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Electrónica de Potência - 2005/2006 – Inversor Monofásico

Concepção e implementação de:

Inversor Monofásico com comando por modulação de

largura de impulso

1º Bloco -circuitos de alimentação e potência António Manuel Lopes de Azevedo ee02057 António Pedro Gomes Sousa e Silva ee02058 Diogo Fernando Coelho Oliveira ee02082 Luis Filipe Ferreira da Silva Peneda ee02156 Ricardo Manuel Valente Barbosa ee02206

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INDÍCE

• Introdução/objectivos..........................................................................................03

• Rectificação.........................................................................................................04 Rectificação não controlada com ponte de diodos completa...............05

Rectificação não controlada de meia ponte..............................................08 Rectificação com ponte mista......................................................................11 Rectificação com uma ponte dupla controlada usando tirístores.........14 Rectificação com uma ponte simples controlada usando tirístores.....17

• Implementação................................................................................................20

• Circuito de potência do inversor.................................................................23 • Resultados experimentais........................................................................24 • Conclusões.....................................................................................................28

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Introdução/objectivos Este trabalho teve como objectivos a implementação de um inversor monofásico

com comando por modulação de largura de impulso. Consiste assim na concepção de um conversor de potência CC/CA onde é requerida uma potência aparente disponível à saída de 4KVA com uma tensão eficaz de 230 V.

O nosso grupo tratou do primeiro bloco que consistiu no estudo e implementação dos circuitos de alimentação e potência. Assim este bloco do trabalho tem como objectivos:

Construção dos circuitos de alimentação da ligação CC, filtragem e do circuito de potência do inversor;

Selecção da topologia mais adequada bem como dos componentes a usar, tendo em conta as correntes de arranque, espaço, custo...;

Construção e teste dos diferentes circuitos e a sua integração. Vamos ao longo deste relatório descrever o tipo de abordagens que fizemos aos

diferentes tipos de problemas que nos foram surgindo e comparações às diferentes soluções que poderíamos implementar.

No que diz respeito à rectificação são ilustradas diferentes tipos de rectificação (topologias) e diferentes tipos de componentes de potência a utilizar sendo justificada a solução por nós adoptada quer no tipo de topologia quer no tipo de semicondutores de potência utilizados.

São também feitas análises comparativas dos circuitos auxiliares necessários ao funcionamento da rectificação.

No que diz respeito à implementação do circuito de potência do inversor fizemos uma abordagem menos exaustiva uma vez que este circuito é igual para as três turmas assumindo assim uma forma “standard”.

São ainda discutidos os diferentes tipos de problemas que nos foram surgindo quer na implementação dos vários circuitos quer na fase de interligação dos mesmos.

Vamos assim fazer uma abordagem sequencial do trabalho seguindo as diferentes etapas segundo a abordagem por nós feita na prática. Começamos assim pela rectificação, circuitos auxiliares á rectificação, de seguida problemas relacionados com o isolamento galvânico e finalmente o circuito de potência do inversor.


Rectificação

Tendo em conta os requisitos do inversor, isto é, uma potencia aparente à saída de 4KVA com uma tensão eficaz de 230 V levantou-se uma questão, qual a diferença de potencial que deveria estar no barramento DC de forma a satisfazer estes requisitos.

Segundo a equação:4

2×××=

nVV DC π , e como V=230V e n =1 (pois queremos o

termo fundamental) obtemos a tensão DC tal que:

VVDC 25521

2304=

×××

=π

Numa primeira abordagem à rectificação surgiu uma questão de extrema importância: “Fazer rectificação controlada ou não”. Contudo esta resposta apenas poderia ser dada após fazer simulações das diferentes abordagens comparando-as para poder obter as vantagens e desvantagens de cada uma e perceber a exequibilidade das mesmas. Apesar de uma resposta definitiva só poder ser dada depois de realizadas todas as simulações houve um maior interesse quer da nossa parte quer da parte dos docentes em implementar uma rectificação controlada uma vez que esta ainda não tinha sido implementada em anos anteriores.

De seguida é feita uma análise de diferentes tipos de rectificações tentando chegar a uma solução que melhor se adapte aos requisitos do trabalho e tendo em conta a sua exequibilidade.

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Rectificação não controlada com ponte de diodos completa(PD3)

Fig. Esquema da simulação

Fig Formas de onda da tensão e corrente

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Fig Formas de onda da tensão e corrente em regime permanente.

