Inversor Monofásico

Fonte: Ali Bazzi, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Connecticut, Storrs, CT.

A potência DC é unidirecional e flui em uma direção, enquanto a corrente CA alterna direções em uma frequência de 50-60 Hz. Os dispositivos eletrônicos mais comuns são projetados para esgotar a energia CA; portanto, uma fonte DC de entrada deve ser invertida para AC. Os inversores convertem a tensão DC para AC através da ação de comutação que inverte repetidamente a polaridade da fonte DC de entrada na saída ou lado da carga durante parte de um período de comutação. Um inversor de energia típico requer uma entrada de alimentação DC estável, que é então alternada repetidamente usando interruptores mecânicos ou eletromagnéticos. A saída pode ser uma onda quadrada, onda senoidal ou uma variação de uma onda seno, dependendo do design do circuito e das necessidades do usuário.

O objetivo deste experimento é construir e analisar o funcionamento dos inversores de meia ponte DC/AC. Os inversores de meia ponte são a forma mais simples de inversores DC/AC, mas são os blocos de construção para inversores de ponte H, trifásica e multiníníveis. A comutação de ondas quadradas é estudada aqui para simplificar, mas a modulação da largura do pulso sinusoidal (SPWM) e outros esquemas de modulação e comutação são tipicamente usados em inversores DC/AC.

Os inversores consistem em dispositivos de comutação (um, dois, quatro, seis ou mais) que são comutados de forma a converter uma tensão de entrada DC para AC. Os switches são tipicamente MOSFETs, IGBTs, SCRs ou outros.

O inversor de meia ponte fornece uma tensão de saída CA com um máximo de V_em/2, enquanto o inversor de ponte completo pode alcançar um máximo de V_em. O inversor de meia ponte requer dois capacitores em paralelo com a entrada DC para dividir a entrada em duas metades, cada uma em V_em/2 de forma semelhante a um divisor de tensão, enquanto a ponte completa não tem essa exigência. O retificador de meia ponte usa dois interruptores, enquanto a ponte completa usa quatro interruptores.

Muitas topologias de inversor avançadas, esquemas de comutação e controladores existem na literatura eletrônica de energia, mas a meia ponte é o bloco de construção mais fundamental da maioria deles. Em um inversor de meia ponte, a fonte DC de entrada é dividida em duas metades usando dois capacitores idênticos de igual pro capacitância. O inversor então pode amarrar a saída a +V_dc/2 quando o interruptor inversor superior estiver ligado, e para -V_dc/2 quando o interruptor inversor inferior estiver ligado. Ambos os switches não devem estar ligados ao mesmo tempo, e o tempo morto quando ambos estão desligados devem ser adicionados usando circuitos de hardware ou software.

1. Configuração de origem de comutação

1. Defina dois geradores de função com saídas como ondas quadradas a frequência de 10 kHz e 48% de taxa de serviço.
   1. Os geradores de função devem ser sincronizados para que seus sinais de saída estejam 180° fora de fase.
   2. O tempo morto de 2% é usado como 1% em cada lado da saída de onda quadrada. O tempo morto evita uma condição de ensaio onde os interruptores superior e inferior estão conduzindo, diminuindo assim a entrada de alimentação DC.
2. Teste que as saídas dos geradores de função são como esperado, observando-as na tela do osciloscópio.
   1. Capture a tela do escopo.
3. Desligue as saídas do gerador de função, mas deixe os geradores ligados.
4. Defina a fonte de alimentação DC para 15 V e deixe-a desconectada de qualquer circuito.
   1. Desligue-o quando estiver definido.

2. Inversor de meia ponte

1. O inversor de meia ponte é testado com os MOSFETs superiores e inferiores trocados independentemente.
2. Construa o circuito mostrado na Fig 1.
   1. Use o resistor de 51 Ω como carga.
3. Conecte a entrada V_dc a +15V.
   1. Mantenha a fonte de alimentação DC desligada.
4. Conecte uma sonda regular entre o solo e o solo.
   1. Conecte uma sonda diferencial através da carga para medir V_{para fora}.
      1. Certifique-se de que o dimensionamento do escopo está em 10X e o dimensionamento da sonda está em 20X.
      2. Não se esqueça de dimensionar todas as medidas de acordo.
5. Conecte uma saída do gerador de função a HIN (high-in) que é usada para controlar a comutação MOSFET superior.
   1. Conecte seu solo ao ponto comum do circuito.
   2. Conecte a saída do outro gerador de função a lin de baixa inação (LIN), que é usada para controlar a comutação MOSFET mais baixa.
6. Capture as formas de onda e meça o pico e a frequência da tensão de saída.
7. Regisso registro das leituras de corrente de entrada e tensão na fonte de alimentação DC.
8. Desligue a fonte de alimentação DC e desconecte a saída do gerador de função do circuito.

Figura 1: Configuração de meia ponte

Espera-se da construção deste inversor de meia ponte que a forma de onda de tensão de saída é uma onda quadrada com um máximo de V_dc/2 e um mínimo de -V_dc/2 com algum tempo morto fazendo com que a tensão de saída seja zero por cerca de 4% do período de comutação.

Inversores de ondas quadradas têm alta distorção harmônica total (THD) e raramente são usados em aplicações reais, no entanto, eles são os blocos de construção de muitos inversores mais avançados com melhores esquemas de comutação, por exemplo, SPWM, que podem fornecer tensões de saída mais sinusoidais. Isso não só melhora o THD, mas também reduz os requisitos de filtragem para harmônicos indesejados na tensão de saída, exceto para o harmônico fundamental, por exemplo, a 50 ou 60 Hz.

Inversores são muito comuns na interligação de fontes de energia limpa, por exemplo, energia solar fotovoltaica, células de combustível, turbinas eólicas, bem como com sistemas de armazenamento de energia, por exemplo, baterias, com a rede. São essenciais em fontes de alimentação ininterruptas (sistemas UPS), em micro-redes com penetração de energia limpa e em sistemas de transporte híbrido e elétrico. Entre as principais aplicações dos inversores está nas unidades motoras onde o controle do motor pode ser fornecido ajustando os padrões de comutação do inversor para alcançar a velocidade e/ou o torque desejados.