ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 01 - Introdução à Eletrônica de Potência

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1 EPO I Aula 01 ELETRÔNICA DE POTÊNCIA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 01 - Introdução à Eletrônica de Potência, Dr. Eng. leandromichels@gmail.com 1

2 EPO I Aula 01 Informações gerais Eletrônica de potência Eletrônica de potência é a tecnologia associada ao eficiente processamento e controle da energia por meios estáticos a partir da sua forma disponível de entrada e forma desejada em sua saída Sua faixa de potência vai de mw (telefone celular) a centenas de MW (sistemas de energia) Área multidisciplinar 2

3 EPO I Aula 01 Informações gerais Eletrônica de potência Áreas de conhecimento associadas: Conversão de energia Circuitos elétricos Eletrônica Controle Instrumentação Sistemas de energia Máquinas elétricas Compatibilidade eletromagnética 3

4 EPO I Aula 01 Informações gerais Eletrônica de potência Métodos de processamento da energia: Linear conversão através s de transistores operando como resistores variáveis veis elevadas perdas eletrônica analógica convencional (ex.: amplificador de som de rádio) r Comutada conversão através s de dispositivos eletrônicos operando como interruptores operação em etapas (ex.: sistema de partida suave de motores softstarters) 4

5 EPO I Aula 01 Informações gerais Conversores estáticos Classificação quanto à forma de conversão: CC-CC (pulsador( pulsador) E 1 Retificador v 1,f 1 CA-CC CC (retificador) Conversor indireto CA CC-CA CA (inversor) CA-CA (gradador( gradador/ cicloconversor) Conversor direto CC Conversor indireto CC Conversor direto CA E 2 Inversor v 2,f 2 5

6 EPO I Aula 01 Informações gerais Conversores estáticos Classificação quanto ao fluxo de energia: 1. Unidirecional em tensão e corrente (1 quad) 2. Bidirecional em tensão e unidirecional em corrente (2 quad) 3. Bidirecional em corrente e unidirecional em tensão (2 quad) 4. Bidirecional em tensão e corrente (4 quad) i k 2 o quad. 1 o quad. 3 o quad. v 4 k o quad. 6

7 EPO I Aula 01 Informações gerais Conversores estáticos Classificação quanto ao modo de operação: Conversores comutados pela linha (EPO1) Necessitam de uma tensão CA externa para operarem adequadamente Empregam interruptores não-controlados (diodos) e semi-controlados (tiristores) Conversores completamente controláveis (EPO2) Não necessitam de tensão CA externa Empregam interruptores não-controlados (diodos) e completamente controlados (transistores) 7

8 EPO I Aula 01 Informações gerais Aplicações: conversores estáticos 8

9 EPO I Aula 01 Informações gerais Conversores comutados pela linha Dispositivos de processamento de energia Diodo Indutor (reator) Capacitor metalizado (CA) Tiristor Transformador Capacitor eletrolítico (CC) 9

10 EPO I Aula 01 Informações gerais Conversores comutados pela linha Dispositivos de proteção e dissipação Ventilador Resistor Dissipador de calor Resistor NTC Varistor Fusível para semicondutor Snubber 10

11 EPO I Aula 01 Informações gerais Conversores comutados pela linha Dispositivos de instrumentação Sensor de corrente shunt Sensor de tensão trafo Sensor de corrente hall Sensor de temperatura Sensor de tensão hall 11

12 EPO I Aula 01 Informações gerais Conversores comutados pela linha Dispositivos de comando e controle Transformador de pulso Driver isolado Placa de aquisição e controle Fonte CC 12

13 EPO I Aula 01 Informações gerais Aplicações dos conversores estáticos 1. Conversores comutados pela linha Aplicações altas potências São muito empregados em aplicações industriais São muito confiáveis Empregam freqüências de comutação baixas e elementos reativos grandes 13

14 EPO I Aula 01 Informações gerais Retificadores não-controlados carga RL 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 Retificador trifásico de onda completa Empregam apenas diodos E 1 v 1,f 1 Retificador 14

15 EPO I Aula 01 Informações gerais Retificadores não-controlados carga RL Aplicações Alternador Mineração - bauxita 15

16 EPO I Aula 01 Informações gerais Retificadores não-controlados carga RC Principais tipos: Monofásico em onda completa Monofásico como dobrador de tensão Trifásico E 1 v 1,f 1 Retificador Empregam apenas diodos 16

17 EPO I Aula 01 Informações gerais Retificadores não-controlados carga RC Aplicações Estágio de entrada de fontes para computador Fontes p/ equipamentos eletrônicos 17

18 EPO I Aula 01 Informações gerais Conversores diretos CC lineares Principais tipos: Regulador de tensão a diodo zener Regulador de tensão a transistor Regulador de tensão a CI E 1 v 1,f 1 Retificador Circuito sem comutação 18

19 EPO I Aula 01 Informações gerais Conversores diretos CC lineares Aplicações Estágio de saída de fontes p/ equipamentos eletrônicos Estágio de saída de fontes p/ equipamentos eletrônicos 19

