eletrônica de potência

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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA IELETRÔNICA DE POTÊNCIA IAula 01 Aula 01 -- Introdução à Eletrônica de PotênciaIntrodução à Eletrônica de Potência

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINAUNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINACENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICASCENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICACURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICACURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

Prof. Leandro Michels, Dr. Eng.Prof. Leandro Michels, Dr. [email protected]@gmail.com

EPO I – Aula 01 – ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

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Eletrônica de potênciaEletrônica de potência

Prof. Leandro Michels

EPO I – Aula 01 – Informações gerais

Eletrônica de potência é a tecnologia Eletrônica de potência é a tecnologia associada ao eficiente processamento e associada ao eficiente processamento e controle da energia por meios estáticos a partir controle da energia por meios estáticos a partir da sua forma disponível de entrada e forma da sua forma disponível de entrada e forma desejada em sua saídadesejada em sua saída

Sua faixa de potência vai de mW (telefone Sua faixa de potência vai de mW (telefone celular) a centenas de MW (sistemas de celular) a centenas de MW (sistemas de energia)energia)

Área multidisciplinar Área multidisciplinar

3




Áreas de conhecimento associadas: Áreas de conhecimento associadas: Conversão de energiaConversão de energiaCircuitos elétricosCircuitos elétricosEletrônicaEletrônicaControleControleInstrumentaçãoInstrumentaçãoSistemas de energiaSistemas de energiaMáquinas elétricasMáquinas elétricasCompatibilidade eletromagnéticaCompatibilidade eletromagnética

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Métodos de processamento da energia:Métodos de processamento da energia:Linear Linear →→ conversão atravconversão atravéés de transistores s de transistores

operando como resistores varioperando como resistores variááveis veis →→ elevadas elevadas perdas perdas →→ eletrônica analeletrônica analóógica convencional gica convencional (ex.: amplificador de som de r(ex.: amplificador de som de ráádio)dio)

Comutada Comutada →→ conversão atravconversão atravéés de dispositivos s de dispositivos eletrônicos operando como interruptores eletrônicos operando como interruptores →→operação em etapas operação em etapas (ex.: sistema de partida suave de motores (ex.: sistema de partida suave de motores → → softstarterssoftstarters))

5

Conversores estáticosConversores estáticos



E1

E2

v1,f1

v2,f2

Retificador

Inversor

Conversorindireto CC

Conversorindireto CA

Conversordireto CC

Conversordireto CA

Classificação quanto à forma de conversãoClassificação quanto à forma de conversão::

CCCC--CC (CC (pulsadorpulsador))

CACA--CC (retificador)CC (retificador)

CCCC--CA (inversor)CA (inversor)

CACA--CA (CA (gradadorgradador//cicloconversorcicloconversor))

6Prof. Leandro Michels


Classificação quanto ao fluxo de energia:Classificação quanto ao fluxo de energia:1.1. Unidirecional em tensão e corrente (1 Unidirecional em tensão e corrente (1 quadquad))2.2. Bidirecional em tensão e unidirecional em corrente Bidirecional em tensão e unidirecional em corrente

(2 (2 quadquad))3.3. Bidirecional em corrente e unidirecional em tensão Bidirecional em corrente e unidirecional em tensão

(2 (2 quadquad))4.4. Bidirecional em tensão e corrente (4 Bidirecional em tensão e corrente (4 quadquad))

ik

vk

1o quad.2o quad.

4o quad.3o quad.




Classificação quanto ao modo de operaçãoClassificação quanto ao modo de operação::Conversores comutados pela linha (EPO1)Conversores comutados pela linha (EPO1)

Necessitam de uma tensão CA externa para Necessitam de uma tensão CA externa para operarem adequadamenteoperarem adequadamente

Empregam interruptores nãoEmpregam interruptores não--controlados controlados (diodos) e semi(diodos) e semi--controlados (tiristores)controlados (tiristores)

Conversores completamente controlConversores completamente controlááveis (EPO2)veis (EPO2)Não necessitam de tensão CA externaNão necessitam de tensão CA externaEmpregam interruptores nãoEmpregam interruptores não--controlados controlados

(diodos) e completamente controlados (diodos) e completamente controlados (transistores)(transistores)


8

Aplicações: conversores estáticosAplicações: conversores estáticos



9

Conversores comutados pela linhaConversores comutados pela linha



Dispositivos de processamento de energiaDispositivos de processamento de energia

TiristorTiristor

DiodoDiodo Indutor (reator)Indutor (reator)

TransformadorTransformador Capacitor Capacitor eletrolítico (CC)eletrolítico (CC)

Capacitor Capacitor metalizado (CA)metalizado (CA)

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Dispositivos de proteção e dissipaçãoDispositivos de proteção e dissipação

Dissipador de calorDissipador de calor


VaristorVaristor Fusível para Fusível para semicondutorsemicondutor

ResistorResistor

SnubberSnubber

VentiladorVentilador

Resistor NTCResistor NTC

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Dispositivos de instrumentaçãoDispositivos de instrumentação


Sensor de Sensor de corrente hallcorrente hall

Sensor de corrente Sensor de corrente shuntshunt

Sensor de Sensor de tensão halltensão hall

Sensor de Sensor de tensão tensão trafotrafo

Sensor de Sensor de temperaturatemperatura

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Dispositivos de comando e controleDispositivos de comando e controle


DriverDriver isoladoisolado

Placa de aquisição e Placa de aquisição e controlecontrole

Fonte CCFonte CC

Transformador Transformador de pulsode pulso

13

Aplicações dos conversores estáticosAplicações dos conversores estáticos


1.1. Conversores comutados pela linhaConversores comutados pela linha

Aplicações Aplicações →→ altas potênciasaltas potências

São muito empregados em aplicações São muito empregados em aplicações industriaisindustriais

São muito confiáveisSão muito confiáveis

Empregam freqüências de comutação Empregam freqüências de comutação baixas e elementos reativos grandesbaixas e elementos reativos grandes


14

Retificadores nãoRetificadores não--controlados controlados –– carga RLcarga RL



E1 v1,f1Retificador

Principais tipos:Principais tipos:Monofásico de meia ondaMonofásico de meia onda

Monofásico de onda completa Monofásico de onda completa com ponto médiocom ponto médio

Retificador monofásico de Retificador monofásico de onda completa em ponteonda completa em ponte

Retificador trifásico com Retificador trifásico com ponto médioponto médio

Retificador trifásico de onda Retificador trifásico de onda completacompleta

Empregam apenas diodosEmpregam apenas diodos

15

Retificadores nãoRetificadores não--controlados controlados –– carga RLcarga RL



AplicaçõesAplicações

Alternador Alternador Mineração Mineração -- bauxita bauxita

16

Retificadores nãoRetificadores não--controlados controlados –– carga RCcarga RC



E1 v1,f1RetificadorPrincipais tipos:Principais tipos:

Monofásico em onda completaMonofásico em onda completa

Monofásico como Monofásico como dobradordobradorde tensãode tensão

TrifásicoTrifásico

Empregam apenas diodosEmpregam apenas diodos

17

Retificadores nãoRetificadores não--controlados controlados –– carga RCcarga RC




Estágio de entrada de fontes Estágio de entrada de fontes para computador para computador

Fontes p/ equipamentos Fontes p/ equipamentos eletrônicoseletrônicos



Conversores diretos CC linearesConversores diretos CC lineares

E1 v1,f1Retificador

Principais tipos:Principais tipos:Regulador de tensão a diodo Regulador de tensão a diodo

zenerzener

Regulador de tensão a transistorRegulador de tensão a transistor

Regulador de tensão a CIRegulador de tensão a CI

Circuito sem comutaçãoCircuito sem comutação

19

Conversores diretos CC linearesConversores diretos CC lineares




Estágio de saída de fontes p/ Estágio de saída de fontes p/ equipamentos eletrônicosequipamentos eletrônicos

Estágio de saída de fontes p/ Estágio de saída de fontes p/ equipamentos eletrônicosequipamentos eletrônicos

