Conversores Ressonantes - Faculdade de Engenharia

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Faculdade de Engenharia
Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica
Conversores Ressonantes
PROGRAMA ATUALIZADO E REVISADO EM 27/02/2003
CODICRED 94458-03
01
DISCIPLINA:
SÍNTESE
CODICRED
Conversores Ressonantes
94458-03
DOCENTE(S) :
CRÉDITOS/HORAS AULA
FERNANDO SOARES DOS REIS
03/45
CURSO(S) ATENDIDO(S)
HORÁRIO(S)
MESTRADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
TIPOLOGIA
TEÓRICO-PRÁTICA
6 FGH
MÓDULO
3/15
Sala: 115
EMENTA:
Dispositivos semicondutores: diodos, tiristores, MOSFET, Transistores Bipolares de
Potência, GTOs e IGBTs; Estudo das Perdas nos Semicondutores de Potência; Circuitos
de Drive; Componentes Passivos Utilizados em Eletrônica de Potência; Estudo de Circuitos
Básicos com Interruptores, Diodos e Tiristores; Comutação Forçada, Conversor
Ressonante Série; Conversor Ressonante Paralelo; Conversor Ressonante Série-Paralelo;
Conversor Série Ressonante com Grampeamento da Tensão do Capacitor Ressonante;
Conversor Classe E, Retificador Classe E, Conversores Quase-Ressonantes, Conversores
Multi-Ressonantes e Circuitos Integrados Dedicados.
02
OBJETIVOS
Gerais:
Desenvolver no mestrando habilidades de análise qualitativa e quantitativa de conversores
Ressonantes, Quase-Ressonantes e Multi-Ressonantes.
Específicos:
Capacitar o futuro Mestre em Engenheira para analisar, projetar e desenvolver conversores
Ressonantes, Quase-Ressonantes e Multi-Ressonantes operando em altas freqüências.
Com objetivo de reduzir o peso e o volume, aumentando assim a densidade de potência,
destes conversores os quais poderão ser utilizados em diversas aplicações tais como:
1. Fontes de Alimentação. Para computadores do tipo Notebooks, PCs, TVs,
equipamentos de áudio e vídeo.
2. Aplicações em Aeronaves, Satélites e Veículos Espaciais. Onde é fundamental
reduzir o tamanho dos equipamentos embarcados. Assim, busca-se uma efetiva
redução dos conversores aplicados a alimentação destes sistemas os quais geralmente
tem como fonte de alimentação geradores especiais acoplados as turbinas e/ou
baterias e até painéis solares Photovoltaícos no caso dos satélites artificiais.
3. Sistemas de Telecomunicações. Na implementação de fontes de alimentação
distribuída onde cada fonte esta integrada a placa que esta sendo alimentada.
4. Reatores Eletrônicos Para Lâmpadas de Descarga. São utilizados conversores
ressonantes para reduzir as perdas por comutação nestes circuitos e para possibilitar a
ignição destas lâmpadas sem a necessidade de circuitos auxiliares.
03
CONTEXTO
Em termos gerais se pode dizer que os conversores de potência estão dividos em
dois grandes grupos, a saber: os conversores que empregam a comutação forçada Hard
Switching e os conversores que empregam comutação suave Soft Switching. Os primeiros
conversores de potência a serem desenvolvidos empregavam na sua totalidade a
modulação por largura de pulso PWM por isto muitos autores se referem aos conversores
Hard Switching como conversores PWM, estes conversores são muito utilizados em
freqüências da ordem de dezenas de kilohertz onde as perdas por comutação ainda são
toleráveis. Porém com o desenvolvimento da microeletrônica a eletrônica de potência se
3
viu obrigada a reduzir o peso e o volume (aumentar a densidade potência mm /W) dos
conversores responsáveis pela alimentação destes circuitos (fontes de alimentação). Os
conversores de potência são constituídos de circuitos com interruptores que “recortam”
formas de ondas de tensão e/ou corrente com o objetivo de variar o seu valor médio e
assim entregar a sua saída um valor desejado de tensão ou corrente. Para que os valores
de tensão e corrente na saída destes conversores sejam constantes com baixo valor de
ondulação RIPPLE são necessários elementos de filtragem que extraiam o valor médio das
formas de onda “recortadas” estes elementos são os capacitores e indutores os quais a
sua vez tem o seu valor proporcional a freqüência de operação. Esta é razão pela qual se
opera em freqüências elevadas nestes conversores, assim, seria lógico imaginar que
quanto maior a freqüência de operação menor seria o tamanho do conversor já que os
elementos passivos são responsáveis por uma parcela importante do tamanho do mesmo.
