Redes Industriais e Eletrônica

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APOSTILA TÉCNICA APROFUNDADA
Redes Industriais
Tema 10
Aplicações na Indústria e em Sistemas de
Energia
Engenharia Elétrica - 8º semestre
Resumo completo por módulos, com teoria, cálculos, diagramas e aplicação
Observação sobre o arquivo-fonte: este PDF é idêntico ao Tema 6 de Eletrônica Industrial. A apostila mantém
a posição recebida no arquivo compactado e sinaliza a inconsistência para evitar correção silenciosa.
Módulos deste tema
Módulo 1 - Aplicações da eletrônica de potência na indústria
Módulo 2 - Aplicações da eletrônica de potência nos sistemas de energia
Redes Industriais Tema 10 - Aplicações na Indústria e em Sistemas de Energia
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Objetivos e mapa de estudo
Propósito do material da faculdade
Conhecer as aplicações, vantagens e desvantagens dos dispositivos de eletrônica de potência, bem como a
importância desses dispositivos e suas características nos diferentes circuitos, é fundamental para todas as
áreas da engenharia. Objetivos • Reconhecer as aplicações da eletrônica de potência na indústria. •
Reconhecer as aplicações da eletrônica de potência nos sistemas de energia.
O que você deve dominar ao terminar este tema
• Explicar os conceitos com terminologia técnica correta e linguagem simples.
• Interpretar o funcionamento e os diagramas associados.
• Aplicar as equações dentro de suas hipóteses e unidades.
• Comparar componentes, topologias e tecnologias.
• Reconhecer limitações, falhas, riscos e critérios de seleção.
Mapa progressivo dos módulos
Módu
lo
Questão central Resultado esperado
1 Como compreender e aplicar aplicações da eletrônica
de potência na indústria?
Analisar, calcular quando aplicável e justificar
uma decisão de engenharia.
2 Como compreender e aplicar aplicações da eletrônica
de potência nos sistemas de energia?
Analisar, calcular quando aplicável e justificar
uma decisão de engenharia.
Redes Industriais Tema 10 - Aplicações na Indústria e em Sistemas de Energia
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Módulo 1 - Aplicações da eletrônica de
potência na indústria
Fundamento → compreensão → funcionamento → análise → aplicação de engenharia
1. Visão geral
O módulo trata de aplicações da eletrônica de potência na indústria. Sua finalidade é permitir que o
estudante reconheça o fenômeno, equipamento ou arquitetura, modele seu comportamento e utilize os
resultados em decisões de projeto, operação, diagnóstico e proteção.
Dentro de Redes Industriais, esse conhecimento é importante porque reduz consumo e melhora processo. Ele
aparece em aplicações como: Problema: obter controle eficiente de energia em processo ou rede. Solução:
selecionar arquitetura de conversão, semicondutores, filtros, controle e proteção de acordo com o perfil de
carga.
Dispositivo de campo → Quadro / mensagem → Meio e infraestrutura →
Controlador /
aplicação
Figura conceitual - caminho funcional do assunto estudado.
2. Conceitos fundamentais
Conceitos centrais explicados
Conceito: Acionamento elétrico
Definição técnica: Conjunto conversor-motor-controle.
Explicação simples: Ajusta energia elétrica para obter torque e velocidade.
Importância: Reduz consumo e melhora processo.
Conceito: Fonte chaveada
Definição técnica: Conversor de energia em alta frequência.
Explicação simples: Usa chaveamento e filtros em vez de dissipação linear.
Importância: Oferece alto rendimento e densidade.
Conceito: Aquecimento e soldagem
Definição técnica: Controle eletrônico de potência térmica ou de arco.
Explicação simples: Modula energia entregue ao processo.
Importância: Melhora repetibilidade e produtividade.
Desenvolvimento dos subassuntos do material-base
Os blocos abaixo reorganizam os pontos teóricos distribuídos nas páginas do módulo. Foram removidas chamadas de vídeo,
alternativas de questões e repetições, mas preservado o desenvolvimento conceitual necessário ao estudo.
Eletrônica de potência nos dias atuais A eletrônica de potência é um dos assuntos contemporâneos da
engenharia elétrica que tem visto muitos avanços nos últimos tempos e tem promovido impacto nos meios
industriais e domésticos em quase todas as áreas. Ela encontra diversas aplicações nas áreas comerciais, meios
industriais e, até mesmo, no dia a dia.
