4. Circuitos e Dispositivos Eletrônicos de Potência

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Circuitos e Dispositivos Eletrônicos de
Potência

11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 1


Eletrônica
e ô ca

• Processamento de Informação
– Transistor (1947) e CI (
( ) (1958)
)
• Processamento da Energia
– R tifi d a arco d mercúrio (1956)
Retificador de úi



Eletrônica de Potência
e ô ca oê ca

• Eletrônica de potência é a tecnologia
associada ao eficiente processamento e
p
controle da energia por meios estáticos,
onde uma entrada qualquer é convertida
na forma de saída desejada.
• Vai de mW ( (telefone celular) a centenas
f )
de MW (sistemas de energia).
( g )
• Área multidisciplinar.



e ô ca oê ca

Áreas de conhecimento associadas:
• Conversão de energia g
• Circuitos elétricos
• Eletrônica
• Controle
• Instrumentação
• Sistemas de energiag
• Máquinas elétricas
• Compatibilidade eletromagnética


e ô ca oê ca

Métodos de processamento da energia:
• Linear → conversão através de transistores
operando como resistores variáveis →
elevadas perdas → eletrônica analógica
p g
convencional (ex.: amplificador de som)
• Comutada → conversão através de
interruptores → operação em etapas
(ex.:
(ex : sistema de partida suave de motores)



e ô ca oê ca

• Conversores Estáticos:
– CA-CC, CC-CA, CC-CC e CA-CA;
, , ;
• Interação entre o controle e os atuadores;
• Elementos mais utilizados:
– Capacitores, Indutores,
p , ,
Resistores e
Chaves Estáticas
• Principal foco:
– R di
Rendimento;
t


C a es s á cas
Chaves Estáticas

• Diodos:
– Condução e bloqueio controlado p
ç q pelo
circuito de potência;
• Tiristores:
– conduzem via controle, bloqueio pela
interrupção d corrente;
i t ã da t
• Chaves Controladas:
– conduzem e bloqueiam via controle.


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Chaves Estáticas
Diodo
odo

Real Ideal Potencial Circ. Equiv.
de disparo Linear aprox.


s o es
Tiristores

• TRIAC;
• SCR (Retificador controlado de silício);
• GTO (Bloqueio pelo gatilho);
• DIAC;



C a es s á cas
Chaves Estáticas

• IGBT (Transistor bipolar com gatilho
);
isolado);
• MOSFET (Transistor de Efeito de Campo
de Metal Óxido Semicondutor);
Metal-Óxido-Semicondutor);
• MCT (Tiristor Controlado a MOS);


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Chaves Estáticas
Valores Nominais
Tensão Corrente Frequência Potência
Componente
(V) (A) (Hz) (kVA)

TIRISTOR 10.000 5.000 2 10.000

TRANSISTOR 1.000 300 20 200

MOSFET 1.000 100 50 50

IGBT 3.000 1.000 20 3.000


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Características
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA das principais chaves
Potência (VA)

Potência (VA)
P

P

Tensão (V) Frequência (Hz)


Aplicações
p cações



Conversores estát cos
Co e so es estáticos



Conversores estát cos
Co e so es estáticos

Classificação quanto ao fluxo de energia:
• Unidirecional em tensão e corrente (1 quad)
( q )
• Bidirecional em tensão e unidirecional em
corrente (2 quad)
• Bidirecional em corrente e unidirecional em
tensão (2 quad)
• Bidirecional em tensão e corrente (4 quad)


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos
comutados pela linha
co utados pe a a

• Dispositivos de processamento de energia

Capacitor
Diodo Indutor (reator)
metalizado (CA)
( )

Capacitor
C it
Tiristor Transformador
eletrolítico (CC)

co utados pe a a

• Dispositivos de proteção e dissipação

Dissipador de calor Ventilador Resistor

Resistor NTC Varistor Fusível para Snubber
semicondutor

co utados pe a a

• Dispositivos de instrumentação

Sensor de corrente Sensor de
shunt tensão t f
t ã trafo

Sensor de Sensor de Sensor de
corrente hall temperatura tensão hall

co utados pe a a

• Dispositivos de comando e controle

Transformador
de pulso

Placa de aquisição e
controle

Driver isolado
Fonte CC

Aplicações
p cações

Corrente de Cond
C e A)
dução (A

Tensão de Bloqueio (V)


Aplicações
p cações

1. Conversores comutados pela linha
– Alta potência
– Ambiente Industrial
– Alta Confiabilidade
– Freqüência de comutação baixa e
– Elementos reativos grandes



