Circuito inversor trifásico

Todos nós sabemos sobre o inversor - é um dispositivo que converte DC em AC. E nós já aprendemos sobre diferentes tipos de inversores e construímos um inversor monofásico de 12v a 220v. Um inversor trifásico converte a tensão DC em uma fonte AC trifásica. Aqui neste tutorial, aprenderemos sobre o Inversor Trifásico e seu funcionamento, mas antes de prosseguirmos, vamos dar uma olhada nas formas de onda de tensão da linha trifásica. No circuito acima, uma linha trifásica é conectada a uma carga resistiva e a carga extrai energia da linha. Se desenharmos as formas de onda de tensão para cada fase, teremos um gráfico conforme mostrado na figura. No gráfico, podemos ver três formas de onda de tensão fora de fase em 120º.

Neste artigo, discutiremos o circuito inversor trifásico que é usado como conversor CA de CC para CA trifásico. Lembre-se de que, mesmo nos dias modernos, conseguir uma forma de onda completamente senoidal para cargas variáveis ​​é extremamente difícil e não é prático. Portanto, aqui vamos discutir o funcionamento de um circuito conversor trifásico ideal, negligenciando todas as questões relacionadas ao inversor trifásico prático.

Inversor trifásico funcionando

Agora vamos dar uma olhada no circuito inversor trifásico e sua forma simplificada ideal.

Abaixo está um diagrama de circuito do inversor trifásico projetado usando tiristores e diodo (para proteção contra pico de tensão)

E abaixo está um diagrama de circuito do inversor trifásico projetado usando apenas interruptores. Como você pode ver, esta configuração de seis interruptores mecânicos é mais útil para entender o funcionamento do inversor trifásico do que o complicado circuito do tiristor.

O que faremos aqui é abrir e fechar simetricamente essas seis chaves para obter a saída de tensão trifásica para a carga resistiva. Existem duas formas possíveis de acionar as chaves para atingir o resultado desejado, uma em que as chaves conduzem para 180º e outra em que as chaves conduzem apenas para 120º. Vamos discutir cada padrão abaixo:

A) Inversor Trifásico - Modo de Condução de 180 Graus

O circuito ideal é desenhado antes de poder ser dividido em três segmentos, a saber, segmento um, segmento dois e segmento três, e usaremos essas notações na seção posterior do artigo. O segmento um consiste em um par de interruptores S1 e S2, o segmento dois consiste em alternar o par S3 e S4 e o segmento três consiste em alternar o par S5 e S6. A qualquer momento, os dois interruptores no mesmo segmento nunca devem ser fechados, pois isso leva a curtos-circuitos da bateria e falha em toda a configuração, portanto, esse cenário deve ser evitado o tempo todo.

Agora vamos começar a sequência de chaveamento fechando a chave S1 no primeiro segmento do circuito ideal e vamos nomear a partida como 0º. Como o tempo de condução selecionado é 180º, a chave S1 será fechada de 0º a 180º.

Mas após 120º da primeira fase, a segunda fase também terá um ciclo positivo, como visto no gráfico de tensão trifásica, então a chave S3 será fechada após S1. Este S3 também será mantido fechado por mais 180º. Portanto, o S3 será fechado de 120º a 300º e só será aberto depois de 300º.

Da mesma forma, a terceira fase também possui um ciclo positivo após 120º do ciclo positivo da segunda fase, conforme mostra o gráfico no início do artigo. Portanto, a chave S5 será fechada após o fechamento de 120º S3, ou seja, 240º. Uma vez fechada a chave ela será mantida fechada para vir 180º antes de ser aberta, com isso o S5 será fechado de 240º a 60º (segundo ciclo).

Até agora, tudo o que fizemos foi assumir que a condução é feita assim que os interruptores da camada superior são fechados, mas para o fluxo de corrente do circuito deve ser concluído. Além disso, lembre-se de que ambas as chaves no mesmo segmento nunca devem estar fechadas ao mesmo tempo, portanto, se uma chave estiver fechada, a outra deverá estar aberta.

Para satisfazer as duas condições acima, fecharemos S2, S4 e S6 em uma ordem predeterminada. Portanto, somente depois que S1 for aberto, teremos que fechar S2. Da mesma forma, S4 será fechado após S3 ser aberto a 300º e da mesma forma S6 será fechado após S5 completar o ciclo de condução. Este ciclo de comutação entre interruptores do mesmo segmento pode ser visto na figura abaixo. Aqui S2 segue S1, S4 segue S3 e S6 segue S5.

Seguindo essa comutação simétrica, podemos alcançar a tensão trifásica desejada representada no gráfico. Se preenchermos a sequência de comutação inicial na tabela acima, teremos um padrão de comutação completo para o modo de condução de 180º como abaixo.

A partir da tabela acima, podemos entender que:

De 0-60: S1, S4 e S5 são fechados e os três interruptores restantes são abertos.

De 60-120: S1, S4 e S6 são fechados e os três interruptores restantes são abertos.

De 120-180: S1, S3 e S6 são fechados e os três interruptores restantes são abertos.

E a sequência de comutação continua assim. Agora, vamos desenhar o circuito simplificado para cada etapa para entender melhor o fluxo de corrente e os parâmetros de tensão.

Passo 1: (para 0-60) S1, S4 e S5 são fechados enquanto os três interruptores restantes estão abertos. Nesse caso, o circuito simplificado pode ser como mostrado abaixo.

