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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PROJETO DE GRADUAÇÃOESTUDO DAS TECNOLOGIAS E APLICAÇÕES DOS INVERSORES DE FREQÜÊNCIA DE MÉDIA TENSÃO PERCY EMERICH GRIPP JUNIOR VITÓRIA – ES OUTUBRO/2005 PERCY EMERICH GRIPP JUNIOR ESTUDO DAS TECNOLOGIAS E APLICAÇÕES DOS INVERSORES DE FREQÜÊNCIA DE MÉDIA TENSÃO Parte manuscrita do Projeto de Graduação do aluno Percy E. Gripp Jr, apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista. VITÓRIA – ES OUTUBRO/2005 PERCY EMERICH GRIPP JUNIOR ESTUDO DAS TECNOLOGIAS E APLICAÇÕES DOS INVERSORES DE FREQÜÊNCIA DE MÉDIA TENSÃO COMISSÃO EXAMINADORA: _____________________________________ Gilberto Costa Drumond Sousa, Ph. D. _____________________________________ Getúlio Vargas Loureiro, Ph. D. _____________________________________ Wilson Correia Pinto de Aragão Filho, D. Sc. Vitória - ES, 28 de Outubro, 2005 E principalmente a uma grande companheira que sempre me incentivou e nunca deixou que eu desistisse de conseguir o que almejava.DEDICATÓRIA Aos amigos e amigas do Curso de Engenharia Elétrica da UFES. i . assim como meu supervisor na Companhia Vale do Rio Doce. e principalmente a de acionamentos elétricos com inversores de freqüência. bem como incentivos e apoio técnico para que eu pudesse desenvolver esse projeto de conclusão de curso bem como adquirir sólidos conhecimentos e práticas em todas as áreas de elétrica. nas quais tive grande incentivo para chegar onde estou agora. Agradeço também a todas as outras pessoas envolvidas direta ou indiretamente em minha carreira estudantil e profissional. com quem pude ter um aprendizado muito além do esperado. o engenheiro Jairo Botassi. ii .AGRADECIMENTOS Agradeço à professora Rosane pelo apoio que tive para conseguir meu estágio supervisionado. ...3 – Sistemas de modulação analógica de pulsos ....11 – Célula de potência de um inversor PWM multi-nível e configuração em série .............39 Figura 3.........9 – Elo CC de tensão contínua ............................13 Figura 1....34 Figura 3....5 – Inversor de tensão imposta multi-nível (ponte H série) .8 – Elo CC de corrente contínua ajustável ...........34 Figura 3.12 – Esquema de ligação das células de um inversor multi-nível de 4160V 40 Figura 3..2 – Inversor de corrente imposta ......4 – Inversor de tensão imposta de 3 níveis...............4 – Modo de operação de um diodo ............................ b) Tensão CA trifásica ......................................................15 Figura 1.............18 Figura 1.2 – PWM-CSI SGCT......19 Figura 1......36 Figura 3...33 Figura 3..................LISTA DE FIGURAS Figura 1......33 Figura 3......15 Figura 1.......6 – Modo de operação do tiristor ...14 – Distorção harmônica total da corrente e da tensão para o motor .......2 – Funcionamento básico de um inversor de freqüência ..............................1 – Inversor de tensão imposta . a) com IGCT..................20 Figura 2..................................................................................9 – Saída do inversor de três níveis com ponto neutro grampeado a diodo .....22 Figura 2...26 Figura 2................................................................................................24 Figura 2.........................7 – Saída do inversor com GTOs e capacitores auxiliares ..............................................................................35 Figura 3........Modos de condução da corrente de carga em inversores de três níveis 38 Figura 3..................................7 – Retificador controlado a tiristor ............................................................3 – Inversor de tensão imposta de 2 níveis ......32 Figura 3...............................17 Figura 1.......1 – PWM-CSI GTO.................16 Figura 1.......8 – Inversor comutado pela carga .....10 – Bloco inversor básico (monofásico).......4 – Princípio de funcionamento do PWM controlado por senóide ....................................5 – Retificador não-controlado a diodos .................................27 Figura 3....................................................................................................42 Figura 3......1 – Posicionamento do inversor no sistema de acionamento ....32 Figura 3.......... b)com IGBT ......................10 ....................16 Figura 1............37 Figura 3......13 – Gráfico de aplicações dos tipos de cargas ......6 – Saída do inversor com SCRs em série ............................................................................................................................................................46 iii ..............................19 Figura 1....3 – a) Tensão CA monofásica..................................................................................... ...............54 Figura 4.................................13 ................3 – Gráfico da freqüência pelo tempo ......................8 – Gráfico da tensão e corrente da saída do inversor com filtro dv/dt (Topologia 2 níveis) .................................................58 Figura 4..15 – Gráfico da cotação normalizada dos semicondutores em relação ao IGBT de 1000A.................51 Figura 4...........................................1 – Gráfico da modulação PWM senoidal (topologia 3 níveis) .......58 iv .......................6 – Gráficos: a)Tensão na partida do motor........47 Figura 4.....50 Figura 4............................................................................................................................................................. b)Corrente na partida do motor (Topologia 2 níveis) ...............................................Gráfico da tensão e da corrente da saída do inversor com filtro dv/dt (3 níveis)..........................50 Figura 4.........................................................52 Figura 4...53 Figura 4.................Figura 3....... b)Corrente na partida do motor (Topologia 3 níveis) .......56 Figura 4..................................12 – Estágio inversor do inversor de tensão imposta PWM de 3 níveis com filtro dv/dt ................................................4 – Sistema de controle dos gates e modulação PWM....5 – Princípio da modulação PWM senoidal .......55 Figura 4........................................9 – Estágio inversor do inversor de tensão imposta PWM de 3 níveis .11 – Sistema de controle dos gates e modulação PWM............................................................ .............49 Figura 4...............10 – Gráficos: a)Tensão na partida do motor........................................................ 1200V.....7 – Saída do inversor de tensão imposta PWM de 2 níveis com filtro dv/dt 54 Figura 4.2 – Estágio inversor de tensão imposta PWM de 2 níveis .......57 Figura 4.......... .... 750 kW de acordo com IEEE 519 .4 ............Estimativa de componentes do Elo CC e estágio inversor para Inversores de 4................................. 750 kW .1 – Estados de condução dos semicondutores em inversores de três níveis...................3 – Estimativa de componentes para inversores de 4.........44 Tabela 3..............Especificações simples dos semicondutores ........5 ........................................LISTA DE TABELA Tabela 3.....................16 kV.........2 – Critério de valores para desempenho típico das topologias....................................45 v .....................44 Tabela 3...........42 Tabela 3.16 kV.......38 Tabela 3.......... p.m. = rotações por minuto s = fator de escorregamento T = Torque V = Volts W = Watts w = velocidade angular vi .SIMBOLOGIA A = Ampère f = freqüência da rede elétrica em Hertz fe = freqüência da onda moduladora fSW = freqüência da onda portadora Hz = Hertz I = corrente elétrica Nm = velocidade de rotação do motor em rpm Ns = velocidade de rotação síncrona em rpm P = potência p = número de pólos do motor r. Symmetrical Gate Commutated Thyristor (Tiristor Comutável com Gatilho Simétrico) THD – Total Harmonic Distortion ( Distorção Harmônica Total) VSI – Voltage Source Inverter (Inversor de Tensão Imposta) vii .GLOSSÁRIO CSI – Current Source Inverter (Inversor de Corrente Imposta) GTO – Gate Turn Off Thyristor (Tiristor Comutável pelo Gatilho) IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor Bipolar com Gatilho Isolado) IGCT – Integrated Gate Commutated Thyristor (Tiristor Comutável com Gatilho Integrado) LCI – Load Commutated Inverter (Inversor Comutado pela Carga) NPC – Neutral Point Clamped (Ponto Neutro Grampeado) PWM – Pulse Width Modulation (Modulação por Largura de Pulso) Retificador Back-to-back – Pode ser usado como retificador e ou como inversor SCR – Silicon Controlled Rectifier (Retificador Controlado a Silício) SGCT . ......................................34 3........................................................................3 Inversor ....5 Conclusões ...............................35 viii FREQÜÊNCIA..............................................................1 Introdução .................VII SUMÁRIO .1 Retificador de entrada ........................................21 2 ASPECTOS TECNOLÓGICOS DOS INVERSORES DE 2.............................................................. VIII RESUMO ....13 1..................................30 3.......................................2..1 CSI – com o uso de SCR ......................18 1...............................2..............................................................31 3......................................................................................................................... VI GLOSSÁRIO ..................................................................................................................SUMÁRIO DEDICATÓRIA..................................22 .....................................2.............15 1..........3 Corrente imposta (CSI) ........................................2 As topologias .................2..................30 3..26 2..................................1...................................................................................................................................... III LISTA DE TABELA .................1.....4 Modulação por largura de pulso (PWM) ..................17 1..............16 1....2............................... II LISTA DE FIGURAS ..........................2 Elo CC .................................................................................................................................................3 Conclusões .............................................................................11 1..................................................................................................................2 Elementos constituintes de um acionamento ......................................2 Tensão imposta (VSI) ...................................22 2....................................2.1 Introdução ................... I AGRADECIMENTOS .................................................................................................................................1 Retificador não-controlado a diodo ...................................................................................................................... V SIMBOLOGIA ...............................2............24 2........................................1 Introdução .................2 CSI – com o uso de GTO .........................2 Retificador controlado ..........................................................................................................................................................................................................11 1..........................20 1......................................................................................22 2................................... X 1 O INVERSOR DE FREQÜÊNCIA ..................28 3 TOPOLOGIAS DOS INVERSORES DE MÉDIA TENSÃO ......................................................................... ..............................................1 Comentário sobre o programa ...........3..........4 Conclusões ...................................4 VSI – com ponto neutro grampeado (NPC) de três níveis PWM ......2...46 3................................2.....3.........................41 3............3.................................................................44 3.........................................................................................................3 Eficiência e estimativa de perdas ......................37 3.......48 4..............................3 Resultados analíticos da simulação.................60 REFERÊNCIAS ..................................3....47 4 ESTUDO DE SIMULAÇÃO .............................................3 Inversor comutado pela carga – LCI ......................................................................................................39 3.......................................................................................48 4.....................................................49 4.............3.........48 4.........43 3....................................41 3..............4 Qualidade de tensão e de corrente ........................................................1 Especificações básicas de desempenho ......3.............36 3...............4 Conclusões .........................2 Confiabilidade ...........2............................2 Base de dados em que foi preparada a simulação .....3 Análise de desempenho....................5 Custos dos dispositivos ..................................................................................................................45 3...................................................62 ix ...........................................59 5 CONCLUSÕES ...................5 VSI – Multiníveis PWM...... porém isto ainda não se refletiu muito na redução do custo de inversores para aplicações em redes elétricas de média tensão. principalmente no Brasil. o grande desenvolvimento tecnológico na área dos dispositivos semicondutores de potências. Esses inversores ou acionadores de freqüência ajustável. x . e para isto foi escolhida a topologia de tensão imposta e modulação por largura de pulsos. tensões industriais entre 2300 a 6900 Volts. a partir de uma tensão fixa. bem como vantagens e desvantagens em suas comparações em aplicações mais conhecidas para o uso de inversores. e como funciona um Inversor de Freqüência. a fim de apresentar detalhes de todo o funcionamento básico da elaboração de uma tensão com amplitude e freqüência variáveis. atualmente existe um número reduzido de empresas detentoras da tecnologia de fabricação destes inversores. Além do mais. ainda são de custo elevado. o que inibe o crescimento de sua aplicação. aqueles em que suas características são compatíveis para aplicações em níveis de média tensão.RESUMO Atualmente. vem produzindo importantes simplificações e redução de custos na construção de conversores estáticos para potências superiores a 300 kW. fato que implica no sigilo de informações sobre soluções de alguns problemas tecnológicos relacionados a tais equipamentos. dando-se maiores detalhes para a tecnologia voltada para aplicações em média tensão. Este trabalho consiste em um esclarecimento geral do que é. Também são mostrados os resultados da simulação de um modelo computacional de um Inversor de Freqüência. São abordados os aspectos tecnológicos relativos aos principais tipos de Inversores de Freqüência de Média Tensão existentes no mercado. Porém dando-se ênfase às tecnologias mais desenvolvidas até hoje a fim de fornecer informações mais atualizadas sobre o assunto. ou seja. apesar de seu princípio de funcionamento básico também se aplicar a níveis de tensões menores. Desenvolveu-se aqui um estudo das diferentes topologias. o princípio básico de funcionamento dos inversores de freqüência permaneceu o mesmo [1. de partida dentre outros. esses conversores de freqüência são equipamentos que possuem uma parte retificadora e outra inversora. que ao passar dos anos. Em muitos processos industriais há a . Inversor de Freqüência acabou sendo o nome pelo qual se chamava esse tipo de acionamento. E é justamente por uma das partes desse tipo de acionamento ser um inversor. por exemplo. Primeiramente seus recursos eram limitados devido à tecnologia encontrada na época. que possuem como característica fundamental o acionamento de máquinas. porém constantes desenvolvimentos nas tecnologias dos microprocessadores e semicondutores possibilitaram uma rápida melhoria dos inversores. Portanto a terminologia do equipamento relatada nesse trabalho será a de Inversor de Freqüência. como por exemplo. É importante ressaltar ainda que. Desde a década de 60. 8]. são divididos em grupos de equipamentos. de variar a velocidade de um motor. que utilizam o método de variar a freqüência da tensão elétrica para se dar a partida e variar a velocidade dos motores. Apesar de todas essas mudanças desde seu surgimento. é um equipamento capaz. como é comumente chamado no exterior). e lembrando que ao se falar do inversor (contido dentro do próprio acionamento de freqüência ajustável). em curtas palavras. ligadas entre si por um elo de tensão ou corrente contínua chamado “Elo CC” (do termo em inglês Link DC). Os acionamentos. Porém. este estará descrito como “estágio inversor”. O inversor de freqüência. os estáticos. no entanto. os inversores de freqüência têm sofrido grandes mudanças. sendo que em uma dessas categorias se encontram os conversores de freqüência (acionamento de freqüência ajustável). que proporcionou que este equipamento se tornasse cada vez mais comum no mercado. além da grande redução dos preços. a palavra acionador está ligada a uma gama de tipos diferentes de equipamentos. Na verdade o equipamento em questão é um acionador (ou Drive em inglês.1 Introdução Primeiramente deixa-se registrado aqui o porquê da terminologia Inversor de Freqüência.11 1 O INVERSOR DE FREQÜÊNCIA 1. no final. fato que poderia ser resolvido com o sobre-dimensionamento (cerca de 10%) dos transformadores para que fossem compensadas essas perdas. Então se pergunta: “Por que não usar um acionamento de velocidade ajustável em baixa tensão com o auxílio de transformadores?”. Neste caso pode-se substituir sistemas de partidas como reostato líquido. Porém para se fazer toda essa instalação. alguns processos teriam alguma economia de energia consumida. . soft-starters. que é possível. não haveria nenhuma viabilidade prática. justifica o uso de um acionador de freqüência ajustável. pois haveria um acréscimo das perdas que surgiriam por causa das harmônicas na corrente. em geral. um produto com maior qualidade. sendo assim. pois suas máquinas trabalhariam apenas de acordo com o que fosse requerido pelo sistema. fato que. e depois em sua saída para o motor (que é de alta potência). Tudo isso acarretaria um aumento de custos. um outro transformador para elevar a tensão para níveis requeridos pelo motor. porém esses tipos de acionamento só proporcionam um controle de corrente na partida. a tecnologia desenvolvida para trabalho a esses níveis (1 kV a 45 kV) [2] é bastante limitada. a rede elétrica em que o motor se encontra sofre grandes variações de tensão acarretando danos e desgastes nos demais equipamentos ligados a essa rede. Sem contar ainda a redução do rendimento do equipamento.12 necessidade de se ter um controle da velocidade de algum determinado equipamento para que se tenha. já que seriam dois transformadores especiais (sendo que algumas topologias de média tensão necessitam de nenhum). onde o nível de tensão de entrada do acionamento seria reduzido. é que devido às altas correntes de partida. O porque dessa necessidade de se reduzir a corrente de partida de um motor. Pelo fato de se lidar com média tensão. Isso se deve ao fato de que poderia ser colocado na entrada um transformador abaixador. e não durante todo o funcionamento do motor. Os inversores também podem ser usados para suavizar a partida de motores. Esta pergunta surge pelo fato de que a tecnologia dos acionamentos em baixa tensão ser uma tecnologia mais desenvolvida e dominada por todo o mundo. chaves estrela-triângulo e compensadoras. exceto quando citado. um . trata-se de um sistema trifásico com uma tensão da rede elétrica de 4160 volts. 6. Porém vale mostrar aqui o conceito básico de como se controla a velocidade de um motor de indução de corrente alternada.p. (rotações por minuto).1) fica entre a rede elétrica de entrada. Este receberá do inversor uma tensão e uma freqüência que poderão ser ajustáveis. 4. s = fator de escorregamento. que possui tensão e freqüência fixas. deve possuir uma diferença entre as velocidades do campo magnético do estator e do seu rotor.13 Figura 1.p. Toda máquina de indução.2 Elementos constituintes de um acionamento A localização do Inversor de Freqüência no circuito (Figura 1. para seu funcionamento.1 – Posicionamento do inversor no sistema de acionamento 1. O funcionamento é bastante simples do ponto de vista geral. O desenvolvimento deste trabalho estará voltado para níveis de média tensão. f = freqüência da rede elétrica em Hertz (geralmente 60 Hz). proporcionando assim o controle de sua velocidade. e o motor que aciona o equipamento. e uma freqüência de 60 Hertz. (rotações por minuto). no caso. Ns = velocidade de rotação síncrona em r.m. e assim por diante). p = número de pólos do motor (2.m. De acordo com as equações: Ns = 120 f p ( 1-1 ) s= Ns − Nm ∴ Nm = (1 − s ) × Ns Ns ( 1-2 ) Onde: Nm = velocidade de rotação do motor em r. ou seja. Como a velocidade do motor está diretamente relacionada com a velocidade síncrona (Ns). φ = Ângulo de defasamento. fazendo com que a velocidade do motor varie. que com o valor do escorregamento (que vem nos dados do motor) calcula a velocidade do eixo. Já a variação da tensão na saída do inversor está relacionada com o fluxo magnético do motor. No caso do motor de indução. Caso não haja esse escorregamento não haverá nenhuma força eletromotriz induzida no rotor. Φ = Fluxo magnético. V = Tensão. T = Torque no eixo. De acordo com as equações seguintes pode-se notar que a freqüência é diretamente proporcional à potência.2. essa velocidade significa a velocidade do campo magnético do estator. Ir = Corrente do rotor.14 escorregamento. [3] . é preciso variar a freqüência. Através da expressão 1. w = Velocidade angular.1 pode-se calcular a velocidade síncrona de um motor de corrente alternada. Como. é preciso que a tensão também seja ajustada para se conseguir tais resultados [3]: P = V × I × cos ϕ P = T × w → (w = 2π . que é diretamente proporcional à Ns. pois o fluxo de corrente neste seria