Acionamentos Elétricos - Parte 03 - 2014.pdf

ACIONAMENTOS ELTRICOS

Conversores Estticos

Um conversor esttico de potncia constitudo basicamente de

interruptores eletrnicos a semicondutores (chaves estticas). O controle de

abertura e do fechamento destes interruptores, segundo ciclos

determinados, permite que se modifique periodicamente a interconexo

direta dos terminais das fontes conectadas entrada e sada do conversor,

controlando-se desta forma o fluxo de energia entre ambos.

Principais interruptores:

- Diodos de Potncia

- Transistores Bipolares

- Tiristores

- Mosfets,

- IGBTs

- GTOs



Evoluo das Chaves Estticas (Semicondutores de Potncia):


Semicondutores de Potncia

Regies de Aplicaes das Chaves Estticas



Tipos de Conversores de Energia:

Retificador Controlado (conversor CA / CC) converso de tenso /

corrente alternada de amplitude e frequncia fixa ou varivel, para tenso

contnua de valor varivel.



Inversor (conversor CC / CA) - converso de tenso / corrente contnua de

valor fixo ou varivel para tenso / corrente alternada de valor fixo ou

varivel, com variao ou no da frequncia.



Chopper (conversor CC / CC) - converso de tenso / corrente contnua de

valor fixo para tenso / corrente contnua de varivel.



Cicloconversor (conversor CA / CA) - converso de tenso / corrente

alternada de frequncia fixa para tenso / corrente alternada varivel em

amplitude e frequncia.

Pode ser operado como variador direto de frequncia atravs de dois

retificadores de fase controlada

conectados como conversores duais.



Controladores de Tenso CA (conversor CA / CA) - Consiste em controlar o

fluxo de potncia entre a fonte de entrada e a sada atravs da variao do

valor eficaz da tenso CA aplicado carga.

Fornece uma tenso de sada varivel, mas a frequncia dessa tenso de

sada fixa.



Diodo de Potncia

- no recebe comandos para entrada em conduo (no controlados).

- funciona como uma chave fechada quando polarizado diretamente, e

- bloqueia a corrente quando polarizado reversamente.



Tiristor (SCR Silicon Controller Retifier)

- recebe comandos para entrada em conduo;

- funciona como uma diodo aps entrada em conduo;

- interrompe o fluxo de corrente, quando a corrente passa por zero e a

polarizao se inverte.



Transistor Bipolar (BJT Bipolar Junction Transistor)

- recebe comandos para entrada em conduo (IB >0), e tambm para sada

de conduo (IB = 0);

- permite o fluxo de corrente em apenas um sentido e quando em estado

bloqueado suporta somente tenses positivas (ic > 0 e VCE > 0) ;

- possui tempos de comutao relativamente altos, limitando a operao em

frequncias mais elevadas.

- os transistores de potncia so do tipo NPN.



Tipos de Transistores

MOSFET

( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

- um semicondutor totalmente controlado;

- pode conduzir corrente somente em uma direo;

- chaveado por tenso: Quando uma tenso adequada aplicada entre os

termais da porta e fonte (VGS > 0), o MOSFET entra em conduo. Com a

remoo da tenso (VGS = 0), o MOSFET volta ao estado bloqueado.

- tempos de comutao extremamente curtos (superior ao Transistor BJT),

desse modo podem operar com freqncias mais elevadas;

- faixa de potncia: 10 VA at 10kVA e frequncia < 800kHz

- so para aplicaes com VDS < 500V



IGBT ( Isulated Gate Bipolar Transistor)

- semicondutor que combina as caractersticas do BJT + MOSFET;



Caractersticas:



Quadro Comparativo

Como regra bsica: em baixa tenso e alta freqncia: MOSFET e em alta

tenso e baixa freqncia: IGBT.


Retificadores

Retificador Monofsico de Meia Onda

Diodo carga R resistiva

oo

Lmed VVV

V .45,0.2max

)(..2)( wtsenVwtv o


Retificadores


Diodo carga RL

)(..2)( wtsenVwtv o

cos1..225,0 oLmed VV


Retificadores


Diodo carga RL e diodo de roda livre

oLmed VV .45,0


Retificadores


Tiristor carga R

)(..2)( wtsenVwtv o

cos1..225,0 oLmed VV

2

21.

2

senVV oLef


Retificadores


Tiristor carga RL

)(..2)( wtsenVwtv o

coscos..225,0 oLmed VV

2

22.

