Docsity
Docsity

Prepare-se para as provas
Prepare-se para as provas

Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity


Ganhe pontos para baixar
Ganhe pontos para baixar

Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium


Guias e Dicas
Guias e Dicas

Introdução à Eletrônica de Potência: Retificadores Controlados e Inversores, Resumos de Eletrônica

Apostila de electronica de potencia

Tipologia: Resumos

2019
Em oferta
30 Pontos
Discount

Oferta por tempo limitado


Compartilhado em 20/06/2019

pelagio
pelagio 🇲🇿

5

(2)

3 documentos

1 / 97

Toggle sidebar

Esta página não é visível na pré-visualização

Não perca as partes importantes!

bg1
C
CC
CENTRO
ENTRO ENTRO
ENTRO F
FF
FEDERAL DE
EDERAL DE EDERAL DE
EDERAL DE E
EE
EDUCAÇÃO
DUCAÇÃO DUCAÇÃO
DUCAÇÃO T
TT
TECNOLÓGICA DE
ECNOLÓGICA DE ECNOLÓGICA DE
ECNOLÓGICA DE S
SS
SANTA
ANTA ANTA
ANTA C
CC
CATARINA
ATARINAATARINA
ATARINA
G
GG
GERÊNCIA
ERÊNCIA ERÊNCIA
ERÊNCIA E
EE
EDUCACIONAL DE
DUCACIONAL DE DUCACIONAL DE
DUCACIONAL DE E
EE
ELETRÔNICA
LETRÔNICALETRÔNICA
LETRÔNICA
Eletrônica de Potência
Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência
Eletrônica de Potência
P
PP
PROF
ROFROF
ROF. M
. M. M
. MARCO
ARCO ARCO
ARCO V
VV
VALÉRIO
ALÉRIO ALÉRIO
ALÉRIO M
MM
MIORIM
IORIM IORIM
IORIM V
VV
VILLAÇA
ILLAÇAILLAÇA
ILLAÇA
P
PP
PROF
ROFROF
ROF. P
. P. P
. PAULO
AULO AULO
AULO R
RR
RICARDO
ICARDO ICARDO
ICARDO T
TT
TELLES
ELLES ELLES
ELLES R
RR
RANGEL
ANGELANGEL
ANGEL
P
PP
PRIMEIRA
RIMEIRA RIMEIRA
RIMEIRA E
EE
EDIÇÃO
DIÇÃODIÇÃO
DIÇÃO
F
FF
FLORIANÓPOLIS
LORIANÓPOLIS LORIANÓPOLIS
LORIANÓPOLIS
SETEMBRO
SETEMBROSETEMBRO
SETEMBRO, 1996.
, 1996., 1996.
, 1996.
pf3
pf4
pf5
pf8
pf9
pfa
pfd
pfe
pff
pf12
pf13
pf14
pf15
pf16
pf17
pf18
pf19
pf1a
pf1b
pf1c
pf1d
pf1e
pf1f
pf20
pf21
pf22
pf23
pf24
pf25
pf26
pf27
pf28
pf29
pf2a
pf2b
pf2c
pf2d
pf2e
pf2f
pf30
pf31
pf32
pf33
pf34
pf35
pf36
pf37
pf38
pf39
pf3a
pf3b
pf3c
pf3d
pf3e
pf3f
pf40
pf41
pf42
pf43
pf44
pf45
pf46
pf47
pf48
pf49
pf4a
pf4b
pf4c
pf4d
pf4e
pf4f
pf50
pf51
pf52
pf53
pf54
pf55
pf56
pf57
pf58
pf59
pf5a
pf5b
pf5c
pf5d
pf5e
pf5f
pf60
pf61
Discount

Em oferta

Pré-visualização parcial do texto

Baixe Introdução à Eletrônica de Potência: Retificadores Controlados e Inversores e outras Resumos em PDF para Eletrônica, somente na Docsity!

