta deixa de passar por D2 e começa acircular por T2.

A corrente de carga contínua crescente no sentido negativo até que, no instante t3, otransistor T2 é cortada e T1 entra em saturação. Com isso, completa-se o semiciclo deoperação do inversor. O outro semiciclo é idêntico, com T1 e T2 alternando os estadosde corte e condução.

ObservaçãoOs sinais de comando aplicados às bases dos transistores T1 e T2 podem variar afreqüência da tensão de saída, porém não podem variar a freqüência da tensão desaída, porém não podem variar seu valor eficaz.

Inversor monofásico com configuração “push-pull”

Este tipo de inversor leva este nome devido à sua semelhança com a configuração dosamplificadores de potência que têm esse mesmo nome .

O inversor “push-pull” é auto-excitado, ou seja, não usa comando externo para ligar edesligar os transistores. Possui, portanto uma freqüência natural de funcionamento.

Veja essa configuração no diagrama que abaixo.



Funcionamento

Na condição inicial, supõe-se que o transistor T1 esteja conduzindo uma correntecrescente. O sinal de realimentação na base de T1 é elevado e esse transistor élevado ao estado de saturação, enquanto que T2 permanece em corte devido àpolaridade da tensão induzida na metade do enrolamento do transformador que estáligado à sua base.

Com T1 saturado, sua tensão coletor emissor é praticamente desprezível e toda atensão de alimentação VCC é aplicada à metade do enrolamento primário dotransformador.

A taxa de variação da corrente e do fluxo magnético é constante durante este período.A corrente em T1 continua crescendo com variação constante até que o núcleo dotransformador se sature. Nesse ponto, o fluxo magnético cessa sua variação e atensão induzida de realimentação se torna nula nos outros enrolamentos.

A corrente de coletor de T1, então começa a decrescer, uma vez que não existe mais osinal de realimentação que o mantinha saturado. Nesse momento, há o colapso docampo magnético, ou seja, o núcleo saí do estado de saturação. Este retorno gera umsinal de realimentação com polaridade tal que leva T2 ao estado de saturação e forçaT1 a manter o estado de corte.

A corrente em T2 agora aumenta linearmente seguindo a mesma relação vistaanteriormente até que o núcleo seja saturado, desta vez com o fluxo magnético emsentido contrário.

A partir desse ponto, o ciclo se repete de forma análoga com cada transistor mudandode estado (saturado ou em corte) o que resulta numa corrente alternada no secundáriodo transformador.



A ilustração abaixo mostra as formas de onda desse circuito.

a) Da variação do fluxo que é triangular como a da corrente uma vez que amboscrescem e decrescem linearmente.

b) Da tensão no secundário do transformador que será constante durante cada meiociclo e de forma quadrada.

A freqüência de oscilação é determinada pela equação:

f = s0 . 1n

Vcc

Onde 0s é o fluxo de saturação do núcleo; n1 é o número de espiras de meioenrolamento primário do transferidor; Vcc é a tensão da fonte de alimentação.

Observação1. Essa configuração pode ser usada na conversão CC/CC, mediante o acréscimo de

um retificador e um filtro no secundário do transformador do inversor.2. Para se conseguir uma componente senoidal fundamental nestes inversores, usa-

se em sua saída um filtro passa-baixa (LC). Esse procedimento, porém, reduz orendimento geral do inversor.



Inversor transistorizado trifásico

O inversor transistorizado trifásico é semelhante a outros circuitos trifásicos em ponte.É composto por seis transistores e um circuito de chaveamento para os transistores.

Os sinais para o chaveamento dos seis transistores são gerados por multivibradoresque operam em sincronismo de freqüência, porém defasados de 120º com a finalidadede simular as condições de um sistema trifásico real.

Veja a seguir o circuito de potência do inversor trifásico bem como as formas de ondados sinais na base dos transistores e a corrente resultante em cada fase para osdiversos intervalos de condução dos dispositivos.

Tipos de inversores a tiristores

Os circuitos inversores a tiristores que serão estudados neste capítulo são:• Inversor com capacitor em paralelo;• Inversor comutado por impulso auxiliar;• Inversor comutado por impulso complementar;• Inversor com fonte de corrente constante.



