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eletrônica de potência

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EPO I – Aula 01 – ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I
Aula 01 - Introdução à Eletrônica de Potência

Prof. Leandro Michels, Dr. Eng.
leandromichels@gmail.com
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EPO I – Aula 01 – Informações gerais

Eletrônica de potência
Eletrônica de potência é a tecnologia
associada ao eficiente processamento e
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Prof. Leandro Michels
EPO I – Aula 01 – Informações gerais

Eletrônica de potência
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Prof. Leandro Michels
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Prof. Leandro Michels
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eletrônica de potência

  • 1. EPO I – Aula 01 – ELETRÔNICA DE POTÊNCIA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 01 - Introdução à Eletrônica de Potência Prof. Leandro Michels, Dr. Eng. leandromichels@gmail.com 1
  • 2. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Eletrônica de potência Eletrônica de potência é a tecnologia associada ao eficiente processamento e controle da energia por meios estáticos a partir da sua forma disponível de entrada e forma desejada em sua saída Sua faixa de potência vai de mW (telefone celular) a centenas de MW (sistemas de energia) Área multidisciplinar 2 Prof. Leandro Michels
  • 3. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Eletrônica de potência Áreas de conhecimento associadas: Conversão de energia Circuitos elétricos Eletrônica Controle Instrumentação Sistemas de energia Máquinas elétricas Compatibilidade eletromagnética 3 Prof. Leandro Michels
  • 4. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Eletrônica de potência Métodos de processamento da energia: Linear → conversão através de transistores operando como resistores variáveis → elevadas perdas → eletrônica analógica convencional (ex.: amplificador de som de rádio) Comutada → conversão através de dispositivos eletrônicos operando como interruptores → operação em etapas (ex.: sistema de partida suave de motores → softstarters) 4 Prof. Leandro Michels
  • 5. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Conversores estáticos Classificação quanto à forma de conversão: CC-CC (pulsador) E1 CA-CC (retificador) CC-CA (inversor) Retificador v1,f1 Conversor indireto CA Conversor direto CA Conversor direto CC CA-CA (gradador/ cicloconversor) Conversor indireto CC E2 Inversor v2,f2 5 Prof. Leandro Michels
  • 6. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Conversores estáticos Classificação quanto ao fluxo de energia: 1. Unidirecional em tensão e corrente (1 quad) 2. Bidirecional em tensão e unidirecional em corrente (2 quad) 3. Bidirecional em corrente e unidirecional em tensão (2 quad) 4. Bidirecional em tensão e corrente (4 quad) ik 2o quad. 1o quad. 3o 4o quad. quad. vk 6 Prof. Leandro Michels
  • 7. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Conversores estáticos Classificação quanto ao modo de operação: Conversores comutados pela linha (EPO1) Necessitam de uma tensão CA externa para operarem adequadamente Empregam interruptores não-controlados (diodos) e semi-controlados (tiristores) Conversores completamente controláveis (EPO2) Não necessitam de tensão CA externa Empregam interruptores não-controlados (diodos) e completamente controlados (transistores) 7 Prof. Leandro Michels
  • 8. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Aplicações: conversores estáticos 8 Prof. Leandro Michels
  • 9. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Conversores comutados pela linha Dispositivos de processamento de energia Diodo Tiristor Prof. Leandro Michels Indutor (reator) Capacitor metalizado (CA) Transformador Capacitor eletrolítico (CC) 9
  • 10. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Conversores comutados pela linha Dispositivos de proteção e dissipação Ventilador Resistor Dissipador de calor Resistor NTC Prof. Leandro Michels Varistor Snubber Fusível para semicondutor 10
  • 11. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Conversores comutados pela linha Dispositivos de instrumentação Sensor de corrente shunt Sensor de corrente hall Prof. Leandro Michels Sensor de temperatura Sensor de tensão trafo Sensor de tensão hall 11
  • 12. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Conversores comutados pela linha Dispositivos de comando e controle Transformador de pulso Placa de aquisição e controle Driver isolado Fonte CC Prof. Leandro Michels 12
  • 13. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Aplicações dos conversores estáticos 1. Conversores comutados pela linha Aplicações → altas potências São muito empregados em aplicações industriais São muito confiáveis Empregam freqüências de comutação baixas e elementos reativos grandes 13 Prof. Leandro Michels
  • 14. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Retificadores não-controlados – carga RL Principais tipos: Monofásico de meia onda E1 Retificador v1,f1 Monofásico de onda completa com ponto médio Retificador monofásico de onda completa em ponte Retificador trifásico com ponto médio Retificador trifásico de onda completa Empregam apenas diodos Prof. Leandro Michels 14
