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ACIONAMENTOS ELÉTRICOSACIONAMENTOS ELÉTRICOS
CIRCUITOS ELÉTRICOSCIRCUITOS ELÉTRICOS
DE POTÊNCIADE POTÊNCIA
Au to r ( a ) : D r. Ed e r s o n Pa u l o Vo g e l
R ev i s o r : A n a C a m i l a F. M a m e d e
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Introdução
Olá, estudante! Tudo bem?
Iniciaremos essa nossa jornada demonstrando o que são e como funcionam
os Circuitos elétricos de potência. Para isso, saberemos conceitualmente o
que são os circuitos de eletrônica de potência, os principais componentes e a
importância no acionamento de motores elétricos de indução. Abordaremos
os circuitos reti�cadores e aplicação nos circuitos com inversores de
frequência, controlados e não controlados, e os circuitos cicloconversores e
suas aplicações no controle dos motores. Concluindo este material, serão
descritos os conceitos de modulação Pulse Width Modulation (PWM) e a
utilização no acionamento de máquinas elétricas.
Bons estudos!
Circuitos
Retificadores
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Durante um grande período, segundo Lenz (2019), a utilização de máquinas
de corrente alternada (CA) ocorria em processos com atividades que não
possuíam variação de velocidade. No entanto, houve a necessidade de
variação da velocidade, resultando na aplicação de motores com corrente
contínua (CC). Estes, por sua vez, possuíam uma complexidade maior na
con�guração, bem como no processo de manutenção.
Nesse contexto, a importância do avanço na eletrônica foi e ainda é
fundamental; surgiram assim métodos de modular a tensão, a corrente e a
frequência em motores de corrente contínua (CC), o que possibilitou o
controle da velocidade sem alterações no conjugado, mantendo
desempenhos e�cientes. Portanto, a eletrônica de potência, na aplicação das
máquinas elétricas, também promoveu avanços expressivos na precisão dos
motores elétricos de indução. Vamos entender o que é a eletrônica de
potência?
Eletrônica de Potência
Os dispositivos de chaveamento de estado sólido, conhecidos como chaves
comutadoras eletrônicas (diodos, IGBT, MOSFET, TRIAC e SCR), são
considerados, segundo Lenz (2019), componentes fundamentais da
eletrônica de potência. Esses dispositivos, utilizados como chaves, serão
abordados em algumas aplicações, tais como em reti�cadores de tensão e
na construção em circuitos inversores de frequência.
Monofásicos e
Trifásicos
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Os dispositivos de eletrônica de potência são considerados uma evolução
das válvulas eletrônicas, brevemente comparados a um registro hidráulico,
possibilitando ou restringindo o �uxo de elétrons. Dessa forma, retrataremos
o diodo, tiristores e os transistores:
Diodo:
Este é o dispositivo de maior utilização e simplicidade. Opera como chave
eletrônica não controlada, cujas características ideais podem ser analisadas
pela corrente e tensão elétrica presentes no componente. Uma das
con�gurações mais simples, utilizada como chave, possibilitando um �uxo de
elétrons positivo e bloqueando o �uxo de elétrons no sentido contrário, como
ilustrado na Figura 3.1:
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Figura 3.1 – Representação simbólica do diodo
Fonte: Adaptada de Lenz (2019).
#PraCegoVer: a imagem ilustra o símbolo de representação de um diodo. À
esquerda, temos a palavra Ânodo e, abaixo dela, uma seta que aponta à direita.
Sobre a seta, a letra i. Logo abaixo, uma linha horizontal cortada por um triângulo
equilátero com um giro de 90° para a direita, em que há uma linha conectada à
base (referenciada pelo sinal de positivo, sendo o ânodo), e outra, na
exterminada, em que se encontram duas arestas (referenciadas pelo sinal
negativo, sendo o cátodo). Também nessa extremidade, consta uma linha na
posição vertical. Há a representação do sentido da corrente elétrica do ânodo
para o cátodo. Na parte inferior, vemos o sinal de positivo (+), a letra v e o sinal de
negativo (-).
O diodo, conforme demonstrado na Figura 3.1, apresenta terminais descritos
como ânodo (positivo) e cátodo (negativo). Na existência de um �uxo de
elétrons circulando do ânodo para o cátodo, representa operação diretamente
polarizada, ou seja, é de�nido como “ligado”. Na con�guração com o �uxo de
elétrons contrário, do cátodo para o ânodo, o dispositivo bloqueia esse �uxo;
assim, �ca inversamente polarizado, ou seja, “desligado”.
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Os diodos são dispositivos compostos por materiais semicondutores dos
tipos P e N, e as características da junção P-N e da camada de depleção
de�nem o funcionamento desse e dos demais dispositivos da eletrônica de
potência.
Em relação ao comportamento da corrente elétrica, a Figura 3.2 ilustra a
situação de um dispositivo real, e outro, ideal:
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Figura 3.2 – Curva característica tensão versus corrente de um diodo (a) ideal e
(b) real
Fonte: Adaptada de Lenz (2019).
#PraCegoVer: a imagem ilustra dois grá�cos: o da esquerda, representando o
diodo ideal, possui somente a simbologia cartesiana x (tensão) e y (corrente),
onde existe a informação, no quadrante superior esquerdo, de corrente zero
(quando o diodo está em corte), e, no quadrante superior direito, tensão em zero
(diodo em condução). Há uma seta horizontal v, apontada para a direita (eixo x),
cortada por uma seta vertical i, apontando para cima (eixo y). Na parte inferior do
eixo y, temos (a). No grá�co da direita, o mesmo plano cartesiano, porém com
curvas da corrente em relação à tensão, representando uma situação real. Há
uma seta horizontal v, apontando para a direita. No início da seta (eixo x), temos
V e uma linha um pouco curva, na parte inferior, a qual sai dessa seta. Mais ou
menos ao centro, a seta horizontal é cortada por outra, vertical (eixo y), apontada
para cima i. Em sua parte inferior, temos (b). Logo após a seta vertical, temos V ,
que sai da horizontal, sendo uma linha um pouco curva, na parte superior do eixo
x.
Quando o diodo está posicionado a uma polarização direta, ocorre uma
queda na tenção, resultando em uma dissipação de potência, segundo Lenz
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(2019). Teoricamente, ocorre essa queda de tensão entre 0,6 V e 0,7 V. Na
aplicação de dispositivos com uma potência elevada, pode chegar até 3 V.
Salienta-se que o diodo real, representado na Figura 3.2 à direita, “é limitado
pela tensão reversa que este pode suportar, conhecido como tensão reversa
de ruptura”. [...] “na aplicação de uma tensão reversa no diodo maior que a
tensão de ruptura, o dispositivo passa a conduzir corrente de modo reverso, o
que pode levar à queima do dispositivo” (LENZ, 2019, p. 189).
Tiristores:
Sobre os tiristores,
[...] podemos citar dois mais utilizados em circuitos de potência: o
diodo controlado de silício (do inglês, Silicon Controlled Recti�er ou
SCR) e o triodo para corrente alternada (do inglês, TRiodefor
Alternating Current ou TRIAC). (...) os tiristores são conhecidos por
quase sempre apresentar três terminais, pela capacidade de
condução elevadade corrente e por bloquear valores elevados de
tensão, podendo, assim, ser utilizados em circuitos de potências
elevadas. Contudo, compreendem dispositivos que trabalham em
frequências baixas (LENZ, 2019, p. 190).
Silicon Controlled Recti�er (SCR)
As características de um SCR são similares ao diodo, contendo um ânodo e
um cátodo, porém com um terminal adicional, chamado de gate, ou ainda, de
“gatilho”, na tradução literal para o idioma português. A Figura 3.3 ilustra este
dispositivo:
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Figura 3.3 – Representação simbólica do SCR
Fonte: Adaptada de Lenz (2019).
