Disciplina de Eletrônica de Potência – ET66B

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA
CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA
Disciplina de Eletrônica de Potência – ET66B
Prof. Amauri Assef
[email protected]
paginapessoal.utfpr.edu.br/amauriassef
UTFPR – Campus Curitiba
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Eletrônica de Potência - Introdução
 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
entrada
Gerador de sinal de controle de chaveamento
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Realimentação
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Eletrônica de Potência - Introdução
 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
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Eletrônica de Potência - Introdução
 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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Eletrônica de Potência - Introdução
 Por que eletrônica de potência?
 Transferência de potência elétrica de uma fonte
para uma carga
 Chave fechada:
 Chave aberta:
 Para qualquer evento:
v(t) = 0
i(t) = 0
p(t) = v(t)i(t) = 0
A perda de potência em uma chave ideal é nula
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Eletrônica de Potência - Introdução
 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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Eletrônica de Potência - Introdução
 Divisor resistivo (reostato)
 Potência dissipada no reostato:
 Potência fornecida pela fonte:
 Eficiência:
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500W
PT = PL + PR = 1000W
η = PL / PT * 100 = 50%
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Eletrônica de Potência - Introdução
 Transistor operando como regulador série
 Potência dissipada no transistor:
 Potência fornecida pela fonte:
 Eficiência:
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500W
PT = 1000W
η = PL / PT * 100 = 50%
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Eletrônica de Potência - Introdução
 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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Eletrônica de Potência - Introdução
 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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Eletrônica de Potência - Introdução
 Principais funções dos conversores estáticos




CC-CC – pulsador
CA-CC – retificador
CC-CA – inversor
CA-CA – gradador/cicloconversor
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Eletrônica de Potência - Introdução
 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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Eletrônica de Potência - Introdução
 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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Eletrônica de Potência - Introdução
 Exemplo: Nobreak (UPS)
 Sistema para fornecimento de energia de forma ininterrupta e “limpa”
(livre de distorções)
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Eletrônica de Potência - Introdução
 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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Eletrônica de Potência - Introdução
 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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Eletrônica de Potência - Introdução
 Dispositivos em Eletrônica de Potência e limitações
Dispositivos para operação com maiores frequencias de chaveamento e
capacidade de processamento de maiores potências
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Eletrônica de Potência - Revisão
 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:
Vmed
1

T
t 0 T

t0
1
f ( t )dt 
2
2
 f ( t )dt
0
Para um semiciclo (meio ciclo) de tensão:
T
Vmed

2V p
1
1
  v( t )dt   V p sen( t )dt 
 0,637.V p
T t0
 0

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Eletrônica de Potência - Revisão
 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:
Vrms 
t 0 T
2


f
(
t
)
dt


t0
V p  t sen2t  2




2  2
4 0
2
Vrms 
1
T
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1
2
2
2
V
sen
( t )dt 
 p
2
0
V p  2  V p

 0,707.V p


2  2 
2
2
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Eletrônica de Potência - Revisão
 Medidas Elétricas
3) Potência:
A) Tensão e corrente senoidais
S  Vrms I rms
P  Vrms I rms cos 
Q  Vrms I rms sen
B) Tensão e/ou corrente não-senoidal
 Potência aparente
S  Vrms I rms





Potência aparente
Potência ativa
Potência reativa
Potência ativa
Potência reativa
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1
P
T
t 0 T
1
t v( t )i( t )dt  2
0
Q
2
 v( t )i( t )dt
0
S 2  P2
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Eletrônica de Potência - Revisão
 Medidas Elétricas
4) Fator de Potência:
Relação entre potência ativa e potência aparente
FP 
P

S
Para ondas senoidais 
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1
T
t 0 T
 v( t )i( t )dt
t0
Vrms I rms
FP  cos 
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Eletrônica de Potência - Revisão
 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
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