zero. E é exatamente a freqüência f que o inversor mudará. Então passa-se à expressão 1. na maioria das vezes. que por sua vez é diretamente proporcional à corrente do motor. KT = Constante de torque. o objetivo é manter o torque constante. f ) T = k T × φ × Ir × cos ϕ (1-3) (1-4) ( 1-5) Onde: P = Potência. sua estrutura física e tecnológica.15 Tendo em vista funcionamento como um todo de um inversor de freqüência. ou seja. é mostrado a seguir (Figura 1. Basicamente os inversores consistem de três estágios: um retificador de entrada para converter a tensão de corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC).2 – Funcionamento básico de um inversor de freqüência 1.CA Saída CA Tensão ajustável Freqüência ajustável Figura 1. sessenta períodos por . b) Tensão CA trifásica Conforme se pode ver na figura 1. que podem ser ilustradas como: Figura 1. porém com níveis de tensão e freqüência ajustáveis. um Elo CC para armazenar e filtrar o nível de tensão ou corrente contínua retificada. Elo CC Entrada CA Tensão fixa Freqüência fixa Retificador CA . a tensão está constantemente mudando de sentido.3. e a quantidade de períodos contidos em um segundo é a freqüência.2). que no caso da rede elétrica no Brasil é de 60 Hertz.1 Retificador de entrada A tensão de entrada pode ser fornecida como uma tensão de corrente alternada (CA) trifásica ou monofásica.3 – a) Tensão CA monofásica. e um inversor na saída para converter a forma de onda contínua em alternada novamente.2. O tempo que se gasta para completar um ciclo se chama período.CC Filtro Reativo Inversor CC . oscilando senoidalmente entre valores positivos e negativos durante um determinado intervalo de tempo. os não-controlados que são compostos por diodos. que é de 120º.5 – Retificador não-controlado a diodos (tensões UA e UB referentes ao ponto neutro) . e os controlados que são compostos por tiristores. E em relação à tensão com três fases (trifásica). temos ainda um certo atraso (deslocamento) de uma fase para outra. Existem dois tipos de retificadores. Com outros tipos de semicondutores é possível ter um controle de amplitude da tensão retificada.4 – Modo de operação de um diodo Após a onda passar pelo diodo. Figura 1.1 Retificador não-controlado a diodo Diodos são componentes que permitem o fluxo de corrente em apenas um sentido: do seu anodo (A) para seu catodo (K): Figura 1. mas no caso dos diodos.16 segundo.4. como mostra a figura 1. portanto os pulsos da tensão retificada terão a mesma forma de onda da tensão de entrada. porém apenas com a parte positiva. A função do retificador é transformar essa onda oscilatória em uma onda praticamente lisa. este atraso equivale a um terço do período da onda. 1.2. A ponte retificadora usada no estágio retificador dos inversores de freqüência deve conter diodos dispostos de tal forma que se obtenha uma onda de saída com pulsos positivos e negativos de tensão.1. a tensão CA (corrente alternada) é retificada e passa a ser uma tensão CC (corrente contínua) pulsante. ela resulta em pulsos com amplitudes iguais às da onda de entrada. 1. é o sinal de controle α que é graduado em graus. Figura 1.5. os tiristores possuem um terceiro terminal chamado “Gate” (G). que resulta na retificação da tensão aplicada quando esta se encontra no seu semi-ciclo negativo.2. quando o tiristor pára de conduzir. que. os tiristores fazem com que a onda senoidal de entrada seja retificada em pulsos contínuos tanto na parte positiva (UA) como na negativa (UB). Da mesma forma que os diodos. O valor de α indica o atraso entre a passagem da onda de tensão pelo zero e o começo da condução do tiristor. A partir de então o tiristor funcionará como um diodo. depois de recebido.4. que resulta na retificação da tensão aplicada quando esta se encontra no seu semi-ciclo positivo. No entanto. O Gate controla o tiristor através de um sinal. porém uma tensão positiva e outra negativa em relação ao ponto neutro comum [1]. UB é o resultado da retificação feita pelos diodos D2. ambos em relação ao ponto neutro comum.3.5 é mostrado como o retificador elimina as oscilações da onda de entrada deixando apenas passar os picos das ondas da tensão trifásica. e possuem características semelhantes.6. o sinal recebido pelo Gate. Com isso .6 – Modo de operação do tiristor Como se pode ver na figura 1.17 Na figura 1.2 Retificador controlado Nos retificadores controlados os tiristores são usados no lugar dos diodos. UA é o resultado da retificação feita pelos diodos D1.6. pois também só permitem o fluxo de corrente em um sentido (anodo para catodo). a única diferença é que através do ângulo α pode-se determinar a amplitude dessas ondas retificadas. o tiristor é liberado para que a corrente possa fluir até que se torne negativa novamente.1. Sendo assim este tipo de retificador fornece dois barramentos CC (A e B) onde se encontram tensões de mesmo módulo. por exemplo. Fazendo uma ligeira comparação entre os dois tipos de retificadores. No entanto uma vantagem da retificação controlada é que a energia pode ser refletida de volta para a rede. sem variações. 1. Isso é necessário devido à grande precisão que se deve ter na entrada do estágio inversor. o retificador irá drenar valores crescentes de potência reativa. o controlado causa maiores perdas e distúrbios na rede elétrica de entrada. O Elo CC. se o tiristor é controlado para que seu período de condução seja bastante reduzido. pois é dele que o motor. através do estágio inversor. por exemplo. Figura 1.18 o valor da tensão CC na saída do retificador possui um valor que pode variar a tensão de acordo com o ângulo α. E isto é possível de acordo com alguns princípios . e se for entre 90º e 180º é usado como inversor [1]. permitindo a devolução da energia de frenagem de um acionamento.7 – Retificador controlado a tiristor (tensões UA e UB referentes ao ponto neutro) Uma característica interessante dessa ponte retificadora é que ela pode tanto ser usada como retificador quanto como inversor. retira a energia necessária para seu funcionamento. assumindo desde zero até valores da tensão de entrada. no caso do ângulo ser estabelecido no valor entre 0º e 90º o arranjo dos tiristores é usado como retificador. pois. para isso basta se ter o controle do ângulo α.2.2 Elo CC Depois de ser retificada a tensão de entrada são necessários filtros devido ao efeito da retificação não proporcionar uma onda “lisa”. contribuindo-se assim para uma melhoria do rendimento do sistema. também chamado de circuito intermediário. pode ser comparado a um armazenador. Este indutor associado a fonte de tensão ajustável que vem do retificador resulta numa corrente contínua lisa de amplitude ajustável. a tensão é ondulada e ajustável. Este filtro pode ser usado para os dois tipos de retificadores. o Elo CC consiste em um grande indutor (Figura 1. suavizar a pulsação da tensão CC (UZ1) que vem do retificador. onde é usado o retificador controlado a tiristor.9). . e dependendo também do tipo de retificador e estágio inversor usados. mas ao passar pelo filtro. é fornecida ao estágio inversor uma tensão CC perfeita (UZ2) com amplitude ajustável.8). o Elo CC consiste de um capacitor (Figura 1. Figura 1. Já em um retificador não controlado a tensão CC que passa pelo filtro é entregue com amplitude constante [1]. Controlada Amplitude variável Não controlada Figura 1.9 – Elo CC de tensão contínua Amplitude Constante Na saída de um retificador controlado. Nestes casos são as cargas que determinam a tensão que será entregue ao motor.8 – Elo CC de corrente contínua ajustável Para inversores de tensão imposta. A sua função é a mesma. Para inversores de corrente imposta.19 de construção do filtro. No princípio de seu surgimento. porém a única diferença está nos diferentes tipos de componentes usados. e também pela quantidade desses blocos que são dispostos em série para se obter o resultado necessário. Se a corrente ou a tensão forem variáveis. o estágio inversor assegura o fornecimento ao motor de uma tensão de amplitude e freqüência variáveis. o inversor apenas gera sua freqüência. As outras topologias existentes seguem esse mesmo padrão.10 mostra um bloco inversor básico. porém com o avanço da tecnologia estes vêem sendo substituídos por transistores de alta freqüência que fazem um chaveamento muito mais rápido. porém. onde ocorre a elaboração (através de chaveamentos dos semicondutores) da tensão de saída para o acionamento do motor. os inversores eram compostos de tiristores. o inversor gera tanto a freqüência como a tensão variáveis necessárias para o motor. a freqüência de chaveamento pode chegar até 20 kHz [1]. ou uma tensão CC constante.20 1. uma tensão CC ajustável. A figura 1. Como visto anteriormente.3 Inversor Este é o ultimo estágio em um Inversor de Freqüência.10 – Bloco inversor básico (monofásico) . Em cada caso. Saída Figura 1. se a tensão do Elo CC for constante. o inversor pode receber do circuito intermediário uma corrente contínua. porém é no estágio inversor que se encontram as diferentes topologias de como são construídos os diferentes tipos de Inversores.2. Dependendo do tipo de semicondutor. O Inversor de Freqüência caracteriza-se pelo conjunto de todos os seus estágios. sua classificação como um tipo de acionamento de média tensão. um capítulo (Capítulo 3) apenas sobre os tipos de tecnologias mais usadas para Inversores de Freqüência de Média Tensão.21 Nesta figura é mostrada a saída de uma das fases do estágio inversor de dois níveis. um cartão de memória controlado por um microcomputador gera os pulsos que proporcionam o chaveamento que dará origem à forma de onda na saída.2 kV com potências acima de 300kW e até 100MW. porém os níveis dos Inversores geralmente chegam apenas nos 7. 1. onde o diodo em anti-paralelo com o semicondutor é usado para permitir que a corrente possa fluir no sentido contrário (quando necessário). assim como o funcionamento de cada um desses estágios (Retificador. este trabalho reserva mais adiante. No “gate” do semicondutor. seus princípios básicos de funcionamento. Por se tratar de um assunto mais complexo e também por ser o estágio inversor uma das características marcantes em cada tipo de topologia. que abrangem inversores de 1 kV a 7. já que os semicondutores usados não permitem uma corrente reversa. . sua estrutura. Elo CC e estágio inversor).2kV. Lembrando que o nível de tensão média está entre 1 kV e 45 kV [2].3 Conclusões No Capítulo I foi apresentada uma idéia geral do que é o Inversor de Freqüência. No próximo capítulo serão descritas as diferentes tecnologias usadas para a construção de um Inversor de Freqüência de Média Tensão. que foi separada em estágios para melhor entendimento. tanto a amplitude quanto a freqüência de saída são controladas pelo chaveamento dos semicondutores no estágio inversor através.1 Introdução Como visto no capítulo anterior o Inversor de Freqüência possui diferentes formas de retificar. onde o método mais usado é a modulação por largura de pulso (PWM). filtrar e inverter a forma de onda para que se tenha na saída uma tensão e uma freqüência ajustáveis no intuito de proporcionar ao motor um controle de velocidade. por exemplo. Porém é necessário que se tenha um conhecimento das técnicas usadas nos inversores para se manipular esses resultados. é a carga do motor que determina a corrente que o inversor fornecerá. sendo assim. como o próprio nome diz.1) são aqueles. Retificador Elo CC Inversor Figura 2. dando-se importância para o tipo de obtenção da onda retificada.1 – Inversor de tensão imposta . 