  • 15. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Retificadores não-controlados – carga RL Aplicações Alternador Mineração - bauxita 15 Prof. Leandro Michels
  • 16. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Retificadores não-controlados – carga RC Principais tipos: E1 Retificador v1,f1 Monofásico em onda completa Monofásico como dobrador de tensão Trifásico Empregam apenas diodos 16 Prof. Leandro Michels
  • 17. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Retificadores não-controlados – carga RC Aplicações Estágio de entrada de fontes para computador Prof. Leandro Michels Fontes p/ equipamentos eletrônicos 17
  • 18. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Conversores diretos CC lineares Principais tipos: Regulador de tensão a diodo zener E1 Retificador v1,f1 Regulador de tensão a transistor Regulador de tensão a CI Circuito sem comutação 18 Prof. Leandro Michels
  • 19. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Conversores diretos CC lineares Aplicações Estágio de saída de fontes p/ equipamentos eletrônicos Prof. Leandro Michels Estágio de saída de fontes p/ equipamentos eletrônicos 19
  • 20. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Retificadores controlados – carga RL Principais tipos: Monofásico de meia onda E1 Retificador v1,f1 Monofásico de onda completa Retificador trifásico com ponto médio Retificador trifásico de onda completa Empregam diodos e tiristores 20 Prof. Leandro Michels
  • 21. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Retificadores controlados – carga RL Aplicações Solda e corte Fornos a arco CC Prof. Leandro Michels 21
  • 22. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Retificadores controlados – carga RL Aplicações Galvanização eletrolítica Eletrolisação 22 Prof. Leandro Michels
  • 23. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Retificadores controlados – carga RL Aplicações HVDC (Transmissão de energia em corrente contínua) 23 Prof. Leandro Michels
  • 24. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Retificadores controlados – carga RLE Aplicações Excitatriz estática (geração do campo) para motor CC e gerador síncrono Motor CC → giro unidirecional 24 Prof. Leandro Michels
  • 25. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Conversores duais Principais tipos: E1 Retificador v1,f1 Monofásico com ponto médio Monofásico em ponte Trifásico com 3 pulsos Trifásico com 6 pulsos Empregam apenas tiristores 25 Prof. Leandro Michels
  • 26. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Conversores duais Aplicações Motor CC → giro bidirecional Indústria de laminação, papel, cimento, mineração 26 Prof. Leandro Michels
  • 27. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Gradadores Principais tipos: v1,f1 Gradadores monofásicos Gradadores trifásicos Conversor direto CA Controle por ciclos inteiros v2,f2 Empregam apenas tiristores 27 Prof. Leandro Michels
  • 28. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Gradadores – carga R Aplicações Controle de temperatura Ducha eletrônica Fornos industriais 28 Prof. Leandro Michels
  • 29. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Gradadores – cargas genéricas Aplicações Estabilizadores eletrônicos de tensão Chaves de transferência estática 29 Prof. Leandro Michels
  • 30. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Gradadores – carga L Aplicações Compensadores estáticos de potência reativa (FACTS – transmissão de energia) 30 Prof. Leandro Michels
  • 31. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Gradadores – carga RLE Aplicações Sistema de partida suave para motores (soft-starters) Prof. Leandro Michels 31
  • 32. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Cicloconversores Principais tipos: Trifásicos 3 pulsos com ponto médio Trifásico 6 pulsos, em ponte, para cargas isoladas v1,f1 Conversor direto CA Trifásicos 6 pulsos, em ponte, para cargas não isoladas v2,f2 Empregam apenas tiristores 32 Prof. Leandro Michels
  • 33. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Cicloconversores Aplicações Controle de motores CA de propulsão de alta potência (trens, navios, guindastes) 33 Prof. Leandro Michels
  • 34. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Inversores Principais tipos: Monofásicos Trifásicos 3 braços Trifásicos 4 braços E2 Inversor v2,f2 Empregam tiristores e diodos 34 Prof. Leandro Michels
  • 35. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Inversores Aplicações Forno de indução 35 Prof. Leandro Michels
  • 36. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Aplicações dos conversores estáticos 2. Conversores completamente controláveis Aplicações → potências pequenas a médias São muito empregados em sistemas comerciais e resitências Possuem elevada densidade de potência Empregam freqüências de comutação elevadas e elementos reativos pequenos 36 Prof. Leandro Michels
  • 37. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Conversores comutados em alta freqüência Classificação dos conversores estáticos: CC-CC (pulsador) CA-CC (retificador) E1 CC-CA (inversor) CA-CA (gradador/ cicloconversor) Retificador v1,f1 Conversor indireto CA Conversor direto CA Conversor direto CC Conversor indireto CC E2 Inversor v2,f2 37 Prof. Leandro Michels
