Aplicações de conversores

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1 Unidade V Aplicações de conversores 1. Fontes de alimentação CC 2. Correção de FP 3. Condicionadores de energia e UPS 4. Acionamento de motores Eletrônica de Potência 2

2 Introdução No início do curso, algumas aplicações de eletrônica de potência foram listadas. Nesta unidade, os conceitos apresentados ao longo da disciplina serão utilizados para o estudo de algumas das principais aplicações de conversores estáticos. Eletrônica de Potência 3

3 Fontes de alimentação CC Considerando que o sistema de distribuição de energia elétrica é, predominantemente, CA, a estrutura básica de conversão de energia para alimentação de cargas CC é ilustrada abaixo. Eletrônica de Potência 4

4 Fontes de alimentação CC Fontes de alimentação, bem como outros dispositivos, são chamados de conversores de múltiplos estágios. Um retificador não controlado convencional é utilizado no primeiro estágio, convertendo energia de CA para CC. Um conversor CC-CC é utilizado no segundo estágio, com o objetivo de regular a componente média da tensão de saída do retificador. Eletrônica de Potência 5

5 Fontes de alimentação CC De um modo geral, quando as tensões CC possuem níveis menores que as tensões CA (entre 3 V e 15 V), deve-se utilizar um transformador em algum ponto entre os terminais de entrada e de saída das fontes. Isto se deve ao fato de que conversores CC-CC convencionais não operam satisfatoriamente para reduções drásticas de tensões (limitação da razão cíclica). Eletrônica de Potência 6

6 Fontes de alimentação CC Existem, basicamente, duas formas de se obter baixas tensões CC a partir de tensões CA comumente utilizadas em sistemas de distribuição ( V RMS ): Retificação a partir de uma tensão CA abaixada (transformador de baixa frequência f = 60Hz); Utilização de conversores CC-CC isolados (transformador de alta frequência f > 1kHz). Eletrônica de Potência 7

7 Fontes de alimentação CC A vantagem da utilização dos conversores CC-CC isolados está no fato de que, para altas frequências, as dimensões do transformador são reduzidas significativamente. Por outro lado, o projeto dos transformadores se torna mais complexo, devido à frequência da variação do fluxo magnético nos núcleos dos mesmos. Eletrônica de Potência 8

8 Fontes de alimentação CC A topologia de uma fonte de alimentação baseada em um conversor flyback é mostrada abaixo. Eletrônica de Potência 9

9 Fontes de alimentação CC Um controlador é utilizado com o objetivo de manter a tensão de saída regulada. Por este motivo, tais fontes são chamadas de fontes reguladas. Técnicas de controle de conversores serão apresentadas adiante no curso. A seleção do estágio conversor CC-CC da fonte de alimentação se baseia, principalmente, em uma relação de compromisso entre custo e dimensões do circuito. Eletrônica de Potência 10

10 Seleção de conversores O conversor flyback, com um número reduzido de componentes, é um circuito simples de se implementar. As desvantagens principais são que o núcleo do transformador aumenta conforme a potência aumenta, e o estresse de tensão sobre a chave é elevado (2V S ). As aplicações típicas podem ir até cerca de 150 W, mas o conversor flyback é usado mais frequentemente para uma potência de saída de 10 W ou menos. Eletrônica de Potência 11

11 Seleção de conversores O conversor push-pull, é popular para aplicações de média a elevada potência (aproximadamente 1000 W). O circuito de disparo é simples e um núcleo de transformador relativamente pequeno, pois é excitado em ambos os sentidos. As desvantagens principais são que a possibilidade de saturação do núcleo devido ao desbalanceamento das grandezas CC e um número maior de componentes. Além disso, o estresse de tensão sobre a chave é igual a 2V S. Eletrônica de Potência 12

12 Seleção de conversores O conversor meia ponte, é popular para aplicações de média potência (aproximadamente 500 W). Suas vantagens e desvantagens são as mesmas do conversor push-pull. Entretanto, o estresse de tensão sobre a chave é igual a V S. Eletrônica de Potência 13

13 Seleção de conversores O conversor ponte completa, é popular para aplicações de elevada potência (acima de 2000 W). Suas vantagens e desvantagens são as mesmas dos conversores push-pull e meia ponte e, assim como este, o estresse de tensão sobre a chave é igual a V S. Eletrônica de Potência 14

