Eletr_Pot1_1.pdf

Prévia do material em texto

1 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ 
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA 
CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA 
 
Disciplina de Eletrônica de Potência – ET66B 
 
Prof. Amauri Assef 
amauriassef@utfpr.edu.br 
paginapessoal.utfpr.edu.br/amauriassef 
 
Eletrônica de Potência - Introdução 
2 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 A Eletrônica de Potência é a ciência que trata da aplicação de 
dispositivos semicondutores de potência, como tiristores e 
transistores, na conversão e no controle de energia elétrica 
em níveis altos de potência 
 Eletrônica, potência e controle 
 
 Controle do fluxo de energia entre dois ou mais sistemas 
elétricos com características distintas 
 
 
 
 
Filtro de 
entrada 
Conversor 
de potência 
Filtro de 
entrada 
Gerador de sinal de controle de chaveamento 
Realimentação 
Eletrônica de Potência - Introdução 
3 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Métodos de controle que permitissem: 
 Rendimentos elevados para médias e altas potências 
 
 Evolução dos interruptores: 
 Relés  Contatores  Reatores de núcleo saturáveis  Retificadores 
à arco  Válvulas Tiratron 
 
Os interruptores atuam 
como dispositivos de 
controle 
Eletrônica de Potência - Introdução 
4 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Busca por interruptores mais eficientes, compactos e rápidos 
 
 Interruptores eletrônicos em estado sólido 
 Tiristores (anos 60 – General Electric-GE/USA) 
 
 Revolução no processamento de energia 
 Nasce a Eletrônica de Potência como ciência aplicada dedicada ao 
estudo dos conversores estáticos de energia elétrica 
 
 Interruptor ideal (chave) 
 Tempo de comutação nulos (condução e bloqueio instantâneo) 
 Resistência nula na condução 
 Resistência infinita quando bloqueado 
 
Eletrônica de Potência - Introdução 
5 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Por que eletrônica de potência? 
 
 Transferência de potência elétrica de uma fonte 
para uma carga 
 
 Chave fechada: v(t) = 0 
 Chave aberta: i(t) = 0 
 Para qualquer evento: p(t) = v(t)i(t) = 0 
A perda de potência em uma chave ideal é nula 
Eletrônica de Potência - Introdução 
6 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Exemplo de um conversor CC-CC simples 
 Parâmetros do projeto 
 Tensão de entrada: 100V 
 Carga de saída (load): 50V, 10A, 500W 
 Como pode ser realizado? 
Eletrônica de Potência - Introdução 
7 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Divisor resistivo (reostato) 
 Potência dissipada no reostato: 500W 
 Potência fornecida pela fonte: PT = PL + PR = 1000W 
 Eficiência: η = PL / PT * 100 = 50% 
Eletrônica de Potência - Introdução 
8 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Transistor operando como regulador série 
 Potência dissipada no transistor: 500W 
 Potência fornecida pela fonte: PT = 1000W 
 Eficiência: η = PL / PT * 100 = 50% 
Eletrônica de Potência - Introdução 
9 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Utilizando uma chave SPDT (Single Pole, Double Throw) 
 Chave fechada – máxima potência transferida 
 Chave aberta – potência entregue à carga é nula 
 
 D = duty cycle 
 0 ≤ D ≤ 1 
 TS = período de chaveamento 
 fS = frequência de chaveamento 
 
 
 
 
 
 
Eletrônica de Potência - Introdução 
10 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Conversores estáticos: sistema constituído por elementos 
passivos (R, L e C) e elementos ativos (interruptores), tais 
como diodos, tiristores e transistores associados segundo lei 
pré-estabelecida 
 
 
 
 
 
 
 
Redução de peso, volume e custos 
Redução das perdas e aumento da densidade de potência 
Operação em frequências maiores 
Aumento do rendimento 
Eletrônica de Potência - Introdução 
11 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Principais funções dos conversores estáticos 
 
 
 
 
 
 
 CC-CC – pulsador 
 CA-CC – retificador 
 CC-CA – inversor 
 CA-CA – gradador/cicloconversor 
Eletrônica de Potência - Introdução 
12 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Tipos de circuitos de eletrônica de potência 
 Retificadores não-controlados (CA-CC) 
 Converte uma tensão mono ou trifásica em um tensão CC – diodos 
 Fonte CC para circuitos eletrônicos 
 Retificadores controlados (CA-CC) 
 Converte uma tensão mono ou trifásica em um tensão CC variável – SCRs 
 Controle de velocidade de motor CC a partir de fonte CA, controle de velocidade para 
ferramentas portáteis 
 Choppers CC (CC-CC) 
 Converte uma tensão tensão CC fixa em um tensão CC variável 
 Controle de velocidade de motor CC a partir de fonte CC, fonte de alimentação chaveada 
 Controladores de tensão CA (CA-CA) 
 Converte uma tensão fixa CA em um tensão CA variável de mesma frequência 
 Partida leve de motores de indução (soft-starters), chave de regulagem de iluminação 
Eletrônica de Potência - Introdução 
13 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Inversores (CC-CA) 
 Converte uma tensão CC fixa em um tensão monofásica ou trifásica 
CA, fixa ou variável, e com frequências também fixas ou variáveis 
 UPS, controle de velocidade de motores AC trifásicos 
 Conversores cíclicos (CA-CA) 
 Converte uma tensão e frequência CA fixa em um tensão e frequência 
CA variável. Pode ser obtida de forma indireta, primeiramente por 
retificação CA para CC e depois retornando pra CA na frequência 
desejada 
 Controle de velocidade de motores AC, fonte de freq. cte para aeronaves 
 Chaves estáticas (CA ou CC) 
 O dispositivo de potência – SCR e TRIAC – pode ser operado como 
chave CA ou CC 
 Substituição de chaves mecânicas e eletromagnéticas tradicionais 
 
