Post on 30-Sep-2015
description
1ELETRNICA DE POTNCIA
Prof. Msc. Paulo N. Cunha
paulo.cunha65@gmail.com
Uma breve histria da
eletricidade industrial e da
eletrnica de potncia
2Uma breve histria da eletricidade
industrial e da eletrnica de potncia
A energia elica, como sabido, sazonal e
um aproveitamento perene possvel apenas
em poucas localidades. J a energia
hidrulica, embora tambm sofra
sazonalidades, est disponvel de modo muito
mais regular. Por essa razo, as instalaes
industriais (como moinhos e serrarias),
instalavam-se ao lado dos cursos dgua.
3A inveno da mquina a vapor, no sculo
XVIII, pela primeira vez tornou possvel a
instalao das instalaes industriais em
locais distantes dos cursos dgua.
MQUINA A VAPOR
4Uma breve histria da eletricidade
industrial e da eletrnica de potncia
Possivelmente a grande vantagem da
eletricidade sobre outras formas de energia
seja exatamente sua portabilidade e
facilidade de transformao. Ou seja,
muito fcil levar energia eltrica de um local
a outro e tambm transform-la em
movimento, em luz, em calor, etc. Nesse
contexto, considera-se que a eletricidade ,
atualmente, o melhor vetor energtico
5UMA BREVE HISTRIA DA ELETRICIDADE
A eletricidade, como tema de
investigao cientfica remonta ao
sculo XVIII. A produo de
eletricidade, ao longo de quase
todo o sculo XIX provinha
essencialmente de reaes
eletroqumicas, fontes de Corrente
Contnua (CC), graas s
descobertas de Alessandro Volta
em 1800.
6Uma breve histria da eletricidade
industrial e da eletrnica de potncia
As pesquisas durante a primeira metade do
sculo XIX resultaram nas descobertas das
leis fundamentais do eletromagnetismo. As
descobertas de Faraday e Henry, de forma
autnoma, em 1831, fazendo a vinculao
dos fenmenos eltricos aos magnticos
abriram as portas para outras formas de
produo de energia eltrica, em maior
quantidade e, portanto, aplicao
produtiva da eletricidade.
7Uma breve histria da eletricidade
industrial e da eletrnica de potncia
Poucos anos depois, conhecida a propriedade de campos
eletromagnticos interagirem entre si, produzindo ao
mecnica, comearam os desenvolvimentos dos motores
eltricos
8Uma breve histria da eletricidade
industrial e da eletrnica de potncia
O desenvolvimento dos motores CC comea
em 1832, com William. Seguiram-se os
desenvolvimentos realizados por Emily and
Thomas em 1837, levando a um motor CC
com comutador. No havia, no entanto,
suprimento de energia adequado para estes
dispositivos. Em 1856 Siemens desenvolveu
uma mquina eletromecnica, qual
denominou dnamo, com objetivo desubstituir as baterias eletroqumicas nos
sistemas telegrficos
9Uma breve histria da eletricidade
industrial e da eletrnica de potncia
Em 1869, Gramme patenteia o dnamo
(gerador CC), aproveitando o princpio de
auto-excitao explicitado por Siemens e a
inveno dos anis coletores criado por
Pacinotti em 1865. Tinha-se, assim a
possibilidade de gerar eletricidade em
quantidades adequadas para seu uso
industrial. A produo industrial do dnamo de
Gramme se inicia em 1871. Gramme
demonstrou ser possvel transmitir energia
eltrica atravs de fios condutores
10
Uma breve histria da eletricidade
industrial e da eletrnica de potncia
11
Uma breve histria da eletricidade
industrial e da eletrnica de potncia
Ao mesmo tempo, avanavam estudos para
o uso de corrente alternada. Em 1881
Gaulard e Gibbs construram um dispositivo
que pode ser considerado um transformador
primitivo, com ncleo aberto, que permitia
obter tenso CA de sada isolada da tenso
aplicada na entrada. Denominaram esse
dispositivo de gerador secundrio, o qual foiinicialmente usado para alimentao de
lmpadas de arco.
12
Uma breve histria da eletricidade
industrial e da eletrnica de potncia
Em 1884 Gaulard constri uma linha de
transmisso CA de 34 km de extenso, 2 kV,
130 Hz. Seus geradores secundriostiveram os enrolamentos de entrada
conectados em srie e as asadas, isoladas,
alimentavam as cargas no nvel adequado
de tenso.
13
Uma breve histria da eletricidade
industrial e da eletrnica de potncia
Ainda em 1885, Blthy construiu esse
dispositivo com um ncleo fechado,
denominando-o de transformador. Ainveno do transformador permitiu, por
meio do ajuste das relaes de espiras, a
efetivao do conceito de transmisso de
energia em CA, com diversos
transformadores alimentados por uma
mesma fonte de tenso e com secundrios
independentes.