Portanto, de 0 a 60: Vao = Vco = Vs / 3; Vbo = -2Vs / 3

Usando estes, podemos derivar as tensões de linha como:

Vab = Vao - V bo = Vs Vbc = Vbo - Vco = -Vs Vca = Vco - Vao = 0

Passo 2: (para 60 a 120) S1, S4 e S6 são fechados enquanto os três interruptores restantes estão abertos. Nesse caso, o circuito simplificado pode ser como mostrado abaixo.

Portanto, para 60 a 120: Vbo = Vco = -Vs / 3; Vao = 2Vs / 3

Usando estes, podemos derivar as tensões de linha como:

Vab = Vao - Vbo = Vs Vbc = Vbo - Vco = 0 Vca = Vco - Vao = -Vs

Passo 3: (para 120 a 180) S1, S3 e S6 são fechados enquanto os três interruptores restantes estão abertos. Nesse caso, o circuito simplificado pode ser desenhado como abaixo.

Portanto, para 120 a 180: Vao = Vbo = Vs / 3; Vco = -2Vs / 3

Usando estes, podemos derivar as tensões de linha como:

Vab = Vao - V bo = 0 Vbc = Vbo - Vco = Vs Vca = Vco - Vao = -Vs

Da mesma forma, podemos derivar as tensões de fase e tensões de linha para as próximas etapas na sequência. E pode ser mostrado como a figura abaixo:

A) Inversor Trifásico - Modo de Condução de 120 Graus

O modo 120º é semelhante a 180º em todos os aspectos, exceto que o tempo de fechamento de cada switch é reduzido para 120, que antes eram 180.

Como de costume, vamos iniciar a sequência de comutação fechando a chave S1 no primeiro segmento e ser o número inicial em 0º. Como o tempo de condução selecionado é 120º a chave S1 será aberta após 120º, então a S1 foi fechada de 0º a 120º.

Como o meio ciclo do sinal senoidal vai de 0 a 180º, pelo tempo restante S1 estará aberto e é representado pela área cinza acima.

Agora, após 120º da primeira fase, a segunda fase também terá um ciclo positivo como mencionado antes, então a chave S3 será fechada após S1. Este S3 também ficará fechado por mais 120º. Então S3 será fechado de 120º a 240º.

Da mesma forma, a terceira fase também tem um ciclo positivo após 120º do ciclo positivo da segunda fase, de modo que a chave S5 será fechada após 120º do fechamento S3. Uma vez que a chave está fechada, ela será mantida fechada por vir 120º antes de ser aberta e com isso, a chave S5 será fechada de 240º a 360º

Este ciclo de chaveamento simétrico será continuado para atingir a tensão trifásica desejada. Se preenchermos a sequência de comutação inicial e final na tabela acima, teremos um padrão de comutação completo para o modo de condução de 120º como abaixo.

A partir da tabela acima, podemos entender que:

De 0-60: S1 e S4 são fechados enquanto os interruptores restantes são abertos.

De 60-120: S1 e S6 são fechados enquanto os interruptores restantes são abertos.

De 120-180: S3 e S6 é fechado enquanto os interruptores restantes são abertos.

De 180-240: S2 e S3 são fechados enquanto os interruptores restantes são abertos

De 240-300: S2 e S5 são fechados enquanto os interruptores restantes são abertos

De 300-360: S4 e S5 são fechados enquanto os interruptores restantes são abertos

E essa sequência de etapas continua assim. Agora vamos desenhar o circuito simplificado para cada etapa para entender melhor o fluxo de corrente e os parâmetros de tensão do circuito inversor trifásico.

Passo 1: (para 0-60) S1, S4 são fechados enquanto as quatro chaves restantes estão abertas. Nesse caso, o circuito simplificado pode ser mostrado como abaixo.

Portanto, de 0 a 60: Vao = Vs / 2, Vco = 0; Vbo = -Vs / 2

Usando estes, podemos derivar as tensões de linha como:

Vab = Vao - V bo = Vs Vbc = Vbo - Vco = -Vs / 2 Vca = Vco - Vao = -Vs / 2

Passo 2: (para 60 a 120) S1 e S6 são fechados enquanto os interruptores restantes estão abertos. Nesse caso, o circuito simplificado pode ser mostrado como abaixo.

Portanto, para 60 a 120: Vbo = 0, Vco = -Vs / 2 & Vao = Vs / 2

Usando estes, podemos derivar as tensões de linha como:

Vab = Vao - Vbo = Vs / 2 Vbc = Vbo - Vco = Vs / 2 Vca = Vco - Vao = -Vs

Passo 3: (para 120 a 180) S3 e S6 são fechados enquanto os interruptores restantes estão abertos. Nesse caso, o circuito simplificado pode ser mostrado como abaixo.

Portanto, para 120 a 180: Vao = 0, Vbo = Vs / 2 & Vco = -Vs / 2

Usando estes, podemos derivar as tensões de linha como:

Vab = Vao - V bo = -Vs / 2 Vbc = Vbo - Vco = Vs Vca = Vco - Vao = -Vs / 2

Da mesma forma, podemos derivar as tensões de fase e as tensões de linha para as próximas etapas. E se desenharmos um gráfico para todas as etapas, obteremos algo como a seguir.

Pode-se ver nos gráficos de saída dos gabinetes de chaveamento 180º e 120º que atingimos uma tensão trifásica alternada nos três terminais de saída. Embora a forma de onda de saída não seja uma onda senoidal pura, ela se assemelha à forma de onda de tensão trifásica. Este é um circuito ideal simples e uma forma de onda aproximada para entender o funcionamento do inversor trifásico. Você pode projetar um modelo funcional baseado nesta teoria usando tiristores, comutação, controle e circuitos de proteção.