#PraCegoVer: a imagem ilustra o símbolo de representação de um SCR. À
esquerda, temos a palavra Ânodo e, à direita, a palavra Cátodo. Abaixo, o sinal de
positivo (+), a letra v e o sinal de negativo (-). Mais abaixo, um triângulo equilátero,
com um giro de 90° para a direita, onde há uma linha conectada à sua base
(referenciada pelo sinal de positivo, o ânodo), e outra, na exterminada, onde se
encontram duas arestas (referenciadas pelo sinal negativo, o cátodo). Também,
nessa extremidade, consta uma linha na posição vertical. Há a representação do
sentido da corrente elétrica do ânodo para o cátodo, que é uma seta i, apontada
para a direita. Nessa mesma extremidade, está conectada uma linha que
representa o gate do componente e a representação da corrente dessa conexão,
onde há iG e uma pequena seta apontando para cima.
Conforme supracitado, a representação é muito similar à de um diodo
simples: a condução reside no fato de dispor de um �uxo positivo de corrente
no ânodo. Porém, uma nova condição é necessária para o funcionamento:
aplicar um pulso de corrente elétrica no gate, não sendo mais necessário
manter esse nível de corrente para o funcionamento nominal do dispositivo
SCR.
Sendo assim, enquanto o sinal permanecer positivo entre o ânodo e o cátodo
com um valor mínimo, chamado corrente de manutenção, a condução é
constante nesse dispositivo; a condução cessa posteriormente ao atingir um
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valor entre ânodo e cátodo menor que essa corrente de manutenção. A
representação grá�ca é ilustrada na Figura 3.4:
Figura 3.4 – Curva característica tensão versus corrente do SCR (a) ideal e (b)
real
Fonte: Adaptada de Lenz (2019).
#PraCegoVer: a imagem ilustra dois grá�cos: o da esquerda, representando o
diodo ideal, possui somente a simbologia cartesiana x (tensão) e y (corrente),
sendo a informação de corrente zero (quando o SCR está em corte) e tensão em
zero (SCR em condução). Há uma seta horizontal v, apontada para a direita (eixo
x), cortada por uma seta vertical i, apontando para cima (eixo y). Na parte inferior
do eixo y, temos (a). No grá�co da direita, o mesmo plano cartesiano, porém com
curvas da corrente em relação à tensão de ligado e desligado, que representam
uma situação real. Há uma seta horizontal v, apontando para a direita. No início
da seta (eixo x), temos V e uma linha um pouco curva, na parte inferior, a qual
sai dessa seta. Mais ou menos ao centro, a seta horizontal é cortada por outra,
vertical (eixo y), apontada para cima i. Em sua parte inferior, temos (b). Logo após
a seta vertical, temos V , que sai da horizontal, sendo uma linha um pouco curva,
na parte superior do eixo x (Ligado). Após, temos dois pequenos traços curvos,
que cortam o eixo y. E, logo mais, temos V , que também sai da horizontal,
sendo uma linha um pouco curva, na parte superior do eixo x (Desligado).
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O SCR apresenta, similar ao diodo simples, “uma tensão de ruptura; ao ponto
de ultrapassar essa tensão, o dispositivo pode passar a conduzir corrente
reversa, levando à dani�cação do componente” (LENZ, 2019, p. 191). Dessa
forma, um dispositivo SCR necessita que esse pulso seja aplicado ao gate
para possibilitar uma carga su�ciente para induzir o dispositivo ao
funcionamento de condução de corrente elétrica.
TRiodefor Alternating Current (TRIAC):
Em complementação e com características básicas do SCR, existe outro
dispositivo, denominado TRIAC, que consiste essencialmente “em um que
permite a condução bidirecional. Pode-se dizer, analogamente, que um TRIAC
é a associação de dois SCR opostos em paralelo, que compartilham um
mesmo gatilho” (LENZ, 2019, p. 191). A Figura 3.5 ilustra a simbologia de uma
TRIAC:
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Figura 3.5 – Representação simbólica do TRIAC
Fonte: Adaptada de Lenz (2019).
#PraCegoVer: a imagem ilustra o símbolo de representação de um TRIAC. Temos
o sinal de positivo (+), a letra v e o sinal de negativo (-). Mais abaixo, basicamente,
são dois triângulos equiláteros com um giro de 90° para a direita e 90° para a
esquerda, onde há uma linha conectada à uma base (referenciada pelo sinal de
positivo, sendo o ânodo) e na outra na extremidade (referenciada pelo sinal
negativo, sendo o cátodo). Também nessa extremidade, consta uma linha na
posição vertical. Há a representação do sentido da corrente elétrica do ânodo
para o cátodo. Nessa mesma extremidade, está conectada uma linha, que
representa o gate do componente e a representação da corrente dessa conexão,
onde temos iG e uma pequena seta apontando para cima.
Similarmente ao SCR, conforme descrito anteriormente nesta seção, o TRIAC
necessita de uma tensão diferente de 0 V (zero) e que seja aplicado um pulso
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no gate. Ou seja, a condução ocorre em ambos os sentidos: do ânodo para o
cátodo e vice-versa.
Sendo assim, para manter a condução de corrente elétrica no dispositivo
TRIAC, o sinal necessita permanecer com os valores superiores aos da
corrente de manutenção, como no SCR, porém bidirecional; a condução cessa
posteriormente ao atingir um valor menor que essa corrente de manutenção,
de forma bidirecional. A representação grá�ca é ilustrada na Figura 3.6:
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Figura 3.6 – Curva característica tensão do TRIAC ideal
Fonte: Adaptada de Lenz (2019).
#PraCegoVer: a imagem ilustra dois grá�cos: o da esquerda, representando o
TRIAC ideal, possui somente a simbologia cartesiana x (tensão) e y (corrente),
sendo a informação de corrente zero (quando o TRIAC está em corte) e tensão
em zero (TRIAC em condução). Há o eixo x horizontal, que é uma seta apontada
para a direita (v), e o eixo y vertical, que é uma seta apontada para cima (i). No
quadrante inferior esquerdo, lemos TRIAC em corte e temos duas setas, uma que
aponta para a parte do eixo x antes de ser cortada pelo eixo y (parte esquerda da
linha horizontal), e outra que aponta para a parte do eixo x depois de ser cortada
pelo eixo y (parte direita da linha horizontal). No quadrante superior direito, lemos
TRIAC conduzindo e temos duas setas, uma que aponta para a parte do eixo y
antes de ser cortada pelo eixo x (parte superior da linha vertical), e outra que
aponta para a parte do eixo y depois de ser cortada pelo eixo x (parte inferior da
linha vertical).
Segundo Lenz (2019), esse dispositivo TRIAC é muito utilizado para controle
de tensão em dispositivos CA, pois permite o gerenciamento da velocidade
em motores monofásicos.
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Transistores:
Conformede�nição, “um transistor é um dispositivo semicondutor PNP ou
NPN de dois tipos básicos quando classi�cados quanto à sua aplicação:
transistor de ampli�cação e de potência” (LENZ, 2019, p. 192).
No âmbito de eletrônica de potência, serão abordados os transistores
comumente usados para controlar corrente e tensão por meio de
chaveamentos: transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor,
conhecidos como MOSFET, e os transistores bipolares com porta isolada, ou
IGBT.
                  - Metal-óxido-semicondutor (MOSFET)
O MOSFET é um dispositivo controlado por tensão e que compreende uma
chave controlada por meio de um campo elétrico. Dispõe de três terminais: o
gate, uma fonte ou source e de um dreno ou drain. Esse dispositivo é ilustrado
na Figura 3.7:
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Figura 3.7 – Representação simbólica do MOSFET
Fonte: Adaptada de Lenz (2019).
#PraCegoVer: a imagem ilustra duas representações do MOSFET: ambas são
similares, contendo uma linha horizontal, o gate, no centro, e duas linhas verticais,
representando a fonte e o dreno. Abaixo, a descrição de Canal N e de Canal P,
respectivamente. No da esquerda, Canal N, a fonte possui uma �echa da direita
para a esquerda do transistor (fonte); no da direita, essa �echa possui sentido
contrário.
