estudos harmonicas na ponte h

7/24/2019 Estudos Harmonicas na Ponte H

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FUNDAO EDUCACIONAL INACIANA PADRE SABIA MEDEIROS

RELATRIO PARCIAL DO PROJETO DE INICIAO CIENTFICA

Estudo das harmnicas em conversores CC-AC

implementados sob a topologia Ponte H

Nome:Diego da Conceio Soleira

Orientador:Milene Galeti

Perodo: 6 meses

Incio do Projeto: 02/2014


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NDICE

CRONOGRAMA .............................................................................................. 6

ETAPAS PREVISTAS PARA O PERODO ..................................................... 7

1. INTRODUO ......................................................................................... 8

2. CONCEITOS FUNDAMENTAIS ............................................................... 9

2.1. Harmnicos ......................................................................................... 9

2.1.1. Perturbaes indutivas por cargas no lineares ........................ 10

2.1.2. Analise da taxa de distoro harmnica (THD) .......................... 13

2.1.3. Decomposio do espectro resultante ....................................... 14

2.2. Inversores ......................................................................................... 15

2.2.1. Inversor com sada quadrada ..................................................... 16

2.2.2. Inversor com sada quase-quadrada. ......................................... 18

2.2.3. Modulao por Largura de PulsoMLP .................................... 19

3. RESULTADOS SIMULADOS ................................................................. 22

3.1. Modulao por largura de pulso senoidal em dois nveis. ................ 23

3.2. Modulao por largura de pulso senoidal em trs nveis. ................. 27

3.2.1. Carga puramente resistiva ......................................................... 32

3.2.1.

Carga indutiva ............................................................................ 35

3.2.2. Carga capacitiva......................................................................... 37

4. CONCLUSO ......................................................................................... 39

5. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ...................................................... 41


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LISTA DE FIGURAS

Figura 2-1- Espectro de um sinal senoidal (60Hz), juntamente com suas

harmnicas mpares............................................................................................. .9

Figura 2-2 - Exemplo de uma forma de onda fundamental (60 Hz - Vermelha)

somada a uma harmnica de terceira ordem (180 HzAzul)............................10

Figura 2-3- Diagrama esquemtico das correntes harmnicas causadas por

cargas no lineares, demonstrando o efeito sobre a impedncia do condutor

(Zcond) e a perturbao causada quando distribuda em outras reas.............12

Figura 2-4- Inversor monofsico e sua forma de onda quadrada de sada........17

Figura 2-5 -- Inversor monofsico, destacando o fluxo de corrente no semi-ciclo

positivo de tenso na carga................................................................................ .17

Figura 2-6 - Inversor monofsico, destacando o fluxo de corrente no semi-ciclo

negativo de tenso na carga............................................................................... .18

Figura 2-7- Forma de onda da onda quase-quadrada5...................................... .19

Figura 2-8- Sinal modulado por largura de pulso de 2 nveis..............................20

Figura 2-9 Formas de onda da tenso e espectro dos sinais MLP de 2 e 3

nveis5................................................................................................................. .21

Figura 3-1Circuito comparador responsvel pela modulao do sinal em dois

nveis................................................................................................................... 23

Figura 3-2 - Demonstrao da comparao entre o sinal senoidal (60Hz) e o

triangular (10KHz), juntamente com a modulao utilizada na topologia do

projeto................................................................................................................. .24


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Figura 3-3 - Circuito utilizado no acionamento dos MOSFETs............................25

Figura 3-4 - Modulao da sada [V(H1N1G1)] e do sinal invertido[V(L1N1G)]

para o chaveamento dos MOSFETs de um dos lados da ponte H......................26

Figura 3-5Circuito inversor em ponte completa.............................................. .27

Figura 3-6- Circuito comparador responsvel pela modulao do sinal em trs

nveis................................................................................................................... .28

Figura 3-7 - Sinais complementares utilizados na modulao em trs nveis.....28

Figura 3-8- Circuito utilizado no acionamento dos MOSFETs em trs nveis.....29

Figura 3-9- Demonstrao do sinal de chaveamento para os dois semi-ciclos na

carga................................................................................................................... .30

Figura 3-10- Visualizao dos trs nveis no chaveamento da ponte-H..............31

Figura 3-11- Amostragem Grfica das tenses harmnicas extradas na ponte-H

10KHz. (modulao a dois nveis)........................... ........................................32

Figura 3-12 - Amostragem Grfica das tenses harmnicas extradas na ponte-H

20KHz. (modulao a trs nveis).................................................................... .33

Figura 3-13THD da tenso em funo da temperatura, para as modulaes de

dois e trs nveis, para uma carga puramente resistiva..................................... .34

Figura 3-14 - THD da corrente em funo da temperatura, para as modulaes

de dois e trs nveis, para uma carga puramente resistiva.................................34

Figura 3-15 Componente de Fourier em funo da ordem das harmnicas,com a variao da temperatura de 27 300oC.................................................. .35


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CRONOGRAMA

O Cronograma de desenvolvimento deste projeto de pesquisa,

conforme previsto anteriormente, est descrito na Tabela abaixo:

EtapasMeses

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1 X X X

2 X X X X

3 X X X X4 X X X

1 Etapa: Estudo bibliogrfico bsico da topologia de um inversor em ponte

completa.

