2 Eletrônica de Potência IFBA Introdução

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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 
- INTRODUÇÃO - 
Professor Lucas Tenório de Souza Silva 
1 - INTRODUÇÃO 
1- Introdução 
 Esta disciplina envolve três campos da Eng. Elétrica: 
 Potência: trata de equipamentos de potência estático e 
rotativo de geração, transmissão e distribuição de energia 
elétrica; 
 Eletrônica: trata dos circuitos e dispositivos de estado 
sólido para processamento de sinal; 
 Controle: trada das características dinâmicas e de regime 
permanente do sistema; 
 Os parâmetros controlados são: 
 Tensão 
 Corrente 
 Frequência 
1 - INTRODUÇÃO 
 Eletrônica de potência pode ser entendida como: 
 Aplicações de eletrônica que converte energia elétrica de 
forma eficiente, limpa, compacta e arrojada de forma 
que satisfaça eventuais necessidades. 
 
1 - INTRODUÇÃO 
 Vantagens de utilizar dispositivos semicondutores 
como chaves (liga-desliga): 
 Pequeno porte 
 Baixo Custo 
 Maior eficiência e menor dissipação de potência 
 Possibilidade de Controle automático de transferência de 
potência (Fonte – Carga). 
1 - INTRODUÇÃO 
 Exemplo de Vantagem na Transferência de Potência 
 Variação de Tensão (Geralmente Difícil: Trafo) 
 Inserção do Regulador (Reostato x Chave) 
 Considerando que E=100V e RL=10. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Resultado: Encontra-se maior eficiência de transferência quando 
se adota o chaveamento. (Pfonte=Pcarga) 
Com R1=0: 
- PRL=PE; PR1=0W 
Com R1=10; 
- PRL=50%PE; PR1=50%PE 
Com R1=100; 
- PRL=8,9%PE; PR1=91,1%EE 
Potência é calculada com o Valor Médio 
Com Chave Fechada: 
- PRL=PE; Pchave=0W 
Com Chave Fechada 50% do Tempo; 
- E50%=50%E; PRL=PE; Pchave=0W 
Com Chave Fechada 20% do Tempo: 
- E20% =50%E; PRL=PE; Pchave=0W 
 
2 - HISTÓRICO 
2 – Histórico da Eletrônica de Potência 
 Até 1950: 
 Introdução do retificador a arco de mercúrio; (a) 
 Retificador de tanque metálico; 
 Retificador em tubo a vácuo de grade controlada; 
 As válvulas Ignitron, fanatron e Tiratron; (b) 
a) 
a) 
b) Contadora Escala-de-dois 
b) Válvula Tiratron 
2 - HISTÓRICO 
2 – Histórico da Eletrônica de Potência 
 1ª Revolução: 
 Invenção do transistor de silício em 1948 (Bell 
Telephone Laboratories). 
 Invenção do transistor disparável PNPN, definido como 
tiristor ou retificador controlado de silício SCR - 
Silicon Controled Rectifier – em 1956 (Bell Telephone 
Laboratories); 
 2ª Revolução 
 Desenvolvimento comercial do tiristor (General 
Electric Company) em 1958. 
 Desenvolvimento dos novas chaves semicondutoras 
(MOSFETs, IGBT, GTO, MCT); 
 Desenvolvimento da microeletrônica para 
processamento de informações (Eletrônica como músculo e 
Microeletrônica com cérebro); 
2 - HISTÓRICO 
 3ª Revolução (a partir de 1990) 
 Eletrônica de Potência no Processamento de energias 
renováveis e na economia de energia: 
 Dispositivos de chaveamento mais rápidos; 
 Desenvolvimento com novos materiais (carbeto de Silício – 
SiC) 
 Aplicações com microprocessadores modernos; 
 Processamento digital de sinal na sintetização de 
estratégias de controle; 
 
3 - CHAVES 
3.1 - CHAVES SEMICONDUTORAS: 
 Em eletrônica de potência, as chaves semicondutoras 
são os elementos mais importantes no circuito e 
são operadas em alta frequência. 
 Os principais dispositivos semicondutores usados 
como chaves são: 
 Diodos; 
 Transistores bipolares de junção (BJTs); 
 Transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor 
(MOSFETs); 
 Transistores bipolares de porta isolada (IGBTs); 
 Retificadores controlados de silício (SCRs); 
 Triacs; 
 Tiristores de desligamento por porta (GTO) 
 Tiristores Controlados MOS (MCT) 
3 - CHAVES 
3.1.1 – Chave Ideal x Real (perdas): 
 Para um chave ideal, a perda de potência será igual 
a zero, já que: 
 Fechada: Corrente: Máxima, Tensão: Zero e Pchave=0w. 
 Aberta: Tensão: Máxima; Corrente: Zero e Pchave=0w. 
 Tempo de Transição (ligar para desliga) = 0 s. 
 Para as chaves reais (semicondutoras), existirá 
perda de potência durante a: 
 Condução: chave fechada (d: ciclo de trabalho;duty cycle) 
 
 
 Não Condução: chave aberta 
dIVP ONChONChONCh  
ft
T
t
tt
t
d ON
ON
OFFON
ON 


T
t
IVP OFFOFFChOFFChOFFCh  
3 - CHAVES 
 Chaveamento (Comutação): transição on-off e off-on 
 Perdas por chaveamento esta relacionada com a tempo de 
subida (ts) e descida(td) (geralmente ts é maior do que td). 
 Frequência máxima é limitada pelo tempo de chaveamento e 
pela dissipação máxima, já que quanto maior a frequência, maior 
a perda por chaveamento. 
 As perdas de energia durante o ligamento off-on (ts) e o 
desligamento on-off (td) é dada respectivamente por: 
 