Um esquema simplificado de um circuito inversor com capacitor em paralelo émostrado a seguir.

Funcionamento:A fonte E é ligada alternadamente aos primários do transformador através dos SCRsV1 e V2. Ao ser disparado o SCR V1, a corrente circula pela metade (N1) dotransformador, pelo SCR, pela fonte e pela indutância L. Com isto, o capacitor écarregado com tensão 2E indicada e no secundário aparecerá uma tensão induzidaque dependerá do número de espiras.

Quando V2 é disparado, a tensão 2E armazenada no capacitor levará o SCR V1 aocorte e a corrente passa a circular pela metade N1 do transformador, pelo SCR V2,pela fonte e indutor L invertendo a polaridade do capacitor.

A indutância L colocada em série com a fonte tem a finalidade de impedir que ocapacitor se descarregue instantaneamente pela fonte quando da comutação dosSCRs.

O diagrama esquemáticodo circuito inversorcomutado por impulsoauxiliar é mostrado aseguir.



Funcionamento:Inicialmente, o capacitor está carregado com a polaridade (+,-) indicada no desenho.Suponhamos também que Q1 está conduzindo a corrente de carga. Ao ser disparadoQ1’ , uma corrente circulará através de Q1, indutor e capacitor e levará Q1 ao cortepois, à medida que a corrente cresce em Q1’, diminui em Q1.

Considerando a carga indutiva, quando Q1 parar de conduzir, a indutância da cargaforça o capacitor C a se carregar, através de D2, com uma tensão inversa à inicial devalor igual a 2E.

Com o capacitor carregado inversamente, D2 deixa de conduzir e se Q2 for disparado,a corrente pela carga inverterá e passará a circular por Q2. Dessa forma, o circuitoestá agora com tensão negativa na carga e preparado para a comutação de Q2bastando para tanto o disparo do tiristor Q2. O processo de comutação de Q2 ésemelhante ao descrito para Q1.

Normalmente, encontra-se o circuito inversor comutado por circuito auxiliar naconfiguração em ponte, uma vez que esta não requer o uso de fonte com derivaçãocentral. Veja circuito a seguir.

Nota-se que o circuito mostrado é composto de duas metades idênticas ao circuito dafigura anterior. Como não existe uma ligação direta entre a carga e a fonte, para quehaja circulação de corrente, devem ser disparados dois tiristores simultaneamente (umpara cada metade). Os tiristores Q1 e Q4 com tensão na carga em um sentido e, nosentido oposto, os tiristores Q2 e Q3.



A figura a seguir mostra o circuito de um inversor comutado por impulso complementarna configuração ponte (também como MacMurray- Bedford).

Funcionamento:supondo inicialmente que Q1 e Q4 estãoem condução, o capacitor C2 estarácarregado com polaridade (+ -) indicadano circuito acima. Para simplificar, ocircuito pode ser apresentado da seguintemaneira:

Quando Q2 for disparado, a tensão E armazenada no capacitor C2 é aplicada em L2.Como existe uma relação 1:1 entre as espiras de L1 e L2, será induzida em L1 umatensão E de sentido contrário a E da fonte. Com isto, o catodo de Q1 ficará sujeito aum potencial maior que o anodo e deixará de conduzir. A energia armazenada em L2tenderá a carregar o capacitor C2 com capacidade invertida, porém isso é evitado pelacondução do diodo D2. A comutação de Q4 acontece da mesma maneira que a de Q1quando Q3 for disparado. A figura a seguir mostra um inversor com fonte de correnteconstante.



No circuito mostrado, ao invés da alimentação do circuito ser realizada através de umafonte de tensão constante, ela é realizada por uma fonte de corrente constanteimplementada com uma fonte de tensão e uma indutância elevada. Assim, o circuito decomutação é simplificado, embora a tensão na carga possua “picos” nos instantes decomutação.

Como nos circuitos anteriores, o disparo de Q1 e Q4 fará com que a corrente na cargaseja positiva, ao passo que a condução de Q2 e Q3 será negativa.

Funcionamento:Na condição inicial, vamos considerar Q1 e Q2 conduzindo. Nessa condição, acorrente na carga circulará por Q1 e D1, pela carga, por D4 e Q4. Com isso, temos oscapacitores C1 e C2 carregados com a polaridade + - indicada no desenho.