Os MOSFET apresentam, segundo Lenz (2019), três zonas básicas, chamadas
de operação: corte, ôhmica e saturação. As duas primeiras possibilitam que
esse dispositivo trabalhe como chave. Na Figura 3.8, são ilustradas as três
zonas de operação:
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Figura 3.8 – Característica v versus i do MOEFET, canal N
Fonte: Adaptada de Lenz (2019).
#PraCegoVer: a imagem ilustra as curvas características da operação da corrente
do MOSFET, em relação à tensão. Assim, constam seis linhas, que representam
as diferentes zonas de operação deste componente: corte, ôhmica e de
saturação. Há uma seta horizontal apontando para a direita; na extremidade
esquerda, temos (V ) , e, na extremidade direita, v . No início, há uma pequena
linha curva, apontando para baixo, e, logo após, dois pequenos traços curvos, que
cortam a seta. Logo, temos uma seta vertical apontando para cima, e, em sua
extremidade superior, temos i . Onde as setas de encontram, está o ponto 0.
Ainda na seta horizontal, após o ponto 0, mais ou menos ao centro, lemos v ≤
V , após, mais dois pequenos traços curvos que cortam a seta. Mais à frente, um
pequeno traço reto vertical também corta a seta, (V ) , chegando à sua
extremidade direita, v . Do ponto 0, saem cinco linhas, que se tornam
horizontais. Ao �nal de todas elas, há uma linha vertical, onde todas se
encontram. De cima para baixo, mas três primeiras linhas horizontais, temos uma
seta vertical apontada para cima, que as corta (v ). Quase na extremidade da
seta vertical iD, há uma linha horizontal, onde temos as palavras Ôhmico, à
DS RB DS
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GS
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DS RB
DS
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esquerda, e a palavra Ativo, à direita. A linha horizontal antes da palavra Ôhmico é
uma pequena seta apontando para a esquerda; após a palavra Ôhmico, a linha
horizontal é uma pequena seta apontando para a direita, onde encontra uma linha
vertical tracejada, a qual sai do ponto 0. Após essa linha tracejada, temos uma
seta horizontal que aponta para a esquerda, antes da palavra Ativo. Após a
palavra Ativo, uma seta horizontal, apontando para a esquerda. Na linha
tracejada, lemos (v – V ) = v .
As regiões são descritas a seguir:
Corte: a tensão entre o gate e a fonte é menor que determinada tensão
V  (informação da folha de dados do componente), situação em que
o dispositivo funciona como uma chave aberta, não ocorrendo
condução de corrente elétrica entre dreno e fonte. “Para retirar o
dispositivo desta região de corte, é necessária a aplicação de uma
tensão V > V ” (LENZ, 2019, p. 194);
Ôhmica: ocorre na existência de uma tensão elevada e a tensão V
su�cientemente pequena. “Nessa região, o MOSFET se comporta
como uma chave fechada, podendo ser modelado como uma
resistência R . Dessa forma, a corrente de dreno aumenta de maneira
diretamente proporcional à tensão de V ” (LENZ, 2019, p. 194);
Saturação: nesta região, o MOSFET se comporta como uma fonte de
corrente controlada por V . “Uma vez que o valor de saturação é
atingido, a V ,   aumenta a dissipação de potência no dispositivo.
Essa região não é utilizada em aplicações de eletrônica de potência”
(LENZ, 2019, p. 194).
Transistores bipolares com porta isolada (IGBT)
GS T DS
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GS TH
DS
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DS
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Um IGBT destaca-se pela alta e�ciência e pelo rápido chaveamento de que é
capaz. “Constituído por três terminais, caracteriza-se por apresentar baixa
tensão de
saturação e alta capacidade de corrente, além de dispor de alta impedância
de porta tal como os MOSFET” (LENZ, 2019, p. 195). Esse dispositivo é
simbolizado na Figura 3.9, demonstrando os terminais gatilho, emissor e
coletor:
Figura 3.9 – Representação simbólica do IGBT
Fonte: Adaptada de Lenz (2019).
#PraCegoVer: a imagem ilustra duas representações do IGBT: ambas são
similares, contendo uma linha horizontal, o gatilho, no centro e duas linhas
verticais, representando o emissor e o coletor. Abaixo, a descrição de Canal N e
de Canal P. No da esquerda, Canal N, o emissor possui uma �echa da esquerda
para a direita do transistor; no da direita, essa �echa (emissor) possui sentido
contrário.
Na Figura 3.10, a seguir, é ilustrado o funcionamento de um componente
IGBT,
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[...] sendo este muito similar ao do MOSFET, exceto pelo fato de que,
para uma tensão positiva em , haverá condução de corrente
quando superior a uma tensão limiar ; dessa forma, à
medida que a aumentar, a corrente de coletor aumentará
proporcionalmente. Os IGBT são dispositivos com maior
capacidade de tensão entre V   em comparação à tensão
suportada por  do MOSFET (LENZ, 2019, p. 196).
Além disso, uma das características mais importantes do IGBT é que alguns
modelos apresentam coe�ciente de temperatura positivo, permitindo o
paralelismo de componentes.
EVG
EVG Vr
EVG ic
CE
SVD
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Figura 3.10 – Curva característica do IGBT
Fonte: Adaptada de Lenz (2019).
#PraCegoVer: a imagem ilustra as curvas características da operação da corrente
do IGBT, em relação à tensão. Assim, constam seis linhas que representam as
diferentes zonas de operação deste componente: corte, ôhmica e de saturação.
Há uma seta horizontal apontando para a direita; na extremidade esquerda,
temos (V ) e, na extremidade direita, v . No início, há uma pequena linha
curva, apontando para baixo, e, logo após, dois pequenos traços curvos, que
cortam a seta. Logo, há uma seta vertical apontando para cima e, em sua
extremidade superior, temos i . Onde as setas de encontram, está o ponto 0.
Ainda na seta horizontal, um pouco após o ponto 0, saem cinco linhas, que se
tornam horizontais e que se cortam, quase chegando ao �nal, tendo um espaço
vazio, o qual, após, as linhas seguem. Ao �nal de todas elas, há uma linha vertical,
onde todas se encontram. Na última linha horizontal, sai uma pequena linha, um
pouco curva, porém curta. De cima para baixo, mais três primeiras linhas
horizontais, temos uma seta vertical apontadapara cima, que as corta (v ).
Após o ponto na seta horizontal, de onde saem todas as linhas, temos v ≤ V ,
após, mais dois pequenos traços curvos que cortam a seta. Mais à frente, um
CE RB CE
C
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pequeno traço reto vertical também corta a seta, (V ) , chegando à sua
extremidade direita, v .
Circuitos reti�cadores
Os circuitos reti�cadores têm a �nalidade de converter tensão ou corrente CA
em CC. Existem muitas topologias de reti�cadores, principalmente os
reti�cadores: de meia onda, de ponte monofásica de onda completa, de ponte
monofásica de onda completa e fase controlada, dentre outros demais
(LENZ, 2019).
Dessa forma, serão demonstradas as con�gurações de reti�cadores em
ponte e algumas de suas topologias, entendendo o comportamento de cada
uma.
                Ponte monofásica de onda completa com diodos:
Os reti�cadores de onda completa com diodos são os mais comumente
encontrados no mercado, com muitas aplicações. Observe a Figura 3.11:
CE RB
CE
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Figura 3.11 – Reti�cador com ponte de onda completa
Fonte: Adaptada de Lenz (2019).
#PraCegoVer: a imagem ilustra a representação de um circuito eletrônico de
onde completa, com a associação de diodos. Contém quatro diodos, uma fonte e
uma carga RL conectados. À esquerda, temos v (t), acima o sinal de positivo (+) e
abaixo, o sinal de negativo (-). Após, há um círculo vazio, de onde saem duas
linhas verticais, uma acima e outra abaixo. A linha de cima dobra à direita, e dela
sai uma linha vertical, onde vemos um triângulo equilátero em um giro de 90º
(D1), e, junto ao triângulo, um pequeno traço horizontal. A linha segue, até
encontrar um pequeno ponto negro. Desse ponto, sai uma linha horizontal à
direita. A linha vertical também passa pelo pequeno ponto, seguindo para baixo,
onde encontra um pequeno traço horizontal e também um triângulo equilátero em
um giro de 90º (D2). Após o triângulo, a linha segue até encontrar a linha
horizontal que saiu do lado inferior do círculo vazio que se encontra no início.
