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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Felipe de Oliveira Balder Dispositivos estáticos de chaveamento em eletrônica de potência Objetivos de aprendizagem Ao final deste capítulo, você deve apresentar os seguintes aprendizados: � Comparar os dispositivos estáticos de chaveamento com os disposi- tivos de chaveamento mecânico. � Apontar as vantagens e desvantagens do uso de dispositivos estáticos de chaveamento. � Descrever a operação de dispositivos estáticos de chaveamento mo- nofásico e trifásico. Introdução Neste capítulo, você vai estudar como o chaveamento revolucionou a eletrônica de potência e como ele é implementado no seu dia a dia. A eletrônica de potência é um campo que apareceu na década de 1960, com a criação do tiristor. Desde então, vem desenvolvendo-se até que, a partir do fim do século XX, encontra-se presente não somente no ambiente industrial, com seus controladores de velocidade de motores, mas também no ambiente residencial e comercial, sendo responsável por fornecer energia para todo tipo de equipamento eletrônico pelas fontes chaveadas em substituição às fontes lineares, devido à maior eficiência quando fornece potências mais elevadas para equipamentos, desde o computador ao celular. A técnica de chaveamento, essencial aos equipamentos da eletrô- nica de potência, consiste em ter um dispositivo que funciona como uma chave, trabalhando aberto ou fechado, e que possa ser controlado eletronicamente. Com isso, circuitos de controle são desenvolvidos de modo que um circuito chaveado forneça a sua carga toda a potência solicitada, com maior eficiência. Os dispositivos estáticos de chaveamento são fundamentais para o funcionamento dos equipamentos no dia a dia e devem ser devidamente conhecidos e estudados para serem melhor aproveitados no desenvol- vimento e projeto de circuitos para eletrônica de potência. Dispositivos estáticos e mecânicos de chaveamento Se considerarmos um circuito contendo uma fonte de tensão, uma chave e uma carga resistiva, o ato de fechar e abrir essa chave controla quando há e quando não há corrente circulando pela carga, como mostra a Figura 1. Figura 1. Controle de chaveamento em uma carga. V R R Chave fechada VR VR VR V Tempo da chave fechada Tempo da chave aberta V Chave aberta Tempo O interruptor de sua residência é um exemplo de dispositivo de chaveamento, mesmo que manual. Considerando a lâmpada da sala de sua casa como a carga e a alimentação de corrente alternada (CA) da distribuidora, o circuito da Figura 1 retrata perfeitamente o circuito de iluminação da sua sala. O tempo em que o interruptor está fechado a luz está ligada e iluminando seu cômodo e, quando você sair, desligará o interruptor para que a luz seja desligada. Vários dispositivos podem ser usados para esse fim, como o interruptor, o disjuntor, o fusível (mesmo essa não sendo sua função, mas sim uma consequ- ência), o relés, as contatoras, etc. Podem ser classificados como dispositivos mecânicos de chaveamento, pois seu princípio de funcionamento consiste no contato físico entre dois condutores elétricos. Dispositivos estáticos de chaveamento em eletrônica de potência2 Tanto o disjuntor quanto o fusível podem ser considerados dispositivos de chaveamento. O chaveamento, nesse caso, é uma consequência de sua função principal, que é a de detectar sobrecorrentes e interromper o circuito, sendo mais adequadamente classificado como dispositivo de proteção. Os gregos, em 100 A.C., desenvolveram o primeiro equipamento conside- rado como um computador analógico, a máquina de Anticítera. Era composta por diversas engrenagens onde a posição de cada dente pode ser considerada como um chaveamento, que levava a prever eventos astronômicos e contagem de tempo. Com o passar