14 Múltiplas saídas A obtenção de múltiplas saídas com tensões distintas (5 V, 12 V, -12 V) pode ser obtida utilizando-se enrolamentos adicionais do lado do secundário do transformador. Entretanto, apenas uma das saídas pode ser regulada, uma vez que o controle atua na razão cíclica da chave. As demais irão variar de acordo com a variação da razão cíclica do conversor. Eletrônica de Potência 15

15 Múltiplas saídas Na figura, um conversor flyback com duas saídas. Eletrônica de Potência 16

16 Correção do Fator de Potência No retificador, os diodos conduzem apenas por um certo intervalo de tempo, resultando em correntes não-senoidais, conforme visto na unidade II. Isto provoca uma redução no FP do circuito, devido à elevada TDH. Eletrônica de Potência 17

17 Correção do Fator de Potência Uma forma de elevar o FP do circuito é utilizar uma fonte de alimentação contendo um conversor boost como um estágio CC-CC intermediário. Neste caso, a tensão de saída é maior que a tensão CA de pico e um conversor CC- CC abaixador deve ser utilizado para aplicações CC com baixa tensão de alimentação. Eletrônica de Potência 18

18 Correção do Fator de Potência Neste caso, controla-se a corrente no indutor de modo que a mesma se aproxime de uma senóide, conforme a figura ao lado. Eletrônica de Potência 19

19 Condicionadores de Energia e UPS Distorções nos sistemas elétricos, tais como interrupções de energia, quedas e picos de tensão e harmônicos, podem causar graves impactos sobre cargas sensíveis conectadas a tais sistemas. Em tais circunstâncias, deseja-se manter a alimentação da carga de modo satisfatório ou, ao menos, promover o desligamento das mesmas de maneira mais suave. Eletrônica de Potência 20

20 Condicionadores de Energia e UPS Condicionadores de energia são equipamentos capazes de isolar a carga das perturbações de pequena duração, enquanto sistemas de backup mantém a alimentação da carga durante os períodos de falta de energia. Atualmente, as Fontes Ininterruptas de Energia (Uninterruptible Power Supply - UPS), promovem a unificação de ambos os dispositivos. Eletrônica de Potência 21

21 Condicionadores de Energia e UPS Uma UPS ideal deve ter as seguintes características: Saída de tensão senoidal regulada com baixa TDH. Operação online: tempo de transição nula de modo normal para backup modo e vice-versa. Corrente senoidal de entrada com baixa TDH e fator de potência unitário. Alta confiabilidade, alta eficiência, baixa interferência eletromagnética (EMI) e ruído acústico, isolamento elétrico, baixa manutenção, baixo custo, peso e tamanho. Eletrônica de Potência 22

22 Classificação das UPS UPS Stand by (offline) Eletrônica de Potência 23

23 Classificação das UPS Nesta configuração, a chave estática permanece fechada em condições normais de operação, e a bateria é carregada. Na ocorrência de uma falta, ou um distúrbio fora de limites pré-estabelecidos acontece, a chave se abre e o inversor passa a processar a potência fornecida pela bateria. O tempo de transição é de cerca de 25% do período da tensão da rede (cerca de 4 ms, considerando operação em 60 Hz). Eletrônica de Potência 24

24 Classificação das UPS Vantagens Simplicidade de projeto, baixo custo e dimensões reduzidas Desvantagens Não possui isolamento elétrico, tensão de saída não regulada, tempo de transição relativamente alto, desempenho ruim para alimentação de cargas não-lineares e baixo condicionamento de energia. Eletrônica de Potência 25

25 Classificação das UPS UPS Online Eletrônica de Potência 26

26 Classificação das UPS Nesta configuração, a potência é sempre processada através do dispositivo. A chave estática permanece aberta e sua função é a de prover redundância no fornecimento de energia, em caso de mal funcionamento ou sobrecarga da UPS. Por ser conectada em série com a carga, não possui tempo de transição entre o período de fornecimento pela rede ou pela bateria. Eletrônica de Potência 27

27 Classificação das UPS Vantagens Condicionamento de energia e a taxa de transição entre modos de operação é nula. Desvantagens FP menor que a unidade e elevada TDH na entrada, baixa eficiência. Um estágio PFC pode ser adicionado, todavia, eleva o custo total do equipamento. Eletrônica de Potência 28