2 Etapa: Simulaes e analise dos dados.

3 Etapa: Caracterizao eltrica dos circuitos inversores.

4 Etapa: Relatrio final.


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ETAPAS PREVISTAS PARA O PERODO

De acordo com o cronograma proposto inicialmente, este trabalho dever ser

desenvolvido em 4 etapas. Sendo que, neste primeiro perodo, a etapas 1 foi

concluda inteiramente e a etapa 2 est em andamento.

Desta forma, podemos afirmar que este projeto de iniciao cientfica vem

cumprindo o cronograma, conforme o previsto inicialmente.

Segue a descrio das etapas previstas para o perodo:

1 Etapa: Estudo bibliogrfico bsico da topologia de um inversor em

ponte completa.

Inicialmente foi realizado um estudo bibliogrfico sobre o inversor em ponte

completa, assim com os possveis circuitos para seu acionamento considerando

as trs modulaes previstas neste trabalho, sendo estas, sada quadrada,

quase-quadrada e modulao por largura de pulso. Nesta etapa tambm foi

previsto um estudo sobre as caractersticas fsicas e eltricas dos dispositivos

semicondutores utilizados no circuito inversor.

Durao prevista: 3 meses

2 Etapa: Simulaes e analise dos dados

Concluda a reviso bibliogrfica, os circuitos inversores foram montados em um

software de simulao de circuitos SPICE, para avaliar o comportamento

eltrico dos mesmos. A partir da anlise dos dados obtidos atravs das

simulaes, estudaremos a montagem do circuito para realizao dos testes

eltricos.

Durao prevista: 4 meses
http://pt.wikipedia.org/wiki/Softwarehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Simula%C3%A7%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_anal%C3%B3gicohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_anal%C3%B3gicohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_anal%C3%B3gicohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Simula%C3%A7%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Software


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1. INTRODUO

O mercado consumidor de energia eltrica atualmente se configura pela

globalizao e competitividade que est intimamente relacionada sua

capacidade de inovao, em geral resultante da utilizao em larga escala de

equipamentos e processos de alta sofisticao tecnolgica e por consequncia

de alta sensibilidade aos requisitos de compatibilidade eletromagntica, de

continuidade e de qualidade de fornecimento de energia eltrica.

No entanto, para atender estes requisitos, h um processo continuo e crescente

de cargas no lineares tanto no mbito industrial como no residencial. As

correntes consumidas por essas cargas no lineares possuem um elevado

contedo harmnico, provocando distrbios na forma de onda da tenso para as

mesmas, que tambm so severamente afetadas por esses distrbios, e para as

demais cargas conectadas ao mesmo ponto de acoplamento. Os efeitos mais

comuns ocasionados pelos harmnicos so falhas de operao, interferncias

em sistemas de telecomunicao, reduo da eficincia e da vida til dos

equipamentos alimentados pela rede em questo. Com base neste contexto, d-

se a necessidade de um estudo cientfico no contedo harmnico dos sinais

gerados por estas cargas no lineares, como inversores, buscando minimizar o

impacto dos mesmos na qualidade de energia eltrica fornecida pela rede de

distribuio.


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2. CONCEITOS FUNDAMENTAIS

2.1. Harmnicos

Os harmnicos so ondas senoidais de tenso ou corrente com frequncias

mltiplas inteiras da frequncia fundamental1. A distoro considerada

harmnica quando a deformao ocorre de forma peridica em todos os ciclos

da frequncia fundamental. Desta forma, o espectro contm apenas frequncias

mltiplas inteiras da fundamental, que no caso do sistema eltrico brasileiro, a

fundamental a frequncia padro de 60 Hz, tendo como segundo harmnico

uma onda senoidal de 120 Hz, terceiro harmnico uma onda senoidal de 180 Hz

e assim por diante. A Figura 2-1 apresenta a frequncia fundamental,

juntamente com as suas harmnicas impares.

Figura 2-1- Espectro de um sinal senoidal (60Hz), juntamente com suas

harmnicas mpares.

Estas ondas senoidais, nas diversas frequncias, chamadas de componentes

harmnicos da onda original, somadas a onda na frequncia fundamental


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resultam em ondas de tenso e corrente cujos formatos no so senoidais,

conforme pode ser observado naFigura 2-2.

