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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PCE Projeto de Conversores Estáticos Aula 2

2 Tópicos Introdução Estágio de entrada Retificadores com filtro capacitivo Monofásico convencional Monofásico dobrador Circuitos de pré carga Qualidade de energia 2

3 Introdução Eletrônica de potência: trata do processamento de energia elétrica através de conversores estáticos. Ciência aplicada, multidisciplinar, envolve controle, isolação galvânica, eletromagnetismo (projetos de indutores transformadores, EMI), dimensionamento térmico, circuitos eletrônicos. Diversas áreas de aplicação: fontes, inversores, retificadores, reguladores, filtros ativos, iluminação, geração de energia... 3

4 Introdução Projetos de conversores estáticos Foco da disciplina em: conversores isolados c.c.-c.c. Aplicações típicas: fontes de alimentação, carregadores inteligentes, iluminação com led, etc. Necessidade de isolação por questões de segurança, a isolação básica para 184 < Vin < 354 é de 1,5kV RMS. UL1950, VDE0805 (EN60950, IEC950), and CSA C22.2, No Transformador pode ainda ser usado para adaptar grande diferença entre tensões de entrada e saída. 4

5 Introdução Estrutura típica de fontes de alimentação não-chaveadas monofásicas Características negativas: Transformador em baixa frequência, volume, peso, custo Regulador linear: perdas elevadas, eficiência baixa, volume de dissipadores considerável. Dificuldade de operação com tensão universal 5

6 Introdução Possível alternativa para estrutura típica, com regulador chaveado Possibilidade de substituir o regulador linear por regulador chaveado (Buck, boost, buck-boost) Características: Conversor isolado, eficiência alta, robustez elevada. 6

7 Introdução Estrutura típica de fontes de alimentação monofásicas chaveadas Características principais Volume do transformador reduzido pela frequência de operação. Capacitor do barramento e retificador devem suportar tensão da rede comercial. Possibilidade de atender aos valores universais de tensão. 7

8 RETIFICADOR ESTÁGIO DE ENTRADA Retificador meia-onda: apresenta circulação de corrente c.c. (nível médio) na entrada. Seu uso deve ser evitado, limite de circulação de corrente c.c. em transformadores de distribuição é de 0,5%. Retificador de onda completa: 8

9 RETIFICADOR OPERAÇÃO EM REGIME PERMANENTE 9

10 RETIFICADOR OPERAÇÃO DURANTE TRANSITÓRIO DE PARTIDA 10

11 RETIFICADOR Transitório de carga com pequena ondulação de tensão E1 Probe 0 Simplorer ANSOFT Y1 [V] Curve Info E1.I TR E1.V TR C1.V TR Y Axis E1.I Y1 Y E1.I [A] Tim e [m s ]

12 RETIFICADOR Transitório de carga com circuito de pré-carga E1 Probe 0 Simplorer ANSOFT Y1 [V] E1.I [A] Tim e [m s ] TR TR TR Curve Info E1.I E1.V C1.V Y Axis E1.I Y1 Y

13 RETIFICADOR Transitório de carga com circuito de pré-carga E1 Probe 0 Simplorer ANSOFT Y1 [V] E1.I [A] Tim e [m s ] TR TR TR Curve Info E1.I E1.V C1.V Y Axis E1.I Y1 Y

14 RETIFICADOR circuitos de pré-carga Circuito com NTC 14

15 RETIFICADOR A corrente de pico deve ser limitada para não danificar os diodos e o próprio capacitor. I p = Vin p R O resistor deve ser curto-circuitado, no momento adequado. Atenção com o segundo pico de corrente, que ocorre ao curtocircuitar o resistor E1 Probe 0 Simplorer ANSOFT Y1 [V] E1.I [A] Tim e [m s] TR TR TR Curve Info E1.I E1.V C1.V Y Axis E1.I Y1 Y

16 RETIFICADOR Além disso, a carga só deve ser conectada após a retirada do resistor de pré-carga do circuito. Outros componentes que auxiliam na redução da corrente de précarga (in-rush current): impedância da rede/transformador, resistência série do capacitor E1 Probe 0 Simplorer ANSOFT Y1 [V] E1.I [A] Curve Info Y Axis TR E1.I E1.I TR E1.V Y1 C1.V Y1 TR Time [m s]

17 RETIFICADOR Qualidade de energia 2.50 XY Plot 8 Simplorer1 Curve Info mag(e1.i) TR ANSOFT 2.00 mag(e1.i) [A] Spectrum [Hz] 17

18 RETIFICADOR Retificador dobrador Utilizado para manter aproximadamente a mesma tensão de barramento com tensões de 110V e 220V na entrada. Necessita de realização de conexão de ponto médio do barramento à fonte de entrada. Fonte: curso de fontes chaveadas INEP, I. Barbi, A.F. De Souza 18

19 RETIFICADOR Tensão de saída média sofre pequena redução em comparação com operação normal. Durante esse modo de operação apenas 2 diodos são usados, porém a ondulação de tensão em cada capacitor é maior (2 retificadores de meia onda). Fonte: curso de fontes chaveadas INEP, I. Barbi, A.F. De Souza 19

20 RETIFICADOR Fonte: curso de fontes chaveadas INEP, I. Barbi, A.F. De Souza 20

21 RETIFICADOR Cabe salientar que em diversas aplicações o conversor permite operação com tensão de entrada universal, não sendo necessário o uso de dobradores de tensão. 21

