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1 ELETRÔNICA DE POTÊNCIA IELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 01 Aula 01 -- Introdução à Eletrônica de PotênciaIntrodução à Eletrônica de Potência UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINAUNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICASCENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICACURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA Prof. Leandro Michels, Dr. Eng.Prof. Leandro Michels, Dr. Eng. leandromichels@gmail.comleandromichels@gmail.com EPO I – Aula 01 – ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 2 Eletrônica de potênciaEletrônica de potência Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? Eletrônica de potência é a tecnologia Eletrônica de potência é a tecnologia associada ao eficiente processamento e associada ao eficiente processamento e controle da energia por meios estáticos a partir controle da energia por meios estáticos a partir da sua forma disponível de entrada e forma da sua forma disponível de entrada e forma desejada em sua saídadesejada em sua saída ?? Sua faixa de potência vai de mW (telefone Sua faixa de potência vai de mW (telefone celular) a centenas de MW (sistemas de celular) a centenas de MW (sistemas de energia)energia) ?? Área multidisciplinar Área multidisciplinar 3 Eletrônica de potênciaEletrônica de potência Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? Áreas de conhecimento associadas: Áreas de conhecimento associadas: ?? Conversão de energiaConversão de energia ?? Circuitos elétricosCircuitos elétricos ?? EletrônicaEletrônica ?? ControleControle ?? InstrumentaçãoInstrumentação ?? Sistemas de energiaSistemas de energia ?? Máquinas elétricasMáquinas elétricas ?? Compatibilidade eletromagnéticaCompatibilidade eletromagnética 4 Eletrônica de potênciaEletrônica de potência Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? Métodos de processamento da energia:Métodos de processamento da energia: ?? Linear Linear →→ conversão atravconversão atravéés de transistores s de transistores operando como resistores varioperando como resistores variááveis veis →→ elevadas elevadas perdas perdas →→ eletrônica analeletrônica analóógica convencional gica convencional (ex.: amplificador de som de r(ex.: amplificador de som de ráádio)dio) ?? Comutada Comutada →→ conversão atravconversão atravéés de dispositivos s de dispositivos eletrônicos operando como interruptores eletrônicos operando como interruptores →→ operação em etapas operação em etapas (ex.: sistema de partida suave de motores (ex.: sistema de partida suave de motores → → softstarterssoftstarters)) 5 Conversores estáticosConversores estáticos Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais E1 E2 v1,f1 v2,f2 Retificador Inversor Conversor indireto CC Conversor indireto CA Conversor direto CC Conversor direto CA Classificação quanto à forma de conversãoClassificação quanto à forma de conversão:: ?? CCCC--CC (CC (pulsadorpulsador)) ?? CACA--CC (retificador)CC (retificador) ?? CCCC--CA (inversor)CA (inversor) ?? CACA--CA (CA (gradadorgradador// cicloconversorcicloconversor)) 6 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais Classificação quanto ao fluxo de energia:Classificação quanto ao fluxo de energia: 1.1. Unidirecional em tensão e corrente (1 Unidirecional em tensão e corrente (1 quadquad)) 2.2. Bidirecional em tensão e unidirecional em corrente Bidirecional em tensão e unidirecional em corrente (2 (2 quadquad)) 3.3. Bidirecional em corrente e unidirecional em tensão Bidirecional em corrente e unidirecional em tensão (2 (2 quadquad)) 4.4. Bidirecional em tensão e corrente (4 Bidirecional em tensão e corrente (4 quadquad)) ik vk 1o quad.2o quad. 4o quad.3o quad. Conversores estáticosConversores estáticos 7 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais Classificação quanto ao modo de operaçãoClassificação quanto ao modo de operação:: ?? Conversores comutados pela linha (EPO1)Conversores comutados pela linha (EPO1) ?? Necessitam de uma tensão CA externa para Necessitam de uma tensão CA externa para operarem adequadamenteoperarem adequadamente ?? Empregam interruptores nãoEmpregam interruptores não--controlados controlados (diodos) e semi(diodos) e semi--controlados (tiristores)controlados (tiristores) ?? Conversores completamente controlConversores completamente controlááveis (EPO2)veis (EPO2) ?? Não necessitam de tensão CA externaNão necessitam de tensão CA externa ?? Empregam interruptores nãoEmpregam interruptores não--controlados controlados (diodos) e completamente controlados (diodos) e completamente controlados (transistores)(transistores) Conversores estáticosConversores estáticos 8 Aplicações: conversores estáticosAplicações: conversores estáticos Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais 9 Conversores comutados pela linhaConversores comutados pela linha Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais Dispositivos de processamento de energiaDispositivos de processamento de energia TiristorTiristor DiodoDiodo Indutor (reator)Indutor (reator) TransformadorTransformador Capacitor Capacitor eletrolítico (CC)eletrolítico (CC) Capacitor Capacitor metalizado (CA)metalizado (CA) 10 Conversores comutados pela linhaConversores comutados pela linha EPO I – Aula 01 – Informações gerais Dispositivos de proteção e dissipaçãoDispositivos de proteção e dissipação Dissipador de calorDissipador de calor Prof. Leandro Michels VaristorVaristor Fusível para Fusível para semicondutorsemicondutor ResistorResistor SnubberSnubber VentiladorVentilador Resistor NTCResistor NTC 11 Conversores comutados pela linhaConversores comutados pela linha EPO I – Aula 01 – Informações gerais Dispositivos de instrumentaçãoDispositivos de instrumentação Prof. Leandro Michels Sensor de Sensor de corrente hallcorrente hall Sensor de corrente Sensor de corrente shuntshunt Sensor de Sensor de tensão halltensão hall Sensor de Sensor de tensão tensão trafotrafo Sensor de Sensor de temperaturatemperatura 12 Conversores comutados pela linhaConversores comutados pela linha EPO I – Aula 01 – Informações gerais Dispositivos de comando e controleDispositivos de comando e controle Prof. Leandro Michels DriverDriver isoladoisolado Placa de aquisição e Placa de aquisição e controlecontrole Fonte CCFonte CC Transformador Transformador de pulsode pulso 13 Aplicações dos conversores estáticosAplicações dos conversores estáticos EPO I – Aula 01 – Informações gerais 1.1. Conversores comutados pela linhaConversores comutados pela linha ?? Aplicações Aplicações →→ altas potênciasaltas potências ?? São muito empregados em aplicações São muito empregados em aplicações industriaisindustriais ?? São muito confiáveisSão muito confiáveis ?? Empregam freqüências de comutação Empregam freqüências de comutação baixas e elementos reativos grandesbaixas e elementos reativos grandes Prof. Leandro Michels 14 Retificadores nãoRetificadores não--controlados controlados –– carga RLcarga RL Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais E1 v1,f1Retificador Principais tipos:Principais tipos: ?? Monofásico de meia ondaMonofásico de meia onda ?? Monofásico de onda completa Monofásico de onda completa com ponto médiocom ponto médio ?? Retificador monofásico de Retificador monofásico de onda completa em ponteonda completa em ponte ?? Retificador trifásico com Retificador trifásico com ponto médioponto médio ?? Retificador trifásico de onda Retificador trifásico de onda completacompleta Empregam apenas diodosEmpregam apenas diodos15 Retificadores nãoRetificadores não--controlados controlados –– carga RLcarga RL Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações Alternador Alternador Mineração Mineração -- bauxita bauxita 16 Retificadores nãoRetificadores não--controlados controlados –– carga RCcarga RC Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais E1 v1,f1Retificador Principais tipos:Principais tipos: ?? Monofásico em onda completaMonofásico em onda completa ?? Monofásico como Monofásico como dobradordobrador de tensãode tensão ?? TrifásicoTrifásico Empregam apenas diodosEmpregam apenas diodos 17 Retificadores nãoRetificadores não--controlados controlados –– carga RCcarga RC Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações Estágio de entrada de fontes Estágio de entrada de fontes para computador para computador Fontes p/ equipamentos Fontes p/ equipamentos eletrônicoseletrônicos 18 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais Conversores diretos CC linearesConversores diretos CC lineares E1 v1,f1Retificador Principais tipos:Principais tipos: ?? Regulador de tensão a diodo Regulador de tensão a diodo zenerzener ?? Regulador de tensão a transistorRegulador de tensão a transistor ?? Regulador de tensão a CIRegulador de tensão a CI Circuito sem comutaçãoCircuito sem comutação 19 Conversores diretos CC linearesConversores diretos CC lineares Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações Estágio de saída de fontes p/ Estágio