Entendendo Inversores: Guia Completo para Estudantes de Engenharia Elétrica e Eletrônica

Introdução:

Neste artigo, explicaremos o que é um inversor, sua função e princípio de operação. Encontrará inversores em arranjos fotovoltaicos para fornecer CA para uso em residências e escritórios. Também em "drives de frequência variável" para controlar velocidade, torque e direção de rotação de motores de indução CA em ventiladores, bombas e compressores.

O que é um Inversor?

Vamos aos fundamentos. Provavelmente conhece dois tipos de energia elétrica: Corrente Contínua (CC) e Corrente Alternada (CA). CC é usada em lanternas, painéis solares, baterias, pequenos produtos com placas de circuito. Mas para eletrodomésticos maiores, a eletricidade funciona diferentemente. A energia da tomada é baseada em CA e usada para alimentar a casa. Ambos têm limitações e frequentemente convertemos uma forma na outra para maximizar uso.

Um inversor faz isso: converte CC em CA. Use um osciloscópio para ver o sinal de ambos. CC fornece corrente fluindo em uma direção com tensão máxima; vê-se uma linha reta contínua. Para CA, vê-se padrão de onda senoidal com tensão alternando entre pico positivo e negativo em um ciclo. A corrente essencialmente viaja "ida e volta".

Funcionamento de um Inversor

Para entender, considere circuito onde fonte CC alimenta dispositivo CA. Para converter CC em CA, há quatro chaves. Emparelhadas de forma que quando chaves 1 e 4 fecham, 2 e 3 abrem e vice-versa. Portanto, carga experimenta corrente alternada embora conectada a fonte CC.

Quando um par abre, corrente flui pelo lado direito do dispositivo CA. Quando o segundo par abre, corrente flui pelo lado esquerdo. Dispositivo experimenta corrente alternada.

Dispositivo não experimenta onda senoidal; comutação súbita resulta em onda quadrada. Esta onda pode danificar dispositivo e precisa ser suavizada. Engenheiros usam componentes como diodos, IGBTs, MOSFETs, etc.

Uso de IGBTs em Inversores:

IGBT (Transistor Bipolar de Porta Isolada) é dispositivo semicondutor de três terminais. Considere circuito para motor.

Há fonte CC, carga CA, e vários IGBTs conectados a controlador. Cada IGBT recebe sinal do controlador dizendo quando abrir e fechar. IGBTs emparelhados.

Ao energizar circuito, controlador comuta par de IGBTs para permitir passagem de corrente por tempo limitado, fazendo motor experimentar corrente alternada.

Uso de Inversores para Controlar Velocidade de Motor:

IGBTs abrem e fecham de forma pulsante várias vezes por ciclo, conhecida como modulação por largura de pulso (PWM). Ciclo dividido em segmentos menores; controlador diz aos IGBTs quanto tempo permanecer fechados em cada segmento. Assim, IGBTs permitem quantidades variáveis de corrente fluir pelo motor.

Resultado: potência média por segmento resulta em padrão de onda senoidal. Quanto mais dividimos ciclo em segmentos menores, mais suave a onda senoidal. Motor experimenta corrente alternada senoidal.

Controlador controla tempo que IGBT permanece aberto para controlar frequência e comprimento de onda do sinal, controlando velocidade, torque e direção do motor.

Usos de Inversores:

Inversores têm muitas aplicações:

• Adaptadores de carro, aplicações domésticas, escritório, sistemas de grande rede.
• Aplicação comum em arranjos fotovoltaicos.
• Integrados em Drives de Frequência Variável para controlar velocidade, torque e direção de motores CA.
• Usados em sistemas HVAC industriais e comerciais.
• Podem ser usados como UPS (Fontes de Alimentação Ininterrupta).
• Usados em sistemas de energia solar.
• Podem ser usados em ventiladores centrífugos, misturadores, bombas, transportadores, extrusoras, etc.