 
 
sChaveChaveOnOff tIVW  maxmax
6
1
dChaveChaveOffOn tIVW  maxmax
6
1
3 - CHAVES 
 A perda de energia total da transição on-off e off –on é dado 
por: 
 
 A perda de potência total da transição é dada por 
 
 
 
 Onde: 
 
 Perda Total da Chave Real: 
 
 
 
][
6
1
maxmax dsChaveChavetransição ttIVW  fttIVP dsChaveChavetransição  ][
6
1
maxmaxTtttt
f
dsOFFON
11



ochaveamentñconduçãoconduçãoisperdastota PPPP 
 Obs: A dissipação é bastante 
influenciada pelo tempo de condução 
(tON) e chaveamento (ts+td). 
4 – VALOR RMS DAS FORMA DE ONDA 
4 – VALOR RMS (Root Mean Square) 
 O valor RMS pode ser útil para determinar com 
precisão: 
 Perdas de um dispositivo em Condução; 
 Especificações de corrente e tensão dos componentes 
 Como as formas de onda raramente são simples 
senoides ou retângulo, a determinação do valor RMS 
pode ser calculada pela fórmula: 
 
 Para o casos da decomposição do sinal em componente 
de frequência (harmônicas), o valor RMS pode ser 
determinado por: 

T
RMS dtti
T
I
0
2 )(
1
2
)(
2
)2(
2
)1(
2 ... nRMSRMSRMSCCRMS IIIII 
4 – VALOR RMS DAS FORMA DE ONDA 
 Valores RMS das formas de onda frequentemente 
encontrada 2
P
RMS
I
I 
2
k
II PRMS  2
)1()1(sin
2
0 kconkTkII PRMS


T
T
k 0
T
t
k 11
kII PRMS 
d
T
T
k  0
3)( 22 aabbRMS IIIIkI 
d
T
T
k  0
3
k
II PRMS 
d
T
T
k  0
5 - CONVERSORES 
5 – CIRCUITOS CONVERSORES 
 Conversor Estático é uma matriz de chaveamento 
em que uma ou mais chaves são ligadas e conectadas 
a fonte de alimentação para obtenção da tensão ou 
da corrente desejada na saída. 
 São divididos nas seguintes categorias: 
 Retificadores não controlados (AC para DC) – converte 
uma tensão monofásica ou trifásica em uma tensão DC 
usando diodos como elementos de retificação. 
5 - CONVERSORES 
 Retificadores controlados (AC para DC) – converte uma 
tensão monofásica ou trifásica em uma tensão DC 
ajustável usando SCRs como elementos de retificação. 
 
 
 
 
 
 Choppers DC (DC para DC) – converte tensão DC fixa em 
tensões DC ajustável. 
5 - CONVERSORES 
 Inversores (DC para AC) – converte uma tensão DC fixa 
em uma tensão monofásica ou trifásica AC, fixa ou 
ajustável, e com frequências também fixas ou ajustável. 
 
 
 
 
 
 Controladores de Tensão AC (AC para AC) – converte 
uma tensão e frequência AC fixa em uma tensão e 
frequência AC variável. 
 
 
5 - CONVERSORES 
 Chaves estáticas (AC ou DC) – o dispositivo de potência 
(SCR ou triac) pode ser operado como uma chave AC ou DC, 
substituindo, dessa maneira, as chaves mecânicas e 
eletromagnéticastradicionais. 
 
5 - APLICAÇÕES 
5 - APLICAÇÕES DA ELETR. INDUSTRIAL: 
 Existem diversas aplicações com dispositivos 
semicondutores de potência usados como elementos 
de chaveamento e controle de energia para 
máquinas e motores elétricos, dentre elas: 
 Controle de sistemas de aquecimento; 
 Controle de luminosidade; 
 Controle de máquinas elétricas; 
 Fontes de alimentação; 
 Sistemas de propulsão de veículos; 
 Sistemas de corrente contínua em alta tensão (high voltage 
direct-current HVDC); 
 
 
6 - APLICAÇÕES 
 Aplicações 
6 - APLICAÇÕES 
 Aplicações 
6 - APLICAÇÕES 
 Aplicações: Potência x Frequência 
7 – CARACTERÍSTICAS DAS CHAVES 
 Faixa de Potência das Chaves Comerciais: I(A) x V(V); 
 
7 – CARACTERÍSTICAS DAS CHAVES 
 Faixa de Potência das Chaves Comerciais: I(A) x V(V); 
 
7 – CARACTERÍSTICAS DAS CHAVES 
 Faixa de Potência das Chaves Comerciais: I(A) x V(V); 
7 – CARACTERÍSTICAS DAS CHAVES 
 Características de chaveamento dos dispositivos 
 
DIODO 
SCR 
SITH 
GTO 
MCT 
MTO 
ETO IGCT 
TRIAC 
LASCR 
BJT IGBT MOSFET SIT 
8 – EXERCÍCIOS 
 Exercício: 
 AHMED, Ahsfaq. Eletrônica De Potência. Pearson 
Education do Brasil Ltda, 2002. 
 Capitulo 1: Estão aptos a fazer todos exercícios 
 Preferencialmente: 5, 6, 7, 8, 9, 12, 13 e 14 
 
 
10 – EXERCÍCIOS 
 RASHID, Muhammad H.; Eletrônica de Potência: 
Dispositivos, Circuitos e Aplicações; PEARSON; Makron 
Books 
 Capitulo 1 
 
10 – EXERCÍCIOS