de saída de fontes p/ equipamentos eletrônicosequipamentos eletrônicos Estágio de saída de fontes p/ Estágio de saída de fontes p/ equipamentos eletrônicosequipamentos eletrônicos 20 Retificadores controlados Retificadores controlados –– carga RLcarga RL Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais E1 v1,f1Retificador Principais tipos:Principais tipos: ?? Monofásico de meia ondaMonofásico de meia onda ?? Monofásico de onda completa Monofásico de onda completa ?? Retificador trifásico com Retificador trifásico com ponto médioponto médio ?? Retificador trifásico de onda Retificador trifásico de onda completacompleta Empregam diodos e tiristoresEmpregam diodos e tiristores 21 Retificadores controlados Retificadores controlados –– carga RLcarga RL Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações Solda e corteSolda e corte Fornos a arco CCFornos a arco CC 22 Retificadores controlados Retificadores controlados –– carga RLcarga RL Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações Galvanização eletrolíticaGalvanização eletrolítica EletrolisaçãoEletrolisação 23 Retificadores controlados Retificadores controlados –– carga RLcarga RL Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações HVDC (Transmissão de energia HVDC (Transmissão de energia em corrente contínua)em corrente contínua) 24 Retificadores controlados Retificadores controlados –– carga RLEcarga RLE Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações ExcitatrizExcitatriz estática (geração do estática (geração do campo) para motor CC e gerador campo) para motor CC e gerador síncronosíncrono Motor CC Motor CC →→ giro unidirecionalgiro unidirecional 25 Conversores duaisConversores duais Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais Principais tipos:Principais tipos: ?? Monofásico com ponto médioMonofásico com ponto médio ?? Monofásico em ponteMonofásico em ponte ?? Trifásico com 3 pulsosTrifásico com 3 pulsos ?? Trifásico com 6 pulsosTrifásico com 6 pulsos Empregam apenas tiristoresEmpregam apenas tiristores E1 v1,f1Retificador 26 Conversores duaisConversores duais Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações Motor CC Motor CC →→ giro bidirecionalgiro bidirecional Indústria de laminação, papel, cimento, mineraçãoIndústria de laminação, papel, cimento, mineração 27 GradadoresGradadores EPO I – Aula 01 – Informações gerais Prof. Leandro Michels Principais tipos:Principais tipos: ?? Gradadores monofásicosGradadores monofásicos ?? Gradadores trifásicosGradadores trifásicos ?? Controle por ciclos inteirosControle por ciclos inteiros Empregam apenas tiristoresEmpregam apenas tiristores v1,f1 v2,f2 Conversor direto CA 28 Gradadores Gradadores –– carga Rcarga R Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações Controle de temperaturaControle de temperatura Ducha eletrônicaDucha eletrônica Fornos industriaisFornos industriais 29 Gradadores Gradadores –– cargas genéricascargas genéricas Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações Estabilizadores eletrônicos de Estabilizadores eletrônicos de tensãotensão Chaves de transferência Chaves de transferência estáticaestática 30 Gradadores Gradadores –– carga Lcarga L Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações Compensadores estáticos de potência reativaCompensadores estáticos de potência reativa (FACTS (FACTS –– transmissão de energia)transmissão de energia) 31 Gradadores Gradadores –– carga RLEcarga RLE Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações Sistema de partida suave para motoresSistema de partida suave para motores ((softsoft--startersstarters)) 32 CicloconversoresCicloconversores Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais v1,f1 v2,f2 Conversor direto CA Principais tipos:Principais tipos: ?? Trifásicos 3 pulsos com pontoTrifásicos 3 pulsos com ponto médiomédio ?? Trifásico 6 pulsos, em ponte,Trifásico 6 pulsos, em ponte, para cargas isoladaspara cargas isoladas ?? Trifásicos 6 pulsos, em ponte,Trifásicos 6 pulsos, em ponte, para cargas não isoladaspara cargas não isoladas Empregam apenas tiristoresEmpregam apenas tiristores 33 CicloconversoresCicloconversores Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações Controle de motores CA de propulsão de alta potênciaControle de motores CA de propulsão de alta potência (trens, navios, guindastes)(trens, navios, guindastes) 34 InversoresInversores Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais E2 v2,f2Inversor Principais tipos:Principais tipos: ?? Monofásicos Monofásicos ?? Trifásicos 3 braçosTrifásicos 3 braços ?? Trifásicos 4 braçosTrifásicos 4 braços Empregam tiristores e diodosEmpregam tiristores e diodos 35 InversoresInversores Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações Forno de induçãoForno de indução 36 Aplicações dos conversores estáticosAplicações dos conversores estáticos EPO I – Aula 01 – Informações gerais Prof. Leandro Michels 2. Conversores completamente controláveis2. Conversores completamente controláveis ?? Aplicações Aplicações →→ potências pequenas a médiaspotências pequenas a médias ?? São muito empregados em sistemas São muito empregados em sistemas comerciais e comerciais e resitênciasresitências ?? Possuem elevada densidade de potênciaPossuem elevada densidade de potência ?? Empregam freqüências de comutação Empregam freqüências de comutação elevadas e elementos reativos pequenoselevadas e elementos reativos pequenos 37 Conversores comutados em alta freqüênciaConversores comutados em alta freqüência Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais E1 E2 v1,f1v2,f2 Retificador Inversor Conversor indireto CC Conversor indireto CA Conversor direto CC Conversor direto CA Classificação dos conversores estáticos:Classificação dos conversores estáticos: ?? CCCC--CC (CC (pulsadorpulsador)) ?? CACA--CC (retificador)CC (retificador) ?? CCCC--CA (inversor)CA (inversor) ?? CACA--CA (CA (gradadorgradador// cicloconversorcicloconversor)) 38 Conversor CCConversor CC--CC CC –– alta freqüênciaalta freqüência Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações Fontes de computadores Fontes de computadores (VRM) (VRM) Fontes CCFontes CC--CC para CC para equipamentos eletrônicosequipamentos eletrônicos 39 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações Retificadores para aplicações Retificadores para aplicações em telecomunicaçõesem telecomunicações Carregadores compactos para Carregadores compactos para equipamentos eletrônicosequipamentos eletrônicos Retificadores Retificadores –– altaalta--freqüênciafreqüência 40 Inversores Inversores –– altaalta--freqüênciafreqüência Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações Amplificadores de som Amplificadores de som Estágio de saída de inversores Estágio de saída de inversores de freqüência de freqüência 41 Conversores CAConversores CA--CA CA –– altaalta--freqüênciafreqüência Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações Acionamento de motores Acionamento de motores 42 Conversores indiretos (em cascata)Conversores indiretos (em cascata) Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais E1 E2 v1,f1 v2,f2 Retificador Inversor Conversor indireto CC Conversor indireto CA Conversor direto CC Conversor direto CA Podem utilizar Podem utilizar conversor de baixa conversor de baixa freqüência (BF) em freqüência (BF) em conjunto com conjunto com outro de alta outro de alta freqüência (AF)freqüência (AF) 43 Conversor indiretos (em cascata)Conversor indiretos (em cascata) Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais ?? AplicaçõesAplicações Fonte para Fonte para telecomtelecom Retificador (AF)Retificador (AF) CCCC--CC (AF) CC (AF) NoNo--breaksbreaks Retificador (BF/AF)Retificador (BF/AF) Inversor (AF) Inversor (AF) Inversor de Inversor de freqfreq.. Retificador (BF)Retificador (BF) Inversor (AF) Inversor (AF) 44 Case realCase real Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais A A SchulzSchulz S/A adquiriu dois transformadores de S/A adquiriu dois transformadores de 6,625 MVA de potência e 13,8 kV com um 6,625 MVA de potência e 13,8 kV com um retificador de saída de 12 pulsos (cada) para retificador de saída de 12 pulsos (cada) para alimentar um forno de indução de 9MVA. Cada alimentar um forno de indução de 9MVA. Cada transformador possui 12 pulsos defasados de 30º transformador possui 12 pulsos defasados de 30º entre si e deslocados 7,5º em relação ao ângulo de entre si e deslocados 7,5º em relação ao ângulo de origem (um transformador positivo e outro origem (um transformador positivo e outro negativo), o retificador é alimentado pelos 2 negativo), o retificador é alimentado pelos 2 transformadores simultaneamente, resultando, transformadores simultaneamente, resultando, assim, um sistema com uma defasagem de 15° assim, um sistema com uma defasagem de 15° entre os pulsos.entre os pulsos. 45 Case realCase real Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 01 – Informações gerais Perguntas:Perguntas: 1. Porque decidiu1. Porque decidiu--se usar um retificador de 24 se usar um retificador de 24 pulsos?pulsos? 