ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

(1)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Funcionamento:

Aulas Teóricas

Aulas de Laboratório

Avaliação:

Exercícios de 3 em 3 semanas 40%

Relatórios dos trab. de laboratório 20%

Exame Final 40%

Bibliografia:

Textos de Apoio

Guias de Laboratório

Colecção de Problemas

Livros

Contactos:

Beatriz Vieira Borges (responsável)

(2)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Conteúdo da Disciplina

Conteúdo da Disciplina:

1. Introdução à Electrónica de Potência

2. Dispositivos electrónicos

3. Circuitos com interruptores e diodos

4. Regimes transitórios, recuperação de

energia.

5. Conversores CA/CC (rectificadores

monofásicos):

Rectificadores não controlados

Rectificadores controlados

Condução simultânea

6. Conversores CC/CC:

Topologias básicas

Princípios de operação

Fontes de alimentação de

comutada c. isolam. galvânico

Modelização de conversores

7. Transformadores e bobines de alta

frequência

8. Conversores CC/CA:

Princípios de operação e

técnicas de modulação

(3)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Conversor Electrónico

Alimentação CC ou CA CIRCUITO DE POTÊNCIA CARGA CIRCUITO DE CONTROLO Alimentação Sinais Dados comando Potência de Entrada Potência de Saída Realimentação

CIRCUITO DE POTÊNCIA

- dispositivos semicondutores

- filtros de entrada e de saída

- transformador de potência

- protecções

CIRCUITO DE CONTROLO E COMANDO

- dispositivos electrónicos necessários à

(4)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Alto

rendimento

Conversor

electrónico

P

_I

P

_O

η=P

_O

/P

_I

Quando o rendimento é

baixo, há grande

dissipação térmica

no

interior do conversor. O

perda de

FIABILIDADE

GRANDES DIMENSÕES

Grande densidade de

potência [W/cm3]

(5)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Dispositivos electrónicos a funcionar

na condução e no corte

Componentes não dissipativos

CORTE

CONDUÇÃO

V

_DS

=0

I

_D

=0

P

D

=I

D

*V

DS

=0

X

lineares

comutados

I

_D

V

_DS

(6)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

I

_O

V

_O=50V

+

-Conversor

CC-CC

R=5

Ω

V

_I=100V

+

-I

_O

=10A

V

_O=50V

+

-R=5

Ω

V

_I=100V

+

-V

_O=50V

+

-R=5

Ω

V

_I=100V

+

-I

_O

=10A

Potência de

Perdas=500W

Potência de

Perdas=500W

X

Resistência

variável

Semicondutor

linear

η=50%

(7)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

I=10A

v

_S

(t)

V

_I

DT

( )

_I

T

S

O

v

t

dt

DV

T

V

=

∫

=

0

1 1-DT

V

_O

=DV

V

_I

=100V

2 _R

V

_O

1 +

-+

-i

_I

+

-FILTRO

v

_S

(t)

η=100%

Conversor comutado

(8)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

V

_I

V

O

L

C

R

2

1 +

-+

-Realimentação

i

_I Tensão de referência

v

_Ref DT T t

L

C

R

V

_I

+

-+

-V

_O

i

_C MLI

Drive do transistor compensador

G(s)

v

_ε

δ(t)

v

_ε

(t)

Conversor

comutado

V

_I

(9)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Conversores CA-CC

Conversores CA-CA

Conversores CC-CC

Conversores CC-CA

Classificação de conversores quanto às formas de onda das

tensões de entrada e de saída

rectificadores

inversores

(10)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Conversores CA-CC

Comutação natural

i

_O c a r g a

v

_I

v

₁

=

2 sin

ω

t

π 2π+α ωt

v

_O

i

_O

v

_AK1 α ωt ωt ωt 2π+α α ωt π+α ωt V_O(av)