A comutação de Q1 e Q4 acontece quando são disparados Q2 e Q3. O disparo de Q2e Q3. O disparo de Q2 e Q3 provoca a aplicação da tensão dos capacitores nostiristores Q1 e Q4 polarizados reversamente.

Como carga é geralmente indutiva, a corrente Io não pode mudar instantaneamente.Desta forma, tanto D1 como D4, permanecem em condução, com a corrente circulandopor Q2, D4 e D1, pela carga, por D4, C2 e Q3.

À medida que a corrente na carga diminui, haverá uma mudança gradual da correnteque circula por D1 e D4, para D2 e D3 respectivamente.

Quando essa transição tiver sido completada, as tensões Vc1 e Vc2 serão ambasnegativas (+), (-) indicadas no desenho, a corrente de carga estará circulando por Q2 eD2, pela carga, por D3 e Q3 e o circuito estará preparado para uma nova comutação.

Inversores trifásicos

Os inversores descritos até aqui podem ser arranjados de forma a gerar em sua saídatensão trifásica.



Veja ilustração a seguir.

Dependendo do tipo de inversor e do circuito de disparo, poderemos ter dois ou trêstiristores conduzindo simultaneamente. quando dois SCRs conduzemsimultaneamente, o período de condução de cada SCR é de 180º.

O funcionamento dos dois tipos pode ser melhor entendido observando-se as formasde onda mostradas a seguir.a) Formas de onda para inversor com dois tiristores conduzindo simultaneamente.



b) Formas de onda para inversor com três transistores conduzindo simultaneamente.Circuitos inversores com tiristores

Controle da tensão de saída nos inversores

O problema do controle da tensão produzida pelo inversor ocorre principalmentequando estes são utilizados no controle da velocidade de motores de indução oumotores síncronos. Em tais aplicações, quando a freqüência a fim de aumentar arotação do motor, é necessário um aumento proporcional na tensão para manterconstante a densidade do fluxo magnéticos nos enrolamentos das máquinas. Se isso



não ocorrer, a capacidade de acionamento (torque) será sensivelmente reduzida. Issoacontece, porque em freqüências mais elevadas, a maior reatância apresentada pelosenrolamentos provoca uma redução na corrente sobre eles.

Um efeito contrário ocorre com a redução da freqüência. Por isso, quando osinversores são utilizados para o controle da velocidade de motores de indução, énecessário manter constante a relação tensão/freqüência.

Estudaremos os métodos para se controlar a tensão de modo que essa relação semantenha em níveis ideais.

Processos de variação de tensão

A variação de tensão produzida pelos inversores pode ser conseguida pelos seguintesprocessos:• Controle da tensão na saída;• Controle da tensão na entrada;• Controle da tensão dentro do inversor.

Controle da tensão na saídaEste processo consiste na inserção de um transformador com taps ajustáveis entre asaída do inversor e a carga. A tensão no secundário do transformador pode serajustada automaticamente mediante realimentação. A ilustração a seguir exemplificauma aplicação prática.



Neste caso, a tensão de saída (secundário do transformador) é comparada com atensão proporcional a freqüência proveniente de um conversor freqüência-tensão. Oresultado dessa comparação é um sinal de erro que comanda a mudança de taps notransformador, ajustando a tensão proporcionalmente à freqüência do inversor.

Na prática, esse processo atinge uma precisão de +1% na relação tensão/freqüência.Apresenta, ainda as seguintes vantagens:• Forma de onda não varia com a freqüência;• Fator de potência alto devido à retificação não-controlada;• Possibilidade de partidas suaves do motor mediante ajuste do auto-transformador.

Isso significa que a capacidade de corrente na partida é consideravelmenteaumentada em virtude da relação de transformação existente entre primário esecundário.

Por outro lado, esse processo apresenta as seguintes desvantagens:• Operação do transformador com tensão constante no primário freqüência variável.

Isto requer um aumento considerável nas dimensões do núcleo a fim de evitarsaturação magnética nas baixas freqüências.

• Utilização no sistema de um dispositivo eletroeletrônico de potência para alterar arelação de transformação do auto-transformador. Isso implica em uma redução desua capacidade de responder a variações rápidas do comando ou da carga.