2. Porque os transformadores (juntos) tem potência 2. Porque os transformadores (juntos) tem potência de 13,25MVA se a potência da carga é de 9MVA?de 13,25MVA se a potência da carga é de 9MVA? 3. Como foram dimensionados os diodos/tiristores 3. Como foram dimensionados os diodos/tiristores para este sistema?para este sistema? Talvez vocês nunca precisarão projetar um dos Talvez vocês nunca precisarão projetar um dos sistemas estudados em EPO1, mas é bem possível sistemas estudados em EPO1, mas é bem possível que precisem conhecer estes sistemas em uma que precisem conhecer estes sistemas em uma decisão de compra ou para manutençãodecisão de compra ou para manutenção 1 ELETRÔNICA DE POTÊNCIA IELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 02 Aula 02 –– Teoria básica dos conversores Teoria básica dos conversores estáticosestáticos UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINAUNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICASCENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICACURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA Prof. Leandro Michels, Dr. Eng.Prof. Leandro Michels, Dr. Eng. leandromichels@gmail.comleandromichels@gmail.com EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 2 Teoria básica dos conversores estáticosTeoria básica dos conversores estáticos Um sistema de conversão estática de energia Um sistema de conversão estática de energia é constituído dos seguintes elementos:é constituído dos seguintes elementos: Prof. Leandro Michels Embora a(s) fonte(s) e a(s) carga(s) não componham Embora a(s) fonte(s) e a(s) carga(s) não componham os conversores, elas são fundamentais para o os conversores, elas são fundamentais para o funcionamento do sistema de conversão de energiafuncionamento do sistema de conversão de energia FontesFontes Conversor estáticoConversor estático CargasCargas energiaenergia energiaenergia EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 3 Teoria básica dos conversores estáticosTeoria básica dos conversores estáticos Os conversores estáticos são Os conversores estáticos são formados pelos seguintes formados pelos seguintes grupos de elementos:grupos de elementos: Prof. Leandro Michels ?? NãoNão--lineares lineares →→ dispositivos dispositivos semicondutores (diodos, tiristores, semicondutores (diodos, tiristores, etc.)etc.) ?? Lineares reativos Lineares reativos →→ indutores, indutores, capacitores e transformadorescapacitores e transformadores ?? Lineares dissipativos Lineares dissipativos →→ resistores resistores (não existente em conversores (não existente em conversores ideais) ideais) EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 4 Teoria básica dos conversores estáticosTeoria básica dos conversores estáticos Prof. Leandro Michels ?? NãoNão--lineares lineares →→ operam como interruptores para fazer operam como interruptores para fazer a conversão de correntes ou tensões de CAa conversão de correntes ou tensões de CA→→CC e CC e CCCC→→CA CA ?? Lineares reativos Lineares reativos →→ operam como armazenadores operam como armazenadores intermediintermediáário da energia; efetuam alterario da energia; efetuam alteraçções na ões na magnitude de correntes e tensões, isolamagnitude de correntes e tensões, isolaçção galvânica ão galvânica (transformadores) e filtragem de tensões e/ou correntes (transformadores) e filtragem de tensões e/ou correntes (OBS: o mesmo elemento pode ter mais de uma fun(OBS: o mesmo elemento pode ter mais de uma funçção)ão) ?? Lineares dissipativos Lineares dissipativos →→ operam como consumidores operam como consumidores de energia;de energia; empregados para o amortecimento de empregados para o amortecimento de oscilaoscilaçções e proteões e proteçção de dispositivos ão de dispositivos Função de cada grupo de elementos:Função de cada grupo de elementos: EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 5 Elementos nãoElementos não--lineares (semicondutores)lineares (semicondutores) Prof.Leandro Michels ?? Interruptor aberto Interruptor aberto →→ a corrente que flui a corrente que flui pelo dispositivo pelo dispositivo éé nulanula ?? Interruptor fechado Interruptor fechado →→ a tensão nos a tensão nos terminais dos dispositivos terminais dos dispositivos éé nula nula ?? A comutaA comutaçção entre modos ão entre modos é instantâneaé instantânea Modos de operação (comportamento ideal):Modos de operação (comportamento ideal): Característica fundamental:Característica fundamental: ?? Dispositivo de dois terminais Dispositivo de dois terminais (excluindo os terminais de controle)(excluindo os terminais de controle) ?? Operação como interruptorOperação como interruptor vk ik + - ik= 0 vk ik vk= 0 EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 6 Elementos nãoElementos não--lineares (semicondutores)lineares (semicondutores) Prof. Leandro Michels Característica estática (ideal):Característica estática (ideal): ?? Somente sobre os eixos da Somente sobre os eixos da curva curva vvkk x x iikk (perdas nulas)(perdas nulas) ?? CConduonduçção ão →→ Tensão nulaTensão nula ?? Bloqueio → Corrente nulaBloqueio → Corrente nula ?? Equivalente a uma resistência Equivalente a uma resistência com dois valores distintoscom dois valores distintos EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores ik vk bloqueia c o n d u z bloqueia c o n d u z Os interruptores empregados em eletrônica de Os interruptores empregados em eletrônica de potência, em geral, não operam nos 4 quadrantes. potência, em geral, não operam nos 4 quadrantes. Portanto, precisaPortanto, precisa--se conhecer sua característica.se conhecer sua característica. ( ) 0, ligado , desligado ⎧= ⎨∞⎩kR t 7 Elementos nãoElementos não--lineares (semicondutores)lineares (semicondutores) Prof. Leandro Michels Característica dinâmica (genérica):Característica dinâmica (genérica): Comutação espontânea:Comutação espontânea: ?? Deslocamentos sobre os eixos Deslocamentos sobre os eixos vvkk x x iikk no 2º ou 4º no 2º ou 4º quadquad. . ?? Ocorre sem nenhum sinal externo de comando Ocorre sem nenhum sinal externo de comando ?? Ex.: abertura e fechamento de diodos, abertura de Ex.: abertura e fechamento de diodos, abertura de tiristortiristor Comutação comandada:Comutação comandada: ?? Mudança do estado de condução (de fechado para Mudança do estado de condução (de fechado para aberto ou viceaberto ou vice--versa) versa) →→ deslocamentos sobre os eixosdeslocamentos sobre os eixos vvkk x x iikk no 1º ou 3º no 1º ou 3º quadquad.. ?? Ocorre devido a sinal externo de comando Ocorre devido a sinal externo de comando ?? Ex.: fechamento do tiristorEx.: fechamento do tiristor EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 8 Elementos nãoElementos não--lineares (semicondutores)lineares (semicondutores) Prof. Leandro Michels Característica dos dispositivos:Característica dos dispositivos: Diodos:Diodos: ?? Unidirecional em corrente e unidirecional em tensão Unidirecional em corrente e unidirecional em tensão ((éé um curtoum curto--circuito para tensões positivas)circuito para tensões positivas) ?? Entrada em conduEntrada em conduçção ão →→ espontânea (espontânea (vvkk>0>0)) ?? Saída de condução → espontânea (transição de Saída de condução → espontânea (transição de iikk>0>0 →→ iikk=0=0)) EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores ik vk c o n d u z vk ik + - 1 2 bloqueia esp. 9 Elementos nãoElementos não--lineares (semicondutores)lineares (semicondutores) Prof. Leandro Michels Tiristores:Tiristores: ?? Unidirecional em corrente e bidirecional em tensãoUnidirecional em corrente e bidirecional em tensão ?? Entrada em conduEntrada em conduçção ão →→ comandada (comandada (vvkk>0>0 e e iigg>0>0)) ?? Saída de condução → espontânea (transição de Saída de condução → espontânea (transição de iikk>0>0 →→ iikk=0=0)) EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores ik vk vk ik + - 1 2 bloqueia bloqueia c o n d u z com. esp. esp. 10 Elementos nãoElementos não--lineares (semicondutores)lineares (semicondutores) Prof. Leandro Michels Característica de associação de dispositivos:Característica de associação de dispositivos: Tiristor com diodo em antiparalelo:Tiristor com diodo em antiparalelo: ?? Unidirecional em tensão e bidirecional em correnteUnidirecional em tensão e bidirecional em corrente ?? Entrada em conduEntrada em conduçção ão →→ comandada (comandada (vvkk>0>0 e e iigg>0>0)) e espontânea (e espontânea (vvkk<0<0)) ?? Saída de condução → espontânea (transição de Saída de condução → espontânea (transição de iikk<0<0 →→ iikk=0=0)) EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores ik vk Tiristor ik + - 1 2 Diodo vk ig esp. c o n d u z bloqueia c o n d u z esp. com. 11 Elementos nãoElementos não--lineares (semicondutores)lineares (semicondutores) Prof. Leandro Michels Tiristores em antiTiristores em anti--paralelo:paralelo: ?? Bidirecional em tensão e correnteBidirecional em tensão e corrente ?? Entrada em condução → comandada Entrada em condução → comandada ((vvkk>0>0 e e iig1g1>0>0) ou ) ou ((vvkk<0<0 e e iig2g2>0>0)) ?? SaSaíída de conduda de conduçção ão → espontânea→ espontânea ((iikk>0>0→→iikk=0=0) ou ) ou ((iikk<0<0→→iikk=0=0) ) EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores ik vk Tiristor 1 ik + - 1 2 vk ig1 ig2 Tiristor 2 bloqueia c o n d u z bloqueia c o n d u z com. esp. esp. com. Tiristor 1 Tiristor 2 12 Prof. Leandro Michels Característica fundamental:Característica fundamental: ?? Dispositivo de dois ou mais terminais Dispositivo de dois ou mais terminais ?? Armazenadores de energia Armazenadores de energia →→ campo elcampo eléétrico trico (capacitor) ou campo magn(capacitor) ou campo magnéético (indutor)tico (indutor) ?? Não dissipam energia Não dissipam energia →→ a quantidade de energia a quantidade de energia que que éé absorvida deve ser posteriormente devolvidaabsorvida deve ser posteriormente devolvida Elementos lineares reativosElementos lineares reativos EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 13 Elementos lineares reativosElementos lineares reativos Prof. Leandro Michels Capacitores:Capacitores: ?? Possuem o comportamento de uma fonte de tensãoPossuem o comportamento de uma fonte de tensão ?? A tensão em seus terminais não pode ser mudada A tensão em seus terminais não pode ser mudada imediatamente imediatamente →→ resulta em corrente infinitaresulta em corrente infinita ?? Podem ser operar em circuito aberto Podem ser operar em circuito aberto ?? Não podem operar em curtoNão podem operar em curto--circuito circuito →→ exceexceçção ão quando quando vvcc((tt)=0)=0 ?? Apresentam, na prApresentam, na práática, resistências (RSE) e tica, resistências (RSE) e indutâncias parasitasindutâncias parasitas ( ) ( )cc dv ti t C dt= ic 1 2 vc EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores ( ) ( ) ( ) 0 0 1 0 , t c c cv t i t dt v t tC = + ∀ >∫ 14 ( ) ( ) ( ) 0 0 1 0 , t L L Li t v t dt i t tC = + ∀ >∫( ) ( )LL di tv t L dt= Elementos lineares reativosElementos lineares reativos Prof. Leandro Michels Indutores:Indutores: ?? Possuem o comportamento de uma fonte de correntePossuem o comportamento de uma fonte de corrente ?? A corrente em seus terminais não pode ser mudada A corrente em seus terminais não pode ser mudada imediatamente imediatamente →→ resulta em tensão infinitaresulta em tensão infinita ?? Podem ser operar em curtoPodem ser operar em curto--circuito circuito ?? Não podem operarem curto aberto Não podem operar em curto aberto →→ exceexceçção ão quando quando iiLL((tt)=0)=0 ?? Apresentam, na prApresentam, na práática, resistências (RSE) e tica, resistências (RSE) e capacitâncias parasitascapacitâncias parasitas ?? Podem possuir derivaPodem possuir derivaçções (mais terminais)ões (mais terminais) iL 1 2 vL EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 15 Elementos lineares de conversãoElementos lineares de conversão Prof. Leandro Michels Transformadores (ideais):Transformadores (ideais): ?? Idealmente se comportam como um dispositivo sem Idealmente se comportam como um dispositivo sem dinâmica dinâmica →→ comportamento de fontes de corrente e comportamento de fontes de corrente e tensão acopladastensão acopladas ?? Não processa energia CC Não processa energia CC →→ impedância nulaimpedância nula ( ) ( ) 2 2 1 1 2 1 2 1 ( ) ( ) Nv t v t N Ni t i t N ⎧ =⎪⎪⎨⎪ =⎪⎩ i1 N1:N2 i2 v2v1 + -v1 v2 i1 i2 i2N2 N1 v1N2 N1 Obs.:Obs.: Este modelo não funciona para sinais CCEste modelo não funciona para sinais CC EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 16 Elementos lineares de conversãoElementos lineares de conversão Prof. Leandro Michels Transformadores (reais):Transformadores (reais): ?? Possuem dinâmica (indutâncias mPossuem dinâmica (indutâncias múútua e dispersão) tua e dispersão) →→ comportamento de fonte de correntecomportamento de fonte de corrente ?? A corrente em seus terminais não pode ser mudada A corrente em seus terminais não pode ser mudada imediatamente imediatamente →→ resulta em tensão infinitaresulta em tensão infinita ?? Podem ser operar em curtoPodem ser operar em curto--circuito circuito ?? Não podem operar em curto aberto Não podem operar em curto aberto →→ exceexceçção ão quando quando iiLL((tt)=0 )=0 →→ resulta em resulta em sobretensõessobretensões nos outros nos outros enrolamentosenrolamentos ?? Apresentam, na prApresentam, na práática, resistências (RSE) e tica, resistências (RSE) e capacitâncias parasitascapacitâncias parasitas EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 17 Elementos lineares de conversãoElementos lineares de conversão Prof. Leandro Michels Transformadores x AutoTransformadores x Auto--transformadores:transformadores: ?? Transformadores Transformadores →→ possuem isolapossuem isolaçção galvânica ão galvânica →→ cada enrolamento pode estar em qualquer potencial cada enrolamento pode estar em qualquer potencial (desde que respeitada a tensão de isola(desde que respeitada a tensão de isolaçção entre os ão entre os enrolamentos)enrolamentos) ?? AutoAuto--transformadores transformadores →→ não possuem isolanão possuem isolaçção ão galvânicagalvânica EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores TransformadorTransformadorAutoAuto--transformadortransformador 18 Elementos lineares de conversãoElementos lineares de conversão Prof. Leandro Michels Transformadores (reais):Transformadores (reais): ?? Modelo equivalente (desprezandoModelo equivalente (desprezando--se as resistências)se as resistências) EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores ( ) ( ) ( ) ( ) 1 111 12 21 222 2 v t i tL L d L L dtv t i t ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤=⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ 2 12 21 1 1 11 1 12 2 2 22 2 12 1 M l l nL L L n nL L L n nL L L n = = = + = + 19 Elementos lineares dissipativosElementos lineares dissipativos Prof. Leandro Michels Característica fundamental:Característica fundamental: ?? Dissipam a energiaDissipam a energia ?? Geram calorGeram calor ?? Diminuem a eficiência da conversão Diminuem a eficiência da conversão Resistores:Resistores: ?? Não possuem dinâmicaNão possuem dinâmica 1 2 vR iR ( ) ( )R Rv t R i t= EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 20 FontesFontes Prof. Leandro Michels ?? Fonte de tensão Fonte de tensão →→ a tensão a tensão éé imposta imposta pela fonte e a corrente depende da pela fonte e a corrente depende da carga carga ?? Fonte de corrente Fonte de corrente →→ a corrente a corrente éé imposta pela fonte e a tensão depende imposta pela fonte e a tensão depende da cargada carga Modos de operação (comportamento ideal):Modos de operação (comportamento ideal): Característica fundamental:Característica fundamental: ?? Dispositivo de dois ou mais terminais Dispositivo de dois ou mais terminais ?? Fundamentalmente são fornecedores de Fundamentalmente são fornecedores de energia (podem absorver em parte do tempo)energia (podem absorver em parte do tempo) ?? Podem ser unidirecionais ou bidirecionaisPodem ser unidirecionais ou bidirecionais vf if + - 1 2 EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 21 CargasCargas Prof. Leandro Michels ?? ResistivoResistivo ?? ResistivoResistivo--indutivoindutivo ?? ResistivoResistivo--indutivoindutivo--fontefonte ?? FonteFonte Principais comportamentos das cargas:Principais comportamentos das cargas: Característica fundamental:Característica fundamental: ?? Dispositivo de dois ou mais terminaisDispositivo de dois ou mais terminais ?? Fundamentalmente são absorvedores de Fundamentalmente são absorvedores de energia (mas também podem devolver energia (mas também podem devolver energia)energia) ?? Podem ser unidirecionais ou bidirecionaisPodem ser unidirecionais ou bidirecionais vL iL + - EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 22 Fundamentos da conversão estáticaFundamentos da conversão estática Prof. Leandro Michels Princípios fundamentais:Princípios fundamentais: 1) Interconexão entre a(s) fonte(s) e a(s) carga(s) 1) Interconexão entre a(s) fonte(s) e a(s) carga(s) intermediada por interruptor(es)intermediada por interruptor(es) EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores FontesFontes Conversor estáticoConversor estático CargasCargas energiaenergia energiaenergia FonteFonte Conversor estáticoConversor estático CargaCarga ~ S1 R S2 E Ex.: retificadorEx.: retificador 23 Princípios fundamentais dos conversores Princípios fundamentais dos conversores Prof. Leandro Michels 2) A comutação do(s) interruptor(es) ocorre de forma 2) A comutação do(s) interruptor(es) ocorre de forma cíclica cíclica →→ controle do fluxo de potência e controle do fluxo de potência e direcionalidadedirecionalidade da tensão e/ou correnteda tensão e/ou corrente EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Ex.: retificador Ex.: retificador →→ corrente de sacorrente de saíída unidirecionalda unidirecional ?? Quando Quando vvFF(t)>0(t)>0 ?? Quando Quando vvFF(t)<0(t)<0 Com Com vvFF(t) é cíclica ((t) é cíclica (senóidesenóide), os interruptores