Disciplina de Eletrônica de Potência ET66B

Transcrição

1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA Disciplina de Eletrônica de Potência ET66B paginapessoal.utfpr.edu.br/amauriassef 1

2 A Eletrônica de Potência é a ciência que trata da aplicação de dispositivos semicondutores de potência, como tiristores e transistores, na conversão e no controle de energia elétrica em níveis altos de potência Eletrônica, potência e controle Controle do fluxo de energia entre dois ou mais sistemas elétricos com características distintas Filtro de entrada Conversor de potência Filtro de entrada Gerador de sinal de controle de chaveamento Realimentação 2

3 Métodos de controle que permitissem: Rendimentos elevados para médias e altas potências Evolução dos interruptores: Relés Contatores Reatores de núcleo saturáveis Retificadores à arco Válvulas Tiratron Os interruptores atuam como dispositivos de controle 3

4 Busca por interruptores mais eficientes, compactos e rápidos Interruptores eletrônicos em estado sólido Tiristores (anos 60 General Electric-GE/USA) Revolução no processamento de energia Nasce a Eletrônica de Potência como ciência aplicada dedicada ao estudo dos conversores estáticos de energia elétrica Interruptor ideal (chave) Tempo de comutação nulos (condução e bloqueio instantâneo) Resistência nula na condução Resistência infinita quando bloqueado 4

5 Por que eletrônica de potência? Transferência de potência elétrica de uma fonte para uma carga Chave fechada: v(t) = 0 Chave aberta: i(t) = 0 Para qualquer evento: p(t) = v(t)i(t) = 0 A perda de potência em uma chave ideal é nula 5

6 Exemplo de um conversor CC-CC simples Parâmetros do projeto Tensão de entrada: 100V Carga de saída (load): 50V, 10A, 500W Como pode ser realizado? 6

7 Divisor resistivo (reostato) Potência dissipada no reostato: 500W Potência fornecida pela fonte: P T = P L + P R = 1000W Eficiência: η = P L / P T * 100 = 50% 7

8 Transistor operando como regulador série Potência dissipada no transistor: 500W Potência fornecida pela fonte: P T = 1000W Eficiência: η = P L / P T * 100 = 50% 8

9 Utilizando uma chave SPDT (Single Pole, Double Throw) Chave fechada máxima potência transferida Chave aberta potência entregue à carga é nula D = duty cycle 0 D 1 T S = período de chaveamento f S = frequência de chaveamento 9

10 Conversores estáticos: sistema constituído por elementos passivos (R, L e C) e elementos ativos (interruptores), tais como diodos, tiristores e transistores associados segundo lei pré-estabelecida Redução de peso, volume e custos Redução das perdas e aumento da densidade de potência Operação em frequências maiores Aumento do rendimento 10

11 Principais funções dos conversores estáticos CC-CC pulsador CA-CC retificador CC-CA inversor CA-CA gradador/cicloconversor 11

12 Tipos de circuitos de eletrônica de potência Retificadores não-controlados (CA-CC) Converte uma tensão mono ou trifásica em um tensão CC diodos Fonte CC para circuitos eletrônicos Retificadores controlados (CA-CC) Converte uma tensão mono ou trifásica em um tensão CC variável SCRs Controle de velocidade de motor CC a partir de fonte CA, controle de velocidade para ferramentas portáteis Choppers CC (CC-CC) Converte uma tensão tensão CC fixa em um tensão CC variável Controle de velocidade de motor CC a partir de fonte CC, fonte de alimentação chaveada Controladores de tensão CA (CA-CA) Converte uma tensão fixa CA em um tensão CA variável de mesma frequência Partida leve de motores de indução (soft-starters), chave de regulagem de iluminação 12

13 Inversores (CC-CA) Converte uma tensão CC fixa em um tensão monofásica ou trifásica CA, fixa ou variável, e com frequências também fixas ou variáveis UPS, controle de velocidade de motores AC trifásicos Conversores cíclicos (CA-CA) Converte uma tensão e frequência CA fixa em um tensão e frequência CA variável. Pode ser obtida de forma indireta, primeiramente por retificação CA para CC e depois retornando pra CA na frequência desejada Controle de velocidade de motores AC, fonte de freq. cte para aeronaves Chaves estáticas (CA ou CC) O dispositivo de potência SCR e TRIAC pode ser operado como chave CA ou CC Substituição de chaves mecânicas e eletromagnéticas tradicionais 13

14 Exemplo: Nobreak (UPS) Sistema para fornecimento de energia de forma ininterrupta e limpa (livre de distorções) 14

15 Aplicações Fontes de alimentação estabilizadas (chaveadas) Controle de máquinas elétricas Controle de motores de corrente contínua Controle de motores de corrente alternada Conversores para soldagem Aquecimento indutivo Alimentação de segurança Alimentação de emergência Transmissão em corrente contínua Carregadores de baterias Retificadores em geral Interligação de sistemas com frequências diferentes 15

16 Subáreas da Eletrônica de Potência Eletrônica de Potência Básica Comutação natural, tensões 2 kv, correntes 1kA e frequências 1 khz Elevadas correntes Aplicações com correntes > 1 ka Elevadas tensões Aplicações com tensões > 2 kv Elevadas frequências Aplicações > 1 khz Elevadas Potências Aplicações com tensões > 2 kv e correntes > 1 ka Comutação forçada Inversores de tensão autônomos à SCR Técnicas Especiais de Controle e Filtragem Controle das harmônicas de tensão ou corrente introduzidas pelos conversores 16

17 Dispositivos em Eletrônica de Potência e limitações Dispositivos para operação com maiores frequencias de chaveamento e capacidade de processamento de maiores potências 17

18 Medidas Elétricas Eletrônica de Potência - Revisão 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, o valor médio é dado por: V med 1 0 T t T t 0 f ( t )dt f ( t )dt Para um semiciclo (meio ciclo) de tensão: 2V V 637 T 1 1 p med v(t )dt Vpsen( t )dt 0, V. T t 0 0 p 18

19 Medidas Elétricas Eletrônica de Potência - Revisão 2) Valor eficaz (rms - root mean square): Valor médio quadrático Dada uma função periódica senoidal f(t)=f(t+t), onde T é o período em que a função se repete, o valor eficaz é dado por: V rms 1 0 T t T t f ( t ) dt V sen ( t )dt 0 p Vp t sen2t Vp 2 Vp rms 0, V. V p 19

20 Eletrônica de Potência - Revisão Medidas Elétricas 3) Potência: A) Tensão e corrente senoidais Potência aparente S V I rms rms Potência ativa P Vrms Irms cos Potência reativa Q Vrms Irmssen B) Tensão e/ou corrente não-senoidal Potência aparente S V rms I rms Potência ativa P 1 0 T t T t 0 v( t )i(t )dt v( t )i( t )dt Potência reativa Q S 2 P 2 20

21 Eletrônica de Potência - Revisão Medidas Elétricas 4) Fator de Potência: Relação entre potência ativa e potência aparente FP P S 1 T t 0 T t 0 V v( t rms I )i( t rms )dt Para ondas senoidais FP cos 21

22 Eletrônica de Potência - Revisão Referências bibliográficas: BARBI, Ivo. Eletrônica de Potência; 6ª Edição, UFSC, 2006 MUHAMMAD, Rashid Eletrônica de Potência; Editora: Makron Books, 1999 ERICKSON, Robert W.; MAKSIMOVIC, Dragan. Fundamentals of power electronics. New York: Kluwer Academic, 2001 AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência; Editora: Prentice Hall, 1a edição,