Aula1 Eletrônica de Potencia

1ELETRNICA DE POTNCIA

Prof. Msc. Paulo N. Cunha

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Uma breve histria da

eletricidade industrial e da

eletrnica de potncia

2Uma breve histria da eletricidade

industrial e da eletrnica de potncia

A energia elica, como sabido, sazonal e

um aproveitamento perene possvel apenas

em poucas localidades. J a energia

hidrulica, embora tambm sofra

sazonalidades, est disponvel de modo muito

mais regular. Por essa razo, as instalaes

industriais (como moinhos e serrarias),

instalavam-se ao lado dos cursos dgua.

3A inveno da mquina a vapor, no sculo

XVIII, pela primeira vez tornou possvel a

instalao das instalaes industriais em

locais distantes dos cursos dgua.

MQUINA A VAPOR



Possivelmente a grande vantagem da

eletricidade sobre outras formas de energia

seja exatamente sua portabilidade e

facilidade de transformao. Ou seja,

muito fcil levar energia eltrica de um local

a outro e tambm transform-la em

movimento, em luz, em calor, etc. Nesse

contexto, considera-se que a eletricidade ,

atualmente, o melhor vetor energtico

5UMA BREVE HISTRIA DA ELETRICIDADE

A eletricidade, como tema de

investigao cientfica remonta ao

sculo XVIII. A produo de

eletricidade, ao longo de quase

todo o sculo XIX provinha

essencialmente de reaes

eletroqumicas, fontes de Corrente

Contnua (CC), graas s

descobertas de Alessandro Volta

em 1800.



As pesquisas durante a primeira metade do

sculo XIX resultaram nas descobertas das

leis fundamentais do eletromagnetismo. As

descobertas de Faraday e Henry, de forma

autnoma, em 1831, fazendo a vinculao

dos fenmenos eltricos aos magnticos

abriram as portas para outras formas de

produo de energia eltrica, em maior

quantidade e, portanto, aplicao

produtiva da eletricidade.



Poucos anos depois, conhecida a propriedade de campos

eletromagnticos interagirem entre si, produzindo ao

mecnica, comearam os desenvolvimentos dos motores

eltricos



O desenvolvimento dos motores CC comea

em 1832, com William. Seguiram-se os

desenvolvimentos realizados por Emily and

Thomas em 1837, levando a um motor CC

com comutador. No havia, no entanto,

suprimento de energia adequado para estes

dispositivos. Em 1856 Siemens desenvolveu

uma mquina eletromecnica, qual

denominou dnamo, com objetivo desubstituir as baterias eletroqumicas nos

sistemas telegrficos



Em 1869, Gramme patenteia o dnamo

(gerador CC), aproveitando o princpio de

auto-excitao explicitado por Siemens e a

inveno dos anis coletores criado por

Pacinotti em 1865. Tinha-se, assim a

possibilidade de gerar eletricidade em

quantidades adequadas para seu uso

industrial. A produo industrial do dnamo de

Gramme se inicia em 1871. Gramme

demonstrou ser possvel transmitir energia

eltrica atravs de fios condutores

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Uma breve histria da eletricidade


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Ao mesmo tempo, avanavam estudos para

o uso de corrente alternada. Em 1881

Gaulard e Gibbs construram um dispositivo

que pode ser considerado um transformador

primitivo, com ncleo aberto, que permitia

obter tenso CA de sada isolada da tenso

aplicada na entrada. Denominaram esse

dispositivo de gerador secundrio, o qual foiinicialmente usado para alimentao de

lmpadas de arco.

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Em 1884 Gaulard constri uma linha de

transmisso CA de 34 km de extenso, 2 kV,

130 Hz. Seus geradores secundriostiveram os enrolamentos de entrada

conectados em srie e as asadas, isoladas,

alimentavam as cargas no nvel adequado

de tenso.

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Ainda em 1885, Blthy construiu esse

dispositivo com um ncleo fechado,

denominando-o de transformador. Ainveno do transformador permitiu, por

meio do ajuste das relaes de espiras, a

efetivao do conceito de transmisso de

energia em CA, com diversos

transformadores alimentados por uma

mesma fonte de tenso e com secundrios

independentes.

