Introdução à Eletrônica de Potência

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Eletrônica de Potência
Aula 1
Eletrônica de Potência - Introdução 
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 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 saída 
Gerador de sinal de controle de chaveamento 
Realimentação 
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 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 
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 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
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 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 
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 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?
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 Divisor resistivo (reostato)
 Potência dissipada no reostato: 500W 
 Potência fornecida pela fonte: PT = PL + PR = 1000W 
 Eficiência: η = PL / PT * 100 = 50% 
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 Transistor operando como regulador série
 Potência dissipada no transistor: 500W 
 Potência fornecida pela fonte: PT = 1000W 
 Eficiência: η = PL / PT * 100 = 50% 
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 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
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 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 
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 Principais funções dos conversores estáticos
 CC-CC – pulsador
 CA-CC – retificador
 CC-CA – inversor
 CA-CA – gradador/cicloconversor
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 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
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 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
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 Exemplo: Nobreak (UPS)
 Sistema para fornecimento de energia de forma ininterrupta e “limpa”
(livre de distorções)
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 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
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 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
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 Dispositivos em Eletrônica de Potência e limitações
Dispositivos para operação com maiores frequencias de chaveamento e 
capacidade de processamento de maiores potências 
Eletrônica de Potência - Revisão 
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 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
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 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


















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 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
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 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
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 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