CAT169 - Parte 01 - Introdução

Prévia do material em texto

Parte 01:
Conversão da Energia Elétrica
CAT169 – Acionamentos Elétricos
Universidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas
Departamento de Engenharia de Controle e Automação e Técnicas Fundamentais
Prof. Rúben C. Barbosa
rubencbarbosa@gmail.com
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
• Sistemas de eletrônica de potência consistem em conversores de
energia; filtros para minimizar ruídos e harmônicos; circuitos de
comando; e a realimentação e controle que mantém o sistema operando
no ponto desejado mesmo com mudanças na entrada ou na saída.
• O circuito de potência é composto por semicondutores de potência e
elementos passivos (indutores, capacitores e resistores), podendo
assumir várias configurações em função das características de tensão,
corrente e frequência da fonte de alimentação e da carga.
• Pelo fato de não haver partes móveis, esses circuitos de potência são
chamados de conversores estáticos, os quais podem ser classificados
como: Conversores CA – CC (Retificadores), Conversores CC – CA
(Inversores), Conversores CC – CC (Choppers) e Conversores CA – CA
(Cicloconversores e Controladores CA).
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
Diagrama de blocos de um sistema de eletrônica de potência.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
ENERGIA ELÉTRICA
• Fornecimento:
• Tensão monofásica/trifásica;
• Amplitude fixa;
• Frequência fixa;
• Alimentação de equipamentos:
• Frequência distinta da rede;
• Amplitude e/ou frequências variáveis;
• Tensão CC fixa ou de amplitude variável;
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
ENERGIA ELÉTRICA
• Conversores estáticos:
• Circuitos eletroeletrônicos constituídos por 
interruptores estáticos, que de acordo com a sequência 
de operação, permite efetuar a troca de energia entre 
sistemas elétricos de características diferentes.
• A operação correta de qualquer conversor estático 
depende:
• Da correta sequência de acionamento dos 
interruptores de modo a caracterizar a função 
desejada.
• Das características reais dos interruptores.
Interruptores 
Estáticos
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
INTERRUPTORES ESTÁTICOS
DIODO:
• Estado depende apenas das 
condições elétricas do circuito
• Condução: 
• Aplicação de um potencial 
positivo no anodo em relação ao 
catodo
• Bloqueio:
• Passagem de corrente por zero
• Aplicação de um potencial 
negativo no anodo em relação ao 
catodo
Curva característica 𝑣 × 𝑖 de um diodo.
(a) Curva característica 𝑣 × 𝑖 de um diodo ideal; (b) símbolo 
do diodo e sentido da corrente direta.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
INTERRUPTORES ESTÁTICOS
DIODO:
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
INTERRUPTORES ESTÁTICOS
DIODO:
• VF → Queda de tensão direta
• Dispositivos de baixa potência: 
0,3 ~ 0,7 V
• Dispositivos de alta potência: 
pode execeder 3 V
Curva característica 𝑣 × 𝑖 de um diodo.
• Esta queda de tensão resulta em 
dissipação de potência. Diodos 
reais tem uma dissipação máxima 
de potência (e correspondente 
corrente máxima que não deve 
ser ultrapassada.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
INTERRUPTORES ESTÁTICOS
SCR (TIRISTOR):
• O Tiristor de uso mais difundido é 
o SCR (Retificador Controlado de 
Silício), usualmente chamado de 
tiristor*.
• A condução pode ser controlada, 
mas o bloqueio depende das 
condições do circuito.
• Condução (comandada):
• Potencial positivo sobre o 
anodo em relação ao catodo 
(𝑉𝑎 > 𝑉𝑘)
• Aplicação de um pulso de 
corrente ao gatilho (𝐼𝑔 > 0)
• Bloqueio (espontânea): 
• Análogo ao diodo:
• Transição de 𝐼𝑘 > 0 → 𝐼𝑘 = 0
A
K
G
Ig
Curva Característica Tiristor ideal
*OBS.: O nome tiristor engloba uma família de 
dispositivos semicondutores que operam em regime 
chaveado, não somente o SCR, mas costuma-se 
chamar o SCR por tiristor.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
INTERRUPTORES ESTÁTICOS
TIRISTOR (SCR):
• CARACTERÍSTICA DE COMUTAÇÃO DO TIRISTOR REAL (SCR)
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOPINTERRUPTORES ESTÁTICOS
TRANSISTOR BIPOLAR (TJB):
• Transistor de junção bipolar.
