Conversor CC/CC Chopper - Modulador PWM (Pulse Width Modulation) - IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Conversor CC/CC Chopper - Modulador PWM (Pulse Width Modulation) - IGBT...

(Parte 1 de 4)

Teoria 15 Conversor C/C Chopper - Modulador PWM (Pulse Width Modulation) - IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Uma vez que as fontes de alimentação são, tipicamente, de valor de tensão constante, sejam elas CA ou C, caso seja preciso variar ou controlar a potência aplicada a uma carga, é necessário o emprego de algum tipo de dispositivo que seja capaz de "dosar" a quantidade de energia a ser transferida para a carga.

Se a variação ou controle for feito pela manipulação da tensão, o elemento de controle deve ter uma posição em série entre a fonte de alimentação e a carga, como indicado nas figuras a seguir:

Pode-se ter um elemento atuador linear (a), sobre o qual tem-se uma queda de tensão proporcional à sua impedância. Mas a queda de tensão sobre a impedância do elemento atuador associada à corrente que flui por este e que segue suprindo a carga, certamente representa uma significativa perda de energia sobre o elemento atuador.

SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: ahp106@sp.senai.br

A maneira mais eficiente e simples de manobrar valores elevados de potência é por meio de chaves (b). Como uma chave ideal apresenta apenas dois estados estáveis:

• Condução (a corrente é grande, porém a tensão sobre a chave é nula); • Bloqueio (a tensão é considerável, porém a corrente pela chave é nula).

Devido a variável nula, então não existe dissipação de potência sobre ela, garantindo a alta eficiência energética deste tipo de arranjo.

Obviamente este tipo de variação não é uma variação contínua, mas sim pulsada (chaveada). No entanto, dada a característica de armazenadores de energia presentes nas aplicações com cargas como os motores e como na maior parte dos casos práticos, a freqüência de comutação da chave é muito maior do que a constante de tempo deste tipo de carga, então a própria carga acaba atuando como um filtro, extraindo da tensão instantânea aplicada sobre ela o seu valor médio.

Neste curso até o presente momento estudamos uma técnica de modulação para variação de potência em conversores que tomando alimentação a partir da rede CA, a transformavam tendo como objetivo uma tensão contínua média na saída para alimentar a carga (motor C).

Quando a tensão de alimentação é alternada, é mais usual o uso de tiristores como interruptores, seja para um ajuste na própria tensão CA (variador de tensão CA), seja para a conversão de uma tensão CA em C (retificação), utilizando a técnica de controle de fase, no qual, dado um semi-ciclo da rede, a chave (tiristor) é acionada em um determinado ângulo (α), fazendo com que a carga esteja conectada à entrada por um intervalo de tempo menor ou igual a um semi-ciclo.

A técnica de modulação utilizada neste caso foi a Modulação por Posição de Pulso (em inglês: Pulse Position Modulation -PPM). Nessa técnica a potência é convertida por meio da manutenção constante da duração e da amplitude do pulso, mas deslocando o pulso de sua posição original, segundo a amplitude do sinal modulante (Tensão de controle do CI TCA 785);

De agora em diante focalizaremos novas técnicas de modulação por pulsos, com objetivo de escolher uma de técnica de modulação adequada para conversão de potência para um conversor que toma energia a partir de uma fonte de corrente contínua, pois essa técnica contempla aplicações as quais permitem o controle tanto de um motor C (conversores C/C), quanto o controle de um motor de indução trifásico (Conversores C/CA usado nos Conversores de Freqüência ou Inversores).

A modulação por pulsos iniciou a partir da teoria da amostragem, a qual estabelece que a informação contida em qualquer sinal analógico pode ser recuperada a partir de amostras do sinal tomadas a intervalos regulares de tempo.

A modulação por pulsos pode ser analógica ou digital. No caso analógico, os valores das amostras do sinal são transferidos ou para a amplitude, ou para a duração ou para a posição de pulso de formato fixo conhecido. No caso digital, os valores das amostras são convertidos para números binários que por sua vez são codificados em seqüências de pulsos que representam cada um dos valores binários.

As técnicas de modulação são importantes não apenas para aplicações de variação de potência em conversores, mas também para as aplicações em sistemas de transmissão digital de telecomunicações.