Figura 2-2 - Exemplo de uma forma de onda fundamental (60 Hz - Vermelha)

somada a uma harmnica de terceira ordem (180 HzAzul).

Esse tipo de deformao peridica geralmente imposta pela relao no-linear

tenso/corrente caracterstica de determinados componentes da rede, como por

exemplo, transformadores e motores, cujos ncleos ferromagnticos esto

sujeitos saturao. Outra causa de no-linearidades so as descontinuidades

devido ao chaveamento das correntes em conversores eletrnicos, pontes

retificadoras e compensadores estticos.

2.1.1. Perturbaes indutivas por cargas no lineares

Esse tipo de distoro harmnica geralmente imposta pela relao no-

linear tenso/corrente, caracterstica de determinados componentes no-

lineares inseridos na rede. Com base nessa afirmao podemos fazer uma

anlise no circuito submetidos a estas perturbaes harmnicas, ressaltando

que estas componentes dos sinal possuem frequncias superiores a sua

fundamental. , estas cargas geram ou retornam ao circuito sinais de corrente


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com frequncias maiores, de acordo com isto pode-se observar uma

alterao na impedncia no circuito de alimentao. Fazendo uma anlise na

notao complexa das equaes podemos afirmar que:

2f; ;1 ; + (+ ) [1];

Com cargas indutivas a parcela(impedncia capacitiva) de XC = 0 em [1],

portanto visto que a impedncia Z em [1] ser diretamente proporcional a

frequncia do sinal devido a relao comXL .

Atravs da primeira Lei de Ohm:

Vh= Zcond. Ih

onde: Vh - Tenso harmnica

Zcond-Impedncia do condutor

Ih - Corrente harmnica

Desta forma podemos ressaltar que para cada corrente harmnica de ordem h

gerada pela carga no-linear indutiva corresponder a uma tenso harmnica no

circuito de alimentao, causando sobrecargas e distores na rede.Logo abaixo

h um diagrama representando o efeito das correntes harmnicas de cargas no

lineares indutivas:


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Figura 2-3- Diagrama esquemtico das correntes harmnicas causadas por

cargas no lineares, demonstrando o efeito sobre a impedncia do condutor

(Zcond) e a perturbao causada quando distribuda em outras reas.

Em equipamentos monofsicos podem ocorrer sobrecaga do neutro devido s

harmnicas de 3 ordem, como pode ser obervado na Figura 2-2. A tenso

distribuda para outras reas pode ser afetada pela mudana da amplitude da

fundamental, causando danos e prejudicando o funcionamento de alguns

equipamentos. A exposio destes equipamentos a um sinal distorcido pode

reduzir a vida til dos seus componentes, devido ao fato destes trabalharem em

condies nas quais no foram projetados. No caso de transformadores e

motores, ocorre o sobreaquecimento, causando um maior consumo de energia e

reduzindo a eficincia dos mesmos.


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2.1.2. Analise da taxa de distoro harmnica (THD)

Os harmnicos so uma forma matemtica de analisar a distoro de uma forma

de onda, seja ela de tenso ou de corrente. Esta anlise feita por meio da

decomposio de uma onda, utilizando a srie de Fourier. O ndice utilizado para

contabilizar a porcentagem de harmnicos presentes em uma onda, ou, em

outras palavras, quo distorcida uma onda est em relao a uma onda senoidal

o THD (Total Harmonic Distortion)2. Sendo que o THD pode ser calculado

segundo a equao abaixo:

=

100%Em que:

f1mdulo da grandeza na frequncia fundamental

nordem harmnica

kltimo harmnico considerado

fnmdulo da grandeza na frequncia harmnica


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A tabela 1 apresenta as porcentagens de distores harmnicas que podem se

consideradas no circuito.

THDu (Tenses harmnic as) THDi (Correntes harmnicas)

0 5% -Valores inferiores a 5%no representam nenhumaanomalia significativa no circuito

0 10% -Valores inferiores a 10% norepresentam nenhuma anomaliasignificativa no circuito

5% 8% -Valores dentro desta faixa deporcentagem podem representaralguns disfuncionamentos no circuito

10% 50% -Valores dentro desta faixa trazemriscos de aquecimento e vibraes nosdispositivos o que podecausar sobredimensionamentodos condutores e geradores.

Maior que 8 -Revela distoresconsiderveis podendo causar danoscircuito, necessario a instalaode dispositivos de atenuaodos sinais harmnicos.

Maior que50%

-Revela uma distoro considervelsinal causando danos ao circuito,necessrio a instalao de dispositivosatenuao dos sinais harmnicos.

2.1.3. Decomposio do espectro resultante

Para todo sinal peridico com um determinado perodo T, no importando o

formato de sua onda peridica, pode-se obter um contedo espectral pela sua

decomposio atravs de uma srie de Fourier.