• Controlados pela corrente de base, 
a qual deve ser mantida 
continuamente para assegurar o 
estado de condução.
• Para acionamentos elétricos (em 
potência), geralmente operam 
como chave na região de saturação.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
OUTROS INTERRUPTORES ESTÁTICOS
GTO:
• Operação similar ao tiristor.
• Condução: aplicação de um 
pulso positivo de corrente ao 
gatilho.
• Bloqueio: aplicação de um 
pulso negativo de corrente ao 
gatilho.
IGBT:
• Operação similar ao MOSFET
• Alta impedância de porta.
• Baixa queda de tensão.
• Alta capacidade de bloqueio
• Bloqueio tensões negativas
MOSFET:
• Controlados pela tensão de porta, 
a qual deve ser mantida 
continuamente acima de um valor 
de limiar para assegurar o estado 
de condução.
MCT:
• Tiristor controlado por MOS
• Operação similar ao GTO
• Opera com comandos em tensão.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
INTERRUPTORES ESTÁTICOS
FAIXA DE OPERAÇÃO
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
TABELA COMPARATIVA ENTRE OS PRINCIPAIS DISPOSITIVOS
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOPINTERRUPTORES ESTÁTICOS
BIDIRECIONAIS:
• Permitem o fluxo bidirecional de corrente, sendo 
obtidos mediante a associação de interruptores 
unidirecionais.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOPINTERRUPTORES ESTÁTICOS
CARACTERÍSTICAS DESEJADAS:
• Grande capacidade de bloqueio de tensão com 
pequena corrente de fuga.
• Grande capacidade para condução de corrente 
com pequena queda de tensão.
• Tempo de comutação pequeno.
• Pequena potência requerida para o comando.
• Comutação com tensão e corrente nominais.
• Em comutação de cargas reativas, suportar 
grandes 𝑑𝑣/𝑑𝑡 e 𝑑𝑖/𝑑𝑡.
Conversores 
Estáticos
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
CONVERSORES ESTÁTICOS
• CLASSIFICAÇÃO QUANTO A FORMA DE CONVERSÃO:
• CA-CC (Retificadores)
• CC-CC (Chopper)
• CC-CA (Inversor)
• CA-CA (Cicloconversor)
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOPCONVERSORES ESTÁTICOS
CONVERSOR CA-CC (RETIFICADOR)
• Permite obter uma tensão CC de saída a partir de uma 
tensão CA de entrada.
• Princípio de funcionamento.
Controlando a sequência e 
tempo de condução dos 
interruptores, obtêm-se uma 
tensão média de valor 
desejado e corrente 
unidirecional na carga.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOPCONVERSORES ESTÁTICOS
CONVERSOR CC-CC (CHOPPER)
• Permite obter uma tensão CC variável a partir 
de uma tensão CC fixa.
• Princípio de funcionamento:
O valor da tensão 
média na carga 
depende do ciclo de 
trabalho do interruptor.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOPCONVERSORES ESTÁTICOS
CONVERSOR CC-CA (INVERSOR)
• Permite obter uma tensão CA de saída a partir 
de uma tensão CC de entrada.
• Princípio de funcionamento:
• Controlando de modo 
simétrico a sequência 
de condução dos 
interruptores, obtêm-
se uma tensão CA na 
carga.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOPCONVERSORES ESTÁTICOS
CONVERSOR CA-CA (CICLOCONVERSOR)
• Permite obter na saída uma tensão CA de 
amplitude e frequência variáveis a partir de 
uma tensão CA de amplitude e frequência 
fixas.
• Princípio de funcionamento:
• Os interruptores 1 e 2 
conduzem durante os 
semiciclos positivos.