2.22 2 ASPECTOS TECNOLÓGICOS DOS INVERSORES DE FREQÜÊNCIA 2. São descritos neste capítulo alguns aspectos técnicos principais que são usados nas diferentes topologias. armazenar. da modulação por largura de pulso (PWM). e ainda o modo como essas ondas são trabalhadas através do controle dos semicondutores de potência na saída do inversor.2 Tensão imposta (VSI) Inversores de Freqüência que funcionam por tensão imposta (Figura 2. controlados apenas pela tensão que é retificada. Nessa topologia. se é por corrente ou por tensão imposta. Porém. que faz com que a onda de corrente na rede CA deixe de ser perfeitamente senoidal. existem poucas harmônicas de ordem alta que são refletidas de volta para a rede. tais pulsos são eliminados através do uso de capacitores. são gerados pulsos de tensão na saída do retificador. porém. uma vez que a taxa de variação da corrente na retificação é baixa.96 [4]. deslocamento (cos φ) e distorção (razão entre a corrente fundamental e a corrente total). pode ser resolvido através do uso de filtros harmônicos. por se tratar de altos níveis de tensão. Já a componente de distorção irá depender do número de pulsos que o estágio retificador do Inversor trabalhará. a corrente fundamental será muito menor em relação à corrente total.23 Neste tipo de inversor é usado o retificador não controlado a diodo que possui sua característica própria de retificar a onda de tensão em pulsos contínuos de amplitude constante. que é a multiplicação entre duas componentes. temos o FPTOTAL. Um dos fatores importantes que levam à decisão exata de qual tipo de topologia deva ser adotada é o fator de potência (FP) proporcionado pelo retificador de entrada. uma alta energia é armazenada nesses capacitores do Elo CC. a rede elétrica é “poluída” por essas distorções que são chamadas de Harmônicas. Nessa topologia. pois quanto maior for a quantidade de pulsos. Devido à retificação da tensão de entrada ser feita de forma não controlada. que quanto mais alto for. significa que a potência total está sendo consumida de forma mais proveitosa para a máquina. Dessa forma. este tipo de configuração de inversores provoca em sua entrada uma corrente bastante distorcida. pois isto acarretaria em correntes bastante elevadas. que apesar de não ser um grande problema para a rede elétrica. Porém ao se fazer todo esse processo. Isto ocorre porque. No caso. por isso há uma certa preocupação quanto a curtos-circuitos na saída do inversor. No caso dos Inversores de tensão imposta é encontrado um grande conteúdo de 5ª e 7ª Harmônicas [4]. uma onda sem oscilações). cerca de 0. a componente de deslocamento é alta. para o inversor. daria a entender que fosse uma carga . depois disso a onda passa pelo circuito intermediário que fará com que a forma de onda seja entregue ao estágio inversor da forma mais limpa possível (ou seja. Atualmente. este tipo de topologia também provoca na entrada do Inversor de Freqüência distorções harmônicas.24 grande no motor e não um curto. dando . Retificador Elo CC Inversor Figura 2.2) comumente utilizam retificadores controlados a tiristores. a maior potência que se pode ter de um inversor de freqüência de média tensão VSI é de até 30 MW [4]. Porém a diferença está no chaveamento dos tiristores. Portanto.3 Corrente imposta (CSI) Inversores de corrente imposta (Figura 2. como nesse caso o que se obtém do Elo CC é uma corrente. O chaveamento desses tiristores produz pulsos de tensão contínuos cuja amplitude pode ser regulada de acordo com o ângulo de disparo dos “Gates” dos semicondutores. então é a carga usada que determinará ao inversor a tensão a ser fornecida para alimentar o motor. Também é do Elo CC que se obtém a potência reativa necessária para o funcionamento do motor. é obtida uma corrente contínua lisa que varia de amplitude de acordo com a tensão de saída do retificador. No entanto. uma alta taxa de variação da corrente de entrada. Após o circuito intermediário. O fato de possuir um barramento único de tensão contínua de amplitude fixa possibilita a operação de mais de um motor ligado à mesma saída. O que leva a esta ser uma das topologias preferidas pelas grandes empresas. acarretando assim.2 – Inversor de corrente imposta Assim como na tensão imposta. que podem comutar quando a tensão de linha na entrada é elevada. geralmente estas empresas esbarram em um problema praticamente sem solução que é a potência máxima que esses tipos de inversores podem proporcionar. 2. que consiste apenas de grandes indutores. pois sem um barramento de tensão CC fixa não se pode ter uma tensão constante para os motores. o Elo CC funciona como se fosse uma fonte de corrente controlada onde só se encontra a energia requerida pela carga. pois todos os reativos que são requeridos pelo motor são diretamente refletidos de volta para a rede elétrica. este tipo de topologia pode ser aplicada em processos de grandes potências. dessa forma é obtida então uma corrente “lisa” que possui uma amplitude ajustável (conforme demonstrado na seção 1. para serem eliminados. A onda da tensão de entrada.25 origem a harmônicas de alta ordem. seria necessário o acréscimo de hardwares especiais para controlar o inversor de maneira que este identificasse os diferentes motores [4. um curto-circuito na saída do inversor não é tão desastroso. E isso nem sempre é bom para a rede elétrica. a componente de deslocamento do FP variará de acordo com esse ângulo. Quanto ao fator de potência (FP). Desta forma. maiores que as alcançadas pela VSI (30MW) [4]. E caso se queira colocar mais de um motor. Além do mais. o acoplamento de filtros de harmônicas na entrada do inversor. . Vale ressaltar uma característica importante dessa topologia que é a regeneração de energia. Pois. ao ser retificada. possibilitando assim um maior controle dos reativos presentes no sistema em que está instalado este inversor. 6].2). também resulta em pulsos de tensão que. como o ângulo de atraso das correntes de entrada será determinado pelo ângulo de disparo α dos tiristores. sendo necessário talvez. a topologia por corrente imposta possui uma característica que deve ser tratada com bastante relevância. porém uma desvantagem encontrada aqui é a dificuldade ao se usar mais de um motor no mesmo inversor. requerem o uso de um indutor no Elo CC (Figura 2. Sendo assim. será igual ao co-seno de α. pois neste caso teremos um fator de potência que irá variar de acordo com a velocidade empregada no motor. ou seja.2) que pode ser controlada. 26 2. porém sua posição no tempo é proporcional à tensão da amostra no instante da amostragem [7]. A PAM consiste em amostras regularmente espaçadas no tempo.4 Modulação por largura de pulso (PWM) A modulação é um processo usado para se obter uma amostra de sinais a partir de uma onda qualquer. Em termos de . A figura 2. a PPM as amostras são representadas por pulsos de amplitude e largura fixas. é descartada aqui a análise dos demais tipos de modulação de pulsos. Na modulação por pulsos encontramos três formas diferentes de se obter o sinal modulado: modulação por amplitude de pulsos (PAM – Pulse Amplitude Modulation). Sinal a ser amostrado Sinal PAM Sinal PWM Sinal PPM Figura 2.3 mostra como é o sinal resultante de cada uma dessas modulações. e a por largura de pulso (PWM – Pulse Width Modulation) [7]. por posição de pulsos (PPM – Pulse Position Modulation). largura fixa e tensão igual ao sinal no instante que é amostrado. Por fim.3 – Sistemas de modulação analógica de pulsos Como a modulação por largura de pulsos (PWM) é o tipo de modulação mais comumente usado para a geração de ondas trifásicas de freqüência ajustável. A PWM consiste de amostras representadas por pulsos de amplitude fixa e largura proporcional à tensão do sinal no instante da amostragem. 27 controle da onda de saída de um inversor. é bastante usado para controles dos semicondutores de potência em um inversor de freqüência de média tensão. suas únicas diferenças estão relacionadas às distorções harmônicas na saída do inversor.4 – Princípio de funcionamento do PWM controlado por senóide (Apenas duas tensões de referencia) . Porém. e é na interseção dessas ondas que são gerados os pulsos que farão com que os semicondutores sejam ligados ou desligados. Na figura 2. onde a tensão trifásica senoidal de referência (US) é sobreposta por uma tensão triangular (UΔ). e nas perdas de potência nos chaveamentos dos semicondutores de potência. escolheu-se a modulação senoidal. Contudo. por esta ser de fácil entendimento e melhor visualização de seus procedimentos na simulação.4 temos uma exemplificação. chamado de SVPWM (Space Vector PWM). para fins didáticos. temos ainda para o PWM. Este último. Saída do Inversor Figura 2. dois tipos: O PWM controlado por onda senoidal e o PWM vetorial. O controle da PWM senoidal usa como princípio uma onda senoidal de tensão como referência para cada fase de saída do inversor. que ambos os casos o SVPWM leva pouca vantagem em relação ao PWM com modulação senoidal [8]. E é através do período dessa onda que se obtém a freqüência da tensão de saída. Esse cartão é simplesmente uma parte analítica de um computador que analisa e compara as tensões senoidais de referência e a triangular para que se possam gerar os pulsos que serão posteriormente enviados para os “Gates” dos semicondutores de potência. que apesar de proporcionarem o funcionamento do motor. Porém para um funcionamento básico do inversor. pois assim composta tem-se mais chaveamentos dos semicondutores e maior é a quantidade de pulsos. a tensão ou corrente do barramento CC do circuito intermediário (Elo CC). dentre outros. Foram feitas explicações e análises de dois tipos de topologias. Foi esclarecido também o modo como o inversor trabalha para se obter a tensão desejada em sua saída. a VSI e a CSI. E para o caso do PWM o sistema de controle segue a seguinte lógica: se a tensão triangular é maior que a senoidal o pulso de saída mudará de positivo para zero. dessa forma se obtém na saída uma tensão tanto mais definida quanto maior for a freqüência da onda triangular. a . por exemplo. Com esses pulsos gerados. ou de zero para positivo quando a tensão triangular for menor. o monitoramento da corrente. como a análise do torque que está sendo aplicado ao motor. 