Eletrônica de Potência. Introdução Capítulo 1 pág. 1 à 22 do livro texto; Aula 3; Professor:

Reflexões

• O seu irmão está errado?

• Não o empurre mais para o erro falando mal dele,

espalhando entre outros os seus erros. Edifique-o com

o seu bom exemplo. É a melhor maneira de fazê-lo

enxergar os seus próprios defeitos. Mas faça isso com

caridosa discrição, sem que nem ele perceba que você

o tem em vista.

• Um dia você saberá o bem que praticou, vendo-o

correto e passando ao seu lado com um sorriso de

humildade e de profundo agradecimento.

Eletrônica de Potência

•

Introdução

•

Capítulo 1 pág. 1 à 22 do livro texto;

•

Aula 3;

Sumário Capítulo 1

• 1.1 Aplicações da Eletrônica de Potência;

• 1.2 História da Eletrônica de Potência;

• 1.3 Dispositivos Semicondutores de Potência;

• 1.4 Características de Controle dos Dispositivos de Potência;

• 1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência;

• 1.6 Projeto de Equipamentos de Eletrônica de Potência;

• 1.7 Efeitos Periféricos;

• 1.8 Módulos de Potência;

• 1.9 Módulos Inteligentes - Smart Power;

• 1.10 Periódicos;

1.1 Aplicações da Eletrônica de Potência

• Controladores Industriais;

• Combina: Potência, Eletrônica e Controle;

• Aplicação da Eletrônica de estado sólido para o controle e conversão de energia elétrica;

Aplicações da Eletrônica de Potência

• Utiliza semicondutores de potência e micro-eletrônica;

• Controle de sistemas de aquecimento;

• Controle de luminosidade;

• Controle de máquinas elétricas;

• Fontes de alimentação;

Aplicações da Eletrônica de Potência

1. Sistemas de corrente contínua em alta tensão (high voltage direct-current HVDC);

Dispositivos/Circuitos

Eletrônicos

Controle Analógico

e/ou Digital.

Equipamentos de Potência

Estáticos/Rotativos

1.2 História da Eletrônica de Potência

• Retificador em tubo a vácuo de grade controlada; • As válvulas Ignitron e Tiratron;

1.2 História da Eletrônica de Potência

• A primeira revolução começou em 1948 com a invenção do transistor de silício, por Bardeen, Brattain e Schockley da Bell Telephone Laboratories; • Em 1956 a Invenção do transistor disparável PNPN, definido como

tiristor ou retificador controlado de silício (

S

C

1.2 História da Eletrônica de Potência

• A segunda revolução começou em 1958 com o desenvolvimento comercial do tiristor, pela General Electric Company.

• O desenvolvimento dos novos interruptores e da microeletrônica nos possibilita trabalhar em elevadas potências com rendimentos cada vez melhores.

1.2 História da Eletrônica de Potência

• Nos próximos 30 anos a eletrônica de potência dará forma e

condicionará a eletricidade, em algum lugar na linha de transmissão, entre sua geração e todos os seus usuários.

1.2 História da Eletrônica de Potência

• O grande salto desta ciência ocorreu no final dos anos 80 e início dos 90. Existem hoje no mundo centenas de pesquisadores trabalhando;

• Na PUCRS existem vários pesquisadores trabalhando nesta promissora área o Laborató-rio de Eletrônica de Potência da PUCRS o LEPUC

1.3 Dispositivos Semicondutores de Potência

• O SCR (primeiro tiristor);

• Transistores de junção bipolar (BJTs); • MOSFETs de potência;

• Transistores Bipolares de porta isolada (IGBTs); • Transistores de indução estática (SITs);

Classificação dos Diodos de Potência

• Genéricos, de uso geral, são fornecidos em até 3000 V, 3500 A e tempo de recuperação reversa t_rr de 10 ms;

• Alta velocidade ou recuperação rápida, são fornecidos em até 3000 V, 1000 A e valores típicos de t_rr de 0,1 e 5,0 ms;

Características dos Diodos de Potência

• O diodo conduz quando esta polarizado diretamente, isto é, quando a tensão do Ânodo é superior a (tensão) do Cátodo;

• O bloqueio se da quando a corrente que por ele (diodo) circula se anula;

Tipos de Encapsulamentos

• Tipo ROSCA ou rosqueável (do inglês stud ou stud-mounted);

• Tipo DISCO ou encapsulamento prensável ou disco de hóquei (do inglês disk ou press pak ou hockey puck)

Classificação dos tiristores:

• Tiristor de comutação forçada; • Tiristor comutado pela rede;

• Tiristor de desligamento pelo gatilho, GTO; • Tiristor de condução reversa, RCT;

Classificação dos tiristores:

• Tiristor de desligamento auxiliado pelo gatilho, GATT;

• Retificador controlado de silício, controlado por luz, LASCR; • Tiristores controlados por MOS, MCTs;

Classificação dos tiristores:

• Os tiristores de comutação natural ou pela rede podem operar até 6000 V e 3500 A;

• Os tiristores de alta velocidade, neste caso apresentam tempos de desligamento da ordem de 10 a 20 ms e valores de tensão de 1200 V e corrente de 2000 A;

Classificação dos tiristores:

• Os tiristores de condução reversa RCT e de desligamento auxiliado pelo gatilho GATTs são amplamente utilizados para chaveamen-to em alta velocidade, em especial em apli-cações de tração. Um RCT pode ser conside-rado como um SCR com um diodo em anti-paralelo, 2500 V, 1000 A (400 A em condu-ção reversa) e apresentam tempos de cha-veamento da ordem de 40 ms.

Classificação dos tiristores:

• Os GATTs são fornecidos em até 1200 V e 400 A, com uma velocidade de chaveamento de 8 ms;

• Os LASCR, retificadores controlados de silício controlados por luz são

fornecidos em até 6000 V e 1500 A , com uma velocidade de chavea-mento de 200 a 400 ms, são apropriados para sistemas de alta potência HVDC;

Classificação dos tiristores:

• Os TRIACs são amplamente utilizados no controle de cargas CA de baixa potência;

• Os GTOs e os tiristores de indução estática SITHs são tiristores

autodesligáveis. São ligados e desligados pela aplicação de um curto pulso positivo e negativo respectiva-mente. Os GTOs são fornecidos em até 4000V e 3000 A;

Classificação dos tiristores:

• Os SITHs, cujos valores nominais podem ser tão altos, como 1200V e 300 A, têm expectativa de aplicação em conversores de média potência, com uma frequência de várias centenas de quilohertz e além da faixa de frequência dos GTOs;

• Os MCTs podem ser ligados por um pequeno pulso de tensão negativa na porta MOS e vice-versa em relação ao seu ânodo, fornecidos em até 1000 V e 100 A, é como um GTO pero ...

Características dos Transistores

• Os BJTs, apresentam três terminais cbe sendo normalmente operados como interruptores na configuração emissor comum devido as suas características é normalmente utilizado em conversores que operam até 1200 V, 400 A e 10 kHz;

• Os MOSFETs, são utilizados em potências relativamente baixas, na faixa de 1000 V, 50 A e dezenas de quilohertz;

Características dos Transistores

• Os IGBTs, são transistores de potência controlados por tensão. Eles são inerentemente mais rápidos que os BJTs, mas não tão rápidos quanto os MOSFETs sento fornecidos em até 1200 V, 400 A podendo operar em freqüên-cias de até 20 kHz;

Características dos Transistores

• O Transistor de indução estática SITs é similar a um JFET. Possui baixo ruído, baixa distorção e capacidade de potência em altas freqüências de áudio. Sento fornecidos em até 1200 V, 300 A podendo operar em freqüências de até 100 kHz; Usados em áudio, VHF/UHF e microondas;

Características e

Simbologia dos

1.4 Características de Controle dos Dispositivos de

Potência

• Disparo e desligamento não-controlado

diodos

;

• Disparo controlado e desligamento não-controlado

SCR;

• Disparo e desligamento controlado

BJT, MOSFET,

GTO, SITH, IGBT, SIT, MCT

;

• Necessidade de sinal contínuo de porta

BJT, MOSFET,

IGBT, SIT

;

1.4 Características de Controle dos Dispositivos de

Potência

• Capacidade de suportar tensão bipolar

SCR, GTO

;

• Capacidade de suportar tensão unipolar

BJT, MOSFET,

IGBT, MCT

;

• Capacidade de corrente bidirecional

TRIAC, RCT

;

• Capacidade de corrente unidirecional

SCR, GTO, BJT,

MOSFET, MCT, IGBT, SITH, SIT, diodo

;

Características de

Controle dos

Dispositivos de

Potência

1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência

• Retificadores com diodos;

• Conversores

CA-CC

(retificadores controlados);

• Conversores

CA-CA

(controladores de tensão CA);

• Conversores

CC-CC

(choppers);

• Conversores

CC-CA

(inversores);

• Chaves estáticas;

1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência

• Um circuito retificador converte tensão

CA

em uma

tensão

CC

fixa;

1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência

• O valor médio da tensão pode ser controlado

variando-se o tempo de condução dos tiristores

ou o atraso do

ângulo de disparo, 

.