20 EPO I Aula 01 Informações gerais Retificadores controlados carga RL Principais tipos: Monofásico de meia onda Monofásico de onda completa Retificador trifásico com ponto médio Retificador trifásico de onda completa E 1 v 1,f 1 Retificador Empregam diodos e tiristores 20

21 EPO I Aula 01 Informações gerais Retificadores controlados carga RL Aplicações Solda e corte Fornos a arco CC 21

22 EPO I Aula 01 Informações gerais Retificadores controlados carga RL Aplicações Galvanização eletrolítica Eletrolisação 22

23 EPO I Aula 01 Informações gerais Retificadores controlados carga RL Aplicações HVDC (Transmissão de energia em corrente contínua) 23

24 EPO I Aula 01 Informações gerais Retificadores controlados carga RLE Aplicações Excitatriz estática (geração do campo) para motor CC e gerador síncrono Motor CC giro unidirecional 24

25 EPO I Aula 01 Informações gerais Conversores duais Principais tipos: Monofásico com ponto médio Monofásico em ponte Trifásico com 3 pulsos Trifásico com 6 pulsos E 1 v 1,f 1 Retificador Empregam apenas tiristores 25

26 EPO I Aula 01 Informações gerais Conversores duais Aplicações Motor CC giro bidirecional Indústria de laminação, papel, cimento, mineração 26

27 EPO I Aula 01 Informações gerais Gradadores Principais tipos: Gradadores monofásicos Gradadores trifásicos Controle por ciclos inteiros v 1,f 1 Conversor direto CA v 2,f 2 Empregam apenas tiristores 27

28 EPO I Aula 01 Informações gerais Gradadores carga R Aplicações Controle de temperatura Ducha eletrônica Fornos industriais 28

29 EPO I Aula 01 Informações gerais Gradadores cargas genéricas Aplicações Estabilizadores eletrônicos de tensão Chaves de transferência estática 29

30 EPO I Aula 01 Informações gerais Gradadores carga L Aplicações Compensadores estáticos de potência reativa (FACTS transmissão de energia) 30

31 EPO I Aula 01 Informações gerais Gradadores carga RLE Aplicações Sistema de partida suave para motores (soft-starters) 31

32 EPO I Aula 01 Informações gerais Cicloconversores Principais tipos: Trifásicos 3 pulsos com ponto médio Trifásico 6 pulsos, em ponte, para cargas isoladas Trifásicos 6 pulsos, em ponte, para cargas não isoladas v 1,f 1 Conversor direto CA v 2,f 2 Empregam apenas tiristores 32

33 EPO I Aula 01 Informações gerais Cicloconversores Aplicações Controle de motores CA de propulsão de alta potência (trens, navios, guindastes) 33

34 EPO I Aula 01 Informações gerais Inversores Principais tipos: Monofásicos Trifásicos 3 braços Trifásicos 4 braços E Inversor 2 v 2,f 2 Empregam tiristores e diodos 34

35 EPO I Aula 01 Informações gerais Inversores Aplicações Forno de indução 35

36 EPO I Aula 01 Informações gerais Aplicações dos conversores estáticos 2. Conversores completamente controláveis Aplicações potências pequenas a médias São muito empregados em sistemas comerciais e resitências Possuem elevada densidade de potência Empregam freqüências de comutação elevadas e elementos reativos pequenos 36

37 EPO I Aula 01 Informações gerais Conversores comutados em alta freqüência Classificação dos conversores estáticos: CC-CC (pulsador( pulsador) CA-CC CC (retificador) CC-CA CA (inversor) CA-CA (gradador( gradador/ cicloconversor) E 1 Conversor direto CC Retificador Conversor indireto CC Conversor indireto CA v 1,f 1 Conversor direto CA E 2 Inversor v 2,f 2 37

38 EPO I Aula 01 Informações gerais Conversor CC-CC alta freqüência Aplicações Fontes de computadores (VRM) Fontes CC-CC para equipamentos eletrônicos 38

39 EPO I Aula 01 Informações gerais Retificadores alta-freqüência Aplicações Retificadores para aplicações em telecomunicações Carregadores compactos para equipamentos eletrônicos 39

40 EPO I Aula 01 Informações gerais Inversores alta-freqüência Aplicações Amplificadores de som Estágio de saída de inversores de freqüência 40

41 EPO I Aula 01 Informações gerais Conversores CA-CA alta-freqüência Aplicações Acionamento de motores 41

42 EPO I Aula 01 Informações gerais Conversores indiretos (em cascata) Podem utilizar conversor de baixa freqüência (BF) em conjunto com outro de alta freqüência (AF) E 1 Conversor direto CC Retificador Conversor indireto CC Conversor indireto CA v 1,f 1 Conversor direto CA E 2 Inversor v 2,f 2 42