Porém, este raciocínio linear se esquece que os componentes não são ideais e que os
mesmos apresentam um aumento nas perdas com o aumento da freqüência assim para
manter as perdas constantes é necessário utilizar componentes com melhores
características, o qual geralmente só é possível de se obter colocando capacitores em
paralelo reduzindo-se assim a resistência série equivalente presente em cada capacitor
real, no caso dos indutores é necessário trabalhar com valores de indução 'B reduzidas,
pois as perdas no núcleo também aumentam com a freqüência, o que implica em aumento
do tamanho do núcleo utilizado, também é possível utilizar núcleos de ferrite de melhor
qualidade os quais apresentam um custo mais elevado, outro fato importantíssimo esta
relacionado as perdas de comutação no interruptor crescem de forma proporcional a
freqüência de operação, desta forma para uma mesma potência ao aumentar a freqüência
de operação seria necessário aumentar o tamanho do dissipador e/ou trocar o transistor.
Para minimizar estes problemas os conversores de comutação suave foram introduzidos,
os principais conversores que incorporam a comutação suave são os conversores
ressonantes, quase-ressonantes e os multi-ressonantes, os quais utilizam malhas
ressonantes para fazer com que a tensão e/ou a corrente se anulem naturalmente no
interruptor e utilizam este momento para desligar o interruptor reduzindo assim as perdas
por comutação nos interruptores. O preço que se paga por essa redução nas perdas por
comutação é um aumento nas perdas em condução devido as características senoidais
das tensões e correntes.
04
PROGRAMA
1. Dispositivos semicondutores
Diodos, tiristores, MOSFET, Transistores Bipolares de Potência, GTOs e IGBTs; Estudo
das Perdas nos Semicondutores de Potência; Circuitos de Drive.
2. Componentes Passivos Utilizados em Eletrônica de Potência
Capacitores, Tecnologias de capacitores para fontes chaveadas, Componentes
magnéticos, Capacitores eletrolíticos, Capacitores de filme plástico metalizado,
Componentes magnéticos, Histerese, saturação e fluxo residual, Modelo para um
transformador, A posição dos enrolamentos, Regulação Cruzada, Perdas nos elementos
magnéticos, Perdas no núcleo, Perdas nos enrolamentos.
3. Estudo de Circuitos Básicos com Interruptores
Circuitos de primeira ordem: Circuito RC em série com um tiristor; circuito RL em série com
um tiristor; Circuito de Roda Livre; Circuito de Roda Livre com recuperação; Circuito de
recuperação com transformador; Carga de um capacitor à corrente constante. Circuitos de
Segunda ordem: Análise do circuito LC submetido a um degrau de tensão; Aplicação de
um degrau de tensão em um circuito LC em série com um tiristor; Inversor da polaridade
de um condensador; Aumento da tensão de um condensador primeiro circuito; Aumento da
tensão de um condensador segundo circuito; Circuito RLC com pouco amortecimento.
4. Diodos e Tiristores - Comutação Forçada
5. Conversor Ressonante Série
6. Conversor Ressonante Paralelo
7. Conversor Ressonante Série-Paralelo
8. Conversor Série Ressonante com Grampeamento da Tensão do Capacitor
Ressonante
9. Conversor Classe E
10. Retificador Classe E
11. Conversores Quase-Ressonantes
12. Conversores Multi-Ressonantes
13. Circuitos Integrados Dedicados.
05
MÉTODO DIDÁTICO
O método didático, esta centrado na preocupação com a formação integral da pessoa
humana, baseada nos princípios cristãos que norteiam esta Instituição de Ensino Superior.
Assim, as aulas sempre iniciaram com uma pequena reflexão. Os estudantes são
encorajados a trazerem colaborações.
As relações em sala de aula serão construídas tendo em mente o seguinte princípio
Marista: A simplicidade é a virtude Marista que exerce uma função vital nas relações
humanas. Embora a noção de simplicidade possa ser aplicada ao modo de vida e a outros
aspectos, é, a priori, uma faceta para um bom relacionamento. Ela implica tranqüilidade
nas relações, que flui de uma total falta de duplicidade: a mesma face, tanto dentro quanto
fora da comunidade, e a mesma voz, tanto para oração quanto para as atitudes. É a
perfeita conciliação da palavra com a ação. (Ir. Gregory Ryan)
Em nosso trabalho utilizaremos:
x
x
x
x
Aulas expositivas utilizando quadro negro, transparências, power point.
Utilização de técnicas que permitam uma maior integração entre os estudantes
(projetos propostos, solução de exercícios em aula, díade, simpósios).
Utilização de aulas de laboratório para despertar interesse e/ou fixar os conteúdos
vistos em aula.
Como suporte as nossas aulas colocaremos a disposição uma página na internet que
servirá como mural eletrônico onde vocês poderão encontrar avisos, notas, as
transparências das aulas, arquivos para simulação no PSPICE, catálogos de
fabricantes de dispositivos eletrônicos, acesso a seção Reflexões.
