UNIDADE I

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NOTAS DE AULAS 
 
 
 
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 
 
 
 
 
UNIDADE I – GENERALIDADES SOBRE 
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 
 
 
 
Prof. Flávio Maurício de Souza 
Prof. Sady Antonio dos Santos Filho 
 
 
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1.1 – INTRODUÇÃO 
 
 
A Eletrônica de Potência (EP) é um dos ramos da Eletrônica que mais tem se 
desenvolvido nos últimos tempos. Com o crescente número e variedades de 
circuitos e equipamentos eletrônicos em diversas áreas de aplicação, este ramo 
de estudo torna-se importante haja vista ser o campo da engenharia responsável 
pela conversão da forma de energia elétrica disponível em uma outra adequada à 
carga ser alimentada. Ou seja, a EP é a responsável pelo sistema de alimentação 
desses equipamentos eletrônicos. 
 
Os tipos de conversão estudados nesta área são: CA para CC (fixa ou variável), 
CC para CA (com tensão e frequência variáveis), CC (fixa) para CC (variável) e 
CA (frequência fixa) para CA (frequência variável). 
 
Como exemplo, é a EP que trata da conversão de um sinal CA possuindo tensão e 
freqüência constantes que chega a uma indústria proveniente diretamente de uma 
subestação, em outro sinal CA variável em amplitude e freqüência, necessário 
para o controle da velocidade e do acionamento de motores de uma correia 
transportadora. 
 
Como pode ser notada neste exemplo, a EP é uma área multidisciplinar já que 
para realizar a operação citada deve-se ter conhecimento de máquinas (motor 
CA), controle e de eletrônica. 
 
Portanto, quando se fala em EP, fala-se necessariamente de: 
 
POTÊNCIA referindo-se a equipamentos para operação e distribuição de potência 
elétrica 
 
ELETRÔNICA referindo-se a dispositivos de estado sólido e circuitos para 
processamento de sinal para alcançar os objetivos de controle desejados 
 
CONTROLE referindo-se às características estáticas e dinâmicas de sistemas de 
malha fechada 
 
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1.2 – CARACTERIZAÇÃO DA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 
 
Desta explanação inicial, pode-se definir EP como as aplicações da eletrônica de 
estado sólido para controle e conversão de potência elétrica. 
A figura abaixo indica uma configuração em blocos de um sistema de eletrônica de 
potência. 
 
 
PROCESSADOR DE ENERGIA  Conversor Estático de Potência – CEP. Faz a 
adaptação ou conversão entre a forma de energia elétrica disponível e a forma de 
energia elétrica requerida pela carga. 
 
CONTROLADOR  Realiza as correções no processamento da energia em 
função dos valores pré-estabelecidos (set-point ou referência) e dos valores 
medidos pós-processamento. 
 
O campo de aplicação é muito vasto e refere-se principalmente ao domínio da 
indústria moderna abrangendo aplicações militares e residenciais. 
Pode-se listar algumas aplicações: 
 
 Indústria: controle e acionamento de máquinas CA e CC; 
 Controle de processos e automação de fábricas: Robôs, máquinas CNC, e 
soldagem; 
 Transportes: Trens, metrôs e veículos elétricos; 
 Residencial: Aquecimento, alarmes e controle de iluminação; 
 Transmissão de energia: HVDC 
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 Conservação e eficiência energética: Compensação de harmônicos, filtros 
ativos e correção de fator de potência. 
 
 
1.3 – GENERALIDADES SOBRE O CONVERSOR ESTÁTICO DE 
 POTÊNCIA - CEP 
 
A conversão de potência anteriormente era realizada por conversores 
eletromecânicos e essencialmente por máquinas girantes. Hoje, estas técnicas 
não são mais utilizadas já que com o surgimento dos conversores estáticos 
obtém-se uma performance mais adequada em todos os sentidos. 
 
Um circuito conversores estático de potência, CEP, é um circuito eletrônico 
constituído por um conjunto de elementos estáticos formando uma rede e constitui 
um órgão de ligação e transmissão entre um gerador e um receptor. 
 
Um CEP ideal permite a transferência de energia elétrica do gerador ao receptor 
com um rendimento unitário (sem perdas). 
 
Os elementos que constituem o CEP são, fundamentalmente de dois tipos: 
 Interruptores estáticos: São elementos semicondutores de potência que 
atuam como chaves e são chamados de elementos não lineares 
 Elementos reativos: São capacitores e indutores (e transformadores) 
responsáveis pelo armazenamento da energia e filtragem dos sinais de tensão 
e corrente. Também são os principais responsáveis pelo peso, volume e custo 
dos equipamentos. 
 
Quando em funcionamento, o CEP conecta, por intermédio dos seus interruptores, 
as malhas dos sistemas elétricos (gerador e receptor) permitindo um fluxo 
controlado de energia entre esses sistemas. 
 
Como pode ser notado os interruptores estáticos de potência são os principais 
componentes de um CEP. Eles são os responsáveis direto pela conversão. 
Através de um chaveamento adequado pode-se obter os vários tipos de 
conversão que foram citados anteriormente e que poderão ser melhor visualizados 
no quadro a seguir. 
 
 
 
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Assim, pode-se concluir que para o bom entendimento do funcionamento dos 
conversores estáticos torna-se então necessário inicialmente, o conhecimento 
tanto das características dos interruptores, bem como dos fenômenos de 
comutação entre eles. 
 
