Este documento apresenta técnicas de modulação para controle de potência em circuitos CC e CA. É descrito o controle por ativação por onda quadrada e modulação por largura de pulso para circuitos CC, bem como controle de ciclo integral e de fase para circuitos CA. Exemplos ilustram como esses métodos permitem variar a potência média fornecida à carga de maneira eficiente. Exercícios são fornecidos para fixação dos conceitos apresentados.

1. DEE
Disciplina: Eletrônica de Potência (ENGC48)
Tema: Técnicas de Modulação
Prof.: Eduardo Simas
eduardo.simas@ufba.br
Aula 8
Universidade Federal da Bahia
Escola Politécnica
Departamento de Engenharia Elétrica

2. DEE
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Sumário
 Introdução
 Controle de Potência CC
 Ativação por onda quadrada
 Modulação por largura de pulso
 Controle de Potência CA
 Controle de ciclo integral
 Controle de fase CA
 Exercícios de Fixação

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1. Introdução

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Controle da Potência Fornecida
 A partir de uma fonte (CA ou CC) constante, como controlar a potência fornecida à
carga?
 Solução 01: Usando um resistor ajustável (potenciômetro) em série com a carga:
 Problema: energia dissipada (perdida) na resistência em série.

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Controle da Potência Fornecida
 Solução 02: Através de chaves:
 Embora a tensão produzida não seja contínua, esse problema é atenuado com a
presença de armazenadores de energia (capacitores e indutores) no circuito.
 Considerando uma chave ideal, não existem perdas associadas ao chaveamento,
garantindo a eficiência energética.
 Na prática é possível estimar as perdas (nos estados ligado e desligado e no
chaveamento) a partir do dispositivo utilizado como chave.

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2. Controle de Potência CC

7. DEE
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Ativação por Onda Quadrada
 Utilizando-se um trem de pulsos (onda quadrada) de características (frequência e
ciclo de trabalho variáveis) pode-se controlar a potência média fornecida à carga:
 Exemplo - Ativação através de TBJ a partir de onda quadrada:
+
Vo
-
A tensão média na
saída é proporcional
ao tempo no qual a
onda quadrada tem
nível alto.

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Modulação por Largura de Pulso
 A modulação por largura de pulso (ou PWM – Pulse Width Modulation) é uma técnica
muito utilizada para a geração de um trem de pulsos de características variáveis.
 Características de um sinal PWM:
t -> Período
t1 -> Largura do Pulso
t2 -> Tempo de nível baixo
D = t1 / t -> Ciclo de trabalho

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Modulação por Largura de Pulso
 A ativação por onda quadrada gerada por um modulador PWM é bastante utilizada nos
conversores CC-CC para a ativação de chaves eletrônicas (transistores ou GTO).
 Transferência de potência proporcional ao ciclo de trabalho:

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Modulação por Largura de Pulso
 Um modulador PWM pode ser obtido a partir da comparação entre um sinal de
referência e a portadora:
 A portadora define a frequência do sinal modulado.
 A largura do pulso (e consequentemente o ciclo de trabalho) é ajustado pelo sinal
de referência.
Referência
Portadora

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PWM com sinal de referência contínuo
 Em conversores CC-CC, em geral, são utilizados:
Sinal de referência contínuo Portadora dente de serra
Esquema do modulador PWM:

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Espectro do Sinal PWM com referência contínua
 Componente de frequência CC (representando a portadora)
 Componentes nos múltiplos da frequência da portadora (5kHz)

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PWM com referência senoidal
 Em conversores CC-CA podem ser utilizados:
Sinal de referência senoidal Portadora triangular

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PWM com referência senoidal + Filtro Passa Baixas
Portadora Triangular Referência Senoidal
Sinal PWM Sinal PWM filtrado

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PWM com referência senoidal + Filtro Passa Baixas
Sinal PWM Sinal PWM filtrado
Componentes de Frequência

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PWM com Três Níveis (Onda Quase-Quadrada)
 Elimina alguns componentes de frequência mantendo um período de tensão nula.

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PWM Multinível
 Diversos módulos inversores com saída PWM podem ser combinados de modo a
produzir uma tensão mais próxima de uma senóide.

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PWM Multinível
 Com a combinação de PWM
e dispositivos armazenadores
de energia é possível gerar de
modo aproximado qualquer
forma de onda.
 Exemplo: Filtro ativo de
potência

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Modulação em Frequência
 Utiliza-se um pulso de largura fixa e frequência variável.
 A frequência da portadora deve ser variada de modo proporcional ao sinal de
referência.