14
15
Uma breve histria da eletricidade
industrial e da eletrnica de potncia
Em 1888, Tesla inventa o motor de induo.
As vantagens do uso de CA para
transmisso e distribuio de energia
eltrica fizeram desta tecnologia a
responsvel pela formidvel expanso da
eletrificao a partir do final do sculo XIX.
16
17
Uma breve histria da eletricidade
industrial e da eletrnica de potncia
O funcionamento dos motores CA em
velocidade constante, no entanto, impedia
seu uso em aplicaes que exigiam alterao
na velocidade, como em veculos (trens,
bondes, etc.) ou alguns processos industriais,
como laminadoras. Nestas aplicaes, o
motor CC mantinha seu predomnio, exigindo
o fornecimento de energia em corrente
contnua, em potncias relativamente
elevadas.
18
Uma breve histria da eletricidade
industrial e da eletrnica de potncia
Os sistemas de transmisso de energia em
CC assumiram valores compatveis com as
aplicaes de transporte: 600 V em uso
urbano (bondes), 1,5 kV em uso ferrovirio
(vias isoladas). As limitaes tcnicas de tal
soluo, combinadas com a rpida
implantao de sistemas CA, manteve linhas
de alimentao CC limitadas aos sistemas de
transporte.
19
O INCIO DA ELETRNICA
No incio do sculo XX, a partir de
experimentos realizados por Edison, que
introduziu um eletrodo com potencial positivo
em sua lmpada de filamento para evitar
que houvesse deposio de material no
bulbo, Fleming identificou a capacidade de
este dispositivo atuar como retificador. Ou
seja, converter uma alimentao CA em CC.
20
Nos anos 20 do sculo passado surgiu a
Thyratron, que no um dispositivo vcuo,
uma vez que seu interior ocupado por
algum gs, responsvel por ampliar a
quantidade de ons e, em conseqncia, a
capacidade de conduo de corrente. Seu
comportamento o de um interruptor que
acionado por um terminal de disparo.
O INCIO DA ELETRNICA
21
O INCIO DA ELETRNICA
ok
22
O INCIO DA ELETRNICA
E em 1925 fora registrada uma patente
(concedida em 1930 a Julius Edgard
Lilienfeld, reproduzida a seguir) que se
referia a um mtodo e um dispositivo paracontrolar o fluxo de uma corrente eltrica
entre dois terminais de um slido condutor.Tal patente, que pode ser considerada a
precursora do que viriam a ser os
Transistores de Efeito de Campo.
23
Isto se modificou a partir do final da dcada
de 40, quando a tecnologia dos
semicondutores permitiu a realizao de tal
dispositivo.
O INCIO DA ELETRNICA
24
DA ELETRNICA DE ESTADO SLIDO
ELETRNICA DE POTNCIA
Em 1947, Bardeen e Brattain, estudavam o
comportamento de eltrons na interface
entre um metal e um semicondutor. Bardeen
e Brattain receberam o Prmio Nobel de
Fsica de 1956, juntamente com William
Shockley, "por suas pesquisas em
semicondutores e descoberta do efeito
transistor".
25
DA ELETRNICA DE ESTADO SLIDO
ELETRNICA DE POTNCIA
Esta inveno resultou um enorme esforo
de pesquisa em dispositivos eletrnicos de
estado slido. Ao longo dos anos 50 os
trabalhos se concentraram na substituio do
Germnio pelo Silcio como elemento sobre o
qual se constroe os dispositivos
semicondutores.
26
DA ELETRNICA DE ESTADO SLIDO
ELETRNICA DE POTNCIA
Os primeiros transistores
tinham como aplicao
principal a amplificao de
sinais. Embora muito mais
eficientes do ponto de vista
energtico em comparao
com as vlvulas, a aplicao
em potncias elevadas no
era possvel.
27
O primeiro dispositivo de estado slido, que
marca o nascimento do campo tecnolgico
a que denominamos Eletrnica de Potncia
o SCR (Retificador Controlado de Silcio),
denominao dada pela General Electric,
em 1958. Trata-se de um dispositivo que
tem o mesmo comportamento biestvel da
thyratron. Por tal razo, a denominao que
se estabeleceu para o componente Tiristor.
ELETRNICA DE POTNCIA
28
Os processos microeletrnicos permitiu, ao longo
dos anos 60 e 70 o aumento na capacidade de
controle de potncia dos tiristores, atingindo valores
na faixa de MVA.
ELETRNICA DE POTNCIA
29
Em sistemas com alimentao CC, como em
trens e trleibus, o uso dos tiristores
enfrentou dificuldades, dada a incapacidade
de este dispositivo ser desligado por ao do
terminal de comando (gate). Foram
desenvolvidas estratgias para possibilitar tal
tipo de aplicao. So do incio dos anos 60
os circuitos de comutao idealizados por
William que permitiam o uso do tiristor em
CC, bem como a obteno de uma sada CA
a partir da entrada CC.