A anlise da srie de Fourier aplicada em um sinal peridico nada mais do que

a decomposio da onda na frequncia fundamental em diversos segmentos em

funes seno e cosseno, cuja somatria destes segmentos nos fornece o sinal

em sua frequncia e amplitude fundamental, isto ser demonstrado mais adiante

atravs das harmnicas extradas nas simulaes do projeto.

Analisadores de ondas digitais e analgicos realizam a decomposio do sinal

atravs da srie de Fourier usando um algoritmo numrico conhecido como

transformada rpida de Fourier (FFT- Fast Fourier Transform), calculando as


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amplitudes e fases das componentes harmnicas. Atravs desta tcnica, sero

extradas as harmnicas nas topologias deste projeto cientfico.

De modo geral, apenas as harmnicas de primeira ordem podem causar

anomalias no circuito. A amplitude decresce de forma considervel com o

aumento da ordem das harmnicas, assim as harmnicas com frequncias

elevadas no afetam, de forma significativa, o sistema. Mesmo assim, neste

projeto, iremos analisar o THD das 50 primeiras harmnicas.

2.2. Inversores

Os conversores CC-CA, comumente chamados de inversores, so circuitos

eletrnicos constitudos por estes dispositivos semicondutores agindo como

interruptores que tm por objetivo converter um sinal contnuo de tenso ou

corrente em um sinal alternado com frequncia, forma e amplitude invariantes, a

despeito de eventuais alteraes na alimentao CC ou na carga.

A obteno de uma tenso alternada (senoidal ou no) a partir de uma fonte CC

ou mesmo de uma fonte CA de frequncia diferente muitas vezes necessria

para o acionamento de diversas cargas ou alimentao de sistemas. Como

exemplos podemos citar controle de velocidade de motores de corrente

alternada, fontes de alimentao ininterrupta (no-break), sistemas de

alimentao embarcados como o de avies comerciais que operam em 400 Hz,

etc.

Basicamente podemos citar dois tipos de inversores, que so os inversores de

corrente e os inversores de tenso3. Os inversores de corrente converte a

corrente contnua em corrente alternada e se destinam a aplicaes especficas,

sendo pouco utilizados. J os inversores de tenso que convertem tenso


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contnua em tenso alternada so largamente utilizados, sendo estes o foco

deste trabalho.

O inversor de tenso pode ser entendido como uma fonte de tenso alternada

controlada, que retira energia de uma fonte de tenso contnua, como baterias

ou sada de algum estgio retificador, transferindo carga. Esta mudana na

forma de tenso, de contnua para alternada, possvel devido s comutaes

dos estados de conduo dos interruptores de potncia.

Diversas topologias podem ser utilizadas para a gerao de circuitos inversores,

especificadas segundo seu desempenho tcnico e impacto econmico. Neste

trabalho a topologia escolhida como foco de nossos estudos foi o inversor em

ponte completa, como pode ser observado naFigura 2-4.

O inversor em ponte completa opera com dois braos inversores. Esta estrutura

exige o comando de quatro interruptores, sendo que dois necessitam de fonte

isolada ou circuito bootstrap para seu acionamento. Apesar de um maior nmero

de interruptores, com dois braos inversores, h a vantagem de uso de uma

fonte CC nica. Esta topologia possui uma caracterstica interessante que a

possibilidade de etapas de tenso nula na carga, sem interrupo de corrente.

Estas etapas possibilitam a operao com modulao em trs nveis, garantindo

trs nveis de tenso na carga4.

2.2.1. Inversor com sada quadrada

Considerando a configurao apresentada naFigura 2-4,de um circuito inversor

monofsico. Podemos observar a modulao de uma onda retangular, na

prpria frequncia de sada que se deseja, ou seja, na mesma frequncia em

que ocorre a comutao dos interruptores.


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Figura 2-4- Inversor monofsico e sua forma de onda quadrada de sada

(carga indutiva)5.

Nesta configurao, T1 e T4 conduzem T2 e T3 permanece desligada, desta

forma a corrente ir percorrer o caminho atravs da carga, neste caso, uma

tenso positiva aplicada carga conforme destacado naFigura 2-5.

Figura 2-5 -- Inversor monofsico, destacando o fluxo de corrente no semi-ciclo

positivo de tenso na carga.

A tenso negativa obtida complementarmente. Aps a comutao os

transistores T2 e T3 passam a conduzir e T1 e T4 se desligam de forma a fazer

a corrente percorrer o caminho inverso, que pode ser observado naFigura 2-6.


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Figura 2-6 - Inversor monofsico, destacando o fluxo de corrente no semi-ciclo

negativo de tenso na carga.