43 EPO I Aula 01 Informações gerais Conversor indiretos (em cascata) Aplicações Fonte para telecom Retificador (AF) CC-CC (AF) No-breaks Retificador (BF/AF) Inversor (AF) Inversor de freq. Retificador (BF) Inversor (AF) 43

44 EPO I Aula 01 Informações gerais Case real A Schulz S/A adquiriu dois transformadores de 6,625 MVA de potência e 13,8 kv com um retificador de saída de 12 pulsos (cada) para alimentar um forno de indução de 9MVA. Cada transformador possui 12 pulsos defasados de 30º entre si e deslocados 7,5º em relação ao ângulo de origem (um transformador positivo e outro negativo), o retificador é alimentado pelos 2 transformadores simultaneamente, resultando, assim, um sistema com uma defasagem de 15 entre os pulsos. 44

45 EPO I Aula 01 Informações gerais Case real Perguntas: 1. Porque decidiu-se usar um retificador de 24 pulsos? 2. Porque os transformadores (juntos) tem potência de 13,25MVA se a potência da carga é de 9MVA? 3. Como foram dimensionados os diodos/tiristores para este sistema? Talvez vocês nunca precisarão projetar um dos sistemas estudados em EPO1, mas é bem possível que precisem conhecer estes sistemas em uma decisão de compra ou para manutenção 45

46 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 02 Teoria básica dos conversores estáticos, Dr. Eng. leandromichels@gmail.com 1

47 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Teoria básica dos conversores estáticos Um sistema de conversão estática de energia é constituído dos seguintes elementos: energia energia Fontes Conversor estático Cargas Embora a(s) fonte(s) e a(s) carga(s) não componham os conversores, elas são fundamentais para o funcionamento do sistema de conversão de energia 2

48 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Teoria básica dos conversores estáticos Os conversores estáticos são formados pelos seguintes grupos de elementos: Não-lineares dispositivos semicondutores (diodos, tiristores, etc.) Lineares reativos indutores, capacitores e transformadores Lineares dissipativos resistores (não existente em conversores ideais) 3

49 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Teoria básica dos conversores estáticos Função de cada grupo de elementos: Não-lineares operam como interruptores para fazer a conversão de correntes ou tensões de CA CC CC e CC CA CA Lineares reativos operam como armazenadores intermediário rio da energia; efetuam alterações na magnitude de correntes e tensões, isolação galvânica (transformadores) e filtragem de tensões e/ou correntes (OBS: o mesmo elemento pode ter mais de uma função) Lineares dissipativos operam como consumidores de energia; empregados para o amortecimento de oscilações e proteção de dispositivos 4

50 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Elementos não-lineares (semicondutores) Característica fundamental: Dispositivo de dois terminais (excluindo os terminais de controle) Operação como interruptor i k + v k - Modos de operação (comportamento ideal): Interruptor aberto a corrente que flui pelo dispositivo é nula Interruptor fechado a tensão nos terminais dos dispositivos é nula A comutação entre modos é instantânea v k i k = 0 v k = 0 i k 5

51 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Elementos não-lineares (semicondutores) Característica estática (ideal): Somente sobre os eixos da curva v k x i k (perdas nulas) Condução Tensão nula Bloqueio Corrente nula Equivalente a uma resistência com dois valores distintos Rk i k bloqueia () t conduz conduz bloqueia v k 0, ligado =,desligado Os interruptores empregados em eletrônica de potência, em geral, não operam nos 4 quadrantes. Portanto, precisa-se se conhecer sua característica. 6

52 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Elementos não-lineares (semicondutores) Característica dinâmica (genérica): Comutação espontânea: Deslocamentos sobre os eixos v k x i k no 2º ou 4º quad. Ocorre sem nenhum sinal externo de comando Ex.: abertura e fechamento de diodos, abertura de tiristor Comutação comandada: Mudança do estado de condução (de fechado para aberto ou vice-versa) versa) deslocamentos sobre os eixos v k x i k no 1º ou 3º quad. Ocorre devido a sinal externo de comando Ex.: fechamento do tiristor 7

53 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Elementos não-lineares (semicondutores) Característica dos dispositivos: Diodos: Unidirecional em corrente e unidirecional em tensão (é um curto-circuito circuito para tensões positivas) Entrada em condução espontânea (v( k >0) Saída de condução espontânea (transição de i k >0 i k =0) i k 1 i k + 2 v k - esp. bloqueia conduz v k 8

54 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Elementos não-lineares (semicondutores) Tiristores: Unidirecional em corrente e bidirecional em tensão Entrada em condução comandada (v( k >0 e i g >0) Saída de condução espontânea (transição de i k >0 i k =0) i k 1 i k + esp. conduz com. 2 v k - bloqueia bloqueia esp. v k 9

55 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Elementos não-lineares (semicondutores) Característica de associação de dispositivos: Tiristor com diodo em antiparalelo: Unidirecional em tensão e bidirecional em corrente Entrada em condução comandada (v( k >0 e i g >0) e espontânea (v( k <0) Saída de condução espontânea (transição de i k <0 i k =0) i g i k v k - esp. i k conduz conduz Tiristor com. bloqueia esp. Diodo v k 10