Voltando ao pequeno ponto após D1, a linha horizontal que sai dele à direita cruza
a linha vertical onde está D4, representado também por um triângulo equilátero
em um giro de 90º. No cruzamento das duas linhas, a horizontal transforma-se
em um semicírculo aberto na parte inferior. Um pouco abaixo desse semicírculo,
s
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há outro pequeno ponto negro, e, logo abaixo dele, temos D3, representado
também por um triângulo equilátero em um giro de 90º. Do ponto negro, sai uma
linha horizontal, indo à esquerda, dobrando para baixo e logo, novamente,
horizontalmente à direita. Logo, nela há um pequeno ponto, um círculo muito
pequeno, vazio. Desse círculo, segue a linha horizontal, a qual logo dobra para
cima. Logo mais, temos um pequeno trecho em zigue zague. À sua esquerda,
lemos R, e à sua direita, temos v (t). Acima de v (t) temos o sinal de positivo (+),
e abaixo, o de negativo (-). Voltando à linha horizontal que sai do semicírculo (D4),
ela dobra verticalmente para cima, logo, dobra novamente, na horizontal. Nela há
um pequeno ponto, um círculo muito pequeno, vazio. Desse círculo, segue a linha
horizontal, a qual logo dobra para baixo, onde temos uma seta apontada também
para baixo e i (t), a qual logo encontra o trecho em zigue-zague.
Na Figura 3.11, considera-se que os diodos do circuito são ideais: ou seja,
aplicamos uma tensão V (t)=V sen(ωt) e temos em conta que a carga seja
puramente resistiva.
No semiciclo positivo da fonte de tensão, é fácil perceber que os
diodos D1 e D3 estarão conduzindo e D2 e D4 estarão bloqueados,
portanto, durante o período 1, a tensão na carga seguirá o sinal de
entrada V (t). Em um segundo período do sinal de entrada, entre π e
2π, teremos o semiciclo negativo de V (t). Dessa vez, os diodos D1
e D3 estarão bloqueados, e os diodos D2 e D4 conduzirão, tornando
a tensão de carga V (t)o inverso da tensão de entrada V (t) (LENZ,
2019, p. 198).
Na Figura 3.12, é possível observar a forma de onda retratada no exemplo
supracitado:
R R
R
s 0
s
s
R s
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Figura 3.12 – Forma de onda entregue a uma carga puramente resistiva
Fonte: Adaptada de Lenz (2019).
#PraCegoVer: a imagem ilustra a representação de semiciclos positivos, da
variação de tensão (eixo y), em relação à variação do tempo em rotações,
representadas pelos valores radianos de π, 2π e 3π. Temos duas setas, uma
horizontal (ꞷt) e uma vertical (V0), que se cruzam. Do ponto onde se cruzam, no
quadrante superior direito, há representações curvas de P1 e P2. Entre elas,
temos v (t). Após a representação de P2, temos outra representação, em branco.
No quadrante inferior direito, abaixo da representação de P2, temos uma
representação em linha tracejada, como se fosse um espelhamento de P2. No
início dela, há π e, ao �nal, temos 2π. Em seu lado direito, lemos v (t). Onde a
representação em branco toca o eixo x, temos 3π.
Assim, observa-se que a tensão de saída é positiva, obtendo-se os valores
médios pelas equações a seguir:
R
S
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A forma de onda da saída dessa topologia possui o que chamamos de ripple.
Sendo assim, para tornar essa forma de onda mais útil, é necessário se
manter relativamente constante e livre de �utuações, o que pode ser
alcançado adicionando um capacitor ou capacitores de �ltro, paralelamente à
saída do circuito.
O acréscimo de um capacitor de �ltro na saída de um reti�cador é
muito e�ciente para a redução do ripple de tensão, porém este
provoca picos elevados de corrente em curtas períodos. Para
solucionar esse imprevisto, são alocados indutores em série com a
saída do reti�cador, reduzindo, assim, o ripple de corrente. Essa
con�guração pode ser utilizada como fonte CC com baixos fatores
de �utuação tanto de corrente quanto de tensão (LENZ, 2019, p.
198).
Muitas são as topologias encontradas na literatura sobre o SCR, conforme
salientado por Lenz (2019). Dentre essas, similar à de ponte completa com
diodos, existe a com reti�cador monofásico de ponte completa com fase
controlada, porém com a aplicação dos componentes SCR. Assim, o controle
da modulação de tensão, de acordo com a fase de disparo do SCR, torna-se
possível. O cálculo de valor médio entregue é realizado pela equação 3.2, a
seguir:
Dessa forma, um SCR pode ter o controle da modulação da tensão conforme
esse ângulo de disparo .
= ( sen(ωt) + sen(ωt))           (3.1)Vcc
ω
π
∫
π
ω
0
V0 ∫
2π
ω
π
ω
V0
= ( )           (3.2)Vcc
2
π
V0
= ( ) cos ( )           (3.2)Vcc 2V0π αd
( )αd
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Fonte: dotshok / 123RF.
Dentre as diversas topologias aplicadas mais usualmente, segundo Lenz
(2019), uma que se assemelha à topologia apresentada nesta seção é a do
reti�cador monofásico de ponte completa e fase controlada, o qual possui
características similares às da ponte completa com diodos, porém com
utilização de SCR.
Conhecimento
Eletrônica de potência
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Teste seus Conhecimentos
(Atividade não pontuada)
A eletrônica de potência pode ser aplicada em diversas aplicações e em
qualquercampo em que sejam necessários a conversão e o controle de
potência elétrica. Os sistemas de eletrônica de potência possuem
signi�cativa importância na indústria, devido à ampla utilização possível. Um
dos componentes mais simples e, ao mesmo tempo, o mais utilizado nesse
contexto, é o diodo.
AHMED, A. Eletrônica de potência. São Paulo: Pearson, 2000. (Disponível
na Minha Biblioteca).
Como funciona a característica de curva de tensão versus corrente de um
diodo? Assinale a alternativa correta.
a) Quando um diodo está inversamente polarizado, uma corrente
elétrica ín�ma, a “corrente de fuga inversa”, �ui de acordo com o
aumento da tensão entre os sinais positivo e negativo, ânodo e
cátodo, respectivamente. Essa indicação descreve que o diodo possui
uma resistência alta na direção inversa. Esse processo de bloqueio da
tensão ocorre até que uma ruptura, de�nida pelo fabricante do
componente, seja atingida.
b) Quando um diodo está diretamente polarizado, uma corrente
elétrica alta �ui de acordo com o aumento da tensão entre os sinais
negativo e positivo, ânodo e cátodo, respectivamente. Essa indicação
descreve que o diodo possui uma resistência baixa na direção direta.
Esse processo de bloqueio da tensão ocorre até que uma ruptura,
de�nida pelo fabricante do componente, seja atingida.
c) Quando um diodo, ou SCR, está diretamente polarizado, uma
corrente elétrica de 5 A �ui de acordo com o aumento da frequência
entre os sinais negativo e positivo, ânodo e cátodo, respectivamente.
Essa indicação descreve que o diodo está em “fase” com a carga.
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d) Quando um diodo está inversamente polarizado, uma corrente
elétrica baixa �ui conforme a diminuição da tensão entre os sinais
positivo e negativo, ânodo e cátodo, respectivamente. Essa indicação
descreve que o diodo possui uma resistência extremamente baixa na
direção inversa. Esse processo de bloqueio da corrente ocorre até
que uma ruptura, de�nida pelo fabricante do componente, seja
atingida.
e) Quando um diodo está diretamente polarizado, uma tensão
elétrica alta �ui de acordo com o aumento da corrente entre os sinais
negativo e positivo, ânodo e cátodo, respectivamente. Essa indicação
descreve que o diodo possui uma indutância baixa na direção
inversa. Esse processo de bloqueio da corrente ocorre até que uma
ruptura, de�nida pelo fabricante do componente, seja atingida.