20

Retificadores controlados Retificadores controlados –– carga RLcarga RL



E1 v1,f1Retificador

Principais tipos:Principais tipos:Monofásico de meia ondaMonofásico de meia onda

Monofásico de onda completa Monofásico de onda completa

Retificador trifásico com Retificador trifásico com ponto médioponto médio

Retificador trifásico de onda Retificador trifásico de onda completacompleta

Empregam diodos e tiristoresEmpregam diodos e tiristores

21





Solda e corteSolda e corte

Fornos a arco CCFornos a arco CC

22





Galvanização eletrolíticaGalvanização eletrolítica EletrolisaçãoEletrolisação

23





HVDC (Transmissão de energia HVDC (Transmissão de energia em corrente contínua)em corrente contínua)

24

Retificadores controlados Retificadores controlados –– carga RLEcarga RLE




ExcitatrizExcitatriz estática (geração do estática (geração do campo) para motor CC e gerador campo) para motor CC e gerador

síncronosíncronoMotor CC Motor CC →→ giro unidirecionalgiro unidirecional

25

Conversores duaisConversores duais



Principais tipos:Principais tipos:Monofásico com ponto médioMonofásico com ponto médio

Monofásico em ponteMonofásico em ponte

Trifásico com 3 pulsosTrifásico com 3 pulsos

Trifásico com 6 pulsosTrifásico com 6 pulsos

Empregam apenas tiristoresEmpregam apenas tiristores

E1 v1,f1Retificador

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Conversores duaisConversores duais




Motor CC Motor CC →→ giro bidirecionalgiro bidirecionalIndústria de laminação, papel, cimento, mineraçãoIndústria de laminação, papel, cimento, mineração

27

GradadoresGradadores



Principais tipos:Principais tipos:Gradadores monofásicosGradadores monofásicos

Gradadores trifásicosGradadores trifásicos

Controle por ciclos inteirosControle por ciclos inteiros


v1,f1

v2,f2

Conversordireto CA

28

Gradadores Gradadores –– carga Rcarga R




Controle de temperaturaControle de temperaturaDucha eletrônicaDucha eletrônica Fornos industriaisFornos industriais

29

Gradadores Gradadores –– cargas genéricascargas genéricas




Estabilizadores eletrônicos de Estabilizadores eletrônicos de tensãotensão

Chaves de transferência Chaves de transferência estáticaestática

30

Gradadores Gradadores –– carga Lcarga L




Compensadores estáticos de potência reativaCompensadores estáticos de potência reativa(FACTS (FACTS –– transmissão de energia)transmissão de energia)

31

Gradadores Gradadores –– carga RLEcarga RLE




Sistema de partida suave para motoresSistema de partida suave para motores((softsoft--startersstarters))

32

CicloconversoresCicloconversores



v1,f1

v2,f2

Conversordireto CA

Principais tipos:Principais tipos:Trifásicos 3 pulsos com pontoTrifásicos 3 pulsos com ponto

médiomédio

Trifásico 6 pulsos, em ponte,Trifásico 6 pulsos, em ponte,para cargas isoladaspara cargas isoladas

Trifásicos 6 pulsos, em ponte,Trifásicos 6 pulsos, em ponte,para cargas não isoladaspara cargas não isoladas


33

CicloconversoresCicloconversores




Controle de motores CA de propulsão de alta potênciaControle de motores CA de propulsão de alta potência(trens, navios, guindastes)(trens, navios, guindastes)

34

InversoresInversores



E2v2,f2

Inversor

Principais tipos:Principais tipos:Monofásicos Monofásicos

Trifásicos 3 braçosTrifásicos 3 braços

Trifásicos 4 braçosTrifásicos 4 braços

Empregam tiristores e diodosEmpregam tiristores e diodos

35

InversoresInversores




Forno de induçãoForno de indução

36

Aplicações dos conversores estáticosAplicações dos conversores estáticos



2. Conversores completamente controláveis2. Conversores completamente controláveis

Aplicações Aplicações →→ potências pequenas a médiaspotências pequenas a médias

São muito empregados em sistemas São muito empregados em sistemas comerciais e comerciais e resitênciasresitências

Possuem elevada densidade de potênciaPossuem elevada densidade de potência

Empregam freqüências de comutação Empregam freqüências de comutação elevadas e elementos reativos pequenoselevadas e elementos reativos pequenos

37

Conversores comutados em alta freqüênciaConversores comutados em alta freqüência



E1

E2

v1,f1

v2,f2

Retificador

Inversor



Conversordireto CC

Conversordireto CA

Classificação dos conversores estáticos:Classificação dos conversores estáticos:CCCC--CC (CC (pulsadorpulsador))

CACA--CC (retificador)CC (retificador)

CCCC--CA (inversor)CA (inversor)

CACA--CA (CA (gradadorgradador//cicloconversorcicloconversor))

38

Conversor CCConversor CC--CC CC –– alta freqüênciaalta freqüência




Fontes de computadores Fontes de computadores (VRM) (VRM)

Fontes CCFontes CC--CC para CC para equipamentos eletrônicosequipamentos eletrônicos




Retificadores para aplicações Retificadores para aplicações em telecomunicaçõesem telecomunicações

Carregadores compactos para Carregadores compactos para equipamentos eletrônicosequipamentos eletrônicos

Retificadores Retificadores –– altaalta--freqüênciafreqüência

40

Inversores Inversores –– altaalta--freqüênciafreqüência




Amplificadores de som Amplificadores de som Estágio de saída de inversores Estágio de saída de inversores de freqüência de freqüência

41

Conversores CAConversores CA--CA CA –– altaalta--freqüênciafreqüência




Acionamento de motores Acionamento de motores

42

Conversores indiretos (em cascata)Conversores indiretos (em cascata)



E1

E2

v1,f1

v2,f2

Retificador

Inversor



Conversordireto CC

Conversordireto CA

Podem utilizar Podem utilizar conversor de baixa conversor de baixa freqüência (BF) em freqüência (BF) em

conjunto com conjunto com outro de alta outro de alta

freqüência (AF)freqüência (AF)

43

Conversor indiretos (em cascata)Conversor indiretos (em cascata)




Fonte para Fonte para telecomtelecomRetificador (AF)Retificador (AF)

CCCC--CC (AF) CC (AF)

NoNo--breaksbreaksRetificador (BF/AF)Retificador (BF/AF)

Inversor (AF) Inversor (AF)

Inversor de Inversor de freqfreq..Retificador (BF)Retificador (BF)

Inversor (AF) Inversor (AF)

44

Case realCase real



A A SchulzSchulz S/A adquiriu dois transformadores de S/A adquiriu dois transformadores de 6,625 MVA de potência e 13,8 kV com um 6,625 MVA de potência e 13,8 kV com um retificador de saída de 12 pulsos (cada) para retificador de saída de 12 pulsos (cada) para alimentar um forno de indução de 9MVA. Cada alimentar um forno de indução de 9MVA. Cada transformador possui 12 pulsos defasados de 30º transformador possui 12 pulsos defasados de 30º entre si e deslocados 7,5º em relação ao ângulo de entre si e deslocados 7,5º em relação ao ângulo de origem (um transformador positivo e outro origem (um transformador positivo e outro negativo), o retificador é alimentado pelos 2 negativo), o retificador é alimentado pelos 2 transformadores simultaneamente, resultando, transformadores simultaneamente, resultando, assim, um sistema com uma defasagem de 15° assim, um sistema com uma defasagem de 15° entre os pulsos.entre os pulsos.

45

Case realCase real



Perguntas:Perguntas:1. Porque decidiu1. Porque decidiu--se usar um retificador de 24 se usar um retificador de 24 pulsos?pulsos?2. Porque os transformadores (juntos) tem potência 2. Porque os transformadores (juntos) tem potência de 13,25MVA se a potência da carga é de 9MVA?de 13,25MVA se a potência da carga é de 9MVA?3. Como foram dimensionados os diodos/tiristores 3. Como foram dimensionados os diodos/tiristores para este sistema?para este sistema?

