ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 02 – Teoria b ásica dos ... · UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA...

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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA IELETRÔNICA DE POTÊNCIA IAula 02 Aula 02 –– Teoria bTeoria b áásica dos conversores sica dos conversores

estest ááticosticos

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINAUNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINACENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLCENTRO DE CIÊNCIAS TECNOL ÓÓGICASGICAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA EL ÉÉTRICATRICACURSO DE ENGENHARIA ELCURSO DE ENGENHARIA EL ÉÉTRICATRICA

Prof. Leandro Michels, Dr. Eng.Prof. Leandro Michels, Dr. [email protected]@gmail.com

EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores

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Teoria bTeoria b áásica dos conversores estsica dos conversores est ááticosticos

Um sistema de conversão estUm sistema de conversão est áática de energia tica de energia éé constituconstitu íído dos seguintes elementos:do dos seguintes elementos:

Prof. Leandro Michels

Embora a(s) fonte(s) e a(s) carga(s) não componham Embora a(s) fonte(s) e a(s) carga(s) não componham os conversores, elas são fundamentais para o os conversores, elas são fundamentais para o

funcionamento do sistema de conversão de energiafuncionamento do sistema de conversão de energia

FontesFontes Conversor estConversor est ááticotico CargasCargas

energiaenergia energiaenergia


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Os conversores estOs conversores est ááticos são ticos são formados pelos seguintes formados pelos seguintes grupos de elementos:grupos de elementos:


�� NãoNão--lineares lineares →→ dispositivos dispositivos semicondutores (diodos, tiristores, semicondutores (diodos, tiristores, etc.)etc.)

�� Lineares reativos Lineares reativos →→ indutores, indutores, capacitores e transformadorescapacitores e transformadores

�� Lineares dissipativos Lineares dissipativos →→ resistores resistores (não existente em conversores (não existente em conversores ideais) ideais)


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�� NãoNão--lineares lineares →→ operam como interruptores para fazer operam como interruptores para fazer a conversão de correntes ou tensões de CAa conversão de correntes ou tensões de CA →→CC e CC e CCCC→→CA CA

�� Lineares reativos Lineares reativos →→ operam como armazenadores operam como armazenadores intermediintermedi áário da energia; efetuam alterario da energia; efetuam altera çções na ões na magnitude de correntes e tensões, isolamagnitude de correntes e tensões, isola çção galvânica ão galvânica (transformadores) e filtragem de tensões e/ou corre ntes (transformadores) e filtragem de tensões e/ou corre ntes (OBS: o mesmo elemento pode ter mais de uma fun(OBS: o mesmo elemento pode ter mais de uma fun çção)ão)

�� Lineares dissipativos Lineares dissipativos →→ operam como consumidores operam como consumidores de energia;de energia; empregados para o amortecimento de empregados para o amortecimento de oscilaoscila çções e proteões e prote çção de dispositivos ão de dispositivos

FunFun çção de cada grupo de elementos:ão de cada grupo de elementos:


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Elementos nãoElementos não --lineares (semicondutores)lineares (semicondutores)


�� Interruptor aberto Interruptor aberto →→ a corrente que flui a corrente que flui pelo dispositivo pelo dispositivo éé nulanula

�� Interruptor fechado Interruptor fechado →→ a tensão nos a tensão nos terminais dos dispositivos terminais dos dispositivos éé nula nula

�� A comutaA comuta çção entre modos ão entre modos éé instantâneainstantânea

Modos de operaModos de opera çção (comportamento ideal):ão (comportamento ideal):

CaracterCaracter íística fundamental:stica fundamental:

�� Dispositivo de dois terminais Dispositivo de dois terminais (excluindo os terminais de controle)(excluindo os terminais de controle)

�� OperaOpera çção como interruptorão como interruptor

vk

ik+

-

ik= 0

vk

ik

vk= 0


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CaracterCaracter íística eststica est áática (ideal):tica (ideal):

�� Somente sobre os eixos da Somente sobre os eixos da curva curva vvkk x x iikk (perdas nulas)(perdas nulas)

�� CConduondu çção ão →→ Tensão nulaTensão nula

�� Bloqueio Bloqueio →→ Corrente nulaCorrente nula

�� Equivalente a uma resistência Equivalente a uma resistência com dois valores distintoscom dois valores distintos


ik

vk

bloqueia

cond

uz

bloqueia

cond

uz

Os interruptores empregados em eletrônica de Os interruptores empregados em eletrônica de potência, em geral, não operam nos 4 quadrantes. potência, em geral, não operam nos 4 quadrantes. Portanto, precisaPortanto, precisa --se conhecer sua caracterse conhecer sua caracter íística.stica.