56 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Elementos não-lineares (semicondutores) Tiristores em anti-paralelo: Bidirecional em tensão e corrente Entrada em condução comandada (v k >0 e i g1 >0) ) ou (v k <0 e i g2 >0) Saída de condução espontânea (i k >0 i k =0) ) ou (i k <0 i k =0) i g1 i k 1 2 i g2 + v k - i k Tiristor 1 esp. bloqueia com. conduz conduz Tiristor 1 com. bloqueia esp. v k Tiristor 2 Tiristor 2 11

57 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Elementos lineares reativos Característica fundamental: Dispositivo de dois ou mais terminais Armazenadores de energia campo elétrico (capacitor) ou campo magnético (indutor) Não dissipam energia a quantidade de energia que é absorvida deve ser posteriormente devolvida 12

58 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Elementos lineares reativos Capacitores: Possuem o comportamento de uma fonte de tensão A tensão em seus terminais não pode ser mudada imediatamente resulta em corrente infinita Podem ser operar em circuito aberto Não podem operar em curto-circuito circuito exceção quando v c (t)=0 Apresentam, na prática, resistências (RSE) e indutâncias parasitas () c ic t = C dt dv ( t) t i c 1 1 v t = i t dt+ v t > t () () ( 0, ) 0 c c c C 0 2 v c 13

59 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Elementos lineares reativos Indutores: Possuem o comportamento de uma fonte de corrente A corrente em seus terminais não pode ser mudada imediatamente resulta em tensão infinita Podem ser operar em curto-circuito circuito Não podem operar em curto aberto exceção quando i L (t)=0 Apresentam, na prática, resistências (RSE) e capacitâncias parasitas Podem possuir derivações (mais terminais) () di L vl t = L dt ( t) t 1 i t = v t dt+ i t > t () () ( 0, ) 0 L L L C 0 i L v L

60 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Elementos lineares de conversão Transformadores (ideais): Idealmente se comportam como um dispositivo sem dinâmica comportamento de fontes de corrente e tensão acopladas Não processa energia CC impedância nula i 1 N 1 :N 2 i2 i 1 i 2 v v v i - v 2 2 N 2 v 1 N 2 N 1 N 1 N2 v2() t = v1() t N1 N2 i1() t = i2() t N1 Obs.: Este modelo não funciona para sinais CC 15

61 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Elementos lineares de conversão Transformadores (reais): Possuem dinâmica (indutâncias mútua m e dispersão) comportamento de fonte de corrente A corrente em seus terminais não pode ser mudada imediatamente resulta em tensão infinita Podem ser operar em curto-circuito circuito Não podem operar em curto aberto exceção quando i L (t)=0 resulta em sobretensões nos outros enrolamentos Apresentam, na prática, resistências (RSE) e capacitâncias parasitas 16

62 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Elementos lineares de conversão Transformadores x Auto-transformadores: transformadores: Transformadores possuem isolação galvânica cada enrolamento pode estar em qualquer potencial (desde que respeitada a tensão de isolação entre os enrolamentos) Auto-transformadores transformadores não possuem isolação galvânica Auto-transformador transformador Transformador 17

63 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Elementos lineares de conversão Transformadores (reais): Modelo equivalente (desprezando-se se as resistências) ( ) () ( ) () v1 t L i 11 L12 d 1 t = v t L L dt i t n 2 L12 = L21 = LM n1 n L = L + L 1 11 l1 12 n2 n L = L + L 2 22 l 2 12 n1 18

64 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Elementos lineares dissipativos Característica fundamental: Dissipam a energia Geram calor Diminuem a eficiência da conversão Resistores: Não possuem dinâmica 1 i R v ( t) = Ri ( t) 2 v R R R 19

65 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Fontes Característica fundamental: Dispositivo de dois ou mais terminais Fundamentalmente são fornecedores de energia (podem absorver em parte do tempo) Podem ser unidirecionais ou bidirecionais Modos de operação (comportamento ideal): Fonte de tensão a tensão é imposta pela fonte e a corrente depende da carga Fonte de corrente a corrente é imposta pela fonte e a tensão depende da carga i f v f - 20

66 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Cargas Característica fundamental: Dispositivo de dois ou mais terminais Fundamentalmente são absorvedores de energia (mas também podem devolver energia) Podem ser unidirecionais ou bidirecionais Principais comportamentos das cargas: Resistivo Resistivo-indutivo indutivo Resistivo-indutivo indutivo-fonte Fonte i L + v L - 21

67 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Fundamentos da conversão estática Princípios fundamentais: 1) Interconexão entre a(s) fonte(s) e a(s) carga(s) intermediada por interruptor(es) Fontes energia Conversor estático energia Cargas Ex.: retificador S 1 E ~ S 2 R Fonte Conversor estático Carga 22