Talvez vocês nunca precisarão projetar um dos Talvez vocês nunca precisarão projetar um dos sistemas estudados em EPO1, mas é bem possível sistemas estudados em EPO1, mas é bem possível

que precisem conhecer estes sistemas em uma que precisem conhecer estes sistemas em uma decisão de compra ou para manutençãodecisão de compra ou para manutenção

1

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA IELETRÔNICA DE POTÊNCIA IAula 02 Aula 02 –– Teoria básica dos conversores Teoria básica dos conversores

estáticosestáticos




EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores

2

Teoria básica dos conversores estáticosTeoria básica dos conversores estáticos

Um sistema de conversão estática de energia Um sistema de conversão estática de energia é constituído dos seguintes elementos:é constituído dos seguintes elementos:


Embora a(s) fonte(s) e a(s) carga(s) não componham Embora a(s) fonte(s) e a(s) carga(s) não componham os conversores, elas são fundamentais para o os conversores, elas são fundamentais para o

funcionamento do sistema de conversão de energiafuncionamento do sistema de conversão de energia

FontesFontes Conversor estáticoConversor estático CargasCargas

energiaenergia energiaenergia


3


Os conversores estáticos são Os conversores estáticos são formados pelos seguintes formados pelos seguintes grupos de elementos:grupos de elementos:


NãoNão--lineares lineares →→ dispositivos dispositivos semicondutores (diodos, tiristores, semicondutores (diodos, tiristores, etc.)etc.)

Lineares reativos Lineares reativos →→ indutores, indutores, capacitores e transformadorescapacitores e transformadores

Lineares dissipativos Lineares dissipativos →→ resistores resistores (não existente em conversores (não existente em conversores ideais) ideais)


4



NãoNão--lineares lineares →→ operam como interruptores para fazer operam como interruptores para fazer a conversão de correntes ou tensões de CAa conversão de correntes ou tensões de CA→→CC e CC e CCCC→→CA CA

Lineares reativos Lineares reativos →→ operam como armazenadores operam como armazenadores intermediintermediáário da energia; efetuam alterario da energia; efetuam alteraçções na ões na magnitude de correntes e tensões, isolamagnitude de correntes e tensões, isolaçção galvânica ão galvânica (transformadores) e filtragem de tensões e/ou correntes (transformadores) e filtragem de tensões e/ou correntes (OBS: o mesmo elemento pode ter mais de uma fun(OBS: o mesmo elemento pode ter mais de uma funçção)ão)

Lineares dissipativos Lineares dissipativos →→ operam como consumidores operam como consumidores de energia;de energia; empregados para o amortecimento de empregados para o amortecimento de oscilaoscilaçções e proteões e proteçção de dispositivos ão de dispositivos

Função de cada grupo de elementos:Função de cada grupo de elementos:


5

Elementos nãoElementos não--lineares (semicondutores)lineares (semicondutores)


Interruptor aberto Interruptor aberto →→ a corrente que flui a corrente que flui pelo dispositivo pelo dispositivo éé nulanula

Interruptor fechado Interruptor fechado →→ a tensão nos a tensão nos terminais dos dispositivos terminais dos dispositivos éé nula nula

A comutaA comutaçção entre modos ão entre modos é instantâneaé instantânea

Modos de operação (comportamento ideal):Modos de operação (comportamento ideal):

Característica fundamental:Característica fundamental:Dispositivo de dois terminais Dispositivo de dois terminais

(excluindo os terminais de controle)(excluindo os terminais de controle)Operação como interruptorOperação como interruptor

vk

ik+

-

ik= 0

vk

ik

vk= 0


6



Característica estática (ideal):Característica estática (ideal):

Somente sobre os eixos da Somente sobre os eixos da curva curva vvkk x x iikk (perdas nulas)(perdas nulas)

CConduonduçção ão →→ Tensão nulaTensão nulaBloqueio → Corrente nulaBloqueio → Corrente nulaEquivalente a uma resistência Equivalente a uma resistência

com dois valores distintoscom dois valores distintos


ik

vk

bloqueia

cond

uz

bloqueia

cond

uz

Os interruptores empregados em eletrônica de Os interruptores empregados em eletrônica de potência, em geral, não operam nos 4 quadrantes. potência, em geral, não operam nos 4 quadrantes. Portanto, precisaPortanto, precisa--se conhecer sua característica.se conhecer sua característica.

( )0, ligado

, desligado⎧

= ⎨∞⎩kR t

7



Característica dinâmica (genérica):Característica dinâmica (genérica):Comutação espontânea:Comutação espontânea:

Deslocamentos sobre os eixos Deslocamentos sobre os eixos vvkk x x iikk no 2º ou 4º no 2º ou 4º quadquad. . Ocorre sem nenhum sinal externo de comando Ocorre sem nenhum sinal externo de comando Ex.: abertura e fechamento de diodos, abertura de Ex.: abertura e fechamento de diodos, abertura de

tiristortiristorComutação comandada:Comutação comandada:

Mudança do estado de condução (de fechado para Mudança do estado de condução (de fechado para aberto ou viceaberto ou vice--versa) versa) →→ deslocamentos sobre os eixosdeslocamentos sobre os eixosvvkk x x iikk no 1º ou 3º no 1º ou 3º quadquad..

Ocorre devido a sinal externo de comando Ocorre devido a sinal externo de comando Ex.: fechamento do tiristorEx.: fechamento do tiristor


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Característica dos dispositivos:Característica dos dispositivos:Diodos:Diodos:

Unidirecional em corrente e unidirecional em tensão Unidirecional em corrente e unidirecional em tensão ((éé um curtoum curto--circuito para tensões positivas)circuito para tensões positivas)

Entrada em conduEntrada em conduçção ão →→ espontânea (espontânea (vvkk>0>0))Saída de condução → espontânea (transição de Saída de condução → espontânea (transição de

iikk>0>0 →→ iikk=0=0))


ik

vk

cond

uzvk

ik +

-

1

2

bloqueia

esp.

9



Tiristores:Tiristores:Unidirecional em corrente e bidirecional em tensãoUnidirecional em corrente e bidirecional em tensãoEntrada em conduEntrada em conduçção ão →→ comandada (comandada (vvkk>0>0 e e iigg>0>0))Saída de condução → espontânea (transição de Saída de condução → espontânea (transição de

iikk>0>0 →→ iikk=0=0))


ik

vk

vk

ik +

-

1

2

bloqueia bloqueia

cond

uz

com.esp.

esp.

10



Característica de associação de dispositivos:Característica de associação de dispositivos:Tiristor com diodo em antiparalelo:Tiristor com diodo em antiparalelo:

Unidirecional em tensão e bidirecional em correnteUnidirecional em tensão e bidirecional em correnteEntrada em conduEntrada em conduçção ão →→ comandada (comandada (vvkk>0>0 e e iigg>0>0))

e espontânea (e espontânea (vvkk<0<0))Saída de condução → espontânea (transição de Saída de condução → espontânea (transição de

iikk<0<0 →→ iikk=0=0))


ik

vk

Tiristorik

+

-

1

2

Diodo

vk

ig

esp. cond

uzbloqueia

cond

uz esp.

com.

11



Tiristores em antiTiristores em anti--paralelo:paralelo:Bidirecional em tensão e correnteBidirecional em tensão e correnteEntrada em condução → comandada Entrada em condução → comandada ((vvkk>0>0 e e iig1g1>0>0) ou ) ou

((vvkk<0<0 e e iig2g2>0>0))SaSaíída de conduda de conduçção ão → espontânea→ espontânea ((iikk>0>0→→iikk=0=0) ou ) ou

((iikk<0<0→→iikk=0=0) )


ik

vk

Tiristor 1ik

+

-

1

2

vk

ig1

ig2

Tiristor 2

bloqueia

cond

uzbloqueia

cond

uz

com.

esp.

esp.

com.

