ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I

EPO I Aula 22 Chaves estáticas UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 22 Chaves estáticas ticas, Dr. Eng. leandromichels@gmail.com 1

EPO I Aula 22 Chaves estáticas CA Chaves estáticas ticas CA Conhecidas por chaves estáticas ticas, relés s ou contatores de estado sólidos lido, solid-statestate relay (SSR) Funcionam como um interruptor para circuitos CA Podem ser monofásicas e trifásicas Circuito típico t baseado em TRIAC ou SCR (tiristor) 2

EPO I Aula 22 Chaves estáticas CA Estrutura padrão Baseada em SCR em anti- paralelo (em alguns casos, TRIAC) Alimentação pelo próprio prio circuito de potência Circuito de comando isolado da parte de potência Comandados em CA (típico 220/110/24V), CC (típico 24V) ou ambos A1 A2 Comando isolado 1 2 3

EPO I Aula 22 Chaves estáticas CA Principais estruturas 1) SSR híbridah Partes móveis m de baixa potência Tempos de comutação mais lentos Alto grau de isolação do comando 4

EPO I Aula 22 Chaves estáticas CA Principais estruturas 2) SSR acoplada por transformador Sem partes móveism Tempos de comutação rápidosr O grau de isolação depende do transformador 5

EPO I Aula 22 Chaves estáticas CA Principais estruturas 3) SSR acoplada opticamente Sem partes móveism Tempos de comutação rápidosr Alto grau de isolação do comando 6

EPO I Aula 22 Chaves estáticas CA Tipos de sinal de comando Comando CC Comando CA Ex.: Siemens 7

EPO I Aula 22 Chaves estáticas CA Modos de operação 1) SSR com comutação instantânea Carga resistiva v 12 t v AB t i 12 t t a 8

EPO I Aula 22 Chaves estáticas CA Modos de operação 1) SSR com comutação instantânea Carga indutiva v 12 t v AB t i 12 t t a 9

EPO I Aula 22 Chaves estáticas CA Modos de operação 2) SSR com comutação no cruzamento por zero Carga resistiva v 12 v AB t i 12 t t t f t a 10

EPO I Aula 22 Chaves estáticas CA Modos de operação 2) SSR com comutação no cruzamento por zero Carga indutiva v 12 v AB t i 12 t t t f t a 11

EPO I Aula 22 Chaves estáticas CA Chaves estáticas ticas CA: vantagens Permitem um número n elevado de manobras São robustos e resistentes a choques, vibrações e campos eletromagnéticos ticos (não possuem partes móveis) m Operam em ambientes úmidos e sujos Operam sem formação de arcos-voltaicos (adequados para ambientes explosivos) O tempo de fechamento do circuito é rápido Operação silenciosa Inclui proteção interna 12

EPO I Aula 22 Chaves estáticas CA Chaves estáticas ticas CA: desvantagens Não podem ser empregados em circuitos com corrente contínua nua dependem da reversão da tensão para abrir (com exceção das SSR a transistor ou com comutação forçada) O tempo de abertura do circuito é bem mais lento que o de fechamento Aquecem e possuem perdas bem maiores que as contactoras mecânicas Possuem corrente de fuga (leakage( leakage) 13

EPO I Aula 22 Chaves estáticas CA Aplicações Cargas com muitas manobras Sistemas de bypass (nobreaks) Comutação de bancos de capacitores (cruzamento por zero) Aplicações em ambientes explosivos Aplicações com exigência de reduzido tempo de comutação Aplicações com exigência de reduzido barulho (médicas, residenciais, etc) Aplicações com controle de potência (atuando como gradador) 14

EPO I Aula 23 Gradadores UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 23 Gradadores, Dr. Eng. leandromichels@gmail.com 1

EPO I Aula 23 Gradadores Propósito dos gradadores Possibilitar a variação do valor eficaz da tensão alternada que alimenta determinada carga Não alteram a freqüência da tensão alternada da fonte Não utilizam elementos reativos Introduzem harmônicas na tensão de saída e na corrente de entrada 2