Estrutura interna de um tiratron.
Em seu funcionamento, um gás inerte ou vapor metálico é utilizado para preencher uma câmara de vidro, onde
ocorrerá uma descarga elétrica. A grade controla apenas o início do fluxo de corrente elétrica da descarga,
portanto, fornecendo um efeito de disparo ou gatilho para o início da condução. O potencial de grade é negativo
em relação ao catodo e impede que os elétrons fluem para a placa e estimulem uma descarga elétrica.
Após o desenvolvimento do SCR, diferentes dispositivos eletrônicos de potência surgiram, como GTO, IGBT, MCT,
TRIAC, DIAC, MOSFETs de Potência, UJT e outros diversos. Esses dispositivos são recomendados para aplicações
que envolvem várias centenas de volts e ampères, ao contrário dos dispositivos semicondutores convencionais
que funcionam com alguns poucos volts e ampères.
No entanto, a magnitude de Von ou Ileakage é muito menor do que as tensões e correntes operacionais;
portanto, a potência em todo o dispositivo também é muito menor, na ordem de alguns miliwatts, que a
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potência em condições de operação.
Aplicação da eletrônica de potência Os dispositivos eletrônicos de potência, sozinhos, não são tão úteis em
aplicações práticas. Dessa forma, eles precisam ser projetados juntamente com um circuito eletroeletrônico e
com outros componentes adicionais, que são uma parte importante na tomada de decisão sobre a chaves
eletrônicas de potência a ser selecionada para obtenção da saída desejada. Isso inclui o circuito de disparo
necessário, para o acionamento da chave, e o circuito de realimentação, para seu funcionamento adequado,
dependendo do dispositivo.
A unidade de controle recebe o sinal de realimentação (feedback) da saída dos sensores e compara essa
informação com as referências. A partir do resultado da comparação, um sinal de entrada é gerado para o
circuito de disparo, que, basicamente, é um circuito gerador de pulso, que fornece saídas em pulso, de maneira
a controlar os interruptores eletrônicos de potência para o circuito principal (circuito de potência).
Inversores Circuitos utilizados na conversão de sinais em corrente contínua (CC) para corrente alternada (CA)
com amplitude variável e frequência variável.
Você sabia
Você sabia? Um circuito conversor é, basicamente, qualquer circuito capaz de converter energia elétrica de uma
forma para outra.
São vastas as aplicações da eletrônica de potência nos processos industriais, sendo utilizada em quase todos os
campos onde a energia elétrica é empregada. A utilização de dispositivos eletrônicos de potência é cada vez
maior, especialmente com as tendências atuais de novos dispositivos e design integrado de dispositivos
semicondutores de potência e controladores. A facilidade de fabricação levou à disponibilidade desses
dispositivos em uma vasta gama de classificações, com tensões e correntes nas mais diferentes intensidades e
também em sistemas de alta tensão e extra alta tensão.
Automóveis e tração
Metrôs, veículos elétricos híbridos, carrinhos, empilhadeiras e diversos outros veículos. Os carros modernos
utilizam diversos componentes da eletrônica de potência, tais como: interruptores de ignição; controle do
limpador de para-brisa; iluminação dianteira adaptativa; iluminação interna; direção elétrica; entre outros. Além
disso, a eletrônica de potência é amplamente utilizada em modernos sistemas de tração e navegação.
Produção em massa
Produção em massa: devido ao grande desenvolvimento nas técnicas de produção de dispositivos
semicondutores, os dispositivos eletrônicos de potência baseados em semicondutores são produzidos em
grandes quantidades o que, portanto, resulta em preços mais baixos. Esses dispositivos estão disponíveis em
uma variedade de classificações de tensão e corrente diversificadas;
Elevadaeficiência
Elevada eficiência: na maioria das aplicações nos meios industriais, esses dispositivos atuam como um
interruptor e, em ambos os modos, como interruptor, ou seja, quando ligado e desligado, a perda de energia
nele é muito menor, e as perdas de comutação também são consideradas baixas;
Harmônicos: essa é a única desvantagem realmente relevante na aplicação dos sistemas eletrônicos de
potência. Esses dispositivos injetam harmônicos consideráveis em ambos os lados: no lado da carga conectada e
no lado da fonte de energia. Os harmônicos são ruídos em diversas frequências, injetados nos sinais
fundamentais. Como os conversores alteram a forma de onda senoidal de acordo com a necessidade, são
gerados harmônicos na tensão, na corrente de saída e também na corrente de entrada do conversor, o que cria
muitos problemas em ambos os lados.