Controle da tensão na entradaNos inversores a tiristores, a amplitude da tensão de saída é diretamente proporcionalà tensão contínua que alimenta o inversor. Essa característica permite a utilização dediferentes métodos para variação da tensão de entrada.

O controle da tensão CC na saída apresenta uniformidade na forma de onda produzidadentro de ampla faixa de freqüência, porém apresenta problemas de comutaçãoquando o inversor é alimentado com tensões muito baixas. Isso acontece porque oscapacitores de comutação não atingiram carga suficiente para desligar os tiristores doinversor.

Se o circuito de comutação for dimensionado para operar satisfatoriamente nacondição de baixa tensão (baixa freqüência) e carga elevada as perdas por comutaçãonos tiristores serão muito elevadas nas freqüências altas.



Essa dificuldade limita a faixa de variação de freqüência a um máximo de 4:1. Paravariação de freqüência dentro de limites mais amplos, usa-se uma fonte de tensãoconstante para carregar os capacitores de comutação. Isso fará com que a capacidadede comutação seja independente da freqüência de tensão de alimentação e dascondições de carga. Esse recurso pode ampliar os limites de variação da freqüênciapara uma relação de até 20:1.

O controle de tensão CC na entrada pode ser conseguido por meio de:• Transformador com taps na entrada;• Retificador controlado;• Retificador e conversor CC-CC (“chopper”).

O processo que usa transformador com taps na entrada consiste em inserir um auto-transformador na entrada do retificador. O ajuste dos taps pode ser feito por umprocesso semelhante através de um controle em malha fechada, com o auxílio de umservo-motor.

O processo que emprega um retificador controlado consiste na utilização de umretificador controlado por tiristores como fonte de tensão variável. Apresenta duasvantagens: resposta muita rápida e caráter estático do sistema de conversão.

Entretanto, para baixas tensões de saída (ângulo de disparo grande para os tiristores),o fator de potência fica bastante reduzido.

Além disso, em baixas tensões, o aumento da ondulação (“ripple”) exige a utilização defiltros de grande capacidade de aplainamento antes da alimentação do inversor. Vejacircuito a seguir.



O processo que utiliza um retificador e conversor CC-CC (“chopper”) consiste emretificar o sistema trifásico convencional por meio de um retificador não-controlado eem controlar a tensão contínua de entrada no inversor através de um conversor CC-CC ou “chopper”.

O valor médio da tensão de saída do “chopper” pode ser controlado por dois processosdiferentes:• Com período constante e TON variável,• Com TON constante e período variável.

Veja esquema básico a seguir.

A utilização do “chopper” oferece a vantagem de resposta rápida ao comando. Autilização de freqüências mais elevadas para comutação dos tiristores do “chopper”reduz as dimensões dos componentes do filtro.



Deve-se observar também o limite de freqüência para o qual as perdas na comutaçãoaumentam excessivamente, produzindo o rendimento geral do sistema.

Controle dentro do inversor (por chaveamento)

O controle por chaveamento é feito basicamente de duas maneiras diferentes.• Controle por deslocamento de fase;• Modulação por largura de pulso.

O controle por deslocamento de fase consiste em combinar a saída de dois inversorestrifásicos idênticos com a mesma freqüência e alimentados pela mesma fonte CC-CCcom deslocamento de fase de saída de um em relação ao outro.

O esquema a seguir mostra o princípio de ligação dos dois inversores. Parasimplificação, foram omitidos os circuitos de disparo e comutação.

O deslocamento de fase é conseguido através do atraso ou adiantamento dos pulsospara os gatilhos dos tiristores de um dos inversores, enquanto que os pulsos do outrosão mantidos como referência.



A seguir são mostradas algumas formas de onda de saída para defasagens diferentes.

Esse processo de controle de tensão dos inversores trifásicos é bastante complexo eimplica em custos elevados para sua instalação. Assim, seu uso não se justifica emníveis pequenos de potência.

Em aplicações de alta potência, contudo, o sistema merece maior atenção e pode sero mais indicado para determinados tipos de acionamento. Cabe lembrar ainda quepara baixas tensões de saída o conteúdo de harmônicos de alta freqüência é elevado.Isso desaconselha sua utilização no acionamento de motores em baixas rotaçõesdurante longos períodos de tempo já que as perdas aumentam consideravelmente emtais condições.

