Eletrônica de Potência - Introdução

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Eletrônica Industrial III
Eletrônica de Potência
Prof. Rubem de Azevedo Campos
Introdução
 A eletrônica de potência combina: potência, 
eletrônica e controle.
 Potência: Trata dos Equipamentos de potência 
rotativos e estáticos para a geração, transmissão e 
distribuição de energia elétrica.
 Eletrônica: Trata dos dispositivos e circuitos de 
estado sólido para o processamento de sinais que 
permitam alcançar os objetivos de controle 
desejados.
 Controle: Trata das características dinâmicas e de 
regime permanente dos sistemas de malha fecha.
Definição 
 A eletrônica de Potência pode ser definida 
como a aplicação da eletrônica de estado sólido 
para o controle e conversão da energia elétrica.
 A relação da eletrônica de potência com a 
energia, a eletrônica e o controle é mostrado na 
figura a seguir.
Controle 
Analógico/Digital
Dispositivos
e/ou
Circuitos Eletrônicos
Equipamentos de 
Potência 
Estáticos/Rotativos
Eletrônica de Potência
Relação da Eletrônica de Potência com a 
Energia, a Eletrônica e o Controle
No curso, a eletrônica de potência, emprega uma abordagem das 
partes para o todo, cobre primeiramente características dos 
dispositivos e técnicas de conversão; depois aplicações.
 A s técnicas de conversão requerem a condução 
e o bloqueio (chaveamento) dos dispositivos 
semicondutores de potência.
 Circuitos eletrônicos simples, que normalmente 
consistem de circuitos integrados e 
componentes discretos, geram os sinais de 
comando necessários ao comando dos 
dispositivos de potência.
 Atualmente os circuitos integrados e os 
componentes discretos estão sendo substituídos 
por microprocessadores.
Relação da Eletrônica de Potência com a Energia, 
a Eletrônica e o Controle
 A eletrônica de potência é primariamente baseado no 
chaveamento dos dispositivos semicondutores de potência.
 O desenvolvimento da tecnologia de microprocessadores e 
microcomputadores teve grande impacto no controle e na 
sintetização da estratégia de controle para os dispositivos 
semicondutores de potência.
 A eletrônica de potência já encontrou um lugar importante na 
tecnologia moderna, sendo usada em uma grande variedade de 
produtos de alta potência, incluindo controle de aquecimento, 
controle de iluminação, controle de máquinas elétricas, fontes de 
alimentação, sistema de propulsão de veículos e sistemas de 
corrente contínua em alta tensão (HVDC).
Definições
 A história da eletrônica de potência iniciou-se com a 
introdução do retificador a arco de mercúrio, em 
1900.
 O retificador em tubo a vácuo de grade controlada, 
o ignitron e o tiratron, dispositivos introduzidos 
gradualmente, foram aplicados para controle de 
potência até a década de 1950.
 A primeira revolução da eletrônica começou em 
1948 com a invenção do transistor de silício.
Histórico
 A próxima grande descoberta foi em 1956, o 
transistor disparável PNPN, definido como 
tiristor ou retificador controlado de silício (do 
inglês silicon-controlled rectifier – SCR).
 A segunda revolução da eletrônica iniciou-se 
em 1958 com o desenvolvimento do tiristor 
comercial.
 Devido ao casamento da eletrônica de 
potência, o músculo, com a microeletrônica, o 
cérebro, muitas aplicações da eletrônica de 
potência estão surgindo, e esta tendência 
continuará.
Histórico
 Até 1970 os tiristores convencionais eram usados exclusivamente 
para controle de potência em aplicações industriais;
 Desde 1970, vários tipos de dispositivos semicondutores de potência 
foram desenvolvidos e tornaram-se comercialmente disponíveis;
 Diodos de Potência
 Genéricos;
 Alta Velocidade (ou recuperação rápida);
 Schottky.
 Tiristores;
 Tiristor de comutação forçada;
 Tiristor de comutação pela rede;
 Tiristor de desligamento pelo gatilho (GTO);
 Tiristor de condução reversa (RCT);
 Tiristor de indução estática (SITH);
 Tiristor de desligamento auxiliado pelo gatilho (GATT);
 Retificador controlado de silício ativado por luz (LASCR);
 Tiristores controlados por MOS (MCTs).
 Transistores de junção bipolares (BJT);
 MOSFET’s de potência;
 Transistores bipolares de porta isolada (IGBTs);
 Transistores de indução estática (SITs)
Histórico
Aplicações dos dispositivos de potência
Consumo
Geração
230kV
230kV
138kV ou Abaixo
500kV
500kV
Subtransmissão 
e Distribuição
600kV
Transmissão 
Supervisão e Controle
Composição do Sistema de Interligado
230 kv
230 kv
230 kv
69 kv
69 kv
69 kv
13.8 kv
13.8 kv
380 V
380 V
13.8 kv
69 kv
230 kv
Geração e Transmissão 
de Energia Elétrica
UHE - SAMUEL / PVH 
Usina Samuel
SE - Samuel
SE - PVH - I
SE - AREAL
SE - ALPHAVILLE
CERON
CERON
Sistema Elétrico de Potência
CENTROS DE OPERAÇÕES
Dispositivos Semicondutores de Potência
 Diodos de Potência
 Genéricos: Com capacidades até 3000 V e 
3500 A.
 Diodos de Alta Velocidade (recuperação 
rápida): Com capacidade até 3000 V e 1000 
A, tempo de recuperação reversa entre 0,1 e 
5 µs.
 Diodos Schottky: Possui baixa queda de 
tensão no sentido direto e tempo de 
recuperação muito pequeno (ns), faixa de 
tensão de operação em 100 V e 300 A.