dos séculos, vários outros dispositivos foram desen- volvidos como a Pascaline (1642), a máquina de diferenças (1822) e a Enigma (1920) (LAVINGTON, 1980; FELT, 1916; IFRAH, 2001). Alguns links sobre a história dos computadores: Early British Computers: https://goo.gl/rqLnNy Mechanical Arithmetic, or The History of the Counting Machine: https://goo.gl/Xoczyf Nesses equipamentos, as chaves mecânicas, na forma de interruptores e engrenagens, eram utilizadas para implementação de elementos lógicos e até de memórias simples, com a utilização de relés eletromecânicos que “armazenavam” sua posição enquanto estivessem energizados. 3Dispositivos estáticos de chaveamento em eletrônica de potência https://goo.gl/rqLnNy https://goo.gl/Xoczyf Em paralelo com a implementação de chaves mecânicas em dispositivos computadores, o início do século XX viu o surgimento dos primeiros com- ponentes eletrônicos, as válvulas eletrônicas. Sua criação em 1906 permitiu a difusão das telecomunicações. Essa evolução continuou com a criação dos transistores, que, por fim, substituíram as chaves mecânicas e permitem a contínua miniaturização da tecnologia (SCHULER, 2013). Essa substituição ocorreu por diversos fatores. A velocidade de comutação pode ser considerada um dos fatores mais decisivos, com dispositivos semi- condutores apresentando tempos de chaveamento tão rápidos quanto na ordem das centenas de microssegundos, enquanto os dispositivos mecânicos chegam a poucos milissegundos. O chaveamento mecânico acaba por gerar pequenos arcos durante a abertura ou fechamento dos seus contatos, o que provoca ruídos eletromagnéticos no circuito em que está contido. Em circuitos de controle, este ruído pode provocar falha de componentes ou medições indevidas. Por ser um dispositivo mecânico, está vulnerável a vibrações e choques que podem estar presentes em certos ambientes, o que pode provocar fechamentos ou aberturas indesejadas. Outros fatores que também podem ser citados são o maior consumo de energia, impossibilidade de uso em ambientes voláteis, susceptibilidade a campos eletromagnéticos externos, etc. (BOYLESTAD, NASHELSKY, 2013). Utilização de dispositivos estáticos de chaveamento O chaveamento é uma técnica aplicada nos equipamentos da eletrônica de potência, como inversores e fontes chaveadas. Sua função é fornecer potência às cargas da forma mais eficiente possível, convertendo energia elétrica de quatro maneiras (HART, 2012): a) Corrente alternada para corrente contínua. b) Corrente contínua para corrente contínua. c) Corrente contínua para corrente alternada. d) Corrente alternada para corrente alternada. Dispositivos estáticos de chaveamento em eletrônica de potência4 Assim, uma topologia geral para os circuitos de conversão de energia elétrica da eletrônica de potência pode ser vista no diagrama de blocos da Figura 2. Figura 2. Topologia geral para circuitos de conversão de energia elétrica. Fonte Circuito de chaveamento Carga Podemos verificar a situação onde uma fonte de tensão em corrente contínua (CC) deve alimentar uma carga resistiva, em que o valor nominal da tensão dessa carga é menor que o valor da tensão fornecido pela fonte. Se a carga for ligada diretamente a essa fonte, a mesma estará em sobretensão, sendo danificada. A forma mais elementar de resolver esse problema seria utili- zando um divisor resistivo que ficaria encarregado de dissipar essa diferença de tensão, como mostra a Figura 3, onde os blocos básicos mencionados na Figura 2 estão destacados. Figura 3. Circuito divisor resistivo para regulação de tensão. Fonte Carga RD VR R V Circuito de “chaveamento” 5Dispositivos estáticos de chaveamento em eletrônica de potência Com base nesse circuito a corrente que circula por ele e a tensão sobre o resistor R podem ser dados, respectivamente, pelas