Nyquist provou, através da teoria da amostragem, que valores de um sinal analógico (o qual é continuo no tempo e em nível, contendo uma infinidade de valores) se tomados (amostrados) a intervalos regulares TA contém a mesma informação do sinal original desde que a taxa de amostragem seja maior que o dobro da largura de faixa do sinal analógico, ou seja, que a freqüência de amostragem (freqüência do sinal da portadora), seja maior que o dobro da maior freqüência contida no sinal a ser amostrado (sinal modulante):

onde: B Æ é a largura de faixa do sinal analógico; f S Æ freqüência de amostragem AST f1=

A relação acima é denominada segundo critério de Nyquist. “Aliasing” é a distorção que ocorre num sinal amostrado quando a taxa de amostragem não respeita a taxa mínima conforme Nyquist, impedindo a correta recuperação do sinal e denominada Aliasing que nada mais é do que a superposição dos espectros de cada raia por falta de espaço na banda.

É obvio que quando maior a freqüência de amostragem, mais fácil será reproduzir o sinal, mas elevando-se demais a freqüência da portadora, haverá desperdício de banda ocupada, exigindo chaves semicondutoras mais rápidas, sem nenhuma melhoria na qualidade. É possível o uso de filtros passabaixa para retirar componentes indesejáveis devido ao chaveamento.

SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: ahp106@sp.senai.br

Teoricamente, um sinal analógico pode ser transmitido através da amostragem:

• Ideal: onde as amplitudes de um trem de impulsos correspondem aos valores das

Amostras;

• Natural: onde as amplitudes de um trem de pulsos são moduladas pelo sinal

Analógico;

• Instantânea: onde as amplitudes um trem de pulsos correspondem aos valores das Amostras;

As amostras de um sinal analógico podem ser transmitidas em uma portadora pulsada de várias formas. As quatro formas usuais são:

• PAM – Pulse Amplitude Modulation (Modulação de Amplitude de Pulso); • PWM – Pulse Width Modulation (Modulação de Largura de Pulso);

• PPM – Pulse Position Modulation (Modulação de Posição de Pulso);

• PCM – Pulse Code Modulation (Modulação Codificada de Pulso).

As figuras seguintes ilustram o principio da amostragem, com um exemplo de PAM - Modulação de amplitude de pulso:

SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: ahp106@sp.senai.br

Os valores das amostras de um sinal analógico podem ser expressos através das durações de pulsos retangulares, sendo que este processo é denominado modulação da duração (largura) de pulsos (PWM - Pulse Width Modulation). As vantagens do PWM incluem: maior imunidade com relação ao ruído e à distorção não-linear.

Os motores de indução trifásicos controlados e de aplicação industrial são usualmente alimentados com inversores de fonte de tensão modulados por largura de pulso PWM ("pulse width modulation"). Essa estratégia, na sua versão mais simples, permite obter uma corrente na carga aproximadamente senoidal a uma desejada freqüência f1, realizando a comparação entre um sinal senoidal de controle na desejada freqüência f1 (freqüência moduladora) com um sinal de forma de onda triangular de freqüência fp (freqüência portadora). O resultado dessa comparação é a geração de sinais de chaveamento do inversor (pulsos de modulação), que dessa forma controla a seqüência e os tempos de ligado e desligado das chaves do inversor (largura de pulsos), fazendo com que se varie a tensão média aplicada ao motor bem como a sua freqüência; os inversores PWM que se utilizam desse método são chamados de senoidal-triangular ou senoidal-rampa. A implementação tradicional deste método de modulação é analógica; embora, atualmente existam algoritmos simples e eficientes para a sua implementação digital.

O modulador PWM utiliza:

• Um gerador de onda dente-de-serra com período igual ao intervalo de amostragem Ts; • Um circuito comparador, o qual produz a tensão de controle a partir a diferença aritmética da tensão de referência e da tensão de realimentação.

O arranjo pode ser implementado na forma de um circuito eletrônico discreto baseado em Amplificador Operacional:

Enquanto o valor instantâneo da tensão de controle for maior que o valor instantâneo da portadora temse um valor positivo constante na saída do circuito cuja duração será proporcional à amplitude da tensão de controle no momento de transição quando o valor instantâneo da tensão de controle se passa a ser menor que o valor instantâneo da portadora.

SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: ahp106@sp.senai.br

Os pulsos de saída do PWM (sinal modulado) são utilizados para comandar o chaveamento dos IGBT’s do circuito Chopper.

15.5 Conversores C/C (Choppers):

Os conversores C/C são aplicáveis onde a fonte de alimentação disponível é em C, proveniente de um retificador sem controle (com diodos), ou um banco de baterias e a carga necessita de uma tensão C variável.