Fig Analise em frequência da montagem

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Resultados da simulação:

Valores de arranque

I entrada (A) I saída (A) Valor Pico 33,1 33,7

Valores em regime permanente

I entrada (A) I saída (A) V saída (V) Média 14,1 21,5 257,7 RMS 17,4 21,5 257,7

Podemos através destes resultados concluir que apesar de a tensão no barramento DC ser aproximadamente a desejada possui algumas limitações que consideramos relevantes.

Necessitamos de componentes auxiliar para limitar a corrente de arranque que tem que ser postos fora de serviço após o regime transitório. É de notar o valor elevado da bobine de arranque o que é um grande senão uma vez que estando envolvidas correntes de cerca de 16A levaria a um custo elevado para este componente e grande ocupação de espaço. Dois aspectos que num ambiente não académico adquirem ainda uma maior importância. Uma das vantagens desta montagem é a simplicidade da sua implementação, a parte com alguma complexidade seria a montagem de um circuito auxiliar para retirar de serviço a bobine de arranque.


Rectificação não controlada de meia ponte

Fig Esquema da montagem.

Fig Formas de onda da tensão e da corrente.

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Fig forma de onda da tensão e da corrente em regime permanente.

Fig Análise em frequência da montagem.

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Valores de arranque



I entrada (A) I saída (A) V saída (V) Média 7,5 22,5 268 RMS 12,9 22,5 268

Aqui temos mais uma simulação agora com uma meia ponte não controlada que mais uma vez não tem resultados muito satisfatórios. Apesar da análise em frequência não ser tão boa como na ponte completa, para as diferentes variáveis, os valores em regime permanente da tensão e da corrente no barramento DC são os pretendidos. No regime transitório temos uma corrente de arranque que atinge valores muito elevados, apesar de ter um circuito de limitação, também temos nesta montagem a desvantagem da ponte completa de diodos, isto é, uma bobine de grandes dimensões que apenas é utilizada no regime transitório Assim esta montagem tal como a anterior não apresenta resultados muito satisfatórios para uma possível implementação apresentando mesmo alguns resultados que não possibilitariam a sua implementação onde se destaca a elevada corrente de arranque.


Rectificação com ponte mista

Fig esquema da montagem.

Fig Formas de onda da tensão e da corrente.

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Fig Formas de onda da tensão e da corrente em regime permanente.

Fig Análise em frequência da montagem.

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Valores de arranque



I entrada (A) I saída (A) V saída (V) Média 7,9 14,2 282,8 RMS 15,1 20,1 282,2

Com esta montagem o problema da corrente de arranque continua a existir contudo é de notar que neste caso já não é utilizado qualquer circuito auxiliar de arranque para limitar o valor da corrente em regime transitório. Os valores finais para a tensão e corrente no barramento DC estão dentro da gama pretendida. Assim esta configuração apesar de melhor relativamente ás apresentadas anteriormente também não é satisfatória. Apresenta uma grande corrente de arranque o que do ponto de vista da exequibilidade da montagem é um grande entrave.

Os primeiros harmónicos, da resposta em frequência da corrente, desta montagem são de amplitudes elevadas o que leva a uma forma de onda algo distorcida na simulação.


Rectificação com uma ponte dupla controlada usando tirístores.

Fig esquema da montagem.

Fig formas de onda da corrente e da tensão.

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Fig. Formas de onda da tensão e da corrente em regime permanente.

Fig. Análise em frequência da montagem.

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Resultados da simulação.

Valores de arranque

I entrada (A) I saída (A) Valor Pico 28.4 29.6


I entrada (A) I saída (A) V saída (V) Média 11.9 17.9 267.8 RMS 15.8 19.3 268.8 Vmax = 269.5 V Vmin = 266.2 V

Podemos ver que estes resultados são bastante mais satisfatórios do que as simulações anteriores. Aqui conseguimos controlar a corrente de arranque, sendo bastante baixa quando comparada com as anteriores. Logo á partida é uma grande vantagem tendo ainda em conta que esta montagem não utiliza qualquer bobine de arranque para limitação da corrente em regime transitório.

O controlo da corrente de arranque é feito com os tíristores usando um ângulo de disparo variável. Este ângulo varia numa fase inicial passando depois para um valor estável. Assim garantimos uma tensão no barramento DC por volta dos 270 (V) satisfazendo assim os requisitos do para o inversor. Assim actuando apenas nos ângulos de disparo dos tirístores conseguimos controlar a corrente de arranque e controlar a tensão de saída no barramento DC. Esta montagem tem vantagem na sua implementação pois para além de satisfazer os requisitos, é uma solução nova nesta cadeira que como à partida foi referido uma rectificação controlada teria todo o interesse a ser implementada uma vez que em anos anteriores ainda não foi realizada. A resposta em frequência desta montagem na tensão é bastante satisfatório porque não apresenta praticamente nenhum harmónico, só a componente fundamental. Na corrente de saída verificamos que possui um harmónico de elevada amplitude aos 300 Hz (5º harmónico) mas tendo em conta as vantagens desta montagem consideramos estes harmónicos aceitáveis.


