1º Bloco -circuitos de alimentação e potência

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
António Pedro Gomes Sousa e Silva
Diogo Fernando Coelho Oliveira
Luis Filipe Ferreira da Silva Peneda
Ricardo Manuel Valente Barbosa
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ee02082
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Electrónica de Potência - 2005/2006 – Inversor Monofásico
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:
¾ Construção dos circuitos de alimentação da ligação CC, filtragem e do circuito
de potência do inversor;
¾ Selecção da topologia mais adequada bem como dos componentes a usar,
tendo em conta as correntes de arranque, espaço, custo...;
¾ 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.
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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.
VDC × π × n × 2
, e como V=230V e n =1 (pois queremos o
4
termo fundamental) obtemos a tensão DC tal que:
Segundo a equação: V =
V DC =
4 × 230
π ×1× 2
= 255V
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
Valor Pico
I entrada (A)
33,1
I saída (A)
33,7
Valores em regime permanente
Média
RMS
I entrada (A)
14,1
17,4
I saída (A)
21,5
21,5
V saída (V)
257,7
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.
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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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Resultados da simulação:
Valores de arranque
Valor Pico
I entrada (A)
103,7
I saída (A)
104,6
Valores em regime permanente
Média
RMS
I entrada (A)
7,5
12,9
I saída (A)
22,5
22,5
V saída (V)
268
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.
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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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Resultados da simulação:
Valores de arranque
Valor Pico
I entrada (A)
102,7
I saída (A)
102,7
Valores em regime permanente
Média
RMS
I entrada (A)
7,9
15,1
I saída (A)
14,2
20,1
V saída (V)
282,8
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.
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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
Valor Pico
I entrada (A)
28.4
I saída (A)
29.6
Valores em regime permanente
Média
RMS
I entrada (A)
11.9
15.8
I saída (A)
17.9
19.3
V saída (V)
267.8
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.
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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
Valor Pico
I entrada (A)
29.9
I saída (A)
29.9
Valores em regime permanente
Média
RMS
I entrada (A)
5.78
11.1
I saída (A)
17.3
19.2
V saída (V)
260.1
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.
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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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