68 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Princípios fundamentais dos conversores 2) A comutação do(s) interruptor(es) ocorre de forma cíclica controle do fluxo de potência e direcionalidade da tensão e/ou corrente Ex.: retificador corrente de saída unidirecional Quando v F (t)>0 Quando v F (t)<0 v F i L v F i L i F t S 1 t i L i F t S 1 tt i L E ~ v F S 2 R v L E ~ v F S 2 R v L Fonte Conversor estático Carga Fonte Conversor estático Carga Com v F (t) é cíclica (senóide( senóide), os interruptores devem comutar de cíclica para tornar v L (t)>0 23

69 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Princípios fundamentais dos conversores 3) Utilização de elementos reativos filtragem Ex.: retificador corrente de saída unidirecional v F i L c/ filtro s/ filtro t t i F S 1 ~ v F S 2 L i L R v L Fonte Conversor estático Carga A inclusão do indutor diminui a ondulação na corrente de saída 24

70 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Princípios fundamentais dos conversores 3) Utilização de elementos de conversão alteração da amplitude da tensão e/ou corrente Ex.: retificador tensão de saída unidirecional v F v L i F 1:2 t S 1 t ~ v F S 2 i L R v L Fonte Conversor estático Carga O autotransformador altera o valor da tensão CA 25

71 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Princípios fundamentais dos conversores 3) Utilização de elementos de conversão isolação galvânica Ex.: retificador tensão de saída unidirecional v F v L t t i F 1:1 S 1 i L ~ E v F R v L S 2 Fonte Conversor estático Carga O transformador é empregado para se obter a isolação galvânica 26

72 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Princípios fundamentais dos conversores 4) Associação de fontes Fonte de tensão em série com indutor comportamento de fonte de corrente = Fonte de corrente em paralelo com capacitor comportamento de fonte de tensão = 27

73 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Princípios fundamentais dos conversores 5) Conexão de fontes por interruptores Fonte de tensão não podem ser curto-circuitadas circuitadas (exceção v c =0 ou E=0) v c S E S Fonte de corrente não podem ser abertas (exceção i L =0 ou i F =0) i L S i F S 28

74 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Princípios fundamentais dos conversores 5) Conexão de fontes por interruptores Fonte de tensão só podem ser conectadas em paralelo quando v c1 =v c2 ou v c1 =E S S v c1 v c2 v c1 v c2 v c1 E Fonte de corrente só podem ser conectadas em série quando i L1 =i L2 ou i F =i L2 E v c1 i L1 i L2 i F S S i L2 i L1 i L2 i F i L2 29

75 EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores Princípios fundamentais dos conversores 6) Princípio básico da concepção de conversores Interconexão em cascata de fontes de natureza diferente Utilização de interruptores para conversão das formas de onda... Fonte de tensão Fonte de corrente Fonte de tensão Fonte de corrente 30

76 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 03 Índice de avaliação de desempenho de conversores, Dr. Eng. leandromichels@gmail.com 1

77 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Medidas e índices de desempenho Por que usar? Os conversor não são ideais, possuem perdas, geram distorções Avaliar comparativamente o desempenho dos conversores Dimensionar os dispositivos do circuito 2

78 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Exemplo: Conversor ideal Retificador monofásico: v F v L i F t t E v F i F i L Z v L Fonte Conversor estático Carga Corrente drenada senoidal Fator de potência unitário Perdas nulas Valor ilimitado para tensões e correntes Ondulação nula na variável de saída (tensão ou corrente) 3

79 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Exemplo: Conversor real Retificador monofásico: v F v L i F t t E v F i F i L Z v L Fonte Corrente de entrada distorcida (forma de onda não senoidal) Fator de potência não-unitário Conversor estático Perdas Limitação de tensões e correntes nos compoentes Carga Ondulação não- nula na variável de saída (tensão ou corrente) 4

80 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho Como avaliar ou especificar o desempenho de um conversor estático real? Através da utilização de índices é possível se qualificar quantitativamente o desempenho do conversor com relação à corrente drenada, a variável de saída e perdas. Principais grupos de índices de desempenho: Medidas Índices CA Índices CC Conversão 5

81 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Medidas elétricas 1) Valor médio (nível cc) Dada uma função periódica f(t)= )=f(t+t),), onde T é o período em que a função se repete, (constante), tem- se que seu valor médio é dado por: f med 0 1 t + T = T t 0 () f t dt Para formas de onda senoidais f = 0 Variáveis com componente CC f 0 med med 6

82 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Medidas elétricas 2) Valor eficaz (rms) Dada uma função periódica f(t)= )=f(t+t),), onde T é o período em que a função se repete, (constante), tem- se que seu valor eficaz é dado por: 0 1 t + T t 0 () fef = f t dt T Para formas de onda não-nulas nulas f 0 2 ef 7