ELETRNICA DE POTNCIA
30
A primeira aplicao ferroviria no Japo
ocorreu em 1969, com o controle do
enrolamento de campo (por meio de
conversor CC-CC) dos motores CC de trao.
O uso de motor de induo nesta aplicao,
ocorreu em 1982. No Brasil, a modernizao
dos transportes aconteceu a partir dos
sistemas metrovirios no final dos anos 70.
ELETRNICA DE POTNCIA
31
As tcnicas de comutao forada de
tiristores caram em desuso nos anos 80,
com o desenvolvimento do GTO (Gate Turn-
Off thyristor), que permitia tanto o disparo
quando o bloqueio controlado. Os GTOs
dominaram at o final do sculoXX as
aplicaes de trao com alimentao CC,
sejam com motores CC ou motores CA.
ELETRNICA DE POTNCIA
32
Transportes eletrificados modernos
tipicamente usam motores CA acionados por
inversores.
ELETRNICA DE POTNCIA
33
Outro campo que se beneficiou do
desenvolvimento dos tiristores foi o sistema
de transmisso de energia eltrica por meio
de linhas em corrente contnua de alta
tenso, envolvendo retificadores e
inversores. A instalao do sistema CC para
trazer energia da parte paraguaia de Itaipu
(gerada em 50 Hz) at o sudeste do Brasil
(onde se converte em 60 Hz)ocorreu nos
anos 80.
ELETRNICA DE POTNCIA
34
O suprimento de energia para sistemas
espaciais, computadores, bem como para uso
residencial e comercial, como reatores para
lmpadas fluorescentes e televisores, exigiam
solues mais eficientes, leves e compactas.
Nesta direo, houve grande evoluo dos
transitores, no mais para operar como
amplificador (na regio ativa) mas para
funcionar como interruptor.
ELETRNICA DE POTNCIA
35
ELETRNICA DE POTNCIA
Diferentemente dos tiristores que, por seu
modo de funcionamento se adequam
alimentao CA, os transistores tm sua
melhor aplicao a partir de fontes CC. Ao
desenvolvimento dos transistores bipolares
de potncia somou-se a evoluo dos
transistores de efeito de campo,
principalmente o MOSFET (Metal-Oxide
Silicon Field Effect Transistor), resultando, no
final dos anos 80 no surgimento do IGBT
(Insulated Gate Bipolar Transistor).
36
ELETRNICA DE POTNCIA
Estrutura interna e moderno dispositivo
(Semikron)
37
ELETRNICA DE POTNCIA
38
ELETRNICA DE POTNCIA
O sucesso dos inversores, ao permitir o
controle de velocidade dos motores de
induo, a partir dos anos 90, praticamente
eliminou o uso dos motores CC de escovas.
certo que ainda existem muitas aplicaes
com tais motores, mas os processos de troca
de equipamentos sempre apresentam
vantagens para o uso dos motores CA
associados aos inversores.
39
ELETRNICA DE POTNCIA
Fontes chaveadas e ballasts eletrnicospara lmpadas fluorescentes
40
ELETRNICA DE POTNCIA
Outras estruturas de motores, como o motor
de relutncia varivel, os motores de passo,
os motores CC sem escovas (DC brushless)
necessitam de um conversor eletrnico para
seu funcionamento. Conjuga-se, deste modo
o desenvolvimento dos sistemas de
acionamento ao de eletrnica de potncia de
maneira irreversvel.
41
ELETRNICA DE POTNCIA
O direcionamento atual da Eletrnica de
Potncia tem sido em busca de processos de
aproveitamento de energia mais
ecologicamente adequados. Os usos de
energia fotovoltaica, elica, do hidrognio,
carecem de um processamento eletrnico
para sua adequao s cargas.
42
ELETRNICA DE POTNCIA
Sem Eletrnica de Potncia no se
aproveitam adequadamente as fontes
limpas e renovveis de energia.
43
Apesar dos imensos progressos da
microeletrnica (j tendo se tornado
nanoeletrnica), do ponto de vista dos
dispositivos de potncia, aparentemente se
est no limite da capacidade do silcio em
termos de bloqueio de tenso e de
conduo de corrente.
ELETRNICA DE POTNCIA
44
A quebra dos atuais limites destas
grandezas, que permitiria ampliar as
aplicaes, parece depender do
desenvolvimento de novos materiais
semicondutores, como carbetos de silcio, ou
nitreto de glio, capazes de ampliar o campo
eltrico suportvel, diminuir perdas, facilitar o
fluxo do calor interno, etc. Quem sabe, se na
prxima decada tenha-se um novo e
importante captulo nessa histria.
ELETRNICA DE POTNCIA
Notas de Aula
Esta aula j esta disponibilizada no site do Prof. Paulo Cunha
https://sites.google.com/site/profpauloncunha/
45