equações (1) e (2). I = V R + RD (1) VR = R · V R + RD (2) A potência dissipada pela fonte é dada pelo produto de sua tensão e da corrente que ela fornece. Assim, as potências dissipadas pela fonte e pelo resistor R são mostradas nas equações (3) e (4), respectivamente. PT = V ∙ I = V 2 R + RD (3) PR = VR 2 R = R ∙ V 2 (R + RD) 2 (4) Assim, a eficiênciadeste circuito em fornecer potência à carga pode ser dada pela razão entre a potência útil (aquela solicitada pela resistência R) e a potência total fornecida pela fonte. Ou seja, é a razão entre as equações (4) e (3), mostrada na equação (5). η = ∴ η = PR PT R ∙ V 2 (R + RD) 2 V 2 R + RD = R R + RD (5) O que mostra que, quanto maior for RD em relação a R, menor será a efici- ência. Entretanto, RD é um valor que deve ser escolhido com base na relação entre V e VR. Observando a equação (2), a equação (5) pode ser reescrita em função das tensões do circuito: a total da fonte e a nominal da carga, como mostra a equação (6). η = VRV (6) Dispositivos estáticos de chaveamento em eletrônica de potência6 A equação (6) consegue quantificar a eficiência de um circuito de forma linear, apenas analisando a razão entre a tensão necessária (VR) e a tensão disponível (V). A Figura 4 mostra a relação linear entre a eficiência η e a razão VR/V, de forma percentual. Ou seja, quanto mais próximo VR for de V, maior a eficiência do circuito. Figura 4. Gráfico da relação entre eficiência e razão de tensões. D3 D5 D1 D6 D2 D4 Considerando agora o circuito de chaveamento mostrado na Figura 1, o valor de tensão entregue à carga será o valor médio considerando um período T que compreende tanto o tempo em que a chave está fechada (tF) quanto o tempo em que a chave está aberta (tA), representado pela equação (7). Vmédio = ∫ T 0 V(t)dt = ∫0 tF Vdt + ∫TtF 0dt = V = V 1 T 1 T 1 T tF T tF tF + tA (7) Resolvendo essa equação para que o valor médio da tensão dessa forma de onda seja o valor nominal da carga, é possível, então, encontrar intervalos de tempo tF e tA que satisfaçam a proporção entre tensão da fonte e tensão na carga. Entretanto, a forma de onda resultante desse chaveamento, como vista na Figura 1, é uma tensão pulsada, e não uma tensão contínua como a necessária para alimentar a carga. 7Dispositivos estáticos de chaveamento em eletrônica de potência Fazendo a decomposição dessa forma de onda em uma série de Fourier, como a da equação (8), é possível ver que ela é composta pelo valor médio da forma de onda (um valor constante, ou seja, em corrente contínua) mais vários termos em senos e cossenos de frequências múltiplas da frequência original da tensão pulsada. VR(t) = ∫ T 0 V(t)dt + ∑ (an cos + bnsen ) 1 T ∞ n=1 2n�t T 2n�x T (8) Como a única tensão requerida pela carga é a tensão contínua média, ou seja, o termo constante da série de Fourier, a utilização de um filtro passa- -baixa se encarregará de remover as componentes oscilatórias, fornecendo, então, à carga, a tensão contínua necessária (HART, 2012). De forma geral, o diagrama de blocos apresentado na Figura 2 pode ser expandido, apresentando mais detalhes no circuito de conversão de energia. Cargas dinâmicas apresentarão consumos distintos ao longo de sua operação, o que faz com que um chaveamento fixo não seja ideal, sendo necessário um circuito de controle monitorando a carga para fazer ajustes no chaveamento para adequá-lo às novas necessidades (HART, 2012). Alguns desses compo- nentes não utilizam circuitos de controle propriamente ditos, dependendo de características construtivas para efetuar seu chaveamento. A Figura 5 mostra um diagrama de blocos mais completo dessa topologia geral. Figura 5. Topologia geral de conversores de energia elétrica da eletrônica de potência. Fonte Circuito de chaveamento Filtro Carga Controlador Idealmente, o elemento