i

_I

i

_I

v

_O

i

_O

>0 e v

_O

>0 ou < 0

i

_O

>0 e v

_O

>0 ou < 0

CA

CC

(11)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Conversores CA-CC

_{Conversores CA-CC}

i

O

c a r g a

v

_I

v

₁

=

2 sin

ω

t

_i

I

v

_O

Circuitos de Drive

Controlador

Transformadores de impulsos

Transformador de

amostragem da tensão

de entrada

Transformador de

amostragem da tensão

de entrada

(12)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Conversores CA-CA

Comutação natural

v

₁

=

2 sin

ω

t

i

_O

>0 ou < 0 e v

_O

>0 ou < 0

i

_O

>0 ou < 0 e v

_O

>0 ou < 0

carga

i

_O

v

_O

v

_I _π _2π+α _ωt

v

_O

i

_O

v

_AK1 α ωt ωt ωt 2π+α α ωt π+α V_O(av)= 0

CA

(13)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Conversores CA-CA

Comutação natural

v

₁

=

2 sin

ω

t

carga

i

_O

v

_O

v

_I

Circuitos de “drive”

idênticos aos dos

rectificadores

CA

(14)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Conversores CC-CC

Comutação forçada

i

_O

v

_O c a r g a

v

_I

v

₁

=

V

_I

i

_O

v

_O

t

t_on t_on T T

CC

_CC

(15)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Conversores CC-CC

Comutação forçada

i

_O

v

_O c a r g a

v

_I

v

₁

=

V

_I

Circuito de

controlo

Circuito de

controlo

Circuito de potência

(16)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Conversores CC-CA

Comutação forçada

v

₁

=

V

_I

t

i

_O

v

_O carga

v

_I

i

_O

v

_O

t

T T T/2 T/2

v

_I

-v

_I

i

_O

e v

_O

> ou < 0

i

_O

e v

_O

> ou < 0

CC

CA

(17)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Conversores CC-CA

i

_O

e v

_O

> ou < 0

Circuito de

controlo

Circuito de potência

i

_O

R

v

_I

S

T

(18)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Conversores Especiais

n:1

+

-V

_I

C

R

v

O

(t)

+

-i

_C

L

i

_I

i

_L

v

L

D

+

-S

ideal

CC-CA

_hf

-CC

Fonte

comutada de

alta

frequência

Freq. [100kHz]

Pot<100W

η<85%

Circuito de

controlo

Circuito de

Circuito de potência

CC

CA

CC

(19)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Conversores Especiais

CA-CC- CC-CA

_hf

-CC

Fonte comutada

com correcção do

factor de potência

Fonte comutada

com correcção do

factor de potência

v

_O

(t)

v

₁

=

2 sin

ω

t

n:1

+

-C

R

+

-i

_C

L

i

_L

v

L

D

S

ideal

i

_I

v

_I

i

_Iav

(

ω

t)

ω

t

ω

t

v

_I

i

_I

CA

CC

CA

CC

(20)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

V

_I

i

_I

CC-CA

_hf

-CC

Fonte Quase Ressonante

ZVS

“

“Z

Z

ero V

ero

V

oltage S

oltage

S

witching”

n:1

+

-C

R

v

O

(t)

+

-i

_C

L

i

_L

v

L

D

+

-S

ideal

L

_S

_C

S

Frequência:

[1MHz]

Pot<50W

Circuito de

controlo

Circuito de

controlo

Circuito de potência

Conversores Especiais

(21)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

CC-CA

_hf

-CC

Fonte com comutação

Ressonante

“

Z

ero

V

oltage

S

witching”

Frequência:

[250kHz]

Pot<1kW

η=97%

Circuito de potência

Conversores Especiais

Circuito de

controlo

Circuito de

controlo

(22)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

CA-CC-CA

_hf

-CA

Amplificador

Audio

Comutado

Frequência:

[132 kHz]

Pot<2kW

η<80%

Conversores Especiais

Circuito de

controlo

Circuito de

controlo

Circuito de potência

(23)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Processos de comutação:

comutação natural:

Quando num circuito estão criadas as condições, por via da fonte de alimentação ou da

carga, ou por entrada de outro dispositivo do circuito por forma que a corrente num

dispositivo se anule, passando este ao estado de corte, sem actuação exterior.

comutação pela fonte

comutação pela carga

i_T _i T i_G i_T t t i_G i_T t t

(24)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

V R _L i_G i_T t t

comutação forçada:

Quando é necessário actuar no terminal de controlo do dispositivo, ou num

circuito auxiliar, para passar o dispositivo do estado de condução ao estado de

corte.

forçada

-

conversores comutados

“

switching converters

”

linha

(comutam devido à forma das tensões de entrada)

“

line frequency converters

”

carga

(a carga que provoca o anulamento de corrente).