devem ), os interruptores devem comutar de cíclica para tornar comutar de cíclica para tornar vvLL(t)>0(t)>0 FonteFonte Conversor estáticoConversor estático CargaCarga FonteFonte Conversor estáticoConversor estático CargaCarga ~ S1 R S2 E vL iL vF iF iL t vF t ~ S1 R S2 E t vF iF vL iL vF t iL t 24 Princípios fundamentais dos conversores Princípios fundamentais dos conversores Prof. Leandro Michels 3) Utilização de elementos reativos 3) Utilização de elementos reativos →→ filtragemfiltragem EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Ex.: retificador Ex.: retificador →→ corrente de sacorrente de saíída unidirecionalda unidirecional A inclusão do indutor diminui a ondulação na A inclusão do indutor diminui a ondulação na corrente de saídacorrente de saída FonteFonte Conversor estáticoConversor estático CargaCarga ~ S1 R S2 vF vL iLL iL t iF vF t c/ filtro s/ filtro 25 Princípios fundamentais dos conversores Princípios fundamentaisdos conversores Prof. Leandro Michels 3) Utilização de elementos de conversão 3) Utilização de elementos de conversão →→ alteraalteraçção ão da amplitude da tensão e/ou correnteda amplitude da tensão e/ou corrente EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Ex.: retificador Ex.: retificador →→ tensão de satensão de saíída unidirecionalda unidirecional O autotransformador altera o valor da tensão CAO autotransformador altera o valor da tensão CA FonteFonte Conversor estáticoConversor estático CargaCarga ~ S1 R S2 vF vL iF 1:2 iL vF t t vL 26 Princípios fundamentais dos conversores Princípios fundamentais dos conversores Prof. Leandro Michels 3) Utilização de elementos de conversão 3) Utilização de elementos de conversão →→ isolaisolaçção ão galvânicagalvânica EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Ex.: retificador Ex.: retificador →→ tensão de satensão de saíída unidirecionalda unidirecional O transformador é empregado para se obter a O transformador é empregado para se obter a isolação galvânicaisolação galvânica FonteFonte Conversor estáticoConversor estático CargaCarga ~ S1 R S2 E vF vL iLiF 1:1 vF t vL t 27 Princípios fundamentais dos conversores Princípios fundamentais dos conversores Prof. Leandro Michels 4) Associação de fontes4) Associação de fontes ?? Fonte de tensão em série com indutor Fonte de tensão em série com indutor →→ comportamento de fonte de correntecomportamento de fonte de corrente ?? Fonte de corrente em paralelo com capacitor Fonte de corrente em paralelo com capacitor →→ comportamento de fonte de tensãocomportamento de fonte de tensão = = EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 28 Princípios fundamentais dos conversores Princípios fundamentais dos conversores Prof. Leandro Michels 5) Conexão de fontes por interruptores5) Conexão de fontes por interruptores ?? Fonte de tensão não podem ser Fonte de tensão não podem ser curtocurto--circuitadascircuitadas (exceção (exceção vvcc=0=0 ou E=0)ou E=0) ?? Fonte de corrente não podem ser abertas Fonte de corrente não podem ser abertas (exceção (exceção iiLL=0=0 ou ou iiFF=0=0)) EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores vc S E S iL S iF S 29 vc1 vc2 S Princípios fundamentais dos conversores Princípios fundamentais dos conversores Prof. Leandro Michels 5) Conexão de fontes por interruptores5) Conexão de fontes por interruptores ?? Fonte de tensão só podem ser conectadas em Fonte de tensão só podem ser conectadas em paralelo quando paralelo quando vvc1c1=v=vc2c2 ou ou vvc1c1=E=E ?? Fonte de corrente só podem ser conectadas em Fonte de corrente só podem ser conectadas em série quando série quando iiL1L1=i=iL2L2 ou ou iiFF=i=iL2L2 EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores vvc1c1≠≠vvc2c2 vvc1c1≠≠EE E vc1 S S iL1 iL2 S iL2iF iiL1L1≠≠iiL2L2 iiFF≠≠iiL2L2 30 Princípios fundamentais dos conversores Princípios fundamentais dos conversores 6) Princípio básico da concepção de conversores6) Princípio básico da concepção de conversores ?? Interconexão em cascata de fontes de natureza Interconexão em cascata de fontes de natureza diferentediferente ?? Utilização de interruptores para conversão das Utilização de interruptores para conversão das formas de ondaformas de onda EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Fonte de Fonte de tensãotensão Fonte de Fonte de correntecorrente Fonte de Fonte de tensãotensão Fonte de Fonte de correntecorrente ...... 1 ELETRÔNICA DE POTÊNCIA IELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 03 Aula 03 –– Índice de avaliação de Índice de avaliação de desempenho de conversoresdesempenho de conversores UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINAUNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICASCENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICACURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA Prof. Leandro Michels, Dr. Eng.Prof. Leandro Michels, Dr. Eng. leandromichels@gmail.comleandromichels@gmail.com EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho 2 Medidas e índices de desempenhoMedidas e índices de desempenho Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Por que usar?Por que usar? •• Os conversor não são ideais, possuem Os conversor não são ideais, possuem perdas, geram distorçõesperdas, geram distorções •• Avaliar comparativamente o desempenho Avaliar comparativamente o desempenho dos conversoresdos conversores •• Dimensionar os dispositivos do circuitoDimensionar os dispositivos do circuito 3 Exemplo: Conversor idealExemplo: Conversor ideal Retificador monofásico:Retificador monofásico: Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho ZvF vL iF t iL vL t vF E iF FonteFonte Conversor estáticoConversor estático CargaCarga ?? Corrente drenada Corrente drenada senoidalsenoidal ?? Fator de potência Fator de potência unitáriounitário ?? Perdas nulasPerdas nulas ?? Valor ilimitado Valor ilimitado para tensões e para tensões e correntescorrentes ?? Ondulação nula na Ondulação nula na variável de saída variável de saída (tensão ou corrente)(tensão ou corrente) 4 ZvF vL iF t iL vL t vF E iF Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho FonteFonte Conversor estáticoConversor estático CargaCarga ?? Corrente de entrada Corrente de entrada distorcida (forma de distorcida (forma de onda não senoidal) onda não senoidal) ?? Fator de potência Fator de potência nãonão--unitáriounitário ?? PerdasPerdas ?? Limitação de Limitação de tensões e tensões e correntes nos correntes nos compoentescompoentes ?? Ondulação nãoOndulação não-- nula na variável de nula na variável de saída (tensão ou saída (tensão ou corrente) corrente) Retificador monofásico:Retificador monofásico: Exemplo: Conversor realExemplo: Conversor real 5 Índices de desempenhoÍndices de desempenho Como avaliar ou especificar o desempenho de um Como avaliar ou especificar o desempenho de um conversor estático real?conversor estático real? Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Através da utilização de índices é possível se Através da utilização de índices é possível se qualificar quantitativamente o desempenho do qualificar quantitativamente o desempenho do conversor com relação à corrente drenada, a conversor com relação à corrente drenada, a variável de saída e perdas.variável de saída e perdas. Principais grupos de índices de desempenho:Principais grupos de índices de desempenho: ?? MedidasMedidas ?? Índices CAÍndices CA ?? Índices CCÍndices CC ?? ConversãoConversão 6 Medidas elétricasMedidas elétricas 1) Valor médio (nível cc)1) Valor médio (nível cc) Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho ( )0 0 1 t T med t f f t dt T + = ∫ Dada uma função periódica Dada uma função periódica ff((tt)=)=ff((tt++TT), onde ), onde TT é o é o período em que a função se repete, (constante), temperíodo em que a função se repete, (constante), tem-- se que seu valor médio é dado por:se que seu valor médio é dado por: Para formas de onda senoidais Para formas de onda senoidais →→ 0medf = Variáveis com componente CC Variáveis com componente CC →→ 0medf ≠ 7 2) Valor eficaz (rms)2) Valor eficaz (rms) Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho ( )0 0 21 t T ef t f f t dt T + = ⎡ ⎤⎣ ⎦∫ Dada uma função periódica Dada uma função periódica ff((tt)=)=ff((tt++TT), onde ), onde TT é o é o período em que a função se repete,(constante), temperíodo em que a função se repete, (constante), tem-- se que seu valor eficaz é dado por:se que seu valor eficaz é dado por: Para formas de onda nãoPara formas de onda não--nulas nulas →→ 0eff ≠ Medidas elétricasMedidas elétricas 8 3) Potência3) Potência Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Medidas elétricasMedidas elétricas A) Tensão e corrente senoidaisA) Tensão e corrente senoidais •• Potência aparentePotência aparente •• Potência ativaPotência ativa •• Potência reativaPotência reativa = ef efS V I ( )cos= φef efP V I ( )sen= φef efQ V I B) Tensão B) Tensão e/oue/ou corrente nãocorrente não--senoidal (periódicas)senoidal (periódicas) •• Potência aparentePotência aparente •• Potência ativaPotência ativa •• Potência reativaPotência reativa = ef efS V I ( ) ( ) ( ) ( )0 0 2 0 1 1 2 + π = = ω ω ωπ∫ ∫ t T t P v t i t dt v t i t d t T 2 2= −Q S P 9 Índices de desempenho Índices de desempenho –– CACA 1) Distorção harmônica total (THD)1) Distorção harmônica total (THD) Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho É a razão entre o valor É a razão entre o valor rmsrms do conteúdo harmônico do conteúdo harmônico pelo pelo rmsrms da quantidade fundamental, expressada em da quantidade fundamental, expressada em percentual, ou seja, se refere ao fator de distorção percentual, ou seja, se refere ao fator de distorção percentual de uma tensão ou corrente com relação a percentual de uma tensão ou corrente com relação a uma uma senóidesenóide. Seja uma função periódica f(t)=f(t+T), . Seja uma função periódica f(t)=f(t+T), esta pode ser escrita por uma série de Fourier: esta pode ser escrita por uma série de Fourier: 0 1 ( ) cos sen ∞ = ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦∑ k kk k x k xv x a a b L L π π 0 1 ( ) sin ∞ = ⎡ π ⎤⎛ ⎞= + + φ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦∑ k kk k xv x a c L ou:ou: 10 Índices de desempenho Índices de desempenho –– CACA Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho 2 0 2 2 1 ( ) 2 1 ( )cos , 1,2,... 