2

sensenVV oLef

)(..2)( wtsenVwtv o


Retificadores

Retificador Monofsico de Onda Completa

Ponte de Diodos

carga R:

carga RL:

ooLmed VVV

V .9,0.2.2.2 max

)(..2)( wtsenVwtv o

D1 D4 D2 D3

cos1..45,0 oLmed VV


Retificadores

Retificador Monofsico de Onda Completa

Ponte de Tiristores

carga R:

carga RL:

)(..2)( wtsenVwtv o

T1 T4 T2 T3

coscos..45,0 oLmed VV

cos1.45,0 oLmed VV


Retificadores

Retificador Trifsico de Onda Completa

Ponte de Diodos


Retificadores

Caractersticas (Ponte de Diodos):

> cada diodo conduz durante um intervalo de 120o;

> existem sempre dois diodos em conduo;

> ocorre uma comutao a cada 60o;

> a freqncia da componente fundamental da tenso igual a 6 vezes a

freqncia das tenses de alimentao.

Tenso na carga (com diodos):

ooLmed VVV .34,2.6.3

LLmed

Lo

VV

VVseja

.35,1

3:


Retificadores

Ponte de Tiristores

Tenso na carga

cos..34,2cos..6.3

ooLmed VVV

cos..35,1

3:

LLmed

Lo

VV

VVseja


Retificadores

Forma de onda de sada p/ um ngulo de disparo


Retificadores

Valor mdio da tenso p/ diferentes ngulo de disparo

0o < < 90 90o < < 180

Vmed positivo Vmed negativo

Potncia + ( fluxo fonte p/ carga) Potncia - ( fluxo carga p/ fonte)

Modo retificador (motor) Modo inversor (gerador)


Inversores

Conversor CC / CA

A funo de um inversor consiste em converter uma tenso de entrada de

corrente contnua em tenso de sada de corrente alternada simtrica de

amplitude e frequncia desejadas. A tenso de sada pode ser fixa ou

varivel em uma frequncia fixa ou varivel.

H vrias tcnicas para alterar o ganho do inversor, ou seja, controlar a

magnitude da tenso e frequncia de sada, por exemplo:

- Modulao por Largura de Pulso

- Modulao por Largura de Pulso Senoidal

- Modulao Histerese


Inversores

Inversor Monofsico em Ponte

Carga RL


Inversores

Tenso eficaz de sada:

Tenso instantnea de sada na srie Fourier:

para n=1, tenso eficaz da componente fundamental:

dc

T

dc VdtVTV

2

0

20

2

1

dcdc VVV .9,0..2

41

,...5,3,1..

.

4

no wtnsen

ntV


Inversores

Inversor Trifsico em Ponte

1,5,6 1,2,6 1,2,3 2,3,4 3,4,5 4,5,6

2

2

2

2

Vdc

- Vdc

Vab

Vbc

Vca


Inversores

Caractersticas:

> cada transistor conduz durante um intervalo de 180o;

> existem sempre trs transistores em conduo (sequncia de comando);

> existem 6 modos de operao em um ciclo e a durao de cada modo

de 60o;

> quando Q1 entra em conduo, o terminal a conectado ao positivo de

Vdc. Quando Q4 entra em conduo, o terminal a conectado ao negativo

de Vdc.

> sinais de comando so defasados de 60o uns dos outros para obterem

tenses trifsicas equilibradas.

> a frequncia da tenso de sada pode ser ajustada por alterar o perodo

do intervalo de chaveamento.

chs

tf

.6

1


Inversores

Q1, Q5 e Q6 esto conduzindo Vab = Va - Vb = + Vdc

Terminais a e c positivos (Q1 e Q5) Vbc = Vb - Vc = - Vdc

Terminal b negativo (Q6) Vca = Vc - Va = 0

= Vs


Inversores

Q1, Q2 e Q6 esto conduzindo Vab = + Vdc

Terminal a positivo (Q1) Vbc = 0

Terminais b e c negativos (Q2 e Q6) Vca = - Vdc

= Vs


Inversores

Q1, Q2 e Q3 esto conduzindo Vab = 0

Terminais a e b positivos (Q1 e Q3) Vbc = + Vdc

Terminal c negativo (Q2) Vca = - Vdc

= Vs


Inversores


Inversores

Tenso de linha eficaz:

N-sima componente eficaz da tenso de linha:

para n=1, tenso fundamental de linha:

tenso eficaz de fase neutro:

dcdcL VVV 816,03

2

6

.cos..2

4

nVn

V dcLn

dcdcL VVV .78,06cos.24

1

dcdcL

a VVV

V .47,0.3

816,0

3


Inversores

Modulao por Largura de Pulso (PWM Pulse Width Modulation)


Inversores

Modulao por Largura de Pulso Senoidal

A frequncia do sinal de

referncia (fr) determina a

frequncia de sada do

inversor (fo), e sua

amplitude mxima Ar

controla o ndice de

modulao de amplitude

(M = Ar / Ac) , que, por sua

vez, controla a amplitude

da tenso eficaz de sada

(Vo).


Inversores

Modulao Histerese

Ia ref

corrente

Ia ref

Ia medida

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