83 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Medidas elétricas 3) Potência A) Tensão e corrente senoidais Potência aparente Potência ativa Potência reativa S = V ef I ef P= Vef Ief cos( φ) Q= V I φ ef ef sen ( ) B) Tensão e/ou corrente não-senoidal (periódicas) Potência aparente Potência ativa Potência reativa S = V ef I ef t + T 2π ()() ( ) ( ) P= v t i t dt = v ωt i ωt dωt T 2π t 2 2 Q= S P 0 8

84 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho CA 1) Distorção harmônica total (THD) É a razão entre o valor rms do conteúdo harmônico pelo rms da quantidade fundamental, expressada em percentual, ou seja, se refere ao fator de distorção percentual de uma tensão ou corrente com relação a uma senóide.. Seja uma função periódica f(t)=f(t+t), esta pode ser escrita por uma série de Fourier: ou: kπx kπx vx ( ) = a0 + ak cos + bk sen k = 1 L L kπx vx ( ) = a0 + ck sin +φk k = 1 L 9

85 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho CA onde: a 0 1 = 2L c+ 2L c+ 2L c f( x) dx 1 kπ x ak = f( x)cos dx, L c L k = 1,2,... c+ 2L 1 kπ x bk = f( x)sin dx, L L k = 1,2,... c A THD é dada por: THD v C ef 1 ck 2 1 k = 2 C1 = = c V c = a + b 2 2 k k k a k φ k = arctan bk Empregado para se verificar o percentual de distorção devido a presença de harmônicas k =1, 2,... C = k c k 2 10

86 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho CA Obtenção de harmônicas tabelas V p L () = + cos( ω ) v t a a n t 0 n= q,2 q, n 2π π π 2π a n q π a0 = Vp sen π q 2qVp nπ π = cos sen ( 2 n 1) π q q q = no. de pulsos presentes na tensão de saída em um ciclo 11

87 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho CA Obtenção de harmônicas tabelas Valores normalizados Formulação genérica Mais tabelas vide material extra π π 2 1 2α π -1 2 π 1 b () = sen ( ω ) i t b n t n n= 1 n π = α nπ 2 4 n sen sen ( n ) 2α 12

88 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho CA 2) Fator de potência O fator de potência entre duas função periódicas de mesmo período v(t)= )=v(t+t)) e i(t)= )=i(t+t)) é definido como a razão entre a potência ativa, dada em W, e a potência aparente, dada em VA, ou seja: PF P = = S 0 1 t + T T t 0 ()() v t i t dt V I ef ef PF DF 1 1+ THD P = potência real (média) S = potência aparente k = no. de fases É um índice que relaciona a potência real e a potência aparente = 2 13

89 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho CA 3) Fator de deslocamento O fator de deslocamento de duas funções periódicas de mesmo período v(t) ) e i(t), é definido como o ângulo de deslocamento de fase entre a componente fundamental da tensão v(t) ) e a componente fundamental de corrente i(t). O fator de deslocamento é dado por: DF = cos ( θ φ ) 1 1 θ 1 = ângulo de v(t) com relação à uma dada referência φ 1 = ângulo de i(t) com relação à mesma referência É igual ao fator de potência para cargas lineares 14

90 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho CA 4) Fator de crista É definido como a razão de corrente (ou tensão) máxima ou de pico pela corrente (ou tensão) eficaz: I CF = pico I Para uma forma de onda senoidal CF = 2 Para uma forma de onda CC CF = 1 O fator de crista é usado para determinar a amplitude do pico de correntes não-senoidais com relação a uma senóide ef 15

91 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho CA 5) Fator de correção de capacidade (CCF) Uma vez comparado com o fator de crista da forma de onda senoidal, obtém-se o fator de correção da capacidade (CCF( CCF), que é representado por: CCF 2 % = 100% CF ( ) kva = kva CCF Potência corrigida cor nom Ex.: Qual a potência máxima m nominal que um trafo de 10kVA pode disponibilizar para um retificador com CF=1,53? (%) 92,16% CCF = kva = 9.216kVA cor 16

92 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho CA Aplicação a sistemas trifásicos Sistemas equilibrados conhecendo-se uma das fases, sabe-se se os outros índices (THD, DF, CF) Contudo, a fórmula f abaixo se aplica a sistemas trifásicos: 0 1 t + T vk () t ik () t dt P k T t0 PF = = S VkefIkef k = fases Ex.: Sistemas trifásicos P P1+ P2 + P3 PF = = S V I + V I + V I + k 1ef 1ef 2ef 2ef 3ef 3ef 17

93 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho CC 1) Componente CA É o valor da componente CA presente na variável vel CC: 2 2 V = V V ca ef med 2) Fator de forma Indica a distorção da forma de onda com relação ao ideal (corrente contínua). nua). Vef FF = V med 3) Fator de ondulação É a medida do índice de regulação de uma dada função contínua: nua: 2 2 Vef RF = FF 1= 1 Vmed 18