28 Classificação das UPS UPS Interativa de Linha Eletrônica de Potência 29

29 Classificação das UPS Em condições normais de operação, a chave permanece fechada e o conversor CA/CC bidirecional é utilizado para carga da bateria. Além disso, por estar conectado em paralelo à carga, promove condicionamento de energia no caso de distúrbios de pequena duração. No caso de falta na rede CA, a chave é aberta e o conversor passa a operar como inversor, suprindo energia para a carga a partir da bateria. Eletrônica de Potência 30

30 Classificação das UPS Vantagens Simplicidade de projeto, alta confiabilidade e eficiência, baixo custo se comparado às UPS online. Desvantagens Não possui isolamento elétrico, condicionamento de energia é pior que no caso da UPS online. Eletrônica de Potência 31

31 Classificação das UPS UPS Universal (série-paralelo) Eletrônica de Potência 32

32 Classificação das UPS Nesta configuração, parte da energia flui diretamente para carga e cerca de 20% é processada nos dois conversores bidirecionais. Parte desta energia é armazenada na bateria e o segundo conversor trata de mitigar eventuais distorções das grandezas da rede. No caso de falta, a bateria é descarregada, fornecendo energia para carga através do inversor. Eletrônica de Potência 33

33 Classificação das UPS Vantagens Alta eficiência, condicionamento de energia satisfatório, isolamento elétrico e redundância. Desvantagens Aumento na complexidade do sistema de controle. Eletrônica de Potência 34

34 Classificação das UPS UPS Rotativa Eletrônica de Potência 35

35 Classificação das UPS UPS rotativas armazenam energia cinética ou utilizam, como sistema de backup, grupo motor-gerador à diesel. Possuem capacidade de fornecimento de energia de acordo com a topologia e são muito utilizadas em aplicações de alta potência, principalmente em instalações onde se encontram grandes conjuntos de cargas motrizes. Eletrônica de Potência 36

36 Classificação das UPS Vantagens Confiabilidade, alta potência, isolamento elétrico. Desvantagens Elevadas dimensões, maior necessidade de manutenção, elevado tempo de transição. Eletrônica de Potência 37

37 Classificação das UPS UPS Híbrida Rotativa/Estática Eletrônica de Potência 38

38 Classificação das UPS UPS Híbrida Rotativa/Estática Eletrônica de Potência 39

39 Classificação das UPS UPS Híbrida Rotativa/Estática Eletrônica de Potência 40

40 Classificação das UPS Combinação entre UPS utilizando elementos rotativos e baterias por meio de conversores estáticos. O funcionamento depende do tipo de configuração, podendo variar entre dois e três modos de operação. Eletrônica de Potência 41

41 Classificação das UPS Vantagens Alta confiabilidade, isolamento elétrico, estabilidade de frequência e reduzidos custos de manutenção, se comparados às UPS rotativas. Desvantagens Dimensões elevadas em relação às UPS estáticas. Eletrônica de Potência 42

42 Classificação das UPS A tabela a seguir resume as principais características da UPS. Parâmetro Offline Online Interativa Universal Rotativa Híbrida Proteção Bom Excelente Bom Bom Excelente Excelente Tempo de transição Alto Baixo Médio Médio Médio Baixo Condicionamento Pobre Pobre Bom Ótimo Bom Bom Backup Bateria Bateria Bateria Bateria s Bateria Eficiência > 90% 80% > 95% > 95% > 85% 95% Isolamento Pobre Pobre Pobre Razoável Ótimo Ótimo Custo $ $$$ $$ $$$ $$$$ $$$$ Eletrônica de Potência 43

43 Acionamento de Motores Sistemas de acionamento de motores são utilizados em diversas aplicações, tais como bombas, sistemas de ventilação, elevadores, veículos elétricos, sistemas robóticos, usinas têxteis, de papel, de cimento e em siderurgia. Aplicações de acionamentos podem ser classificadas em velocidade constante e velocidade variável. Eletrônica de Potência 44

