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O que é um INVERTER e como funciona? Desmontagem e Animação 3D - Onda quadrada e senoidal
O que é um INVERTER e como funciona? Desmontagem e Animação 3D - Onda quadrada e senoidal
Como funcionam os inversores?
Os inversores têm assumido um papel fundamental devido à crescente disseminação das máquinas elétricas e, em geral, de todas aquelas tecnologias que aproveitam as energias renováveis.
Mas o que é um inversor e para que serve?
Na eletrônica, o inversor é um dispositivo eletrônico de entrada/saída capaz de converter uma CORRENTE CONTÍNUA DE ENTRADA em uma CORRENTE ALTERNADA DE SAÍDA, além de variar seus parâmetros de AMPLITUDE e FREQUÊNCIA.
Como explicamos em nosso vídeo anterior sobre a história e o funcionamento do motor elétrico, a tomada elétrica comum na parede fornece CORRENTE ALTERNADA, geralmente utilizada para alimentar aparelhos elétricos maiores, como os eletrodomésticos.
Se observarmos a CORRENTE ALTERNADA, veremos um comportamento ondulatório no qual a tensão alterna entre seus dois picos máximos e mínimos simétricos, passando por um valor zero.
Pode-se comparar a corrente alternada ao nível do mar, entre as condições extremas de maré alta e maré baixa. Entre esses valores extremos, a água do mar flui em níveis intermediários, também mudando de direção.
Já as baterias comuns fornecem CORRENTE CONTÍNUA, sendo o exemplo típico de geradores de tensão contínua. Sua característica principal é apresentar nos terminais uma polaridade fixa, ou seja, um polo positivo e um negativo. Esse tipo de CORRENTE é usado principalmente por dispositivos como placas eletrônicas e é produzido por painéis solares.
A CORRENTE CONTÍNUA mantém sempre a mesma tensão, e seu fluxo segue em uma única direção, representável por uma linha reta. Podemos imaginar um rio ou um canal que flui continuamente, de forma retilínea, em uma única direção, com um fluxo constante.
Os inversores são geralmente empregados em sistemas fotovoltaicos. Esses dispositivos geram sempre corrente contínua, enquanto, como dissemos, os eletrodomésticos em nossas casas utilizam corrente alternada. Para fazer os eletrodomésticos funcionarem, é necessário converter a corrente contínua em alternada.
Por isso existem no mercado diversos tipos de inversores. A Jaes, atuando há mais de 10 anos no setor de fornecimento industrial, oferece em seu catálogo todos os tipos de inversores dos principais fabricantes.
Um tipo mais complexo de inversor é necessário quando são integrados em variadores de frequência ou unidades de controle de movimento, para controle da velocidade, torque e direção de motores de corrente alternada.
Como vimos em nosso vídeo anterior sobre o dimensionamento de bombas centrífugas, uma maneira prática de alterar a velocidade de rotação do rotor da bomba é utilizar um conversor de frequência, mantendo inalterados os outros critérios de projeto.
Assim, é possível encontrar inversores em bombas, ventiladores, compressores e, basicamente, em qualquer equipamento que gere rotação.
Como mostrado nesta animação, o inversor é acoplado a um retificador, e a corrente alternada de entrada é convertida em contínua, para depois ser novamente transformada em alternada. Porém, os drivers internos alteram a frequência e, consequentemente, a forma da onda senoidal. Isso permite, por exemplo, controlar com precisão o desempenho de um motor conectado a uma carga, um compressor, etc.
Neste vídeo, explicaremos como obter corrente elétrica senoidal pura na saída a partir de uma corrente contínua na entrada.
A corrente alternada inverte periodicamente sua direção. Por isso, o valor médio da corrente alternada em um ciclo é zero.
Antes de proceder à construção da onda senoidal, vejamos o que é uma onda quadrada.
Nesta reconstrução 3D, podemos ver um circuito com 4 interruptores e uma tensão de entrada. Este circuito é conhecido como inversor em ponte de diodos. A saída é representada entre os pontos A e B.
Neste caso, a entrada é representada por uma bateria, enquanto isso é a carga hipotética.
Como podemos ver, há um fluxo de corrente apenas se os interruptores i1 e i3 estiverem conectados, enquanto i2 e i4 estiverem desconectados. Basta inverter e observar o fluxo de corrente.
Está claro que, neste caso, o fluxo de corrente é oposto, assim como a tensão de saída através da carga.
Essa é a técnica básica que produz uma onda quadrada alternada.
A frequência da corrente alternada em nossas casas é de 50 Hertz. Isso significa que seria necessário ligar e desligar cada um desses interruptores 50 vezes por segundo, algo impossível de fazer manualmente ou usando interruptores mecânicos.
