4. Circuitos e Dispositivos Eletrônicos de Potência

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Circuitos e Dispositivos Eletrônicos de Potência
• Conversores Estáticos:
– CA-CC, CC-CA, CC-CC e CA-CA;
• Interação entre o controle e os atuadores;
• Elementos mais utilizados:
– Capacitores, Indutores,
Resistores e
Chaves Estáticas
• Principal foco:
– Rendimento;

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4. Circuitos e Dispositivos Eletrônicos de Potência

  1. 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Circuitos e Dispositivos Eletrônicos de Potência 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 1
  2. 2. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Eletrônica e ô ca CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA • Processamento de Informação – Transistor (1947) e CI ( ( ) (1958) ) • Processamento da Energia – R tifi d a arco d mercúrio (1956) Retificador de úi 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 2
  3. 3. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Eletrônica de Potência e ô ca oê ca CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA • Eletrônica de potência é a tecnologia associada ao eficiente processamento e p controle da energia por meios estáticos, onde uma entrada qualquer é convertida na forma de saída desejada. • Vai de mW ( (telefone celular) a centenas f ) de MW (sistemas de energia). ( g ) • Área multidisciplinar. 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 3
  4. 4. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Eletrônica de Potência e ô ca oê ca CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Áreas de conhecimento associadas: • Conversão de energia g • Circuitos elétricos • Eletrônica • Controle • Instrumentação • Sistemas de energiag • Máquinas elétricas • Compatibilidade eletromagnética 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 4
  5. 5. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Eletrônica de Potência e ô ca oê ca CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Métodos de processamento da energia: • Linear → conversão através de transistores operando como resistores variáveis → elevadas perdas → eletrônica analógica p g convencional (ex.: amplificador de som) • Comutada → conversão através de interruptores → operação em etapas (ex.: (ex : sistema de partida suave de motores) 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 5
  6. 6. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Eletrônica de Potência e ô ca oê ca CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA • 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 Rendimento; t 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 6
  7. 7. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE C a es s á cas Chaves Estáticas CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA • Diodos: – Condução e bloqueio controlado p ç q pelo circuito de potência; • Tiristores: – conduzem via controle, bloqueio pela interrupção d corrente; i t ã da t • Chaves Controladas: – conduzem e bloqueiam via controle. 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 7
  8. 8. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Chaves Estáticas Diodo odo CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Real Ideal Potencial Circ. Equiv. de disparo Linear aprox. 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 8
  9. 9. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Chaves Estáticas s o es Tiristores CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA • TRIAC; • SCR (Retificador controlado de silício); • GTO (Bloqueio pelo gatilho); • DIAC; 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 9
  10. 10. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE C a es s á cas Chaves Estáticas CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA • IGBT (Transistor bipolar com gatilho ); isolado); • MOSFET (Transistor de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor); Metal-Óxido-Semicondutor); • MCT (Tiristor Controlado a MOS); 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 10
  11. 11. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Chaves Estáticas Valores Nominais Tensão Corrente Frequência Potência Componente (V) (A) (Hz) (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 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 11
  12. 12. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Características CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA das principais chaves Potência (VA) Potência (VA) P P Tensão (V) Frequência (Hz) 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 12
  13. 13. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Chaves Estáticas Aplicações p cações CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 13
  14. 14. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estát cos Co e so es estáticos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 14
  15. 15. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estát cos Co e so es estáticos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Classificação quanto ao fluxo de energia: • Unidirecional em tensão e corrente (1 quad) ( q ) • Bidirecional em tensão e unidirecional em corrente (2 quad) • Bidirecional em corrente e unidirecional em tensão (2 quad) • Bidirecional em tensão e corrente (4 quad) 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 15
  16. 16. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos comutados pela linha co utados pe a a CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA • Dispositivos de processamento de energia Capacitor Diodo Indutor (reator) metalizado (CA) ( ) Capacitor C it Tiristor Transformador eletrolítico (CC) 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 16
  17. 17. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos comutados pela linha co utados pe a a CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA • Dispositivos de proteção e dissipação Dissipador de calor Ventilador Resistor Resistor NTC Varistor Fusível para Snubber semicondutor 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 17
  18. 18. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos comutados pela linha co utados pe a a CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA • Dispositivos de instrumentação Sensor de corrente Sensor de shunt tensão t f t ã trafo Sensor de Sensor de Sensor de corrente hall temperatura tensão hall 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 18
  19. 19. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos comutados pela linha co utados pe a a CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA • Dispositivos de comando e controle Transformador de pulso Placa de aquisição e controle Driver isolado Fonte CC 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 19
  20. 20. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos Aplicações p cações CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Corrente de Cond C e A) dução (A Tensão de Bloqueio (V) 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 20
  21. 21. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos Aplicações p cações CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA 1. Conversores comutados pela linha – Alta potência – Ambiente Industrial – Alta Confiabilidade – Freqüência de comutação baixa e – Elementos reativos grandes 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 21