Além disso, o transformador do lado de entrada também fica superaquecido e sua eficiência é reduzida.
Transformadores conversores especiais são usados quando a saída possui sistemas eletrônicos de potência
consideráveis, como acionamentos de motores em indústrias. Os harmônicos também aumentam o efeito Joule
nos cabos e, portanto, mais aquecimento. Assim, é necessário instalar filtros no lado de entrada também;
Baixa capacidade de sobrecarga
Baixa capacidade de sobrecarga: os dispositivos eletrônicos de potência funcionam com tensão e corrente
nominais, desde que seja fornecido um sistema de dissipação de calor adequado. O excesso de corrente causa
pontos quentes nas junções e queima de dispositivos. Altas variações de tensão e de corrente levam a disparos
falsos e, portanto, um dispositivo eletrônico de potência, precisa de arranjos de proteção obrigatórios, como o
circuito snubber, entre outros.
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3. Funcionamento
A sequência funcional deve ser lida do estímulo ou entrada até a resposta do sistema. Em cada etapa, o
engenheiro observa as variáveis de estado, conversões, atrasos, perdas e condições de falha.
1. A fonte fornece energia ao conversor.
2. O estágio de potência modifica tensão, corrente ou frequência.
3. O controle usa medições para ajustar o chaveamento.
4. A carga ou rede recebe energia condicionada dentro dos limites.
4. Equações e relações matemáticas
η = Pout/Pin
Variáveis e unidades: Potências em W; η adimensional.
Significado físico: Rendimento do sistema.
Pperdas = Pin - Pout
Variáveis e unidades: Potências em W.
Significado físico: Base do dimensionamento térmico.
S = P + jQ
Variáveis e unidades: Potência complexa em VA.
Significado físico: Interação com a rede CA.
Condições de validade
• Unidades coerentes no SI.
• Hipóteses e condições de contorno explicitadas.
• Resultados validados contra limites do equipamento e do processo.
5. Componentes, elementos ou equipamentos
Elemento/equipamen
to
Função Princípio Características e limitações
Retificador Criar barramento CC. Comutação por
diodos/tiristores.
Harmônicas.
Inversor Gerar tensão variável. PWM. EMI e perdas.
Controlador Regular variável de
processo.
Realimentação. Sensores, atraso e estabilidade.
A tabela resume a função principal. A seleção final deve considerar tensão, corrente, frequência, ambiente, tolerância,
proteção, manutenção e vida útil conforme a natureza do elemento.
6. Aplicação prática
Problema obter controle eficiente de energia em processo ou rede.
Solução selecionar arquitetura de conversão, semicondutores, filtros, controle e
proteção de acordo com o perfil de carga.
Funcionamento A fonte fornece energia ao conversor. O estágio de potência modifica tensão,
corrente ou frequência. O controle usa medições para ajustar o chaveamento.
Resultado esperado Resultado tecnicamente verificável, dentro dos limites de desempenho,
segurança e operação.
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7. Exemplo de engenharia
Orçamento de latência industrial
Problema: Uma aplicação admite 20 ms; sensor usa 3 ms, controlador 5 ms e atuador 4 ms.
Resolução passo a passo
1. Tempo local=3+5+4=12 ms.
2. Resta 8 ms para rede, filas e margem.
3. O projeto deve medir o pior caso sob carga e durante recuperação de falha.
Resultado: Orçamento bruto de rede=8 ms.
Interpretação de engenharia: O prazo deve ser distribuído entre todos os elementos do caminho.
8. Pontos críticos e cuidados
• Avaliar ciclo de carga e ambiente.
• Dimensionar proteção e coordenação.
• Verificar harmônicas, fator de potência e EMI.
• Considerar falhas de sensores e controle.
• Comparar eficiência total e manutenção.
Erros e modos de falha recorrentes
Erro/modo de falha Consequência Prevenção ou verificação
Rede plana Propagação de falhas e ataques Segmentar zonas e conduítes
Timeout sem pior caso Paradas falsas ou reação lenta Medir latência e jitter sob carga
Mapa de dados ambíguo Comando ou escala incorretos Documentar tipo, unidade, endianess e
qualidade
9. Relação com outros assuntos
• Máquinas e acionamentos.