( ) 0, ligado

, desligado

= ∞

kR t

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CaracterCaracter íística dinâmica (genstica dinâmica (gen éérica):rica):

ComutaComuta çção espontânea:ão espontânea:�� Deslocamentos sobre os eixos Deslocamentos sobre os eixos vvkk x x iikk no 2no 2 ºº ou 4ou 4 ºº quadquad . . �� Ocorre sem nenhum sinal externo de comando Ocorre sem nenhum sinal externo de comando �� Ex.: abertura e fechamento de diodos, abertura de Ex.: abertura e fechamento de diodos, abertura de tiristortiristor

ComutaComuta çção comandada:ão comandada:�� MudanMudan çça do estado de condua do estado de condu çção (de fechado para ão (de fechado para aberto ou viceaberto ou vice --versa) versa) →→ deslocamentos sobre os eixosdeslocamentos sobre os eixosvvkk x x iikk no 1no 1 ºº ou 3ou 3 ºº quadquad ..�� Ocorre devido a sinal externo de comando Ocorre devido a sinal externo de comando �� Ex.: fechamento do tiristorEx.: fechamento do tiristor


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CaracterCaracter íística dos dispositivos:stica dos dispositivos:Diodos:Diodos:

�� Unidirecional em corrente e unidirecional em tensão Unidirecional em corrente e unidirecional em tensão ((éé um curtoum curto --circuito para tensões positivas)circuito para tensões positivas)

�� Entrada em conduEntrada em condu çção ão →→ espontânea (espontânea ( vvkk>0>0))

�� SaSaíída de conduda de condu çção ão →→ espontânea (transiespontânea (transi çção de ão de iikk>0>0 →→ iikk=0=0))


ik

vk

cond

uzvk

ik +

-

1

2

bloqueia

esp.

9



Tiristores:Tiristores:

�� Unidirecional em corrente e bidirecional em tensãoUnidirecional em corrente e bidirecional em tensão

�� Entrada em conduEntrada em condu çção ão →→ comandada (comandada ( vvkk>0>0 e e iigg>0>0))

�� SaSaíída de conduda de condu çção ão →→ espontânea (transiespontânea (transi çção de ão de iikk>0>0 →→ iikk=0=0))


ik

vk

vk

ik +

-

1

2

bloqueia bloqueia

cond

uz com.esp.

esp.

10



CaracterCaracter íística de associastica de associa çção de dispositivos:ão de dispositivos:

Tiristor com diodo em antiparalelo:Tiristor com diodo em antiparalelo:

�� Unidirecional em tensão e bidirecional em correnteUnidirecional em tensão e bidirecional em corrente

�� Entrada em conduEntrada em condu çção ão →→ comandada (comandada ( vvkk>0>0 e e iigg>0>0))e espontânea (e espontânea ( vvkk<0<0))

�� SaSaíída de conduda de condu çção ão →→ espontânea (transiespontânea (transi çção de ão de iikk<0<0 →→ iikk=0=0))


ik

vk

Tiristorik

+

-

1

2

Diodo

vk

ig

esp.

cond

uzbloqueia

cond

uz esp.

com.

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Tiristores em antiTiristores em anti --paralelo:paralelo:

�� Bidirecional em tensão e correnteBidirecional em tensão e corrente

�� Entrada em conduEntrada em condu çção ão →→ comandada comandada ((vvkk>0>0 e e iig1g1>0>0) ou ) ou ((vvkk<0<0 e e iig2g2>0>0))

�� SaSaíída de conduda de condu çção ão →→ espontâneaespontânea ((iikk>0>0→→iikk=0=0) ou ) ou ((iikk<0<0→→iikk=0=0) )


ik

vk

Tiristor 1ik

+

-

1

2

vk

ig1

ig2

Tiristor 2

bloqueia

cond

uz

bloqueiaco

nduz

com.

esp.

esp.

com.