EPO I Aula 23 Gradadores Aplicações práticas Controle da intensidade luminosa (dimmer( para iluminação incandescente) Controle da temperatura em chuveiros com acionamento eletrônico Controle da temperatura em fornos Limitação da corrente de partida de motores de indução (soft( soft-starters) Compensadores estáticos ticos de reativos (SVR) 3

EPO I Aula 23 Gradadores Principais topologias Monofásico Trifásico a 3 fios Trifásico a 3 fios ou a 4 fios 1 1r 1s 1t 1r 1s 1t G1 G2 G1 G2 G1 G2 G1 G1 G2 G1 G2 G1 G2 2 2r 2s 2t 2r 2s 2t 4

EPO I Aula 23 Gradadores Gradador monofásico Carga R Topologia Formas de onda G2 i L v o G1 R v L 5

EPO I Aula 23 Gradadores Gradador monofásico Carga R Tensão na carga v o G2 G1 R i L v L Médio V Lmed Eficaz = π 2Vo sen( ωt) d( ωt) 1 α 2π 2π + 2Vo sen ωt d ωt π+α π V Lmed = 0 ( ) ( ) 1 VLef = 2Vo sen ωt d ωt π α 2 ( ) ( ) V Lef α Vo 1 + π sen 2 ( α) 2π 6

EPO I Aula 23 Gradadores Gradador monofásico Carga R Corrente na carga v o G2 G1 R i L v L I Médio Lmed Eficaz = π Vo 2 sen( ωt) d( ωt) 1 R α 2π 2π V o + 2 sen ω ω R π+α I Lmed = 0 ( t) d( t) π 1 Vo ILef = 2 sen ωt d ωt π R α 2 ( ) ( ) I Lef Vo α 1 + R π sen 2 ( α) 2π 7

EPO I Aula 23 Gradadores Gradador monofásico Carga R Corrente no tiristor v o G2 G1 R i L v L Médio π 1 Vo ITmed = 2 sen ωt d ωt 2π R α I Eficaz Tmed ( ) ( ) = 2V o cos( ) 1 2 R α + π π 1 Vo ITef = 2 sen ωt d ωt 2π R α 2 ( ) ( ) I = Tef I Lef 2 8

EPO I Aula 23 Gradadores Gradador monofásico Carga R Corrente média m e eficaz em cada tiristor (parametrizada) 9

EPO I Aula 23 Gradadores Gradador monofásico Carga R Componentes harmônicas n n n= 1 ( ω ) = cos( ω ) + sen ( ω ) i t a n t b n t 1) Amplitude da fundamental: I = a + b 2 2 1 1 1 a 1 2V = o α 2πR ( cos( ) 1) 2) Fase da fundamental: b 1 2V = o α + π α 2πR ( sen ( 2 ) 2 2 ) arctan a b 1 1 Φ 1 = 10

EPO I Aula 23 Gradadores a n Gradador monofásico Carga R 1) Amplitude das demais harmônicas (ordem n) I = a + b 2 2 n n n ( n ) ( n ) ( n ) ( n ) 2V cos + 1 α cos + 1 π cos 1 α cos 1 π o = π R n+ 1 n 1 b n ( n ) ( n ) 2V sen + 1 α sen 1 α o = π R n+ 1 n 1 2) Fase das harmônicas: b n Φ n = arctan an 11

EPO I Aula 23 Gradadores Gradador monofásico Carga RL Topologia Formas de onda G2 i L v o G1 R L v L cos ( ) φ = R 2 R ( L) 2 + ω 12

