Conversores CA-CA

Dissertação de mestrado: "Estabilizador de Tensão Alternada para Cargas Não-Lineares".

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                A conversão eletrônica de energia envolve a comutação em baixa ou alta freqüência de dispositivos semicondutores ou qualquer outro elemento que possa realizar a função de comutação. A expansão de conversores de potência para conversão de tensão alternada em tensão alternada, operando com semicondutores em alta freqüência tardou a ocorrer, em comparação com conversores de tensão contínua, justamente em virtude dos fenômenos de comutação.

                Para mostrar o problema da comutação em conversores CA-CA será utilizado um conversor do tipo Buck com interruptores bidirecionais em corrente e tensão, o qual é mostrado na figura a seguir. Para analisar a comutação supõe-se que as tensões de entrada e de carga estejam positivas, e que a corrente na carga, e conseqüentemente no indutor L_o, também esteja positiva, conforme indicado na figura.

              Supondo que o interruptor S_a esteja conduzindo, ter-se-á o circuito apresentado na figura abaixo. Desta forma a tensão na carga irá aumentar.

              Se for desejado diminuir a tensão na carga, deve-se fazer conduzir o interruptor S_b. Têm-se duas possibilidades: comandar o interruptor S_b a entrar em condução antes de abrir o interruptor S_a ou abrir o interruptor S_a e depois comandar a entrada em condução de S_b. No primeiro caso diz-se que o comando é com sobreposição de sinais, enquanto no segundo caso é com tempo morto.

               Na figura abaixo mostra-se o circuito resultante se os sinais de comando forem sobrepostos, que é a primeira possibilidade citada anteriormente. Pode-se perceber pela figura que irá ocorrer um curto-circuito da fonte de entrada, o que poderá destruir os interruptores.

             Se o comando for realizado com tempo morto tem-se o circuito resultante mostrado a seguir. Neste caso a corrente do indutor L_o não terá caminho para circular, o que provocará uma sobretensão sobre os interruptores, também podendo destruir os mesmos.

              Resolver o problema de comutação apresentado tem sido um dos principais temas de pesquisa em Conversão CA-CA ao longo da história. Várias soluções foram apresentadas, muitas vezes de difícil implementação, dispendiosas, de baixo rendimento ou, principalmente, de baixa confiabilidade.

              Os conversores indiretos com link direto têm a vantagem de não necessitarem de elementos armazenadores de energia e, portanto, não possuem um barramento de tensão contínua. A tensão na saída do retificador é a própria tensão da rede de energia elétrica, mas retificada. Consequentemente, estes conversores não podem gerar na saída tensões com fases diferentes da tensão de entrada, a não ser de 0⁰ ou 180⁰ ou múltiplos desses valores. Quanto à freqüência da tensão de saída, múltiplos da freqüência da rede podem ser gerados, até os limites dados pela freqüência de comutação e do filtro de saída do conversor.

              Os interruptores do retificador têm seu comando realizado em baixa freqüência, como será visto no capítulo de estudo do estágio de potência, e podem ser lentos. Todavia, não é possível utilizar tiristores no retificador, pois na passagem por zero da tensão da rede, dependendo do sentido da corrente solicitada pelo inversor, a comutação dos tiristores poderá provocar um curto-circuito da fonte de alimentação.

              Uma grande vantagem destes conversores é a ausência do grande volume de capacitores no estágio intermediário, em vista dos mesmos não terem barramento em tensão contínua (barramento CC). Outro ponto importante é o fato de que, em virtude de se ter um retificador precedendo um inversor, os interruptores usados nestes conversores não necessitam serem bidirecionais em tensão, mas apenas em corrente.