CCCC ENTROENTROENTROENTRO FFFF EDERAL DEEDERAL DEEDERAL DEEDERAL DE EEEE DUCAÇÃODUCAÇÃODUCAÇÃODUCAÇÃO TTTT ECNOLÓGICA DEECNOLÓGICA DEECNOLÓGICA DEECNOLÓGICA DE SSSS ANTAANTAANTAANTA CCCC ATARINAATARINAATARINAATARINA

GGGG ERÊNCIAERÊNCIAERÊNCIAERÊNCIA EEEE DUCACIONAL DEDUCACIONAL DEDUCACIONAL DEDUCACIONAL DE EEEE LETRÔNICALETRÔNICALETRÔNICALETRÔNICA

Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência^ Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência

PPPP ROFROFROFROF. M. M. M. M ARCOARCOARCOARCO VVVV ALÉRIOALÉRIOALÉRIOALÉRIO MMMM IORIMIORIMIORIMIORIM VVVV ILLAÇAILLAÇAILLAÇAILLAÇA

PPPP ROFROFROFROF. P. P. P. P AULOAULOAULOAULO RRRR ICARDOICARDOICARDOICARDO TTTT ELLESELLESELLESELLES RRRR ANGELANGELANGELANGEL

PPPP RIMEIRARIMEIRARIMEIRARIMEIRA EEEE DIÇÃODIÇÃODIÇÃODIÇÃO

FFFF LORIANÓPOLISLORIANÓPOLISLORIANÓPOLISLORIANÓPOLIS – ––– SETEMBROSETEMBROSETEMBROSETEMBRO , 1996., 1996., 1996., 1996.

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

Fig. 2.1 - (a) Simbologia, (b) Características estáticas do diodo ideal.

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)

• TENSÃO REVERSA MÁXIMA (VRRM) 800V

• TENSÃO DIRETA (E0) 0,85V

  • RESISTÊNCIA EM CONDUÇÃO (rF) 11mΩ
  • CORRENTE MÉDIA (I (^) Dmed) 20A
  • CORRENTE DE CIRCULAÇÃO REVERSA (I (^) R) 0,15mA

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 + rFIDef (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)

  • V -

AK

I (^) A

A K

(a)

1 2

3

Fig. 2.6 - (a) simbologia e (b) características estáticas do SCR ideal.

Eletrônica de Potência - Gerência de Eletrônica - ETFSC 14

EO

1/r (^) F

VAK(V)

I (A)

I (^) R

VRRM

I (^) F

A

VBO

1

3

2

I

H

I = 0

G

Fig. 2.7 - Características estáticas reais do SCR.

As grandezas envolvidas são:

  • E 0 - tensão em condução
  • V (^) BR - tensão de ruptura reversa
  • V (^) BO - tensão de ruptura direta
  • I (^) R - corrente reversa
  • I (^) F - corrente direta
  • RO - resistência em condução

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

td t r

ton

V

I

V

G

G

AK

t

to

Fig. 2.10 - Representação do atraso no disparo do SCR.

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

Fig. 2.11 - Circuito para o estudo do bloqueio do SCR

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

circuito. O tempo tq varia desde 5 μs para os SCR rápidos até 50 - 400 μs para os SCR lentos.

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

de disparo α.

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,

VRméd

V 0

Fig. 2.15 - Tensão média aplicada em carga resistiva por um retificador

controlado de meia-onda em função do ângulo de disparo α.

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,

para calcular-se os valores de tensão e corrente média e eficazes e a potência média na carga basta fazer α = 0 nas expres-

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.

v R

D

+ vAK -

i R vR

Fig. 2.16 - Retificador monofásico não controlado de meia onda alimentan-

do uma carga resistiva.

0 π ωt

v

i

R

R

Fig. 2.17 - Formas de onda de interesse para o retificador da figura

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. 785 2

1 10

100 o Re = 

 

 

= ⋅ − π π