de chaveamento não dissipará potência, pois, quando estiver fechado, a corrente será total, mas a tensão será nula. Quando estiver aberto, a tensão será total, mas não haverá circulação de corrente. Logo, toda a tensão da fonte será entregue à carga (AHMED, 2000). Dispositivos estáticos de chaveamento em eletrônica de potência8 Por mais eficiente que seja o dispositivo de chaveamento, em condições reais, ele oferecerá sim perdas ao circuito. Mas mesmo contabilizando essas perdas, o chaveamento ainda consegue obter eficiências na ordem dos 90% com o dimensionamento adequado dos componentes desses dispositivos (HART, 2012). Dispositivos de chaveamento monofásicos e trifásicos Enquanto as chaves ideais existem apenas na teoria, diversos componen- tes podem ser utilizados como chaves reais, apresentando características e aplicabilidades diferentes. Em geral, para aplicações de chaveamento, esses componentes costumam ser classificados de acordo com sua controlabilidade em: não controláveis, que são aqueles que conduzem ou deixam de conduzir a partir de características intrínsecas à sua construção; os semicontroláveis, em que um circuito externo controla sua condução, mas o instante em que este deixa de conduzir depende de suas características intrínsecas; e os total- mente controláveis, que conduzem ou deixam de conduzir a partir de sinais específicos de um circuito de controle. tabelas Os Quadros 1, 2 e 3 mostram, respectivamente, os principais componentes pertencentes a essas categorias, juntamente com seu símbolo e as condições de condução. Nome Símbolo Condução Parar condução Diodo A K Catodo (K) em um potencial maior que o anodo (A) e queda de tensão maior que 0,7 V. Catodo (K) em um potencial menor que o anodo (A) ou queda de tensão menor que 0,7 V. DIAC (Diode for Alternating Current) T1 T2 Módulo da queda de tensão maior que a tensão de ruptura. Módulo da queda de tensão menor que a tensão de ruptura. Quadro 1. Componentes não controláveis 9Dispositivos estáticos de chaveamento em eletrônica de potência Nome Símbolo Condução Parar condução Tiristor A G K Corrente no gatilho diminuindo a intensidade necessária da tensão de disparo direta e condução de corrente maior que valor de sustentação. Condução de corrente menor que valor de sustentação e queda de tensão menor que a tensão de disparo direta. TRIAC (Triode for Alternating Current) T1 T2 G Corrente no gatilho diminuindo o valor da tensão de ruptura necessária. Módulo da queda de tensão menor que a tensão de ruptura. Quadro 2. Componentes semicontroláveis Nome Símbolo Condução Parar condução GTO (Gate turn-off thyristor) A K G Corrente positiva no gatilho. Corrente negativa no gatilho. Transistor Bipolar C E B NPN C E B PNP Corrente de base suficiente para operá-lo na região de saturação. Corrente de base nula para operá-lo na região de corte. Quadro 3. Componentes totalmente controláveis (Continua) Dispositivos estáticos de chaveamento em eletrônica de potência10 Quadro 3. Componentes totalmente controláveis Nome Símbolo Condução Parar condução FET (Field Effect Transistor, ou Transistor de Efeito de Campo) D S G Canal P D S G Canal N Tensão entre gatilho e fonte maior do que sua tensão de limiar para operá-lo na região de saturação. Tensão entre gatilho e fonte menor do que sua tensão de limiar para operá-lo na região de corte. IGBT (Insulated- Gate Bipolar Transistor) C E G Tensão entre o gatilho e emissor maior do que sua tensão de limiar para operá-lo na região de saturação. Tensão entre o gatilho e emissor menor do que sua tensão de limiar para operá-lo na região de corte. (Continuação) Esses componentes, de acordo com a sua forma de ligação no bloco de circuito de chaveamento do diagrama da Figura 5, vão executar as conversões de energia elétrica possíveis. A conversão CA para CC recebe o nome de retificação, enquanto a conversão CC para CA recebe o nome de inversão (HART, 2012). O processo de conversão CA para CA é, basicamente, uma retificação acoplada a uma inversão. Já a conversão CC para CC não recebe nenhum nome geral particular, podendo ser considerada um regulador de tensão. Dentre essas classificações, existem aplicações tanto em circuitos monofásicos quanto trifásicos. 