22 RETIFICADOR Cálculo: BARBI, Ivo. Projeto de Fontes Chaveadas, pgs 7-55 Barbi, I. (2006), Eletrônica de Potência, 6 ed., Edição do Autor, pgs Fonte: curso de fontes chaveadas INEP, I. Barbi, A.F. De Souza 22

23 RETIFICADOR Exercício: 1) Projetar o estágio de entrada de uma fonte chaveada (retificador com filtro capacitivo) para atender as seguintes especificações: Tensão de entrada nominal: 220V Potência: 250 W Ondulação da tensão e saída 10% do valor médio. 2) Realizar simulação numérica e obter: a) Corrente eficaz no capacitor b) Corrente média nos diodos 3) Realizar a escolha dos componentes reais 4) Calcular perdas nos diodos e no(s) capacitor(es). 23

24 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PCE Projeto de Conversores Estáticos Revisão sobre retificadores: Comutação em retificadores Este material foi elaborado com informações e algumas figuras obtidas na referência [1] (rev 5: 27/2/015)

25 Objetivos Complementar informação sobre o funcionamento de retificadores Introduzir fenômenos de comutação Consolidar o conhecimento sobre a operação de diodos 25

26 Fenômeno da comutação É comum a presença de indutância parasita na entrada de retificadores (dispersão de transformadores, cabos). Se a indutância estiver em série com os diodos do retificador, esta pode provocar uma redução no valor médio da tensão de saída devido ao fenômeno da comutação (além da queda de tensão do próprio indutor). O fenômeno está baseado no fato de que a variação de corrente em uma indutância não é instantânea. Elementos parasitas são considerados à medida que a compreensão de fenômenos importantes se faz necessária, níveis diferentes de idealização são usados para aproximar da realidade a representação de interesse. 26

27 Fenômeno da comutação Durante esta etapa o diodo D1 está conduzindo a corrente de carga I. Esta etapa termina quando o diodo D2 entra em condução. 27

28 Fenômeno da comutação Esta etapa inicia quando a amplitude da tensão V2 se iguala à V1, colocando em condução o diodo D2. O indutor Lc impede a anulação instantânea da corrente, assim os diodos D1 e D2 conduzem simultaneamente id 1 (ωt)+id 2 (ωt)=i (ω t ) Intervalo de tempo: μ 28

29 Fenômeno da comutação Esta etapa inicia com o bloqueio do diodo D1 Durante este intervalo de tempo o diodo D2 conduz toda a corrente de carga I. 29

30 Fenômeno da comutação Qual o impacto causado pela comutação na tensão da carga? v 1 (ω t)+v LC +v L (ωt )=0 v 1 (ωt )=Lc v 2 (ω t)=lc d i1(ω t) +v dt L (ω t) d i2(ω t) +v dt L (ω t) d i1(ω t ) = v 1(ω t ) v L (ω t) dt Lc d i2(ω t) = v 2(ω t ) v L (ω t) dt Lc 30

31 Fenômeno da comutação i1(ω t)+i2(ω t)=i (ω t ) d i1(ω t ) dt + d i2(ω t ) d I (ω t) = dt dt d I (ω t) = v 1(ωt ) v L (ω t) + v 2(ω t) v L (ω t) dt Lc Lc d I (ω t) =0 dt Tensão instantânea na carga durante o intervalo de comutação v L (ω t )= v 1(ω t)+v 2 (ω t) 2 31 Fonte: [1]

32 Fenômeno da comutação A tensão média na carga sofre uma redução, dada por: v Lc (ω t)=lc d i2(ω t) dt V Lc = m 2 π 0 I ω Lc di2 V Lc = m ω L C I 2 π A queda de tensão é proporcional à: Corrente média na carga Fonte: [1] Indutância Número de pulsos deste tipo de retificador (m) Frequência angular (ω) 32

33 Fenômeno da comutação Cálculo da duração do intervalo (ver Barbi, I. Eletrônica de Potência, pg 123.) μ=arccos(1 2ω L C I 3 2 Vo ) 33

34 Fenômeno da comutação Exercício: Seja um retificador trifásico com ponto médio com os seguintes parâmetros. Vin ef =220 V I =15 A L C =5 mh fr=60 Hz a) Calcule a queda de tensão média provocada pela presença das indutâncias. b) Determine a duração da comutação V L = m ω L C I 2 π μ=arccos(1 2 ω L C I 3 2 Vo ) 34

35 Fenômeno da comutação 35

36 Fenômeno da comutação 36

37 Fenômeno da comutação Comutação no retificador ponte de Graetz O retificador por ser considerado como uma associação série de 2 retificadores de 3 pulsos. 37

38 Fenômeno da comutação A duração da comutação tem o mesmo valor do caso do retificador 3 pulsos, portanto a equação abaixo é válida. μ=arccos(1 2 ω L C I 3 2 Vo ) A queda de tensão média ocorre tanto no grupo superior quanto no grupo inferior. Equação válida: V Lc = 3 ω L C I π 38

39 Fenômeno da comutação Exemplo Seja um retificador trifásico ponte de Graetz com os seguintes parâmetros. Vin ef =220 V I =15 A L C =5 mh fr=60 Hz Resposta: V LC =27V μ=26,5 o Portanto, o valor médio da queda do retificador em ponte de Graetz tem o dobro do valor do retificador com ponto médio. 39

40 Atividades e comentários finais Leitura sobre projeto de retificador com filtro capacitivo, incluindo dobrador (Livro texto: projeto de fontes chaveadas) + capítulo sobre comutação do livro Eletrônica de Potência, Ivo Barbi. 40

41 Referência bibliográfica [1] Barbi, I. Eletrônica de Potência, 6 ed. Edição do autor, Florianópolis. 41

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