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  • EE 833 Eletrnica de Potncia Mdulo 6 FEEC - UNICAMP

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    FACULDADE DE ENGENHARIA ELTRICA E DE COMPUTAO - UNICAMP

    EE 833 ELETRNICA DE POTNCIA

    MDULO 6

    CONVERSORES CC-CA: INVERSORES OPERANDO EM

    FREQUNCIA CONSTANTE

    ASPECTOS TERICOS

    6.1 Introduo

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

    uma fonte CA de frequncia diferente muitas vezes necessria para o acionamento de diversas

    cargas ou alimentao de sistemas.

    Os conversores que realizam a transformao CC-CA so chamados inversores, enquanto a

    converso CA-CA para distintas frequncias feita pelos cicloconversores.

    Como exemplos de aplicaes pode-se citar:

    Controle de velocidade de motores de corrente alternada,

    Fontes de alimentao ininterrupta,

    Sistemas de alimentao embarcados (navios, avies, etc). Geralmente os sistemas de alimentao operam a frequncia fixa, gerando a tenso alternada

    a partir de fontes CC, utilizando, portanto, inversores. Por exemplo, o sistema de distribuio de

    energia em avies comerciais opera a 400Hz.

    Sero estudados nesta experincia os conversores CC-CA que fornecem em sua sada

    tenses com frequncia fixa, para aplicao como fonte de tenso, especialmente em fontes de

    alimentao ininterrupta (chamadas de no-break ou UPS - Uninterruptible Power Supplies).

    Qualquer sistema no qual o fornecimento da energia eltrica no pode ser interrompido

    deve prever uma fonte de emergncia para supri-lo. Quando a potncia instalada muito grande

    tem-se, em geral, um sistema de acionamento imediato, alimentado a partir de baterias, e um

    sistema motor-gerador que, por necessitar de alguns minutos para estar em condies ideais de

    operao, no pode ser usado de imediato. Tal arranjo usado, por exemplo, em centrais

    telefnicas, hospitais, etc.

    Quando as cargas crticas so distribudas, como no caso de microcomputadores, podem-se

    usar UPSs modulares, de acionamento imediato, e capazes de manter a operao do equipamento

    por um tempo suficiente para que no sejam perdidas operaes que estavam em curso

    (tipicamente os tempos so da ordem de dezenas de minutos).

    Alm disso, os sistemas mais modernos devem ter a capacidade de trocar informaes com

    os computadores, de forma a otimizar seu funcionamento.

    Interessam aqui as topologias empregadas na realizao dos conversores de potncia que, a

    partir de uma fonte CC produzem uma sada alternada, seja ela senoidal ou no.

    6.2 Requisitos de qualidade na alimentao de equipamentos sensveis

    Especialmente para os equipamentos de computao, so estabelecidos limites em termos

    da qualidade da energia a ele suprida. No existem, ainda, padres industriais reconhecidos. No

    entanto, graas ao de grandes usurios (especialmente militares), a CBEMA (Computer

    Business Equipment Manufacturers Association) e posteriormente a ITIC (Information

    Technology Industry Council) adotou as curvas mostradas na figura 6.1. Estas curvas aparecem na

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    norma IEEE 446 como prtica recomendada para sistemas de alimentao de emergncia, em

    aplicaes industriais e comerciais.

    As curvas definem um envelope dentro do qual deve estar o valor eficaz da tenso suprida

    ao equipamento. Ou seja, quando os limites forem violados, o sistema de alimentao ininterrupta

    deve atuar, no sentido de manter a alimentao dentro de valores aceitveis.

    Em outras palavras, se a tenso de alimentao estiver dentro dos limites no devem

    ocorrer mau-funcionamentos do equipamento alimentado. Violaes dos limites podem, ento,

    provocar falhas, que devem ser evitadas.

    Via de regra, quem suporta a alimentao do equipamento na ocorrncia de falhas de curta

    durao so as capacitncias das fontes de alimentao internas, de modo que, eventualmente,

    mesmo violaes mais demoradas do que aquelas indicadas podem ser suportadas.

    Nota-se na figura 6.1 que, em regime, a tenso deve estar limitada a uma sobretenso de

    10% e uma subtenso de 10%. Quanto menor a durao da perturbao, maior a alterao

    admitida, uma vez que os elementos armazenadores de energia internos ao equipamento devem

    ser capazes de absorv-la. Assim, por exemplo, a tenso pode ir a zero por um ciclo, ou ainda

    haver um surto de tenso com 2 vezes o valor nominal (eficaz), desde que com durao inferior a

    1ms.

    Figura 6.1 Envelope de tolerncia de tenso tpico para sistema computacional

    (adaptado da norma IEEE 466).