Os tipos de dispositivos semicondutores de potência usados como interruptores 
estáticos são: 
 Diodos: Retificadores de potência 
 Tiristores: SCR, MCT,TRIAC e DIAC 
 Transistores: Bipolares de potência, Mosfet de potência e IGBT 
 
 
Atualmente, com o crescente desenvolvimento da tecnologia de fabricação de 
semicondutores, consegue-se atingir altos índices de capacidade de operação em 
alta potência (acima de 5MW) e velocidade de chaveamento (frequência acima de 
100 KHz) o que traz como conseqüência a redução do tamanho físico dos 
elementos reativos reduzindo assim o peso, o volume e também o custo do 
equipamento. Além também da criação de novos componentes (IGBT por 
exemplo) e da evolução em termos de circuitos integrados dedicados a realizar o 
chaveamento desses interruptores (LM3524, CA3059, TCA785, etc) como também 
a utilização crescente de microcontroladores (PIC, por exemplo). 
Estes fatos são conseqüência da crescente demanda dos conversores estáticos 
no mercado, exigindo, cada vez mais pesquisas e assim uma evolução no campo 
da eletrônica de potência. 
 
O quadro a seguir também fornece uma classificação dos conversores estáticos 
de potência: 
 
 
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TIPOS 
 
CONVERSOR CA/CC – RETIFICADOR 
 
Durante os semiciclos positivos a chave é fechada e durante os negativos, é 
aberta 
 
Forma de onda de tensão na carga 
 
 
 
 
VOMED = Componente contínua 
 Retificador não controlado 
 
 
 
 
 
Controlando o fechamento da chave no semiciclo positivo, isto é, escolher em que 
instante de tempo durante o semiciclo positivo a chave deve ser fechada  
retificador controlado. 
 
 
 
VOMED = f (d, VMAX) 
 
Não Controlado  DIODO 
Controlado  TIRISTOR (SCR) 
 
 
VOMED = VMAX/ 
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CONVERSOR CC/CA – INVERSOR 
 
 
 
 
O sinal CA de saída pode ter: 
 A amplitude e frequência variáveis – VVVF 
Aplicações: acionamento e controle de velocidade de motores de indução 
 
 A amplitude e frequência fixas – CVCF 
Aplicação: No-break, UPS 
 
 
T1  fechamento simultaneo de S1 e S4 
T2  fechamento simultaneo de S2 e S3 
T  período de chaveamento 
 
Observações: 
 Para variar a frequência do sinal de saída basta variar o período de 
chaveamento 
 Para variar a amplitude pode-se utilizar algumas técnicas como: 
 geração e variação do tempo morto (intervalo onde todas as chaves 
estão abertas) 
 PWM 
 inversores em série com saídas defasadas 
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CONVERSOR CC/CC - CHOPPER 
 
O sinal CC de saída pode ser variável: 
 Se a saída for menor do que a entrada  chopperabaixador 
 Se a saída for maior do que a entrada  chopper elevador 
 
Mas a potência de entrada sempre será igual a de saída (CEP ideal) 
 
 
 
 
Observações: 
 T1  chave fechada e T2 chave aberta 
 A carga perceberá o valor médio da tensão de saída caso a frequência de 
chaveamento seja elevada. 
 Aplicações: Acionamento e controle de velocidade de motores CC e 
reguladores em fontes chaveadas 
 
Vomed = E [T1/T] (componente contínua) 
onde T1/T = D ciclo de trabalho 
 
Para variar Vomed  variar D 
 PWM: variação de D através da variação de T1 mantendo T constante 
 FM: variação de D através da variação de T mantendo T1 constante 
 
 
 
 
 
 
 
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CONVERSOR CA/CA - CICLOCONVERSOR 
 
 
Se ocorrer a variação somente da amplitude (valor eficaz) do sinal CA de saída  
GRADADOR 
 
Se ocorrer a variação somente da frequência (sempre menor que a de entrada) do 
sinal CA de saída  CICLOCONVERSOR propriamente dito 
 
 
 GRADADOR 
 
 
 
T1  S1 e S2 ABERTAS T3  S1 E S2 ABERTAS 
T2  S1 FECHADA T4  S2 FECHADA 
Variação do valor eficaz pela variação de T2 e T4 (ou T1 e T3) 
 
 
 
 
 
 CICLOCONVERSOR 
 
 
 
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Exemplo: fo=1/5 fi 
 
 
 
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EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO 
 
1º EXERCÍCIO 
 
A resistência do circuito abaixo é a resistência de aquecimento de um forno 
resistivo. A relação empírica abaixo indica a dependência da temperatura do forno 
com a tensão contínua aplicada sobre a resistência. Baseando-se nesta relação, 
pede-se: 
 
a) Determine a faixa de variação do ângulo de disparo do SCR para que a 
temperatura do forno varie entre 200oC e 500oC. 
b) Desenhe a forma de onda de tensão nos terminais da resistência e também nos 
terminais do SCR, no mesmo referencial de tempo, (dois períodos ou ciclos de 
funcionamento) para a temperatura de 500oC. 
 
T= K E
2
 + 20 
o
C 
T é a temperatura do forno 
K é uma constante do forno que vale 3, 
o
C/V
2 
E é a tensão contínua aplicada a resistência de aquecimento 
 
 
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2º EXERCÍCIO 
 
Determine a faixa de variação da rotação do motor abaixo que está sendo 
acionado através de um chopper abaixador (operando em regime de condução 
contínuo de corrente na carga) cujo circuito de comando do transistor (MOSFET) 
está também indicado abaixo. 
DADOS DO MOTOR 
Ka
IaRaVa
N


  N = rotação em RPM 
onde Va = tensão contínua de armadura 
 Ia = corrente de armadura 
 Ra = Resistência ôhmica do circuito de armadura 
dados: 
Ra = 0,25 Ohms 
Ia = 20 A; Ka = 0, 2 V/RPM