94 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho Conversor 1) Rendimento É uma figura de mérito que permite se avaliar a eficácia de um retificador. Depende dos componentes e da topologia empregada. t0 + T 1 vl() t il() t dt P T o t0 η= = t0 + T Pi 1 vf () t if () t dt T t 0 Razão entre a potência ativa de saída e de entrada. Conversor sem perdas η=1 19

95 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho Conversor 2) Estresse nos componentes semicondutores Está associado ao valor máximo das tensões e correntes que são aplicados em cada um dos semicondutores do conversor. Para diodos e tiristores: Tensão reversa máxima Corrente de pico Corrente eficaz Derivadas de corrente e tensão Perdas Quanto menor forem os valores supracitados, menor e mais barato será o semicondutor. 20

96 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho Retificação 1) Razão de retificação Define a efetividade da retificação, através da razão entre a potência média e o produto entre a tensão e correntes eficazes de saída. VLmed ILmed σ= V I Lef Lef É empregado para se determinar o quão eficiente se dá a retificação 21

97 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho Retificação 2) Fator de utilização do transformador É a razão entre a potência média de saída e a potência aparente no secundário do transformador. VLmed ILmed TUF = V I k k = no. de enrolamentos secundário V kef, I kef = tensão/corrente eficaz em cada enrolamento Indica o quanto do transformador é utilizado com relação ao índice de utilização ideal (TUF=1). kef kef 22

98 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Exemplo: Índices CA Retificador monofásico genérico: E i F v F i 2 v 2 Z i L v L THD da corrente de entrada 1 2 THDi( %) = ck 100% c 1 k = 2 DF da corrente de entrada DF = cos ( θ φ) 1 1 PF da corrente de entrada PF P = = DF S 1 1+ THD Fator de crista da corrente no trafo IFpico CF = I Fef 2 23

99 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Exemplo: Índices CC Retificador monofásico genérico: i F i 2 i L E v F v 2 Z v L Variável de saída tensão Componente CA na saída RF V = V V 2 2 ca ef med Ondulação na saída Vef = 1 Vmed 2 Variável de saída corrente Componente CA na saída I = I I 2 2 ca ef med Ondulação na saída RF Ief = 1 Imed 2 24

100 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Exemplo: Índices de conversão e retificação Retificador monofásico genérico: i F i 2 i L E v F v 2 Z v L V, I, V, I,... Conversão Rendimento P η= o i P Estresse nos componentes D max D max Drev Def Retificação Razão de retificação V σ= V Lmed Lef I I Lmed Lef Fator de utilização TUF V I Lmed Lmed = VkefIkef k 25

101 EPO I Aula 03 Índices de avaliação de desempenho Exemplo: Índices de conversão Retificador monofásico ideal: i F i 2 i L E v F v 2 Z v L Variáveis de entrada (corrente) THD i = 0% DF =1 PF = 1 CF = 2 Retificador σ = 1 TUF = 1 η = 1 Variáveis de saída (tensão/ tensão/corrente) V ca = 0 RF = 0 26

102 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento, Dr. Eng. leandromichels@gmail.com 1

103 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Diodo ideal Característica estática Circuito equivalente i k A C esp. bloqueia conduz 2 1 A C 1 v k 2 A C 1 2 Polarização reversa circuito aberto Polarização direta curto-circuito circuito 2

104 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Diodo real Característica estática Circuito equivalente A C 2 1 A C 1 2 A v (TO) 3 A C 3 v r RRM RRM r T C 1 2 Polarização reversa bloqueio Polarização direta curto-circuito circuito 3 Região de avalanche curto-circuito circuito 3

105 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Diodo real Característica dinâmica Não controlada chave passiva Recuperação direta entrada em condução Recuperação reversa saída de condução Geram problemas em circuitos de comutação forçada Provocam substanciais perdas e sobrecorrentes 4

106 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Diodo real Perdas P = P + P P sw perdas de comutação (W) P c perdas de condução (W) P perdas totais (W) Perdas de condução sw c P = v i + r i 2 c ( TO) avg T rms i avg corrente médiam i rms corrente eficaz r T resistência do diodo catálogo v (TO) tensão de condução - catálogo Em conversores comutados pela linha, as perdas de comutação podem ser desconsideradas 5

107 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Tiristor ideal Característica estática esp. i k conduz 3 com. 1 bloqueia bloqueia 2 esp. v k Circuito equivalente 1 2 A C G A C A C 3 A C 1 2 Polarização reversa circuito aberto Polarização direta circuito aberto (sem disparo) 3 Polarização direta circuito fechado (disparo) 6

108 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Tiristor real Característica estática Circuito equivalente A C Polarização reversa bloqueio Polarização direta bloqueio 3 Polarização direta curto-circuito circuito (disparo) 4 Polarização direta curto-circuito circuito 1 2 A A C C 3 4 G A A v (TO) r T v RM r RRM C C 7

109 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Tiristor real Característica estática (detalhes) 8

110 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Tiristor real Legenda: 9