Tiristor 1

Tiristor 2


Característica fundamental:Característica fundamental:

Dispositivo de dois ou mais terminais Dispositivo de dois ou mais terminais Armazenadores de energia Armazenadores de energia →→ campo elcampo eléétrico trico

(capacitor) ou campo magn(capacitor) ou campo magnéético (indutor)tico (indutor)Não dissipam energia Não dissipam energia →→ a quantidade de energia a quantidade de energia

que que éé absorvida deve ser posteriormente devolvidaabsorvida deve ser posteriormente devolvida

Elementos lineares reativosElementos lineares reativos


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Capacitores:Capacitores:Possuem o comportamento de uma fonte de tensãoPossuem o comportamento de uma fonte de tensãoA tensão em seus terminais não pode ser mudada A tensão em seus terminais não pode ser mudada

imediatamente imediatamente →→ resulta em corrente infinitaresulta em corrente infinitaPodem ser operar em circuito aberto Podem ser operar em circuito aberto Não podem operar em curtoNão podem operar em curto--circuito circuito →→ exceexceçção ão

quando quando vvcc((tt)=0)=0Apresentam, na prApresentam, na práática, resistências (RSE) e tica, resistências (RSE) e

indutâncias parasitasindutâncias parasitas

( ) ( )cc

dv ti t C

dt=

ic1

2

vc


( ) ( ) ( ) 00

1 0 ,t

c c cv t i t dt v t tC

= + ∀ >∫

14( ) ( ) ( ) 0

0

1 0 ,t

L L Li t v t dt i t tC

= + ∀ >∫( ) ( )LL

di tv t L

dt=



Indutores:Indutores:Possuem o comportamento de uma fonte de correntePossuem o comportamento de uma fonte de correnteA corrente em seus terminais não pode ser mudada A corrente em seus terminais não pode ser mudada

imediatamente imediatamente →→ resulta em tensão infinitaresulta em tensão infinitaPodem ser operar em curtoPodem ser operar em curto--circuito circuito Não podem operar em curto aberto Não podem operar em curto aberto →→ exceexceçção ão

quando quando iiLL((tt)=0)=0Apresentam, na prApresentam, na práática, resistências (RSE) e tica, resistências (RSE) e

capacitâncias parasitascapacitâncias parasitasPodem possuir derivaPodem possuir derivaçções (mais terminais)ões (mais terminais)

iL1

2

vL


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Elementos lineares de conversãoElementos lineares de conversão


Transformadores (ideais):Transformadores (ideais):Idealmente se comportam como um dispositivo sem Idealmente se comportam como um dispositivo sem

dinâmica dinâmica →→ comportamento de fontes de corrente e comportamento de fontes de corrente e tensão acopladastensão acopladas

Não processa energia CC Não processa energia CC →→ impedância nulaimpedância nula

( )

( )

22 1

1

21 2

1

( )

( )

Nv t v tN

Ni t i tN

⎧ =⎪⎪⎨⎪ =⎪⎩

i1N1:N2 i2

v2v1

+-v1 v2

i1 i2

i2N2N1

v1N2N1

Obs.:Obs.: Este modelo não funciona para sinais CCEste modelo não funciona para sinais CC


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Transformadores (reais):Transformadores (reais):Possuem dinâmica (indutâncias mPossuem dinâmica (indutâncias múútua e dispersão) tua e dispersão)

→→ comportamento de fonte de correntecomportamento de fonte de correnteA corrente em seus terminais não pode ser mudada A corrente em seus terminais não pode ser mudada

imediatamente imediatamente →→ resulta em tensão infinitaresulta em tensão infinitaPodem ser operar em curtoPodem ser operar em curto--circuito circuito Não podem operar em curto aberto Não podem operar em curto aberto →→ exceexceçção ão

quando quando iiLL((tt)=0 )=0 →→ resulta em resulta em sobretensõessobretensões nos outros nos outros enrolamentosenrolamentos

Apresentam, na prApresentam, na práática, resistências (RSE) e tica, resistências (RSE) e capacitâncias parasitascapacitâncias parasitas


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Transformadores x AutoTransformadores x Auto--transformadores:transformadores:Transformadores Transformadores →→ possuem isolapossuem isolaçção galvânica ão galvânica →→

cada enrolamento pode estar em qualquer potencial cada enrolamento pode estar em qualquer potencial (desde que respeitada a tensão de isola(desde que respeitada a tensão de isolaçção entre os ão entre os enrolamentos)enrolamentos)

AutoAuto--transformadores transformadores →→ não possuem isolanão possuem isolaçção ão galvânicagalvânica


TransformadorTransformadorAutoAuto--transformadortransformador

18



Transformadores (reais):Transformadores (reais):Modelo equivalente (desprezandoModelo equivalente (desprezando--se as resistências)se as resistências)


( )( )

( )( )

1 111 12

21 222 2

v t i tL L dL L dtv t i t

⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤=⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦

212 21

1

111 1 12

2

222 2 12

1

M

l

l

nL L Ln

nL L LnnL L Ln

= =

= +

= +

19

Elementos lineares dissipativosElementos lineares dissipativos


Característica fundamental:Característica fundamental:Dissipam a energiaDissipam a energiaGeram calorGeram calorDiminuem a eficiência da conversão Diminuem a eficiência da conversão

Resistores:Resistores:Não possuem dinâmicaNão possuem dinâmica

1

2

vR

iR ( ) ( )R Rv t R i t=


20

FontesFontes


Fonte de tensão Fonte de tensão →→ a tensão a tensão éé imposta imposta pela fonte e a corrente depende da pela fonte e a corrente depende da carga carga

Fonte de corrente Fonte de corrente →→ a corrente a corrente ééimposta pela fonte e a tensão depende imposta pela fonte e a tensão depende da cargada carga

Modos de operação (comportamento ideal):Modos de operação (comportamento ideal):

Característica fundamental:Característica fundamental:Dispositivo de dois ou mais terminais Dispositivo de dois ou mais terminais Fundamentalmente são fornecedores de Fundamentalmente são fornecedores de

energia (podem absorver em parte do tempo)energia (podem absorver em parte do tempo)Podem ser unidirecionais ou bidirecionaisPodem ser unidirecionais ou bidirecionais

vf

if+

-

1

2


21

CargasCargas


ResistivoResistivoResistivoResistivo--indutivoindutivoResistivoResistivo--indutivoindutivo--fontefonteFonteFonte

Principais comportamentos das cargas:Principais comportamentos das cargas:

Característica fundamental:Característica fundamental:Dispositivo de dois ou mais terminaisDispositivo de dois ou mais terminaisFundamentalmente são absorvedores de Fundamentalmente são absorvedores de

energia (mas também podem devolver energia (mas também podem devolver energia)energia)

Podem ser unidirecionais ou bidirecionaisPodem ser unidirecionais ou bidirecionais

vL

iL+

-


22

Fundamentos da conversão estáticaFundamentos da conversão estática


Princípios fundamentais:Princípios fundamentais:1) Interconexão entre a(s) fonte(s) e a(s) carga(s) 1) Interconexão entre a(s) fonte(s) e a(s) carga(s) intermediada por interruptor(es)intermediada por interruptor(es)


FontesFontes Conversor estáticoConversor estático CargasCargasenergiaenergia energiaenergia

FonteFonte Conversor estáticoConversor estático CargaCarga

~

S1

RS2

E

Ex.: retificadorEx.: retificador

23

Princípios fundamentais dos conversores Princípios fundamentais dos conversores


2) A comutação do(s) interruptor(es) ocorre de forma 2) A comutação do(s) interruptor(es) ocorre de forma cíclica cíclica →→ controle do fluxo de potência e controle do fluxo de potência e direcionalidadedirecionalidade da tensão e/ou correnteda tensão e/ou corrente


Ex.: retificador Ex.: retificador →→ corrente de sacorrente de saíída unidirecionalda unidirecionalQuando Quando vvFF(t)>0(t)>0 Quando Quando vvFF(t)<0(t)<0

Com Com vvFF(t) é cíclica ((t) é cíclica (senóidesenóide), os interruptores devem ), os interruptores devem comutar de cíclica para tornar comutar de cíclica para tornar vvLL(t)>0(t)>0

FonteFonte Conversor estáticoConversor estático CargaCarga FonteFonte Conversor estáticoConversor estático CargaCarga

~

S1

RS2

E vL

iL

vF

iF

iL

t

vF

t

~

S1

RS2

E

t

vF

iF

vL

iL

vF

t

iL

t

24



3) Utilização de elementos reativos 3) Utilização de elementos reativos →→ filtragemfiltragem


Ex.: retificador Ex.: retificador →→ corrente de sacorrente de saíída unidirecionalda unidirecional

A inclusão do indutor diminui a ondulação na A inclusão do indutor diminui a ondulação na corrente de saídacorrente de saída


