Introdução aos diferentes tipos de inversores

A fonte de alimentação de corrente alternada (CA) é usada para quase todas as necessidades residenciais, comerciais e industriais. Mas o maior problema com o AC é que ele não pode ser armazenado para uso futuro. Assim, AC é convertido em DC e, em seguida, DC é armazenado em baterias e ultracapacitores. E agora, sempre que AC é necessário, DC é novamente convertido em AC para executar os aparelhos baseados em AC. Portanto, o dispositivo que converte CC em CA é chamado de Inversor. O inversor é usado para converter DC em AC variável. Essa variação pode ser na magnitude da tensão, número de fases, frequência ou diferença de fase.

Classificação do inversor

O inversor pode ser classificado em muitos tipos com base na saída, fonte, tipo de carga, etc. Abaixo está a classificação completa dos circuitos do inversor:

(I) De acordo com a característica de saída

Inversor de onda quadrada
Inversor de onda senoidal
Inversor de onda senoidal modificado

(II) De acordo com a fonte do inversor

Inversor de fonte de corrente
Inversor de fonte de tensão

(III) De acordo com o tipo de carga

Inversor Monofásico
1. Inversor de meia ponte
2. Inversor Full Bridge
Inversor Trifásico
1. Modo de 180 graus
2. Modo de 120 graus

(IV) De acordo com diferentes técnicas de PWM

Modulação de largura de pulso simples (SPWM)
Modulação de largura de pulso múltipla (MPWM)
Modulação de largura de pulso sinusoidal (SPWM)
Modulação de largura de pulso senoidal modificada (MSPWM)

(V) De acordo com o número de nível de saída

Inversor regular de dois níveis
Inversor multinível

Agora vamos discutir todos eles um por um. Você pode verificar um projeto de circuito inversor de 12 V DC a 220 V AC aqui.

(I) De acordo com a característica de saída

De acordo com a característica de saída de um inversor, pode haver três tipos diferentes de inversores.

Inversor de onda quadrada
Inversor de onda senoidal
Inversor de onda senoidal modificado

1) Inversor de onda quadrada

A forma de onda de saída da tensão para este inversor é uma onda quadrada. Este tipo de inversor é menos usado entre todos os outros tipos de inversores porque todos os aparelhos são projetados para alimentação de onda senoidal. Se fornecermos onda quadrada a um aparelho baseado em onda senoidal, ele pode ser danificado ou as perdas são muito altas. O custo deste inversor é muito baixo, mas a aplicação é muito rara. Pode ser usado em ferramentas simples com motor universal.

2) Onda senoidal

A forma de onda de saída da tensão é uma onda senoidal e nos dá uma saída muito semelhante à da rede elétrica. Esta é a grande vantagem deste inversor porque todos os aparelhos que utilizamos são concebidos para a onda sinusoidal. Então, esse é o resultado perfeito e dá garantia de que o equipamento funcionará corretamente. Este tipo de inversor é mais caro, mas amplamente utilizado em aplicações residenciais e comerciais.

3) Onda senoidal modificada

A construção deste tipo de inversor é complexa do que o inversor de onda quadrada simples, mas mais fácil em comparação com o inversor de onda senoidal pura. A saída deste inversor não é uma onda senoidal pura nem uma onda quadrada. A saída desse inversor é a parte de duas ondas quadradas. A forma de onda de saída não é exatamente uma onda senoidal, mas lembra a forma de uma onda senoidal.

(II) De acordo com a fonte do inversor

Inversor de fonte de tensão
Inversor de fonte de corrente

1) Inversor da fonte de corrente

Em CSI, a entrada é uma fonte atual. Este tipo de inversor é usado na aplicação industrial de média tensão, onde formas de onda de corrente de alta qualidade são obrigatórias. Mas os CSIs não são populares.

2) Inversor da fonte de tensão

No VSI, a entrada é uma fonte de tensão. Este tipo de inversor é utilizado em todas as aplicações, pois é mais eficiente e possui maior confiabilidade e resposta dinâmica mais rápida. O VSI é capaz de operar motores sem redução.

(III) De acordo com o tipo de carga

Inversor Monofásico
Inversor Trifásico

1) inversor monofásico

Geralmente, a carga residencial e comercial usa energia monofásica. O inversor monofásico é utilizado para este tipo de aplicação. O inversor monofásico é dividido em duas partes;

Inversor Monofásico Meia Ponte
Inversor monofásico em ponte completa

A) Inversor Monofásico de meia ponte

Este tipo de inversor é composto por dois tiristores e dois diodos e a conexão é mostrada na figura abaixo.