• Automação e controle.
• Qualidade de energia e sistemas de potência.
A relação entre disciplinas é importante porque o comportamento elétrico, a instrumentação, o controle, a
comunicação e a proteção formam um único sistema na aplicação real.
10. Complementos técnicos
Complemento técnico: o benefício energético deve ser calculado no ponto de operação real; rendimento
nominal isolado não representa o desempenho ao longo do ciclo de carga.
Complemento: throughput médio não demonstra tempo real. O projeto precisa de pior latência, jitter,
recuperação de redundância, qualidade do dado, segmentação e resposta segura à perda de comunicação.
Observação técnica: O arquivo recebido como Tema 10 de Redes Industriais é idêntico ao Tema 6 de
Eletrônica Industrial. O resumo preserva o conteúdo fornecido, mas a classificação disciplinar merece
conferência na plataforma acadêmica.
Normas e referências normativas relacionadas
• IEC 62443 - segurança cibernética para sistemas de automação e controle industrial. Consultar a edição
vigente e o escopo aplicável.
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11. O que realmente precisa ser memorizado
• Eletrônica de potência processa energia por chaveamento.
• Acionamento integra conversor, motor e controle.
• Rendimento e qualidade de energia devem ser avaliados juntos.
• PWM gera harmônicas e EMI.
• Proteção e refrigeração são partes do sistema.
• η = Pout/Pin - Rendimento do sistema.
• Pperdas = Pin - Pout - Base do dimensionamento térmico.
• S = P + jQ - Interação com a rede CA.
12. Resumo final do módulo
• O assunto central é Aplicações da eletrônica de potência na indústria.
• Acionamento elétrico: Conjunto conversor-motor-controle.
• Fonte chaveada: Conversor de energia em alta frequência.
• Aquecimento e soldagem: Controle eletrônico de potência térmica ou de arco.
• Eletrônica de potência processa energia por chaveamento.
• Acionamento integra conversor, motor e controle.
• Rendimento e qualidade de energia devem ser avaliados juntos.
• PWM gera harmônicas e EMI.
• Proteção e refrigeração são partes do sistema.
Checklist de domínio
□ Consigo explicar, sem consultar o texto, o que é aplicações da eletrônica de potência na indústria e por que
esse assunto é usado?
□ Consigo diferenciar Acionamento elétrico de Fonte chaveada e dar uma aplicação de cada um?
□ Consigo identificar as unidades, hipóteses e significado físico das equações principais?
□ Consigo refazer o exemplo numérico e interpretar o sinal, a ordem de grandeza e o limite do resultado?
□ Consigo reconhecer os três principais erros de projeto ou operação discutidos no módulo?
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Módulo 2 - Aplicações da eletrônica de
potência nos sistemas de energia
Fundamento → compreensão → funcionamento → análise → aplicação de engenharia
1. Visão geral
O módulo trata de aplicações da eletrônica de potência nos sistemas de energia. Sua finalidade é permitirque
o estudante reconheça o fenômeno, equipamento ou arquitetura, modele seu comportamento e utilize os
resultados em decisões de projeto, operação, diagnóstico e proteção.
Dentro de Redes Industriais, esse conhecimento é importante porque eleva controlabilidade e estabilidade.
Ele aparece em aplicações como: Problema: obter controle eficiente de energia em processo ou rede.
Solução: selecionar arquitetura de conversão, semicondutores, filtros, controle e proteção de acordo com o
perfil de carga.
Dispositivo de campo → Quadro / mensagem → Meio e infraestrutura →
Controlador /
aplicação
Figura conceitual - caminho funcional do assunto estudado.
2. Conceitos fundamentais
Conceitos centrais explicados
Conceito: FACTS
Definição técnica: Eletrônica de potência aplicada ao controle de redes CA.
Explicação simples: Ajusta tensão, impedância ou potência reativa.
Importância: Eleva controlabilidade e estabilidade.
Conceito: HVDC
Definição técnica: Transmissão em corrente contínua com conversores terminais.
Explicação simples: Conecta sistemas por elo CC controlável.
Importância: Útil em longas distâncias e redes assíncronas.
Conceito: Integração renovável
Definição técnica: Conversores condicionam energia de fontes variáveis.