Tiristor 1

Tiristor 2

12Prof. Leandro Michels


�� Dispositivo de dois ou mais terminais Dispositivo de dois ou mais terminais

�� Armazenadores de energia Armazenadores de energia →→ campo elcampo el éétrico trico (capacitor) ou campo magn(capacitor) ou campo magn éético (indutor)tico (indutor)

�� Não dissipam energia Não dissipam energia →→ a quantidade de energia a quantidade de energia que que éé absorvida deve ser posteriormente devolvidaabsorvida deve ser posteriormente devolvida

Elementos lineares reativosElementos lineares reativos


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Capacitores:Capacitores:

�� Possuem o comportamento de uma fonte de tensãoPossuem o comportamento de uma fonte de tensão

�� A tensão em seus terminais não pode ser mudada A tensão em seus terminais não pode ser mudada imediatamente imediatamente →→ resulta em corrente infinitaresulta em corrente infinita

�� Podem ser operar em circuito aberto Podem ser operar em circuito aberto

�� Não podem operar em curtoNão podem operar em curto --circuito circuito →→ exceexce çção ão quando quando vvcc((tt)=0)=0

�� Apresentam, na prApresentam, na pr áática, resistências (RSE) e tica, resistências (RSE) e indutâncias parasitasindutâncias parasitas

( ) ( )cc

dv ti t C

dt=

ic1

2

vc


( ) ( ) ( ) 00

10 ,

t

c c cv t i t dt v t tC

= + ∀ >∫

14( ) ( ) ( ) 0

0

10 ,

t

L L Li t v t dt i t tC

= + ∀ >∫( ) ( )LL

di tv t L

dt=



Indutores:Indutores:

�� Possuem o comportamento de uma fonte de correntePossuem o comportamento de uma fonte de corrente

�� A corrente em seus terminais não pode ser mudada A corrente em seus terminais não pode ser mudada imediatamente imediatamente →→ resulta em tensão infinitaresulta em tensão infinita

�� Podem ser operar em curtoPodem ser operar em curto --circuito circuito

�� Não podem operar em curto aberto Não podem operar em curto aberto →→ exceexce çção ão quando quando iiLL((tt)=0)=0

�� Apresentam, na prApresentam, na pr áática, resistências (RSE) e tica, resistências (RSE) e capacitâncias parasitascapacitâncias parasitas

�� Podem possuir derivaPodem possuir deriva çções (mais terminais)ões (mais terminais)

iL1

2

vL


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Elementos lineares de conversãoElementos lineares de conversão


Transformadores (ideais):Transformadores (ideais):

�� Idealmente se comportam como um dispositivo sem Idealmente se comportam como um dispositivo sem dinâmica dinâmica →→ comportamento de fontes de corrente e comportamento de fontes de corrente e tensão acopladastensão acopladas

�� Não processa energia CC Não processa energia CC →→ impedância nulaimpedância nula

( )

( )

22 1

1

21 2

1

( )

( )

Nv t v t

N

Ni t i t

N

= =

i1N1:N2 i2

v2v1

+-v1

v2

i1 i2

i2N2

N1

v1N2

N1

Obs.:Obs.: Este modelo não funciona para sinais CCEste modelo não funciona para sinais CC


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Transformadores (reais):Transformadores (reais):

�� Possuem dinâmica (indutâncias mPossuem dinâmica (indutâncias m úútua e dispersão) tua e dispersão) →→ comportamento de fonte de correntecomportamento de fonte de corrente

�� A corrente em seus terminais não pode ser mudada A corrente em seus terminais não pode ser mudada imediatamente imediatamente →→ resulta em tensão infinitaresulta em tensão infinita

�� Podem ser operar em curtoPodem ser operar em curto --circuito circuito

�� Não podem operar em curto aberto Não podem operar em curto aberto →→ exceexce çção ão quando quando iiLL((tt)=0 )=0 →→ resulta em resulta em sobretensõessobretensões nos outros nos outros enrolamentosenrolamentos

