Conversores CC-CA e CA-CA

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1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina Departamento Acadêmico de Eletrônica Pós-Graduação em Desen. de Produtos Eletrônicos Conversores Estáticos e Fontes Chaveadas Conversores CC-CA e CA-CA Florianópolis, abril de Prof. Clóvis Antônio Petry. Prof. Joabel Moia.

2 Bibliografia para esta aula

3 Conteúdo desta aula Conversores CC-CA: 1. Introdução; 2. Principais características; 3. Inversor monofásico meia ponte; 4. Inversor monofásico ponte completa; 5. Outras topologias de inversores de tensão; 6. Semicondutores. Conversores CA-CA: 1. Introdução; 2. Principais características; 3. Conversores CA-CA PWM; Microrredes e Redes Inteligentes de Energia Elétrica

4 Conversores CC-CA Conversores CC-CA (inversores)

5 Conversores CC-CA E ( ) 1 Retificador v,f 1 1 Conversor CC-CC Conversor indireto de tensão Conversor indireto de freqüência E ( v,f ) 2 Inversor 2 2

6 Conversores CC-CA Princípio geral: Controla o fluxo de potência entre uma fonte de tensão contínua e outra alternada. V f v out t 0 t + V f + + v out

7 Conversores CC-CA Conversores CC-CA: Denominados de inversores: convertem tensão contínua em tensões alternadas; Podem ser monofásicos, trifásicos ou n-fásicos; Unidirecionais ou bidirecionais; Comandados em alta freqüência Modulação simples ou complexa; Dois níveis ou multiníveis; Podem ser isolados ou não-isolados; Podem operar em condução contínua ou descontínua; Controlados no modo tensão ou corrente; Comutação normal ou suave; Inversores de tensão ou corrente; Aplicações dos conversores CC-CA.

8 Conversores CC-CA Número de Fases Monofásico Trifásico

9 Conversores CC-CA - Bidirecionalidade Unidirecional? Bidirecional

10 Conversores CC-CA - Comando PWM alta freqüência

11 Conversores CC-CA - Modulação PWM Senoidal Vetorial

12 Conversores CC-CA - Isolamento Não-isolado Isolado

13 Conversores CC-CA Número de Níveis Dois níveis Três níveis

14 Conversores CC-CA Número de Níveis Multiníveis

15 Conversores CC-CA Controle de V ou I

16 Conversores CC-CA - Comutação Hard x soft

17 Conversores CC-CA Tensão ou Corrente Tensão - VSI Corrente - CSI

18 Conversores CC-CA - Aplicações Algumas aplicações: Acionamento de motores de corrente contínua; Acionamento de motores de corrente alternada; Energias alternativas; Isolamento em alta freqüência; Filtros ativos; Estabilizadores de tensão; UPS; Aplicações espaciais, aeronáuticas e veiculares Entre outras.

19 Inversor Monofásico Meia Ponte

20 Inversor Monofásico Meia Ponte

21 Inversor Monofásico Ponte Completa Estrutura do conversor: Dissertação de Fernando H. Gerente

22 Inversor Monofásico Ponte Completa Modulação empregada: Bipolar ou dois níveis

23 Inversor Monofásico Ponte Completa Modulação empregada: Moduladora Portadora Bipolar ou dois níveis

24 Inversor Monofásico Ponte Completa Modulação empregada: Unipolar ou três níveis

25 Inversor Monofásico Ponte Completa Etapas de operação (modulação SPWM bipolar):

26 Inversor Monofásico Ponte Completa Etapas de operação (modulação SPWM bipolar): Primeira etapa de operação

27 Inversor Monofásico Ponte Completa Etapas de operação (modulação SPWM bipolar): Segunda etapa de operação

28 Inversor Monofásico Ponte Completa Principais formas de onda (modulação SPWM bipolar):

29 Inversor Monofásico Ponte Completa Etapas de operação (modulação SPWM unipolar):

30 Inversor Monofásico Ponte Completa Etapas de operação (modulação SPWM unipolar): Primeira etapa de operação

31 Inversor Monofásico Ponte Completa Etapas de operação (modulação SPWM unipolar): Segunda etapa de operação

32 Inversor Monofásico Ponte Completa Etapas de operação (modulação SPWM unipolar): Terceira etapa de operação

33 Inversor Monofásico Ponte Completa Etapas de operação (modulação SPWM unipolar): Quarta etapa de operação

34 Inversor Monofásico Ponte Completa Principais formas de onda (modulação SPWM unipolar):

35 Inversor Monofásico Ponte Completa Tensão de saída (modulação SPWM bipolar): DT s Ts 1 Vab = V f dt + V f dt T s 0 DT s ab f ( 2 1) V = V D 1 1 V d t sen t 2 2 V ab _ pk ( ) = + ( ω ) f Índice de modulação: MI = V ab _ pk V f