O papel dos diodos garantir um caminho para a corrente em caso de a carga

apresentar caracterstica indutiva. Note que a conduo dos diodos no afeta a

forma da tenso desejada. Este tipo de modulao no permite o controle da

amplitude nem do valor eficaz da tenso de sada5. Neste tipo de topologia no

permitido variao da amplitude ou valor eficaz da tenso de sada com a

variao da largura do pulso durante o ciclo de trabalho.

2.2.2. Inversor com sada quase-quadrada.

O inversor com sada quase-quadrada mantm um nvel de tenso nulo sobre a

carga durante parte do perodo, como mostrado na Figura 2-7, desta forma

permitindo o ajuste do valor eficaz da tenso de sada eliminando algumas

harmnicas

Quando se deseja tenso positiva na carga mantm-se T1 e T4 conduzindo (T2

e T3 desligados). A tenso negativa obtida de forma complementar. Os

intervalos de tenso nula so obtidos mantendo T1 conduzindo e desligando T4.

Com corrente positiva, D2 entrar em conduo. Quando T1 desligar, D3 entra

em conduo, aguardando o momento em que T2 e T3 conduzem, o que ocorre


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quando a corrente se inverte. O intervalo de tenso nula seguinte obtido com o

desligamento de T3 e a continuidade de conduo de T2. Nota-se que esto

presentes os mltiplos mpares da frequncia de chaveamento, o que significa

que a filtragem de tal sinal para a obteno apenas da fundamental exige um

filtro com frequncia de corte muito prxima da prpria frequncia desejada.

Este espectro varia de acordo com a largura do pulso. Para este caso particular

no esto presentes os mltiplos da terceira harmnica5.

Figura 2-7- Forma de onda da onda quase-quadrada5.

2.2.3. Modulao por Largura de PulsoMLP

A modulao por largura de pulso (Pulse Width Modulation PWM) uma

tcnica de modulao do sinal que prev a comparao de uma tenso de

referncia (que seja imagem da tenso de sada buscada), com um sinal

triangular simtrico cuja frequncia determina a frequncia de chaveamento. De

modo que se obtenha um sinal alternado de baixa frequncia atravs de uma

modulao em alta frequncia.

Para que se obtenha uma boa reproduo da forma de onda sobre a carga, a

frequncia da onda triangular, chamada de portadora, deve ser no mnimo 20

vezes superior mxima frequncia da onda de referncia.

Na sada do modulador a largura do pulso varia de acordo com a amplitude

relativa da referncia em comparao com a onda triangular, ou seja, a


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portadora. Desta forma tem-se uma modulao por largura de pulso. Na carga, a

tenso aplicada composta por uma sucesso de ondas retangulares de

amplitude igual tenso de alimentao CC e durao varivel, conforme pode

ser observado naFigura 2-8.

Figura 2-8- Sinal modulado por largura de pulso de 2 nveis.

Para obter uma modulao a 3 nveis (positivo, zero e negativo), desta forma

diminuindo o contedo harmnico, deve-se manter T1 ligado durante o semiciclo

positivo, enquanto o sinal MLP enviado a T4 e o mesmo sinal barrado

enviado a T2. Durante o semiciclo negativo, quem permanece conduzindo T3,

enquanto o sinal MLP enviado a T2 e o sinal barrado vai para T4. Sendo

assim, tratando-se de uma carga indutiva, na qual a corrente esta atrasada em

relao tenso, possvel manter sobre a carga uma onda efetivamente

modulada em largura de pulso, de modo que, depois de filtrada, recupere-se o

sinal de referncia5, conforme pode ser observado naFigura 2-9.

Neste caso, ocorre um atraso nas bordas de subida do sinal modulado em todas

as comutaes, sendo estes atrasos os pela distoro do sinal no caso de

pulsos muito estreitos.


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Figura 2-9Formas de onda da tenso e espectro dos sinais MLP de 2 e 3

nveis5.


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3. RESULTADOS SIMULADOS

H trs mtodos para uma modulao por largura de pulso que so amplamente

utilizadas no mercado atual:

Modulao por largura de pulso simples;

Modulao por largura de pulso mltipla;

Modulao por largura de pulso senoidal.

Os resultados simulados apresentados nesta seo utilizam a modulao por

largura de pulso senoidal (SPWM) de dois e trs nveis, e suas componentes

harmnicas foram extradas para trs diferentes cargas, puramente resistiva,

indutiva e capacitiva.

Neste projeto, faremos a anlise da Ponte-H utilizando moduladores de sinais

analgicos configurados como comparadores alimentando o chaveamento dos

MOSFETs. Com uso de dispositivos ideais na modulao do sinal foi possvel

analisar somente as harmnicas resultante do chaveamento dos MOSFETs e

relaciona-las natureza da carga. As simulaes foram realizadas utilizando

modulao de pulso senoidal em dois e trs nveis, com a variao da

temperatura de 27 300oC. A seguir ser demonstrado o funcionamento dos

circuitos para os dois diferentes tipos de modulao.


