4. Circuitos e Dispositivos Eletrônicos de Potência

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Circuitos e Dispositivos Eletrônicos de Circuitos e Dispositivos Eletrônicos de PotênciaPotênciaPotênciaPotência

11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 1

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA EletrônicaEletrônicae ô cae ô ca

• Processamento de Informação– Transistor (1947) e CI (1958)( ) ( )

• Processamento da EnergiaR tifi d d ú i (1956)– Retificador a arco de mercúrio (1956)


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potênciae ô ca de o ê c ae ô ca de o ê c a

• Eletrônica de potência é a tecnologia associada ao eficiente processamento e pcontrole da energia por meios estáticos, onde uma entrada qualquer é convertidaonde uma entrada qualquer é convertida na forma de saída desejada.

( f )• Vai de mW (telefone celular) a centenas de MW (sistemas de energia).( g )

• Área multidisciplinar.



ÁÁreas de conhecimento associadas:• Conversão de energiag• Circuitos elétricos• Eletrônica• Eletrônica• Controle• Instrumentação• Sistemas de energiag• Máquinas elétricas• Compatibilidade eletromagnética


• Compatibilidade eletromagnética


Métodos de processamento da energia:• Linear → conversão através de transistores

operando como resistores variáveis → elevadas perdas → eletrônica analógica p gconvencional (ex.: amplificador de som)

• Comutada → conversão através deComutada → conversão através de interruptores → operação em etapas (ex : sistema de partida suave de motores)(ex.: sistema de partida suave de motores)



• Conversores Estáticos:– CA-CC, CC-CA, CC-CC e CA-CA;, , ;

• Interação entre o controle e os atuadores;• Elementos mais utilizados:

– Capacitores, Indutores, p , ,Resistores e Chaves Estáticas

• Principal foco:R di t


– Rendimento;

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Chaves Estáticas Chaves Estáticas C a es s á casC a es s á cas

• Diodos:– Condução e bloqueio controlado pelo ç q p

circuito de potência;• Tiristores:• Tiristores:

– conduzem via controle, bloqueio pela i t ã d tinterrupção da corrente;

• Chaves Controladas:– conduzem e bloqueiam via controle.



Chaves Estáticas Chaves Estáticas DiodoDiodoodoodo

Real Ideal Potencial Circ. Equiv.de disparo Linear aprox.



Chaves Estáticas Chaves Estáticas TiristoresTiristoress o ess o es

• TRIAC;• SCR (Retificador controlado de silício);SCR (Retificador controlado de silício);• GTO (Bloqueio pelo gatilho);• DIAC;


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Chaves Estáticas Chaves Estáticas C a es s á casC a es s á cas

• IGBT (Transistor bipolar com gatilho isolado););

• MOSFET (Transistor de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor);de Metal-Óxido-Semicondutor);

• MCT (Tiristor Controlado a MOS);


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Chaves Estáticas Chaves Estáticas

Valores NominaisValores Nominais

ComponenteTensão(V)

Corrente(A)

Frequência(Hz)

Potência(kVA)

TIRISTOR 10.000 5.000 2 10.000

TRANSISTOR 1.000 300 20 200

MOSFET 1.000 100 50 50

IGBT 3.000 1.000 20 3.000



CaracterísticasCaracterísticasdas principais chavesdas principais chavesdas principais chavesdas principais chaves

(VA

)

(VA

)

Pot

ênci

a

Pot

ênci

a

PP

Tensão (V) Frequência (Hz)


Tensão (V) Frequência (Hz)


Chaves EstáticasChaves EstáticasAplicações Aplicações p caçõesp cações


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticosConversores estáticosCo e so es estát cosCo e so es estát cos


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticosConversores estáticosCo e so es estát cosCo e so es estát cos

Classificação quanto ao fluxo de energia:• Unidirecional em tensão e corrente (1 quad)( q )• Bidirecional em tensão e unidirecional em

corrente (2 quad)corrente (2 quad)• Bidirecional em corrente e unidirecional em

tensão (2 quad)tensão (2 quad)• Bidirecional em tensão e corrente (4 quad)



Conversores estáticos Conversores estáticos comutados pela linhacomutados pela linhaco utados pe a aco utados pe a a

• Dispositivos de processamento de energia

Diodo Indutor (reator) Capacitormetalizado (CA)( )

C it


Tiristor Transformador Capacitoreletrolítico (CC)



• Dispositivos de proteção e dissipação

Dissipador de calor Ventilador Resistor


Resistor NTC Fusível parasemicondutor

SnubberVaristor



• Dispositivos de instrumentação

Sensor de correnteshunt

Sensor det ã t fshunt tensão trafo


Sensor decorrente hall Sensor de

tensão hallSensor detemperatura



• Dispositivos de comando e controle

Transformadorde pulso

Placa de aquisição econtrole


Driver isoladoFonte CC


Conversores estáticosConversores estáticosAplicaçõesAplicaçõesp caçõesp cações

A)

duçã

o (A

e de

Con

dC

orre

nte

C


Tensão de Bloqueio (V)


Conversores estáticos Conversores estáticos AplicaçõesAplicaçõesp caçõesp cações

1. Conversores comutados pela linha– Alta potênciaAlta potência – Ambiente Industrial– Alta Confiabilidade– Freqüência de comutação baixa e– Freqüência de comutação baixa e– Elementos reativos grandes