11Dispositivos estáticos de chaveamento em eletrônica de potência Retificadores monofásicos Os retificadoresmonofásicos transformam o sinal senoidal em um sinal pul- sante a ser filtrado posteriormente e transformado em CC. Uma das formas de retificação de onda completa consiste na utilização de uma ponte de dio- dos, como a mostrada na Figura 6. A condução é feita pelos diodos D1 e D2 no primeiro semiciclo, enquanto no segundo semiciclo, os diodos D3 e D4 conduzem. Como o sentido da corrente na carga é sempre o mesmo, a carga enxerga a tensão como pulsos positivos (RASHID, 1999). A utilização de tiristores no lugar dos diodos permite que haja controle na tensão média e eficaz entregue à carga, fazendo com que esse seja um retificador controlado. Devido à natureza do sinal senoidal, ele mesmo se encarregará de cessar a condução dos tiristores quando mudar de semiciclo (RASHID, 1999). Figura 6. Circuito retificador monofásico de onda completa. D4 D1 D2 D3 Retificadores trifásicos Utilizando fontes trifásicas, os sinais de tensão estarão defasados de 120° entre si. Utilizando um circuito similar ao da ponte monofásica, ele utiliza 6 diodos, como pode ser visto na Figura 7. Ao contrário do retificador monofásico, os pares de diodos conduzirão quando o valor instantâneo da fase à qual estão submetidos for maior que os das demais fases, como pode ser visto nas entradas e saída da Figura 7 (RASHID, 1999). Dispositivos estáticos de chaveamento em eletrônica de potência12 Assim como para o retificador monofásico, a substituição dos diodos por tiristores faz com que esse circuito seja controlável (RASHID, 1999). Figura 7. Circuito retificador trifásico de onda completa. D3 D5 D1 D6 D2 D4 Inversores monofásicos O circuito básico de operação dos inversores de frequência é a ponte H, ilus- trada na Figura 8. Nesse tipo de circuito utilizam-se componentes totalmente controláveis, como IGBTs ou MOSFETs. Existem duas formas principais de se gerar uma tensão CA a partir de uma fonte CC utilizando uma ponte H. A primeira consiste na associação de várias pontes H, chaveando em intervalos de tempo distintos, sendo conhecida como inversor multinível, cuja forma de onda é ilustrada na Figura 9(a) (HART, 2012). A outra maneira consiste em acionar os elementos de chaveamento de forma que a forma de onda de saída seja uma modulação em que a variação do tempo em que as chaves estão fechadas ou abertas gere, para cada período consecutivo, valores médios diferentes, gerando assim uma senoide, como mostrado na forma de onda da Figura 9(b). Essa modulação é conhecida como PWM (modulação por largura de pulso, do inglês pulse width modulation) (HART, 2012). 13Dispositivos estáticos de chaveamento em eletrônica de potência Figura 8. Ponte H monofásica. S1 S3 S2 VCC S4 Vo Figura 9. Saída de um inversor monofásico (a) multinível e (b) PWM. (a) (b) Inversores trifásicos Com arranjo similar aos retificadores trifásicos, o inversor trifásico, mostrado na Figura 10, ou a ponte H trifásica também pode ser acionada de duas formas, como sua versão monofásica: por degraus, com forma de onda como a da Figura 11(a), e por PWM, com a forma de onda na Figura 11(b). A primeira forma faz um acionamento sucessivo dos componentes de chaveamento, sempre de dois em dois. O PWM modula o fechamento e a abertura das chaves de forma a gerar Dispositivos estáticos de chaveamento em eletrônica