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3.1. Modulao por largura de pulso senoidal em dois nveis.

Figura 3-1Circuito comparador responsvel pela modulao do sinal em dois

nveis.

Conforme analisado anteriormente, utilizado uma fonte senoidal com

frequncia de 60Hz, chamada de sinal de referncia, que ser comparada pelo

modulador com uma forma de onda triangular com frequncia de 10KHz. Como

pode ser observado naFigura 3-2.

Sempre que o sinal de referncia (fonte senoidal 60Hz) assume valores

superiores ao sinal portador (onda triangular - 10KHz) a sada do modulador

assumir +15V, caso contrrio -15V.


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Figura 3-2 - Demonstrao da comparao entre o sinal senoidal (60Hz) e o

triangular (10KHz), juntamente com a modulao utilizada na topologia do

projeto.

Este sinal modulado em +15V e -15V utilizado no chaveamento dos MOSFETs

que compe a ponte-H. Desta forma, cada brao da ponte ter sempre um

nico MOSFET acionado, conforme visto na seo 3, e a carga estar

submetida a um sinal modulado com dois nveis de tenso.


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Figura 3-3 - Circuito utilizado no acionamento dos MOSFETs.

O sinal modulado passa por um inversor que alimenta os comparadores que iro

acionar o segundo brao da ponte, onde estas duas modulaes estaro

defasadas entre si de 180o, de forma que os MOSFETs trabalharo em

sincronismo, formando uma ponte completa. As sadas dos comparadores esto

representadas naFigura 3-4 abaixo.


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Figura 3-4 - Modulao da sada [V(H1N1G1)] e do sinal invertido[V(L1N1G)]para o chaveamento dos MOSFETs de um dos lados da ponte H.

A carga alimentada atravs de um inversor em ponte completa, a tenso

aplicada mesma composta por uma sucesso de pulsos com a mesma

amplitude da tenso de barramento Vcc que alimenta a ponte-H, e a durao

varivel de acordo com o SPWM. Foi utilizado um filtro LC para obter um maior

ganho na carga e reduzir as harmnicas produzidas no chaveamento.


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Figura 3-5Circuito inversor em ponte completa.

A ponte-H trabalha uma frequncia de 10KHz, mantendo o sincronismo entre

os MOSFETs. O filtro utilizado foi ajustado de forma a obtermos na carga um

valor de tenso eficaz similar a rede de distribuio (127Vefe 60 Hz).

3.2. Modulao por largura de pulso senoidal em trs nveis.

Nesta topologia o chaveamento na carga anlogo a modulao SPWM em

dois nveis, porm o circuito modulador de sinais analgicos utilizado

modificado para que se obtenha um terceiro nvel na modulao dos

MOSFETs. O circuito comparador responsvel pela modulao do sinal em

trs nveis est apresentado naFigura 3-6.


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Figura 3-6- Circuito comparador responsvel pela modulao do sinal em trsnveis.

Neste circuito se faz necessrio o uso de uma fonte de tenso triangular

adicional. Desta forma, teremos dois sinais da portadora sendo um defasado

do outro de 1800, resultando em uma modulao complementar, conforme

pode ser observado naFigura 3-7.

Figura 3-7 - Sinais complementares utilizados na modulao em trs nveis.


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Atravs deste modelo de chaveamento dois sinais complementares um ao

outro que passam por seus respectivos moduladores analgicos chaveando

os MOSFETs da ponte-H. Devido defasagem na modulao os

comparadores, estes sempre tero com uma diferena em seus ciclos de

trabalho. Portanto, para meio ciclo de onda na carga, o ciclo de trabalho de

um dos comparadores estar mais ativo que do outro e isso ocorrer de

forma complementar no prximo semi-ciclo. Para obtermos um terceiro nvel

na modulao do sinal, devemos criar um tempo morto entre os dois sinais

que iro alimentar os MOSFETs, ou seja, ajustar os ciclos de trabalho dos

comparadores de forma que na transio de cada semi-ciclo no haja

corrente na ponte-H, obtendo um breve intervalo em que os MOSFETs no

conduzem.

Figura 3-8- Circuito utilizado no acionamento dos MOSFETs em trs nveis.


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Para este tipo de topologia com modulao em trs nveis, podemos observar

com clareza quando um dos sinais provenientes dos comparadores,

responsvel pelo chaveamento de um dos braos da ponte H, estiver com

seu ciclo de trabalho maior em relao ao outro, o sinal na carga estar em

um dos seus semi-ciclos, de forma complementar quando o outro brao

estiver em seu ciclo de trabalho maior a carga estar em outro semi-ciclo.