1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência

• São usados para que se possa obter uma tensão

CA variável

a partir de uma tensão

CA fixa

.

Através do controle do

ângulo de disparo, 

;

1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência

• Também conhecido como

chopper

ou regulador

chaveado. A tensão média de saída é controlada

pela variação do tempo de condução do transistor,

t

. Se

T

é o período de operação do conversor,

então

t

=DT

. Onde D é chamado ciclo de trabalho

do conversor;

1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência

1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência

• Também conhecido como inversor;

1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência

• Como os dispositivos de potência podem ser

operados como

chaves estáticas, relês, contatores

ou até circuitos de proteção como

disjuntores

eletrônicos

, a alimentação para essas chaves pode

ser tanto CA

quanto CC

e as chaves são chamadas

chaves estáticas CA ou chaves CC

;

1.6 Projeto de Equipamentos de Eletrônica

de Potência

• Projeto dos circuitos de potência;

• Proteção dos dispositivos de potência;

• Determinação da estratégia de controle;

• Projetos dos circuitos lógico e de controle;

1.6 Projeto de Equipamentos de Eletrônica

de Potência

• Na análise e projeto os dispositivos de potência são

considerados

ideais

,

os efeitos parasitas

dos diversos

elementos, tais como: indutância de dispersão,

capacitâncias parasitas, resistências de condução dos

interruptores de potência e os respectivos tempos de

comutação

são desprezados

;

• Na construção do circuito real todos estas

caracterís-ticas devem ser levadas em conta;

1.7 Efeitos Periféricos

• Os conversores introduzem correntes e tensões

harmô-nicas

no sistema de alimentação e na sua saída. Isso

pode causar problemas de distorção da tensão de

saída, geração de

harmônicos

no sistema de

alimentação (

rede

) e

interferências eletromagnéticas

em sistemas de

comunicação

,

PC

,

instrumentação

,

TV

,

sinalização..

• Estes problemas podem ser

minimizados

através da

utilização de

filtros

,

blindagens

e do projeto adequado

de todo o circuito de potência,

topologia

,

placa de CI

,

1.7 Efeitos Periféricos

Gerador de Sinal de Controle de Chaveamento

Fonte de

1.8 Módulos de Potência

• Oferecidos com

dois, quatro ou seis

dispositivos;

• Os módulos oferecem as vantagens de

perdas

mais

baixas

no estado de condução, características de

chaveamento de

altas tensões e correntes, e

velocida-des maiores

que as dos dispositivos convencionais;

• Alguns módulos ainda

incluem proteção

contra

transientes e ao circuito de excitação da porta ou

gatilho;

1.9 Módulos Inteligentes -

Smart Power

• São o estado da arte

em eletrônica de

potência, integrando o módulo de

potência e o circuito periférico;

• O circuito periférico consiste de uma isolação

entrada-saída e

interface

do sinal com o sistema de alta

tensão, um

circuito de excitação

, um (circuito) de

diagnóstico e proteção

;

• Os usuários necessitam apenas conectar as fontes

de

alimentação;

1.10 Periódicos

• Existem vários periódicos (revistas) disponíveis na

Biblioteca da escola;

• IEEE Transactions on Industrial Electronics;

• IEEE Transactions on Industry Applications;

• IEEE Transactions on Power Electronics;

• No LEPUC também estão disponíveis vários Anais de

Conferências da área;

Resumo

• À medida que a tecnologia para dispositivos

semicondutores de potência e circuitos integrados se

desenvolve, o potencial para aplicações da eletrônica

de potência torna-se mais amplo.

• Existem muitos dispositivos semicondutores de

potência que são fornecidos comercialmente;

entretanto, o desenvolvimento neste sentido é

contínuo.

Resumo

• Os conversores de energia podem ser classificados

como:

retificadores,

conversores CA-CC

, conversores

CA-CA,

conversores CC-CC

, conversores CC-CA e

chaves

estáticas

;

• O projeto de circuitos de eletrônica de potência requer

o desenvolvimento dos circuitos de potência e

controle;

• As tensões e correntes

harmônicas

geradas pelos

conversores de energia são

reduzidos

com uma escolha

adequada da estratégia de

controle

;

Estudo Dirigido

•Em grupos vamos agora responder as

questões de revisão propostas;