Diversas topologias de circuitos inversores são utilizadas no contexto de
acionamento de máquinas elétricas, para a conversão de sinal de CC ou
tensão, em uma saída alternada (CA), atribuindo-se formas de inversores de
fonte de corrente ou de fonte de tensão. Utiliza-se uma gama de circuitos
Circuitos
inversores
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inversores para o controle de motores, por permitir uma modulação de
velocidade do eixo, possibilitada pela modulação de tensão e frequência no
mesmo momento, permanecendo o conjugado inalterado (LENZ, 2019).
Circuitos inversores
Em algumas topologias, é utilizada a modulação por largura de pulso,
chamada Pulse Width Modulation (PWM), responsável pela modulação de
valores de tensão para a saída do inversor.
Lenz (2019, p. 199) destaca que “os inversores permitem o controle de
frequência da onda de saída, possibilitando, assim, o controle da velocidade
de motores variando V/f; com a manutenção do conjugado ao passo que se
modula a velocidade”. Assim, abordaremos um inversor monofásico em
ponte H, com forma de onda quase quadrada, e inversores de fonte de tensão
em ponte H com PWM.
         - Inversor monofásico em ponte H com forma de onda quase quadrada:
Para retratar as topologias de circuitos inversores, consideramos as chaves
comutadoras como ideais, ou seja, uma tensão constante sem variações. Na
Figura 3.13, é apresentado um circuito com a inserção de uma carga RL, para
simular um motor.
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Figura 3.13 – Inversor monofásico em ponte H
Fonte: Adaptada de Lenz (2019).
#PraCegoVer: a imagem ilustra a representação de um circuito eletrônico,
contendo os seguintes componentes associados: fonte contínua, chaves S1, S2,
S3 e S4, quatro diodos D1, D2, D3 e D4, uma carga restiva e uma carga indutiva. À
esquerda, temos V0, acima o sinal de positivo (+) e abaixo o sinal de negativo (-).
Vemos alguns pequenos traços horizontais, de onde saem duas linhas verticais,
uma para cima e outra para baixo. A linha de cima dobra horizontalmente à
direita, e a de baixo dobra também, horizontalmente à direita. Elas se fecham,
formando um retângulo. Dentro desse retângulo, na parte superior esquerda,
temos a representação da chave S1 junto ao diodo D1. Na parte inferior esquerda,
temos a representação da chave S2 junto ao diodo D2. Entre elas, há uma
pequena linha vertical, interligando-as. Dessa linha vertical, sai outra uma linha
horizontal, onde temos uma seta horizontal i (t), a qual chega a um trecho em
zigue-zague R. Após, segue como uma pequena linha horizontal, chegando a um
trecho em espiral L, de onde também sai uma pequena linha horizontal, que se
conecta ao lado direito do retângulo, onde temos as representações da chave S4
L
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junto ao diodo D4 na parte superior, e, na parte inferior, temos a representação da
chave S3 junto ao diodo D3.
Para o exemplo da Figura 3.13, é de�nido que o tempo de comutação dos
elementos é superior ao que o indutor L atrasa para descarregar na carga
resistiva R. Assim, podemos dizer que a corrente de carga será de�nida por
.
Iniciaremos a análise considerando o circuito em repouso. Primeiro,
fecharemos as chaves S1 e S3 e manteremos as chaves e S4
abertas. Dessa forma, a corrente de tensão de entrada V circulará
pela carga RL até que a tensão VL seja igual a V , completando o
primeiro ciclo do inversor. Posteriormente, precisamos criar uma
tensão negativa na carga RL para atingir o objetivo de ter uma
forma de onda alternada na saída, porém a corrente i não pode
inverter o seu sentido bruscamente, necessitando primeiro atingir o
valor 0 para, depois, mudar de sentido. Para isso, iniciamos o
segundo ciclo abrindo a chave comutadora S3 mantendo S1
fechada e obrigando a corrente a percorrer o diodo D4. até a carga
do indutor descarregar por completo. Finalmente, podemos abrir a
chave S3 e iniciar o terceiro ciclo fechando as chaves S2 e S4. A
con�guração do terceiro ciclo fará com que a corrente percorra a
carga de forma contrária ao que aconteceu no primeiro ciclo,
gerando uma tensão V =-V . Por �m, abrimos a chave S4 e
mantemos a chave S1 fechada para que a corrente possa utilizar o
diodo S3 para descarregar o indutor por completo e poder iniciar
novamente um novo ciclo (LENZ, 2019, p. 200).
Com essa topologia apresentada, o resultado da forma de onda é ilustrado na
Figura 3.14:
VL
R
0
0
L
L 0
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Figura 3.14 – Forma de onda típica da saída de um inversor monofásico em
ponte H
Fonte: Adaptada de Lenz (2019).
#PraCegoVer: a imagem ilustra a representação da forma de onda quadrada, no
mesmo sentido de direção de uma onda senoidal. Consta a representação de
tensões positiva e negativa, assim como a variação do tempo e cada semiciclo.
Há duas setas que se cruzam, a horizontal t e a vertical v (t). Na seta vertical, um
pouco antes da sua extremidade superior, há um pequeno traço que a corta, V .
Na parte inferior, na sua extremidade, temos - V. Na seta horizontal, no
quadrante superior direito, temos a representação de T, de onde saem duas setas
horizontais, a da esquerda, apontando para a esquerda, e a da direita, apontando
para a direita. Logo abaixo, temos as representações de ∆ T, c , de ∆ T, c , de ∆ T,
e de ∆ T. No quadrante inferior direito, temos c e c .
Com isso, a forma apresentada é quadrada, similarmente à uma senoide.
Aplicando o conceito de técnicas matemáticas de Fourier, essa forma possui
L
0
0
1 1 2 2 1
2 3 4
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a componente fundamental, conforme equações a seguir:
A equação 3.4 apresenta a possibilidade de avaliação de harmônicas.
Esse tipo de forma de onda é muito utilizado para acionamento de
motores, porém as componentes harmônicas podem in�uenciar a
e�ciência do motor gerando algumas perdas adicionais no núcleo.
Para aplicação em motores trifásicos, são adicionadas mais duas
chaves comutadoras, possibilitando, assim, a criação de três
formas de onda defasadas em (LENZ, 2019, p. 202).
          Inversores de fonte de tensão em ponte H com PWM.
A PWM é aplicada para controle de tensão de saída de um circuito inversor.
Para a análise apresentada na Figura 3.15, adotaremos o mesmo circuito em
ponte H apresentado na Figura 3.13, para explicar esse funcionamento,
porém de�nindo um ciclo de trabalho D maior que 0 e menor que 1.
Esse ciclo de trabalho modulará os ciclos 1 e 3 do inversor em
ponte H, em que o período do ciclo 1 será e o do ciclo 3 será
. Isso é feito controlando as chaves comutadoras em
fase de acordo com o ciclo de trabalho . Para que isso seja
possível, a frequência de chaveamento ( ) deve ser superior à
frequência de corte da carga ; caso isso não ocorra, existirão
componentes harmônicas capazes de afetar no funcionamento de
equipamentos conectados à saída desse inversor (LENZ, 2019, p.
202).
Com essa topologia apresentada, o resultado da forma de onda é ilustrado na
Figura 3.15:
= ( ) sen ( π)           (3.3)VL,1 4π V0 Δ1
= ( ) sen (n π)           (3.4)VL,n 4nπ V0 Δ1
n
120∘
DT
(1 − DT )T
D
fpwm
RL
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Figura 3.15 – Forma de onda típica da saída de um inversor monofásico em
ponte H com modulação por PWM, (a) tensão e (b) corrente
Fonte: Adaptada de Lenz (2019).