Conforme demonstrado atravs daFigura 3-9.

Devemos ressaltar tambm, que devido ao fato de cada um dos sinais

modulados estar 10KHz, a modulao do sinal que chega a carga esta

somada, ou seja 20KHz, portanto teremos um sinal na carga modulado por

um SPWM em trs nveis a 20KHz.

Figura 3-9- Demonstrao do sinal de chaveamento para os dois semi-ciclos na

carga.


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Figura 3-10- Visualizao dos trs nveis no chaveamento da ponte-H.

Na Figura 3-10 pode-se observar, a transio de um semi-ciclo para o outro,

do sinal de alimentao dos MOSFETs. Neste caso, em 25ms, nenhum dos

MOSFETs est conduzindo, gerando um breve intervalo de corrente nula

circulando sobre a carga nos dando uma modulao em trs nveis, sendo

estes em +Vcc, zero e - Vcc.

A vantagem deste tipo de modulao o seu reduzido nmero de

harmnicos gerados no chaveamento da ponte-H, independente do tipo de

carga ou temperatura.

Conforme j discutido, os sinais harmnicos variam de acordo com a carga que

esta sendo alimentada pela ponte. Nas sees seguintes sero apresentados

separadamente os resultados simulados para cada uma das impedncias

estudadas.


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32

3.2.1. Carga puramente resistiva

Para um circuito ser denominado puramente resistivo no necessrio que este

seja composto apenas por resistores, mas sim as reatncias capacitivas e

indutivas na rede devem se anular, causando um efeito desprezvel no circuito.

Nesta seo as simulaes foram realizadas com uma carga puramente

resistiva de 161.3, simulando o caso de uma lmpada incandescente.

Na Error! Reference source not found.esto apresentadas as harmnicas referentes

ao chaveamento da ponte H com modulao em dois nveis. Analisando o

espectro de tenso por frequncia, nota-se que as harmnicas so mltiplas da

frequncia de chaveamento (10KHz) com amplitudes significativas at sua 8

ordem.


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33

Figura 3-11- Amostragem Grfica das tenses harmnicas extradas na ponte-H

10KHz. (modulao a dois nveis)

Quando analisamos o espectro do sinal modulado em trs nveis (Figura 3-12)e

comparamos com o espectro do sinal modulado em dois nveis (Figura 3-11),

possvel observar uma variao significativa da amplitude da harmnica de

segunda ordem. Isto se deve ao fato do chaveamento ocorrer no dobro da

frequncia do primeiro caso. No caso da modulao em dois nveis, em 10KHz,

a amplitude harmnica chega a uma tenso de 185,8V, enquanto para a

modulao em trs nveis, em 20KHz, a amplitude harmnica no ultrapassa

75V, independente da natureza da carga e da temperatura.


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34

Figura 3-12 - Amostragem Grfica das tenses harmnicas extradas na ponte-H

20KHz. (modulao a trs nveis)

Ainda, alimentando uma carga puramente resistiva foi extrada a distoro total

harmnica (THD) dos sinais de tenso (Figura 3-13) e corrente (Figura 3-14)

resultantes do chaveamento atravs da modulao em dois e trs nveis.

Conforme pode ser observado o THD no demonstrou dependncia significativa

com a variao da temperatura. Contudo, o THD extrado a partir dos sinais

modulados em trs nveis apresentou menor distoro harmnica tanto para

tenso (Figura 3-13)quanto para corrente (Figura 3-14).


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35

0 50 100 150 200 250 3000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.01.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Temperatura [oC]

THDV

[%]

Modulaao em 2 niveis



dois e trs nveis, para uma carga puramente resistiva.

0 50 100 150 200 250 3000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.01.2

1.4

1.6

1.8

2.0



THDI[%]

Temperatura [oC]

Figura 3-14 - THD da corrente em funo da temperatura, para as modulaes

de dois e trs nveis, para uma carga puramente resistiva.

Atravs da analise da componente Fourier em funo da ordem das harmnicas,

apresentada na Figura 3-15,foi possvel observar um pico na 9aharmnica, em

todas as temperaturas estudadas. Contudo, nenhuma inverso de fase foi


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36

observada e este comportamento se manteve tanto para o sinal da tenso como

para o da corrente.

0 10 20 30 40 50-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

C

omponentedeFourier[V]

Ordem das Harmnicas

27oC

50oC

100oC

150oC

200oC

250oC

300oC

Figura 3-15Componente de Fourier em funo da ordem das harmnicas,

com a variao da temperatura de 27 300oC.

3.2.1. Carga indutiva

Nesta seo todas as simulaes foram realizadas com uma carga indutiva, um

indutor de 389.01mH em srie com uma resistncia de 146.63, simulando o

caso de um ventilador comercial.

