ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 02 Teoria básica b

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1 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 b dos conversores estáticos ticos, Dr. Eng. leandromichels@gmail.com 1

2 Teoria básica b dos conversores estáticos ticos Um sistema de conversão estática tica de energia é constituído dos seguintes elementos: energia energia Fontes Conversor estático tico 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

3 Teoria básica b dos conversores estáticos ticos Os conversores estáticos ticos 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

4 Teoria básica b dos conversores estáticos ticos 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

5 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

6 Elementos não-lineares (semicondutores) Característica estática tica (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

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

8 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

9 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

10 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

11 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 Tiristor 2 conduz Tiristor 1 com. bloqueia esp. Tiristor 2 v k 11

12 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

13 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

14 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

15 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

16 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

17 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

18 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

19 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

20 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

21 Cargas Característica fundamental: Dispositivo de dois ou mais terminais Fundamentalmente são absorvedores de energia (mas também m 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

22 Fundamentos da conversão estática tica Princípios fundamentais: 1) Interconexão entre a(s) fonte(s) e a(s) carga(s) intermediada por interruptor(es) Fontes energia Conversor estático tico energia Cargas Ex.: retificador S 1 E ~ S 2 R Fonte Conversor estático tico Carga 22

23 Princípios fundamentais dos conversores 2) A comutação do(s) interruptor(es) ocorre de forma cíclica clica 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 tico Carga Fonte Conversor estático tico Carga Com v F (t) é cíclica clica (sen( senóide), os interruptores devem comutar de cíclica c clica para tornar v L (t)>0 23

24 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 tico Carga A inclusão do indutor diminui a ondulação na corrente de saída 24

25 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 tico Carga O autotransformador altera o valor da tensão CA 25

26 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 tico Carga O transformador é empregado para se obter a isolação galvânica 26

27 Princípios fundamentais dos conversores 4) Associação de fontes Fonte de tensão em série s com indutor comportamento de fonte de corrente = Fonte de corrente em paralelo com capacitor comportamento de fonte de tensão = 27

28 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

29 Princípios fundamentais dos conversores 5) Conexão de fontes por interruptores Fonte de tensão sós 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 sós 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

30 Princípios fundamentais dos conversores 6) Princípio básico b 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