Na prática, relações da ordem de até 5:1 podem ser obtidas na variação da freqüênciautilizando este processo.



Modulação por largura de pulso (PWM)A modulação por largura de pulso (PWM) é um processo de controle de tensão desaída que consiste na introdução de trechos de tensão nula na saída através dodisparo e bloqueio dos tiristores.

O momento do disparo e bloqueio dostiristores é conseguido através dacomparação de uma onda triangular comum nível de tensão contínuo conformeilustração a seguir.

A forma de onda conseguida com esse processo é rica em harmônicos que geralmentenão interessam para o funcionamento da carga e ainda podem perturbar ofuncionamento dos aparelhos das proximidades.

O conteúdo harmônico da tensão de saída pode ser muito reduzido se os intervalos depermanência da tensão de saída em um valor máximo forem diferentes. A largura dopulso é regulada de forma que fique maior nas proximidades do pico da senóidefundamental, como pode ser visto na figura a seguir.



A obtenção dos instantes de disparo do SCR é realizada com a comparação de umaonda triangular com uma senóide de referência. A cada cruzamento da senóide dereferência com a onda triangular, os SCRs mudam de estado.

A figura a seguir ilustra os momentos de disparo dos SCRs.

Ao se variar a amplitude da senóide de referência altera-se o tempo em que os SCRsicam ligados ou desligados. Assim, se a amplitude da senóide for reduzi da pelametade, o tempo em que os SCRs permanecem ligados também são reduzidos pelametade. Isso pode ser melhor entendido, observando-se a figura a seguir.



Em caso de se desejar uma mudança de freqüência na tensão de saída, basta mudara freqüência da senóide de referência conforme pode ser visto no diagrama a seguir.

Em todos os exemplos citados até agora, a forma de onda na saída possui intervalosem que a tensão se mantém em zero, ou seja, a tensão de saída e só positiva ou sónegativa. desejarmos evitar esses intervalos em que a tensão permanece em zerodevemos ter onda triangular variando entre + V e - V como ilustrado a seguir.



Controle de tensão e freqüência em inversoresNeste capítulo estudaremos maneiras de se variar a freqüência e a tensão de circuitosinversores. Estudaremos também como minimizar as harmônicas e quais os tipos decomando em baixa, média e alta freqüência de saída para os inversores como PWM.

Controle de freqüência

O circuito a seguir mostra um inversor comutado por impulso complementar sem oselementos de comutação (simplificado).

Sabemos que o disparo de um tiristor comuta o tiristor complementar. No circuitomostrado, se a carga for indutiva, se Q1 e Q4 forem disparados ao mesmo tempo e Q2e Q3 tiverem disparo simultâneo, as formas de onda do circuito serão as seguintes:

No instante T1, Q1 e Q4 iniciam a condução fazendo com que a tensão de saída sejaV. No instante T/2, Q2 e Q3 são disparados, comutando Q1 e Q4.

Como a carga é indutiva, a corrente deve continuar circulando no mesmo sentido. Paraque isto ocorra, D2 e D3 conduzem até t2, quando a corrente se anula e, invertendo apolaridade, passa a circular por Q2 e Q3.



No instante T, Q1 e Q4 voltam a ser disparados e só assumirão a condução dacorrente no instante t3 porque a carga de D1 e D4 é indutiva no período de condução.

ObservaçãoÉ interessante observar a necessidade de disparo contínuo ou de pulsos de altafreqüência para disparar os tiristores, pois não se sabe em que ponto a corrente decarga se anula para que os SCRs possam começar a conduzir.



Controle da tensão de saída

A tensão de saída é controlada através da defasagem entre os sinais de disparo.Pode-se adiantar o início dos pulsos de disparo pelo espaço de tempo correspondentea 0 como mostram os gráficos a seguir.

No instante t1, Q1 e Q4 iniciam a condução e a tensão na carga positiva.

Em T2, o disparo de Q2 bloqueia Q1. Como a carga é indutiva, a corrente continua acircular no mesmo sentido através de D2 e Q4.

Deve-se observar que Q4 não entrou em bloqueio porque a corrente não se anulou eporque Q3 não foi disparado. Deste modo, a tensão na carga se anula e a corrente caiexponencialmente.