EPO I Aula 23 Gradadores Gradador monofásico Carga RL Ângulo de extinsão β 13

EPO I Aula 23 Gradadores Gradador monofásico Carga RL v o Tensão na carga G2 G1 Corrente na carga I Lef i L R L I Lm = = 0 2I Tef v L V Médio Lmed = Eficaz β 2Vo sen( ωt) d( ωt) 1 α 2π+β 2π + 2Vo sen ωt d ωt π+α V = 0 β Lmed ( ) ( ) 1 VLef = 2Vo sen ωt d ωt π V Lef V o α β α π 2 ( ) ( ) ( β) ( α) sen 2 sen 2 2π 14

EPO I Aula 23 Gradadores Gradador monofásico Carga RL Corrente no tiristor G2 i L Médio v o G1 R L v L β 1 Vo ITmed = 2 sen ωt d ωt 2π R α ( ) ( ) I Tmed ( ) cos( ) ( ) e ( φ) cos α φ β φ Im = sen α φ arctan( )[ t ] 2π φ ω α 1 + arctan 15

EPO I Aula 23 Gradadores I Gradador monofásico Carga RL Corrente no tiristor Eficaz Tef β 2 1 2 cotg( φ)( ωt φ) ITef = I m sen ( ωt φ) sen ( α φ) e d ωt 2π α sen 2( α β) sen 2( β α) 2sen ( α φ) cos( φ) 2 ( φ ) + φ α β ( ) ( ) ( ) ( ) sen ( ) cotg( φ)( α β ) e 2 ( ) ( ) ( ) ( φ ) + 2 sen ( α φ) 2cotg( α β) ( ) ( ) ( ) e 2cotg( φ) β α + + 2 4 cotg 1 ( )( ) ( cotg sen cos ) cotg ( ) sen ( ) cos( ) e I m = sen 2 α φ φ 2π cotg φ cos β sen β cotg 1 cotg φ β + β φ α + α cotg φ cos α sen α + 1 ( ) ( ) 16

EPO I Aula 23 Gradadores Gradador monofásico Carga RL 17

EPO I Aula 23 Gradadores Gradador monofásico Carga RL Componentes harmônicas n n n= 1 ( ω ) = cos( ω ) + sen ( ω ) i t a n t b n t 1) Amplitude I = a + b 2 2 n n n 2) Fase da fundamental Tensão de referência arctan a b 1 1 Φ 1 = ( ω ) = sen ( ω ) v t V t Fator de deslocamento DF = cos ( Φ ) 1 18

EPO I Aula 23 Gradadores Gradador monofásico Carga RL Componentes harmônicas (fundamental) a 1 I m { cos( ) cos( 2 ) cos( 2 ) sen ( ) 2 2 sen ( 2 ) sen ( 2 ) = φ α β φ β α α + β 2π ( α φ) ( φ ) + 4sen e cotg 1 ( φ)( α β) ( cotg ( ) cos( ) sen ( )) cotg ( ) cos( ) sen ( ) ( ) cotg + φ β β φ α α 2 b 1 I m { sen ( ) cos( 2 ) cos( 2 ) cos( ) 2 2 sen ( 2 ) sen ( 2 ) = φ α β + φ β α α + β 2π ( α φ) ( φ ) + 4sen cotg 1 ( φ)( α β) ( cotg ( ) sen ( ) cos( )) cotg ( ) sen ( ) cos( ) ( ) cotg + e φ β + β φ α α 2 19

EPO I Aula 23 Gradadores Gradador monofásico Carga RL Componentes harmônicas (acima da fundamental) I cos( φ) cos( φ m ) cos ( 1 ) cos 1 cos ( 1 ) cos 1 ( ) (( ) ) ( ) (( ) ) an = n α n β + + n α + n β π 1 n 1 n + sen ( φ) sen ( φ) + sen (( 1 n) α) sen (( 1 n) β ) + sen (( 1+ n) α) sen (( 1+ n) β) 1 n 1+ n 2sen( α φ) cotg( φ)( α β) + e 2 2 ( cotg ( φ) cos( nβ) nsen ( nβ) ) ( cotg ( φ) cos( nα) nsen ( nα) ) cotg ( φ ) + n ( φ) I cos cos m bn = sen (( 1 n) β) sen (( 1 n) α ) + sen (( 1+ n) α) sen (( 1+ n) β) π 1 n 1 n + sen ( φ) sen ( φ) + cos( ( n 1) β) cos( ( n 1) α ) + cos( ( 1+ n) β) cos( ( 1+ n) α) n 1 n+ 1 2sen( α φ) cotg( φ)( α β) + e 2 2 ( cotg ( φ) sen ( nβ) ncos( nβ) ) ( cotg ( φ) sen ( nα) ncos( nα) ) cotg ( φ ) + n ( φ) 20