    Uma outra definio em termos da tenso suprida a Distoro Harmnica Total (THD)

    que tem um limite de 5%. Alm disso, para alimentao trifsica, tolera-se um desbalanceamento

    entre as fases de 3 a 6%. No que se refere frequncia, tem-se um desvio mximo admissvel de

    +0,5 Hz (em torno de 60 Hz), com uma mxima taxa de variao de 1 Hz/s.

    6.3 Classificao das UPS

    So definidas trs configuraes, indicadas, simplificadamente, na figura 6.2:

    linha prioritria;

    inversor prioritrio;

    interativo com a linha.

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    Todas as estruturas contm um elemento armazenador de energia que , tipicamente, um

    banco de baterias.

    A configurao de linha prioritria (tambm chamado de off-line) possui um retificador,

    que fornece a carga para as baterias, um inversor (conversor CC-CA) e uma chave que transfere

    automaticamente a alimentao da carga da linha para o inversor, em caso de falha. Quando o

    inversor for conectado carga deve faz-lo de modo a que sua tenso tenha a mesma amplitude e

    fase da tenso esperada na linha. Como o inversor no realiza nenhuma funo de regulao da

    tenso enquanto a alimentao provier da linha, alguns equipamentos podem possuir um

    estabilizador de tenso a jusante da chave. A deteco da falha e a transferncia da alimentao

    podem ser feitas em menos de 1/4 de ciclo, o que garante a alimentao do equipamento crtico.

    Uma vez que este sistema no apresenta uma efetiva isolao e proteo da carga contra

    distrbios na linha e dado que ele altera seu funcionamento exatamente quando ocorre uma falha,

    tal estrutura utilizada principalmente para sistemas de baixos custo e potncia, quando a

    operao no altamente crtica.

    Chave esttica("by-pass")

    Bateria

    Retificador Inversor

    LinhaEquipamento

    (a) Linha Prioritria

    Chave esttica("by-pass")

    Bateria

    Retificador Inversor

    LinhaEquipamento

    (b) Inversor Prioritrio

    Bateria

    Inversor

    Linha Equipamento

    Carregador

    L

    B A

    (c) Interativo com a linha

    Figura 6.2 Configuraes de UPS.

    A configurao com inversor preferencial (tambm chamado de on-line ou dupla

    converso) padro para equipamentos crticos, uma vez que a carga alimentada por uma tenso

    controlada e estabilizada pelo inversor, estando isolada (no necessariamente galvanicamente) da

    rede. Neste caso a alimentao provm sempre do inversor, cuja alimentao CC vir da rede

    (atravs do retificador) ou da bateria, em caso de falha. O conversor no altera sua operao na

    ocorrncia da falha e no existe nenhuma descontinuidade na tenso suprida. Como o retificador

    deve suprir a carga, e no apenas recarregar as baterias (como no caso anterior), ele

    dimensionado para a potncia do equipamento alimentado. A presena da chave (by-pass) para,

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    em caso de falha da UPS, passar a alimentao rede em menos de 1/4 de ciclo. O inversor pode

    possuir ainda uma limitao automtica de corrente contra sobrecargas.

    A configurao interativa com a linha possui apenas um conversor CC-CA e tem aplicao

    principal para cargas de potncia elevada e que no sejam altamente crticas. H aparelhos que

    operam com o inversor desligado na presena da rede (semelhante ao off-line). Mas a principal

    vantagem deste tipo de UPS com o inversor operar em conjunto com o a rede, mas sem ter que

    fornecer a potncia ativa da carga, o que reduz significativamente as perdas no processamento da

    energia.

    Este sistema possui a vantagem (sobre a configurao linha preferencial) de permitir um

    condicionamento da tenso aplicada carga. Normalmente o fluxo de potncia vai, atravs do

    indutor L, da rede para a carga, e o conversor mantm as baterias carregadas. Em caso de falha, a

    chave se abre e o inversor passa a alimentar o equipamento crtico. Quando existe tenso na linha,

    o inversor produz uma tenso no ponto A com a mesma frequncia da linha, mas com amplitude

    controlada. Se as tenses nos pontos A e B forem idnticas em frequncia, fase e amplitude no

    haver corrente pelo indutor e toda energia da carga ser fornecida pelo inversor. Alterando-se a

    fase da tenso no ponto A pode-se controlar o fluxo de corrente por L. Assim , controlando a fase

    da tenso em A pode-se fazer com que provenha da linha toda a energia ativa necessria para

    alimentar a carga, ficando a cargo do inversor fornecer a energia no ativa (reativos e

    harmnicos). Neste caso, como o inversor no fornece potncia ativa, a condio de carga das

    baterias no se altera. Adicionalmente, tem-se que a corrente absorvida da linha senoidal e em

    fase com sua tenso, ou seja, o UPS opera como um compensador de fator de potncia,

    independente da carga.

    6.3.1 Forma de onda da sada

    A obteno de uma onda s