  • 38. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Conversor CC-CC – alta freqüência Aplicações Fontes de computadores (VRM) Fontes CC-CC para equipamentos eletrônicos 38 Prof. Leandro Michels
  • 39. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Retificadores – alta-freqüência Aplicações Retificadores para aplicações em telecomunicações Carregadores compactos para equipamentos eletrônicos 39 Prof. Leandro Michels
  • 40. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Inversores – alta-freqüência Aplicações Amplificadores de som Estágio de saída de inversores de freqüência 40 Prof. Leandro Michels
  • 41. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Conversores CA-CA – alta-freqüência Aplicações Acionamento de motores 41 Prof. Leandro Michels
  • 42. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Conversores indiretos (em cascata) E1 Podem utilizar conversor de baixa freqüência (BF) em conjunto com outro de alta freqüência (AF) Retificador v1,f1 Conversor indireto CA Conversor direto CA Conversor direto CC Conversor indireto CC E2 Inversor v2,f2 42 Prof. Leandro Michels
  • 43. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Conversor indiretos (em cascata) Aplicações Fonte para telecom Retificador (AF) CC-CC (AF) No-breaks Retificador (BF/AF) Inversor (AF) Inversor de freq. Retificador (BF) Inversor (AF) 43 Prof. Leandro Michels
  • 44. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Case real A Schulz S/A adquiriu dois transformadores de 6,625 MVA de potência e 13,8 kV com um retificador de saída de 12 pulsos (cada) para alimentar um forno de indução de 9MVA. Cada transformador possui 12 pulsos defasados de 30º entre si e deslocados 7,5º em relação ao ângulo de origem (um transformador positivo e outro negativo), o retificador é alimentado pelos 2 transformadores simultaneamente, resultando, assim, um sistema com uma defasagem de 15° entre os pulsos. 44 Prof. Leandro Michels
  • 45. EPO I – Aula 01 – Informações gerais Case real Perguntas: 1. Porque decidiu-se usar um retificador de 24 pulsos? 2. Porque os transformadores (juntos) tem potência de 13,25MVA se a potência da carga é de 9MVA? 3. Como foram dimensionados os diodos/tiristores para este sistema? Talvez vocês nunca precisarão projetar um dos sistemas estudados em EPO1, mas é bem possível que precisem conhecer estes sistemas em uma decisão de compra ou para manutenção 45 Prof. Leandro Michels
  • 46. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 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 dos conversores estáticos Prof. Leandro Michels, Dr. Eng. leandromichels@gmail.com 1
  • 47. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Teoria básica dos conversores estáticos Um sistema de conversão estática de energia é constituído dos seguintes elementos: energia Fontes energia Conversor estático 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 Prof. Leandro Michels
  • 48. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Teoria básica dos conversores estáticos Os conversores estáticos 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) Prof. Leandro Michels 3
  • 49. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Teoria básica dos conversores estáticos Função de cada grupo de elementos: Não-lineares → operam como interruptores para fazer a conversão de correntes ou tensões de CA→CC e CC→CA Lineares reativos → operam como armazenadores intermediário 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 Prof. Leandro Michels
  • 50. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Elementos não-lineares (semicondutores) Característica fundamental: ik Dispositivo de dois terminais (excluindo os terminais de controle) + vk Operação como interruptor - 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 vk ik= 0 vk= 0 ik 5 Prof. Leandro Michels
  • 51. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Elementos não-lineares (semicondutores) ik conduz Característica estática (ideal): conduz Somente sobre os eixos da curva vk x ik (perdas nulas) bloqueia bloqueia vk Condução → Tensão nula Bloqueio → Corrente nula Equivalente a uma resistência ⎧0, ligado com dois valores distintos Rk ( t ) = ⎨ ⎩∞, desligado Os interruptores empregados em eletrônica de potência, em geral, não operam nos 4 quadrantes. Portanto, precisa-se conhecer sua característica. 6 Prof. Leandro Michels
  • 52. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Elementos não-lineares (semicondutores) Característica dinâmica (genérica): Comutação espontânea: Deslocamentos sobre os eixos vk x ik no 2º ou 4º quad. Ocorre sem nenhum sinal externo de comando Ex.: abertura e fechamento de diodos, abertura de tiristor Comutação comandada: Mudança do estado de condução (de fechado para aberto ou vice-versa) → deslocamentos sobre os eixos vk x ik no 1º ou 3º quad. Ocorre devido a sinal externo de comando Ex.: fechamento do tiristor Prof. Leandro Michels 7
  • 53. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Elementos não-lineares (semicondutores) Característica dos dispositivos: Diodos: Unidirecional em corrente e unidirecional em tensão (é um curto-circuito para tensões positivas) Entrada em condução → espontânea (vk>0) Saída de condução → espontânea (transição de ik>0 → ik=0) ik 1 + vk - esp. conduz ik bloqueia vk 2 8 Prof. Leandro Michels