EPO I Aula 23 Gradadores Controle por ciclos inteiros Variação da potência através s da alteração do número n de ciclos (ou semi-ciclos) de condução Condução em um ciclo inteiro não produz componentes de alta ordem não háh o problema de ruído na instalação Ciclos sem condução geração de sub- harmônicas (harmônicas( de ordem mais baixa) problemas de cintilação (flicker( flicker) 24

EPO I Aula 23 Gradadores Controle por ciclos inteiros Atuação em ciclos inteiros t T 1 T t I Lef = Vo R T T 1 P P o = T T 1 25

EPO I Aula 23 Gradadores Controle por ciclos inteiros Atuação em semi-ciclos ciclos redução do flicker v i i L t T 1 T t I Lef = Vo R T T 1 P P o = T T 1 26

EPO I Aula 23 Gradadores Aplicação de gradador monofásico Variação da potência médiam TRIAC equivalente a dois SCR em anti-paralelo Circuito de disparo mais simples DIAC Aplicação Fornos, lâmpadas, sistemas de aquecimento (chuveiros) 27

EPO I Aula 23 Gradadores Aplicação de gradador monofásico Curva característica do funcionamento do DIAC 28

EPO I Aula 23 Gradadores Aplicação de gradador trifásico Partida suave de motores de indução Para a partida do motor, o torque elétrico (T e ) deve ser maior que o torque mecânico (T( m ) da carga provoca a aceleração do rotor O motor acelera até o momento em que T e e T m se igualam Quando é usada a partida direta da rede, o torque elétrico gerado pelo motor é muito maior que o torque mecânico da carga, o que gera uma rápida r aceleração Logo uma grande quantidade de energia é absorvida da rede elevadas correntes transitórias rias >7x o valor nominal 29

EPO I Aula 23 Gradadores Aplicação de gradador trifásico Modelo equivalente do motor torque e corrente em função de ω r T e P V s Rrωsl = 3 2 ω R +ω L 2 2 2 2 e r sl lr R / S +ω L ( ) 2 2 2 r e lr I s I = ω ω sl =ωe ω e ωr r s = ω r V e s 30

EPO I Aula 23 Gradadores Aplicação de gradador trifásico Gradadores para partida suave de motores de indução variação de V s 31

EPO I Aula 23 Gradadores Aplicação de gradador trifásico Circuitos típicos t de soft-starters starters 1) Trifásico com 3 braços Bypass 2) Trifásico com 2 braços Bypass i 1 Z 1 i 1 Z 1 v 1 v 1 i 2 Z 2 i 2 Z 2 v 2 v 2 i 3 Z 3 i 3 Z 3 v 3 v 3 32

EPO I Aula 23 Gradadores Aplicação de gradador monofásico Implementação de reatores variáveis veis X = X X eq Leq C L eq πl 2( ) sen 2( ), π = α π π α π α 2 33

EPO I Aula 23 Gradadores Aplicação de gradador trifásico Compensação de fator de potência X eq capacitivo para compensar a componente indutiva da carga L 1 X = X Correção rápida r do fator de potência de cargas indutivas variáveis veis eq 34 1

EPO I Aula 23 Gradadores Aplicação de gradador trifásico Compensação estática tica de tensão alternada senoidal A tensão V 2 pode ser estabilizada para variações de 30% da tensão V 1 nominal Aplicação em linhas de transmissão FACTS V 2 = V 1 2 2 X Lo XLo 1 + XC R 35