“

load commutated converters

”

(25)

-INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

v

_I +

-v

_O +

-P

P

N

v

_I

v

_O

∑

∞ = ∞ =

+

=

1 1

sin

cos

n n n n O O

V

a

n

t

b

n

t

v

ω

t

V

v

_I

=

2

_I

sin

ω

∑

∞ = ∞ =

+

=

1 1

sin

cos

n n n n O

a

n

t

b

n

t

v

ω

I I

V

v

=

Filtragem

Ideal

v

_O

=V

_O

Ideal

v

_O

=

√2 V

_O

sin

ωt

Filtragem

Conversor CA-CC

Conversor CC-CA

v

_O

v

_I

v

_O

v

_I +

-P

P

N

(26)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

C

Procedimentos básicos em electrónica de potência:

Não ligar em série geradores de correntes diferentes.

Não ligar em paralelo fontes de tensão diferentes.

Não abrir circuitos indutivos.

Não curto-circuitar circuitos capacitivos.

Se a alimentação é uma fonte de tensão a carga tem características de fonte de

corrente

(bobine em série com a carga).

Se a alimentação é uma fonte de corrente a carga tem características de fonte

de tensão

(condensador em paralelo com a carga).

Eliminação de incompatibilidades por introdução de elementos reactivos de adaptação:

introdução de L

para ligar

introdução de C

para

abrir circuito indutivo

V R L _V R L abrir V fechar L V

(27)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA:

1. diodo

2. tiristor

- (SCR) “silicon controlled rectifier”.

3. tiristor de corte comandado (GTO) - “gate turn off thyristor”.

4. transistor bipolar - (TJB).

5. transistor de efeito de campo de potência

(MOSFET).

6. IGBT - “

insulated gate bipolar transistor

”.

7. MCT - “MOS controlled thyristor”.

A K A K G A K G C C E B E B D S G S D G C G E A G K

(28)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

I

_F

V

_AK

Diodo

A K

Conduz se a tensão v

_AK

se tornar positiva.

Bloqueia se a corrente I

_F

se tornar negativa

Característica

ideal

Característica

ideal

(29)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Tiristor

A K G disparo bloqueio

I

_F

V

_AK

Conduz se v

_AK

for positivo e se existir um

impulso de corrente na “gate” de curta

duração.

Bloqueia se a corrente I

_F

se tornar negativa

A K + V_AK -G i_G I_AK

Semi-controlado

Controlo apenas na passagem a

ON

Característica

ideal

Característica

ideal

v

_O ωt ωt 2π+α α V_O(av)

i

_G

v

AK

(30)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

D G S

MOSFET

I_D

Totalmente controlado. Conduz se v

_GS

for

positiva.

Bloqueia se v

_GS

se tornar nula ou negativa

Característica

ideal

Característica

ideal

(31)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

C E G

IGBT

Freq. [20 kHz]

V_CE I_C

Totalmente controlado. Conduz se v

_GE

for

positiva.

Bloqueia se v

_GE

se tornar nula ou negativa

Característica

ideal

Característica

ideal

(32)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Transformadores de Alta Frequência

i

₁

i

₂

v

₁

+

v

₂

-

-2 1 2 1

N

v

v =

1 2

N

i

i =

Núcleo de ferrite

v

₁

_v

₂

ideal

(33)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Transformadores de Alta Frequência

i

₁

i

₂

i’

₁

v

₂

v

₁

+

-+

+

-+

i

_µ

i’

₂

L

_l1

N

₁

:N

₂

L

_µ

Esquema equivalente

L

_l2

(34)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Transformadores de Alta Frequência

L

_l2

i

₁

i

₂

i’

₁

v

₂

v

₁

+

-+

₊

-+

i’

₂

L

_l1

N

₁

:N

₂

2 1 2













N

L

_µ

L

_µ

= infinita

(indutância de magnetização)

(35)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

(área multidisciplinar)

Estudo dos conversores electrónicos

: topologias, dispositivos semicondutores,

técnicas de modelação, processos de controlo e sua caracterização, técnicas de filtragem e

supressão de harmónicas, etc.