Explicação simples: Adequam tensão, frequência e sincronismo.
Importância: Permitem conexão segura à rede.
Desenvolvimento dos subassuntos do material-base
Os blocos abaixo reorganizam os pontos teóricos distribuídos nas páginas do módulo. Foram removidas chamadas de vídeo,
alternativas de questões e repetições, mas preservado o desenvolvimento conceitual necessário ao estudo.
Contudo, através desse sistema, o fornecimento para as lâmpadas era intermitente e, em 1882, Thomas Edison
e sua empresa, The Edison Electric Light Company, desenvolveram a primeira usina elétrica a vapor na Pearl
Street, na cidade de Nova York. A Pearl Street Station, inicialmente, alimentava cerca de 3.000 lâmpadas para
59 clientes. A usina gerava corrente contínua e operava em uma única tensão.
Ainda nesse mesmo período, em Londres, Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs desenvolveram um equipamento
denominado gerador secundário, que consistia no primeiro transformador adequado para uso em um sistema de
energia real. Uma aplicação prática do transformador de Gaulard e Gibbs foi demonstrada em 1884, em Turim,
onde o transformador foi usado para iluminar quarenta quilômetros de ferrovia a partir de um único gerador de
corrente alternada.
Em 1886, William Stanley, reconheceu, independentemente, o problema de conectar transformadores em série
em oposição a paralelo, e também, percebeu que tornar o núcleo de ferro de um transformador um circuito
totalmente fechado melhoraria a regulação de tensão do enrolamento secundário. Usando esse conhecimento,
ele construiu um sistema de energia de corrente alternada, baseado em transformador multivoltagem, ou seja,
um sistema capaz de atender a várias residências (cargas diferentes).
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A maioria dos equipamentos industriais e/ou domésticos, tais como refrigeradores, condicionadores de ar,
bombas e máquinas industriais, usam energia alternada, enquanto a maioria dos computadores e equipamentos
digitais usam energia contínua (dispositivos digitais conectados à rede elétrica, normalmente, têm um
adaptador de energia interno ou externo para converter a tensão alternada em tensão contínua). A energia CA
tem a vantagem de ser fácil de transformar entre as tensões e pode ser gerada e utilizada por máquinas sem
escovas. A energia CC continua sendo a única opção prática em sistemas digitais e pode ser mais econômica
para transmitir em longas distâncias em tensões muito altas ( high voltage direct current - HVDC).
Dependendo de como os polos são alimentados, os geradores de corrente alternada podem produzir um número
variável de fases de energia. Um número maior de fases não só leva a uma operação mais eficiente do sistema
de energia como também aumenta os seus requisitos de infraestrutura. Os sistemas de rede elétrica conectam
vários geradores operando na mesma frequência: o mais comum é o trifásico em 50 ou 60 Hz.
Potência Garantir que a tensão, frequência e quantidade de energia fornecida às cargas estejam de acordo com
as expectativas é o grande desafio dos sistemas elétricos, entretanto, não é o único. Além da energia usada por
uma carga para fazer um trabalho útil (denominado energia real), muitos dispositivos de corrente alternada
também usam uma quantidade adicional de energia, porque fazem com que a tensão e a corrente alternadas
fiquem, ligeiramente, fora de sincronismo (denominada potência reativa). A potência reativa, como a potência
real, deve se equilibrar (ou seja, a potência reativa produzida em um sistema deve ser igual à potência reativa
consumida) e pode ser fornecida pelos geradores, porém, muitas vezes, é mais econômico fornecer essa
potência a partir de capacitores.
Triângulo de potências de um sistema elétrico.
O ângulo define a relação entre a potência fornecida pela rede elétrica (potência aparente) e a potência
efetivamente transformada em trabalho (potência ativa).
A maioria das cargas em um sistema de alimentação CA é indutiva. Essa característica faz com que a corrente
esteja atrasada em relação à tensão. Como a tensão e a corrente estão fora de fase, isso leva ao surgimento de
uma forma "imaginária" de energia, conhecida como potência reativa, que não realiza trabalho mensurável, mas
é transmitida entre a fonte de potência reativa e a carga a cada ciclo de alimentação da fonte.
