Circuitos inversores — Conversão de corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA).

0. O que este artigo explica

• Topologias de meia-ponte e ponte completa que criam corrente alternada monofásica e trifásica a partir de um barramento CC.

• Como a modulação por largura de pulso senoidal (PWM) e a modulação por largura de pulso vetorial espacial (SWM) criam uma tensão média.

• Controle, perdas, tempo morto, EMI e proteção em motores, sistemas fotovoltaicos e veículos elétricos.

1. O que é um inversor?

Um inversor é um conversor de potência que chaveia rapidamente uma fonte CC e usa filtragem ou indutância do motor para sintetizar corrente alternada. Uma chave ideal apenas conecta ou desconecta uma tensão; ela não gera diretamente uma onda senoidal. A largura do pulso, a frequência de chaveamento e a fase são controladas para que a carga receba a componente fundamental desejada.

2. Entradas, saídas e topologias

As entradas incluem uma bateria, um retificador ou um barramento CC fotovoltaico. Uma ponte completa monofásica usa quatro chaves; uma ponte de dois níveis trifásica usa seis. Ligar simultaneamente os dispositivos superior e inferior curto-circuita o barramento CC, introduzindo um tempo morto. Arranjos NPC, tipo T, multiníveis e multiníveis modulares compartilham a tensão entre os dispositivos em alta tensão e potência.

3. Matemática PWM: defina primeiro os terminais de tensão

Medido a partir do trilho CC negativo, o ponto médio de uma meia-ponte ideal alterna entre 0 e V_{dc}. Se a chave superior estiver ligada por uma fração de D do período T_s, a média é \bar v_{a-}=D V_{dc}. Essa tensão referenciada ao trilho é diferente da tensão em uma carga CA.

Uma ponte completa monofásica usando PWM bipolar alterna a tensão da carga entre +V_{dc} e -V_{dc}. Se o estado positivo ocupar a fração D,

A média é zero em D=0.5, positiva para D>0.5 e negativa para D<0.5. Escolher D(t)=[1+m\sin(\omega t)]/2 resulta em uma média de mV_{dc}\sin(\omega t) na faixa linear 0\le m\le1. Aqui, m é o índice de modulação e \omega a frequência angular fundamental.

Para um link CC de 48 V, D=0.75 resulta em uma média de período de 24 V; D=0.25 fornece −24 V. A saída de comutação instantânea permanece ±48 V. Estes são cálculos ilustrativos usando uma frequência de comutação muito maior que a frequência fundamental.

Em sistemas trifásicos, diferencie a tensão de fase da tensão entre fases. A indutância suprime a ondulação de corrente de alta frequência sem eliminar transições abruptas de tensão terminal ou corrente de modo comum. Consulte os diagramas de circuito e modulação na nota do inversor monofásico da Imperix.

4. Arquitetura básica

Setas sólidas transportam energia; setas tracejadas transportam medições e comandos de gate. O controlador PWM não está no caminho de energia da carga.

5. Malhas de controle e motores

Em um acionamento de motor, uma malha externa de velocidade ou posição comanda a corrente do eixo q e uma malha interna de corrente atualiza o ciclo de trabalho PWM. Para um PMSM de ímã permanente de superfície com i_d=0 e torque de relutância desprezado, p é a contagem de pares de polos, \psi_f é o fluxo magnético do ímã permanente e i_q é Corrente do eixo q:

O torque, portanto, segue i_q. A relação omite saturação, queda de resistência, torque de relutância e limites de corrente; por si só, não pode garantir o torque medido da máquina. Em alta velocidade, o enfraquecimento do campo reduz a força contraeletromotriz (CEM). Motores de indução requerem estimativa de fluxo e frequência de escorregamento. A resolução do sensor, o instante de amostragem da corrente e a compensação do tempo morto determinam a ondulação do torque em baixa velocidade.

6. Perdas, calor e EMI

Com uma suposição de transição de sobreposição linear, as perdas de comutação e condução são aproximadas por

A estimativa deve ser corrigida com as formas de onda de comutação do dispositivo, recuperação reversa do diodo, temperatura e capacitâncias parasitas. Um f_s mais alto reduz a ondulação do filtro e do motor, mas aumenta as perdas, a potência de acionamento do gate e a EMI. SiC e GaN permitem alta velocidade, mas a sobretensão da indutância parasita, o acionamento falso e a distância de fuga/espaçamento tornam-se requisitos de layout rigorosos. T_j=T_c+P_{loss}R_{th,jc} é uma estimativa de primeira ordem; a impedância térmica transitória, a temperatura do fluido refrigerante e a sobrecarga de curto-circuito requerem verificação.

7. Comparação de topologias

8. Condições difíceis e proteção

Um curto-circuito Um circuito pode destruir uma chave em microssegundos, portanto, a detecção do driver de gate DESAT, os sensores de corrente, os fusíveis e o desligamento do hardware são implementados em camadas. Tempo morto excessivo gera erro de tensão e distorção de torque em baixa velocidade. Cabos de motor longos criam surtos refletidos e correntes nos rolamentos. A conexão à rede elétrica também exige proteção contra ilhamento, sincronização de fase, harmônicos de corrente e desconexão em caso de perda da rede. Um projeto completo também verifica a pré-carga, o monitoramento de isolamento e a energia de falha que permanece nos capacitores do link CC após um desligamento.

9. Escolhas práticas

• VE e servo: avaliar corrente contínua e de pico, tensão regenerativa, refrigeração e sensor de posição ao longo do ciclo de trabalho.

• PCS fotovoltaico: verificar faixa de MPPT, tensão da rede, fator de potência/potência reativa, harmônicos e proteção contra ilhamento.

• UPS: priorizar tempo de transferência, bypass, corrente de partida e redundância.

• Fonte de alimentação compacta de alta frequência: layout, EMI e testes de isolamento são realizados antes da utilização de GaN. velocidade.

10. Resumo em três linhas

Um inversor calcula a média dos estados das chaves com PWM para sintetizar CA a partir de CC.

Os acionamentos de motores fecham os laços de corrente, velocidade e posição; os inversores de rede fecham os laços de fase, corrente e anti-ilhamento.

A eficiência deve ser verificada juntamente com o tempo morto, o calor, a EMI, a interrupção por curto-circuito e o isolamento.

Referências

• IEEE Power Electronics Society
• [IEC Sistemas de acionamento de velocidade ajustável 61800
• Pesquisa em eletrônica de potência do NREL
• Recursos de SiC da Wolfspeed