Aula 1 - Batlab

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA II
AULA 1 - INTRODUÇÃO
Prof. Marcio Kimpara
UFMS - Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
FAENG – Faculdade de Engenharias, Arquitetura e Urbanismo e Geografia
Prof. Marcio Kimpara
Graduação
Engenharia Elétrica - Universidade Federal de Mato Grosso
do Sul (UFMS) / 2009
Mestrado
Engenharia Elétrica - Universidade Federal de Mato Grosso
do Sul (UFMS) / 2012
The University of Texas at Dallas (UTD) / 2011
Doutorado
Engenharia Elétrica - Universidade Federal de Itajubá
(UNIFEI) / Cursando
Professor Assitente A - desde 02/2014
http://www.batlab.ufms.br/~marcio
Ementa:
• Conversores CC/CC não-isolados: Buck, Boost, Buck-Boost
• Conversores CC/CC isolados (Forward, Flyback)
• Circuitos de acionamento e controle de conversores CC-CC
• Conversores CC/CA (Inversores): Inversores de tensão e
corrente, monofásicos e trifásicos
• Técnicas de modulação para acionamento de inversores
• Laboratórios
Bibliografia
• Rashid, Muhammad H. Eletrônica de potência: circuitos, dispositivos e
aplicações. Sao Paulo: Makron Books do Brasil, 1999
• Ahmed, ASHFAQ. Eletrônica de potência. Ashfaq Ahmed. São Paulo, PrenticeHall, 2000-2006
• Mohan, Ned; Undeland, Tore M.; Robbins, Williams P. Power electronics:
converters, applications, and design. 2nd. Ed. New York: Wiley, 1995.
• Erickson, R. W.: Fundamentals of Power Electronics, 2nd edition, Kluwer
Academic Publishers, 2001
• Notas de aula
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• Pesquisa internet
Eletrônica de Potência
A Eletrônica de Potência pode ser definida como a aplicação da
eletrônica de estado sólido para o controle e conversão da
energia elétrica
Rashid. M
• Em geral, as fontes podem ser incompatíveis com as cargas;
• Os conversores são, portanto, uma interface de potência entre
fonte e carga.
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CONVERSOR
Carga
Fonte
- Bateria
- Rede concessionária
- Painel solar
- Gerador eólico
- Eletrônicos
- Motores
- Lâmpadas
Interface de
potência
Adequação
Controle da carga
CONVERSOR
CONVERSOR
Fonte:
Fonte:
Carga:
127V, alternada
5V, contínua
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Trifásico,
220V
Carga:
Trifásico,
220V
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Eletrônica de Potência
Terminal de entrada
do circuito de
potência (tensão e
corrente altas)
Terminal de saída
do circuito de
potência (tensão e
corrente altas)
(onde a fonte é
conectada)
(onde a carga é
conectada)
Terminal de entrada de controle (tensão
e corrente baixas) onde o circuito de
controle irá definir como processar a
entrada para produzir a saída
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Eletrônica de Potência
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Conversor IDEAL
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Conversor REAL
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Classificação quanto à forma de conversão
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CHOPPERS
(CONVERSOR CC-CC)
ISOLADOS
NÃO ISOLADOS
Forward
Buck
Flyback
Boost
Buck-Boost
* Não isolados significa que a entrada e a saída possuem a mesma
referência (terra)
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Vcc
CONVERSOR
CC/CC
CARGA
Alimentada
em tensão
contínua
Valor CC ajustado para o nível
que a carga exige
• Conversão de uma fonte de tensão CC fixa para uma fonte de
tensão CC variável.
• Um chopper converte diretamente de CC para CC e pode ser
considerado o equivalente CC de um transformador CA, com uma
relação de espiras continuamente variável. Da mesma forma que
um transformador, a tensão pode ser elevada ou abaixada.
•Amplamente utilizados
reguladores de tensão.
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em
acionamento
de
motores,
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Circuito abaixador de tensão
Tensão de entrada: 100V
Saída: 50V, 10A
Como realizar esta conversão (abaixar a tensão)?
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Divisor resistivo
Regulação
Como o resistor é ajustado para um valor fixo, qualquer variação na tensão de
entrada provocará uma variação na tensão de saída.
Eficiência
Muito baixa, neste caso 50%. De toda energia fornecida, metade está sendo
dissipada no resistor adicionado.
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Utilizando um transistor (regulador linear)
Regulação
Com o transistor é possível ajustar a tensão fornecida à carga controlando a corrente
de base. Este terminal de controle do transistor permite que seja realizado um
sistema de controle em malha fechada fazendo com que a tensão de saída esteja
sempre regulada, independente de uma variação na tensão de entrada. Isso resolve o
problema de regulação apresentado pelo circuito anterior (divisor resistivo)
Eficiência
O transistor operando na região linear apresenta o mesmo problema que o resistor.
Estando em série com a carga, a diferença entre a entrada e saída será a queda de
tensão sobre o transistor. O problema da eficiência persiste.
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Componentes disponíveis para o projetista
Objetivo do conversor:
Processar a potência com elevada eficiência, através de um
circuito de volume e peso reduzidos.
Portanto...
Deve-se evitar elementos
dissipativos.
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Realizando a conversão por chaveamento
A saída desejada é obtida variando-se o tempo de condução do
dispositivo de chaveamento.
Tensão saída
TS  período de chaveamento
TS
Ton  tempo em que a chave
permanece na posição 1 (condução)
Vg
ton
toff
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t
Toff  tempo em que a chave
permanece na posição 2 (corte)
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Eficiência
• Chave fechada: v(t )  0
• Chave aberta: i(t )  0
• Em qualquer posição: p(t )  v(t )  i(t )  0
Chave ideal: Consumo de potência nulo
Chave real: Apresenta perdas por condução e por comutação, mas são muito
baixas quando comparadas às perdas dos circuitos anteriores (divisor resistivo e
regulador linear)
Regulação ???
O problema da eficiência foi resolvido, mas e a saída, é aceitável?
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Adição de um filtro passa baixa
Um filtro passa baixa é adicionado para remover o conteúdo
harmônico proveniente do chaveamento
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Adição do circuito de controle
CONVERSOR BUCK – Abaixador de tensão
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Chave utilizada: Mosfets, IGBTs
• Característica de disparo e desligamento controlados;
• Necessidade de sinal contínuo de porta (gate);
• Corrente unidirecional;
(Dreno)
(Gate)
Disparo (Condução)
VGS
0V
(15V)
(Source)
Aplica-se uma tensão entre gate
e source (valor típico: 15V)
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Desligamento
Retira-se a tensão
entre gate e source.
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Dispositivos Semicondutores
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Valor médio da tensão aplicada à carga
Ts
Tensão saída
Vo _ m ed
1
  vo (t )dt
TS 0
Vo _ m ed
t on
Ts


1 


v
(
t
)
dt

v
(
t
)
dt
o
o
t

TS  0
on

TS
Vg
ton
toff
Vo _ med
t on
1
  vo (t ).t | 
0 
TS 
Vo _ med
ton
 .Vg
TS
t
Definimos ton  D
TS
D  Razão Ciclica
Ciclo de Trabalho
Duty Cicle
Logo:
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0  D 1
Vo _ med  Vg .D
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