Em T/2, o disparo de Q3 faz com que Q4 seja bloqueado uma vez que a i0 ainda épositiva, a condução se dá através de D2 e D3.

Quando i0 se anula, Q2 e Q3 assumem condução da corrente de carga até t4, quandoQ1 é disparado e comuta Q2. A corrente i0 ainda negativa passa a circular por D1 eQ3 até o disparo de Q4 em T.

Nesse instante, Q3 bloqueia e a corrente passa a fluir por D1 e D4 até se anular.quando i0 se anula, Q1 e Q4 voltam a assumir a condução.

Outra maneira de variar a tensão de saída consiste na introdução de trechos de tensãonula através do disparo e bloqueio dos tiristores. Uma forma de onda desse tipo émostrada a seguir.

O momento do disparo e do bloqueio dos tiristores é conseguido através dacomparação de um onda triangular com um nível contínuo de tensão conforme gráficoabaixo.

A forma de onda conseguida com esse processo é rica em harmônicos que geralmentenão interessam ao funcionamento da carga e ainda podem perturbar o funcionamentodos aparelhos das proximidades.



Redução de harmônicos

O conteúdo harmônico da tensão de saída pode ser muito reduzido por uma técnicachamada PWM (“pulse width modulation”, ou seja, modulação de largura de pulso) queconsiste em fazer com que os intervalos de permanência da tensão de saída em valormáximo sejam diferentes. A largura do pulso é maior nas proximidades do pico dasenóide fundamental. Veja gráfico a seguir, onde também é mostrada a obtenção dosinstantes de disparo dos SCRs.

No gráfico, uma senóide de referência é superposta a uma onda triangular deamplitude constante. A cada cruzamento da senóide de referência com a ondatriangular, os SCRs mudam de estado.

O uso de uma onda triangular pode ser justificado se observarmos a figura a seguir.

No gráfico mostrado, apenas um trecho do período de duas senóides superpondo amesma onda triangular, é mostrado. A relação de amplitude das senóides é de até 2:1e, se deve ser mantida uma proporção entre amplitude e largura de pulso, a relaçãoentre as larguras dos pulsos também deve ser de 2:1. Dentro do trecho em que é feitaa comparação, as senóides podem ser comparadas trechos de reta e, sendo assim, aslarguras de pulso mantêm a proporção.



Se for desejada uma mudança na freqüência da fundamental da tensão de saída,basta mudar a freqüência da senóide de referência.

As formas de onda mostradas foram obtidas pela introdução de zeros tanto no semi-ciclo positivo quanto no negativo da senóide fundamental. Isso significa que a tensãoPWM resultante é ou só positiva ou só negativa.

Isso é conseguido no circuito da figura abaixo através da comutação de um tiristor decada vez.

Se desejarmos evitar os períodos de zero na tensão PWM resultante, Q1 e Q4 ou Q2 eQ3 devem ser disparados simultaneamente como mostra o gráfico a seguir.

Todos os processos em que há chaveamento constante dos SCRs durante o período,proporcionam uma redução na amplitude dos harmônicos de baixa ordem e facilitamuma eventual filtragem. Todavia, essa redução na amplitude dos harmônicos causaperdas maiores de comutação, pois o número de comutações é maior de quando atensão de saída é uma onda quadrada.



Comando do módulo de potência

Conforme o ponto de trabalho na curva característica V/f é realizada a modulaçãoatravés da qual se obtém o comando dos tiristores da parte inversora do inversor dereferência (PWM).

A modulação é realizada através da comparação de uma curva senoidal ou retangularcom uma triangular. Desse modo, o sistema de modulação apresenta uma ótima ondafundamental com pequenas ondas de ordem superior que, em altas freqüências,diminuem as amplitudes da corrente e do momento.

Isso é conseguido utilizando-se vários sistemas de modulação, dependendo do pontode trabalho V/f.

Dentro do possível, as inevitáveis harmônicas de ordem superior devem apresentaralta freqüência para que assim possa haver pequenas amplitudes de corrente econjugado. Isso permite ótimas rotações concêntricas (em baixa rotação).