36 Inversor Monofásico Ponte Completa Determinando o indutor (modulação SPWM bipolar): L Vf = 2 Δ IL F omax s

37 Inversor Monofásico Ponte Completa Tensão de saída (modulação SPWM unipolar): Índice de modulação: MI = V ab _ pk V f D T s 2 1 Vab = Vf dt T s 0 2 V = V D ab V d t sen t V ( ) ab _ pk = ( ω ) f f

38 Inversor Monofásico Ponte Completa Determinando o indutor (modulação SPWM unipolar): L Vf = 4 Δ IL F omax s

39 Inversor Monofásico Ponte Completa Indutor (modulação SPWM bipolar x SPWM unipolar): 2 níveis 3 níveis

40 Inversor Trifásico

41 Inversor Trifásico

42 Inversor Trifásico Bidirecional

43 Inversor Trifásico Aplicado em Filtros Ativos

44 Inversor Monofásico Ponte Completa - Simulação Simulação (modulação SPWM bipolar):

45 Inversor Monofásico Ponte Completa - Simulação Simulação (modulação SPWM bipolar):

46 Inversor Monofásico Ponte Completa - Simulação Simulação (modulação SPWM bipolar):

47 Inversor Monofásico Ponte Completa - Simulação Simulação (modulação SPWM bipolar):

48 Inversor Monofásico Ponte Completa - Simulação Simulação (modulação SPWM unipolar):

49 Inversor Monofásico Ponte Completa - Simulação Simulação (modulação SPWM unipolar):

50 Inversor Monofásico Ponte Completa - Simulação Simulação (modulação SPWM unipolar):

51 Inversor Monofásico Ponte Completa - Simulação Simulação (modulação SPWM unipolar):

52 Conversores CA-CA Conversores CA-CA

53 Conversores CA-CA E ( ) 1 Retificador v,f 1 1 Conversor CC-CC Conversor indireto de tensão Conversor indireto de freqüência E ( v,f ) 2 Inversor 2 2

54 Conversores CA-CA Princípio geral: Controla o fluxo de potência entre uma fonte duas fontes de tensão alternada. v f v o t 0 t + + v f v o

55 Conversores CA-CA - Aplicações Algumas aplicações: Controle de intensidade luminosa; Controle de temperatura; Controle de velocidade de motores de indução; Limitação da corrente de partida de motores de indução; Estabilizadores de tensão; Filtros ativos; Pré-estabilização em fontes de alimentação e UPS; Economia de energia; Sistemas de potência; Entre outras.

56 Conversores CA-CA - Funções Alterar amplitude Alterar forma Alterar freqüência

57 Conversor CA-CA PWM - Comutação S1 Lo V D1 Co Ro 2 Conversor CC-CC

58 Conversor CA-CA PWM - Comutação Conversor CA-CA

59 Conversor CA-CA PWM - Comutação Sobreposição Tempo morto

60 Conversor CA-CA PWM - Comutação L o + S1 S3 + S 2 v i Co Zo v o S 4 v i L o S 1 S1, S2 S3, S4 v i > 0 v i < 0 s1 pwm on s2 pwm on s3 on pwm s on pwm 4 + v i S 2 S 4 Co Zo + v o 0 π 2π S 3