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Outras Técnicas de Modulação
Modulação por Limites de Corrente – tanto a frequência como a largura do pulso
são variáveis a partir de um sistema em malha fechada que realimenta o valor
instantâneo da corrente.

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Outras Técnicas de Modulação
Modulação por Limites de Corrente
utiliza um comparador com histerese
(Schmitt-Trigger):
Curva de operação
do Schmitt-Trigger

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Outras Técnicas de Modulação
Modulação Vetorial :
 Utilizada principalmente em
 inversores trifásicos;
 circuitos de controle de motores (drivers) ;
 filtros ativos de potência.
 É possível a geração de sinais com características distintas em cada uma das fases.
 Os sinais trifásicos são decompostos em componentes de uma base de vetores
ortogonais.
 Técnica de modulação implementada digitalmente através de microcontroladores e
DSPs (processadores digitais de sinais).

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3. Controle de Potência CA

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Introdução:
 Normalmente implementado a partir de tiristores (SCRs ou TRIAC).
 O objetivo é controlar a potência fornecida a uma carga de CA a partir de uma fonte CA
fixa (Conversão CA-CA).
 Existem basicamente dois modos de executar essa conversão: por controle de ciclo
completo e por controle de fase.
Conversor CA-CA com SCRs Conversor CA-CA com TRIACs

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Controle de Ciclo Completo
 Consiste em ligar ou desligar o circuito de alimentação CA da carga por vários ciclos.
 Problema: pode gerar grande flutuação de tensão.

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Controle de Ciclo Completo
 Características:
Potência Média Tensão Média
Sendo:

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Controle de Ciclo Completo
Cálculo do Fator de Potência:
 Considerando o no caso resistivo:
 Conversor ligado -> corrente e tensão estejam em fase
 Conversor desligado -> corrente nula e tensão não nula
 Então:

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Controle de Fase
 O disparo dos tiristores é efetuado de modo periódico a cada ciclo:
Sendo:
α ->o ângulo de disparo
T -> o período do sinal
0 > α > 180o
Menor flutuação da
tensão se comparado ao
controle de ciclo integral !

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Controle de Fase
Características:
Considerando o circuito: Temos:
Voef/Vief
Fator de potência:

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Controle de Fase
Componentes Harmônicos:
 Componente na Frequência Fundamental:
 Componentes nas demais frequências (k > 1):

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Controle de Fase
Componentes Harmônicos:

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4. Exercícios de Fixação

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Exercícios de Fixação
Q02 – Uma fonte monofásica AC de 120 V é
utilizada num controlador de ciclo integral para
alimentar uma carga resistiva de 5 Ω. Determine
a. O valor médio da corrente na saída
b. A corrente máxima na chave
c. A potência máxima fornecida
d. O ciclo de trabalho e o valor de TON para que
a carga receba 1 kW de potência
e. O fator de potência para a parte d
Q03 – Uma fonte monofásica AC de 110 V é
utilizada num controlador de fase para
alimentar uma carga resistiva de 10 Ω, sendo
α = 30o , determine
a. A potência média na saída
b. A tensão de pico inversa
c. O valor RMS da corrente de entrada
d. O fator de potência do circuito
Q04 – Para o circuito do exemplo 4, encontre o
valor do ângulo de disparo necessário para que
a potência dissipada seja igual a 900 W.
Q01 – Considerando que uma fonte de corrente contínua de 100 V é utilizada para alimentar um
motor CC que opera a 500 rpm quando alimentado por 100 V, então:
a. Escolha o ciclo de trabalho necessário para um conversor DC-DC operando com sinal de ativação
em onda quadrada para que o motor opera a 300 rpm.
b. Explique a influência da frequência de chaveamento do conversor na operação do sistema.
c. Caso seja utilizado um esquema de modulação PWM com referência DC, qual o valor necessário
para o sinal DC caso a portadora tenha valor máximo 2 V.

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Leitura indicada:
 Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and
Applications, Segunda Edição, Elsevier, 2007.
 Mohan, Undeland and Robins, Power Electronics, Converters, Applications
and Design, Wiley
 Pomilio, José Antenor. Eletrônica de Potência , Faculdade de Engenharia
Elétrica e de Computação, UNICAMP, 1998, Revisado em 2002.
 A. Ahmed. Eletrônica de Potência. Prentice Hall, 2006.
Algumas figuras utilizadas nesta apresentação foram retiradas das
referências citadas acima.