ELECTRÓNICA

DE POTÊNCIA

CONTROLO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ELECTRÓNICA ANALÓGICA E DIGITAL DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA PROJECTO AJUDADO POR COMPUTADOR TOPOLOGIAS CIRCUITOS INTEGRADOS VLSI µCOMPUTADORES µPROCESSADORES REGULAÇÃO E CONTROLO

(36)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Equipamento

Informático

Indústria

automóvel

Telecomunicações

Máquinas

eléctricas

Iluminação

Energias

alternativas

Principais campos de aplicação / áreas emergentes

fontes de alimentação

Balastros electrónicos Controlo intensidade luminosa

Ignição e injecção electrónica Conversores f

Sistemas

aeroespaciais e de

satélites

(37)

IST-DEEC Profª Beatriz Vieira Borges

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Semicondutores de potência Módulos de Potência PIC Power Management Módulos DC/DC Componentes passivos Materiais magnéticos / núcleos Protecções Distribuição de energia Thermal Management Encapsulamento CEM (EMC) Simulação e modelização Regulação / Controlo Topologias de conversores

Áreas tecnológicas de aplicação / áreas emergentes

(38)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

Produtos e sistemas envolvidos na Electrónica de Potência

Semicondutores de potência

Módulos Darlington

Módulos Diodo/tiristor (hibridos) Módulos IGBT

Smart Power IC e PICs Diodes potência Módulos MOSFET Motor Drivers Relés estáticos Converter IC Application-oriented ICs Opto-Semiconductor Components

Sistemas de alimentação

Transformadores fontes DC e AC Conversores de Frequência UPS Estabilizadores Fontes de laboratório Baterias

sistemas de Power Management módulos/conversores DC/DC

Componentes passivos

L C R Transformadores (isolamento, HF, ...)

núcleos, ferrites, materiais magnéticos

enrolamentos

Ferramentas

CAD / CAE

Software de desenvolvimento Software de simulação

Software de teste

Software para aplicações

Sensores e Microsistemas

Sensores de parâmetros eléctricos e magnéticos Sensores de temperatura

Thermal

management

Dissipadores Radiadores e refrigeradores Ventoinhas

(39)

INTRODUÇÃO

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

APLICA

Ç

ÕES

•

INDUSTRIAIS:

Bombas;Compressores;Ventoinhas Máquinas ferramentas (Robots) Fornos de indução Iluminação “Lasers” Máquinas de soldadura Processos electroquímicos.

•

COMERCIAIS

:

Aquecimento, ventilação e ar condicionado Aparelhagem de frio

Iluminação

Computadores e equipamento de escritório Fontes de alimentação ininterruptíveis (UPS) Elevadores.

•

TRANSPORTES:

Controlo e accionam. de veículos eléctricos de tracção Carregadores de baterias

Locomotivas eléctricas Metropolitano

Carros eléctricos, automóveis, etc.

•

REDES DE ALIMENTAÇÃO DE ENERGIA ELÉCTRICA:

Transmissão em corrente contínua e alta tensão (HVDC) Sistemas VAR estáticos

Fontes de energia de recurso

Sistemas de armazenamento de energia.

•

INDUSTRIA AERONÁUTICA E ESPACIAL:

Sistemas de alimentação de potência de naves espaciais Sistemas de alimentação de potência de satélites

Sistemas de alimentação de aviões.

•

TELECOMUNICAÇÕES:

Carregadores de baterias Fontes de alimentação

Fontes de alimentação ininterruptíveis.

•

APLICAÇÕES DOMÉSTICAS:

Refrigeração e congelação; Aquecimento; Fornos; Electrónica de uso doméstico; Iluminação.