Inversor Monofásico

Um inversor é um dispositivo elétrico que transforma uma entrada CC em uma saída CA em uma tensão e frequência selecionadas, um processo chamado conversão CC para CA. Por exemplo, os inversores são muito usados na interface entre as células solares e a rede elétrica, onde a energia CC gerada pela célula solar deve ser convertida em CA para ser compatível com a rede. Eles também são essenciais em fontes de alimentação ininterruptas que armazenam energia em uma bateria, mas devem produzir energia de 120 volts e 60 hertz para computadores. Um inversor opera cortando sua entrada CC em uma série de pulsos para criar uma onda oscilante. Dependendo da quantidade de filtragem, a saída pode ser uma onda quadrada, uma onda pseudo-senoidal ou uma onda senoidal. Este vídeo apresentará os princípios básicos de um inversor simples e demonstrará sua operação em um circuito simples.

A entrada de um inversor é uma tensão CC constante. Um circuito inversor inclui interruptores eletrônicos, como transistores de efeito de campo de óxido metálico, transistores bipolares de porta isolada ou retificadores controlados por silício sob o controle de um relógio ou gerador de frequência. Quando o sinal do relógio liga um interruptor, a entrada CC é cortada ou sua polaridade é invertida. Esse processo é chamado de comutação. O corte repetido cria uma série de pulsos ou ondas quadradas. Como o período do clock determina a taxa de pulso, alterar a frequência de controle do inversor altera a frequência de saída de acordo. Um tipo de comutação chamado modulação por largura de pulso produz um fluxo de pulsos com larguras variadas que podem ser filtrados para se aproximar de uma onda senoidal. A modulação por largura de pulso é desejável porque máquinas e equipamentos elétricos geralmente requerem energia com tensão sinusoidalmente variável para operar corretamente. Para as muitas topologias de inversores, como inversores de ponte H, trifásicos e multiníveis, o inversor de meia ponte é um bloco de construção fundamental. O inversor de meia ponte neste diagrama simplificado aplica sua alimentação CC V em dois capacitores idênticos em série, que atuam como um divisor de tensão. Como os capacitores têm o mesmo valor, eles têm a mesma tensão em seus terminais e o nó entre eles está em V in/2. Este ponto é o aterramento CA para a carga. O inversor de meia ponte usa dois interruptores em série e dois relógios não sobrepostos ou fora de fase para conectar alternadamente o nó entre eles a V in e zero Volts. Para evitar um curto-circuito da alimentação CC, um interruptor deve desligar antes que o outro seja ligado. A carga é conectada do ponto entre os dois interruptores até o ponto entre os dois capacitores. Quando a chave A está ligada e a chave B está desligada, a carga é conectada à entrada V e tem uma tensão positiva de 1/2 V em toda a extensão, em relação ao aterramento CA. Quando a chave A está desligada e a chave B está ligada, a carga é conectada a zero Volts e tem uma tensão negativa de 1/2 V em relação ao aterramento CA. À medida que esse processo de comutação se repete, a carga alternadamente tem tensão positiva e negativa com amplitude de 1/2 V pol. Neste caso simples, a alimentação CA é uma onda quadrada. Agora que os fundamentos de um inversor monofásico foram explicados, vamos demonstrar o dispositivo construindo um inversor de meia ponte CC para CA com comutação de onda quadrada e, em seguida, observar seu funcionamento.

Primeiro, configure geradores de duas funções para produzir ondas quadradas de 10 kilohertz oscilando de 0 a 10 Volts com um ciclo de trabalho de 48%. Sincronize as saídas para ficarem 180 graus fora de fase entre si. Cada gerador de função controla independentemente uma das duas chaves de transistor de efeito de campo do inversor de meia ponte. A onda quadrada liga o transistor quando a saída é alta e o desliga quando a saída é baixa ou zero Volts. Como o ciclo de trabalho é de 48%, os 2% restantes do período são tempo morto entre os estados ativados dos dois transistores. Durante esse tempo, as saídas de ambos os geradores de sinal são baixas, impedindo que os transistores conduzam simultaneamente e evitando um curto-circuito da alimentação CC. Conecte um canal de um osciloscópio à saída de cada gerador de função. Em seguida, confirme se as ondas quadradas têm a amplitude, frequência e ciclo de trabalho esperados. As duas ondas quadradas também devem ter fases opostas, então uma é alta enquanto a outra é baixa. Capture a tela do osciloscópio para referência posterior. Desligue as saídas do gerador de funções, mas deixe os geradores ligados. Por fim, defina a fonte de alimentação CC para 15 Volts positivos, mas não a conecte a nenhum circuito e, em seguida, desligue-a.

Construa o circuito do inversor de meia ponte e use um resistor de 51 ohms para a resistência de carga, carga R. Com a fonte de alimentação CC desligada, conecte sua saída ao VDC de entrada do inversor. Conecte uma sonda diferencial através da carga R para medir V e, em seguida, conecte uma sonda de osciloscópio regular entre a saída alta, que é o pino sete, e o terra. Defina o dimensionamento do escopo como 10x e o dimensionamento da sonda como 20x. Dimensione todas as medidas de acordo. Registre a escala da ponta de prova e do osciloscópio para levar em conta os fatores ausentes posteriormente. Conecte a saída de um gerador de função à entrada alta, que é o pino 10, e controla a comutação do transistor superior. Conecte o aterramento do gerador de funções ao aterramento comum do circuito. Conecte a saída do outro gerador de funções à entrada Baixa, que é o pino 12, e controla a comutação do transistor inferior. Conecte o aterramento do outro gerador de funções ao aterramento comum do circuito. Capture as formas de onda em High out e V out e meça a tensão, amplitude e frequência de saída. Registre as leituras de corrente e tensão na fonte de alimentação CC. Repita as medições com uma frequência de entrada de cinco kilohertz e observe a diferença na forma de onda CA de saída. Por fim, desligue a fonte de alimentação CC e desconecte os geradores de função do circuito.

A tensão de saída deste inversor de meia ponte é uma onda quadrada com uma amplitude de 1/2 VCC e algum tempo morto, fazendo com que a tensão de saída seja zero por cerca de 4% do período de comutação. Os inversores de onda quadrada têm alta distorção harmônica total 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, como a modulação por largura de pulso senoidal. Esses métodos mais sofisticados não apenas reduzem a distorção harmônica total, mas também facilitam os requisitos de filtragem para harmônicos indesejados na tensão de saída CA.

Os inversores são comumente usados na interface entre a energia CC disponível e os equipamentos e máquinas de aplicações CA. Grandes raios de células solares estão agora produzindo energia em muitas áreas e contribuem para a rede elétrica local. No entanto, as células solares produzem energia CC, e os inversores são usados para transformá-la em energia CA com a tensão e frequência adequadas para a rede. Muitas máquinas usam alimentação CA, mas não na frequência fixa de 120 Volt RMS e 60 hertz da fonte principal. A velocidade do rotor de um motor de indução, por exemplo, depende da frequência da corrente que o aciona. Os inversores de frequência variável usam conversão de CA para CC para gerar energia CC interna. Os inversores, por sua vez, usam essa energia CC para gerar energia CA com tensão e frequência ajustáveis, o que permite o controle da velocidade e do torque do motor de indução.

Você acabou de assistir à introdução de Jove aos inversores monofásicos. Agora você deve entender os fundamentos da conversão de CC para CA e como a frequência da saída CA pode ser ajustada alterando a frequência de comutação. Obrigado por assistir.