A utilização de uma calculadora científica se faz necessária durante as aulas, o uso do
simulador PSPICE será de grande utilidade para fixação dos conteúdos. Trata-se de uma
poderosa ferramenta de auxílio aos projetos.
06
SISTEMA DE AVALIAÇÃO
A nota de G1 será obtida a partir da média simples de todos as três avaliações de G1.
Haverá uma prova e dois trabalhos.
Assim, o grau G1 será formado de acordo com a expressão que segue.
G1
07
CRONOGRAMA DE ATIVIDADES
No Aula Assunto
1
14/03
2
21/03
3
28/03
4
04/04
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
11/04
25/04
09/05
16/05
23/05
30/05
06/06
13/06
20/06
27/06
15
04/07
T1 T2 P1
3
Dispositivos semicondutores - Diodos, tiristores, MOSFET, Transistores Bipolares de Potência, GTOs
e IGBTs; Estudo das Perdas nos Semicondutores de Potência; Circuitos de Drive.
Componentes Passivos Utilizados em Eletrônica de Potência - Capacitores, Tecnologias de
capacitores para fontes chaveadas, Componentes magnéticos, Capacitores eletrolíticos, Capacitores de
filme plástico metalizado, Componentes magnéticos, Histerese, saturação e fluxo residual, Modelo para
um transformador, A posição dos enrolamentos, Regulação Cruzada, Perdas nos elementos magnéticos,
Perdas no núcleo, Perdas nos enrolamentos.
Estudo de Circuitos Básicos com Interruptores - Circuitos de primeira ordem: Circuito RC em série
com um tiristor; circuito RL em série com um tiristor; Circuito de Roda Livre; Circuito de Roda Livre com
recuperação; Circuito de recuperação com transformador; Carga de um capacitor à corrente constante.
Circuitos de Segunda ordem: Análise do circuito LC submetido a um degrau de tensão.
Estudo de Circuitos Básicos com Interruptores - Circuitos de Segunda ordem: Análise do circuito LC
submetido a um degrau de tensão; Aplicação de um degrau de tensão em um circuito LC em série com
um tiristor; Inversor da polaridade de um condensador; Aumento da tensão de um condensador primeiro
circuito; Aumento da tensão de um condensador segundo circuito; Circuito RLC com pouco
amortecimento.
Diodos e Tiristores - Comutação Forçada
Conversor Ressonante Série
Conversor Ressonante Paralelo
Conversor Ressonante Série-Paralelo
Conversor Série Ressonante com Grampeamento da Tensão do Capacitor Ressonante
Conversor Classe E e Retificador Classe E
Conversores Quase-Ressonantes
Conversores Multi-Ressonantes
Apresentação de Seminários – Circuitos Integrados Dedicados.
Apresentação de Seminários – PFP utilizando comutação forcada. Critérios de Projeto em Forma de
Texto e resultados de simulação para um caso de exemplo.
Avaliação exame
08
BIBLIOGRAFIA BÁSICA
- Dr. Muhammad H. Rashid, ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Circuitos, Dispositivos e Aplicações um livro
editado pela Makron Books. São Paulo – 1999.
- Material deixado no Xerox e na página da disciplina: http://www.ee.pucrs.br/~fdosreis
- AHMED, ASHFAQ - Eletrônica de Potência - Printice Hall. São Paulo -2000.
- Mohan / Undeland / Robbins, Power Electronics Converters, Applications, and Design - John Wiley &
Sons, Inc.
- KASSAKIAN, John G. ; SCHLECHT, Martin F. ; VERGHESE, George C. - Principles of Power Eletronics –
Ed. Addison Wesley
-ALMEIDA, José Luiz Antunes de - Eletrônica de Potência - Ed. Érica LTDA.
09
CORPO DOCENTE / CURRÍCULO RESUMIDO
Prof. Fernando Soares dos Reis
O professor Fernando se graduou em engenharia elétrica pela Pontifícia Universidade Católica do
Rio Grande do Sul em 1987. Neste mesmo ano ingressou no setor industrial na área de Eletrônica
de Potência. Em 1990 obteve o título de mestre em engenharia pela Universidade Federal de Santa
Catarina (UFSC) tendo realizado estudos na área de eletrônica de potência e acionamento elétrico.
No ano de 1990 assumiu o departamento técnico de uma empresa do setor tendo coordenado vários
projetos. A partir de 1991 começou a trabalhar como professor assistente junto a PUCRS. Tendo
concluído o Doutoramento em Eletrônica Industrial na Universidad Politécnica de Madrid (UPM) com
a Distinção de Apto Cum Laude regressou a PUCRS em 1995 onde exerce atividade profissional
junto ao Departamento de Engenharia Elétrica. Participa de vários projetos acadêmicos e de iteração
com o setor industrial e órgãos governamentais de fomento a pesquisa como o CNPq e a
FAPERGS, na União Européia participou do projeto TOPIC como colaborador da UPM no qual
participava a renomada empresa, Alcatel-Espanha. Durante os anos de 1998 e 1999 foi coordenador
do departamento de Engenharia elétrica atuando sempre em prol dos interesses dos estudantes,
tendo idealizado e implantado a versão noturna do curso de engenharia elétrica. Hoje é coordenador
do Laboratório de Eletrônica de Potência da PUCRS (LEPUC).