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Em 1888, Tesla inventa o motor de induo.

As vantagens do uso de CA para

transmisso e distribuio de energia

eltrica fizeram desta tecnologia a

responsvel pela formidvel expanso da

eletrificao a partir do final do sculo XIX.

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O funcionamento dos motores CA em

velocidade constante, no entanto, impedia

seu uso em aplicaes que exigiam alterao

na velocidade, como em veculos (trens,

bondes, etc.) ou alguns processos industriais,

como laminadoras. Nestas aplicaes, o

motor CC mantinha seu predomnio, exigindo

o fornecimento de energia em corrente

contnua, em potncias relativamente

elevadas.

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Os sistemas de transmisso de energia em

CC assumiram valores compatveis com as

aplicaes de transporte: 600 V em uso

urbano (bondes), 1,5 kV em uso ferrovirio

(vias isoladas). As limitaes tcnicas de tal

soluo, combinadas com a rpida

implantao de sistemas CA, manteve linhas

de alimentao CC limitadas aos sistemas de

transporte.

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O INCIO DA ELETRNICA

No incio do sculo XX, a partir de

experimentos realizados por Edison, que

introduziu um eletrodo com potencial positivo

em sua lmpada de filamento para evitar

que houvesse deposio de material no

bulbo, Fleming identificou a capacidade de

este dispositivo atuar como retificador. Ou

seja, converter uma alimentao CA em CC.

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Nos anos 20 do sculo passado surgiu a

Thyratron, que no um dispositivo vcuo,

uma vez que seu interior ocupado por

algum gs, responsvel por ampliar a

quantidade de ons e, em conseqncia, a

capacidade de conduo de corrente. Seu

comportamento o de um interruptor que

acionado por um terminal de disparo.


21


ok

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E em 1925 fora registrada uma patente

(concedida em 1930 a Julius Edgard

Lilienfeld, reproduzida a seguir) que se

referia a um mtodo e um dispositivo paracontrolar o fluxo de uma corrente eltrica

entre dois terminais de um slido condutor.Tal patente, que pode ser considerada a

precursora do que viriam a ser os

Transistores de Efeito de Campo.

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Isto se modificou a partir do final da dcada

de 40, quando a tecnologia dos

semicondutores permitiu a realizao de tal

dispositivo.


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DA ELETRNICA DE ESTADO SLIDO

ELETRNICA DE POTNCIA

Em 1947, Bardeen e Brattain, estudavam o

comportamento de eltrons na interface

entre um metal e um semicondutor. Bardeen

e Brattain receberam o Prmio Nobel de

Fsica de 1956, juntamente com William

Shockley, "por suas pesquisas em

semicondutores e descoberta do efeito

transistor".

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Esta inveno resultou um enorme esforo

de pesquisa em dispositivos eletrnicos de

estado slido. Ao longo dos anos 50 os

trabalhos se concentraram na substituio do

Germnio pelo Silcio como elemento sobre o

qual se constroe os dispositivos

semicondutores.

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Os primeiros transistores

tinham como aplicao

principal a amplificao de

sinais. Embora muito mais

eficientes do ponto de vista

energtico em comparao

com as vlvulas, a aplicao

em potncias elevadas no

era possvel.

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O primeiro dispositivo de estado slido, que

marca o nascimento do campo tecnolgico

a que denominamos Eletrnica de Potncia

o SCR (Retificador Controlado de Silcio),

denominao dada pela General Electric,

em 1958. Trata-se de um dispositivo que

tem o mesmo comportamento biestvel da

thyratron. Por tal razo, a denominao que

se estabeleceu para o componente Tiristor.


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Os processos microeletrnicos permitiu, ao longo

dos anos 60 e 70 o aumento na capacidade de

controle de potncia dos tiristores, atingindo valores

na faixa de MVA.


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Em sistemas com alimentao CC, como em

trens e trleibus, o uso dos tiristores

enfrentou dificuldades, dada a incapacidade

de este dispositivo ser desligado por ao do

terminal de comando (gate). Foram

desenvolvidas estratgias para possibilitar tal

tipo de aplicao. So do incio dos anos 60

os circuitos de comutao idealizados por

William que permitiam o uso do tiristor em

CC, bem como a obteno de uma sada CA

a partir da entrada CC.