Por isso, é escolhida a relação de freqüência dos pulsos (Fp) pela freqüência dos

pulsos pela freqüência da onda fundamental (FG), segundo a relação FgFp = K .Veja a

tabela a seguir.

Distribuição do Sistema de Modulação

Modulação Chaveamento

Senoidal livre 12

Senoidal 9

Retangular 9

Retangular 7

Retangular 6

Retangular 3

Retangular 3

(Flancos)



Comandos de baixas freqüências

No caso de baixa freqüência de saída, a modulação é realizada pela comparação entreo sinal de referência senoidal com o sinal de onda triangular. Com isso, obtém-se amodulação senoidal.

Através desse sistema de modulação senoidal, pode-se trabalhar com freqüência desaída até zero. Isso fornece uma faixa de freqüência extremamente grande compossibilidade de se manter o conjugado com o rotor parado.

Comando em médias freqüências de saída

À medida que a freqüência de saída aumenta, deve ser diminuída a relação Fp/FG = K,ou seja, o chaveamento da onda é reduzido.

Para uma melhor taxa fundamental, a tensão passa a ser modulada a partir de umatensão de referência não mais senoidal e sim retangular.



Comando em altas freqüências de saída

A melhor taxa da fundamental é obtida, com o bloco completo da tensão de referênciaUref, sem modulação. Contudo, a passagem de um sistema modulado para um nãomodulado é realizada através da modulação dos flancos para não ocorrer uma rotaçãonão-concêntrica que provocaria ondas inadmissíveis de conjugado.

Como ocorrem 6 comutações durante cada período da fundamental (devido ao tempomínimo do processo ser de 250 µs), o tempo total será de 1,5 ms e, por conseqüência,a freqüência (FG) será de 666,66 Hz.

Porém, considerando-se as perdas de chaveamento, o circuito comutador é limitado auma freqüência máxima de 400 Hz, o que corresponde a uma onda de tensão não-modulada em freqüência altas de saída.

À medida em que a variação de freqüência ocorre, o sistema de modulação é mudado(num total de 7) conforme o ponto de trabalho da linha característica V/f.

É necessário lembrar que a transição do sistema modulado para não-modulado ocorrecom passagem de modulação de flancos. Isso evita que se produza degrausindesejáveis de tensão na saída.

Inversor Six Step

As tensões produzidas pelo inversor formam um sistema trifásico equilibrado conformeformas de onda cuja freqüência pode ser controlada.

Essa técnica de acionamento possui virtudes e defeitos:

DefeitosEm nenhum momento foi mencionado que a tensão teria seu valor variado conforme afreqüência do acionamento. Neste circuito isso não ocorre, portanto teremos umadiminuição do fluxo magnético da máquina e conseqüentemente teremos perda deconjugado.



Antigamente esse tipo de problema era solucionado por meio da colocação de umtransformador devidamente calculado que possuía vários tapes em sua saída e aseleção desses tapes ocorria automaticamente, de acordo com a variação davelocidade do motor.

Outra solução muito empregada para solucionar o mesmo problema era substituir oretificador trifásico não controlado por um controlado à base de SCR.

Nesse tipo de circuito, ao mesmo tempo que a freqüência variava no inversor osângulos de disparo no retificador também eram variados.

Atualmente, esses problemas foram resolvidos através da técnica de modulação PWM.

Outro problema desse circuito é o conteúdo harmônico elevado, tanto na tensão comona corrente.

A operação do motor fica prejudicada em função da presença de conjugados pulsantese em função do sobreaquecimento do motor.

VirtudeO valor eficaz da tensão é o mais alto possível.

Técnicas de Modulação

Uma das técnicas primitivas de modulação era acoplar ao six step um Duty Cicle,fazendo com que as chaves ficassem desligadas (em um dos estados neutros) duranteum determinado tempo.

Com a variação do Duty Cicle controlava-se a tensão aplicada ao motor. Com a técnicado Duty Cicle controlava-se a amplitude da tensão, mas o conteúdo harmônico nãosofria alteração comparado com o six step.

Uma possibilidade que dá origem às técnicas de modulação modernas é que os zeros(períodos de desligamento) não devem ser distribuídos igualmente ao longo do ciclo.Devemos distribuir os zeros de modo a diminuir o conteúdo harmônico da tensão.