1 ( )sin , 1,2,... c L c c L k c c L k c a f x dx L k xa f x dx k L L k xb f x dx k L L π π + + + = ⎛ ⎞= =⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎛ ⎞= =⎜ ⎟⎝ ⎠ ∫ ∫ ∫ onde:onde: 2 2 k k kc a b= + arctan kk k a b ⎛ ⎞φ = ⎜ ⎟⎝ ⎠ A THD é dada por:A THD é dada por: 2 2 12 2 21 1 1 ∞ = −= =∑ efv k k V C THD c c C Empregado para se verificar o percentual de distorção Empregado para se verificar o percentual de distorção devido a presença de harmônicasdevido a presença de harmônicas 2 k k cC = 1,2,...=k 11 Prof. Leandro Michels ObtenObtençção de harmônicas ão de harmônicas →→ tabelastabelas ( )2 2 cos sen 1 p n qV na q qn ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞π π= ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟π − ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ( ) ( )0 ,2 , cosL n n q q v t a a n t ∞ = = + ω∑ … 0 senp qa V q ⎛ ⎞π= ⎜ ⎟π ⎝ ⎠ q = no. de pulsos presentes na tensão de saída em um cicloq = no. de pulsos presentes na tensão de saída em um ciclo 2π2− π pV π−π Índices de desempenho Índices de desempenho –– CACA EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho 12 Prof. Leandro Michels ( )4 sen sen 2n nb n n π⎛ ⎞= α⎜ ⎟π ⎝ ⎠ ( ) ( )1 1 senn n i t b n t ∞ = = ω∑ 1 -1 2 π 2 −π π −π 2α 2α Índices de desempenho Índices de desempenho –– CACA EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho ObtenObtençção de harmônicas ão de harmônicas →→ tabelastabelas ?? Valores normalizadosValores normalizados ?? FormulaFormulaçção genão genééricarica ?? Mais tabelas vide material extraMais tabelas vide material extra 13 Índices de desempenho Índices de desempenho –– CACA 2) Fator de potência2) Fator de potência Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho O fator de potência entre duas função periódicas de O fator de potência entre duas função periódicas de mesmo período mesmo período vv((tt)=)=vv((tt++TT) e ) e ii((tt)=)=ii((tt++TT) é definido como ) é definido como a razão entre a potência ativa, dada em W, e a potência a razão entre a potência ativa, dada em W, e a potência aparente, dada em VA, ou seja:aparente, dada em VA, ou seja: P = potência real (média)P = potência real (média) S = potência aparenteS = potência aparente k = no. de fasesk = no. de fases ( ) ( )0 0 1 t T t ef ef v t i t dt TPPF S V I + = = ∫ É um índice que relaciona a potência real É um índice que relaciona a potência real e a potência aparentee a potência aparente 2 1 1 PF DF THD = + 14 Índices de desempenho Índices de desempenho –– CACA 3) Fator de deslocamento3) Fator de deslocamento Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho θθ11 = ângulo de v(t) com relação à uma = ângulo de v(t) com relação à uma dada referênciadada referência φφ11 = ângulo de i(t) com relação à mesma = ângulo de i(t) com relação à mesma referênciareferência É igual ao fator de potência para cargas linearesÉ igual ao fator de potência para cargas lineares O fator de deslocamento de duas funções periódicas O fator de deslocamento de duas funções periódicas de mesmo período de mesmo período vv((tt) e ) e ii((tt), é definido como o ângulo ), é definido como o ângulo de deslocamento de fase entre a componente de deslocamento de fase entre a componente fundamental da tensão fundamental da tensão vv((tt) e a componente ) e a componente fundamental de corrente fundamental de corrente ii((tt). O fator de deslocamento ). O fator de deslocamento é dado por:é dado por: ( )1 1cosDF = θ −φ 15 Índices de desempenho Índices de desempenho –– CACA 4) Fator de crista4) Fator de crista Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho ÉÉ definido como a razão de corrente (ou tensão) definido como a razão de corrente (ou tensão) mmááxima ou de pico pela corrente (ou tensão) eficaz:xima ou de pico pela corrente (ou tensão) eficaz: = pico ef I CF I Para uma forma de onda senoidal Para uma forma de onda senoidal →→ 2CF = O fator de crista é usado para determinar a O fator de crista é usado para determinar a amplitude do pico de correntes amplitude do pico de correntes nãonão--senoidaissenoidais com com relação a uma relação a uma senóidesenóide Para uma forma de onda CC Para uma forma de onda CC →→ 1=CF 16 Índices de desempenho Índices de desempenho –– CACA Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Uma vez comparado com o fator de crista da forma de Uma vez comparado com o fator de crista da forma de onda senoidal, obtémonda senoidal, obtém--se o fator de correção da se o fator de correção da capacidade (capacidade (CCFCCF), que é representado por:), que é representado por: ( ) 2% 100%CCF CF ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ Potência corrigida Potência corrigida →→ cor nomkVA kVA CCF= Ex.: Qual a potência mEx.: Qual a potência mááxima nominal que um xima nominal que um trafotrafo de de 10kVA pode disponibilizar para um retificador com 10kVA pode disponibilizar para um retificador com CF=1,53CF=1,53?? ( )% 92,16%CCF = 9.216corkVA kVA= 5) Fator de correção de capacidade (CCF)5) Fator de correção de capacidade (CCF) 17 Índices de desempenho Índices de desempenho –– CACA Aplicação a sistemas trifásicosAplicação a sistemas trifásicos Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Sistemas equilibrados Sistemas equilibrados →→ conhecendoconhecendo--se uma das se uma das fases, sabefases, sabe--se os outros se os outros ííndices (THD, DF, CF)ndices (THD, DF, CF) Contudo, a fContudo, a fóórmula abaixose aplica a sistemas rmula abaixo se aplica a sistemas triftrifáásicos: sicos: ( ) ( )0 0 1 t T k k k t k ef k ef k v t i t dt TPPF S V I + = = ∑ ∫ ∑ Ex.: Sistemas trifEx.: Sistemas trifáásicossicos 1 2 3 1 1 2 2 3 3 + += = + + +ef ef ef ef ef ef P P PPPF S V I V I V I k = fasesk = fases 18 Índices de desempenho Índices de desempenho ––CCCC 1) Componente CA1) Componente CA Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho ÉÉ o valor da componente CA presente na vario valor da componente CA presente na variáável CC:vel CC: 2 2 ca ef medV V V= − 2) Fator de forma2) Fator de forma Indica a distorIndica a distorçção da forma de onda com relaão da forma de onda com relaçção ao ão ao ideal (corrente contideal (corrente contíínua).nua). ef med V FF V = 3) Fator de ondulação3) Fator de ondulação ÉÉ a medida do a medida do ííndice de regulandice de regulaçção de uma dada funão de uma dada funçção ão contcontíínua:nua: 2 2 1 1ef med V RF FF V ⎛ ⎞= − = −⎜ ⎟⎝ ⎠ 19 Índices de desempenho Índices de desempenho –– ConversorConversor 1) Rendimento1) Rendimento Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho É uma figura de mérito que permite se avaliar a É uma figura de mérito que permite se avaliar a eficácia de um retificador. Depende dos componentes eficácia de um retificador. Depende dos componentes e da topologia empregada.e da topologia empregada. ( ) ( ) ( ) ( ) 0 0 0 0 1 1 t T L L to t T i F F t v t i t dt TP P v t i t dt T + +η = = ∫ ∫ Razão entre a potência ativa de saída e de entrada. Razão entre a potência ativa de saída e de entrada. Conversor sem perdas Conversor sem perdas →→ ηη=1=1 20 Índices de desempenho Índices de desempenho –– ConversorConversor 2) Estresse nos componentes semicondutores2) Estresse nos componentes semicondutores Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Está associado ao valor máximo das tensões e Está associado ao valor máximo das tensões e correntes que são aplicados em cada um dos correntes que são aplicados em cada um dos semicondutores do conversor. Para diodos e tiristores:semicondutores do conversor. Para diodos e tiristores: Quanto menor forem os valores supracitados, menor Quanto menor forem os valores supracitados, menor e mais barato será o semicondutor. e mais barato será o semicondutor. ?? Tensão reversa máxima Tensão reversa