  22. 22. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Retificadores não-controlados – carga RL não- • Principais tipos: – Monofásico de meia onda – Monofásico de onda completa com ponto médio – Retificador monofásico de onda completa em ponte – Retificador trifásico com ponto médio t édi Emprega-se – Retificador trifásico de onda apenas diodos completa 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 22
  23. 23. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Retificadores não-controlados – carga RL não- • Aplicações Alternador Mineração - Bauxita 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 23
  24. 24. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Retificadores não-controlados – carga RC não- • Principais tipos: – Monofásico de onda completa – Monofásico como dobrador de tensão – Trifásico Emprega-se apenas diodos 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 24
  25. 25. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Retificadores não-controlados – carga RC não- • Aplicações Estágio de entrada de fontes Fontes p/ equipamentos para computador eletrônicos 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 25
  26. 26. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores diretos CC lineares • Principais tipos: – Regulador de tensão a diodo g zener – Regulador de tensão a transistor – Regulador de tensão a CI Circuitos Fontes p/ equipamentos Sem Comutação eletrônicos 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 26
  27. 27. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Retificadores controlados – carga RL • Principais tipos: – Monofásico de meia onda – Monofásico de onda completa – Retificador trifásico com ponto médio – Retificador trifásico de onda completa l t Empregam diodos e tiristores 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 27
  28. 28. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Retificadores controlados – carga RL • Aplicações Solda e corte Fornos a arco CC 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 28
  29. 29. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Retificadores controlados – carga RL • Aplicações Galvanização eletrolítica Eletrolisação 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 29
  30. 30. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Retificadores controlados – carga RL • Aplicações HVDC (Transmissão de energia ( g em corrente contínua) 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 30
  31. 31. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Retificadores controlados – carga RLE • Aplicações Motor CC → giro unidirecional Excitatriz estática (geração do (g ç campo) para motor CC e gerador síncrono 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 31
  32. 32. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores Duais • Principais tipos: – Monofásico com ponto médio – Monofásico em ponte – Trifásico com 3 pulsos – T ifá i com 6 pulsos Trifásico l Empregam apenas tiristores 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 32
  33. 33. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Retificadores controlados – carga RL • Aplicações Motor CC → giro bidirecional Indústria de laminação, papel, cimento, mineração 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 33
  34. 34. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Gradadores • Principais tipos: – Gradadores monofásicos – Gradadores trifásicos – Controle por ciclos inteiros Empregam apenas tiristores 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 34
  35. 35. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Gradadores – carga R • Aplicações Controle de temperatura p Fornos industriais F i d ti i Ducha eletrônica 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 35
  36. 36. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Gradadores – cargas genéricas • Aplicações Estabilizadores eletrônicos de tensão Chaves de transferência estática 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 36
  37. 37. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Gradadores – carga L • Aplicações Compensadores estáticos de potência reativa (FACTS – transmissão de energia) 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 37
  38. 38. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Gradadores – carga RLE • Aplicações Sistema de partida suave para motores (soft-starters) 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 38
  39. 39. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Cicloconversores • Principais tipos: – Trifásicos 3 pulsos com p ponto médio – Trifásico 6 pulsos em ponte pulsos, ponte, para cargas isoladas – Trifásicos 6 pulsos em pulsos, ponte, para cargas não isoladas Empregam apenas tiristores 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 39
  40. 40. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Cicloconversores • Aplicações Controle de motores CA de propulsão de alta potência (trens, navios, guindastes) 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 40
  41. 41. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Inversores • Principais tipos: – Monofásicos – Trifásicos 3 braços – Trifásicos 4 braços Empregam diodos e tiristores 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 41
  42. 42. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Inversores • Aplicações Forno de indução 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 42
  43. 43. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos 2. Conversores completamente controláveis – Aplicações → potências p q p ç p pequenas a médias – São muito empregados em sistemas comerciais e resitências – Possuem elevada densidade de potência –EEmpregam freqüências d comutação elevadas f üê i de t ã l d e elementos reativos pequenos 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 43
  44. 44. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA comutados em alta freqüência • Principais tipos: – CC-CC (pulsador) (p ) – CA-CC (retificador) – CC CA (inversor) CC-CA – CA-CA (gradador/ cicloconversor) i l ) 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 44
  45. 45. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversor CC-CC – alta freqüência CC- • Aplicações Fontes de computadores Fontes CC-CC para (VRM) equipamentos eletrônicos 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 45
  46. 46. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Retificadores – alta-freqüência alta- • Aplicações Retificadores para aplicações Carregadores compactos para em telecomunicações equipamentos eletrônicos 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 46
  47. 47. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Inversores – alta-freqüência alta- • Aplicações Amplificadores de som Estágio de saída de inversores de freqüência 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 47
  48. 48. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores CA-CA– alta-freqüência CA-CA– alta- • Aplicações Acionamento de motores 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 48
  49. 49. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos indiretos (em cascata) • Podem utilizar conversor dde baixa freqüência (BF) em conjunto com outro de alta freqüência (AF) 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 49
  50. 50. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos indiretos (em cascata) • Aplicações Fonte para telecom No-breaks Inversor de freq. Retificador (AF) Retificador (BF/AF) Retificador (BF) CC CC (AF) CC-CC ( ) Inversor (AF) Inversor (AF) I 11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 50

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