61 Conversor CA-CA PWM - Simulação

62 Conversor CA-CA PWM - Simulação Dados da simulação: F s = 1 khz; C o = 100 uf; L o = 10 mh.

63 Conversor CA-CA PWM - Simulação Dados da simulação: F s = 1 khz; C o = 100 uf; L o = 10 mh.

64 Conversor CA-CA PWM - Simulação Dados da simulação: F s = 20 khz; C o = 10 uf; L o = 1 mh.

65 Conversor CA-CA PWM - Simulação

66 Conversor CA-CA PWM - Simulação Dados da simulação: C ret =1 uf.

67 Conversor CA-CA PWM - Simulação Dados da simulação: C ret =0,1 uf.

68 Conversor CA-CA PWM - Simulação Dados da simulação: C ret = 100 uf.

69 Conversores CC-CA e CA-CA - Semicondutores

70 Conversores CC-CA e CA-CA - Semicondutores Drive Driver Para acionamento de motores Para acionamento semicondutores

71 Conversores CC-CA e CA-CA - Semicondutores

72 Redes Elétrica do Futuro Microrredes e Redes Inteligentes de Energia Elétrica

73 Redes Elétrica do Futuro: Introdução A demanda mundial por energia elétrica aumentará significativamente nas próximas décadas: Taxa de aumento é de 2,7% ao ano (U.S. EIA); Inclusão de fontes de energias renováveis e limpas; Preocupação com o impacto socioambiental; Os sistemas elétricos vêm passando por profundas mudanças: Modernização (área tecnológica); Busca de aumento do rendimento e confiabilidade; Inclusão de Recursos de Energias Distribuídas nas redes de distribuição: Geração Distribuída (Distributed Generation); Unidades de Armazenamento Distribuído (Distributed Storage); Microgerações (Microsources);

74 Redes Elétrica do Futuro: Introdução Fonte: EPE, Plano Decenal de Expansão de energia elétrica 2020

75 Redes Elétrica do Futuro: Microrredes Definição Microrrede (microgrid): É a integração de vários recursos de geração distribuída e um conjunto de cargas em uma pequena rede local, formada por redes de média e baixa tensão. A microrrede deve estar preparada para operar conectada com a rede de distribuição principal e, em casos de falta desta, possuir a capacidade de operar de maneira ilhada.

76 Redes Elétrica do Futuro: Microrredes A Inclusão de Recursos de energia distribuídos e novas tecnologias: Atuarão como pequenos sistemas de distribuição/geração; Constituindo assim a denominação das microrredes (microgrid); Originando o conceito de redes ativas de distribuição; Podem tornar as redes mais inteligentes (smart grid); Os clientes serão também microgeradores de energia elétrica (ANEEL, RN 482, 2012).

77 Redes Elétrica do Futuro: Microrredes Principais Vantagens das Microrredes: Redução de perdas de transmissão e distribuição; Redução no custo de transmissão; Redução de picos de demanda; Possibilidade de geração de energia renovável; Menor investimento.

78 Redes Elétrica do Futuro: Microrredes

79 Redes Elétrica do Futuro: Microrredes

80 Redes Elétrica do Futuro: Microrredes Popularização de Veículos Elétricos:

81 Redes Elétrica do Futuro: Microrredes Exemplo: Microrrede em um prédio Prédio Eficiente Sistema de Controle Dinâmico Rede Elétrica Entrada da Rede Consumidor Medidas avançadas Operação da Distribuição Internet Aerogerador PV Interface de Controle Gerenciamento de dados Veículo Elétrico Armazenamento de Energia Microturbina

82 Redes Elétrica do Futuro: Microrredes Microrrede em CA:

83 Redes Elétrica do Futuro: Microrredes Microrrede em CC:

84 Redes Elétrica do Futuro: Eletrônica de Potência A eletrônica de potência é uma das chaves para a implementação das microrredes: Interface entre a rede principal e as microfontes de energia e fontes de armazenamento; Emprego de conversores estáticos para melhoria da qualidade de energia elétrica. Graças as avanços tecnológicos dos dispositivos semicondutores: Aumento da capacidade de processamento da energia; Melhor desempenho e menor custo.

85 Redes Elétrica do Futuro: Eletrônica de Potência A eletrônica de potência é uma das chaves para a implementação das microrredes: Retificadores com alto fator de potência Conversores CC-CC Retificador + Inversor

86 Redes Elétrica do Futuro: Exemplos Exemplos de implementação de microrredes. Sendai, Japão

87 Redes Elétrica do Futuro: Exemplos Exemplos de implementação de microrredes. Sendai, Japão Conversores de Potência e Baterias Geradores a Gás Paineis Fotovoltaicos Células Combustíveis

88 Redes Elétrica do Futuro: Exemplos Exemplos de implementação de microrredes. Kythnos, Grécia

89 Redes Elétrica do Futuro: Redes Inteligentes Redes Inteligentes (Smart Grid): Utilização de Tecnologia de Informação e Comunicação; Aumento do controles dos sistemas; Otimização dinâmica de operações; Integração de fontes distribuída; Aumento de controles smart do consumo; Utilização de técnicas de redução de pico; Fornecimento de dados para usuários; Outros;

90 Redes Elétrica do Futuro: Redes Inteligentes Redes Inteligentes (Smart Grid): Fonte:

91 Próxima aula Projeto de elementos magnéticos: Revisão de eletromagnetismo; Projeto de indutores e transformadores.

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