máxima ?? Corrente de picoCorrente de pico ?? Corrente eficazCorrente eficaz ?? Derivadas de corrente e tensãoDerivadas de corrente e tensão ?? PerdasPerdas 21 Índices de desempenho Índices de desempenho –– RetificaçãoRetificação 1) Razão de retificação1) Razão de retificação Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Define a efetividade da retificação, através da razão Define a efetividade da retificação, através da razão entre a potência média e o produto entre a tensão e entre a potência média e o produto entre a tensão e correntes eficazes de saída.correntes eficazes de saída. Lmed Lmed Lef Lef V I V I σ = É empregado para se determinar o quão eficiente É empregado para se determinar o quão eficiente se dá a retificação se dá a retificação 22 Índices de desempenho Índices de desempenho –– RetificaçãoRetificação 2) Fator de utilização do transformador2) Fator de utilização do transformador Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho É a razão entre a potência média de saídaÉ a razão entre a potência média de saída e a potência e a potência aparente no secundário do transformador.aparente no secundário do transformador. Lmed Lmed k ef k ef k V ITUF V I = ∑ Indica o quanto do transformador é utilizado com Indica o quanto do transformador é utilizado com relação ao índice de utilização ideal (TUF=1).relação ao índice de utilização ideal (TUF=1). k k = no. de enrolamentos = no. de enrolamentos –– secundáriosecundário VVkefkef, , IIkefkef = = tensão/correntetensão/corrente eficaz em cada eficaz em cada enrolamentoenrolamento 23 Exemplo: Índices CAExemplo: Índices CA Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Retificador monofásico genérico:Retificador monofásico genérico: ( ) 2 21 1% 100%i k k THD c c ∞ = ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠∑ ( )1 1cosDF = θ −φ Fpico Fef I CF I = THD da corrente de entradaTHD da corrente de entrada DF da corrente de entradaDF da corrente de entrada PF da corrente de entradaPF da corrente de entrada 2 1 1 PPF DF S THD = = + Fator de crista da corrente Fator de crista da corrente no no trafotrafo ZvF vL iL E i2 v2 iF 24 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Retificador monofásico genérico:Retificador monofásico genérico: 2 1ef med V RF V ⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠ 2 2 ca ef medV V V= − Componente CA na saídaComponente CA na saída Ondulação na saídaOndulação na saída Variável de saída Variável de saída →→ tensãotensão 2 1ef med I RF I ⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠ 2 2 ca ef medI I I= − Variável de saída Variável de saída →→ correntecorrente Ondulação na saídaOndulação na saída Componente CA na saídaComponente CA na saída ZvF vL iL E i2 v2 iF Exemplo: Índices CCExemplo: Índices CC 25 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Retificador monofásico genérico:Retificador monofásico genérico: max max, , , ,...D D Drev DefV I V I η = o i P P Estresse nos componentesEstresse nos componentes ConversãoConversão RetificaçãoRetificação Razão de retificaçãoRazão de retificaçãoRendimentoRendimento ZvF vL iL E i2 v2 iF Exemplo: Índices de conversão e retificaçãoExemplo: Índices de conversão e retificação Lmed Lmed Lef Lef V I V I σ = Fator de utilizaçãoFator de utilização Lmed Lmed k ef k ef k V ITUF V I = ∑ 26 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Retificador monofásico ideal:Retificador monofásico ideal: ZvF vL iL E i2 v2 iF 0caV = 0RF = 0%iTHD = 1DF = 2CF = 1PF = 1σ = 1TUF = 1η = Variáveis de entradaVariáveis de entrada ((corrente)corrente) RetificadorRetificador Variáveis de saídaVariáveis de saída ((tensão/tensão/correntecorrente)) Exemplo: Índices de conversãoExemplo: Índices de conversão 1 ELETRÔNICA DE POTÊNCIA IELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 04 Aula 04 –– Dispositivos e dimensionamentoDispositivos e dimensionamento UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINAUNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICASCENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICACURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA Prof. Leandro Michels, Dr. Eng.Prof. Leandro Michels, Dr. Eng. leandromichels@gmail.comleandromichels@gmail.com EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento 2 Diodo idealDiodo ideal Característica estáticaCaracterística estática Prof. Leandro Michels Polarização reversa Polarização reversa →→ circuito abertocircuito aberto Polarização direta Polarização direta →→ curtocurto--circuitocircuito 1 2 Circuito equivalenteCircuito equivalente A C A C A C 1 2 EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento ik vk c o n d u z bloqueia esp. 1 2 3 Diodo realDiodo real Característica estáticaCaracterística estática Prof. Leandro Michels Polarização reversa Polarização reversa →→ bloqueiobloqueio Polarização direta Polarização direta→→ curtocurto--circuitocircuito 1 2 Circuito equivalenteCircuito equivalente A C A C 1 21 2 3 Região de avalanche Região de avalanche →→ curtocurto--circuitocircuito A C v(TO) rT 33 A C vRRM rRRM EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento 4 Diodo realDiodo real Característica dinâmicaCaracterística dinâmica Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Não controlada Não controlada →→ chave passivachave passiva Recuperação direta Recuperação direta →→ entrada em conduentrada em conduççãoão Recuperação reversa Recuperação reversa →→ sasaíída de conduda de conduççãoão ?? Geram problemas em Geram problemas em circuitos de comutação circuitos de comutação forçada forçada ?? Provocam substanciais Provocam substanciais perdas e perdas e sobrecorrentessobrecorrentes 5 Diodo realDiodo real PerdasPerdas Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento sw cP P P= + PPswsw →→ perdas de comutaperdas de comutaçção (W)ão (W) PPcc →→ perdas de conduperdas de conduçção (W)ão (W) P P →→ perdas totais (W)perdas totais (W) 2 ( )c TO avg T rmsP v i r i= + iiavgavg →→ corrente mcorrente méédiadia iirmsrms →→ corrente eficazcorrente eficaz rrTT →→ resistência do diodo resistência do diodo –– catálogocatálogo vv(TO)(TO) →→ tensão de condutensão de conduçção ão -- catcatáálogologo Perdas de conduçãoPerdas de condução Em conversores comutados pela linha, as perdas de Em conversores comutados pela linha, as perdas de comutação podem ser desconsideradascomutação podem ser desconsideradas 6 Tiristor idealTiristor ideal Característica estáticaCaracterística estática Prof. Leandro Michels Polarização reversa Polarização reversa →→ circuito abertocircuito aberto Polarização direta Polarização direta →→ circuito aberto (sem disparo)circuito aberto (sem disparo) 1 2 Circuito equivalenteCircuito equivalente A C A C 1 2 A C 3 3 Polarização direta Polarização direta →→ circuito fechado (disparo)circuito fechado (disparo) A C G EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento ik vk bloqueia bloqueia c o n d u z com.esp. esp. 1 2 3 7 Tiristor realTiristor real Característica estáticaCaracterística estática Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Polarização reversa Polarização reversa →→ bloqueiobloqueio Polarização direta Polarização direta →→ bloqueiobloqueio 1 2 Circuito equivalenteCircuito equivalente A C 1 2 A C 3 3 Polarização direta Polarização direta →→ curtocurto--circuito (disparo)circuito (disparo) A C G A C v(TO) rT 4 Polarização direta Polarização direta →→ curtocurto--circuitocircuito 4 A C vRM rRRM 4 8 Tiristor realTiristor real Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Característica estática (detalhes)Característica estática (detalhes) 9 Tiristor realTiristor real Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Legenda:Legenda: 10 Tiristor realTiristor real Característica dinâmicaCaracterística dinâmica Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento SemiSemi--controlada controlada →→ abertura não abertura não controladacontrolada 11 Tiristor realTiristor real Característica dinâmicaCaracterística dinâmica Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento 12 Tiristor realTiristor real PerdasPerdas Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento sw cP P P= + PPswsw →→ perdas de comutaperdas de comutaçção (W)ão (W) PPcc →→ perdas de conduperdas de conduçção (W)ão (W) P P →→ perdas totais (W)perdas totais (W) 2 ( )c TO avg T rmsP v i r i= + iiavgavg →→ corrente mcorrente méédiadia iirmsrms →→ corrente eficazcorrente eficaz rrTT →→ resistência do diodo resistência do diodo –– catálogocatálogo vv(TO)(TO) →→ tensão de condutensão de conduçção ão -- catcatáálogologo Perdas de conduçãoPerdas de condução Em conversores comutados pela linha, as perdas de Em conversores comutados pela linha, as perdas de comutação podem ser desconsideradascomutação podem ser desconsideradas 13 Dimensionamento dos dispositivosDimensionamento dos dispositivos Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Tensão máxima reversa em diodos e tiristoresTensão máxima reversa em diodos e tiristores ?? Valores recomendados (mesmo assim devem ser Valores