Nesse caso, a tensão CC total é Vs e dividida em duas partes iguais Vs / 2. O tempo para um ciclo é T seg.

Para meio ciclo de 0

Para o segundo meio ciclo de T / 2

Vo = Vs / 2

Por esta operação, podemos obter uma forma de onda de tensão alternada com frequência de 1 / T Hz e amplitude de pico Vs / 2. A forma de onda de saída é uma onda quadrada. Ele passará pelo filtro e removerá os harmônicos indesejados que nos fornecem uma forma de onda senoidal pura. A frequência da forma de onda pode ser controlada pelo tempo ON (Ton) e pelo tempo OFF (Toff) do tiristor.

A magnitude da tensão de saída é a metade da tensão de alimentação e o período de utilização da fonte é de 50%. Esta é uma desvantagem do inversor de meia ponte e a solução para isso é o inversor de ponte completa.

B) Inversor monofásico em ponte completa

Neste tipo de inversor, são utilizados quatro tiristores e quatro diodos. O diagrama do circuito da ponte completa monofásica é mostrado na figura abaixo.

Ao mesmo tempo, dois tiristores T1 e T2 conduzem para o primeiro meio ciclo 0 <t <T / 2. Durante este período, a tensão de carga é Vs, que é semelhante à tensão de alimentação CC.

Para o segundo semiciclo T / 2 <t <T, dois tiristores T3 e T4 conduzem. A tensão de carga durante este período é -Vs.

Aqui podemos obter a tensão de saída CA igual à tensão de alimentação CC e o fator de utilização da fonte é 100%. A forma de onda da tensão de saída é quadrada e os filtros são usados para convertê-la em uma onda senoidal.

Se todos os tiristores conduzirem ao mesmo tempo ou em um par de (T1 e T3) ou (T2 e T4), a fonte entrará em curto-circuito. Os diodos são conectados no circuito como diodo de feedback porque é usado para o feedback de energia para a fonte CC.

Se compararmos o inversor de ponte completa com o inversor de meia ponte, para a carga de tensão de alimentação CC fornecida, a tensão de saída é duas vezes e a potência de saída é quatro vezes no inversor de ponte completa.

2) Inversor de ponte trifásica

No caso de carga industrial, utiliza-se alimentação CA trifásica e para isso deve-se utilizar inversor trifásico. Neste tipo de inversor, são utilizados seis tiristores e seis diodos, que são conectados conforme a figura a seguir.

Ele pode operar em dois modos de acordo com o grau de pulsos do portão.

Modo de 180 graus
Modo de 120 graus

A) modo de 180 graus

Nesse modo de operação, o tempo de condução do tiristor é de 180 graus. Em qualquer momento do período, três tiristores (um tiristor de cada fase) estão em modo de condução. A forma da tensão de fase é três formas de onda escalonadas e a forma da tensão da linha é uma onda quase quadrada, conforme mostrado na figura.

Vab = Va0 - Vb0 Vbc = Vb0 - Vc0 Vca = Vc0 - Va0

Fase A	T1	T4	T1	T4
Fase B	T6	T3	T6	T3	T6
Fase C	T5	T2	T5	T2	T5
Grau	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Thyristor conduz	1 5 6	6 1 2	1 2 3	2 3 4	3 4 5	4 5 6	1 5 6	6 1 2	1 2 3	2 3 4	3 4 5	4 5 6

Nesta operação, o intervalo de tempo entre a comutação do tiristor de saída e a condução do tiristor de entrada é zero. Portanto, a condução simultânea do tiristor de entrada e saída é possível. Isso resulta em um curto-circuito da fonte. Para evitar essa dificuldade, o modo de operação de 120 graus é usado.

B) modo de 120 graus

Nesta operação, por vez, apenas dois tiristores conduzem. Uma das fases do tiristor não está conectada ao terminal positivo nem conectada ao terminal negativo. O tempo de condução de cada tiristor é de 120 graus. A forma da tensão da linha é uma forma de onda de três etapas e a forma da tensão da fase é uma forma de onda quase quadrada.

Fase A	T1		T4		T1		T4
Fase B	T6		T3		T6		T3		T6
Fase C		T2		T5		T2		T5
grau	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Thyristor conduz	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	6 5	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	5 6

A forma de onda da tensão da linha, da tensão da fase e do pulso do tiristor é mostrada na figura acima.

Em qualquer chave eletrônica de potência, existem dois tipos de perdas; perda de condução e perda de comutação. A perda de condução significa perda de estado ON na chave e a perda de chaveamento significa perda de estado OFF na chave. Geralmente, a perda de condução é maior do que a perda de comutação na maior parte da operação.