Por isso, entram em jogo os interruptores semicondutores, os transistores MOSFET, capazes de ligar e desligar milhares de vezes por segundo usando sinais de controle. Esses sinais podem regular facilmente a ativação e desativação dos transistores.
A forma da onda quadrada representa a primeira aproximação de uma onda senoidal.
Os inversores têm assumido um papel fundamental devido à crescente disseminação das máquinas elétricas e, em geral, de todas aquelas tecnologias que aproveitam as energias renováveis.
Mas o que é um inversor e para que serve?
Na eletrônica, o inversor é um dispositivo eletrônico de entrada/saída capaz de converter uma CORRENTE CONTÍNUA DE ENTRADA em uma CORRENTE ALTERNADA DE SAÍDA, além de variar seus parâmetros de AMPLITUDE e FREQUÊNCIA.
Como explicamos em nosso vídeo anterior sobre a história e o funcionamento do motor elétrico, a tomada elétrica comum na parede fornece CORRENTE ALTERNADA, geralmente utilizada para alimentar aparelhos elétricos maiores, como os eletrodomésticos.
Se observarmos a CORRENTE ALTERNADA, veremos um comportamento ondulatório no qual a tensão alterna entre seus dois picos máximos e mínimos simétricos, passando por um valor zero.
Pode-se comparar a corrente alternada ao nível do mar, entre as condições extremas de maré alta e maré baixa. Entre esses valores extremos, a água do mar flui em níveis intermediários, também mudando de direção.
Já as baterias comuns fornecem CORRENTE CONTÍNUA, sendo o exemplo típico de geradores de tensão contínua. Sua característica principal é apresentar nos terminais uma polaridade fixa, ou seja, um polo positivo e um negativo. Esse tipo de CORRENTE é usado principalmente por dispositivos como placas eletrônicas e é produzido por painéis solares.
A CORRENTE CONTÍNUA mantém sempre a mesma tensão, e seu fluxo segue em uma única direção, representável por uma linha reta. Podemos imaginar um rio ou um canal que flui continuamente, de forma retilínea, em uma única direção, com um fluxo constante.
Os inversores são geralmente empregados em sistemas fotovoltaicos. Esses dispositivos geram sempre corrente contínua, enquanto, como dissemos, os eletrodomésticos em nossas casas utilizam corrente alternada. Para fazer os eletrodomésticos funcionarem, é necessário converter a corrente contínua em alternada.
Por isso existem no mercado diversos tipos de inversores. A Jaes, atuando há mais de 10 anos no setor de fornecimento industrial, oferece em seu catálogo todos os tipos de inversores dos principais fabricantes.
Um tipo mais complexo de inversor é necessário quando são integrados em variadores de frequência ou unidades de controle de movimento, para controle da velocidade, torque e direção de motores de corrente alternada.
Como vimos em nosso vídeo anterior sobre o dimensionamento de bombas centrífugas, uma maneira prática de alterar a velocidade de rotação do rotor da bomba é utilizar um conversor de frequência, mantendo inalterados os outros critérios de projeto.
Assim, é possível encontrar inversores em bombas, ventiladores, compressores e, basicamente, em qualquer equipamento que gere rotação.
Como mostrado nesta animação, o inversor é acoplado a um retificador, e a corrente alternada de entrada é convertida em contínua, para depois ser novamente transformada em alternada. Porém, os drivers internos alteram a frequência e, consequentemente, a forma da onda senoidal. Isso permite, por exemplo, controlar com precisão o desempenho de um motor conectado a uma carga, um compressor, etc.
Neste vídeo, explicaremos como obter corrente elétrica senoidal pura na saída a partir de uma corrente contínua na entrada.
A corrente alternada inverte periodicamente sua direção. Por isso, o valor médio da corrente alternada em um ciclo é zero.
Antes de proceder à construção da onda senoidal, vejamos o que é uma onda quadrada.
Nesta reconstrução 3D, podemos ver um circuito com 4 interruptores e uma tensão de entrada. Este circuito é conhecido como inversor em ponte de diodos. A saída é representada entre os pontos A e B.
Neste caso, a entrada é representada por uma bateria, enquanto isso é a carga hipotética.
Como podemos ver, há um fluxo de corrente apenas se os interruptores i1 e i3 estiverem conectados, enquanto i2 e i4 estiverem desconectados. Basta inverter e observar o fluxo de corrente.
Está claro que, neste caso, o fluxo de corrente é oposto, assim como a tensão de saída através da carga.
Essa é a técnica básica que produz uma onda quadrada alternada.
A frequência da corrente alternada em nossas casas é de 50 Hertz. Isso significa que seria necessário ligar e desligar cada um desses interruptores 50 vezes por segundo, algo impossível de fazer manualmente ou usando interruptores mecânicos.