#PraCegoVer: a imagem ilustra dois grá�cos da representação da forma de onda
quadrada, à esquerda, e de forma de onda similar à de “dente-de-serra”, à direita.
Constam, em ambas as representações, as tensões positiva e negativa, bem
como a variação do tempo e cada semiciclo; e a corrente positiva, também com a
variação do tempo e cada semiciclo. No grá�co à esquerda (a), temos duas setas
que se cruzam. Na seta vertical, em sua extremidade superior, lemos v (t), e na
sua extremidade inferior, lemos -V . Quase chegando à sua extremidade superior,
temos o ponto V , de onde sai uma linha horizontal à direita, a qual dobra para
baixo, cruzando a seta horizontal DT. Mais abaixo, ela se dobra novamente para a
horizontal, logo dobrando, outra vez, para cima, e cruzando pela segunda vez a
seta horizontal T. Segue e, mais acima, dobra-se novamente à direita, e logo mais,
para baixo, cruzando pela terceira vez a seta horizontal T + DT. Abaixo, ela segue
e dobra para a direita, pela última vez. No grá�co à direita (b), também temos
duas setas que se cruzam. Na seta vertical, em sua extremidade superior, lemos
i (t). Um pouco abaixo, temos (i ) . Mais abaixo, temos (i ) , de onde sai uma
linha horizontal tracejada. Um pouco mais abaixo, temos (i ) , de onde sai uma
linha horizontal que sobe e desce, formando picos triangulares e cortando a linha
L
0
0
L L max L avg
L min
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tracejada que sai de (i ) . Na seta horizontal, temos os pontos DT, T e T + DT.
Em sua extremidade, temos t.
Portanto, uma das vantagens de aplicar o PWM é que o sinal permanece
digital em todo o percurso, desde o processador até o sistema controlado, e
nenhuma conversão de digital para analógico é necessária.
L avg
SAIBA MAIS
Em meados dos anos 2000, para ter um controle
preciso de velocidade, eram utilizados motores
de corrente contínua, resultando em diversos
problemas associados aos custos desses
motores e na necessidade de reti�cação da
tensão de fornecimento. Com o avanço
expressivo das eletrônicas geral e de potência,
correlacionado com a necessidade de aumento
de produção e principalmente a diminuição de
custos, passaram a ser utilizados dispositivos
eletrônicos robustos de variação de velocidade.
Portanto, a importância do conhecimento sobre
a eletrônica de potência é crucial para a
compreensão da conversão da potência elétrica
de uma forma para outra, por dispositivos de
eletrônica.
Para saber mais, acesse:
15/05/2023, 15:25 E-book
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Sendo assim, a forma apresentada em um sistema PWM é quadrada e pode
ser de�nida conforme equação a seguir:
Observando que a frequência de comutação é superior à de corte da carga
, a corrente contínua é atribuída pela equação, a seguir:
Portanto, um inversor, ou conversor, é um equipamento eletrônico destinado a
converter CC em CA.
Fonte: tonstocker /
123RF.
A S S I S T I R
= (2D − 1)           (3.5)VLAVG V0
RL
=           (3.6)iLAVG
VLAVG
R
(2D−1)V0
R
Controladores de velocidade e inversores
Os inversores modernos utilizam como chave de potência os elementos de chaveamentos
descritos como GTOs, para potências superiores a 1 MW e IGBTs, ou ainda, MOSFETs, para
potências inferiores a essa. Importante o histórico de que os inversores mais antigos
empregavam técnicas com a aplicação de componentes SCR com bloqueio de circuitos
ressonantes (ARRABAÇA; GIMENEZ, 2013).
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Conforme descrito nesta seção, é importante destacar que essa partida de
motor elétrico de indução trifásico somente pode ser utilizada em motores
com a possibilidade de alimentação em duas tensões distintas; a menor é
correspondente à tensão de alimentação, e a maior, com valor de √3 superior
à tensão da rede de distribuição de energia elétrica.
Conhecimento
Teste seus Conhecimentos
(Atividade não pontuada)
Para o controle e ajustes de velocidade dos motores elétricos de indução, a
aplicação do PWM é e�ciente e, em muitas vezes, o sistema é capaz de
alcançar os objetivos de produção para determinado processo. Existem
quatro tipos básicos de controles para aplicação dessa técnica: escalar,
vetorial, de �uxo vetorial e de campo orientado.
FRANCHI, C. M. Inversores de frequência: teoria e aplicação. 2. ed. São
Paulo: Érica, 2009.
Assinale a alternativa que descreve o motivo e cita onde são aplicados cada
tipo de controle vetorial.
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a) O controle vetorial também pode ser chamado de volts/hertz. Essa
técnica se baseia no conversor de frequência original, impondo
determinada frequência e tensão no motor, fazendo com que o �uxo
do equipamento seja constante. Portanto, é recomendado para
situações com necessidade de alta performance dinâmica, respostas
rápidas e com precisão na velocidade de operação do equipamento.
b) O controle vetorial não é uma técnica viável para aplicação na
eletrônica de potência, devido à necessidade de complexidade no
controle da velocidade de motores, cuja estrutura não comporta a
velocidade necessáriado equipamento. Portanto, é recomendado
para situações com necessidade de baixa performance dinâmica e
mínima precisão na velocidade de operação do equipamento.
c) O controle vetorial se tornou uma técnica viável a partir da
evolução da eletrônica de potência, em meados da década de 1980,
que, pela necessidade de complexidade no controle da velocidade de
motores, possibilitou a geração novas estruturas robustas para esse
�m. Portanto, é recomendado para situações com necessidade de
alta performance dinâmica, respostas rápidas e com precisão na
velocidade de operação do equipamento.
d) O controle vetorial também pode ser chamado de volts/hertz, cujo
controle baseia-se em colocar o motor em frequência �xa. Essa
técnica se baseia no conversor de frequência adaptado, impondo
determinada corrente e tensão no motor, fazendo com que o �uxo
do equipamento seja constante. Portanto, é recomendado para
situações com necessidade de alta performance dinâmica, respostas
rápidas e com precisão na velocidade de operação do equipamento.
e) O controle vetorial se tornou uma técnica viável a partir da
evolução da eletrônica de potência, em meados da década de 1950,
que, devido à necessidade de complexidade no controle da corrente
elétrica de motores, possibilitou a geração de novas estruturas
robustas para esse �m. Portanto, é recomendado para situações com
necessidade de alta performance dinâmica, porém com lentas
respostas de precisão, em razão do expressivo valor de tensão e
corrente elétrica.
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Um cicloconversor é, por de�nição, “um variador de frequência que converte
potência AC com uma certa frequência de entrada, em potência de saída AC
com uma frequência diferente (em geral mais baixa). A frequência de saída
variável pode ser obtida com qualquer um dos dois métodos”. Dentre esses, a
conversão AC em DC aplicando reti�cação, seguida de inversão, para obter a
frequência de saída desejada. “Um cicloconversor é, em linhas gerais, um
conversor operado de modo a fornecer uma tensão de saída alternada. Para
uma melhor e�ciência, os cicloconversores operam na faixa de frequência
que vai de zero à 1/3 da frequência da fonte” (AHMED, 2000, p. 447).
Os cicloconversores são associações de reti�cadores controlados, que fazem
com que cada um dos reti�cadores produza, sobre uma determinada carga,
valores de tensão médios em sentidos opostos. Aplica-se tipicamente esse
tipo de circuito no acionamento de grandes motores CA, com indução ou
síncronos, em baixas velocidades. Pela elevada potência, não é possível a
utilização de transistores (FRANCHI, 2013; MOHAN, 2015).
O princípio do cicloconversor é conhecido há, pelo menos, 60 anos. Com o
surgimento do tiristor, o sistema com associações de reti�cadores
Cicloconversores
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controlados se popularizou nos anos 1960, dando origem ao cicloconversor
(ARRABAÇA; GIMENZEZ, 2013).