  • 54. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Elementos não-lineares (semicondutores) Tiristores: Unidirecional em corrente e bidirecional em tensão Entrada em condução → comandada (vk>0 e ig>0) Saída de condução → espontânea (transição de ik>0 → ik=0) ik 1 + vk 2 esp. conduz ik bloqueia com. bloqueia esp. vk 9 Prof. Leandro Michels
  • 55. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 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 (vk>0 e ig>0) e espontânea (vk<0) Saída de condução → espontânea (transição de ik<0 → ik=0) 1 + vk ig 2 esp. conduz ik Tiristor com. bloqueia conduz ik esp. vk 10 Prof. Leandro Michels Diodo
  • 56. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Elementos não-lineares (semicondutores) Tiristores em anti-paralelo: Bidirecional em tensão e corrente Entrada em condução → comandada (vk>0 e ig1>0) ou (vk<0 e ig2>0) Saída de condução → espontânea (ik>0→ik=0) ou (ik<0→ik=0) ik ig2 + vk - ig1 2 Tiristor 1 esp. com. bloqueia bloqueia com. Tiristor 2 Prof. Leandro Michels Tiristor 1 conduz 1 conduz ik esp. Tiristor 2 vk 11
  • 57. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 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 Prof. Leandro Michels
  • 58. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 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 → exceção quando vc(t)=0 i Apresentam, na prática, resistências (RSE) e indutâncias parasitas dvc ( t ) ic ( t ) = C dt Prof. Leandro Michels 1 c vc 2 t 1 vc ( t ) = ∫ ic ( t ) dt + vc ( 0 ) , ∀t > t0 C0 13
  • 59. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 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 Não podem operar em curto aberto → exceção quando iL(t)=0 Apresentam, na prática, resistências (RSE) e capacitâncias parasitas iL Podem possuir derivações (mais terminais) diL ( t ) vL ( t ) = L dt Prof. Leandro Michels 1 vL 2 t 1 iL ( t ) = ∫ vL ( t ) dt + iL ( 0 ) , ∀t > t0 C0 14
  • 60. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 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 i1 N1:N2 v1 i1 i2 i2 v2 v1 i2N2 N1 + - v1N2 N1 v2 N2 ⎧ ⎪v2 ( t ) = N v1 (t ) ⎪ 1 ⎨ ⎪i ( t ) = N 2 i (t ) 2 ⎪1 N1 ⎩ Obs.: Este modelo não funciona para sinais CC 15 Prof. Leandro Michels
  • 61. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Elementos lineares de conversão Transformadores (reais): Possuem dinâmica (indutâncias mútua 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 Não podem operar em curto aberto → exceção quando iL(t)=0 → resulta em sobretensões nos outros enrolamentos Apresentam, na prática, resistências (RSE) e capacitâncias parasitas 16 Prof. Leandro Michels
  • 62. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Elementos lineares de conversão Transformadores x Auto-transformadores: Transformadores → possuem isolação galvânica → cada enrolamento pode estar em qualquer potencial (desde que respeitada a tensão de isolação entre os enrolamentos) Auto-transformadores → não possuem isolação galvânica Auto-transformador Prof. Leandro Michels Transformador 17
  • 63. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Elementos lineares de conversão Transformadores (reais): Modelo equivalente (desprezando-se as resistências) L12 = L21 = ⎡v1 ( t ) ⎤ ⎡ L11 ⎢ ⎥=⎢ ⎢v2 ( t ) ⎥ ⎣ L21 ⎣ ⎦ Prof. Leandro Michels L12 ⎤ d ⎡i1 ( t ) ⎤ ⎥ ⎥ dt ⎢ L22 ⎦ ⎢i2 ( t ) ⎥ ⎣ ⎦ n2 LM n1 L11 = Ll1 + n1 L12 n2 L22 = Ll 2 + n2 L12 n1 18
  • 64. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Elementos lineares dissipativos Característica fundamental: Dissipam a energia Geram calor Diminuem a eficiência da conversão Resistores: Não possuem dinâmica iR 1 vR vR ( t ) = R iR ( t ) 2 19 Prof. Leandro Michels
  • 65. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores 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): if 1 + vf 2 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 Prof. Leandro Michels 20
  • 66. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Cargas Característica fundamental: Dispositivo de dois ou mais terminais Fundamentalmente são absorvedores de energia (mas também podem devolver energia) iL + vL - Podem ser unidirecionais ou bidirecionais Principais comportamentos das cargas: Resistivo Resistivo-indutivo Resistivo-indutivo-fonte Fonte Prof. Leandro Michels 21
  • 67. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Fundamentos da conversão estática Princípios fundamentais: 1) Interconexão entre a(s) fonte(s) e a(s) carga(s) intermediada por interruptor(es) energia Fontes Ex.: retificador E ~ Fonte energia Conversor estático Cargas S1 S2 Conversor estático R Carga 22 Prof. Leandro Michels
  • 68. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Princípios fundamentais dos conversores 2) A comutação do(s) interruptor(es) ocorre de forma cíclica → controle do fluxo de potência e direcionalidade da tensão e/ou corrente Ex.: retificador → corrente de saída unidirecional Quando vF(t)<0 Quando vF(t)>0 vF t iF E ~ Fonte vF S1 S2 Conversor estático iL vF iL t iL t iF R vL E Carga ~ vF Fonte S1 tt iL R v L S2 Conversor estático Carga Com vF(t) é cíclica (senóide), os interruptores devem comutar de cíclica para tornar vL(t)>0 23 Prof. Leandro Michels
  • 69. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Princípios fundamentais dos conversores 3) Utilização de elementos reativos → filtragem Ex.: retificador → corrente de saída unidirecional iL vF c/ filtro s/ filtro t t S1 iF ~ Fonte L vF iL R v L S2 Conversor estático Carga A inclusão do indutor diminui a ondulação na corrente de saída Prof. Leandro Michels 24