Eletrônica de Potência - Introdução 
14 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Exemplo: Nobreak (UPS) 
 Sistema para fornecimento de energia de forma ininterrupta e “limpa” 
(livre de distorções) 
 
 
Eletrônica de Potência - Introdução 
15 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Aplicações 
 Fontes de alimentação estabilizadas (chaveadas) 
 Controle de máquinas elétricas 
 Controle de motores de corrente contínua 
 Controle de motores de corrente alternada 
 Conversores para soldagem 
 Aquecimento indutivo 
 Alimentação de segurança 
 Alimentação de emergência 
 Transmissão em corrente contínua 
 Carregadores de baterias 
 Retificadores em geral 
 Interligação de sistemas com frequências diferentes 
 
Eletrônica de Potência - Introdução 
16 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Subáreas da Eletrônica de Potência 
 Eletrônica de Potência Básica 
 Comutação natural, tensões ≤ 2 kV, correntes ≤ 1kA e frequências ≤ 1 kHz 
 Elevadas correntes 
 Aplicações com correntes > 1 kA 
 Elevadas tensões 
 Aplicações com tensões > 2 kV 
 Elevadas frequências 
 Aplicações > 1 kHz 
 Elevadas Potências 
 Aplicações com tensões > 2 kV e correntes > 1 kA 
 Comutação forçada 
 Inversores de tensão autônomos à SCR 
 Técnicas Especiais de Controle e Filtragem 
 Controle das harmônicas de tensão ou corrente introduzidas pelos conversores 
 
Eletrônica de Potência - Introdução 
17 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Dispositivos em Eletrônica de Potência e limitações 
 
 
 
 
 
Dispositivos para operação com maiores frequencias de chaveamento e 
capacidade de processamento de maiores potênciasEletrônica de Potência - Revisão 
18 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Medidas Elétricas 
1) Valor médio (nível cc): 
 Dada uma função periódica f(t)=f(t+T), onde T é o período 
em que a função se repete, o valor médio é dado por: 
 
 
 
 Para um semiciclo (meio ciclo) de tensão: 
 
 
 
 
 
p
p
p
T
t
med V.,
V
td)t(senVdt)t(v
T
V 6370
211
00
  

 
 

2
0
2
11 0
0
td)t(fdt)t(f
T
V
Tt
t
med
Eletrônica de Potência - Revisão 
19 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Medidas Elétricas 
2) Valor eficaz (rms - root mean square): 
Valor médio quadrático 
 Dada uma função periódica senoidal f(t)=f(t+T), onde T é o 
período em que a função se repete, o valor eficaz é dado 
por: 
 
 
 
 
 
   
 

2
0
222
2
11 0
0
td)t(senVdt)t(f
T
V p
Tt
t
rms
p
ppp
rms V.,
VVtsentV
V 7070
22
2
24
2
22
22
0
2


















Eletrônica de Potência - Revisão 
20 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Medidas Elétricas 
3) Potência: 
A) Tensão e corrente senoidais 
 Potência aparente 
 Potência ativa 
 Potência reativa 
B) Tensão e/ou corrente não-senoidal 
 Potência aparente 
 
 Potência ativa 
 
 Potência reativa 
rmsrmsIVS 
cosIVP rmsrms
senIVQ rmsrms
 
 

2
0
2
11 0
0
td)t(i)t(vdt)t(i)t(v
T
P
Tt
t
22 PSQ 
rmsrmsIVS 
Eletrônica de Potência - Revisão 
21 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Medidas Elétricas 
4) Fator de Potência: 
Relação entre potência ativa e potência aparente 
 
 
 
 
 
Para ondas senoidais  
 
 
 
 
cosFP 
rmsrms
Tt
t
IV
dt)t(i)t(v
T
S
P
FP



0
0
1
Eletrônica de Potência - Revisão 
22 
UTFPR – Campus Curitiba 
Prof. Amauri Assef 
 Referências bibliográficas: 
 
– BARBI, Ivo. Eletrônica de Potência; 6ª Edição, UFSC, 2006 
– MUHAMMAD, Rashid Eletrônica de Potência; Editora: Makron Books, 
1999 
– ERICKSON, Robert W.; MAKSIMOVIC, Dragan. Fundamentals of power 
electronics. New York: Kluwer Academic, 2001 
– AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência; Editora: Prentice Hall, 1a 
edição, 2000