

























































































Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity
Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium
Prepare-se para as provas
Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity
Prepare-se para as provas com trabalhos de outros alunos como você, aqui na Docsity
Os melhores documentos à venda: Trabalhos de alunos formados
Prepare-se com as videoaulas e exercícios resolvidos criados a partir da grade da sua Universidade
Responda perguntas de provas passadas e avalie sua preparação.
Ganhe pontos para baixar
Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium
Comunidade
Peça ajuda à comunidade e tire suas dúvidas relacionadas ao estudo
Descubra as melhores universidades em seu país de acordo com os usuários da Docsity
Guias grátis
Baixe gratuitamente nossos guias de estudo, métodos para diminuir a ansiedade, dicas de TCC preparadas pelos professores da Docsity
Apostila de electronica de potencia
Tipologia: Resumos
1 / 97
Esta página não é visível na pré-visualização
Não perca as partes importantes!
Em oferta
Eletrônica de Potência - Gerência de Eletrônica - ETFSC 2
Nenhuma parte desta apostila poderá ser reproduzida ou transmitida por qualquer
modo ou por qualquer meio, seja este eletrônico, mecânico, de fotocópia, de gravação, ou outros, sem prévia autorização, por escrito, da Gerência Educacional de Eletrônica da Esco-
la Técnica Federal de Santa Catarina.
Eletrônica de Potência - Gerência de Eletrônica - ETFSC 4
1
Introdução à Eletrônica de Potência
1.1 - O que é Eletrônica de Potência?
Para controlar o fluxo de energia elétrica entre dois ou mais sistemas elétricos distintos, foram
desenvolvidos, ao longo dos anos, métodos para o tratamento de grandes potências. Uma revisão histó-
rica da Eletrônica de Potência, como mostra a tabela 1.1, revela os acontecimentos mais significativos
no desenvolvimento da tecnologia da Eletrônica de Potência.
TABELA 1.1 Eventos históricos mais importantes da Eletrônica de Potência.
ANO EVENTO TECNOLÓGICO
1940 Surge o transistor
1957 Desenvolvimento do SCR (600V/35A)
1978 Tecnologia FET (100V/25A)
1980 Surge o GTO (2500V/1000A)
1982 Aparece o IGBT (400V/20A)
1988 Advento do MCT (600V/50A)
Todos os dispositivos citados acima são interruptores eletrônicos controlados. Portanto, um
princípio básico para o controle da energia elétrica é o emprego dos dispositivos interruptores.
Introdução à Eletrônica de Potência 5
Com o aparecimento destes interruptores eletrônicos de alto rendimento, ótima confiabilidade e
muito compactos, surgiu a Eletrônica de Potência, hoje uma ciência em expansão.
Eletrônica de Potência é uma ciência aplicada, dedicada ao estudo dos conversores estáticos
de energia elétrica.
Os conversores estáticos são sistemas constituídos de elementos passivos, como resistores, capacitores
e indutores, e elementos ativos, tais como diodos, tiristores, transistores, GTOs , entre outros, associa-
dos de acordo com as necessidades preestabelecidas. Eles realizam o tratamento eletrônico de energia,
controlando o fluxo da energia elétrica entre sistemas distintos.
1.2 - Principais funções dos conversores estáticos
A figura 1.1 mostra as principais funções realizadas pelos conversores estáticos.
E (^1)
E (^2)
v , f 1 1
v , f 2 2
Retificador
Conversor Indireto de Freqüência
Conversor CC Isolado
Conversor CC
Conversor Direto de Freqüência
Inversor
CC (^) CA
Fig. 1.1 - Principais funções dos conversores estáticos.
Introdução à Eletrônica de Potência 7
fator de potência de referência das cargas passe de 0,85 para 0,92, fará com que nos próximos dois a-
nos, os equipamentos de correção e compensação de reativos movimente cerca de U$ 1 bilhão.
1.3.3 - Acionamentos de velocidade variável para motores CA
O Japão é o líder na aplicação de inversores para acionar motores a velocidade variável para
conforto térmico residencial e comercial.
Porém, nos Estados Unidos o custo da energia elétrica é consideravelmente mais baixo do que
no Japão, de modo que o mais alto custo dos inversores para acionamento de motores para condiciona-
dores de ar, não é compensado pela economia de energia que eles proporcionam.
Entretanto, no ano 2000, é provável que a redução no custo dos inversores torne esta aplicação
um produto viável em diversos países.