• Os interruptores 3 e 4 
conduzem durante os 
semiciclos negativos.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
CONVERSORES INDIRETOS
• Conversorindireto CC
• Conversor indireto CA (freq. e tensão)
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
APLICAÇÕES DE CONVERSORES
• Fontes de alimentação:
• Fontes chaveadas.
• Sistemas de alimentação sem interrupção (nobreaks).
• Residencial/Industrial:
• Sistemas de refrigeração e ar condicionado.
• Computadores. 
• Iluminação – reatores eletrônicos.
• Aquecimento elétrico; aquecimento indutivo.
• Soldagem elétrica.
• Eletroquímica.
• Acionamento de bombas, compressores, ventiladores, 
máquinas ferramentas (motores)
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
APLICAÇÕES DE CONVERSORES
• Geração, Transmissão e distribuição de energia:
• Transmissão HVDC (High Voltage DC).
• Controle de potência reativa.
• Condicionamento de potência (filtros).
• Interconexão entre sistemas.
• Fontes de energia alternativa – solar, eólica, piezelétrica.
• Acionamento de máquinas elétricas:
• Acionamento CC:
• Motor CC.
• Acionamento CA:
• Motor de indução.
• Motor síncrono.
• Motor de passo.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DA ENERGIA
• O processo mais usado é o processo eletromagnético, que se 
realiza em um dispositivo de conversão utilizando o campo 
elétrico e/ou o campo magnético como agentes 
intermediários.
• Nas máquinas rotativas, a conversão eletromecânica ocorre 
quando a variação de campo é associada ao movimento 
mecânico e vice e versa.
• Tipos de conversão:
• Gerador: energia mecânica  energia elétrica.
• Motor: energia elétrica  energia mecânica.
• Embora exista uma grande variedade de tipos de máquinas 
elétricas, cada uma com características próprias e usos 
especiais, todas funcionam segundo o mesmo princípio.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
MÁQUINAS ELÉTRICAS
• Partes constituintes de uma máquina elétrica:
• Estator: parte estática.
• Rotor: parte móvel.
• Armadura: recebe a excitação externa (motor).
• Campo: produz o campo magnético.
• Conforme as necessidades construtivas:
• Armadura localizada no estator e o campo no rotor.
• Armadura localizada no rotor e o campo no estator.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
MÁQUINA SÍNCRONA:
• Campo Girante : 
• A circulação de correntes
trifásicas pelos enrolamentos a,
b e c cria campos magnéticos
defasados, cuja resultante
tem amplitude fixa e movimento
circular.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
MÁQUINA SÍNCRONA:
• Velocidade síncrona do campo:
• 𝑝 → nº de par de polos
• O imã pode ser substituído por
uma bobina CC, cuja alimentação
é obtida por meio de anéis
coletores e escovas.
• Disposição usual:
• Estator  armadura  CA.
• Rotor  campo  CC.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DA MÁQUINA CC
• Não há movimento se uma tensão CC for aplicada ao estator da máquina
elementar.
• Solução  conversão CC-CA.
• De forma aproximada, a máquina CC pode ser interpretada como uma
máquina elementar associada a um inversor eletrônico ou
eletromecânico.
• Eletromecânico.
• Mecanismo de comutação: dispositivo montado no rotor,
constituído por segmentos de cobre isolados entre si e
conectados a cada enrolamento.
• Disposição:
• Armadura  rotor  CC.
• Campo  estator  CC.
• Eletrônico: motor ECM.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
MÁQUINA DE INDUÇÃO
• Campo:
• Gerado a partir das correntes induzidas no rotor pelo efeito 
transformador, o qual tende a acompanhar o campo girante.
• A velocidade do rotor nunca atinge a velocidade síncrona.
• Escorregamento: diferença entre a velocidade síncrona e a 
velocidade do rotor:
• corresponde a frequência das correntes induzidas no rotor.
• é influenciado pela resistência de rotor e pela carga mecânica.
CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
MÁQUINA DE INDUÇÃO
• Tipos de rotores:
• Bobinado: 
• Possui anéis para inserção de resistência externa para controle 
de escorregamento.
• Gaiola de esquilo: 
• Barras condutoras em curto circuito.
• Disposição:
• Estator  armadura  CA.
• Rotor  campo  CA.