~

S1

RS2

vF vL

iLL

iL

tiF

vF

t

c/ filtros/ filtro

25



3) Utilização de elementos de conversão 3) Utilização de elementos de conversão →→ alteraalteraçção ão da amplitude da tensão e/ou correnteda amplitude da tensão e/ou corrente


Ex.: retificador Ex.: retificador →→ tensão de satensão de saíída unidirecionalda unidirecional

O autotransformador altera o valor da tensão CAO autotransformador altera o valor da tensão CA


~

S1

RS2

vF vL

iF1:2

iL

vF

tt

vL

26



3) Utilização de elementos de conversão 3) Utilização de elementos de conversão →→ isolaisolaçção ão galvânicagalvânica


Ex.: retificador Ex.: retificador →→ tensão de satensão de saíída unidirecionalda unidirecional

O transformador é empregado para se obter a O transformador é empregado para se obter a isolação galvânicaisolação galvânica


~

S1

RS2

E vF vL

iLiF1:1

vF

t

vL

t

27



4) Associação de fontes4) Associação de fontes

Fonte de tensão em série com indutor Fonte de tensão em série com indutor →→comportamento de fonte de correntecomportamento de fonte de corrente

Fonte de corrente em paralelo com capacitor Fonte de corrente em paralelo com capacitor →→comportamento de fonte de tensãocomportamento de fonte de tensão

=

=


28



5) Conexão de fontes por interruptores5) Conexão de fontes por interruptoresFonte de tensão não podem ser Fonte de tensão não podem ser curtocurto--circuitadascircuitadas

(exceção (exceção vvcc=0=0 ou E=0)ou E=0)

Fonte de corrente não podem ser abertas Fonte de corrente não podem ser abertas (exceção (exceção iiLL=0=0 ou ou iiFF=0=0))


vc S E S

iL S iF S

29

vc1vc2

S



5) Conexão de fontes por interruptores5) Conexão de fontes por interruptoresFonte de tensão só podem ser conectadas em Fonte de tensão só podem ser conectadas em

paralelo quando paralelo quando vvc1c1=v=vc2c2 ou ou vvc1c1=E=E

Fonte de corrente só podem ser conectadas em Fonte de corrente só podem ser conectadas em série quando série quando iiL1L1=i=iL2L2 ou ou iiFF=i=iL2L2


vvc1c1≠≠vvc2c2 vvc1c1≠≠EEE vc1

S

SiL1 iL2

SiL2iF

iiL1L1≠≠iiL2L2 iiFF≠≠iiL2L2

30


6) Princípio básico da concepção de conversores6) Princípio básico da concepção de conversores

Interconexão em cascata de fontes de natureza Interconexão em cascata de fontes de natureza diferentediferente

Utilização de interruptores para conversão das Utilização de interruptores para conversão das formas de ondaformas de onda


Fonte de Fonte de tensãotensão

Fonte de Fonte de correntecorrente

Fonte de Fonte de tensãotensão

Fonte de Fonte de correntecorrente

......

1

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA IELETRÔNICA DE POTÊNCIA IAula 03 Aula 03 –– Índice de avaliação de Índice de avaliação de

desempenho de conversoresdesempenho de conversores




EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho

2

Medidas e índices de desempenhoMedidas e índices de desempenho



Por que usar?Por que usar?

•• Os conversor não são ideais, possuem Os conversor não são ideais, possuem perdas, geram distorçõesperdas, geram distorções

•• Avaliar comparativamente o desempenho Avaliar comparativamente o desempenho dos conversoresdos conversores

•• Dimensionar os dispositivos do circuitoDimensionar os dispositivos do circuito

3

Exemplo: Conversor idealExemplo: Conversor idealRetificador monofásico:Retificador monofásico:



ZvF vL

iFt

iL

vL

t

vF

E iF


Corrente drenada Corrente drenada senoidalsenoidal

Fator de potência Fator de potência unitáriounitário

Perdas nulasPerdas nulasValor ilimitado Valor ilimitado

para tensões e para tensões e correntescorrentes

Ondulação nula na Ondulação nula na variável de saída variável de saída

(tensão ou corrente)(tensão ou corrente)

4

ZvF vL

iFt

iL

vL

t

vF

E iF




Corrente de entrada Corrente de entrada distorcida (forma de distorcida (forma de onda não senoidal) onda não senoidal)

Fator de potência Fator de potência nãonão--unitáriounitário

PerdasPerdasLimitação de Limitação de tensões e tensões e

correntes nos correntes nos compoentescompoentes

Ondulação nãoOndulação não--nula na variável de nula na variável de saída (tensão ou saída (tensão ou

corrente) corrente)

Retificador monofásico:Retificador monofásico:

Exemplo: Conversor realExemplo: Conversor real

5

Índices de desempenhoÍndices de desempenhoComo avaliar ou especificar o desempenho de um Como avaliar ou especificar o desempenho de um conversor estático real?conversor estático real?



Através da utilização de índices é possível se Através da utilização de índices é possível se qualificar quantitativamente o desempenho do qualificar quantitativamente o desempenho do conversor com relação à corrente drenada, a conversor com relação à corrente drenada, a

variável de saída e perdas.variável de saída e perdas.

Principais grupos de índices de desempenho:Principais grupos de índices de desempenho:MedidasMedidasÍndices CAÍndices CAÍndices CCÍndices CCConversãoConversão

6

Medidas elétricasMedidas elétricas

1) Valor médio (nível cc)1) Valor médio (nível cc)



( )0

0

1 t T

medt

f f t dtT

+

= ∫

Dada uma função periódica Dada uma função periódica ff((tt)=)=ff((tt++TT), onde ), onde TT é o é o período em que a função se repete, (constante), temperíodo em que a função se repete, (constante), tem--se que seu valor médio é dado por:se que seu valor médio é dado por:

Para formas de onda senoidais Para formas de onda senoidais →→ 0medf =

Variáveis com componente CC Variáveis com componente CC →→ 0medf ≠

7

2) Valor eficaz (rms)2) Valor eficaz (rms)



( )0

0

21 t T

eft

f f t dtT

+

= ⎡ ⎤⎣ ⎦∫

Dada uma função periódica Dada uma função periódica ff((tt)=)=ff((tt++TT), onde ), onde TT é o é o período em que a função se repete, (constante), temperíodo em que a função se repete, (constante), tem--se que seu valor eficaz é dado por:se que seu valor eficaz é dado por:

Para formas de onda nãoPara formas de onda não--nulas nulas →→ 0eff ≠


8

3) Potência3) Potência




A) Tensão e corrente senoidaisA) Tensão e corrente senoidais•• Potência aparentePotência aparente

•• Potência ativaPotência ativa

•• Potência reativaPotência reativa

= ef efS V I

( )cos= φef efP V I( )sen= φef efQ V I

B) Tensão B) Tensão e/oue/ou corrente nãocorrente não--senoidal (periódicas)senoidal (periódicas)

•• Potência aparentePotência aparente

•• Potência ativaPotência ativa

•• Potência reativaPotência reativa

= ef efS V I

( ) ( ) ( ) ( )0

0

2

0

1 12

+ π

= = ω ω ωπ∫ ∫

t T

t

P v t i t dt v t i t d tT

2 2= −Q S P

9

Índices de desempenho Índices de desempenho –– CACA

1) Distorção harmônica total (THD)1) Distorção harmônica total (THD)



É a razão entre o valor É a razão entre o valor rmsrms do conteúdo harmônico do conteúdo harmônico pelo pelo rmsrms da quantidade fundamental, expressada em da quantidade fundamental, expressada em percentual, ou seja, se refere ao fator de distorção percentual, ou seja, se refere ao fator de distorção percentual de uma tensão ou corrente com relação a percentual de uma tensão ou corrente com relação a uma uma senóidesenóide. Seja uma função periódica f(t)=f(t+T), . Seja uma função periódica f(t)=f(t+T), esta pode ser escrita por uma série de Fourier: esta pode ser escrita por uma série de Fourier:

01

( ) cos sen∞

=

⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦∑ k kk

k x k xv x a a bL Lπ π

01

( ) sin∞

=

⎡ π ⎤⎛ ⎞= + + φ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦∑ k kk

k xv x a cL

ou:ou:

10




2

0

2

2

1 ( )2

1 ( )cos , 1,2,...