1.3.4 - Sistemas de propulsão para transporte urbano
Este já é um mercado viável no Japão e na Europa. A conservação de energia e a comodidade
para as pessoas forçarão muitos países a iniciar o desenvolvimento do transporte em massa. O
transporte por trens é um dos mais eficientes meios de transporte de carga e de pessoas. No futuro,
nenhum país poderá "se dar ao luxo" de realizar a maior parte do transporte de passageiros através de
automóveis. Nos grandes centros urbanos, os automóveis elétricos serão usados para transportar de
casa para o terminal de transporte coletivo e automóveis para viagens de longas distâncias não existirão
mais.
1.3.5 - Controle de redes neuronais
O cérebro humano é um notável computador o qual pode prover controles significativamente
sofisticados para uma longa faixa de aplicações. No cérebro, um neurônio típico coleta sinais das mais
variadas fontes e quando os sinais são suficientes, o neurônio envia um sinal para outra parte do siste-
ma. Durante esta operação, o neurônio é capaz de aprender o que necessita para melhorar sua perfor-
mance. Malhas neuronais artificiais viabilizadas pelo moderno hardware computacional podem melho-
rar muito a performance de sistemas físicos. Então é muito provável que muitas malhas neuronais com
controle empregando a Eletrônica de Potência serão disponíveis no ano 2000.
1.3.6 - Inversores para suprir pico de carga, empregando a energia armazenada por baterias
Algumas destas unidades já se encontram em operação comercial nos Estados Unidos. Há uma
pressão crescente para conservação de energia elétrica, acreditando-se que este produto será muito im-
Eletrônica de Potência - Gerência de Eletrônica - ETFSC 8
portante no início do próximo século, pois ele será capaz de suprir os picos de carga e, em conseqüên-
cia, reduzir a capacidade instalada de kW.
1.4 - Importância dos Transformadores em Eletrônica de Potência
Os transformadores são empregados em eletrônica de potência para a adaptação de tensão e
também, de forma mais específica, para o isolamento de corrente (isolamento galvânico). Este tipo de
isolamento é muitas vezes necessário para que as correntes da etapa de potência não interfiram nos cir-
cuitos de comando e controle. Também, em algumas aplicações, o transformador pode isolar as com-
ponentes contínuas geradas pela retificação, evitando a introdução de harmônicos de corrente e tensão
na rede de alimentação.
Eletrônica de Potência - Gerência de Eletrônica - ETFSC 10
t (^) ON T
t
V (^) D
E (^) i
t
i (^) L
I (^) máx
t
i (^) Ei
t
i (^) D
I (^) mín
t (^) OFF
I (^) o
2.1.2 - Diodo Real
Há dois tipos de diodos de potência: o diodo bipolar (baseado em uma junção semicondutora pn) e o diodo S- chottky. A característica estática do diodo bipolar é mostradas na Fig. 2.2. Tal característica é estabelecida experimental- mente para cada componente. Em condução, o diodo pode ser representado por uma força eletromotriz E (^) O (que representa a queda de tensão própria) em série com a resistência r (^) F (resistência em condução do diodo), conforme ilustra a Fig. 2.3.
Na Fig. 2.2 observa-se que o diodo pode bloquear uma tensão finita, representada por VRRM (Tensão de Ruptura Reversa), acima da qual o diodo entra em condução com corrente reversa e acaba destruído pela elevação da temperatura na junção. Além disto, observa-se que quando polarizado reversamente circula no diodo uma corrente de baixo valor denomi- nada corrente de circulação reversa ou corrente de fuga.
Como exemplo, apresenta-se os dados de catálogo fornecidos por um fabricante:
DIODO SKN 20/08 (SEMIKRON)
2.1.3 - Potência Dissipada na Condução
Em condução o diodo dissipa parte da energia elétrica que o atravessa sob forma de calor. Tal potência elétrica pode ser calculada pela seguinte expressão:
Introdução à Eletrônica de Potência 11
2 P = E 0 ⋅ ⋅ IDmed + rF ⋅ IDef (2.1)
Esta expressão é genérica, podendo ser empregada para qualquer forma de onda.
Existem também as perdas durante os processos de entrada em condução e bloqueio (perdas de comutação) porém, para freqüências menores que 40KHz tais perdas são desprezíveis frente as perdas em condução.
E (^0)
1/rF
VD (V)
I (^) D(A)
I (^) R
VRRM
Fig. 2.2 - Característica Estática de um diodo bipolar.
r
A K E O
I (^) F
F Fig. 2.3 - Circuito equivalente do diodo em condução.