Condutores Os condutores são os meios que transportam a energia dos geradores para a carga. Em uma rede,
os condutores podem ser classificados como pertencentes ao sistema de transmissão e são responsáveis por
transportar grandes quantidades de energia em altas tensões (tipicamente mais de 69 kV) dos centros
geradores aos centros de carga, ou ao sistema de distribuição, que alimenta quantidades menores de energia.
Os condutores também são responsáveis pelo transporte da energia em tensões mais baixas (normalmente
menos de 69 kV) dos centros de carga para residências e indústrias próximas.
A eletrônica de potência envolve dispositivos baseados em semicondutores que são capazes de alternar
quantidades de energia que variam de algumas centenas de watts a várias centenas de megawatts. Apesar de
sua função relativamente simples, sua velocidade de operação (tipicamente na ordem de nanossegundos)
significa que eles são capazes de uma ampla gama de tarefas que seriam difíceis ou impossíveis com a
tecnologia convencional.
A eletrônica de potência apresenta uma ampla gama de aplicações em veículos elétricos e híbridos modernos,
onde é usada tanto para o controle do motor quanto como parte do motor CC sem escovas. Além disso, ela
também é encontrada em diversos veículos movidos a gasolina, porque a energia fornecida pelas baterias do
carro é insuficiente para sustentar a ignição, o ar-condicionado, a iluminação interna, o sistema de som e os
displays de painel durante a vida útil do carro. Portanto, as baterias precisam ser recarregadas durante a
condução, o que, normalmente, é realizada usando a eletrônica de potência.
Alguns disjuntores em miniatura operam apenas com base no eletromagnetismo
Alguns disjuntores em miniatura operam apenas com base no eletromagnetismo. Neles, a corrente passa por um
solenoide cuja tração magnética, no caso de excesso de fluxo de corrente, é suficiente para forçar a abertura
dos contatos do disjuntor (muitas vezes indiretamente por meio de um mecanismo de disparo). Um projeto
alternativo consiste na inserção de uma tira bimetálica antes do solenoide - isso significa que, em vez de sempre
produzir uma força magnética, o solenoide só produz uma força magnética quando a corrente é forte o
suficiente para deformar a tira bimetálica e completar o circuito.
O segundo problema consiste em resolver a inadequação dos fusíveis para atuar como o único dispositivo de
segurançanos sistemas de energia, o que pode ser resolvido pelo uso de dispositivos de corrente residual
(RCDs). Em qualquer aparelho elétrico funcionando corretamente, a corrente que entra no aparelho na linha
ativa (fase) deve ser igual à corrente que sai do aparelho na linha neutra (neutro). Um dispositivo de corrente
residual funciona monitorando as linhas ativa e neutra e desligando a linha ativa se qualquer diferença for
percebida. Os dispositivos de corrente residual requerem uma linha neutra separada para cada fase e para
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poder desarmar dentro de um intervalo curto de tempo antes que ocorram danos.
Os motores de indução têm partida automática, ou seja, quando a alimentação é fornecida ao motor, ele
começa a girar sem qualquer ajuda externa. Quando um motor de indução é iniciado, pois não há resistência
inicialmente (ou seja, durante a partida), há uma tendência de grande fluxo de corrente através do circuito do
rotor, o que pode danificar o circuito permanentemente.
Esse tipo de partida também é definido como partida não balanceada para partida suave; é outro tipo de
método de partida em que a impedância é introduzida apenas em uma das fases de alimentação. Durante a
partida, a impedância é mantida muito alta para que o motor funcione como monofásico. Quando a velocidade
atinge um valor de regime permanente, a impedância é removida completamente. Esse método de partida
também é sem solavancos, e a operação é muito suave.
Frenagem de motores de indução Quando se trata de controlar uma máquina elétrica por acionamentos
elétricos, a etapa da frenagem é de grande importância, pois ajuda a diminuir a velocidade do motor de acordo
com a vontade ou a necessidade do processo. A frenagem de motores de indução pode ser classificada em três
tipos principais: frenagem regenerativa, frenagem por tensão reversa e frenagem dinâmica.
Frenagem dinâmica CC Outro tipo de frenagem dinâmica é a frenagem dinâmica CC. Nesse método, o estator do
motor de indução é conectado à alimentação CC. As consequências de conectar uma alimentação CC ao estator
são as seguintes: a corrente CC produz um campo magnético estacionário no rotor. Como resultado, há uma
tensão induzida no enrolamento do rotor e, portanto, a máquina funciona como um gerador que se opõe ao
movimento do motor, produzindo uma frenagem.