1 ( )sin , 1,2,...

c L

c

c L

kc

c L

kc

a f x dxL

k xa f x dx kL L

k xb f x dx kL L

π

π

+

+

+

=

⎛ ⎞= =⎜ ⎟⎝ ⎠

⎛ ⎞= =⎜ ⎟⎝ ⎠

∫

∫

∫

onde:onde:

2 2k k kc a b= +

arctan kk

k

ab

⎛ ⎞φ = ⎜ ⎟

⎝ ⎠

A THD é dada por:A THD é dada por:2 2

122

21 1

1 ∞

=

−= =∑ ef

v kk

V CTHD c

c C

Empregado para se verificar o percentual de distorção Empregado para se verificar o percentual de distorção devido a presença de harmônicasdevido a presença de harmônicas

2k

kcC =

1,2,...=k


ObtenObtençção de harmônicas ão de harmônicas →→ tabelastabelas

( )2

2cos sen

1p

n

qV naq qn

⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞π π= ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟π − ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠

( ) ( )0,2 ,

cosL nn q q

v t a a n t∞

=

= + ω∑…

0 senpqa V

q⎛ ⎞π

= ⎜ ⎟π ⎝ ⎠

q = no. de pulsos presentes na tensão de saída em um cicloq = no. de pulsos presentes na tensão de saída em um ciclo

2π2− π

pV

π−π




( )4 sen sen2nnb n

nπ⎛ ⎞= α⎜ ⎟π ⎝ ⎠

( ) ( )11

sennn

i t b n t∞

=

= ω∑1

-1 2π

2−π

π

−π

2α

2α



ObtenObtençção de harmônicas ão de harmônicas →→ tabelastabelasValores normalizadosValores normalizadosFormulaFormulaçção genão genééricaricaMais tabelas vide material extraMais tabelas vide material extra

13

Índices de desempenho Índices de desempenho –– CACA2) Fator de potência2) Fator de potência



O fator de potência entre duas função periódicas de O fator de potência entre duas função periódicas de mesmo período mesmo período vv((tt)=)=vv((tt++TT) e ) e ii((tt)=)=ii((tt++TT) é definido como ) é definido como a razão entre a potência ativa, dada em W, e a potência a razão entre a potência ativa, dada em W, e a potência aparente, dada em VA, ou seja:aparente, dada em VA, ou seja:

P = potência real (média)P = potência real (média)S = potência aparenteS = potência aparentek = no. de fasesk = no. de fases

( ) ( )0

0

1 t T

t

ef ef

v t i t dtTPPF

S V I

+

= =∫

É um índice que relaciona a potência real É um índice que relaciona a potência real e a potência aparentee a potência aparente

2

11

PF DFTHD

=+

14


3) Fator de deslocamento3) Fator de deslocamento



θθ11 = ângulo de v(t) com relação à uma = ângulo de v(t) com relação à uma dada referênciadada referência

φφ11 = ângulo de i(t) com relação à mesma = ângulo de i(t) com relação à mesma referênciareferência

É igual ao fator de potência para cargas linearesÉ igual ao fator de potência para cargas lineares

O fator de deslocamento de duas funções periódicas O fator de deslocamento de duas funções periódicas de mesmo período de mesmo período vv((tt) e ) e ii((tt), é definido como o ângulo ), é definido como o ângulo de deslocamento de fase entre a componente de deslocamento de fase entre a componente fundamental da tensão fundamental da tensão vv((tt) e a componente ) e a componente fundamental de corrente fundamental de corrente ii((tt). O fator de deslocamento ). O fator de deslocamento é dado por:é dado por:

( )1 1cosDF = θ −φ

15


4) Fator de crista4) Fator de crista



ÉÉ definido como a razão de corrente (ou tensão) definido como a razão de corrente (ou tensão) mmááxima ou de pico pela corrente (ou tensão) eficaz:xima ou de pico pela corrente (ou tensão) eficaz:

= pico

ef

ICF

I

Para uma forma de onda senoidal Para uma forma de onda senoidal →→ 2CF =

O fator de crista é usado para determinar a O fator de crista é usado para determinar a amplitude do pico de correntes amplitude do pico de correntes nãonão--senoidaissenoidais com com

relação a uma relação a uma senóidesenóide

Para uma forma de onda CC Para uma forma de onda CC →→ 1=CF

16




Uma vez comparado com o fator de crista da forma de Uma vez comparado com o fator de crista da forma de onda senoidal, obtémonda senoidal, obtém--se o fator de correção da se o fator de correção da capacidade (capacidade (CCFCCF), que é representado por:), que é representado por:

( ) 2% 100%CCFCF

⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠

Potência corrigida Potência corrigida →→ cor nomkVA kVA CCF=

Ex.: Qual a potência mEx.: Qual a potência mááxima nominal que um xima nominal que um trafotrafo de de 10kVA pode disponibilizar para um retificador com 10kVA pode disponibilizar para um retificador com CF=1,53CF=1,53??

( )% 92,16%CCF = 9.216corkVA kVA=

5) Fator de correção de capacidade (CCF)5) Fator de correção de capacidade (CCF)

17


Aplicação a sistemas trifásicosAplicação a sistemas trifásicos



Sistemas equilibrados Sistemas equilibrados →→ conhecendoconhecendo--se uma das se uma das fases, sabefases, sabe--se os outros se os outros ííndices (THD, DF, CF)ndices (THD, DF, CF)Contudo, a fContudo, a fóórmula abaixo se aplica a sistemas rmula abaixo se aplica a sistemas triftrifáásicos: sicos:

( ) ( )0

0

1 t T

k kk t

k ef k efk

v t i t dtTPPF

S V I

+

= =∑ ∫

∑Ex.: Sistemas trifEx.: Sistemas trifáásicossicos

1 2 3

1 1 2 2 3 3

+ += =

+ + +ef ef ef ef ef ef

P P PPPFS V I V I V I

k = fasesk = fases

18

Índices de desempenho Índices de desempenho ––CCCC

1) Componente CA1) Componente CA



ÉÉ o valor da componente CA presente na vario valor da componente CA presente na variáável CC:vel CC:2 2

ca ef medV V V= −

2) Fator de forma2) Fator de formaIndica a distorIndica a distorçção da forma de onda com relaão da forma de onda com relaçção ao ão ao ideal (corrente contideal (corrente contíínua).nua).

ef

med

VFF

V=

3) Fator de ondulação3) Fator de ondulaçãoÉÉ a medida do a medida do ííndice de regulandice de regulaçção de uma dada funão de uma dada funçção ão contcontíínua:nua: 2

2 1 1ef

med

VRF FF

V⎛ ⎞

= − = −⎜ ⎟⎝ ⎠

19

Índices de desempenho Índices de desempenho –– ConversorConversor

1) Rendimento1) Rendimento



É uma figura de mérito que permite se avaliar a É uma figura de mérito que permite se avaliar a eficácia de um retificador. Depende dos componentes eficácia de um retificador. Depende dos componentes e da topologia empregada.e da topologia empregada.

( ) ( )

( ) ( )

0

0

0

0

1

1

t T

L Lto

t Ti

F Ft

v t i t dtTP

Pv t i t dt

T

+

+η = =∫

∫

Razão entre a potência ativa de saída e de entrada. Razão entre a potência ativa de saída e de entrada. Conversor sem perdas Conversor sem perdas →→ ηη=1=1

20

Índices de desempenho Índices de desempenho –– ConversorConversor

2) Estresse nos componentes semicondutores2) Estresse nos componentes semicondutores



Está associado ao valor máximo das tensões e Está associado ao valor máximo das tensões e correntes que são aplicados em cada um dos correntes que são aplicados em cada um dos semicondutores do conversor. Para diodos e tiristores:semicondutores do conversor. Para diodos e tiristores:

Quanto menor forem os valores supracitados, menor Quanto menor forem os valores supracitados, menor e mais barato será o semicondutor. e mais barato será o semicondutor.