  • 70. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Princípios fundamentais dos conversores 3) Utilização de elementos de conversão → alteração da amplitude da tensão e/ou corrente Ex.: retificador → tensão de saída unidirecional vF vL t iF 1:2 ~ iL vF Fonte t S1 S2 Conversor estático R v L Carga O autotransformador altera o valor da tensão CA 25 Prof. Leandro Michels
  • 71. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Princípios fundamentais dos conversores 3) Utilização de elementos de conversão → isolação galvânica Ex.: retificador → tensão de saída unidirecional vF vL t iF ~ E Fonte 1:1 t S1 vF S2 Conversor estático iL R v L Carga O transformador é empregado para se obter a isolação galvânica Prof. Leandro Michels 26
  • 72. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Princípios fundamentais dos conversores 4) Associação de fontes Fonte de tensão em série com indutor → comportamento de fonte de corrente = Fonte de corrente em paralelo com capacitor → comportamento de fonte de tensão = 27 Prof. Leandro Michels
  • 73. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Princípios fundamentais dos conversores 5) Conexão de fontes por interruptores Fonte de tensão não podem ser curto-circuitadas (exceção vc=0 ou E=0) vc S E S Fonte de corrente não podem ser abertas (exceção iL=0 ou iF=0) iL S iF S 28 Prof. Leandro Michels
  • 74. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Princípios fundamentais dos conversores 5) Conexão de fontes por interruptores Fonte de tensão só podem ser conectadas em paralelo quando vc1=vc2 ou vc1=E S S vc2 vc1 vc1 E vc1≠vc2 vc1≠E Fonte de corrente só podem ser conectadas em série quando iL1=iL2 ou iF=iL2 iL2 iL1 S iL1≠iL2 Prof. Leandro Michels iF iL2 S iF≠iL2 29
  • 75. EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores Princípios fundamentais dos conversores 6) Princípio básico 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
  • 76. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 03 – Índice de avaliação de desempenho de conversores Prof. Leandro Michels, Dr. Eng. leandromichels@gmail.com 1
  • 77. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Medidas e índices de desempenho Por que usar? • Os conversor não são ideais, possuem perdas, geram distorções • Avaliar comparativamente o desempenho dos conversores • Dimensionar os dispositivos do circuito 2 Prof. Leandro Michels
  • 78. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Exemplo: Conversor ideal Retificador monofásico: vF iF vL t E vF Fonte Corrente drenada senoidal Fator de potência unitário iF t iL Conversor estático Perdas nulas Valor ilimitado para tensões e correntes Z vL Carga Ondulação nula na variável de saída (tensão ou corrente) 3 Prof. Leandro Michels
  • 79. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Exemplo: Conversor real Retificador monofásico: vF iF vL t E vF iF Fonte Corrente de entrada distorcida (forma de onda não senoidal) Fator de potência não-unitário Prof. Leandro Michels t iL Conversor estático Perdas Limitação de tensões e correntes nos compoentes Z vL Carga Ondulação nãonula na variável de saída (tensão ou corrente) 4
  • 80. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho Como avaliar ou especificar o desempenho de um conversor estático real? Através da utilização de índices é possível se qualificar quantitativamente o desempenho do conversor com relação à corrente drenada, a variável de saída e perdas. Principais grupos de índices de desempenho: Medidas Índices CA Índices CC Conversão 5 Prof. Leandro Michels
  • 81. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Medidas elétricas 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, (constante), temse que seu valor médio é dado por: f med = 1 T t0 + T ∫ f ( t ) dt t0 Para formas de onda senoidais → f med = 0 Variáveis com componente CC → f med ≠ 0 6 Prof. Leandro Michels
  • 82. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Medidas elétricas 2) Valor eficaz (rms) Dada uma função periódica f(t)=f(t+T), onde T é o período em que a função se repete, (constante), temse que seu valor eficaz é dado por: 1 f ef = T t0 + T ∫ ⎡ f ( t ) ⎤ dt ⎣ ⎦ 2 t0 Para formas de onda não-nulas → f ef ≠ 0 7 Prof. Leandro Michels
  • 83. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Medidas elétricas 3) Potência A) Tensão e corrente senoidais • Potência aparente • Potência ativa • Potência reativa S = Vef I ef P = Vef I ef cos ( φ ) Q = Vef I ef sen ( φ ) B) Tensão e/ou corrente não-senoidal (periódicas) • Potência aparente S = Vef I ef t +T 2π 1 1 P= ∫ v ( t )i ( t ) dt = 2π ∫ v ( ωt )i ( ωt ) d ωt T t 0 0 • Potência ativa 0 • Potência reativa Q = S 2 − P2 8 Prof. Leandro Michels
  • 84. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho – CA 1) Distorção harmônica total (THD) É a razão entre o valor rms do conteúdo harmônico pelo rms da quantidade fundamental, expressada em percentual, ou seja, se refere ao fator de distorção percentual de uma tensão ou corrente com relação a uma senóide. Seja uma função periódica f(t)=f(t+T), esta pode ser escrita por uma série de Fourier: ⎡ ⎛ kπ x ⎞ ⎛ kπ x ⎞ ⎤ v( x) = a0 + ∑ ⎢ ak cos ⎜ ⎟ + bk sen ⎜ ⎟ L ⎠ L ⎠⎥ ⎝ ⎝ k =1 ⎣ ⎦ ∞ ou: Prof. Leandro Michels ⎡ ⎛ k πx ⎞⎤ v( x) = a0 + ∑ ⎢ck sin ⎜ + φk ⎟ ⎥ ⎝ L ⎠⎦ k =1 ⎣ ∞ 9