Diferentemente do comportamento observado nas simulaes com cargas

puramente resistivas, no caso de cargas indutivas o THD da tenso no

apresentou uma reduo consistente para a modulao em trs nveis, conforme

podemos observar na Figura 3-16. Sabemos que o comportamento do THD,

neste caso, definido pela amplitude da 9aharmnica.


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37

0 50 100 150 200 250 3000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

THDV

[%]

Temperatura [oC]




dois e trs nveis, para uma carga indutiva.

No caso do THD da corrente,Figura 3-17,foi possvel observar uma inverso

no comportamento para a modulao em trs nveis. Ou seja, a modulao

em trs nveis apresentou um aumento do THD, pouco significativo, em

relao modulao em dois nveis.


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38

0 50 100 150 200 250 3000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0



Temperatura [oC]

THDI[%]

Figura 3-17- THD da corrente em funo da temperatura, para as modulaes

de dois e trs nveis, para uma carga indutiva.

3.2.2. Carga capacitiva

Esta seo apresenta as simulaes realizadas para uma carga capacitiva,

um capacitor de 2.56F em srie com uma resistncia de 1034.84,

simulando o caso de uma Lmpada Fluorescente Compacta.

No caso de cargas capacitivas, a modulao em trs nveis apresentou maior

distoro harmnica tanto para tenso (Figura 3-18) quanto para corrente

(Figura 3-19). Da mesma forma que nos casos anteriores, o THD fortemente

influenciado pela amplitude da 9aharmnica.


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39

0 50 100 150 200 250 3000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.41.6

1.8

2.0

2.2

THDV

[%]

Temperatura [oC]




dois e trs nveis, para uma carga capacitiva.

0 50 100 150 200 250 3000.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.42.8

3.2

THDI[%]

Temperatura [oC]



Figura 3-19- THD da corrente em funo da temperatura, para as modulaes

de dois e trs nveis, para uma carga capacitiva.


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40

4. CONCLUSO

Com objetivo de facilitar a anlise e possibilitar um melhor

entendimento da continuidade do trabalho, os conceitos fundamentais foram

mantidos neste relatrio. Sendo que os resultados simulados esto

apresentados a partir da seo3.

Este relatrio teve como objetivo apresentar uma anlise da distoro

harmnica em conversores CC-AC implementados sob a topologia ponte H,

considerando duas tcnicas de modulao do sinal, em dois e trs nveis de

tenso. Esta anlise foi realizada atravs de simulaes SPICE com a

variao da temperatura na faixa de 27 300oC, para trs diferentes

impedncias utilizadas como carga.

Nesta fase preliminar do trabalho foi possvel observar que a distoro

harmnica no apresenta dependncia significativa com a variao da

temperatura. Contudo, se mostrou dependente da modulao do sinal e da

natureza da impedncia utilizada como carga.

Para cargas puramente resistivas a distoro harmnica apresentou uma

reduo com a modulao em trs nveis, esse comportamento se manteve

tanto para a distoro harmnica da tenso quanto para a da corrente. Para

cargas indutivas este comportamento no foi observado, no caso da distoro

harmnica da corrente houve um aumento com a modulao em trs nveis e no

caso da tenso os resultados no foram conclusivos. E finalmente, com cargas

capacitivas, a modulao em trs nveis apresentou maior distoro harmnica

tanto para tenso quanto para corrente.


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41

Na segunda fase do projeto sero realizadas novas simulaes, variando a

carga, com o objetivo de auxiliar nas concluses. Posteriormente pretende-se

montar o circuito para caracterizao eltrica do circuito.


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5. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

1. COGO, Joo Roberto. Anlise da Qualidade da Tenso em Sistemas

Eltricos. Apostila, Escola Federal de Itajub, Itajub-MG: Editora EFEI,Setembro de 1996.

2. SANTOS, Afonso Henriques Moreira; BORTONI, Edson da Costa;

MARTINS, Andr Ramon Silva. Conservao de Energia: Eficincia

Energtica de Instalaes e Equipamentos. Itajub-MG: Editora EFEI,

2001.

3. MARTINS, D. C. ; BARBI, I. Eletrnica de Potncia: Introduo ao Estudo

dos Conversores CC-CA. 02. ed. Florianpolis: Edio dos Autores, 2008.

v. 01. 489 p.

4. MARTINS, A. S; BONAN, G.; FLORES, G. C. Estgio Inversor Para

Nobreaks. Departamento de Pesquisa e Desenvolvimento - CP Eletrnica

S.A.

5. POMILIO, J. A. Eletrnica de Potncia, Publicao FEEC 01/98, cap. 6,

2009.

6. MESQUITA, Samuel J. Inversor Multinivel em Cascata Assimtrico embaixa frequncia, Publicao UFC 02/2011, cap. 1 e 2.

estudos harmonicas na ponte h

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