Rectificação com uma ponte simples controlada usando tirístores.

Fig. esquema da montagem.

Fig. Corrente na saída e tensão no barramento DC em regime permanente

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Fig. – Corrente de saída e tensão no barramento DC

Fig. Análise em frequência da montagem

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Resultados da simulação.

Valores de arranque

I entrada (A) I saída (A) Valor Pico 29.9 29.9


I entrada (A) I saída (A) V saída (V) Média 5.78 17.3 260.1 RMS 11.1 19.2 260.1 Vmax = 264.4 V Vmin = 256.5 V

Com a simulação com meia ponte controlada obtivemos resultados muito parecidos com os da ponte completa, isto é, eliminamos o problema da corrente de arranque e os requisitos de corrente e tensão no barramento DC são os pretendidos por forma a conseguir uma inversão de 230 V eficazes e têm também as mesmas desvantagens nomeadamente a presença de dois harmónicos significativos.

Surge então a questão: “que montagem utilizar para a rectificação?” Escolha do circuito de rectificação:

Numa primeira abordagem pensamos em implementar uma rectificação totalmente controlada de ponte completa (PD3) que nos pareceu a mais adequada para o problema em questão. Contudo e após termos começado a implementar este tipo de rectificação optamos por fazer uma rectificação controlada apenas de meia ponte uma vez que recorremos a menos tirístores, menos fontes de alimentação para os opto-acopoladores dos comutadores mais negativos e as vantagens da utilização da ponte completa não compensam o uso de mais material, uma montagem mais complexa e mais susceptível a erros. Garantimos assim uma também uma tensão no barramento DC por volta dos 270 (V) de acordo com os requisitos.


Implementação Conforme foi descrito nas simulações para não obtermos uma corrente

de arranque elevada recorremos a um ângulo de disparo inicial elevado e depois diminuímos o ângulo de disparo de forma a aumentarmos a tensão de saída. Utilizando este método obtemos um arranque mais suave, isto é, pretendemos não ter correntes elevadas no arranque e depois aumentando gradualmente o ângulo de disparo aumentamos proporcionalmente a tensão de saída.

Para realizar esta variação do ângulo de disparo que irá ser a entrada do pino 11 dos TCA 785 recorremos ao seguinte circuito:

Como queremos um ângulo de disparo inicial elevado, que ao longo do

tempo irá diminuir até estabilizar num ângulo de disparo final de forma a obter um arranque suave e uma tensão no barramento DC de cerca de 270 (V) recorremos a um circuito RC seguido dum diferenciador. O papel do RC é obter uma curva que irá representar a evolução do ângulo de disparo ao longo do tempo, esta curva é variável de acordo com a constante de tempo do RC. Contudo como a curva por nós pretendida é descendente recorremos a uma montagem inversora para obter este resultado. Assim obtemos uma tensão que ira diminuir ao longo do tempo até estabilizar, o que corresponde à evolução do ângulo de disparo A conversão dessa curva de tensão em ângulos de disparo é

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feita de acordo com as características do TCA 785 estando essa conversão na tabela em anexo

Para realizar o circuito de comando dos tirístores recorremos ao integrado TCA785 com seguinte montagem:

Este integrado permite a detecção da passagem por zero da tensão de

sincronização, o que nosso caso seria a passagem por zero das tensões compostas. O integrado gera uma onda triangular, que irá ser comparada com uma tensão de controlo. Esta tensão de controlo é, no nosso caso, a tensão que representa os ângulos de disparo pretendidos. Quando esta tensão de controlo é superior à tensão da onda triangular, que está solidária com as passagens por zero da tensão de sincronização, é gerado um sinal de saída que irá para as “gates” dos tirístores.

