PROJETO DE EXTENSÃO I - TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO Relatório Final de Atividade...
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
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
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
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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
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123. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento
Cálculo térmico – regime permanente
Dissipadores de alumínio:
Compensação da diferença de temperatura
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124. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento
Cálculo térmico – regime permanente
Dissipadores de alumínio:
Compensação da diferença de comprimento
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125. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento
Cálculo térmico – regime permanente
Dissipadores de alumínio:
Compensação da altitude (ar rarefeito)
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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
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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
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128. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento
Exemplos de dados de catálogo - diodo
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129. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento
Exemplos de dados de catálogo - tiristor
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130. EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento
Exemplos de dados de catálogo - tiristor
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