Disciplinas já lecionadas na Graduação:
Eletrônica Básica,
Eletrônica de Potência,
Laboratório de Eletrônica de Potência,
Eletrônica Industrial,
Amplificadores Operacionais e
Circuitos Elétricos.
Disciplinas lecionadas no Programa de Pós-Graduação em Eng. Elétrica (MESTRADO):
Eletrônica de Potência I,
Eletrônica de Potência II,
Máquinas Elétricas e
Conversores Ressonantes.
Membro de diversas associações: Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência, SOBRAEP.
Sociedade Brasileira de Automática, SBA. The Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE.
Power Electronics Society, PELS. Industrial Electronics
Society e Electromagnetic Compatibility Society.
Áreas de atuação: Eletrônica de Potência e Compatibilidade Eletromagnética (CEM). Especialmente
interessado no estudo dos prerreguladores de fator de potência, reatores eletrônicos (electronic
balast), Inversores, Sistemas UPS (Uninterrupted Power Systems), Sistemas eletrônicos para
sistemas de energia renováveis como carregadores de baterias a partir de Paineis Solares
Photovoltaicos (PVs), circuitos inversores para geração tensão alternada a partir de baterias,
sistemas de conexão direta em PVs e a rede de energia etc... O estudo dos temas relacionados a
compatibilidade eletromagnetica CEM nestes equipamentos.
Pesquisas em desenvolvimento: Sistema de Iluminação Pública Inteligente, Reator Eletrônico de Alta
Freqüência para Lâmpada de Alta Pressão de Vapor de Sódio. Sistemas de Alimentação Ininterrupta
(SAIs) para cargas não lineares. Balastros eletrônicos para lâmpadas de descarga elétrica. Correção
ativa do fator de potência. Método para avaliação da densidade de potência nos PFPs. Inversores
para sistemas alternativos de energia. Desenvolvimento de um Conversor Softstart para partida do
Motor de Indução Trifásico. Desenvolvimento de Ferramentas Didáticas para o Ensino da Eletrônica
de Potência.
_______________________________________________________________________________
Endereço: Av. Ipiranga, 6681 - PUCRS - Prédio 30 - Sala 327-08
Telefone: 3320 35 00 Ramais 4156 (Sala do Professor) ou 3594 (Secretaria DEE) e 3320 36 86
(LEPUC).
e-mail: [email protected]
Home page: http://www.ee.pucrs.br/~fdosreis
10
Mensagem
Lk:8:4: E, ajuntando-se uma grande multidão, e vindo de todas as cidades ter com ele,
disse por parábola:
Lk:8:5: Um semeador saiu a semear a sua semente e, Quando semeava, caiu alguma
junto do caminho, e foi pisada, e as aves do céu a comeram;
Lk:8:6: E outra caiu sobre pedra e, nascida, secou-se, pois que não tinha umidade;
Lk:8:7: E outra caiu entre espinhos e crescendo com ela os espinhos, a sufocaram;
Lk:8:8: E outra caiu em boa terra, e, nascida, produziu fruto, a cento por um. Dizendo ele
estas coisas, clamava: Quem tem ouvidos para ouvir, ouça.
Lk:8:9: E os seus discípulos o interrogaram, dizendo: Que parábola é esta?
Lk:8:10: E ele disse: A vós vos é dado conhecer os mistérios do reino de Deus, mas aos
outros por parábolas, para que vendo, não vejam, e ouvindo, não entendam.
Lk:8:11: Esta é, pois, a parábola: A semente é a palavra de Deus;
Lk:8:12: E os que estão junto do caminho, estes são os que ouvem; depois vem o diabo, e
tira-lhes do coração a palavra, para que não se salvem, crendo;
Lk:8:13: E os que estão sobre pedra, estes são os que, ouvindo a palavra, a recebem com
alegria, mas, como não têm raiz, apenas crêem por algum tempo, e no tempo da tentação
se desviam;
Lk:8:14: E a que caiu entre espinhos, esses são os que ouviram e, indo por diante, são
sufocados com os cuidados e riquezas e deleites da vida, e não dão fruto com perfeição;
Lk:8:15: E a que caiu em boa terra, esses são os que, ouvindo a palavra, a conservam
num coração honesto e bom, e dão fruto com perseverança.
Na Universidade assim como na vida a perseverança
fundamental. Não se deixe levar... Seja perseverante.
é