EPO I Aula 24 Conversores duais UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 24 Conversores duais, Dr. Eng. leandromichels@gmail.com 1

EPO I Aula 24 Conversores duais Princípio dos conversores duais União de dois retificadores totalmente controlados (operação em dois quadrantes) com o propósito de operar em quatro quadrantes Operação na carga com tensão positiva e negativa e corrente positiva e negativa Aplicação: controle de motores de corrente contínua nua (aceleração e frenagem com giro nos dois sentidos) 2

EPO I Aula 24 Conversores duais Princípio dos conversores duais Conversor 1º e 4º 4 quadrantes Circuito Circuito equivalente Tensão de saída vs. alfa Quadrantes de operação V Lmed 1.17V cos( α) o 3

EPO I Aula 24 Conversores duais Princípio dos conversores duais Conversor 2º e 3º 3 quadrantes Circuito Circuito equivalente Tensão de saída vs. alfa Quadrantes de operação V Lmed 1.17V cos( α) o 4

EPO I Aula 24 Conversores duais Princípio dos conversores duais Conversor 1º,, 2º, 2, 3º 3 e 4º 4 quadrantes Circuito Circuito equivalente Tensão de saída vs. alfa Quadrantes de operação α +α = 180 o P N 5

EPO I Aula 24 Conversores duais Problema da corrente de circulação Problema os conversores possuem valores médios de tensão iguais, mas valores instantâneos diferentes Diferenças de tensão existe uma corrente circulante entre os conversores muito alta Solução reatores de circulação (limita a corrente) 6

EPO I Aula 24 Conversores duais Princípio de funcionamento Tensão de saída V Z VP + VN = α 180 o P +α N = 2 Conversor P passivo e N passivo α = 90º Conversor P ativo e N passivo 0 o α < 90º Conversor N ativo e P passivo 90 o < α 180º 7

EPO I Aula 24 Conversores duais Princípio de funcionamento Corrente de carga nula I L = 0 I P = I N = I C 0 Conversores com corrente de circulação em um sós sentido I C I C 8

EPO I Aula 24 Conversores duais Exemplo Tensão nula α P =90º,, L=1mH 9

EPO I Aula 24 Conversores duais Exemplo Tensão nula α P =90º,, L=10mH 10

EPO I Aula 24 Conversores duais Princípio de funcionamento Corrente de carga positiva I L >0A I P = I L + I C I N = I C Conversores com corrente de circulação em um sós sentido I C I C I L I L 11

EPO I Aula 24 Conversores duais Exemplo Tensão nula α=90º,, L=10mH, I L =10A 12

EPO I Aula 24 Conversores duais Exemplo Tensão positiva α=30º,, L=10mH, I L =10A 13

EPO I Aula 24 Conversores duais Exemplo Tensão negativa α=120º,, L=10mH, I L =10A 14

EPO I Aula 24 Conversores duais Princípio de funcionamento Corrente de carga negativa I L <0 I P = I C I N = I L + I C Conversores com corrente de circulação em um sós sentido I C I C I L I L 15

EPO I Aula 24 Conversores duais Exemplo Tensão nula α=90º,, L=10mH, I L =-10A 16

EPO I Aula 24 Conversores duais Exemplo Tensão positiva α=30º,, L=10mH, I L =-10A 17

EPO I Aula 24 Conversores duais Exemplo Tensão negativa α=30º,, L=10mH, I L =-10A 18

EPO I Aula 24 Conversores duais Cálculo da corrente de circulação 0 o < α P < 60º 60 o < α P < 90º I 3 3 2 V o = α α α πωl ( cos( ) sen ( )) C P P P I C = 2π 2π 2π αp cos αp sen αp 3 3 2V 3 3 3 o πωl π π π + αp cos αp sen αp 3 3 3 Valor máximom I C max = 0.567 2V o ωl 19