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A primeira aplicao ferroviria no Japo

ocorreu em 1969, com o controle do

enrolamento de campo (por meio de

conversor CC-CC) dos motores CC de trao.

O uso de motor de induo nesta aplicao,

ocorreu em 1982. No Brasil, a modernizao

dos transportes aconteceu a partir dos

sistemas metrovirios no final dos anos 70.


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As tcnicas de comutao forada de

tiristores caram em desuso nos anos 80,

com o desenvolvimento do GTO (Gate Turn-

Off thyristor), que permitia tanto o disparo

quando o bloqueio controlado. Os GTOs

dominaram at o final do sculoXX as

aplicaes de trao com alimentao CC,

sejam com motores CC ou motores CA.


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Transportes eletrificados modernos

tipicamente usam motores CA acionados por

inversores.


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Outro campo que se beneficiou do

desenvolvimento dos tiristores foi o sistema

de transmisso de energia eltrica por meio

de linhas em corrente contnua de alta

tenso, envolvendo retificadores e

inversores. A instalao do sistema CC para

trazer energia da parte paraguaia de Itaipu

(gerada em 50 Hz) at o sudeste do Brasil

(onde se converte em 60 Hz)ocorreu nos

anos 80.


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O suprimento de energia para sistemas

espaciais, computadores, bem como para uso

residencial e comercial, como reatores para

lmpadas fluorescentes e televisores, exigiam

solues mais eficientes, leves e compactas.

Nesta direo, houve grande evoluo dos

transitores, no mais para operar como

amplificador (na regio ativa) mas para

funcionar como interruptor.


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Diferentemente dos tiristores que, por seu

modo de funcionamento se adequam

alimentao CA, os transistores tm sua

melhor aplicao a partir de fontes CC. Ao

desenvolvimento dos transistores bipolares

de potncia somou-se a evoluo dos

transistores de efeito de campo,

principalmente o MOSFET (Metal-Oxide

Silicon Field Effect Transistor), resultando, no

final dos anos 80 no surgimento do IGBT

(Insulated Gate Bipolar Transistor).

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Estrutura interna e moderno dispositivo

(Semikron)

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O sucesso dos inversores, ao permitir o

controle de velocidade dos motores de

induo, a partir dos anos 90, praticamente

eliminou o uso dos motores CC de escovas.

certo que ainda existem muitas aplicaes

com tais motores, mas os processos de troca

de equipamentos sempre apresentam

vantagens para o uso dos motores CA

associados aos inversores.

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Fontes chaveadas e ballasts eletrnicospara lmpadas fluorescentes

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Outras estruturas de motores, como o motor

de relutncia varivel, os motores de passo,

os motores CC sem escovas (DC brushless)

necessitam de um conversor eletrnico para

seu funcionamento. Conjuga-se, deste modo

o desenvolvimento dos sistemas de

acionamento ao de eletrnica de potncia de

maneira irreversvel.

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O direcionamento atual da Eletrnica de

Potncia tem sido em busca de processos de

aproveitamento de energia mais

ecologicamente adequados. Os usos de

energia fotovoltaica, elica, do hidrognio,

carecem de um processamento eletrnico

para sua adequao s cargas.

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Sem Eletrnica de Potncia no se

aproveitam adequadamente as fontes

limpas e renovveis de energia.

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Apesar dos imensos progressos da

microeletrnica (j tendo se tornado

nanoeletrnica), do ponto de vista dos

dispositivos de potncia, aparentemente se

est no limite da capacidade do silcio em

termos de bloqueio de tenso e de

conduo de corrente.


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A quebra dos atuais limites destas

grandezas, que permitiria ampliar as

aplicaes, parece depender do

desenvolvimento de novos materiais

semicondutores, como carbetos de silcio, ou

nitreto de glio, capazes de ampliar o campo

eltrico suportvel, diminuir perdas, facilitar o

fluxo do calor interno, etc. Quem sabe, se na

prxima decada tenha-se um novo e

importante captulo nessa histria.


Notas de Aula

Esta aula j esta disponibilizada no site do Prof. Paulo Cunha

https://sites.google.com/site/profpauloncunha/

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