2.1.4 - Características Dinâmicas:
As características dinâmicas estão ligadas aos processos de disparo e bloqueio do diodo.
DISPARO: O diodo bloqueado apresenta uma grande impedância que, quando polarizado diretamente, decai a um valor muito baixo. Este decaimento, no entanto, não ocorre instantaneamente devido as características físicas da junção. Desta forma, sempre que o diodo for diretamente polarizado ele não entra em condução imediatamente, ou seja, existe um tempo de retardo (td) para a condução efetiva. As formas de onda relativas ao disparo de um diodo são apresentadas na Fig. 2.4.
BLOQUEIO: Similarmente ao disparo, existe um tempo para que o diodo bloqueie efetivamente. Quando em con- dução, existe uma certa quantidade de elétrons do material tipo "n" circulando no material tipo "p" e um grande número de lacunas no material tipo "n". Isto estabelece um grande número de portadores minoritários em ambos os materiais que com- põe a junção do diodo. Quando o diodo for polarizado reversamente, os portadores minoritários invertem o sentido da cor- rente a fim de retornarem ao estado de portadores majoritários. Durante este período, chamado tempo de estocagem (t (^) S) o diodo comporta-se como um curto circuito, bloqueando-se bruscamente no final deste período, o que provoca uma sobre- tensão. Após o tempo estocagem existe a transição ou tempo de decaimento da corrente (tf ). A soma destes dois períodos representa o tempo de recuperação do diodo (trr ). As formas de onda relativas ao bloqueio de um diodo são apresentadas na Fig. 2.5.
Introdução à Eletrônica de Potência 13
2.2.1 - Características Ideais
O SCR ideal, enquanto estiver sem corrente de gatilho, é capaz de bloquear tensões diretas e reversas de valor in- finito. Tal característica é representada pelas retas 1 e 2 na Fig. 2.
Quando habilitado, ou seja, quando comandado por uma corrente de gatilho Ig, o SCR se comporta como um diodo ideal como podemos observar nas retas 1 e 3. Sob esta condição o SCR ideal é capaz de bloquear tensões reversas infinitas e conduzir, quando diretamente polarizado, correntes infinitas sem perda de energia por efeito Joule.
Assim como para os diodos, tais características são ideais e os SCRs reais apresentam uma pequena resistência à circulação de corrente quando diretamente polarizados e habilitados, além de não bloquearem tensões muito elevadas quan- do polarizados reversamente.
2.2.2 - SCR Real
Existem limites de tensão e corrente que um SCR pode suportar. Tais limites constituem as características estáticas reais como mostra a Fig. 2.7. As curvas 1 e 2 apresentam as características para o SCR sem IG enquanto as curvas 1 e 3 mostram as características para o SCR habilitado.
I (^) A
VAK
(b)
I (^) A
A K
(a)
1 2
3
Eletrônica de Potência - Gerência de Eletrônica - ETFSC 14
EO
1/r (^) F
VAK(V)
I (A)
I (^) R
VRRM
I (^) F
VBO
1
3
2
I
I = 0
Fig. 2.7 - Características estáticas reais do SCR.
As grandezas envolvidas são:
Analogamente ao diodo, podemos representar o SCR por seu circuito elétrico equivalente, mostrado na Fig. 2.8.
r
A K E O
I (^) A
F
Fig. 2.8 - Circuito equivalente do diodo em condução.
2.2.3 - Perdas em Condução
O SCR conduzindo dissipa uma potência elétrica em forma de calor que pode ser calculada por:
P = E 0.^ ITmed + r 0.^ ITef^2 (2.2)
onde I (^) Tmed e I (^) Tef são, respectivamente, as componentes média e eficaz da corrente do SCR.
Eletrônica de Potência - Gerência de Eletrônica - ETFSC 16
G
G
AK
Para o estudo da dinâmica de bloqueio utilizamos o circuito da Fig. 2.11. O indutor l representa uma indutância parasita que influencia no decaimento da corrente do SCR.