�� Apresentam, na prApresentam, na pr áática, resistências (RSE) e tica, resistências (RSE) e capacitâncias parasitascapacitâncias parasitas


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Transformadores x AutoTransformadores x Auto --transformadores:transformadores:

�� Transformadores Transformadores →→ possuem isolapossuem isola çção galvânica ão galvânica →→cada enrolamento pode estar em qualquer potencial cada enrolamento pode estar em qualquer potencial (desde que respeitada a tensão de isola(desde que respeitada a tensão de isola çção entre os ão entre os enrolamentos)enrolamentos)

�� AutoAuto --transformadores transformadores →→ não possuem isolanão possuem isola çção ão galvânicagalvânica


TransformadorTransformadorAutoAuto --transformadortransformador

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Transformadores (reais):Transformadores (reais):

�� Modelo equivalente (desprezandoModelo equivalente (desprezando --se as resistências)se as resistências)


( )( )

( )( )

1 111 12

21 222 2

v t i tL L d

L L dtv t i t

=

212 21

1

111 1 12

2

222 2 12

1

M

l

l

nL L L

n

nL L L

n

nL L L

n

= =

= +

= +

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Elementos lineares dissipativosElementos lineares dissipativos



�� Dissipam a energiaDissipam a energia

�� Geram calorGeram calor

�� Diminuem a eficiência da conversão Diminuem a eficiência da conversão

Resistores:Resistores:

�� Não possuem dinâmicaNão possuem dinâmica

1

2

vR

iR ( ) ( )R Rv t R i t=


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FontesFontes


�� Fonte de tensão Fonte de tensão →→ a tensão a tensão éé imposta imposta pela fonte e a corrente depende da pela fonte e a corrente depende da carga carga

�� Fonte de corrente Fonte de corrente →→ a corrente a corrente ééimposta pela fonte e a tensão depende imposta pela fonte e a tensão depende da cargada carga

Modos de operaModos de opera çção (comportamento ideal):ão (comportamento ideal):


�� Dispositivo de dois ou mais terminais Dispositivo de dois ou mais terminais

�� Fundamentalmente são fornecedores de Fundamentalmente são fornecedores de energia (podem absorver em parte do tempo)energia (podem absorver em parte do tempo)

�� Podem ser unidirecionais ou bidirecionaisPodem ser unidirecionais ou bidirecionais

vf

if+

-

1

2


21

CargasCargas


�� ResistivoResistivo

�� ResistivoResistivo --indutivoindutivo

�� ResistivoResistivo --indutivoindutivo --fontefonte

�� FonteFonte

Principais comportamentos das cargas:Principais comportamentos das cargas:


�� Dispositivo de dois ou mais terminaisDispositivo de dois ou mais terminais

�� Fundamentalmente são absorvedores de Fundamentalmente são absorvedores de energia (mas tambenergia (mas tamb éém podem devolver m podem devolver energia)energia)

�� Podem ser unidirecionais ou bidirecionaisPodem ser unidirecionais ou bidirecionais

vL

iL+

-


22

Fundamentos da conversão estFundamentos da conversão est ááticatica


PrincPrinc íípios fundamentais:pios fundamentais:

1) Interconexão entre a(s) fonte(s) e a(s) carga(s) 1) Interconexão entre a(s) fonte(s) e a(s) carga(s) intermediada por interruptor(es)intermediada por interruptor(es)


FontesFontes Conversor estConversor est ááticotico CargasCargasenergiaenergia energiaenergia

FonteFonte Conversor estConversor est ááticotico CargaCarga

~

S1

RS2

E

Ex.: retificadorEx.: retificador

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PrincPrinc íípios fundamentais dos conversores pios fundamentais dos conversores


2) A comuta2) A comuta çção do(s) interruptor(es) ocorre de forma ão do(s) interruptor(es) ocorre de forma ccííclica clica →→ controle do fluxo de potência e controle do fluxo de potência e direcionalidadedirecionalidade da tensão e/ou correnteda tensão e/ou corrente


Ex.: retificador Ex.: retificador →→ corrente de sacorrente de sa íída unidirecionalda unidirecional�� Quando Quando vvFF(t)>0(t)>0 �� Quando Quando vvFF(t)<0(t)<0