EPO I Aula 24 Conversores duais Corrente de circulação vs. alfa 20

EPO I Aula 24 Conversores duais Cálculo das harmônicas na carga Amplitude das harmônicas V n (( n ) P) ( n ) ( P) 2mV cos 1 cos 1 o π α + α = sen π m n 1 n+ 1 m número de pulsos de cada grupo (positivo/ negativo) n ordem da harmônica 21

EPO I Aula 24 Conversores duais Exemplo - harmônicas Conversor dual de três pulsos 22

EPO I Aula 24 Conversores duais Estruturas de conversores duais Monofásico ponto médio m Monofásico ponte completa 23

EPO I Aula 24 Conversores duais Estruturas de conversores duais Trifásico ponto médio m Trifásico ponte completa 24

EPO I Aula 24 Conversores duais Operação sem circulação de corrente Reduz-se os esforços os nos semicondutores Evita-se a necessidade dos reatores de interfase 25

EPO I Aula 25 Cicloconversores UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 25 Cicloconversores, Dr. Eng. leandromichels@gmail.com 1

EPO I Aula 25 Cicloconversores Propósito dos cicloconversores Utilizar uma adequada modulação do ângulo de disparo dos conversores duais para obter uma forma de onda CA na saída V = α V = 1.17V f ( t) 1.17V cos( ) Lmed o P Lmed o 2

EPO I Aula 25 Cicloconversores Propósito dos cicloconversores Variação do ângulo α variação da forma de onda ( ) cos( α ) f t = P 3

EPO I Aula 25 Cicloconversores Propósito dos cicloconversores Operação em quatro quadrantes 4

EPO I Aula 25 Cicloconversores Equação da tensão na carga V LM m π = Vo sen cos α π m ( ) min V LM tensão eficaz máxima m gerada m número de pulsos Vo tensão eficaz da fonte 5

EPO I Aula 25 Cicloconversores Estrutura dos cicloconversores A) Trifásico 3 pulsos com ponto médiom V LM = 3 3 V 2π o 6

EPO I Aula 25 Cicloconversores Estrutura dos cicloconversores B) Trifásico 6 pulsos em ponte para cargas monofásicas isoladas V LM 3 = V π o 7

EPO I Aula 25 Cicloconversores Estrutura dos cicloconversores C) Trifásico 6 pulsos em ponte para cargas não- isoladas V LM 3 = V π o 8

EPO I Aula 25 Cicloconversores Estrutura dos cicloconversores Tabela comparativa V LM = 3 3 V 2π o V LM 3 = V π o V LM 3 = V π o 9

EPO I Aula 25 Cicloconversores Aplicações dos cicloconversores Acionamento de motores CA de grande porte (potência >5000HP) A freqüência CA de saída deve ser menor que a freqüência da rede (<80%) Logo, o motor deve ser construído para operar na sua condição nominal com freqüência menor que a da fonte 10

EPO I Aula 25 Cicloconversores Exemplo 11

EPO I Aula 25 Cicloconversores Exemplo V o =100V,, f 1 =50Hz,V out =66.6V, f out =5Hz,, R L =1Ω, L L =0.1H, L=1mH 12

EPO I Aula 25 Cicloconversores Exemplo V o =100V,, f 1 =50Hz,V out =66.6V, f out =5Hz,, R L =1Ω, L L =0.1H, L=1mH 13

EPO I Aula 25 Cicloconversores Exemplo V o =100V,, f 1 =50Hz,V out =75V, f out =10Hz,, R L =1Ω, L L =0.1H, L=1mH 14

EPO I Aula 25 Cicloconversores Exemplo V o =100V,, f 1 =50Hz, V out =75V, f out =10Hz,, R L =1Ω, L L =0.1H, L=1mH, 15

EPO I Aula 25 Cicloconversores Exemplo V o =100V,, f 1 =50Hz, V out =80V, f out =20Hz,, R L =1Ω, L L =0.1H, L=1mH, 17