2.28 As interseções das ondas são determinadas eletronicamente por um cartão de controle que vem incorporado ao sistema de controle do inversor de freqüência. possuem características decisivas na hora da escolha de um acionamento que se encaixe melhor no processo industrial. eles são matematicamente distribuídos para os semicondutores que irão fornecer no momento em que estiver operando. assim como o controle de sua velocidade. porém a tensão triangular necessita ter uma freqüência bastante elevada (1kHz a 10kHz). Vale lembrar que existem outras constantes que são calculadas. a freqüência da tensão de referencia é mudada de acordo com o que se pede (geralmente de 0Hz a 90Hz).5 Conclusões Neste capítulo foram descritos alguns aspectos importantes para se entender o funcionamento de um Inversor de Freqüência de Média Tensão. que está diretamente proporcionada à modulação. Outro fator é a qualidade da onda de saída. pois é através dela que são geradas as tensões de saída com freqüência ajustável.29 modulação dos pulsos PWM é a mais importante. assim como um estudo entre suas vantagens e desvantagens em relação a desempenhos e custos. . No próximo capítulo serão mostradas as topologias existentes no mercado mundial de Inversores de Média Tensão. variando de 3. Inversores VSI com IGCTs ou IGBTs (tipos de transistores). cada topologia tem uma maneira diferente de adquirir. O que resultou em aumento de fabricantes oferecendo vários produtos e soluções para usuários industriais de motores síncronos e assíncronos. e também. ainda se dividem em mais dois outros grupos. Uma grande redução em componentes gera bons resultados. Os principais critérios para a escolha dos acionadores são o baixo custo de capital. circuitos.2 kV). Para isso são usados um complexo transformador de enrolamentos múltiplos e tecnologias consolidadas de inversores de baixa tensão ligadas em série. por conseqüência.5kV. Uma das soluções propostas é a conexão em série de módulos de inversores de baixa tensão até que se alcance a tensão requerida pelo motor. e na forma como são adquiridas e fornecidas as ondas de tensão e corrente. o tamanho e a facilidade de uso. significa a tecnologia que é empregada em sua construção. pois implica redução de custos e aumento da confiabilidade do equipamento. Nos últimos anos têm sido significativas as pesquisas e desenvolvimentos em torno das tecnologias de acionamentos em Média Tensão (1 kV a 7. Ou seja. ou tecnologias como são construídos os equipamentos. a eficiência. retificar e armazenar a tensão da rede elétrica de entrada.3kV até 6.30 3 TOPOLOGIAS DOS INVERSORES DE MÉDIA TENSÃO 3. Os fabricantes de inversores de dois e três níveis. . As necessidades dos usuários industriais variam dependendo das condições de aplicação e ambiente. Sendo que ainda temos uma diferenciação em seus componentes usados.1 Introdução Topologias são formas. para implementações em dois ou três níveis de inversão. que. Outra solução é o uso de semicondutores de potência para tensões elevadas. como por exemplo. a confiabilidade. No caso dos Inversores. existem duas formas bastante diferentes de planos de venda sendo usadas pelos fabricantes de Inversores de Freqüência de Média Tensão. os que oferecem inversores de tensão imposta (VSI) e os de corrente imposta (CSI). e Inversores CSI com SGCTs ou GTOs (tipos de tiristores controlados) [5]. influi no funcionamento dos componentes instalados. Entretanto. diferentes maneiras de fornecer a tensão de saída. manutenção e reparos.2 e 2. com destaque para os mais requisitados no mercado mundial. em baixas velocidades. mas em geral estas são as principais características que fazem diferença na escolha de um sistema de acionamento no mercado mundial. um inversor SCR. Essa topologia é caracterizada por um retificador SCR. e a de tensão imposta caracterizada por um retificador não controlado a diodo e um capacitor no Elo CC que fornece a tensão para o estágio inversor. um O uso dessa topologia foi decaindo nas aplicações industriais. a importância de alguns desses requisitos pode variar. Atualmente existem dois tipos de topologias de corrente imposta para acionamento de motores assíncronos. pois além de não se usar técnicas de PWM um enorme filtro . da corrente). assim como a comparação de cada produto. um grande indutor no Elo CC. Segue nesse capítulo a descrição das diferentes topologias disponíveis no mercado para Inversores de Freqüência de Média Tensão. e um grande filtro capacitivo (maior que 1 p.6 da seção 3. Esta topologia é caracterizada por um retificador controlado a silício (SCR).3: a de corrente imposta.2 As topologias As duas principais categorias de acionamento foram descritas nas seções 2. 3. O segundo tipo que foi introduzido no mercado no final dos anos 80 é o Inversor de corrente imposta com modulação por largura de pulsos (PWMCSI) mostrado na figura 3. o qual é usado para auxiliar na alta velocidade de chaveamento nos SCRs da parte inversora. capacitivo é necessário [5]. Dependendo da situação.1). é necessário um circuito comutador ou alavanca para que se possa isolar o filtro capacitivo do circuito. caracterizada por um retificador controlado a tiristor e um indutor no Elo CC.2.1. Diferentes topologias resultam dessas duas características descritas acima.31 incluindo comissionamento. quando se estão chaveando os SCRs do inversor.u. Portanto. O primeiro tipo introduzido no mercado em meados dos anos 80 foi o CSI com Capacitores Auxiliares ou CACSI (Figura 3. que fornece a corrente para o estágio inversor. 6 p.4 a 0. Um terceiro tipo recentemente introduzido no mercado foi o PWMCSI com SGCTs ao invés de GTOs (PWMCSISGCT) mostrado na figura 3. Existem também outras variações da topologia VSI. . que pode ser considerado o “irmão” do PWMCSI.2.2 a 0. cerca de 0. O de dois níveis. Outra característica é a eliminação do circuito “snubber” que é requerido para o caso de uso dos GTOs.2 – PWM-CSI SGCT Existem três tipos de Inversores de Freqüência de tensão imposta disponíveis no mercado.3). tais como a de multi-nível com diodo de fixação de tensão e a multi-nível com capacitor de fixação de tensão.4 p.u. A topologia de dois níveis (Figura 3.u. o de três níveis e ainda a configuração da ligação em série chamada ponte-H. por causa dos SGCTs que são usados tanto no estágio retificador como no inversor.32 indutor no Elo CC. Snubber M Figura 3. sendo assim tem-se redução da quantidade de componentes. da corrente). mas essas duas não são estimadas para aplicações padrões. da corrente [5]. Sua topologia é a mesma do PWMCSI.1 – PWM-CSI GTO M Figura 3. e ainda conta-se com um filtro capacitivo mais reduzido. o indutor do Elo CC é bastante reduzido. GTOs no circuito inversor e um filtro capacitivo de tamanho médio na saída (cerca de 0. porém. M Figura 3. e IGBTs conectados em série no estágio inversor.5 é caracterizada por um transformador de múltiplos enrolamentos que normalmente possui 9. e esta é composta de uma ponte retificadora trifásica de diodos.4a e 3. 5]. a) com IGCT.4 – Inversor de tensão imposta de 3 níveis. e uma ponte-H de IGBT. um grande capacitor no Elo CC. a) Ind. M Motor b) Figura 3. Duas diferentes topologias de três níveis são mostradas nas figuras 3. um banco de capacitores eletrolíticos no Elo CC. A saída de cada célula é conectada de tal maneira a se construir a tensão requerida. Elas são caracterizadas pelo uso de retificadores a diodos geralmente em 12 ou 24 pulsos. e um inversor de três níveis de IGBT ou IGCT. um grande capacitor no Elo CC. A topologia ponte-H mostrada na figura 3. 12 ou 15 enrolamentos secundários [4.33 que é raramente encontrada no mercado de média tensão. b)com IGBT . Cada enrolamento é conectado a uma célula de potência. os quais podem ser substituídos por retificadores de três níveis com IGCTs ou IGBTs PWM. é caracterizada por um retificador a diodo.3 – Inversor de tensão imposta de 2 níveis M Motor Ind.4b (só se diferem basicamente pelo uso de diferentes tipos de semicondutores de potência). Foram desenvolvidas quando os SCRs eram os únicos componentes disponíveis para altas potências.34 Célula de Potência 3 H-Bridge Ponte H 1-1 1-1 Transformador de entrada Enrolamentos múltiplos 3 Ponte H H-Bridge 1-2 1-2 H-Bridge Ponte H 1-3 1-3 3 3 H-Bridge Ponte H 2-1 2-1 3 H-Bridge Ponte H 2-2 2-2 3 H-Bridge Ponte H 2-3 2-3 Módulo da Célula de Potência (Ponte H) 3 H-Bridge Ponte H 3-1 3-1 3 Ponte H H-Bridge 3-2 3-2 H-Bridge Ponte H 3-3 3-3 3 M Figura 3. porém encontra-se ainda em operação. 3.1 CSI – com o uso de SCR Foi uma das primeiras tecnologias a serem desenvolvidas. S E R IE S H Y série TiristoresTem R I S T O R S T y p ic a l S n u b b e r a n d s h a r in g c o m p o n e n ts Snubbers Motor de Indução IN D U C T IO N M O TO R O U TP U T F IL T Filtro de saídaE R rh c c vf Figura 3.5 – Inversor de tensão imposta multi-nível (ponte H série) A seguir são apresentados detalhes das topologias citadas.2.6 – Saída do inversor com SCRs em série . de um ponto de vista geral. vantagens e desvantagens. como características técnicas. u. Para se resolver isso se deve ter na saída um contator para que o motor seja isolado.2. os harmônicos não absorvidos pelo filtro começam a deformar a onda.2 CSI – com o uso de GTO Este tipo de topologia é semelhante à que usa SCRs. sendo assim parte da tensão reversa é descarregada nos resistores pelos capacitores colocados em paralelo com os SCRs. É necessário um circuito especial (Snubber) para que a tensão reversa aplicada nos terminais dos semicondutores no momento da comutação não os danifiquem. 3. Fro Vem do m S C R C o n v e r t e r retificador GTOsEemGsérie SERI S T O 's T y p ic a l G T O S n u b b e r Snubbers Motor de Indução IN D U C T IO N MO TO R F r m S retificador Vemodo C R C o n v e r t e r Filtroude saídato r s O u tp t C a p a c i g tovfd Figura 3. que são tiristores auto-comutáveis.35 Um enorme filtro de saída (cerca de 1 p. pois as ondas de corrente na saída possuem uma forma quase quadrada. Outro problema encontrado é devido ao filtro usado na saída. Isto se deve ao fato de que são usadas técnicas de chaveamento dos . Com o propósito de se atingir potências mais elevadas. este necessita também de um filtro na saída para atenuar o alto di/dt gerado pelo inversor.7 – Saída do inversor com GTOs e capacitores auxiliares Assim como o Inversor de SCR. porém neste caso são usados os GTOs. na medida em que a freqüência de saída é reduzida. chegando a tal ponto em que o inversor não consegue mais comutar. que por sua capacidade reativa. porém estes filtros possuem uma capacidade menor. da corrente em kA) deve ser usado. Embora a forma de onda a 60Hz seja muito boa. pode auto-excitar o motor mesmo com o Inversor desligado.. os SCRs são colocados em série. já que um único SCR atinge pequenos valores de tensão. então a solução é colocá-los em série. fazendo com que a eliminação das harmônicas se limite às harmônicas 5ª e 7ª apenas [5].2.36 GTOs para eliminar harmônicos. Aqui encontramos uma certa melhoria dos inversores. visto que seu tamanho e peso. porém ainda se deve lembrar dos contatores usados para isolar o motor. . pois. No entanto. Lembrando que a maioria dos tiristores usados não possui uma capacidade de condução suficiente. o motor deve prover os reativos necessários para fazer a comutação dos semicondutores. Possui uma característica própria de funcionamento como uma fonte de corrente que utiliza um motor síncrono operando com fator de potência capacitivo para comutar os tiristores. mas nem por isso é bastante usado no mercado.3 Inversor comutado pela carga – LCI Esse tipo de inversor é bem diferente dos demais.8 – Inversor comutado pela carga Esta topologia é empregada em inversores que se destinam a grandes cargas (acima de 14.000 HP) [4]. além de ter que excitar a própria máquina. os GTOs possuem uma limitação na sua freqüência de chaveamento (algumas centenas de Hertz). devido aos grandes filtros de saída. estes com o conjunto excitatriz-rotor sobre-dimensionado. evitando-se assim sua autoexcitação pelo filtro. 