Configurações de Diodos Genéricos
 Tiristores
 Componente de três terminais: Anodo, Catodo e Gatilho;
 Em condução, a queda de tensão direta é da ordem de 
0,5 a 2 V;
 Os tiristores de comutação natural ou pela rede são 
fornecidos com valores nominais de até 6000 V e 3500 A;
 O tempo de desligamento (10 a 20 µs) é definido como o 
intervalo de tempo entre o instante em que a corrente 
principal é diminuida a zero após o chaveamento 
externo do circuito de tensão principal e o instante em 
que o tiristor é capaz de suportar uma tensão principal 
específica sem ligar novamente;
 Os GTO’s e os SITHs são tiristores autodesligáveis, isto 
é, são ligados pela aplicação de um curto pulso positivo 
ao gatilho e desligados pela aplicação de um curto pulso 
negativo no gatilho.
Dispositivos Semicondutores de Potência
Tiristores
Tiristores de Desligamento pelo 
Gatilho – GTO’s
Valores nominais dos dispositivos 
Semicondutores de Potência
Aplicações e faixa de freqüência dos 
dispositivos de potência
Curva Características e símbolos de 
alguns dispositivos de potência
Características e símbolos de alguns 
dispositivos de potência
Características de 
Controle dos 
dispositivos de 
potência
 Os dispositivos de 
chaveamento de potência 
podem ser classificados com 
base em: 
 Disparo e desligamento 
não-contolados (diodos);
 Disparo controlado e 
desligamento não-
contolados (SCR);
 Disparo e desligamento 
controlados (GTO);
 Necessidade de sinal 
contínuo na porta (IGBT);
 Necessidade de pulso de 
gatilho (SCR, GTO);
 Capacidade de suportar 
tensão bipolar (SCR, GTO);
 Capacidade de suportar 
tensão unipolar (BJT, GTO, 
IGBT);
 Capacidade de corrente 
bidirecional (TRIAC, RCT);
 Capacidade de corrente 
unidirecional (SCR, GTO, 
BJT, IGBT).
TIPOS DE CIRCUITOS EM ELETRÔNICA 
DE POTÊNCIA
 Para o controle ou o condicionamento de 
energia elétrica, a conversão de potência 
elétrica de uma forma para outra é necessária 
e as características de chaveamento dos 
dispositivos de potência permitem essas 
conversões. 
 Os conversores estáticos de energia realizam 
essas funções de conversão de potência. Um 
conversor pode ser considerado uma matriz de 
chaveamento. 
Classificação dos Circuitos da 
Eletrônica de Potência
Os circuitos de eletrônica de potência 
podem ser classificados em seis tipos:
1. Retificadores com diodos;
2. Conversores CA-CC (retificadores 
controlados);
3. ConversoresCA-CA (controladores de 
tensão CA);
4. Conversores CC-CC (choppers);
5. Conversores CC-CA (inversores);
6. Chaves estáticas.
Retificadores 
 Um circuito retificador com diodos converte tensão CA 
em uma tensão CC fixa e é mostrado na Figura. A 
tensão de entrada para o retificador poderia ser tanto 
monofásica quanto trifásica.
Ilustração dos princípios básicos dos 
circuitos Conversores 
Conversores CA-CC 
 Um conversor monofásico com dois tiristores em comutação natural é 
mostrado na Figura. 
 O valor médio da tensão de saída pode ser controlado variando-se o 
tempo de condução dos tiristores ou o atraso do ângulo de disparo, α. 
A entrada poderia ser uma fonte monofásica ou trifásica. Esses 
conversores são também conhecidos como retificadores controlados.
Conversores CA-CA 
 Esses conversores são usados para se obter uma tensão CA 
variável de saída a partir de uma fonte CA fixa; um conversor 
monofásico com um TRIAC é mostrado na Figura. A tensão de 
saída é controlada pela variação do tempo de condução do 
TRIAC ou do atraso do ângulo de disparo, α. Esses tipos de 
conversores são também conhecidos como Controladores de 
tensão CA.
Conversores CC-CC 
 Um conversor CC-CC é também conhecido como um Chopper
ou regulador chaveado; 
 Um chopper com transistor é mostrado na Figura. A tensão 
média de saída é controlada pela variação do tempo de 
condução t, do transistor Q1. Se T é o período de operação do 
chopper, então t1 = δT. δ é chamado ciclo de trabalho do 
chopper.
Conversores CC-CA 
 Um conversor CC-CA é também conhecido como um Inversor. 
 Um inversor monofásico com transistor é mostrado na Figura. Se 
os transistores M1 e M2 conduzirem por meio período e M3 e M4 
conduzirem na outra metade, a tensão de saída terá a forma 
alternada. A tensão de saída pode ser controlada pela variação do 
tempo de condução dos transistores.
Chaves Estáticas 
 Como os dispositivos de potência podem 
ser operados como chaves estáticas ou 
contatores, a alimentação para essas 
chaves pode ser tanto CA quanto CC e as 
chaves são chamadas Chaves estáticas 
CA ou Chaves CC.
Efeitos Periféricos
 A qualidade de um conversor de potência é julgada pela 
qualidade de suas formas de onda de tensão e corrente.
 As grandezas de entrada e saída dos conversores podem ser 
tanto CA quanto CC. Fatores como distorção harmônica total 
(THD), fator de deslocamento (HF) e o fator de potência na 
entrada (IPF), são medidas da qualidade de uma forma de 
onda.
Fim
ELETRICIDADE BÁSICA
ELETRICIDADE BÁSICA