111 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Tiristor real Característica dinâmica Semi-controlada abertura não controlada 10

112 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Tiristor real Característica dinâmica 11

113 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Tiristor real Perdas P = P + P P sw perdas de comutação (W) P c perdas de condução (W) P perdas totais (W) Perdas de condução sw c P = v i + r i 2 c ( TO) avg T rms i avg corrente médiam i rms corrente eficaz r T resistência do diodo catálogo v (TO) tensão de condução - catálogo Em conversores comutados pela linha, as perdas de comutação podem ser desconsideradas 12

114 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Dimensionamento dos dispositivos Tensão máxima reversa em diodos e tiristores Valores recomendados (mesmo assim devem ser empregados snubbers) 13

115 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Dimensionamento dos dispositivos Corrente máxima reversa em diodos e tiristores Corrente CC I CCmax = 0.8*I FAV Corrente CA I FAV Mean forward [on-state] current [I TAV ] I CAmax = 0.8*I FRMS I FRMD RMS forward [on-state] current [I TRMS ] 14

116 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico Perdas nos semicondutores: Condução associada à potência processada pelo conversor Comutação associada à freqüência de comutação do conversor significativa para conversores de alta freqüência (khz) Propósito do cálculo térmico: Calcular um sistema de dissipação que evite que a temperatura de junção ultrapasse o máximo valor permitido na pior condição de temperatura ambiente na pior condição de operação 15

117 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico Verificar as duas condições: Regime permanente: Potência média evitar que a temperatura da junção ultrapasse o valor máximo pela falta de tamanho do dissipador Regime transitório: Potência de pico evitar que a temperatura da junção ultrapasse o valor máximo pela dificuldade de transferir rapidamente o calor da junção para o dissipador 16

118 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico regime permanente Circuito elétrico equivalente: Legenda: P potência Rja T temperatura R resistência térmicat Índices: j junção semicondutora c encapsulamento (case) d ou s dispositivo (device( device) ) ou dissipador (sink( sink) a ambiente Dispositivos sem dissipador disponibilizam o valor de R ja ja 17

119 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico regime permanente Projeto: 1) Dados T j, T a e P, calcular R ja P calculado a partir da corrente que circula pelo dispositivo, empregando os dados de catálogo T j obtido a partir do valor máximo m obtido no catálogo do semicondutor T a obtido considerando-se se a máxima m temperatura ambiente de operação do conversor R ja = T j T P a 18

120 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico regime permanente 2) Dados R ja, R jc e R cd, calcular R da R ja obtido da etapa anterior R jc obtido no catálogo do semicondutor R cd obtido no catálogo do semicondutor Rda = Rja Rjc Rcd 3) Dado R da, obter um dissipador cuja resistência térmica seja menor (em dissipadores de comprimento ajustável, calcular o comprimento mínimo) 19

121 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico regime permanente Dimensionamento do dissipador: Resistências térmicas negativas indicam que é impossível dissipar a potência demandada Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor no dissipador, deve-se somar todas as potências dissipadas pelos mesmo e deixar uma margem de folga (15%) No caso de pontes encapsuladas em módulo, o cálculo é dado pela seguinte equação (vide Semikron): R ja = Rjc + Rcs + nrsa n número de dispositivos 20

122 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico regime permanente Dissipadores de alumínio (ex. HS Dissipadores) Escolha do perfil e valores da resistência (comprimento de 4 polegadas) Compensação por uso de ventilação forçada Ex.: 0.73 o C/W 21

123 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico regime permanente Dissipadores de alumínio: Compensação da diferença de temperatura 22

124 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico regime permanente Dissipadores de alumínio: Compensação da diferença de comprimento 23

125 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico regime permanente Dissipadores de alumínio: Compensação da altitude (ar rarefeito) 24

126 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico regime permanente Dimensionamento do dissipador: Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor no dissipador, deve-se somar todas as potências dissipadas pelos mesmo e deixar uma margem de folga (15%) No caso de pontes encapsuladas em módulo, o cálculo é dado pela seguinte equação (vide Semikron): Os dispositivos não devem ser instalados próximos à borda do dissipador, nem muito próximos entre si. Óxido de alumínio preto reduz em 25% a resistência térmica 25

127 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico considerações finais Regras práticas: Impedir que a temperatura da junção ultrapasse o valor de 80% o valor máximo permissível (aumenta o MTDF do dispositivo) T a deve ser considerado o valor de 40º para instalação em ambiente ventilado ou um valor maior para conversor instalado em ambiente enclausurado Caso seja preciso isolar o dispositivo do dissipador, usar isolante (mica, teflon, mylar). Considerar sua resistência térmica Recomenda-se usar pasta térmica para evitar bolhas de ar entre o dispositivo e o dissipador 26

128 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Exemplos de dados de catálogo - diodo 27

129 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Exemplos de dados de catálogo - tiristor 28

130 EPO I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento Exemplos de dados de catálogo - tiristor 29