de potência14 sinais variáveis em que cada período sucessivo terá valor médio diferente. Em ambos casos, há uma composição de três senoides na saída, cada uma defasada de 120° das demais. Figura 10. Pote H trifásica. S1 S3 S5 S4 S6 S2 VC VB VA VCC Figura 11. Saída de um inversor trifásico (a) em degrau e (b) PWM. (a) (b) 15Dispositivos estáticos de chaveamento em eletrônica de potência 1. O chaveamento é uma técnica fundamental na conversão de energia elétrica. Das opções abaixo, qual é aquela que contempla um exemplo de aplicação da eletrônica de potência? a) Gerador em uma usina hidrelétrica. b) Fonte em um computador. c) Placa peltier. d) Buzina de carro. e) Bateria de sistema fotovoltaico. 2. Os circuitos divisores resistivos para regulação de tensão têm eficiência que varia de acordo com a razão entre os resistores do circuito. Utilizando o circuito da Figura 3, considerando uma fonte de 12 V alimentando um circuito com RD = 3 Ω e os seguintes valores de R: 3 Ω, 6 Ω, 9 Ω e 12 Ω, determine a eficiência para cada caso. a) 10%, 30%, 50% e 70%. b) 70%, 50%, 30% e 10%. c) 50%, 67%, 75% e 80%. d) 80%, 75%, 67% e 50%. e) 25%, 35%, 40% e 60%. 3. A eficiência em um circuito divisor resistivo tem variação linear se considerarmos a razão entre a tensão em uma carga e a tensão total da fonte. Se em um dado circuito a eficiência for de 70% e a potência na carga for de 100 W, qual é a potência aproximada sendo fornecida pela fonte? a) 33 W. b) 72 W. c) 108 W. d) 143 W. e) 333 W. 4. De forma fundamental, os circuitos de chaveamento permitem eficiências maiores apenas escolhendo de forma apropriada os intervalos de tempo em que o elemento chaveador fica fechado ou aberto. Se é necessário que uma fonte de 15 V entregue 5 V a uma carga e que o elemento chaveador possa ficar fechado apenas 15 ns, quanto tempo este deve ficar aberto? a) 10 ns. b) 15 ns. c) 20 ns. d) 25 ns. e) 30 ns. 5. A retificação trifásica consiste em utilizar 6 diodos em ponte, gerando um único sinal pulsado a partir da tensão trifásica equilibrada. Considerando o sistema trifásico na situação da Figura 7, o primeiro par de diodos a conduzir é: a) D1 e D2. b) D1 e D4. c) D5 e D6. d) D3 e D2. e) D3 e D4. Dispositivos estáticos de chaveamento em eletrônica de potência16 AHMED, A. Eletrônica de potência. 1. ed. São Paulo: Prentice Hall, 2000. BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11. ed. São Paulo: Pearson, 2013. FELT, D. E. Mechanical arithmetic or the history of the counting machine. Chicago: Whashing- ton Institute, 1916. HART, D. W. Eletrônica de potência: análise e projetos de circuitos. 1. ed. Porto Alegre: AMGH, 2012. IFRAH, G. The universal history of computing: from the abacus to the quantum computer. 1. ed. Estados Unidos: Nova Jersey: John Wiley & Sons, 2001. LAVINGTON, S. H. Early British Computers: the story of vintage computers and the people who built them. 1. ed. Manchester: Manchester University Press, 1980. RASHID, M. H. Eletrônica de potência: circuitos, dispositivos e aplicações. 1. ed. São Paulo: Makron Books, 1999. SCHULER, C. Eletrônica I. 7. ed. Porto Alegre: AMGH, 2013. Leituras recomendadas ERICKSON, R. W.; MAKSIMOVIC, D. Fundamentals of power electronics. 2. ed. Nova Iorque: Kluwer Academic Publishers, 2004. RASHID, M. H. Power electronics handbook. 3. ed. Oxford: Elsevier, 2011. SKVARENINA, T. L. The power electronics handbook. 1. ed. Florida: CRC Press, 2002. TRZYNADLOWSKI, A. M. Introduction to modern power electronics. 3. ed. Nova Jersey: John Wiley & Sons, 2016. 17Dispositivos estáticos de chaveamento em eletrônica de potência Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para esta Unidade de Aprendizagem. Na Biblioteca Virtual da Instituição, você encontra a obra na íntegra.
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