A tensão C fixa é convertida em uma tensão C variável, através das técnicas de modulação por freqüência ou, mais usualmente, por Modulação de Largura de Pulso (PWM).

Os conversores C/C são aplicados em acionamentos e controle de máquinas de corrente contínua (tração elétrica): em locomotivas de trens e metrôs (onde uma tensão de cerca de 4000V do sistema de distribuição é transformada em 300V na alimentação de um motor C), empilhadeiras, trolebus, automóveis elétricos, em máquinas-ferramenta de dois ou mais eixos, fontes chaveadas em geral (fonte do PC), etc. Permitem frenagens regenerativas com economia de energia em sistemas com freqüentes partidas e paradas.

Simbologia

Tomemos o circuito mostrado na figura a seguir na qual se tem um circuito alimentado por uma fonte C (E) e do qual se deseja obter na saída uma tensão C, mas de valor variável (no caso igual ou menor que a entrada).

SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: ahp106@sp.senai.br

Considerando a chave T como uma chave semicondutora ideal: a chave está ou no estado de bloqueio ou no estado de plena condução. Considere então que a chave é manobrada em intervalos de tempo regulares, permanecendo aberta por um certo tempo e fechada por outro de tempo. À soma destes dois intervalos de tempos chamamos de período de chaveamento. A tensão média de saída depende da razão entre o intervalo em que a chave permanece fechada (TON) e o período de chaveamento (TTOT).

Define-se como ciclo de trabalho (largura de pulso ou razão cíclica) a relação entre o intervalo de condução da chave e o período de chaveamento. Em Modulação por Largura de Pulso (em inglês. Pulse Width Modulation – PWM) opera-se com uma freqüência de chaveamento constante, ou seja, com período de chaveamento (TTOT) fixo, variando-se apenas o tempo em que o interruptor permanece em condução (TON) que pode ser ajustado pelo controle desde zero até o máximo ( TTOT ≥ TON ≥ 0 ). O dispositivo semicondutor opera a uma freqüência alta, quando comparada com variações na tensão de entrada.

O sinal de comando de manobra para a chave é obtido, geralmente, pela comparação de um sinal de controle (VC), o qual chamamos de modulante, com uma onda periódica, o qual chamamos de portadora (VP). A figura a seguir ilustra estas formas de onda.

Para que a relação entre o sinal de controle e a tensão média de saída seja linear, como desejado, o sinal da portadora deve apresentar uma variação linear (como uma forma de onda "dentede-serra", por exemplo) e, além disso, a sua freqüência deve ser além de fixa, bem maior (nos casos prático um bom critério é dez vezes maior) do que a freqüência de variação da modulante, de modo que seja relativamente fácil filtrar o valor médio do sinal modulado, recuperando, sobre a carga, uma tensão contínua proporcional à tensão do sinal de controle.

15.6 Projetos Clássicos de Inversores:

Inversores normalmente alimentam cargas RL (que são uma combinação de resistência e indutância como, por exemplo, motores Elétricos, transformadores, etc.) Esta combinação de indutância e resistência dá origem a uma corrente de carga que tem uma forma de onda triangular. A maioria dos inversores produzem de algum tipo de tensão de saída de forma de onda retangular que é

SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: ahp106@sp.senai.br

saída. Veja diagrama ao lado

aplicada à carga. A indutância da carga "integra" a tensão aplicada e as variações de corrente ocorrem durante todo o tempo das porções altas e das porções baixas da forma de onda da tensão de

A teoria da eletrônica de potência clássica é baseada nesta idéia de aplicar uma forma de onda retangular a uma carga indutiva que resulta em uma corrente triangular que flui do inversor pela carga. Note que a corrente de carga está a seu máximo quando a tensão muda polaridade de valor alto para valor baixo, assim os componentes ativos no inversor têm que comutar sob uma potência significativa.

A taxa de variação da corrente (inclinação da rampa) depende da constante de tempo L/R da carga em contraponto ao período de chaveamento. Com cargas altamente indutivas a corrente tende a uma reta horizontal.

15.7 Tipos Básicos de Conversores C/C Chopper:

• Conversor abaixador ou conversor buck (step-down); • Conversor elevador ou conversor boost (step-up);

• Conversor abaixador-elevador ou conversor buck-boost

• Conversor C operando em quatro quadrantes (H-Bridge)

15.8 Característica E/S dos Conversores Choppers:

SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: ahp106@sp.senai.br

(Parte 1 de 4)

Comentários