3. Controle de fase da corrente Controle dos Gates do inversor Motor Síncrono 3~ Tensão Fixa M Corrente da Máquina Figura 3. foram reduzidos. Por isso há a necessidade de motores especiais. pois levaríamos em conta o lado negativo também.Vcc/2 Figura 3.2. devido a simplicidade. Nota-se que os diodos de roda livre não conduzem a corrente de carga no estado zero da fase correspondente (fase conectada ao ponto neutro).37 Na saída desse inversor é fornecida uma corrente praticamente quadrada devido aos harmônicos.9 – Saída do inversor de três níveis com ponto neutro grampeado a diodo É dito de três níveis porque sua topologia permite que sejam gerados degraus com três níveis de tensão (a tensão máxima que vem do circuito intermediário. Para isso é feito também um sobre-dimensionamento do estator para que a forma de onda não prejudicasse a vida útil do motor.10 [8] são mostrados os seis possíveis modos de condução da corrente de carga neste tipo de topologia.1 [8] mostra como é o funcionamento dos dois conjuntos de semicondutores com estados complementares: . Isso quando se analisa fase-neutro. Na figura 3. e a alternância entre os modelos 1 e 6 corresponde à composição do semiciclo negativo. 3. confiabilidade e desempenho para altas potências em médias tensões. + Vcc/2 M . (os modelos 2 e 5 são os intermediários entre cada um dos dois modelos de cada conjunto). metade dessa tensão e a tensão zero).4 VSI – com ponto neutro grampeado (NPC) de três níveis PWM O inversor de três níveis com ponto neutro grampeado a diodo é um dos mais utilizados no mercado. A tabela 3. no caso de fase-fase temos ao todo cinco níveis de tensão. Onde a alternância entre os modelos 3 e 4 corresponde à composição do semiciclo positivo da onda resultante. 10 . elevando-se assim a .1 – Estados de condução dos semicondutores em inversores de três níveis ESTADO DA FASE SA1 SA2 SA3 SA4 TENSÃO DE FASE + 0 - fechada aberta aberta fechada fechada aberta aberta fechada fechada aberta aberta fechada + Vcc/2 0 (ponto neutro) . pois permitem eliminar grande parte dos harmônicos na saída do inversor. Fazendo-se chaveamentos adicionais em posições estratégicas é possível que os harmônicos movam-se para freqüências mais altas.38 SA1 com SA3 e SA4 com SA2.Modos de condução da corrente de carga em inversores de três níveis Tabela 3. Figura 3. Isto simplifica bastante a geração dos pulsos de comando dos dispositivos semicondutores de potência. sendo assim. As técnicas usadas neste tipo de modulação são bastante proveitosas. o próprio motor pode atuar como filtro sem que o mesmo se danifique. Com a mudança dos semicondutores de potência dos antigos tiristores pelos IGBTs atuais. o tempo de comutação da tensão diminuiu bastante.Vcc/2 Uma característica importante dessa topologia é a modulação por largura de pulso (PWM). Porém. 3. Esse aumento do dv/dt resulta num desgaste físico dos isolamentos do motor.5 VSI – Multiníveis PWM Considerada uma das topologias mais eficientes e viáveis que existem.39 taxa de variação de tensão (dv/dt). porém com vários níveis na saída ao invés de apenas cinco. CÉLULA DE POTÊNCIA Motor de Induction indução Motor phr m 3 Phase MV Input Entrada trifásica Series Cell MV Drive (Perfect Harmony) Transformador multi-enrolamentos Figura 3. Seu funcionamento básico é o mesmo da topologia de três níveis com neutro grampeado a diodo. com o uso dos cinco níveis de tensão fase-fase na saída do inversor.11 – Célula de potência de um inversor PWM multi-nível e configuração em série . permite-se que a tensão não varie tanto de forma abrupta.2. em que os componentes de cada célula são expostos. E pelo fato de que a tensão. A 480 V 480 V 2400 VOLTS FASE-NEUTRO ESTAS CÉLULAS 4160 VOLTS FASE-FASE 480 V 480 V ESTÃO EM FASE A UM ANGULO ZERO ESTAS CÉLULAS ESTÃO EM FASE A UM ANGULO DE 240 GRAUS 480 V C 480 V 480 V 480 V 480 V 480 V N 480 V 480 V 480 V 480 V ESTAS CÉLULAS ESTÃO EM FASE A UM ANGULO DE 120 GRAUS 480 V B Figura 3. que dispostas em série. Estes secundários são multifásicos (defasados uns dos outros). Sendo assim o degrau de tensão não passa dos 620 volts.40 Primeiramente as células de potência (Figura 3. essas células possuem uma alta confiabilidade de operação. já que grande parte é absorvida pela reatância do transformador e pelos capacitores do Elo CC. fato pelo qual. filtros de saída não são necessários e problemas com ressonância são eliminados [4]. e portanto.12 – Esquema de ligação das células de um inversor multi-nível de 4160V . atingem níveis elevados de média tensão (figura 3.11) são alimentadas a partir de enrolamentos secundários do transformador de entrada. acarretando um dv/dt mínimo. a retificação é feita em multipulsos resultando em poucas distorções harmônicas na entrada do Inversor. é baixa.12). pois a tecnologia de baixa tensão é muito mais consolidada que a de média. As células de potência são praticamente um Inversor IGBT-PWM com saída monofásica de baixa tensão. 3 Análise de desempenho Várias características técnicas de desempenho podem ser comparadas para cada uma das topologias citadas. uma topologia pode ser mais apropriada que a outra. que requerem inversores de freqüência . que são principalmente aplicações em ventiladores e bombas. dependendo da aplicação. São mostradas. eficiência. 3. Porém um problema encontrado aqui é o fato de que o transformador. por ser com secundário em multi-fases. descrições de alguns desses atributos. 3. acarretando uma série de estudos para climatização e estrutura civil para o local de instalação [4].1 Especificações básicas de desempenho Ao se fazer comparações de desempenho dos inversores de freqüência. deve vir incorporado ao inversor. Os atributos mais importantes são aqueles que o mercado valoriza mais. na maioria dos casos.0 rad/seg [5]. O gráfico seguinte [5] foi formulado a partir de dados de mercado. porém os requisitos de um bom desempenho são totalmente dependentes da aplicação do inversor. proporcionando assim um fator de potência total na entrada do Inversor entre 0.3.95 e 0. Estes sistemas normalmente operam em malha aberta onde o motor funciona entre 50% e 100% da sua faixa de velocidade e regulação da largura de banda com velocidades de 0. confiabilidade. muitas características podem ser consideradas. tais como ventiladores de alta inércia. qualidade de ondas e custos para implantação do sistema. Sendo assim. Esses atributos incluem desempenho. Porém. requerem mínima performance devido às características de carga. temos um fator de deslocamento bastante elevado e um fator de distorção harmônica elevado por causa da quantidade de pulsos gerados pelo retificador. Porém esses equipamentos. existem algumas aplicações de torque variável. a seguir.97. e indica que aproximadamente 80% dos acionamentos de freqüência ajustável para média tensão são aplicados em sistemas onde se requer um torque variável.5 a 3.41 Quanto ao fator de potência total. 66 Hz 150 Hz a 4kV 66 Hz a 6.3 Níveis IGBT .1% Regulador de Velocidade Largura de banda < 10 rad/s < 20 rad/s ≈ 50 rad/s ≈ 50 rad/s Indeterminado Faixa de Freqüência 0 .3 Níveis Ponte H .5% 0. ou seja.5% 0.75 Hz 0 . misturadores e prensas. Tabela 3. Já naquelas aplicações onde a operação dos motores fica entre 5% e 125% de sua velocidade e de regulação da largura de banda com velocidades de 2 a 10 rad/seg.75 Hz 0 .120 Hz Rendimento > 97 > 97 > 97 > 97 > 97 > 97 Sem regeneração Regeneração Inerente Inerente c/ PWM retificador c/ PWM retificador .42 de capacidade regenerativa.série 0. Tipos de Cargas 2% Alta Performance 18% Torque Constante Média Performance 80% Torque Variável Baixa Performance Figura 3. que podem devolver à rede elétrica de entrada. é necessário algumas vezes a regeneração total. apesar de em todas as topologias se encontrar uma grande quantidade de produtos que atendem às necessidades das cargas aplicadas. Isto se aplica às cargas de alta performance. e que fazem parte de cerca de 2% de todas as aplicações.13 – Gráfico de aplicações dos tipos de cargas Os 20% restantes são aplicações para torque constante tais como sistemas transportadores.5% 0.2 [5] são mostradas as características de performance típicas para cada uma das topologias.. a energia utilizada pelo motor. pois estes apresentam uma grande vantagem que é a regeneração inerente.01% 0. Vale ressaltar que.01% 0.6kV 0 . tais como moinhos.5% 0. Na tabela 3. os quais requerem um nível um pouco maior de performance. ou retificadores PWM no caso das topologias de tensão imposta. sem a necessidade de retificadores “back-to-back”.5% 0.2 – Critério de valores para desempenho típico das topologias Regulação de Velocidade Malha Aberta Malha Fechada CSIPWM-GTO CSIPWM-SGCT IGCT .1% 0. uma área que requer maiores estudos é o uso de PWMCSI-GTO ou SGCT em aplicações de alta performance.1% < 0. são os que possuem os requisitos mais rigorosos. é usado um transformador com doze enrolamentos secundários. e quanto maior for a quantidade desses pulsos menor será a distorção harmônica que o retificador irá produzir na rede elétrica. pois já possuem uma tecnologia mais consolidada. por isso cada topologia é configurada de tal forma que essas harmônicas se enquadrem nos requisitos da norma IEEE519-1992 aplicada a sistemas com uma razão menor ou igual a 20 entre a corrente de curto-circuito ISC e corrente nominal In. Já na topologia de ponte H em série (multi-níveis). Por exemplo.3 compara a estimativa de componentes para sistemas que utilizam transformadores com enrolamentos múltiplos. Para a topologia de 2 níveis.3 e 3. contabilizando apenas 24 pulsos. as quantidades de componentes estimadas nas tabelas seguintes (Tabela 3.2 Confiabilidade Geralmente a confiabilidade está ligada diretamente à quantidade de componentes de um inversor.43 3. As tabelas 3.4) são elaboradas de tal forma que a topologia especificada se enquadre na norma descrita anteriormente (no que diz respeito às harmônicas geradas no retificador). dois pulsos. A razão (ISC/In = 20) é escolhida porque sistemas com essa característica são considerados os mais fracos. . No entanto. Existe uma norma da IEEE que fala sobre as harmônicas geradas no retificador. tanto por corrente como por tensão imposta. assim como o uso de dispositivos de baixa tensão. Sendo assim. é dito que quanto menos componentes. ou seja. Vale lembrar que cada enrolamento gera.3 e 3.4 [5] fazem uma comparação da quantidade de componentes usada nas diferentes topologias. A tabela 3. maior será a confiabilidade do equipamento. a topologia de 3 níveis. em uma fase do transformador. Deste modo é necessário o uso de um transformador com quatro enrolamentos secundários. um transformador com três enrolamentos secundários (18 pulsos) irá se encaixar dentro das condições da IEEE 519. que possui um transformador de apenas dois enrolamentos secundários (12 pulsos) não atenderá à norma.3. Estimativa de componentes do Elo CC e estágio inversor para Inversores de 4.3 Níveis 24 pulsos 24 IGBTs 3300 V 6 diodos ou 12 IGBTs – 3300 V Pode ser requerido ou não LC 7 a 8 p.35 p. Tabela 3. A quantidade de energia armazenada no Elo CC irá determinar como a corrente ou a tensão será mantida contínua a fim de suprir as necessidades do inversor.6 p. 4p.u.3 Eficiência e estimativa de perdas O sistema de eficiência dos inversores é bastante afetado pelo semicondutor.u. 5].3 Níveis 24 pulsos 12 IGCTs 5500 V 6 diodos Snubber grampeado LC 7 a 8 p. Comparações detalhadas das perdas dos dispositivos para topologias de dois níveis de média tensão têm mostrado que os dispositivos IGCT são mais eficientes quando . cada topologia possui diferentes arranjos para que se mantenha a estabilidade da operação do inversor de freqüência. Nota-se também na tabela o número de semicondutores de potência que. para cada tipo de retificador.u.6 p. IGBT . no caso do uso em 4160 V [4. 