Conversores estáticos

Retificadores não-controlados – carga RL
não-
• Principais tipos:
– Monofásico de meia onda
– Monofásico de onda
completa com ponto médio
– Retificador monofásico de
onda completa em ponte
– Retificador trifásico com
ponto médio
t édi
Emprega-se
– Retificador trifásico de onda apenas diodos
completa



Retificadores não-controlados – carga RL
não-
• Aplicações

Alternador Mineração - Bauxita



Retificadores não-controlados – carga RC
não-
completa
– Monofásico como dobrador
de tensão
– Trifásico

Emprega-se
apenas diodos




Retificadores não-controlados – carga RC
não-
• Aplicações

Estágio de entrada de fontes Fontes p/ equipamentos
para computador eletrônicos




Conversores diretos CC lineares
– Regulador de tensão a diodo
g
zener
– Regulador de tensão a
transistor
– Regulador de tensão a CI

Circuitos Fontes p/ equipamentos
Sem Comutação eletrônicos




Retificadores controlados – carga RL
– Monofásico de meia onda
completa
– Retificador trifásico com
ponto médio
– Retificador trifásico de onda
completa
l t
Empregam diodos e
tiristores




• Aplicações

Solda e corte
Fornos a arco CC




• Aplicações

Galvanização eletrolítica

Eletrolisação



• Aplicações

HVDC (Transmissão de energia
( g
em corrente contínua)




Retificadores controlados – carga RLE
• Aplicações

Motor CC → giro unidirecional
Excitatriz estática (geração do
(g ç
campo) para motor CC e gerador
síncrono

NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos
Conversores Duais
– Monofásico com
ponto médio
– Monofásico em ponte
– Trifásico com 3 pulsos
– T ifá i com 6 pulsos
Trifásico l

Empregam apenas
tiristores




• Aplicações

Motor CC → giro bidirecional
Indústria de laminação, papel, cimento, mineração

Gradadores
– Gradadores monofásicos
– Gradadores trifásicos
– Controle por ciclos inteiros

Empregam apenas
tiristores


Gradadores – carga R
• Aplicações

Controle de temperatura
p
Fornos industriais
F i d ti i
Ducha eletrônica




Gradadores – cargas genéricas
• Aplicações

Estabilizadores eletrônicos de
tensão Chaves de
transferência estática

Gradadores – carga L
• Aplicações

Compensadores estáticos de potência reativa
(FACTS – transmissão de energia)

Gradadores – carga RLE
• Aplicações

Sistema de partida suave para motores
(soft-starters)

Cicloconversores
– Trifásicos 3 pulsos com
p
ponto médio
– Trifásico 6 pulsos em ponte
pulsos, ponte,
para cargas isoladas
– Trifásicos 6 pulsos em
pulsos,
ponte, para cargas não
isoladas
Empregam apenas
tiristores


Cicloconversores
• Aplicações

Controle de motores CA de propulsão de alta potência
(trens, navios, guindastes)


Inversores
– Monofásicos
– Trifásicos 3 braços
– Trifásicos 4 braços

Empregam diodos e
tiristores


Inversores
• Aplicações

Forno de indução



2. Conversores completamente controláveis
– Aplicações → potências p q
p ç p pequenas a médias
– São muito empregados em sistemas comerciais
e resitências
– Possuem elevada densidade de potência
–EEmpregam freqüências d comutação elevadas
f üê i de t ã l d
e elementos reativos pequenos




comutados em alta freqüência
– CC-CC (pulsador)
(p )
– CA-CC (retificador)
– CC CA (inversor)
CC-CA
– CA-CA (gradador/
cicloconversor)
i l )




Conversor CC-CC – alta freqüência
CC-
• Aplicações

Fontes de computadores Fontes CC-CC para
(VRM) equipamentos eletrônicos




Retificadores – alta-freqüência
alta-
• Aplicações

Retificadores para aplicações Carregadores compactos para
em telecomunicações equipamentos eletrônicos


Inversores – alta-freqüência
alta-
• Aplicações

Amplificadores de som Estágio de saída de inversores
de freqüência




Conversores CA-CA– alta-freqüência
CA-CA– alta-
• Aplicações

Acionamento de motores


indiretos (em cascata)

• Podem utilizar
conversor dde
baixa freqüência
(BF) em conjunto
com outro de alta
freqüência (AF)


indiretos (em cascata)
• Aplicações

Fonte para telecom No-breaks Inversor de freq.
Retificador (AF) Retificador (BF/AF) Retificador (BF)
CC CC (AF)
CC-CC ( ) Inversor (AF) Inversor (AF)
I


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