Por isso, entram em jogo os interruptores semicondutores, os transistores MOSFET, capazes de ligar e desligar milhares de vezes por segundo usando sinais de controle. Esses sinais podem regular facilmente a ativação e desativação dos transistores.
A forma da onda quadrada representa a primeira aproximação de uma onda senoidal.
Os antigos inversores que produziam ondas quadradas eram facilmente reconhecíveis pelo clássico zumbido durante o funcionamento, como em ventiladores ou outros aparelhos que utilizam potência em onda quadrada. Isso também porque, geralmente, seus componentes internos aquecem muito.
Já os inversores modernos produzem ondas senoidais puras na saída. Vamos ver em detalhes como isso é feito.
A técnica é chamada PWM (Pulse-width modulation, ou Modulação por Largura de Pulso). O objetivo da modulação por largura de pulso é simples:
Gera-se um pulso quadrado de largura temporal e tensão variável para compor uma forma muito semelhante a uma senóide.
Aqui vem a parte mais complicada: o que acontece se calcularmos a média desses pulsos em um pequeno intervalo de tempo? Você ficará surpreso ao ver que a forma média dos pulsos é muito semelhante à curva senoidal. Quanto mais finos forem os pulsos utilizados, mais precisa será a forma senoidal.
Nessa situação, como podemos gerar esses pulsos e encontrar uma forma prática de calcular sua média?
Agora veremos como esses pulsos são implementados em um inversor. Para isso, utilizam-se comparadores.
Os comparadores comparam uma onda senoidal com ondas triangulares. Um comparador utiliza a onda senoidal e o outro utiliza a onda senoidal invertida: o primeiro comparador controla os interruptores i1 e i2, enquanto o segundo controla os interruptores i3 e i4.
Os interruptores i1 e i2 determinam o nível de tensão no ponto A, enquanto os outros dois interruptores determinam o nível de tensão no ponto B. Assim, você pode observar que a saída do comparador é baseada em uma lógica exclusiva. Isso significa que, quando i1 está aberto, i2 estará fechado e vice-versa.
Isso implica que nunca podemos ativar i1 e i2 ao mesmo tempo, pois isso causaria um curto-circuito no circuito de corrente contínua.
A ativação de i1 aplica tensão no ponto A, enquanto a ativação de i2 resulta em uma tensão igual a zero. O mesmo ocorre para o ponto B.
A lógica de comutação da Modulação por Largura de Pulso (PWM) é simples: quando o valor da onda senoidal é maior que o da onda triangular, o comparador gera um sinal; caso contrário, o sinal será zero.
Agora, vamos observar a variação de tensão. O sinal de controle ativa o MOSFET. Os pulsos de tensão produzidos no ponto A são apresentados.
Basta aplicar a mesma lógica de comutação e observar os pulsos de tensão gerados no ponto B.
Como estamos traçando a tensão de saída entre os pontos A e B, a tensão líquida será obtida pela diferença entre A e B.
Este é o trem de pulsos necessário para criar a onda senoidal. Quanto menor e mais precisa for a onda triangular, mais preciso será o trem de pulsos.
A questão agora é: como podemos implementar de forma prática a média para transformá-la exatamente em uma potência elétrica alternada senoidal?
Elementos passivos reativos, como indutores e capacitores, são usados para suavizar a forma de onda da potência.
Esses elementos são conhecidos como filtros passivos.
Os indutores atuam sobre a corrente, enquanto os capacitores influenciam a tensão. A combinação desses componentes passivos, formando os chamados "filtros", torna a forma da onda mais suave e reduz o efeito de degrau típico das conversões baseadas em modulação por largura de pulso.
A tecnologia do inversor que acabamos de explicar possui apenas dois níveis de tensão. Mas o que acontece se adicionarmos um nível adicional de tensão? Isso proporcionará uma melhor aproximação da onda senoidal e reduzirá o erro instantâneo.
Essa tecnologia de inversor multinível é utilizada em aplicações de alta precisão, como turbinas eólicas e veículos elétricos.
Os inversores usados em carros elétricos têm frequência e amplitude moduláveis, permitindo ajustar a velocidade e a potência do veículo.
Se você está interessado em entender melhor como funciona o inversor, confira nosso vídeo sobre "Como construir um inversor DIY" e aprenda a criar o seu próprio.
Como podemos observar, este inversor, combinado com um transformador, utiliza uma bateria de 12V (corrente contínua) para alimentar uma lâmpada, que, assim como outros eletrodomésticos, necessita de corrente alternada de 220V a 50Hz para funcionar.
O circuito desenvolvido, graças aos dois transistores controlados por um multivibrador, consegue transformar a corrente contínua de 12V em alternada, invertendo a direção da corrente 50 vezes por segundo. Em seguida, o transformador eleva a tensão para 220V.