T
R
E
S
l
E 2
Enquanto o SCR conduz a corrente de carga, o interruptor S encontra-se aberto. Quando, em t = t 0 , o interruptor S é fechado, inicia-se o processo de bloqueio do SCR. No instante t = t1, o interruptor S é novamente aberto e o SCR encon- tra-se bloqueado. Podemos observar o processo dinâmico de bloqueio do SCR pela Fig. 2.12. Após o tempo de recuperação
do SCR trr , para que o SCR possa bloquear efetivamente é necessário manter a tensão reversa por um tempo igual ou maior do que tq. Isto é necessário para que o SCR possa alcançar o equilíbrio térmico e permanecer bloqueado até ser aplicada corrente em seu gatilho.. A corrente reversa máxima (IRM) tem valor limitado e que depende das características do SCR e do
2.2.5 - Corrente de Retenção e Corrente de Manutenção
Para entrar em condução o SCR deve conduzir uma corrente suficiente, cujo valor mínimo recebe o nome de cor- rente de retenção I (^) L. O SCR não entrará em condução se a corrente de gatilho for suprimida antes que a corrente de anodo atinja o valor I (^) L. Este valor I (^) L é em geral de duas a três vezes a corrente de manutenção I (^) H que, uma vez retirada a corrente de gatilho, é a suficiente para manter o estado de condução.
Introdução à Eletrônica de Potência 17
2.3 - Retificador Monofásico de Meia Onda:
2.3.1 - Carga Resistiva:
A estrutura básica de um retificador monofásico controlado de meia onda alimentando uma carga resistiva é apre- sentado na figura 2.13. Para esta estrutura, somente os semiciclos positivos da fonte de alimentação, ou parte deles, serão aplicados na carga quando o SCR for disparado. Os semiciclos negativos são integralmente bloqueados.
O SCR é disparado por uma corrente I (^) G em um ângulo α entre 0 e 180 o, passando a conduzir e permitindo a apli- cação de uma tensão na carga.
As correspondente formas de onda para o retificador da figura 2.13 são mostradas na figura 2.14 para um ângulo
vAK
t (^) rr
i (^) A
t
t
t (^) s tf
I (^) RM
IL
EO
t (^) q
IF
I (^) R
t (^) inv
t (^) o
E 1
E 2
t (^1)
Fig. 2.12 - Característica dinâmica de bloqueio do SCR, mostrando o tempo mínimo de aplicação de tensão inversa t (^) q.
A expressão da tensão da fonte de alimentação é dada por:
v = 2 ⋅ V 0 ⋅sen(ω ⋅ t ) (2.3)
onde V 0 é a tensão eficaz.
Introdução à Eletrônica de Potência 19
0 π/2 π
0
0,
0,
Para o cálculo da tensão e corrente eficaz na carga, empregam-se as expressões abaixo:
V V
sen Re f=^ ⋅^ −^ ⋅ +^ ⋅
0
1 2 2
2 4
α π
α π
I
V R
sen Re f=^ ⋅^ −^ ⋅ +^ ⋅
(^0) 1 2 2
2 4
α π
α π
A potência média na carga é dada por:
P
V R
sen Rmé d =^ ⋅^ −^ ⋅ +^ ⋅
(^0)
(^2 )
2 2
2 4
α π
α π
Para esta estrutura, as correntes que circulam na carga são as mesmas que circulam pelo SCR.
Para um dimensionamento correto é necessário o conhecimento da tensão reversa máxima e corrente máxima sobre o SCR.
V (^) RRM = 2 ⋅V 0 (2.9)
I
V Amá x R = 2 ⋅ 0 (2.10)
Observação : Substituindo-se o SCR por um diodo, obtém-se um retificador monofásico de meia onda não controlado (figura 2.16). Neste retificador, os semiciclos positivos da fonte de alimentação são aplicados integralmente à carga. Assim,
sões (2.4) a (2.8),resultando nas expressões (2.11) a (2.15).
V (^) Rmé d = 0 45, ⋅V 0 (2.11)
I
V Rmé d (^) R =
0 45, ⋅ 0 (2.12)
V
V Re f=^
0 2
Eletrônica de Potência - Gerência de Eletrônica - ETFSC 20
R
V I (^) Re f^0 2
1 = ⋅ (2.14)
R
V PRméd ⋅
= 2
2 (^0) (2.15)
As formas de onda interesse para o retificador da figura 2.16 são apresentadas na figura 2.17.
0 π ωt
v
i
R
R
2π
Exemplo 2.1 - O valor eficaz da tensão da fonte de alimentação do circuito da figura 2.13 é 100 V. Calcular os va- lores médio e eficaz da corrente na carga e desenhar as formas de onda da tensão no SCR para α = 45 o^ e α =135 o^ e R = 10 Ω.
Substituindo V 0 = 100 V, R = 10Ω.e α = 45 o^ nas expressões (2.5) e (2.7) resulta:
I (^) Rméd ( 1 cos 45 o ) 3 , 84 A 10
0 , 225100 ⋅ + =
I (^) f 6 , 74 A 4
sen( 2 45 ) 2
1 10
100 o Re =
⋅
⋅
⋅
= ⋅ − π π