  • 85. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho – CA onde: 1 a0 = 2L 1 ak = L 1 bk = L k = 1, 2,... c+2 L ∫ f ( x)dx ck = ak 2 + bk 2 c c+2 L ∫ c c+2 L ∫ c ⎛ kπ x ⎞ f ( x) cos ⎜ ⎟ dx, ⎝ L ⎠ ⎛ kπ x ⎞ f ( x) sin ⎜ ⎟ dx, ⎝ L ⎠ Ck = k = 1, 2,... A THD é dada por: 1 THDv = c1 ⎛ ak ⎞ φk = arctan ⎜ ⎟ ⎝ bk ⎠ k = 1, 2,... ∞ 2 Vef 2 − C12 k =2 ck C12 ck2 = ∑ Empregado para se verificar o percentual de distorção devido a presença de harmônicas 10 Prof. Leandro Michels
  • 86. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho – CA Obtenção de harmônicas → tabelas Vp −2π −π π 2π vL ( t ) = a0 + ∞ ∑ n = q ,2 q ,… an cos ( nωt ) ⎛π⎞ q a0 = V p sen ⎜ ⎟ π ⎝q⎠ ⎛ ⎛ nπ ⎞ ⎛ π ⎞⎞ an = ⎜ cos ⎜ ⎟ sen ⎜ ⎟ ⎟ 2 π ( n − 1) ⎝ ⎝ q ⎠ ⎝ q ⎠⎠ 2qV p q = no. de pulsos presentes na tensão de saída em um ciclo 11 Prof. Leandro Michels
  • 87. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho – CA Obtenção de harmônicas → tabelas Valores normalizados Formulação genérica Mais tabelas vide material extra 2α ∞ i1 ( t ) = ∑ bn sen ( nωt ) −π 1 −π 2 n =1 π -1 2 π 4 ⎛ nπ ⎞ bn = sen ⎜ ⎟ sen ( nα ) nπ ⎝ 2 ⎠ 2α 12 Prof. Leandro Michels
  • 88. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho – CA 2) Fator de potência O fator de potência entre duas função periódicas de mesmo período v(t)=v(t+T) e i(t)=i(t+T) é definido como a razão entre a potência ativa, dada em W, e a potência aparente, dada em VA, ou seja: P PF = = S 1 T t0 + T ∫ v ( t ) i ( t ) dt t0 Vef I ef 1 PF = DF 1 + THD 2 P = potência real (média) S = potência aparente k = no. de fases É um índice que relaciona a potência real e a potência aparente Prof. Leandro Michels 13
  • 89. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho – CA 3) Fator de deslocamento O fator de deslocamento de duas funções periódicas de mesmo período v(t) e i(t), é definido como o ângulo de deslocamento de fase entre a componente fundamental da tensão v(t) e a componente fundamental de corrente i(t). O fator de deslocamento é dado por: DF = cos ( θ1 − φ1 ) θ1 = ângulo de v(t) com relação à uma dada referência φ1 = ângulo de i(t) com relação à mesma referência É igual ao fator de potência para cargas lineares 14 Prof. Leandro Michels
  • 90. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho – CA 4) Fator de crista É definido como a razão de corrente (ou tensão) máxima ou de pico pela corrente (ou tensão) eficaz: I pico CF = I ef Para uma forma de onda senoidal → CF = 2 Para uma forma de onda CC → CF = 1 O fator de crista é usado para determinar a amplitude do pico de correntes não-senoidais com relação a uma senóide 15 Prof. Leandro Michels
  • 91. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho – CA 5) Fator de correção de capacidade (CCF) Uma vez comparado com o fator de crista da forma de onda senoidal, obtém-se o fator de correção da capacidade (CCF), que é representado por: ⎛ 2⎞ CCF ( % ) = ⎜ ⎜ CF ⎟100% ⎟ ⎝ ⎠ Potência corrigida → kVAcor = kVAnomCCF Ex.: Qual a potência máxima nominal que um trafo de 10kVA pode disponibilizar para um retificador com CF=1,53? CCF ( % ) = 92,16% Prof. Leandro Michels kVAcor = 9.216kVA 16
  • 92. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho – CA Aplicação a sistemas trifásicos Sistemas equilibrados → conhecendo-se uma das fases, sabe-se os outros índices (THD, DF, CF) Contudo, a fórmula abaixo se aplica a sistemas t0 + T trifásicos: 1 ∑ T ∫ vk ( t ) ik ( t ) dt k P t0 PF = = S ∑ Vk ef I k ef k = fases k Ex.: Sistemas trifásicos P + P2 + P3 P 1 PF = = S V1ef I1ef + V2 ef I 2 ef + V3ef I 3ef + 17 Prof. Leandro Michels
  • 93. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho –CC 1) Componente CA É o valor da componente CA presente na variável CC: Vca = Vef 2 − Vmed 2 2) Fator de forma Indica a distorção da forma de onda com relação ao ideal (corrente contínua). V FF = ef Vmed 3) Fator de ondulação É a medida do índice de regulação de uma dada função 2 contínua: ⎛ Vef ⎞ RF = FF − 1 = ⎜ ⎟ −1 ⎝ Vmed ⎠ 2 Prof. Leandro Michels 18
  • 94. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho – Conversor 1) Rendimento É uma figura de mérito que permite se avaliar a eficácia de um retificador. Depende dos componentes e da topologia empregada. 1 T t0 + T ∫ vL ( t ) iL ( t ) dt Po t η = = t0 +0T Pi 1 ∫ vF ( t ) iF ( t ) dt T t0 Razão entre a potência ativa de saída e de entrada. Conversor sem perdas → η=1 19 Prof. Leandro Michels
  • 95. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho – Conversor 2) Estresse nos componentes semicondutores Está associado ao valor máximo das tensões e correntes que são aplicados em cada um dos semicondutores do conversor. Para diodos e tiristores: Tensão reversa máxima Corrente de pico Corrente eficaz Derivadas de corrente e tensão Perdas Quanto menor forem os valores supracitados, menor e mais barato será o semicondutor. 20 Prof. Leandro Michels
  • 96. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho – Retificação 1) Razão de retificação Define a efetividade da retificação, através da razão entre a potência média e o produto entre a tensão e correntes eficazes de saída. VLmed I Lmed σ= VLef I Lef É empregado para se determinar o quão eficiente se dá a retificação 21 Prof. Leandro Michels