Existem diversas técnicas de modulação PWM, que experimentaram um enormeprogresso a partir de 1960.

Tipos de PWM consideradas como principais pela literatura técnica• Natural Sampling• Regular Sampling• Optimal Sampling• Current Controlled PWM

Uma das técnicas clássicas é o Natural Sampling, que poderia ser implantado de formasimples através de circuitos analógicos. Nesse tipo de técnica os períodos dedesligamento eram definidos pelo cruzamento de uma onda triangular (chamada deportadora) com uma onda senoidal de amplitude m (índice de modulação) variável,conforme figura abaixo.

O número de ondas triangulares existentes por período da onda senoidal definia onúmero de pulsos resultantes na saída. A relação:

n = (número de triângulos da portadora) / (ciclos da senóide)

onde n = índice da portadora



Forma de Onda Primitiva sobrepondo ao Six Step um Duty Cicle

Forma de onda considerando modulação Natural Sampling

Considerando o exemplo anterior, temos:número de ondas triangulares = 9ciclos da senóide = 1n = ( 9 / 1 ) = 9

Para calcular a freqüência do sinal, devemos aplicar a seguinte relação:

F = 2.n.60

Portanto a freqüência dos pontos de recorte da onda (zeros) será:

F = 2 . 9 . 60 ⇒ F = 1.080 Hz



Formas de onda da Tensão Fase Neutro do motor e a corrente típica

Utilizando mais pulsos por ciclo (freqüência maior de chaveamento, que estárelacionada com o tipo de chave eletrônica) os resultados são melhores.Supondo n = 45, temos:F = 2.n.60F= 2.45.60 ⇒ F = 5.400 HzFormas de onda Fase Neutro do Motor de Indução considerando PWM NaturalSampling, com n = 45.



Veja a figura a seguir.

Controle Escalar de InversoresMuitos dos inversores de freqüência encontrados no mercado são controles em malhaaberta. Neste tipo de controle o fluxo é mantido constante por meio do ajuste da curvavolts/hertz.

O escorregamento do motor é considerado como grandeza fundamental. Tenta-sefazer com que o motor nunca opere com valores altos de escorregamento, e para tantoinclui-se no controle um sistema que define os valores de aceleração e frenagem domotor.

Os valores de f1 (freqüência de referência) e de V1 (tensão de referência) atuam nocontrole que realiza a síntese do PWM. Este último gera os sinais de comando queserão enviados aos transistores.



Diagrama de Controle em Malha Aberta de Inversores PWM

Diagrama de Controle Típico de um Inversor PWM

O ajuste do fluxo do motor é feito em malha aberta, através da curva volts/hertz.

Consideramos inicialmente que não exista o ajuste de slip.



Medindo a corrente do motor é possível extrair, com relativa precisão, o valor doescorregamento do motor. Com isto é possível atuar sobre a rampa de aceleração,fazendo com que o valor de f1 aumente mais lentamente e evitando níveis elevados deescorregamento. Ao ajustarmos a taxa de aceleração desta forma, estamos limitando acorrente do motor.

Medindo-se a corrente do motor é possível atuar diretamente sobre a síntese do PWM.Em caso de necessidade, podemos desligar todos os transistores, o que correspondea uma proteção instantânea.

Quando as taxas de frenagem são muito elevadas, a tensão no link DC soberapidamente. Como essa tensão está sendo medida, será possível atuar sobre arampa de frenagem, fazendo com que f1 (referência de freqüência) diminua maislentamente. Ao ajustar a taxa de aceleração desta forma estamos limitando a tensãodo link DC.

Quando utilizamos o bloco ajuste de slip estamos tentando corrigir a velocidade dorotor, aumentando ligeiramente a freqüência do campo girante. O sinal de corrente domotor atua como Tacômetro Virtual.

Para realizar a inversão do motor basta trocar os sinais de comando dos transistoresde duas das fases do inversor.

Para evitar níveis de tensões elevados no link DC durante a frenagem é possívelincorporar um resistor de frenagem ao sistema, com seu respectivo controle.



Circuito didático de um inversor com modulação natural sampling

Formas de onda na carga

Tensões de fase VRN, VSN, VTN



Formas de onda na carga

Tensões de linha VRS, VST, VTR

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