12 SGCTs 6500 V Não requerido 12 RC Capacitor 0. freqüência de chaveamento.u.3 Níveis 24 pulsos 1 primário 4 secundários 24 diodos Não requer Multi Nível 24 pulsos 1 primário 12 secundários 72 diodos Não requer Transformador Semicondutores do retificador Snubber do retificador Na tabela 3.4 .u. PWMCSI-SGCT 18 pulsos 1 indutor 0.16 kV.44 A necessidade de tantos enrolamentos é pelo fato dessa topologia trabalhar com células de potência de baixa tensão em série para se obter um nível de tensão maior na saída.3 Níveis 24 pulsos 1 primário 4 secundários 24 diodos Não requer IGBT . 750 kW PWMCSI-GTO 18 pulsos 1 indutor 0. Multi Nível 24 pulsos 48 IGBTs 1400 V Não requerido Não requerido Sem filtro Elo CC Semicondutores no inversor Ponto neutro grampeado Snubber no inversor Filtro de saída 3.4 [5] são mostradas comparações entre Elos CC e estágios inversores para cada tipo de topologia.25 a 0. pode variar desde 18 diodos ou tiristores até 72 diodos. Em função disso.4 a 0. e sendo assim a limitação da capacidade máxima de tensão é de aproximadamente 1000 volts por módulo (célula). Tabela 3. IGCT .3 – Estimativa de componentes para inversores de 4.u.u.2 Níveis 18 pulsos 1 primário 3 secundários 18 diodos Não requer IGCT . e escolha dos componentes passivos.2 Níveis 18 pulsos 24 IGBTs 3300 V Não requerido Não requerido LC 5 a 6 p. 750 kW de acordo com IEEE 519 PWMCSI-GTO 18 pulsos 1 primário 3 secundários 18 tiristores 18 RC PWMCSI-SGCT 18 pulsos 1 primário 3 secundários 18 tiristores 18 RC IGBT . circuito de controle.16 kV.3. IGBT . 12 GTOs 6500 V Não requerido 12 RCD Capacitor 0. 5J 4. são dadas informações de especificação dos dispositivos na tabela seguinte.IGCT1 600A Resultados a 3300V.3. inversores com diferentes níveis de potência irá resultar em diferentes resultados.800A Resultados a 3000V.4J 2.8J 1.45 comparados com os IGBTs.4 Qualidade de tensão e de corrente A qualidade das formas de ondas da corrente e da tensão em ambos terminais. Várias características do inversor contribuem para a qualidade dessas ondas tais como a topologia utilizada. estágio inversor. Geralmente um sistema possui maior eficiência quanto maior sua potência de saída (semicondutores de potência são mais eficientes quando submetidos aos seus picos de corrente de saída) [5]. entrada e saída. 500Hz SGCT .IGCT2 900A Resultados a 3300V. e o tamanho dos componentes de seu filtro (caso requerido).4J 3J 800A 6500V 6500V 35W RC . a freqüência de chaveamento. ou seja. uma detalhada estimativa de eficiência deve incluir o transformador de entrada (nem sempre requerido pelo PWM-CSI SGCT). Além disso. Tabela 3.72J por diodo 1200A 2400A (curto) 3300V < 5W IGBT2 1200A Resultados a 1800V. 4800A/μs 3. ao invés de uma amostra de eficiência.8J 0. o tipo de aplicação. são fatores importantes quando leva-se em conta inversores de corrente alternada.3J 2. Uma comparação justa entre todas as topologias seria muito difícil e não muito usual devido ao fato de que todas elas reportem a mesma eficiência. Por isso.6J por diodo 900A 5500V Estimado 35W IGBT1 1200A Resultados a 1800V.1J 0. V Potência consumida no Gate 400A.5 . o circuito de controle.6J por diodo 600A 5500V Estimado 25W RC . 220A/μs 0. o retificador. o Elo CC. 300A/μs 0.Especificações simples dos semicondutores Item Perdas ao conduzir Eon Perdas ao abrir Eoff Recuperação de perdas – Erec Corrente comutável ITGQM Tensão de bloqueio na condução VDRM Tensão de bloqueio reverso VRRM. filtros de saída e sistemas auxiliares como fontes de energias e ventiladores. 1000A/μs 0. 3000A/μs 1. a eficiência do sistema é afetado pelo sistema de potência. .3J a 1200A 2J a 1200A Não disponível 1200A 2400A (curto) 3300V < 5W 3.8J 2. No entanto. 46 A análise das distorções harmônicas totais na corrente de entrada do inversor demonstra que não há grandes variações dos resultados analisados para os diferentes tipos de retificadores de entrada. Já os IGBTs de média tensão.5 Custos dos dispositivos Outras características importantes dos semicondutores são seus custos e viabilidade. não se obtém o mesmo resultado. Porém ao serem utilizados na configuração de ponte-H. pode se ter um custo não tanto reduzido. porém são usados em pequena escala nos inversores. Na figura 3. Já na saída do inversor. desde que estes estejam enquadrados na norma IEE519. onde se encontram em grande escala. com isso tem-se uma redução da quantidade de componente. possuem um preço mais elevados.14 [5] tem-se o gráfico da distorção harmônica total (THD) tanto para corrente como para tensão fornecidas ao motor para as diferentes topologias. Um exemplo disso são os IGBTs de baixa tensão que são de rápida disponibilidade e de custos reduzidos. 3300V e 4500V são razoavelmente disponíveis no mercado. SGCT – CSI GTO – CSI Ponte H – VSI VSI 3 níveis com filtro VSI 3 níveis sem filtro VSI 2 níveis com filtro Figura 3.3. .14 – Distorção harmônica total da corrente (THDI) e da tensão (THDV) para o motor 3. 47 Normalizado para IGBT de1000A, 1200V (U$) Corrente nominal (Amperes) Figura 3.15 – Gráfico da cotação normalizada dos semicondutores em relação ao IGBT de 1000A, 1200V. A figura 3.15 mostra a cotação aproximada dos dispositivos padrões disponíveis para aplicações de média tensão. O gráfico é baseado nos dados de fabricação dos dispositivos e normalizados para o preço do IGBT de 1200V, 1000A [5]. 3.4 Conclusões Neste capítulo foram apresentadas diversas topologias de inversores de média tensão. Foi feita a comparação entre estas, inclusive citando vantagens e desvantagens que na escolha de uma determinada tecnologia devem ser levadas em consideração. Desenvolveu-se também, um estudo sobre as características técnicas dos modelos existentes no mercado dos principais fabricantes de inversores no mundo. Foi feita também uma análise comparativa entre essas topologias onde se pode tirar dados para a melhor escolha a ser aplicada em determinado sistema. No próximo capítulo será apresentada a simulação computacional de dois tipos de topologias de inversores de tensão imposta, o PWM de 2 níveis e o de 3 níveis, ambos com IGBT. E ainda são apresentados os resultados dessa simulação, onde são mostradas as formas de onda resultantes das duas topologias. 48 4 ESTUDO DE SIMULAÇÃO 4.1 Comentário sobre o programa O programa utilizado nesta simulação é o PSCAD (versão 4.0 para estudante), Este software é uma ferramenta para simulação de circuitos eletrônicos e elétricos de baixa ou alta potência. O simulador consta de componentes pré-configurados em sua biblioteca, que vão desde portas lógicas, blocos comparadores, funções algébricas, até componentes passivos, transformadores, motores, dentre outros. Cada um de seus componentes possui características próprias e cada uma delas, tais como estrutura física, valor e capacidade, podem ser mudadas de acordo com a aplicação. Assim como os medidores, onde já se encontram prontos medidores simples (voltímetros e amperímetros), RMS, e inclusive medidores trifásicos, tanto para tensão como para corrente e potência. O PSCAD possui uma interface gráfica como o PSpice, porém com mais características e mais facilidade de mudanças de parâmetros. Além dos gráficos, o programa possui também layout de painéis indicadores que podem ser usados tanto para leitura como para estabelecimento de parâmetros. O programa é implementado com a linguagem Fortran para resolução dos cálculos. Há a possibilidade de importar alguns recursos do MatLab, porém na versão estudante não está habilitada esta função, fato que limita o circuito a apenas 15 nós. 4.2 Base de dados em que foi preparada a simulação No intuído de mostrar apenas os resultados das simulações de algumas topologias, e devido às limitações da versão estudante do software, foram apresentadas apenas as simulações do estágio inversor básico, que é de fato onde estão as diferenças no comportamento dos inversores. Portanto, no lugar da entrada, retificador e Elo CC, foi usada uma fonte ideal de tensão contínua que alimenta diretamente o estágio inversor. O motor é representado por uma carga indutiva dimensionada de acordo com dados reais do motor. Supondo uma tensão de entrada de 4,16 kVolts teríamos, na saída do Elo CC, uma tensão com módulo de 5,62 kVolts, tensão esta encontrada na simulação do retificador não controlado a diodo, trifásico, em ponte. 49 Devido à complexidade e não disponibilidade de se controlar a velocidade do motor no PSCAD (bloco de motor pronto) apenas pelo inversor simulado, o motor foi substituído por um circuito indutivo equivalente. Através de cálculos chegou-se a um circuito equivalente para esse motor, onde foi usado um resistor de 3,0 ohms e um indutor de 10mH. O motor simulado possui as seguintes características reais: Motor de indução com rotor de “gaiola de esquilo”, trifásico, 52 Hz, 4000 V, 485 A, 12 pólos, 516 rpm, fator de potência de 0,80 indutivo a uma carga de 100%, e rendimento de 96,5%. Em relação à modulação, é adotada aqui a modulação por largura de pulso, PWM, que é feita da seguinte forma: ondas senoidais moduladoras defasadas de 120o umas das outras (representando a tensão trifásica), na freqüência (fe) que se quer obter na tensão de saída, que são comparadas a uma onda triangular (portadora) de freqüência (fSW) de 5kHz para gerar os pulsos PWM. A seguir é mostrado o gráfico das ondas da modulação, porém com a portadora em freqüência reduzida para melhorar a visualização. Figura 4.1 – Gráfico da modulação PWM senoidal (topologia 3 níveis) 4.3 Resultados analíticos da simulação Com o intuito de mostrar um funcionamento claro do processo de obtenção de uma onda senoidal de freqüência ajustável a partir de uma onda contínua, foi feita a simulação de um Inversor de Freqüência PWM trifásico de tensão imposta de 2 níveis devido a sua simplicidade. um alto (H) e um baixo (L). onde temos a freqüência variando de um valor de 0. Figura 4.4). suficientes para uma partida menos brusca na maioria das aplicações.50 Figura 4.3 – Gráfico da freqüência pelo tempo A modulação PWM feita nesse tipo de topologia é demonstrada a seguir (Figura 4. as simulações foram feitas a partir de uma rampa crescente de freqüência versus tempo. que consta de apenas um bloco comparador (Circuito de Controle) de dois níveis.2 – Estágio inversor de tensão imposta PWM de 2 níveis Sendo uma das funções de um acionamento controlável a possibilidade de se controlar a corrente de partida do motor através de uma partida mais suave. . como também a lógica de controle para os “Gates” dos semicondutores.1 Hz até 30 Hz. 4 – Sistema de controle dos gates e modulação PWM Nos gráficos seguintes (Figura 4.u. estes sinais são entregues para o Gate do transistor correspondente à comparação feita em sua entrada. (em valores de tensão). onde são colocados. e sua freqüência. A portadora triangular é gerada pelo bloco de onda triangular onde deve-se colocar o valor da magnitude em p. E em seguida a diferença entre as duas que formam a tensão de saída entre as fases A e B. freqüência (Freq) e seu ângulo de fase (Phase). Figura 4.u. . sua magnitude (Mag) em p.5) são mostradas as tensões nos transistores 1 e 3 que geram parte das tensões A e B respectivamente. gerando os sinais de níveis H ou L.51 As ondas senoidais são geradas pelos blocos “Sin”. No circuito de controle é feita a comparação da onda senoidal com a onda triangular. A freqüência é determinada por um bloco de rampa que simula uma equação de rampa crescente. devido à própria impedância do motor agir como um filtro. a corrente na fase é praticamente senoidal.5 – Princípio da modulação PWM senoidal (fSW = 100Hz e fe = 30Hz) Primeiramente é feita a simulação sem nenhum filtro na saída do inversor.52 Figura 4. No entanto. para efeito de visualização da tensão entre fases (Figura 4. Lembra-se que. Observou-se que a tensão gerada entre as fases possuía uma alta taxa de variação de tensão (dv/dt). .6b) é simulada com valores reais de 5kHz.6a). a freqüência da portadora triangular de modulação foi estabelecida a 100Hz. a onda de saída formada através de pulsos possui degraus de tensão que variam de 0 a Vcc (valor de tensão do Elo CC). pois como são apenas dois níveis. porém a corrente para o motor (Figura 4. 