  • 97. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Índices de desempenho – Retificação 2) Fator de utilização do transformador É a razão entre a potência média de saída e a potência aparente no secundário do transformador. VLmed I Lmed TUF = ∑Vk ef I k ef k k = no. de enrolamentos – secundário Vkef, Ikef = tensão/corrente eficaz enrolamento em cada Indica o quanto do transformador é utilizado com relação ao índice de utilização ideal (TUF=1). 22 Prof. Leandro Michels
  • 98. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Exemplo: Índices CA Retificador monofásico genérico: THD da corrente de entrada ⎛1 ∞ 2⎞ THDi ( % ) = ⎜ c 100% ⎜ c1 ∑ k ⎟ ⎟ k =2 ⎝ ⎠ iF E i2 vF v2 DF da corrente de entrada iL Z DF = cos ( θ1 − φ1 ) vL PF da corrente de entrada P 1 = DF 1 + THD 2 S Fator de crista da corrente no trafo I Fpico CF = I Fef PF = Prof. Leandro Michels 23
  • 99. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Exemplo: Índices CC Retificador monofásico genérico: iF E i2 vF v2 Variável de saída → tensão Componente CA na saída Vca = Vef 2 − Vmed 2 Ondulação na saída 2 ⎛ Vef ⎞ RF = ⎜ ⎟ −1 ⎝ Vmed ⎠ iL Z vL Variável de saída → corrente Componente CA na saída I ca = I ef 2 − I med 2 Ondulação na saída 2 ⎛ I ef ⎞ RF = ⎜ ⎟ −1 ⎝ I med ⎠ 24 Prof. Leandro Michels
  • 100. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Exemplo: Índices de conversão e retificação Retificador monofásico genérico: iF E i2 vF v2 Conversão Rendimento Po η= Pi Estresse nos componentes VD max , I D max , VDrev , I Def ,... iL Z vL Retificação Razão de retificação VLmed I Lmed σ= VLef I Lef Fator de utilização VLmed I Lmed TUF = ∑Vk ef I k ef k Prof. Leandro Michels 25
  • 101. EPO I – Aula 03 – Índices de avaliação de desempenho Exemplo: Índices de conversão Retificador monofásico ideal: iF E i2 vF iL Z v2 vL Variáveis de entrada (corrente) Retificador Variáveis de saída (tensão/corrente) THDi = 0% σ =1 Vca = 0 DF = 1 PF = 1 TUF = 1 RF = 0 CF = 2 η =1 26 Prof. Leandro Michels
  • 102. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Prof. Leandro Michels, Dr. Eng. leandromichels@gmail.com 1
  • 103. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Diodo ideal Característica estática Circuito equivalente A esp. conduz ik 2 1 bloqueia 1 vk 2 1 A C A C Polarização reversa → circuito aberto 2 C Polarização direta → curto-circuito 2 Prof. Leandro Michels
  • 104. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Diodo real Característica estática Circuito equivalente A 2 1 3 1 2 3 1 C A C v(TO) rT A C vRRM rRRM Polarização direta → curto-circuito 3 A Polarização reversa → bloqueio 2 C Região de avalanche → curto-circuito 3 Prof. Leandro Michels
  • 105. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Diodo real Característica dinâmica Não controlada → chave passiva Recuperação direta → entrada em condução Recuperação reversa → saída de condução Geram problemas em circuitos de comutação forçada Provocam substanciais perdas e sobrecorrentes 4 Prof. Leandro Michels
  • 106. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Diodo real Perdas P = Psw + Pc Psw → perdas de comutação (W) Pc → perdas de condução (W) P → perdas totais (W) Perdas de condução Pc = v(TO )iavg + rT irms 2 iavg → corrente média irms → corrente eficaz rT → resistência do diodo – catálogo v(TO) → tensão de condução - catálogo Em conversores comutados pela linha, as perdas de comutação podem ser desconsideradas 5 Prof. Leandro Michels
  • 107. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Tiristor ideal Característica estática esp. conduz ik Circuito equivalente A C 3 G com. bloqueia bloqueia esp. C A C A 1 A C 1 2 vk 2 3 1 Polarização reversa → circuito aberto 2 Polarização direta → circuito aberto (sem disparo) 3 Polarização direta → circuito fechado (disparo) 6 Prof. Leandro Michels
  • 108. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Tiristor real Característica estática Circuito equivalente A C G A C 1 A C v(TO) rT A 4 3 C 2 3 Polarização direta → curto-circuito A C vRM rRRM Polarização reversa → bloqueio Polarização direta → bloqueio Polarização direta → curto-circuito (disparo) 4 4 1 2 Prof. Leandro Michels 7
  • 109. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Tiristor real Característica estática (detalhes) 8 Prof. Leandro Michels
  • 110. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Tiristor real Legenda: 9 Prof. Leandro Michels
  • 111. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Tiristor real Característica dinâmica Semi-controlada → abertura não controlada 10 Prof. Leandro Michels
  • 112. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Tiristor real Característica dinâmica 11 Prof. Leandro Michels
  • 113. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Tiristor real P = Psw + Pc Perdas Psw → perdas de comutação (W) Pc → perdas de condução (W) P → perdas totais (W) Perdas de condução Pc = v(TO )iavg + rT irms 2 iavg → corrente média irms → corrente eficaz rT → resistência do diodo – catálogo v(TO) → tensão de condução - catálogo Em conversores comutados pela linha, as perdas de comutação podem ser desconsideradas 12 Prof. Leandro Michels
  • 114. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Dimensionamento dos dispositivos Tensão máxima reversa em diodos e tiristores Valores recomendados (mesmo assim devem ser empregados snubbers) 13 Prof. Leandro Michels