recomendados (mesmo assim devem ser empregados empregados snubberssnubbers)) 14 Dimensionamento dos dispositivosDimensionamento dos dispositivos Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Corrente máxima reversa em diodos e tiristoresCorrente máxima reversa em diodos e tiristores ?? Corrente CC Corrente CC ?? IICCmaxCCmax = 0.8*I= 0.8*IFAV IFAV→Mean forward [on-state] current [ITAV] ?? Corrente CA Corrente CA ?? IICAmaxCAmax = 0.8*I= 0.8*IFRMS IFRMD→ RMS forward [on-state] current [ITRMS] 15 Cálculo térmicoCálculo térmico Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Perdas nos semicondutores:Perdas nos semicondutores: ?? Condução Condução →→ associada associada àà potência processada pelo potência processada pelo conversorconversor ?? Comutação Comutação →→ associada associada àà freqfreqüüência de comutaência de comutaçção ão do conversor do conversor →→ significativa para conversores de alta significativa para conversores de alta freqfreqüüência (kHz)ência (kHz) Propósito do cálculo térmico:Propósito do cálculo térmico: ?? Calcular um sistema de dissipação que evite que a Calcular um sistema de dissipação que evite que a temperatura de junção ultrapasse o máximo valor temperatura de junção ultrapasse o máximo valor permitido na pior condição de temperatura ambiente permitido na pior condição de temperatura ambiente na pior condição de operaçãona pior condição de operação 16 Cálculo térmicoCálculo térmico Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Regime permanente:Regime permanente: ?? Potência média Potência média →→ evitar que a temperatura da evitar que a temperatura da junção ultrapasse o valor máximo pela falta de junção ultrapasse o valor máximo pela falta de tamanho do dissipadortamanho do dissipador Regime transitório:Regime transitório: ?? Potência de pico Potência de pico →→ evitar que a temperatura da evitar que a temperatura da junção ultrapasse o valor máximo pela dificuldade de junção ultrapasse o valor máximo pela dificuldade de transferir rapidamente o calor da junção para o transferir rapidamente o calor da junção para o dissipadordissipador Verificar as duas condições:Verificar as duas condições: 17 Cálculo térmico Cálculo térmico –– regime permanenteregime permanente Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Circuito elétrico equivalente:Circuito elétrico equivalente: Legenda:Legenda: P P →→ potênciapotência T T →→ temperaturatemperatura R R →→ resistência tresistência téérmicarmica Índices:Índices: j j →→ junjunçção semicondutoraão semicondutora c c →→ encapsulamentoencapsulamento (case)(case) d ou s d ou s →→ dispositivo (dispositivo (devicedevice) ou dissipador () ou dissipador (sinksink)) a a →→ ambienteambiente RjaRja Dispositivos sem dissipador disponibilizam o valor de Dispositivos sem dissipador disponibilizam o valor de RRjaja 18 Cálculo térmico Cálculo térmico –– regime permanenteregime permanente Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Projeto:Projeto: 1) Dados T1) Dados Tjj, T, Taa e P, calcular e P, calcularRRjaja PP →→ calculado a partir da corrente que circula pelo calculado a partir da corrente que circula pelo dispositivo, empregando os dados de catdispositivo, empregando os dados de catáálogologo TTjj →→ obtido a partir do valor mobtido a partir do valor mááximo obtido no ximo obtido no catcatáálogo do semicondutorlogo do semicondutor TTaa →→ obtido considerandoobtido considerando--se a mse a mááxima xima temperatura ambiente de operatemperatura ambiente de operaçção do conversorão do conversor j a ja T T R P −= 19 Cálculo térmico Cálculo térmico –– regime permanenteregime permanente Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento 2) Dados 2) Dados RRjaja, , RRjcjc e e RRcdcd, calcular , calcular RRdada RRjaja →→ obtido da etapa anteriorobtido da etapa anterior RRjcjc →→ obtido no catobtido no catáálogo do semicondutorlogo do semicondutor RRcdcd →→ obtido no catálogo do semicondutorobtido no catálogo do semicondutor da ja jc cdR R R R= − − 3) Dado 3) Dado RRdada, obter um dissipador cuja resistência , obter um dissipador cuja resistência térmica seja menor (em dissipadores de térmica seja menor (em dissipadores de comprimento ajustável, calcular o comprimento comprimento ajustável, calcular o comprimento mínimo)mínimo) 20 Cálculo térmico Cálculo térmico –– regime permanenteregime permanente Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Dimensionamento do dissipador:Dimensionamento do dissipador: ?? Resistências térmicas negativas indicam que é Resistências térmicas negativas indicam que é impossível dissipar a potência demandadaimpossível dissipar a potência demandada ?? Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor no dissipador, deveno dissipador, deve--se somar todas as potências se somar todas as potências dissipadas pelos mesmo e deixar uma margem de dissipadas pelos mesmo e deixar uma margem de folga (15%)folga (15%) ?? No caso de pontes encapsuladas em módulo, o No caso de pontes encapsuladas em módulo, o cálculo é dado pela seguinte equação (vide cálculo é dado pela seguinte equação (vide SemikronSemikron):): n n →→ nnúúmero de dispositivosmero de dispositivos ja jc cs saR R R n R= + + 21 Cálculo térmico Cálculo térmico –– regime permanenteregime permanente Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Dissipadores de alumínio (ex. HS Dissipadores)Dissipadores de alumínio (ex. HS Dissipadores) ?? Escolha do perfil e valores da resistência Escolha do perfil e valores da resistência (comprimento de 4 polegadas)(comprimento de 4 polegadas) ?? Compensação por uso de ventilação forçadaCompensação por uso de ventilação forçada ?? Ex.: 0.73Ex.: 0.73ooC/WC/W 22 Cálculo térmico Cálculo térmico –– regime permanenteregime permanente Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Dissipadores de alumínio:Dissipadores de alumínio: ?? Compensação da diferença de temperatura Compensação da diferença de temperatura 23 Cálculo térmico Cálculo térmico –– regime permanenteregime permanente Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Dissipadores de alumínio:Dissipadores de alumínio: ?? Compensação da diferença de comprimentoCompensação da diferença de comprimento 24 Cálculo térmico Cálculo térmico –– regime permanenteregime permanente Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Dissipadores de alumínio:Dissipadores de alumínio: ?? Compensação da altitude (ar rarefeito)Compensação da altitude (ar rarefeito) 25 Cálculo térmico Cálculo térmico –– regime permanenteregime permanente Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Dimensionamento do dissipador:Dimensionamento do dissipador: ?? Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor no dissipador, deveno dissipador, deve--se somar todas as potências se somar todas as potências dissipadas pelos mesmo e deixar uma margem de dissipadas pelos mesmo e deixar uma margem de folga (15%)folga (15%) ?? No caso de pontes encapsuladas em módulo, o No caso de pontes encapsuladas em módulo, o cálculo é dado pela seguinte equação (vide cálculo é dado pela seguinte equação (vide SemikronSemikron):): ?? Os dispositivos não devem ser instalados próximos Os dispositivos não devem ser instalados próximos à borda do dissipador, nem muito próximos entre si. à borda do dissipador, nem muito próximos entre si. ?? Óxido de alumínio preto reduz em 25% a resistência Óxido de alumínio preto reduz em 25% a resistência térmicatérmica 26 Cálculo térmico Cálculo térmico –– considerações finaisconsiderações finais Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Regras práticas:Regras práticas: ?? Impedir que a temperatura da junção ultrapasse o Impedir que a temperatura da junção ultrapasse o valor de 80% o valor máximo permissível (aumenta o valor de 80% o valor máximo permissível (aumenta o MTDF do dispositivo)MTDF do dispositivo) ?? TTaa →→ deve ser considerado o valor de 40º para deve ser considerado o valor de 40º para instalação em ambiente ventilado ou um valor maior instalação em ambiente ventilado ou um valor maior para conversor instalado em ambiente enclausuradopara conversor instalado em ambiente enclausurado ?? Caso seja preciso isolar o dispositivo do dissipador, Caso seja preciso isolar o dispositivo do dissipador, usar isolante (mica, teflon, usar isolante (mica, teflon, mylarmylar). Considerar sua ). Considerar sua resistência térmicaresistência térmica ?? RecomendaRecomenda--se usar pasta térmica para evitar bolhas se usar pasta térmica para evitar bolhas de ar entre o dispositivo e o dissipadorde ar entre o dispositivo e o dissipador 27 Exemplos de dados de catálogo Exemplos de dados de catálogo -- diododiodo Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento 28 Exemplos de dados de catálogo Exemplos de dados de catálogo -- tiristortiristor Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento 29 Exemplos de dados de catálogo Exemplos de dados de catálogo -- tiristortiristor Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento
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