No acionamento de grandes motores CA (indução ou síncrono), na faixa de
centenas ou milhares de kVA, em baixas velocidades, o cicloconversor é
muito aplicado. Importante rati�car que não é possível a utilização de
transistores, pela alta potência requerida. Uma vez que a aplicação exige
baixos valores de frequências sobre a carga, torna-se conveniente o emprego
de tiristores.
A aplicação de cicloconversores exige o trabalho com baixas frequências
sobre a carga, tais como em moinhos, fabricação de concreto usinado, por
exemplo. Dessa forma, são agregados tiristores no sistema com comutação
natural. Cicloconversores com entrada de frequência em 50 Hz têm
substituído os conversores rotativos aplicados (AHMED, 2000).
Frequências na gama de 0 a 50% são obtidas pela frequência da rede, de
modo que a velocidade máxima de rotação é apenas metade da velocidade
possível, quando a máquina está conectada no sistema de distribuição de
energia elétrica. Isso ocorre pelo fato de que, para frequências maiores que
30 Hz e quando alimentado por uma rede de 60 Hz, como o sistema
brasileiro, o intervalo de disparo dos tiristores não é possível. Isso decorre em
razão da distorção excessiva na forma de onda de saída, alterando o
comportamento do sinal senoidal do sistema. Portanto, dado esse fator, um
cicloconversor disponibiliza uma tensão de saída com uma série de
harmônicos complexos.
Esses harmônicos, de ordem superior, são �ltrados pela indutância da
máquina, porém os demais interferem e podem reduzir a potência e
pulsações de torque. Nos cicloconversores, não existem dispositivos de
armazenamento, resultando em potência instantânea de entrada e a potência
de saída igual, desconsiderando-se as perdas (UMANS, 2014).
Um cicloconversor é um variador de frequência que converte
potência AC com uma certa frequência de entrada em potência de
saída AC com uma frequência diferente (em geral mais baixa). A
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frequência de saída variável pode ser obtida com qualquer um dos
dois métodos. O mais óbvio é converter AC em DC com o emprego
da reti�cação, seguida de inversão, para obter a frequência de saída
desejada. Esse arranjo, denominado conversor DC-link, é
implementado com conversores controlados por fase. Um método
mais direto é fornecer a frequência desejada de saída em um
estágio, pelo uso de um ciclo conversor (AHMED, 2000, p. 447).
Dessa forma, o ângulo de disparo é alterado, de modo que a tensão média na
carga oscila conforme uma variação senoidal. Nesse caso, tem-se uma
entrada em 50 Hz e uma saída em 5 Hz.
praticar
Vamos Praticar
Em análise a uma ponte monofásica de onda completa com diodos, calcule
os valores médios de tensão de saída do circuito e, posteriormente,
considerando controlar a modulação de tensão, de acordo com a fase de
disparo dos SCR.
V : 25 V
α : 18°
0
d
F E E D B A C K
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A sigla PWM signi�ca modulação por largura de pulso, conforme descrito
anteriormente. A técnica PWM, segundo Petruzella (2013), consegue
substituir outras técnicas de controle de potência, como a técnica on-off,
modulação por frequência e técnicas que utilizavam resistores variáveis em
série. Dessa forma, a PWM possui expressiva aplicação na eletrônica,
principalmente nas fontes chaveadas. Outrossim, também pode ser
empregada nos controles de velocidade dos motores, de luminosidade e de
servo motores e em outras demais aplicações apropriadas para essa técnica.
Funcionamento do PWM
Em uma simpli�cação sobre o funcionamento dessa técnica, suponha uma
simples chave de liga e desliga em um circuito. Quando essa chave está
ligada, permite a passagem de toda a potência do sistema aplicada na carga
em sua totalidade; quando a chave está desligada, nenhum valor de potência
chega até a carga.
Observe que, se controlarmos o tempo que a chave �ca ligada e desligada, é
possível regular o valor da potência que será aplicado à carga. Em outras
palavras, se a chave �ca 50% ligada e 50% desligada, em média, 50% do
tempo será com potência, e os outros 50%, sem potência. Sendo assim, a
Modulação PWM
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potência média aplicada na carga será 50% e deduz-se que: quanto mais
tempo o pulso se mantiver ligado, maior será a potência entregue à carga
(FRANCHI, 2013).
Para o funcionamento de um PWM, considerando uma onda quadrada, deve-
se variar a largura do pulso da onda, o chamado duty cycle. Assim, dois
parâmetros são usados: o período e a largura do pulso,de�nida em
percentuais.
Com a variação da largura do pulso, existe a possibilidade de variação da
quantidade de potência entregue à carga. Os valores da potência e tensão,
nessa forma, são disponibilizados para a carga conforme a necessidade do
circuito. Uma vantagem na aplicação da técnica PWM é que o sinal
permanece digital em todo o percurso, ocorrendo desde o processador até o
circuito controlado, não sendo necessária nenhuma conversão.
Unidade de acionamento de frequência variável
A unidade de acionamento de frequência variável ou de velocidade variável,
segundo descreve Petruzella (2013), é conhecida pelo nome inversor de
frequência. O sistema de acionamento de velocidade de um motor CA é
formado essencialmente por um motor CA, um controlador e uma interface
de operação.
Os motores projetados para velocidade �xa na tensão principal de operação
são frequentemente utilizados, resultando em maior con�abilidade e melhor
desempenho quando acionados por inversores de frequência. As
características de um motor CA descrevem que a tensão aplicada seja
proporcionalmente ajustada pelo inversor de frequência, quando alterada.
Com isso, o método mais comum, usado para o ajuste da tensão do motor, é
o PWM.
Forma de onda de sinal de um PWM
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O PWM funciona no processo de ligar e desligar uma chave de acionamento.
Pelo controle do tempo em que a chave permanece ligada e desligada, é
possível controlar a tensão média fornecida para a carga e
consequentemente a potência elétrica.
Exempli�cando: se a chave �car ligada, em média, 50% do tempo, signi�ca
que a tensão média aplicada na carga também é 50% do valor da fonte de
alimentação. Esse momento em que a chave �ca acionada é chamado de
pulso; portanto, quanto maior for a largura desse pulso, maior será a tensão
entregue a carga (PETRUZELLA, 2013). Na Figura 3.17, é ilustrado o sinal da
onda gerada para 25%, 50% e 75% do duty cycle:
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Figura 3.17 – Representação da forma de onda do sistema PWM, em duty
cycle, de 25%, 50% e de 75%
Fonte: Elaborada pelo autor.
#PraCegoVer: a imagem ilustra três formas de onda, representando a tensão
entregue à carga: 25%, 50% e de 75%. Ou seja, o percentual representa o período
em que a carga é alimentada pelo sistema PWM. De cima para baixo, lemos a
primeira representação: duty cicle de 25% e ondas retangulares, intercaladas com
as palavras, em inglês, off e on. Onde aparecem as palavras off, a onda é maior;
onde aparecem as palavras on, a onda é menor. Abaixo, a segunda
representação: duty cicle de 50%, e ondas retangulares, intercaladas com as
palavras, em inglês, off e on. As ondas são de tamanhos iguais, tanto onde estão
as palavras off quanto as palavras on. Abaixo, a última representação: duty cicle
de 75%, e ondas retangulares, intercaladas com as palavras, em inglês, off e on.
Onde aparecem as palavras off, a onda é menor; onde aparecem as palavras on, a
onda é maior.
Para o controle de um sinal de PWM, o ciclo de trabalho, que também é
conhecido como duty cycle, é de grande relevância, tratando-se da relação
entre a largura de pulso sobre o período. O valor do duty cycle também é
informado em porcentagem (PETRUZELLA, 2013).
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Moduladores PWM
Em uma implementação simpli�cada de um sistema com PWM, dois IGBTs
são colocados em série na fonte de CC, onde são ligados e desligados, para
que possam gerar uma das três fases do motor. Assim, dois circuitos
similares geram as demais fases que alimentam o motor. A Figura 3.18 ilustra
essa implementação:
Figura 3.18 – Circuito simpli�cado de um inversor PWM
Fonte: Petruzella (2013, p. 314).