  • 115. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Dimensionamento dos dispositivos Corrente máxima reversa em diodos e tiristores Corrente CC ICCmax = 0.8*IFAV IFAV →Mean forward [on-state] current [ITAV] Corrente CA ICAmax = 0.8*IFRMS IFRMD → RMS forward [on-state] current [ITRMS] 14 Prof. Leandro Michels
  • 116. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico Perdas nos semicondutores: Condução → associada à potência processada pelo conversor Comutação → associada à freqüência de comutação do conversor → significativa para conversores de alta freqüência (kHz) Propósito do cálculo térmico: Calcular um sistema de dissipação que evite que a temperatura de junção ultrapasse o máximo valor permitido na pior condição de temperatura ambiente na pior condição de operação 15 Prof. Leandro Michels
  • 117. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico Verificar as duas condições: Regime permanente: Potência média → evitar que a temperatura da junção ultrapasse o valor máximo pela falta de tamanho do dissipador Regime transitório: Potência de pico → evitar que a temperatura da junção ultrapasse o valor máximo pela dificuldade de transferir rapidamente o calor da junção para o dissipador 16 Prof. Leandro Michels
  • 118. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico – regime permanente Circuito elétrico equivalente: Legenda: P → potência Rja T → temperatura R → resistência térmica Índices: j → junção semicondutora c → encapsulamento (case) d ou s → dispositivo (device) ou dissipador (sink) a → ambiente Dispositivos sem dissipador disponibilizam o valor de Rja 17 Prof. Leandro Michels
  • 119. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico – regime permanente Projeto: 1) Dados Tj, Ta e P, calcular Rja P → calculado a partir da corrente que circula pelo dispositivo, empregando os dados de catálogo Tj → obtido a partir do valor máximo obtido no catálogo do semicondutor Ta → obtido considerando-se a máxima temperatura ambiente de operação do conversor R ja = T j − Ta P 18 Prof. Leandro Michels
  • 120. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico – regime permanente 2) Dados Rja, Rjc e Rcd, calcular Rda Rja → obtido da etapa anterior Rjc → obtido no catálogo do semicondutor Rcd → obtido no catálogo do semicondutor Rda = R ja − R jc − Rcd 3) Dado Rda, obter um dissipador cuja resistência térmica seja menor (em dissipadores de comprimento ajustável, calcular o comprimento mínimo) 19 Prof. Leandro Michels
  • 121. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico – regime permanente Dimensionamento do dissipador: Resistências térmicas negativas indicam que é impossível dissipar a potência demandada Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor no dissipador, deve-se somar todas as potências dissipadas pelos mesmo e deixar uma margem de folga (15%) No caso de pontes encapsuladas em módulo, o cálculo é dado pela seguinte equação (vide Semikron): R ja = R jc + Rcs + n Rsa n → número de dispositivos Prof. Leandro Michels 20
  • 122. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico – regime permanente Dissipadores de alumínio (ex. HS Dissipadores) Escolha do perfil e valores da resistência (comprimento de 4 polegadas) Compensação por uso de ventilação forçada Ex.: 0.73oC/W 21 Prof. Leandro Michels
  • 123. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico – regime permanente Dissipadores de alumínio: Compensação da diferença de temperatura 22 Prof. Leandro Michels
  • 124. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico – regime permanente Dissipadores de alumínio: Compensação da diferença de comprimento 23 Prof. Leandro Michels
  • 125. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico – regime permanente Dissipadores de alumínio: Compensação da altitude (ar rarefeito) 24 Prof. Leandro Michels
  • 126. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico – regime permanente Dimensionamento do dissipador: Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor no dissipador, deve-se somar todas as potências dissipadas pelos mesmo e deixar uma margem de folga (15%) No caso de pontes encapsuladas em módulo, o cálculo é dado pela seguinte equação (vide Semikron): Os dispositivos não devem ser instalados próximos à borda do dissipador, nem muito próximos entre si. Óxido de alumínio preto reduz em 25% a resistência térmica Prof. Leandro Michels 25
  • 127. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Cálculo térmico – considerações finais Regras práticas: Impedir que a temperatura da junção ultrapasse o valor de 80% o valor máximo permissível (aumenta o MTDF do dispositivo) Ta → deve ser considerado o valor de 40º para instalação em ambiente ventilado ou um valor maior para conversor instalado em ambiente enclausurado Caso seja preciso isolar o dispositivo do dissipador, usar isolante (mica, teflon, mylar). Considerar sua resistência térmica Recomenda-se usar pasta térmica para evitar bolhas de ar entre o dispositivo e o dissipador 26 Prof. Leandro Michels
  • 128. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Exemplos de dados de catálogo - diodo 27 Prof. Leandro Michels
  • 129. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Exemplos de dados de catálogo - tiristor 28 Prof. Leandro Michels
  • 130. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento Exemplos de dados de catálogo - tiristor 29 Prof. Leandro Michels