Com Com vvFF(t) (t) éé ccííclica (clica ( sensen óóideide ), os interruptores devem ), os interruptores devem comutar de ccomutar de c ííclica para tornar clica para tornar vvLL(t)>0(t)>0

FonteFonte Conversor estConversor est ááticotico CargaCarga FonteFonte Conversor estConversor est ááticotico CargaCarga

~

S1

RS2

E vL

iL

vF

iF

iL

t

vF

t

~

S1

RS2

E

t

vF

iF

vL

iL

vF

t

iL

t

24



3) Utiliza3) Utiliza çção de elementos reativos ão de elementos reativos →→ filtragemfiltragem


Ex.: retificador Ex.: retificador →→ corrente de sacorrente de sa íída unidirecionalda unidirecional

A inclusão do indutor diminui a ondulaA inclusão do indutor diminui a ondula çção na ão na corrente de sacorrente de sa íídada


~

S1

RS2

vF vL

iLL

iL

t

iF

vF

t

c/ filtros/ filtro

25



3) Utiliza3) Utiliza çção de elementos de conversão ão de elementos de conversão →→ alteraaltera çção ão da amplitude da tensão e/ou correnteda amplitude da tensão e/ou corrente


Ex.: retificador Ex.: retificador →→ tensão de satensão de sa íída unidirecionalda unidirecional

O autotransformador altera o valor da tensão CAO autotransformador altera o valor da tensão CA


~

S1

RS2

vF vL

iF1:2

iL

vF

tt

vL

26



3) Utiliza3) Utiliza çção de elementos de conversão ão de elementos de conversão →→ isolaisola çção ão galvânicagalvânica


Ex.: retificador Ex.: retificador →→ tensão de satensão de sa íída unidirecionalda unidirecional

O transformador O transformador éé empregado para se obter a empregado para se obter a isolaisola çção galvânicaão galvânica


~

S1

RS2

E vF vL

iLiF1:1

vF

t

vL

t

27



4) Associa4) Associa çção de fontesão de fontes

�� Fonte de tensão em sFonte de tensão em s éérie com indutor rie com indutor →→comportamento de fonte de correntecomportamento de fonte de corrente

�� Fonte de corrente em paralelo com capacitor Fonte de corrente em paralelo com capacitor →→

comportamento de fonte de tensãocomportamento de fonte de tensão

=

=


28



5) Conexão de fontes por interruptores5) Conexão de fontes por interruptores�� Fonte de tensão não podem ser Fonte de tensão não podem ser curtocurto --circuitadascircuitadas(exce(exce çção ão vvcc=0=0 ou E=0)ou E=0)

�� Fonte de corrente não podem ser abertas Fonte de corrente não podem ser abertas (exce(exce çção ão iiLL=0=0 ou ou iiFF=0=0))


vc S E S

iL S iF S

29

vc1vc2

S



5) Conexão de fontes por interruptores5) Conexão de fontes por interruptores�� Fonte de tensão sFonte de tensão s óó podem ser conectadas em podem ser conectadas em paralelo quando paralelo quando vvc1c1=v=vc2c2 ou ou vvc1c1=E=E

�� Fonte de corrente sFonte de corrente s óó podem ser conectadas em podem ser conectadas em sséérie quando rie quando iiL1L1=i=iL2L2 ou ou iiFF=i=iL2L2


vvc1c1≠≠vvc2c2 vvc1c1≠≠EE

E vc1

S

S

iL1 iL2

SiL2iF

iiL1L1≠≠iiL2L2 iiFF≠≠iiL2L2

30


6) Princ6) Princ íípio bpio b áásico da concepsico da concep çção de conversoresão de conversores

�� Interconexão em cascata de fontes de natureza Interconexão em cascata de fontes de natureza diferentediferente

�� UtilizaUtiliza çção de interruptores para conversão das ão de interruptores para conversão das formas de ondaformas de onda


Fonte de Fonte de tensãotensão

Fonte de Fonte de correntecorrente

Fonte de Fonte de tensãotensão

Fonte de Fonte de correntecorrente

......

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