Tensão reversa máxima Tensão reversa máxima Corrente de picoCorrente de picoCorrente eficazCorrente eficazDerivadas de corrente e tensãoDerivadas de corrente e tensãoPerdasPerdas

21

Índices de desempenho Índices de desempenho –– RetificaçãoRetificação

1) Razão de retificação1) Razão de retificação



Define a efetividade da retificação, através da razão Define a efetividade da retificação, através da razão entre a potência média e o produto entre a tensão e entre a potência média e o produto entre a tensão e correntes eficazes de saída.correntes eficazes de saída.

Lmed Lmed

Lef Lef

V IV I

σ =

É empregado para se determinar o quão eficiente É empregado para se determinar o quão eficiente se dá a retificação se dá a retificação

22

Índices de desempenho Índices de desempenho –– RetificaçãoRetificação

2) Fator de utilização do transformador2) Fator de utilização do transformador



É a razão entre a potência média de saídaÉ a razão entre a potência média de saída e a potência e a potência aparente no secundário do transformador.aparente no secundário do transformador.

Lmed Lmed

k ef k efk

V ITUFV I

=∑

Indica o quanto do transformador é utilizado com Indica o quanto do transformador é utilizado com relação ao índice de utilização ideal (TUF=1).relação ao índice de utilização ideal (TUF=1).

k k = no. de enrolamentos = no. de enrolamentos –– secundáriosecundárioVVkefkef, , IIkefkef = = tensão/correntetensão/corrente eficaz em cada eficaz em cada enrolamentoenrolamento

23

Exemplo: Índices CAExemplo: Índices CA



Retificador monofásico genérico:Retificador monofásico genérico:

( ) 2

21

1% 100%i kk

THD cc

∞

=

⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠

∑

( )1 1cosDF = θ −φ

Fpico

Fef

ICF

I=

THD da corrente de entradaTHD da corrente de entrada

DF da corrente de entradaDF da corrente de entrada

PF da corrente de entradaPF da corrente de entrada

2

11

PPF DFS THD

= =+

Fator de crista da corrente Fator de crista da corrente no no trafotrafo

ZvF vL

iL

E

i2

v2

iF




2

1ef

med

VRF

V⎛ ⎞

= −⎜ ⎟⎝ ⎠

2 2ca ef medV V V= −

Componente CA na saídaComponente CA na saída

Ondulação na saídaOndulação na saída

Variável de saída Variável de saída →→ tensãotensão

2

1ef

med

IRF

I⎛ ⎞

= −⎜ ⎟⎝ ⎠

2 2ca ef medI I I= −

Variável de saída Variável de saída →→ correntecorrente

Ondulação na saídaOndulação na saída

Componente CA na saídaComponente CA na saída

ZvF vL

iL

E

i2

v2

iF

Exemplo: Índices CCExemplo: Índices CC




max max, , , ,...D D Drev DefV I V I

η = o

i

PP

Estresse nos componentesEstresse nos componentes

ConversãoConversão RetificaçãoRetificaçãoRazão de retificaçãoRazão de retificaçãoRendimentoRendimento

ZvF vL

iL

E

i2

v2

iF

Exemplo: Índices de conversão e retificaçãoExemplo: Índices de conversão e retificação

Lmed Lmed

Lef Lef

V IV I

σ =

Fator de utilizaçãoFator de utilizaçãoLmed Lmed

k ef k efk

V ITUFV I

=∑



Retificador monofásico ideal:Retificador monofásico ideal:

ZvF vL

iL

E

i2

v2

iF

0caV =

0RF =

0%iTHD =

1DF =

2CF =

1PF =

1σ =

1TUF =

1η =

Variáveis de entradaVariáveis de entrada((corrente)corrente) RetificadorRetificador

Variáveis de saídaVariáveis de saída((tensão/tensão/correntecorrente))

Exemplo: Índices de conversãoExemplo: Índices de conversão

1

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA IELETRÔNICA DE POTÊNCIA IAula 04 Aula 04 –– Dispositivos e dimensionamentoDispositivos e dimensionamento




EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento

2

Diodo idealDiodo ideal

Característica estáticaCaracterística estática


Polarização reversa Polarização reversa →→ circuito abertocircuito aberto

Polarização direta Polarização direta →→ curtocurto--circuitocircuito

1

2

Circuito equivalenteCircuito equivalenteA C

A C

A C

1

2


ik

vk

cond

uz

bloqueia

esp.

1

2

3

Diodo realDiodo realCaracterística estáticaCaracterística estática


Polarização reversa Polarização reversa →→ bloqueiobloqueio

Polarização direta Polarização direta →→ curtocurto--circuitocircuito

1

2

Circuito equivalenteCircuito equivalenteA C

A C1

21

2

3 Região de avalanche Região de avalanche →→ curtocurto--circuitocircuito

A C

v(TO)rT

33 A C

vRRMrRRM


4

Diodo realDiodo realCaracterística dinâmicaCaracterística dinâmica



Não controlada Não controlada →→ chave passivachave passivaRecuperação direta Recuperação direta →→ entrada em conduentrada em conduççãoão

Recuperação reversa Recuperação reversa →→ sasaíída de conduda de conduççãoão

Geram problemas em Geram problemas em circuitos de comutação circuitos de comutação forçada forçada

Provocam substanciais Provocam substanciais perdas e perdas e sobrecorrentessobrecorrentes

5

Diodo realDiodo real

PerdasPerdas



sw cP P P= +PPswsw →→ perdas de comutaperdas de comutaçção (W)ão (W)PPcc →→ perdas de conduperdas de conduçção (W)ão (W)P P →→ perdas totais (W)perdas totais (W)

2( )c TO avg T rmsP v i r i= +

iiavgavg →→ corrente mcorrente méédiadiaiirmsrms →→ corrente eficazcorrente eficazrrTT →→ resistência do diodo resistência do diodo –– catálogocatálogovv(TO)(TO) →→ tensão de condutensão de conduçção ão -- catcatáálogologo

Perdas de conduçãoPerdas de condução

Em conversores comutados pela linha, as perdas de Em conversores comutados pela linha, as perdas de comutação podem ser desconsideradascomutação podem ser desconsideradas

6

Tiristor idealTiristor ideal

Característica estáticaCaracterística estática


Polarização reversa Polarização reversa →→ circuito abertocircuito aberto

Polarização direta Polarização direta →→ circuito aberto (sem disparo)circuito aberto (sem disparo)

1

2

Circuito equivalenteCircuito equivalente

A C

A C

1

2A C

3

3 Polarização direta Polarização direta →→ circuito fechado (disparo)circuito fechado (disparo)

A C

G


ik

vk

bloqueia bloqueia

cond

uz

com.esp.

esp.

1 2

3

7

Tiristor realTiristor realCaracterística estáticaCaracterística estática



Polarização reversa Polarização reversa →→ bloqueiobloqueioPolarização direta Polarização direta →→ bloqueiobloqueio

1

2

Circuito equivalenteCircuito equivalente

A C1

2A C

3

3 Polarização direta Polarização direta →→ curtocurto--circuito (disparo)circuito (disparo)

A C

G

A C

v(TO)rT

4 Polarização direta Polarização direta →→ curtocurto--circuitocircuito

4 A C

vRMrRRM

4

8

Tiristor realTiristor real



Característica estática (detalhes)Característica estática (detalhes)

9




Legenda:Legenda:

10

Tiristor realTiristor realCaracterística dinâmicaCaracterística dinâmica



SemiSemi--controlada controlada →→ abertura não abertura não controladacontrolada

11

Tiristor realTiristor realCaracterística dinâmicaCaracterística dinâmica



12


PerdasPerdas



sw cP P P= +PPswsw →→ perdas de comutaperdas de comutaçção (W)ão (W)PPcc →→ perdas de conduperdas de conduçção (W)ão (W)P P →→ perdas totais (W)perdas totais (W)

2( )c TO avg T rmsP v i r i= +

iiavgavg →→ corrente mcorrente méédiadiaiirmsrms →→ corrente eficazcorrente eficazrrTT →→ resistência do diodo resistência do diodo –– catálogocatálogovv(TO)(TO) →→ tensão de condutensão de conduçção ão -- catcatáálogologo