Controle de frequência de alimentação.
Controle de corrente parasita O método de controle de velocidade de corrente parasita é feito colocando uma
embreagem de corrente parasita entre um motor de indução, que está funcionando em uma velocidade fixa, e a
carga de velocidade variável. A embreagem de correntes parasitas consiste na conexão do motor de indução em
que tanto o estator quanto o rotor podem girar. Nesse caso, o rotor é acoplado ao motor de indução principal.
Quando as correntes parasitas são produzidas no tambor do rotor, sua interação com o campo do estator
promove um torque que faz girar o motor principal. Ao controlar a corrente CC através do enrolamento do
estator, a velocidade do motor pode ser controlada.
3. Funcionamento
A sequência funcional deve ser lida do estímulo ou entrada até a resposta do sistema. Em cada etapa, o
engenheiro observa as variáveis de estado, conversões, atrasos, perdas e condições de falha.
1. A fonte fornece energia ao conversor.
2. O estágio de potência modifica tensão, corrente ou frequência.
3. O controle usa medições para ajustar o chaveamento.
4. A carga ou rede recebe energia condicionada dentro dos limites.
4. Equações e relações matemáticas
η = Pout/Pin
Variáveis e unidades: Potências em W; η adimensional.
Significado físico: Rendimento do sistema.
Pperdas = Pin - Pout
Variáveis e unidades: Potências em W.
Significado físico: Base do dimensionamento térmico.
S = P + jQ
Variáveis e unidades: Potência complexa em VA.
Significado físico: Interação com a rede CA.
Condições de validade
• Unidades coerentes no SI.
• Hipóteses e condições de contorno explicitadas.
• Resultados validados contra limites do equipamento e do processo.
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5. Componentes, elementos ou equipamentos
Elemento/equipamen
to
Função Princípio Características e limitações
Conversor conectado
à rede
Controlar corrente e
potência.
PWM e filtros. Harmônicas e requisitos de
proteção.
Filtro/reator Limitar ripple e di/dt. Impedância seletiva. Ressonância.
Controle e
sincronismo
Seguir fase e frequência. PLL e malhas de corrente. Desempenho em faltas e rede
fraca.
A tabela resume a função principal. A seleção final deve considerar tensão, corrente, frequência, ambiente, tolerância,
proteção, manutenção e vida útil conforme a natureza do elemento.
6. Aplicação prática
Problema obter controle eficiente de energia em processo ou rede.
Solução selecionar arquitetura de conversão, semicondutores, filtros, controle e
proteção de acordo com o perfil de carga.
Funcionamento A fonte fornece energia ao conversor. O estágio de potência modifica tensão,
corrente ou frequência. O controle usa medições para ajustar o chaveamento.
Resultado esperado Resultado tecnicamente verificável, dentro dos limites de desempenho,
segurança e operação.
7. Exemplo de engenharia
Orçamento de latência industrial
Problema: Uma aplicação admite 20 ms; sensor usa 3 ms, controlador 5 ms e atuador 4 ms.
Resolução passo a passo
1. Tempo local=3+5+4=12 ms.
2. Resta 8 ms para rede, filas e margem.
3. O projeto deve medir o pior caso sob carga e durante recuperação de falha.
Resultado: Orçamento bruto de rede=8 ms.
Interpretação de engenharia: O prazo deve ser distribuído entre todos os elementos do caminho.
8. Pontos críticos e cuidados
• Avaliar ciclo de carga e ambiente.
• Dimensionar proteção e coordenação.
• Verificar harmônicas, fator de potência e EMI.
• Considerar falhas de sensores e controle.
• Comparar eficiência total e manutenção.
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Erros e modos de falha recorrentes
Erro/modo de falha Consequência Prevenção ou verificação
Rede plana Propagação de falhas e ataques Segmentar zonas e conduítes
Timeout sem pior caso Paradas falsas ou reação lenta Medir latência e jitter sob carga
Mapa de dados ambíguo Comando ou escala incorretos Documentar tipo, unidade, endianess e
qualidade
9. Relação com outros assuntos
• Máquinas e acionamentos.
• Automação e controle.
• Qualidade de energia e sistemas de potência.
A relação entre disciplinas é importante porque o comportamento elétrico, a instrumentação, o controle, a
comunicação e a proteção formam um único sistema na aplicação real.