#PraCegoVer: a imagem ilustra a representação de um circuito com o
barramento conectado às três fases do motor trifásico, com quatro chaves
transistorizadas: Q1, Q2, Q3 e Q4. A seguir, uma representação grá�ca de duas
formas de onda senoidal das fases A e B, respectivamente, assim como uma
terceira representação de sinal de onda, sendo da Fase A para a Fase B. À
esquerda, há o circuito barramento CC, com linhas horizontais e verticais,
representando as chaves transistorizadas. Na parte superior, temos as chaves
Q1, Q3 e Q5. Na parte inferior, as chaves Q2, Q4 e Q6. Entre elas, as fases A, B e C,
ligadas a um círculo, onde se lê motor trifásico. À direita, temos uma área
retangular, onde, verticalmente e de cima para baixo, à esquerda, podemos ler:
fase A para fase B; fase B; fase A. As três fases possuem os pontos (-), 0 e (+).
Horizontalmente, na parte superior, temos as etapas, que vão de 1 a 9, saindo da
esquerda para a direita. Nessa área, temos pequenos retângulos e quadrados,
com linhas curvas e também retas, horizontais e verticais, indicando as
representações de cada uma das fases nas respectivas etapas.
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As chaves apresentadas na Figura 3.18 ilustram os transistores, comutados
para produzir uma fase da saída trifásica. O funcionamento desse sistema é
resumido a seguir, conforme Petruzella (2013, p. 314):
“Durante as etapas 1 e 2, as chaves transistorizadas Q1 e Q4 são
fechadas;
A tensão da fase A para a B é positiva;
Durante a etapa 3, as chaves transistorizadas QI e Q3 são fechadas;
A diferença de tensão entre as fases A e B é igual a zero, o que resulta
em uma tensão de saída zero;
Durante as etapas 4 e 5, as chaves transistorizadas Q2 e Q3 são
fechadas;
Isso resulta em uma tensão negativa entre as fases A e B;
As outras etapas continuam de forma semelhante;
A tensão de saída é dependente do estado das chaves (abertas ou
fechadas), e a frequência é dependente da velocidade de comutação.”
Vantagens do PWM
Segundo Petruzella (2013) e Franchi (2009), em teoria, na operação de um
controle por PWM, existem diversas vantagens a serem consideradas, e
algumas com maior relevância. Na condição de um circuito aberto, nenhuma
corrente circula pelo dispositivo de controle, cuja dissipação é nula. Na
condição de um circuito fechado, teoricamente, se apresenta uma resistência
nula, a queda de tensão é nula, e não dissipa nenhuma potência. Isso
signi�ca que os controles PWM não dissipam potência alguma, portanto
consistem em soluções ideais para esse tipo de aplicação.
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Em comparação, um inversor de frequência de um motor CA fornece tensão e
frequência variáveis para o motor, o que determina a sua velocidade. Quanto
maior for a frequência fornecida ao motor, maior é a rotação (PETRUZELLA,
2013).
CONTROLES PWM
Existem quatro tipos básicos de controle, porém serão mencionados
os dois mais importantes!
#PraCegoVer: o infográ�co apresenta o título “Controles PWM”, e, logo abaixo, se
lê: “Existem quatro tipos básicos de controle, porém serão mencionados os dois
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mais importantes!”. Há dois banners retangulares horizontais, um sobre o outro.
No primeiro, está escrito: “Controle escalar”, e, ao clicar sobre ele, abre-se uma
aba, na qual se lê em tópicos: “Conhecido como Volts/Hertz. Método básico para
uma frequência variável. Controle razoável de velocidade e precisão. Baseia-se no
conceito original de conversor”. No segundo banner, está escrito: “Controle
vetorial”, e, ao clicar sobre ele, abre-se uma aba, na qual também se lê em
tópicos: “Recomendado paraaplicações de alta performance. Recomendado para
respostas rápidas. Produz alto torque de partida. Possui alta precisão e
velocidade”.
15/05/2023, 15:25 E-book
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Material
Complementar
F I L M E
PWM e Duty Cycle: entenda o que é e
como funciona
Ano: 2021
Comentário: Neste vídeo, você poderá entender com mais
detalhes como funciona, o que é e para que serve a
aplicação de uma modulação por largura de pulso, a PWM.
Ainda, conhecerá as formas de onda, com os Duty Cycle.
Destacar-se que são apresentados exemplos práticos da
PWM, facilitando o entendimento desse sistema utilizado
em motores elétricos.
TRA I LER
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L I V R O
Eletrônica de potência: conversores de
energia CA/CC: teoria, prática e
simulação
Autor: Devair Aparecido Arrabaça
Editora: Érica
Capítulo: 3
Ano: 2013
ISBN: 9788536518473  
Comentário: Neste capítulo, a abordagem da eletrônica de
potência, com a ênfase em reti�cadores monofásicos, é
apresentada detalhadamente, em onda completa, com
carga puramente resistiva e fortemente indutiva, com base
no estudo qualitativo (formas de onda) e quantitativo
(equações matemáticas). O texto aborda detalhes de
extrema importância para entender o princípio básico
desse tipo de aplicação de componentes da eletrônica,
principalmente do diodo.
ACESSAR
https://integrada.minhabiblioteca.com.br/reader/books/9788536518473/pageid/67
15/05/2023, 15:25 E-book
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Conclusão
Com o avanço da eletrônica de potência, o acionamento das máquinas elétricas
houve a necessidade de sistemas controlados de velocidade, visando aumentar o
nível de e�ciência das máquinas e de redução dos custos de operação. Neste
material, foram conceitualmente abordados os circuitos de eletrônica de potência,
descrevendo as aplicações em circuitos reti�cadores e em circuitos com
inversores de frequência, controlados e não controlados; circuitos
cicloconversores e no controle dos motores. Concluindo a unidade, os conceitos
de modulação Pulse Width Modulation (PWM) foram amplamente descritos,
demonstrando a utilização no acionamento de máquinas elétricas.
Referên
cias
AHMED, A. Eletrônica de
potência. São Paulo:
Pearson, 2000. ISBN
9788587918031. (Disponível
na Minha Biblioteca).
ARRABAÇA, D. A.; GIMENEZ,
S. P. Eletrônica de potência:
conversores de energia
CA/CC: teoria, prática e
15/05/2023, 15:25 E-book
https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=jgOS%2fj9zmSHyNnZNHv4waA%3d%3d&l=Objqp4tDdvWCyztl61mqPw%3d%3d&cd=%2f… 55/57
simulação. São Paulo: Érica,
2013. ISBN 9788536518473.
(Disponível na Minha
Biblioteca).
FITZGERALD, A. E; KINGSLEY JUNIOR, C.; UMANS, S. D. Máquinas elétricas: com
eletrônica de potência. Porto Alegre: Bookman, 2006.
FRANCHI, C. M. Acionamentos elétricos. São Paulo: Érica, 2013. (Disponível na
Minha Biblioteca).
FRANCHI, C. M. Inversores de frequência: teoria e aplicação. 2. ed. São Paulo:
Érica, 2009.
LENZ, M. L. et al. Acionamentos elétricos. Porto Alegre: SAGAH, 2019. E-book.
ISBN 9788533500235. (Disponível na Minha Biblioteca).
MOHAN, N. Máquinas elétricas e acionamentos: curso introdutório. Rio de Janeiro:
LTC, 2015. Livro digital. (1 recurso online). ISBN 978-85-216-2835-4. Disponível em:
https://integrada.minhabiblioteca.com.br/books/978-85-216-2835-4. Acesso em:
09 dez. 2022.
PETRUZELLA, F. D. Motores elétricos e acionamentos. Porto Alegre: Bookman,
2013.
https://integrada.minhabiblioteca.com.br/books/978-85-216-2835-4
15/05/2023, 15:25 E-book
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