1) onde a freqüência de corte seria a mesma da modulação (5kHz).2 mH. seriam apenas algumas dezenas de volts. b)Corrente na partida do motor (fSW = 5kHz). não há necessidade de colocar filtros LC para que a taxa de variação de tensão entregue ao motor não danifique a isolação do mesmo. Já que os degraus que constituem a onda de saída seriam bem menores. fazendo com que a tensão resultante entregue ao motor seja parecida com uma onda senoidal. Os gráficos seguintes demonstram as mesmas medições.4 μF e indutores de 1. Com isso são usados capacitores de 33. porém.3) – Topologia 2 níveis Em inversores de baixa tensão não é necessário filtro dv/dt na saída. (4-1) . pois ao invés de degraus de 1000 volts de diferença.53 a) b) Figura 4. (Rampa de aceleração da Figura 4. Os parâmetros desse filtro LC foram calculados a partir de conceitos de filtros passa baixa (Equação 4.6 – Gráficos: a)Tensão na partida do motor (fSW = 100Hz).onde L e C são respectivamente indutância e capacitância. por causa do uso do filtro na saída do Inversor. temos um dv/dt bastante reduzido. f = 1 LC . 8 – Gráficos da tensão e da corrente da saída do inversor com filtro dv/dt (Topologia 2 níveis) .7 – Saída do inversor de tensão imposta PWM de 2 níveis com filtro dv/dt Figura 4.54 Figura 4. Isto mostra a importância de um filtro dv/dt na saída do inversor. Os resultados apresentados são mais satisfatórios. porém a corrente para o motor (Figura 4.55 Conforme os resultados mostrados no gráfico. a própria tensão entregue ao motor possui níveis baixos de variação da tensão. que comparada à tensão nominal do motor é praticamente desprezível. pois essa topologia surgiu de forma a substituir a topologia de 2 níveis. porém com uma topologia de 3 níveis. não é necessário o uso do filtro. a maior variação de tensão na própria onda senoidal no terminal do motor é bastante reduzida.10a) a freqüência da portadora triangular de modulação foi estabelecida a 100Hz. cerca de 50V. porém em algumas tecnologias como a de ponte H em série. Uma forma de se entender esse processo é mostrada a seguir. pois por ser uma tecnologia multi-pulso.9 – Estágio inversor do inversor de tensão imposta PWM de 3 níveis Para efeito de visualização da tensão entre fases (Figura 4. usando o mesmo inversor.6b) é simulada com valores reais de 5kHz . Figura 4. o +Vcc/2 e 0. Porém. a tensão de saída entre as fases possui degraus de mais de 2 kV porém são três níveis: o +Vcc (tensão contínua do barramento). A seguir é mostrado o circuito da modulação PWM para Inversores VSI de 3 níveis (Figura 4. Para isso são colocados filtros LC. porém sua única diferença está na onda .3) – Topologia 3 níveis Conforme demonstrado nos resultados. já possui uma forma de onda senoidal por causa da indutância do próprio motor. b)Corrente na partida do motor (fSW =5kHz).56 a) b) Figura 4. visto que a freqüência da portadora é a mesma (5kHz).10 – Gráficos: a)Tensão na partida do motor (fSW = 100Hz). Este com dois blocos comparadores para que seja feita a lógica de controle para os “Gates” dos semicondutores. sendo os mesmos adotados anteriormente para o inversor de 2 níveis.11). ainda possui degraus de tensão altos que danificariam a isolação do motor. A corrente. (Rampa de aceleração da Figura 4. Os blocos de ondas senoidais e rampa de freqüência são idênticos aos de 2 níveis. a tensão apesar de parecer mais senoidal. da mesma forma que na topologia anterior. e outra para a negativa) que farão a modulação do sinal das ondas senoidais de referência. que compõe-se de duas ondas triangulares. uma no semi plano positivo e outra no negativo (Figura 4. . A seguir é mostrado o circuito do inversor com filtro e seus resultados. A lógica do bloco de controle é a mesma de 2 níveis.1). são usadas duas ondas triangulares (uma para a modulação positiva.11 – Sistema de controle dos gates e modulação PWM Em relação ao PWM para a topologia de 3 níveis. E os pulsos gerados são entregues para o Gate do transistor correspondente à comparação feita em sua entrada. porém um pouco mais complexa pelo fato de haver mais transistores. Figura 4.57 portadora triangular. 13 .Gráficos da tensão e da corrente da saída do inversor com filtro dv/dt (3 níveis) .12 – Estágio inversor do inversor de tensão imposta PWM de 3 níveis com filtro dv/dt Figura 4.58 Figura 4. justificando a utilização de filtros dv/dt. temos variações com menos de 200 volts. Apesar de não ser a mais usada em inversores de freqüência. as variações de tensão são bastante elevadas. porém com pequenas variações de tensão para formá-la. apesar da topologia de 3 níveis ter contribuído para a diminuição dessa variação de tensão (através de mais um nível de tensão em relação ao de 2 níveis). 4. Por isso.4 Conclusões No capítulo 4 foram apresentados os resultados simulados de dois tipos de topologias de tensão imposta (2 níveis e 3 níveis). Neste caso.59 De acordo com os resultados mostrados temos uma tensão aparentemente senoidal. nota-se que em ambas as topologias simuladas. Para fins didáticos foi escolhida também a modulação por largura de pulsos senoidal (PWM senoidal). Conforme resultados demonstrados através dos gráficos de tensão de saída. Nota-se também que. como a PWM vetorial (SVPWM). esta ainda continua em valores maiores que o suportado por motores comuns (motores não apropriados para trabalho com inversores). fato perfeitamente aceitável pelo tipo de isolamento do motor. isto representa apenas 5% da tensão nominal. Dessa forma não há necessidade de filtros na saída do inversor para utilizar com motores convencionais. Toda essa preocupação com a forma de onda de saída. ainda é necessário o uso de filtros de saída. não é problema se o inversor em questão for de baixa tensão. Estas topologias foram escolhidas por apresentarem resultados claros e de simples entendimento de como funciona o inversor de freqüência. . esta possui resultados muito parecidos com outros tipos de modulação mais utilizados. onde a variação de tensão na onda é baixa. Pois assim essas variações não causariam desgastes da isolação dos motores. Este trabalho foi desenvolvido no intuito de oferecer informações necessárias para todo o conhecimento básico que se deve ter em termos de acionamentos de freqüência ajustável para média tensão. Apresenta. . que é uma tensão de valores e freqüência ajustáveis obtida a partir de uma tensão contínua (tensão do barramento CC).60 5 CONCLUSÕES Uma das principais limitações de qualidade e potência dos Inversores de Freqüência para aplicações em média tensão é a limitação dos semicondutores em relação à máxima tensão de bloqueio (tensão aplicada nos terminais do componente quando este muda de estado de condução para corte). entre as principais topologias existentes atualmente no mercado mundial de Inversores de Freqüência de Média Tensão. para fins de análises reais do comportamento de tensão e corrente manipuladas pelo inversor. aspectos técnicos de como funcionam tipos diferentes de topologias e processos computacionais de obtenção de tensões CA a partir de tensões CC. o IGBT de alta tensão (High Voltage IGBT – HVIGBT) e o IGCT. Desenvolveu-se aqui também um estudo de simulação de inversores de tensão imposta de dois e três níveis. Atualmente estão disponíveis no mercado dois tipos de dispositivos semicondutores de potência com tensões de bloqueio na faixa de 3300 a 6500 volts. o funcionamento de cada um de seus estágios. ou seja. e simplicidade. ainda. e o resultado obtido do chaveamento desses semicondutores. no caso da utilização desses inversores para acionamento de motores convencionais. Para uma mesma freqüência de amostragem e uma mesma corrente de carga do inversor. O inversor de tensão imposta de três níveis com ponto neutro grampeado a diodos tem sido bastante atraente em aplicações em médias tensões industriais devido a confiabilidade e desempenho elevados. Como resultado da simulação. observou-se a importância da utilização dos filtros LC na saída dessas topologias. Foi mostrado o funcionamento detalhado do estágio inversor. o IGCT gera menos perdas que o HVIGBT. bem como as principais características e diferenças. tanto técnicas como econômicas. a elaboração dos pulsos de acionamento dos semicondutores através da modulação PWM. pois em muitos casos a viabilidade econômica de utilizar um inversor de freqüência não é satisfatória. e principalmente a confiabilidade e facilidade de manutenção de suas peças. ao se estabelecer um estudo geral da implantação do inversor.61 É importante lembrar que a escolha de um tipo de topologia a ser empregada em determinado processo não é tão simples. é levada em conta principalmente a questão da necessidade. Todos esses empecilhos surgem pelo fato de que. deve-se levar em conta não apenas a parte elétrica. Dentro dessa análise. mas também todas as condições de climatização e estrutura civil do ambiente em que permanecerá o inversor. Deve-se fazer uma análise de todo o sistema antes da implantação de qualquer tipo de inversor. . podendo ser substituído por outro tipo de acionamento de média tensão. 1995. 6a. 2004 [6] Documentos elaborados a partir de dados de fabricantes.com : Hammond. Vale do Rio Doce.gov. [2] AGENCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL. Tese de Doutorado UFMG – Análise e Projeto de um Inversor Trifásico para Aplicações em Média Tensão. Rio de Janeiro. R. Máquinas Elétricas e Transformadores. Vale do Rio Doce. Globo. 2005. U. 2005 .. Arquivo da Cia. VI Seminário de Eletrônica de Potência.rockwellautomation. Tonnes. Disponível: http://www. [5] Documentos de fornecedores em arquivo da Cia. Jaeger.asirobicon.com: Steven Rizzo. Medium Voltage Drive Topologies for Industrial Asynchronous Applications: A critical review. Belo Horizonte. Europa. P. Rockwell Automation. Princípio das Comunicação. 2005 [7] MUNIZ. 1996. M. Topologias de Inversores de Freqüência de MT. 1995. Vale do Rio Doce. 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