10. Complementos técnicos
Complemento técnico: o benefício energético deve ser calculado no ponto de operação real; rendimento
nominal isolado não representa o desempenho ao longo do ciclo de carga.
Complemento: throughput médio não demonstra tempo real. O projeto precisa de pior latência, jitter,
recuperação de redundância, qualidade do dado, segmentação e resposta segura à perda de comunicação.
Observação técnica: O arquivo recebido como Tema 10 de Redes Industriais é idêntico ao Tema 6 de
Eletrônica Industrial. O resumo preserva o conteúdo fornecido, mas a classificação disciplinar merece
conferência na plataforma acadêmica.
Normas e referências normativas relacionadas
• IEC 62443 - segurança cibernética para sistemas de automação e controle industrial. Consultar a edição
vigente e o escopo aplicável.
11. O que realmente precisa ser memorizado
• Conversores controlam fluxo e qualidade de energia.
• HVDC conecta redes e transmite grandes blocos.
• FACTS atua em redes CA.
• Sincronismo é essencial.
• Proteção deve considerar corrente limitada por conversores.
• η = Pout/Pin - Rendimento do sistema.
• Pperdas = Pin - Pout - Base do dimensionamento térmico.
• S = P + jQ - Interação com a rede CA.
12. Resumo final do módulo
• O assunto central é Aplicações da eletrônica de potência nos sistemas de energia.• FACTS: Eletrônica de potência aplicada ao controle de redes CA.
• HVDC: Transmissão em corrente contínua com conversores terminais.
• Integração renovável: Conversores condicionam energia de fontes variáveis.
• Conversores controlam fluxo e qualidade de energia.
• HVDC conecta redes e transmite grandes blocos.
• FACTS atua em redes CA.
• Sincronismo é essencial.
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• Proteção deve considerar corrente limitada por conversores.
Checklist de domínio
□ Consigo explicar, sem consultar o texto, o que é aplicações da eletrônica de potência nos sistemas de
energia e por que esse assunto é usado?
□ Consigo diferenciar FACTS de HVDC e dar uma aplicação de cada um?
□ Consigo identificar as unidades, hipóteses e significado físico das equações principais?
□ Consigo refazer o exemplo numérico e interpretar o sinal, a ordem de grandeza e o limite do resultado?
□ Consigo reconhecer os três principais erros de projeto ou operação discutidos no módulo?
Redes Industriais Tema 10 - Aplicações na Indústria e em Sistemas de Energia
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Referências e orientação de uso
Fonte principal: PDF do tema fornecido pela Universidade Estácio de Sá. O texto foi reorganizado e
complementado tecnicamente para estudo; chamadas interativas, alternativas de exercícios e repetições
foram excluídas.
Para projeto e operação reais, consultar as edições vigentes das normas, requisitos da
concessionária/empresa, estudos do sistema e documentação dos fabricantes. A apostila não substitui
procedimento de segurança, estudo executivo ou responsabilidade técnica.
Referências apresentadas no material-fonte
• ALVES, Raimundo Nazareno Cunha. Análise e implementação de técnicas de modulação em largura de pulso
para uso em inversores trifásicos. 221f. (Tese) Doutorado em Engenharia Elétrica, curso de pós-graduação
em Engenharia Elétrica, Centro de Ciências e Tecnologia e Informática, Universidade Federal da Paraíba.
Campina Grande (PB), 1998.
• BRAGA, Newton C. Semicondutores de potência. São Paulo: Editora Newton C. Braga, 2014.
• DA SILVEIRA, Sérgio Amadeu. A noção de modulação e os sistemas algorítmicos. PAULUS: Revista de
Comunicação da FAPCOM, v. 3, n. 6, 2019.
• FRANCHI, Claiton Moro. Inversores de frequência: teoria e aplicações. São Paulo: Saraiva Educação SA,
2009.
• GERMANOS, Ricardo Alberto Coppola et al. Inversores de potência: conceitos teóricos e demonstração
experimental. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 42, 2020.
• HART, Daniel W. Eletrônica de potência: análise e projetos de circuitos. São Paulo: McGraw Hill Brasil, 2016.
• RASHID, M. H. Eletrônica de potência: dispositivos, circuitos e aplicações. 4 ed. São Paulo: Pearson
Education do Brasil, 2014.