Perdas de conduçãoPerdas de condução

Em conversores comutados pela linha, as perdas de Em conversores comutados pela linha, as perdas de comutação podem ser desconsideradascomutação podem ser desconsideradas

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Dimensionamento dos dispositivosDimensionamento dos dispositivos



Tensão máxima reversa em diodos e tiristoresTensão máxima reversa em diodos e tiristoresValores recomendados (mesmo assim devem ser Valores recomendados (mesmo assim devem ser

empregados empregados snubberssnubbers))

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Dimensionamento dos dispositivosDimensionamento dos dispositivos



Corrente máxima reversa em diodos e tiristoresCorrente máxima reversa em diodos e tiristores

Corrente CC Corrente CC IICCmaxCCmax = 0.8*I= 0.8*IFAV

IFAV →Mean forward [on-state] current [ITAV]

Corrente CA Corrente CA

IICAmaxCAmax = 0.8*I= 0.8*IFRMS

IFRMD → RMS forward [on-state] current [ITRMS]

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Cálculo térmicoCálculo térmico



Perdas nos semicondutores:Perdas nos semicondutores:Condução Condução →→ associada associada àà potência processada pelo potência processada pelo

conversorconversorComutação Comutação →→ associada associada àà freqfreqüüência de comutaência de comutaçção ão

do conversor do conversor →→ significativa para conversores de alta significativa para conversores de alta freqfreqüüência (kHz)ência (kHz)

Propósito do cálculo térmico:Propósito do cálculo térmico:Calcular um sistema de dissipação que evite que a Calcular um sistema de dissipação que evite que a

temperatura de junção ultrapasse o máximo valor temperatura de junção ultrapasse o máximo valor permitido na pior condição de temperatura ambiente permitido na pior condição de temperatura ambiente na pior condição de operaçãona pior condição de operação

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Cálculo térmicoCálculo térmico



Regime permanente:Regime permanente:Potência média Potência média →→ evitar que a temperatura da evitar que a temperatura da

junção ultrapasse o valor máximo pela falta de junção ultrapasse o valor máximo pela falta de tamanho do dissipadortamanho do dissipador

Regime transitório:Regime transitório:Potência de pico Potência de pico →→ evitar que a temperatura da evitar que a temperatura da

junção ultrapasse o valor máximo pela dificuldade de junção ultrapasse o valor máximo pela dificuldade de transferir rapidamente o calor da junção para o transferir rapidamente o calor da junção para o dissipadordissipador

Verificar as duas condições:Verificar as duas condições:

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Cálculo térmico Cálculo térmico –– regime permanenteregime permanente



Circuito elétrico equivalente:Circuito elétrico equivalente:

Legenda:Legenda:P P →→ potênciapotênciaT T →→ temperaturatemperaturaR R →→ resistência tresistência téérmicarmicaÍndices:Índices:j j →→ junjunçção semicondutoraão semicondutorac c →→ encapsulamentoencapsulamento (case)(case)d ou s d ou s →→ dispositivo (dispositivo (devicedevice) ou dissipador () ou dissipador (sinksink))a a →→ ambienteambiente

RjaRja

Dispositivos sem dissipador disponibilizam o valor de Dispositivos sem dissipador disponibilizam o valor de RRjaja

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Projeto:Projeto:

1) Dados T1) Dados Tjj, T, Taa e P, calcular e P, calcular RRjaja

PP →→ calculado a partir da corrente que circula pelo calculado a partir da corrente que circula pelo dispositivo, empregando os dados de catdispositivo, empregando os dados de catáálogologo

TTjj →→ obtido a partir do valor mobtido a partir do valor mááximo obtido no ximo obtido no catcatáálogo do semicondutorlogo do semicondutor

TTaa →→ obtido considerandoobtido considerando--se a mse a mááxima xima temperatura ambiente de operatemperatura ambiente de operaçção do conversorão do conversor

j aja

T TR

P−

=

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2) Dados 2) Dados RRjaja, , RRjcjc e e RRcdcd, calcular , calcular RRdada

RRjaja →→ obtido da etapa anteriorobtido da etapa anterior

RRjcjc →→ obtido no catobtido no catáálogo do semicondutorlogo do semicondutor

RRcdcd →→ obtido no catálogo do semicondutorobtido no catálogo do semicondutor

da ja jc cdR R R R= − −

3) Dado 3) Dado RRdada, obter um dissipador cuja resistência , obter um dissipador cuja resistência térmica seja menor (em dissipadores de térmica seja menor (em dissipadores de comprimento ajustável, calcular o comprimento comprimento ajustável, calcular o comprimento mínimo)mínimo)

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Dimensionamento do dissipador:Dimensionamento do dissipador:Resistências térmicas negativas indicam que é Resistências térmicas negativas indicam que é

impossível dissipar a potência demandadaimpossível dissipar a potência demandada

Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor no dissipador, deveno dissipador, deve--se somar todas as potências se somar todas as potências dissipadas pelos mesmo e deixar uma margem de dissipadas pelos mesmo e deixar uma margem de folga (15%)folga (15%)

No caso de pontes encapsuladas em módulo, o No caso de pontes encapsuladas em módulo, o cálculo é dado pela seguinte equação (vide cálculo é dado pela seguinte equação (vide SemikronSemikron):):

n n →→ nnúúmero de dispositivosmero de dispositivos

ja jc cs saR R R n R= + +

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Dissipadores de alumínio (ex. HS Dissipadores)Dissipadores de alumínio (ex. HS Dissipadores)Escolha do perfil e valores da resistência Escolha do perfil e valores da resistência

(comprimento de 4 polegadas)(comprimento de 4 polegadas)

Compensação por uso de ventilação forçadaCompensação por uso de ventilação forçada

Ex.: 0.73Ex.: 0.73ooC/WC/W

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Dissipadores de alumínio:Dissipadores de alumínio:

Compensação da diferença de temperatura Compensação da diferença de temperatura

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Compensação da diferença de comprimentoCompensação da diferença de comprimento

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Compensação da altitude (ar rarefeito)Compensação da altitude (ar rarefeito)

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Dimensionamento do dissipador:Dimensionamento do dissipador:

Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor no dissipador, deveno dissipador, deve--se somar todas as potências se somar todas as potências dissipadas pelos mesmo e deixar uma margem de dissipadas pelos mesmo e deixar uma margem de folga (15%)folga (15%)

No caso de pontes encapsuladas em módulo, o No caso de pontes encapsuladas em módulo, o cálculo é dado pela seguinte equação (vide cálculo é dado pela seguinte equação (vide SemikronSemikron):):

Os dispositivos não devem ser instalados próximos Os dispositivos não devem ser instalados próximos à borda do dissipador, nem muito próximos entre si. à borda do dissipador, nem muito próximos entre si.

Óxido de alumínio preto reduz em 25% a resistência Óxido de alumínio preto reduz em 25% a resistência térmicatérmica

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Cálculo térmico Cálculo térmico –– considerações finaisconsiderações finais



Regras práticas:Regras práticas:Impedir que a temperatura da junção ultrapasse o Impedir que a temperatura da junção ultrapasse o

valor de 80% o valor máximo permissível (aumenta o valor de 80% o valor máximo permissível (aumenta o MTDF do dispositivo)MTDF do dispositivo)

TTaa →→ deve ser considerado o valor de 40º para deve ser considerado o valor de 40º para instalação em ambiente ventilado ou um valor maior instalação em ambiente ventilado ou um valor maior para conversor instalado em ambiente enclausuradopara conversor instalado em ambiente enclausurado

Caso seja preciso isolar o dispositivo do dissipador, Caso seja preciso isolar o dispositivo do dissipador, usar isolante (mica, teflon, usar isolante (mica, teflon, mylarmylar). Considerar sua ). Considerar sua resistência térmicaresistência térmica

RecomendaRecomenda--se usar pasta térmica para evitar bolhas se usar pasta térmica para evitar bolhas de ar entre o dispositivo e o dissipadorde ar entre o dispositivo e o dissipador

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Exemplos de dados de catálogo Exemplos de dados de catálogo -- diododiodo



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Exemplos de dados de catálogo Exemplos de dados de catálogo -- tiristortiristor



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Exemplos de dados de catálogo Exemplos de dados de catálogo -- tiristortiristor



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