44 Acionamento de Motores Tradicionalmente, máquinas CA eram utilizadas para aplicações em velocidade constante, enquanto máquinas CC eram utilizadas em aplicações com velocidade variável. Devido às grandes dimensões e questões de manutenção, apesar da simplicidade de acionamento, máquinas CC foram gradualmente substituídas por aquelas alimentadas em CA. Atualmente, as aplicações utilizando motores CC estão restrito à certas aplicações, tais como alguns veículos elétricos, servomecanismos. Eletrônica de Potência 45

45 Acionamento de Motores Motores de indução A velocidade de um motor de indução pode ser controlada variando-se a frequência da tensão de alimentação. A velocidade síncrona (frequência mecânica) do motor se relaciona à frequência elétrica e ao número de polos através da expressão: ω s = 2ω p Eletrônica de Potência 46

46 Acionamento de Motores O escorregamento é definido por: s = ω s ω r ω s, onde ω r é a velocidade do rotor. O torque é proporcional ao escorregamento. Se a frequência elétrica aplicada é variada, a velocidade do motor varia proporcionalmente. Eletrônica de Potência 47

47 Acionamento de Motores No entanto, se a tensão aplicada se mantém constante quando a frequência é reduzida, o fluxo magnético no entreferro irá aumentar até ao ponto de saturação. É desejável, entretanto, manter o fluxo de entreferro constante e igual ao seu valor nominal. Isto é conseguido variando-se a tensão aplicada de maneira proporcional à frequência. Eletrônica de Potência 48

48 Acionamento de Motores Assim sendo, a razão entre a tensão e a frequência aplicada deve ser constante: V f = k Por este fato é comum se utilizar o termo controle V/Hz. Eletrônica de Potência 49

49 Acionamento de Motores A figura abaixo contém curvas do torque em função da velocidade para diferentes frequências, mantendo-se k constante. Eletrônica de Potência 50

50 Acionamento de Motores Um inversor de seis passos pode ser utilizado para o acionamento de motores de indução trifásico (aplicação mais comum), desde que a tensão V dc possa ser controlada. Uma configuração que permite esse ajuste se baseia na utilização de um retificador controlado. Existe, ainda, a possibilidade de se utilizar um conversor CC-CC entre a fonte CC e o inversor. Eletrônica de Potência 51

51 Acionamento de Motores Conversor CA-CA com link CC. Eletrônica de Potência 52

52 Acionamento de Motores Entretanto, a forma mais prática de se realizar o controle V/Hz para o acionamento de um motor de indução se baseia na utilização de inversores PWM. Neste caso, a tensão de saída é controlada variando-se m a. Em ambos os casos, a frequência da componente fundamental da tensão de saída é controlada variando-se a frequência da tensão de referência. Eletrônica de Potência 53

53 Acionamento de Motores Motor CC O acionamento de motores CC está associado, usualmente, ao controle da tensão e corrente de armadura (enrolamento do rotor). O torque é aproximadamente proporcional à corrente de armadura e a velocidade, à tensão. O campo (enrolamento do estator) possui excitação constante e, por este motivo, tem-se utilizado motores CC à ímã permanente (substituem os enrolamentos do campo). Eletrônica de Potência 54

54 Acionamento de Motores Em qualquer um dos casos, podem ser utilizados conversores bidirecionais em corrente e tensão (4 quadrantes), de modo a prover rotação em ambos os sentidos (polaridade da tensão) e frenagem regenerativa (máquina se comportando como gerador). Dependendo da aplicação, conversores convencionais (tensão e corrente sem variação de polaridade) podem ser utilizados. Eletrônica de Potência 55

55 Acionamento de Motores Eletrônica de Potência 56

56 Acionamento de Motores O acionamento de motores CC se dá a partir de fontes CA, utilizando retificadores controlados que permitam fluxo de potência bidirecional ou conversores de 2 estágios (CA-CC-CC). Ex: aplicações residenciais, comerciais e industriais. Para aplicações a partir de alimentação CC, conversores CC-CC bidirecionais podem ser utilizados (de acordo com o tipo de fonte de energia). Ex: veículos elétricos, bombeamento de água a partir de fontes renováveis. Eletrônica de Potência 57

57 Acionamento de Motores Eletrônica de Potência 58

58 Acionamento de Motores Eletrônica de Potência 59

59 Acionamento de Motores Eletrônica de Potência 60

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