Teoricamente os ângulos de disparo são calculados a partir da passagem por zero das tensões compostas (tal como foi feito durante as simulações na ferramenta de simulação Psim), mas devido às características do integrado não foi utilizado a tensão composta (pois teríamos 400V como tensão de sincronização) mas sim utilizada a tensão simples. Foi assim necessário proceder a um ajuste dos valores dos ângulos de disparo como podemos verificar pela figura abaixo:

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Os novos ângulos de disparos vão ter que ter mais 30º que os ângulos

de disparo usados na simulação para compensar o uso da tensão simples em vez das tensões compostas. Os TCA785 necessitam igualmente dum sinal de “enable”. Este sinal é dado simultaneamente com o ângulo inicial de disparo dos tíristores de forma a garantir uma sincronização dos 3 TCA785 no tempo através da utilização dum interruptor que acciona os dois circuitos em simultâneo. Na meia-ponte utilizada na montagem os tíristores têm todos os seus cátodos num ponto comum (cátodos comuns), e para começarem a conduzir é necessário um sinal de “gate”. Este sinal de “gate” é uma tensão “gate”-cátodo que é necessário aplicar a cada um dos tíristores. Como esta tensão é entre esses dois pontos, sendo os cátodos comuns é necessário isolar o sinal proveniente dos TCA785 do sinal aplicado aos tirístores. Para garantir este isolamento recorremos a opto-acopoladores 4N25 com a seguinte montagem: A alimentação do lado do sinal, isto é, do lado dos TCA785 é referido ao neutro do trifásico e a alimentação do lado dos tíristores é referida ao cátodo, isto é, do lado dos tíristores temos uma massa flutuante com os cátodos. Utilizando os opto-acopoladores garantimos assim o isolamento entre a parte de comando/sinal da parte de potência.

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Circuito de potência do inversor

No que diz respeito a esta parte do trabalho não foi por nós muito

desenvolvida uma vez que a ponte em “H” para a inversão foi igual para as três turmas, uma ponte de IGBT´s fornecida pelos docentes a qual a nos limitamos a montar num dissipador e fazer as ligações do barramento DC á entrada da ponte e as saídas em conectores para a ligação do comando.

Apresentamos assim de seguida a imagem da ponte inversora utilizada:

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Resultados experimentais

Descarga do condensador do circuito RC

Podemos aqui ver que o circuito RC já anteriormente descrito tem o comportamento pretendido uma vez que é uma curva descendente, desde de uma tensão inicial(15 V), que corresponde ao ângulo inicial de disparo dos tirístores e estabiliza numa tensão final (9 V), que corresponde ao ângulo final de disparo dos mesmos (ver tabela em anexo).

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Condensador a carregar dos 0V ate aos 268V Através desta imagem é possível ver o condensador que irá fixar a tensão no barramento DC. Este demora sensivelmente 400ms desde que o botão é accionado até se manter na tensão pretendida.

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Analise do Ripple do barramento DC

Nesta figura podemos medir, com ajuda do osciloscópio digital, a variação da tensão nos terminais do condensador (a tensão de Ripple ).Temos uma variação de 6Volt, que podemos considerar um bom resultado, pois comparativamente com os 268Volt da tensão DC é bastante aceitável.

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Descarga do condensador após desligar o botão do circuito RC.

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Conclusões Deparamo-nos com alguma dificuldade com a implementação do circuito de comando, pois com as características pretendidas para o comando não existia nenhum circuito tipo standard. Com circuito de comando utilizado é nos possível ajustar o valor da tensão no barramento DC, com alguma facilidade ajustando os potenciómetros que controlam os ângulos de disparo podemos variar esta tensão. O ajuste do potenciómetro permite-nos obter um arranque suave sem grandes picos de correntee com a tensãao no barramento DC desejada. Esta funcionalidade do circuito foi muito util uma vez que desta forma conseguimos testar a integração do trabalho com uma tensão no barramento DC inferior a 270 V o que foi util, pois caso existisse algum problema não iria danificar a ponte de IGBT’s, consideramos esta caracteristica do trabalho muito funcional para testes do mesmo. O circuito de ataque as gates dos tirístores, isto é, os integrados TCA 785 foi relativamente acessível a sua implementação pois é um integrado bastante utilizado neste tipo de aplicações. A montagem do circuito de potência foi relativamente simples pois os seus componentes eram de montagem directa. Com esta montagem conseguimos atingir o regime permanente em menos de um segundo e obter uma tensão bastante estável obtendo um Ripple de cerca 2%. O tempo de implementação desde o fim da parte de simulação ate ao funcionamento completo do circuito total consumiu-nos algum tempo, mais do que esperávamos, devido as dificuldades que encontramos e que não estávamos a espera. Concluindo achamos que foi um trabalho interessante de realizar, pois utilizamos técnicas e recursos novos e a aprendizagem apesar de demorada foi produtiva.

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