Este simples inversor permite que uma bateria de 12V alimente diversos dispositivos que normalmente necessitariam de corrente alternada doméstica.
Se este vídeo foi útil para você, deixe um like e um comentário, compartilhe e não se esqueça de se inscrever no nosso canal.
Já os inversores modernos produzem ondas senoidais puras na saída. Vamos ver em detalhes como isso é feito.
A técnica é chamada PWM (Pulse-width modulation, ou Modulação por Largura de Pulso). O objetivo da modulação por largura de pulso é simples:
Gera-se um pulso quadrado de largura temporal e tensão variável para compor uma forma muito semelhante a uma senóide.
Aqui vem a parte mais complicada: o que acontece se calcularmos a média desses pulsos em um pequeno intervalo de tempo? Você ficará surpreso ao ver que a forma média dos pulsos é muito semelhante à curva senoidal. Quanto mais finos forem os pulsos utilizados, mais precisa será a forma senoidal.
Nessa situação, como podemos gerar esses pulsos e encontrar uma forma prática de calcular sua média?
Agora veremos como esses pulsos são implementados em um inversor. Para isso, utilizam-se comparadores.
Os comparadores comparam uma onda senoidal com ondas triangulares. Um comparador utiliza a onda senoidal e o outro utiliza a onda senoidal invertida: o primeiro comparador controla os interruptores i1 e i2, enquanto o segundo controla os interruptores i3 e i4.
Os interruptores i1 e i2 determinam o nível de tensão no ponto A, enquanto os outros dois interruptores determinam o nível de tensão no ponto B. Assim, você pode observar que a saída do comparador é baseada em uma lógica exclusiva. Isso significa que, quando i1 está aberto, i2 estará fechado e vice-versa.
Isso implica que nunca podemos ativar i1 e i2 ao mesmo tempo, pois isso causaria um curto-circuito no circuito de corrente contínua.
A ativação de i1 aplica tensão no ponto A, enquanto a ativação de i2 resulta em uma tensão igual a zero. O mesmo ocorre para o ponto B.
A lógica de comutação da Modulação por Largura de Pulso (PWM) é simples: quando o valor da onda senoidal é maior que o da onda triangular, o comparador gera um sinal; caso contrário, o sinal será zero.
Agora, vamos observar a variação de tensão. O sinal de controle ativa o MOSFET. Os pulsos de tensão produzidos no ponto A são apresentados.
Basta aplicar a mesma lógica de comutação e observar os pulsos de tensão gerados no ponto B.
Como estamos traçando a tensão de saída entre os pontos A e B, a tensão líquida será obtida pela diferença entre A e B.
Este é o trem de pulsos necessário para criar a onda senoidal. Quanto menor e mais precisa for a onda triangular, mais preciso será o trem de pulsos.
A questão agora é: como podemos implementar de forma prática a média para transformá-la exatamente em uma potência elétrica alternada senoidal?
Elementos passivos reativos, como indutores e capacitores, são usados para suavizar a forma de onda da potência.
Esses elementos são conhecidos como filtros passivos.
Os indutores atuam sobre a corrente, enquanto os capacitores influenciam a tensão. A combinação desses componentes passivos, formando os chamados "filtros", torna a forma da onda mais suave e reduz o efeito de degrau típico das conversões baseadas em modulação por largura de pulso.
A tecnologia do inversor que acabamos de explicar possui apenas dois níveis de tensão. Mas o que acontece se adicionarmos um nível adicional de tensão? Isso proporcionará uma melhor aproximação da onda senoidal e reduzirá o erro instantâneo.
Essa tecnologia de inversor multinível é utilizada em aplicações de alta precisão, como turbinas eólicas e veículos elétricos.
Os inversores usados em carros elétricos têm frequência e amplitude moduláveis, permitindo ajustar a velocidade e a potência do veículo.
Se você está interessado em entender melhor como funciona o inversor, confira nosso vídeo sobre "Como construir um inversor DIY" e aprenda a criar o seu próprio.
Como podemos observar, este inversor, combinado com um transformador, utiliza uma bateria de 12V (corrente contínua) para alimentar uma lâmpada, que, assim como outros eletrodomésticos, necessita de corrente alternada de 220V a 50Hz para funcionar.
O circuito desenvolvido, graças aos dois transistores controlados por um multivibrador, consegue transformar a corrente contínua de 12V em alternada, invertendo a direção da corrente 50 vezes por segundo. Em seguida, o transformador eleva a tensão para 220V.
Este simples inversor permite que uma bateria de 12V alimente diversos dispositivos que normalmente necessitariam de corrente alternada doméstica.
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