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos

Retificadores nãoRetificadores não--controlados controlados –– carga RLcarga RL

• Principais tipos:– Monofásico de meia onda– Monofásico de onda

completa com ponto médiocompleta com ponto médio– Retificador monofásico de

onda completa em ponteonda completa em ponte– Retificador trifásico com

t édiponto médio– Retificador trifásico de onda Emprega-se

apenas diodos


completaapenas diodos


Retificadores nãoRetificadores não--controlados controlados –– carga RLcarga RL

• Aplicações


Alternador Mineração - Bauxita


Retificadores nãoRetificadores não--controlados controlados –– carga RCcarga RC

• Principais tipos:– Monofásico de onda

completa– Monofásico como dobradorMonofásico como dobrador

de tensãoTrifásico– Trifásico

Emprega-seapenas diodos


apenas diodos


Retificadores nãoRetificadores não--controlados controlados –– carga RCcarga RC

• Aplicações

Estágio de entrada de fontes Fontes p/ equipamentos


para computador eletrônicos


Conversores diretos CC linearesConversores diretos CC lineares

• Principais tipos:– Regulador de tensão a diodo g

zener– Regulador de tensão aRegulador de tensão a

transistorRegulador de tensão a CI– Regulador de tensão a CI

CircuitosSem Comutação

Fontes p/ equipamentoseletrônicos


Sem Comutação eletrônicos


Retificadores controlados Retificadores controlados –– carga RLcarga RL

• Principais tipos:– Monofásico de meia onda– Monofásico de onda

completacompleta– Retificador trifásico com

ponto médioponto médio– Retificador trifásico de onda

l tcompletaEmpregam diodos e

tiristores


tiristores



• Aplicações

Solda e corte


Fornos a arco CC



• Aplicações

Galvanização eletrolítica

11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 29Eletrolisação



• Aplicações

HVDC (Transmissão de energia


( gem corrente contínua)


Retificadores controlados Retificadores controlados –– carga RLEcarga RLE

• Aplicações

Excitatriz estática (geração do Motor CC → giro unidirecional


(g çcampo) para motor CC e geradorsíncrono


Conversores DuaisConversores Duais

• Principais tipos:– Monofásico com

ponto médio– Monofásico em ponteMonofásico em ponte– Trifásico com 3 pulsos

T ifá i 6 l– Trifásico com 6 pulsos

Empregam apenas tiristores


tiristores



• Aplicações


Motor CC → giro bidirecionalIndústria de laminação, papel, cimento, mineração


GradadoresGradadores

• Principais tipos:– Gradadores monofásicos– Gradadores trifásicos

Controle por ciclos inteiros– Controle por ciclos inteiros



tiristores


Gradadores Gradadores –– carga Rcarga R

• Aplicações

Controle de temperatura F i d t i i


pDucha eletrônica Fornos industriais


Gradadores Gradadores –– cargas genéricascargas genéricas

• Aplicações

Estabilizadores eletrônicos de


tensão Chaves de transferência estática


Gradadores Gradadores –– carga Lcarga L

• Aplicações


Compensadores estáticos de potência reativa(FACTS – transmissão de energia)


Gradadores Gradadores –– carga RLEcarga RLE

• Aplicações


Sistema de partida suave para motores(soft-starters)


CicloconversoresCicloconversores

• Principais tipos:– Trifásicos 3 pulsos com p

ponto médio– Trifásico 6 pulsos em ponteTrifásico 6 pulsos, em ponte,

para cargas isoladasTrifásicos 6 pulsos em– Trifásicos 6 pulsos, em ponte, para cargas não isoladasisoladas



tiristores


CicloconversoresCicloconversores

• Aplicações

Controle de motores CA de propulsão de alta potência(trens, navios, guindastes)



InversoresInversores

• Principais tipos:– Monofásicos– Trifásicos 3 braços

Trifásicos 4 braços– Trifásicos 4 braços

Empregam diodos e tiristores


tiristores


InversoresInversores

• Aplicações

Forno de indução



Conversores estáticos Conversores estáticos

2. Conversores completamente controláveis– Aplicações → potências pequenas a médiasp ç p p q– São muito empregados em sistemas comerciais

e resitênciase resitências– Possuem elevada densidade de potência

E f üê i d t ã l d– Empregam freqüências de comutação elevadas e elementos reativos pequenos



comutados em alta freqüênciacomutados em alta freqüência

• Principais tipos:– CC-CC (pulsador)(p )– CA-CC (retificador)

CC CA (inversor)– CC-CA (inversor)– CA-CA (gradador/

i l )cicloconversor)



Conversor CCConversor CC--CC CC –– alta freqüênciaalta freqüência

• Aplicações

Fontes de computadores Fontes CC-CC para


(VRM) equipamentos eletrônicos


Retificadores Retificadores –– altaalta--freqüênciafreqüência

• Aplicações

Retificadores para aplicações Carregadores compactos para


em telecomunicações equipamentos eletrônicos


Inversores Inversores –– altaalta--freqüênciafreqüência

• Aplicações

Amplificadores de som Estágio de saída de inversores


de freqüência


Conversores CAConversores CA--CACA–– altaalta--freqüênciafreqüência

• Aplicações

Acionamento de motores



indiretos (em cascata)indiretos (em cascata)

• Podem utilizar dconversor de

baixa freqüência (BF) em conjunto com outro de altacom outro de alta freqüência (AF)



indiretos (em cascata)indiretos (em cascata)

• Aplicações

Fonte para telecomRetificador (AF)

CC-CC (AF)

No-breaksRetificador (BF/AF)

Inversor (AF)

Inversor de freq.Retificador (BF)

I (AF)


CC CC ( ) Inversor (AF) Inversor (AF)

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