Se considerarmos o modo de 180 graus para uma operação de 60 graus, três interruptores são abertos e três interruptores são fechados. Significa que a perda total é igual a três vezes a perda de condução mais três vezes a perda de comutação.

Perda total em 180 graus = 3 (perda de condutância) + 3 (perda de comutação)

Se considerarmos o modo de 120 graus para uma operação de 60 graus, dois interruptores são abertos e o restante dos quatro interruptores são fechados. Significa que a perda total é igual a duas vezes a perda de condutância mais quatro vezes a perda de comutação.

Perda total em 120 graus = 2 (perda de condutância) + 4 (perda de comutação)

(IV) Classificação de acordo com a técnica de controle

Modulação de largura de pulso único (PWM único)
Modulação de largura de pulso múltipla (MPWM)
Modulação de largura de pulso sinusoidal (SPWM)
Modulação de largura de pulso senoidal modificada (MSPWM)

A saída do inversor é um sinal de onda quadrada e este sinal não é usado para a carga. A técnica de modulação por largura de pulso (PWM) é usada para controlar a tensão de saída CA. Este controle é obtido pelo controle do período ON e OFF dos interruptores. Na técnica PWM, dois sinais são usados; um é o sinal de referência e o segundo é o sinal portador triangular. O pulso de porta para interruptores é gerado pela comparação desses dois sinais. Existem diferentes tipos de técnicas de PWM.

1) Modulação de largura de pulso único (PWM único)

Para cada meio ciclo, o único pulso está disponível nesta técnica de controle. O sinal de referência é um sinal de onda quadrada e o sinal da portadora é um sinal de onda triangular. O pulso de porta para as chaves é gerado comparando o sinal de referência e o sinal da portadora. A frequência da tensão de saída é controlada pela frequência do sinal de referência. A amplitude do sinal de referência é Ar e a amplitude do sinal portador é Ac, então o índice de modulação pode ser definido como Ar / Ac. A principal desvantagem desta técnica é o alto conteúdo harmônico.

2) Modulação por largura de pulso múltipla (MPWM)

A desvantagem da técnica de modulação de largura de pulso único é resolvida por vários PWM. Nesta técnica, em vez de um pulso, vários pulsos são usados em cada meio ciclo da tensão de saída. A porta é gerada comparando o sinal de referência e o sinal da portadora. A frequência de saída é controlada pelo controle da frequência do sinal da portadora. O índice de modulação é usado para controlar a tensão de saída.

O número de pulsos por meio ciclo = fc / (2 * f0)

Onde fc = frequência do sinal portador

f0 = frequência do sinal de saída

3) Modulação de largura de pulso sinusoidal (SPWM)

Esta técnica de controle é amplamente utilizada em aplicações industriais. Nos dois métodos acima, o sinal de referência é um sinal de onda quadrada. Mas, neste método, o sinal de referência é um sinal de onda senoidal. O pulso de porta para as chaves é gerado comparando o sinal de referência da onda senoidal com a onda portadora triangular. A largura de cada pulso varia com a variação da amplitude da onda senoidal. A frequência da forma de onda de saída é igual à frequência do sinal de referência. A tensão de saída é uma onda senoidal e a tensão RMS pode ser controlada pelo índice de modulação. As formas de onda são mostradas na figura abaixo.

4) Modulação de largura de pulso sinusoidal modificada (MSPWM)

Devido à característica de onda senoidal, a largura de pulso da onda não pode ser alterada com variação no índice de modulação na técnica SPWM. Essa é a razão pela qual a técnica MSPWN foi introduzida. Nesta técnica, o sinal da portadora é aplicado durante o primeiro e o último intervalo de 60 graus de cada meio ciclo. Desta forma, sua característica harmônica é aprimorada. A principal vantagem dessa técnica é o aumento do componente fundamental, número reduzido de dispositivos de energia de comutação e perda de comutação diminuída. A forma de onda é mostrada na figura abaixo.

(V) De acordo com o número de níveis na saída

Inversor regular de dois níveis
Inversor multinível

1) Inversor regular de dois níveis

Esses inversores têm apenas níveis de tensão na saída que são tensão de pico positivo e tensão de pico negativa. Às vezes, ter um nível de tensão zero também é conhecido como inversor de dois níveis.

2) Inversores multinível

Esses inversores podem ter vários níveis de tensão na saída. O inversor multinível é dividido em quatro partes.

- Inversor de capacitor voador

- Inversor com fixação por diodo

- Inversor Híbrido

- Inversor Cascade tipo H

Cada inversor tem seu próprio projeto de operação, aqui explicamos esses inversores brevemente para obter uma ideia básica sobre eles.