PROJETOS E INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS · 2018. 11. 14. · INSTITUTO ESB PROJETOS E...

INSTITUTO ESB

PROJETOS E INSTALAÇÕES

ELÉTRICAS INDUSTRIAISTurma: IEMAO1701

Manaus-AM

Prof. Msc. Gilberto Tomaz Junior

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA NAS INSTALAÇÕES

INDUSTRIAIS

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA NAS INSTALAÇÕES

INDUSTRIAIS

Aplicações da Eletrônica de Potência;

História da Eletrônica de Potência;

Dispositivos Semicondutores de Potência;

Características de Controle dos Dispositivos de Potência:

(DIODOS, SCR, GTO, BJT, MOSFET, TRIAC, IGBT);

Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência:

(CONVERSORES CA-CC, CA-CA,CC-CC,CC-CA,CHAVES

ESTÁTICAS);

Projeto de Equipamentos de Eletrônica de Potência;

Efeitos Periféricos;

Módulos de Potência;

Módulos Inteligentes - Smart Power;

Periódicos e Resumos.

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

A eletrônica de potência combina potência, eletrônica e controle.

O controle trata das características dinâmicas e de regime

permanente dos sistemas de malha fechada.

A potência cuida de equipamentos de potência rotativos e

estáticos para a geração, transmissão e distribuição de energia

elétrica.


A eletrônica trata dos dispositivos e circuitos de estado sólido

para o processamento de sinais que permitam alcançar os

objetivos de controle desejados.

A eletrônica de potência pode ser definida como a aplicação da

eletrônica de estado sólido para o controle e conversão da

energia elétrica. O inter-relacionamento da eletrônica de

potência com a energia, a eletrônica e o controle é mostrado na

figura:

Aplicações da Eletrônica de Potência

Acionamentos de Máquinas Elétricas;

Controladores Industriais;

Combina: Potência, Eletrônica e Controle;

Aplicação da Eletrônica de estado sólido para o controle e

conversão de energia elétrica;

Baseia-se no chaveamento dos semicondutores de

potência;

Aplicações da Eletrônica de PotênciaControle microprocessado de potência.


Utiliza semicondutores de potência e micro-eletrônica;

Controle de sistemas de aquecimento;

Controle de luminosidade;

Controle de máquinas elétricas;

Fontes de alimentação;

Sistemas de propulsão de veículos;


Equipamentos de informática, fonte chaveada, no-break.

Utilizam dispositivos semicondutores chaveadores:

(Mosfets, IGBTs, TJBs, etc).


Sistemas de corrente contínua em alta

tensão (high voltage direct-current HVDC);

(próximo assunto ( história da E P)

História da Eletrônica de Potência

Introdução do retificador a arco de mercúrio, em 1900;

Retificador de tanque metálico;

Retificador em tubo a vácuo de grade controlada;

As válvulas Ignitron e Tiratron;

Foram utilizados seqüencialmente até: 1950;


A primeira revolução começou em 1948 com a invenção do

transistor de silício, por Bardeen, Brattain e Schockley da

Bell Telephone Laboratories;

Em 1956 a Invenção do transistor disparável PNPN,

definido como tiristor ou retificador controlado de silício

( Silicon Controled Rectifier), pela Bell Tel. Labs.


A segunda revolução começou em 1958 com o

desenvolvimento comercial do tiristor, pela General Electric

Company.

O desenvolvimento dos novos interruptores e da

microeletrônica nos possibilita trabalhar em elevadas

potências com rendimentos cada vez melhores.


Nos próximos 30 anos a eletrônica de potência dará forma

e condicionará a eletricidade, em algum lugar na linha de

transmissão, entre sua geração e todos os seus usuários.


O grande salto desta ciência ocorreu no final dos anos 80

e início dos 90. Existem hoje no mundo centenas de

pesquisadores trabalhando;

Aqui na PUCRS existem vários pesquisadores trabalhando

nesta promissora área o Laborató-rio de Eletrônica de

Potência da PUCRS o LEPUC congrega um grupo de

pesquisadores que trabalham nesta área;

Eletrônica de Potência

A eletrônica de potência trata das aplicações de dispositivos

semicondutores de potência, como tiristores e transistores, na

conversão e no controle de energia elétrica em níveis altos de

potência aplicados à indústria.

• Essa conversão é normalmente de AC para DC ou vice-versa,

enquanto os parâmetros controlados são tensão, corrente e frequência.

Portanto, a eletrônica de potência pode ser considerada uma

tecnologia interdisciplinar que envolve três campos básicos: a

potência, a eletrônica e o controle.

(próximo assunto CHAVES SEMICONDUTORAS)

Chaves semicondutoras de potência

• As chaves semicondutoras de potência são os elementos

mais importantes em circuitos de eletrônica de potência.

Os principais tipos de dispositivos semicondutores

usados como chaves em circuitos de eletrônica de

potência que serão estudados aqui são:

Chaves semicondutoras de potência

Diodos;

Retificadores controlados de silício (SCRs);

Transistores bipolares de junção (BJTs);

Triacs.

Transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor

(MOSFETs);

Transistores bipolares de porta isolada (IGBTs);

(próximo assunto BÁSICO dos CIRCUITOS)

Tipos de circuitos de eletrônica de

potência

Os circuitos de eletrônica de potência (ou conversores, como são

usualmente chamados) podem ser divididos nas seguintes categorias:

1. Retificadores não controlados (AC para DC)

2. Retificadores controlados (AC para DC)

3. Choppers DC (DC para DC)

4. Inversores (DC para AC)

5. Conversores cíclicos (AC para AC)

6. Chaves estáticas (AC ou DC)


potência

1. Retificadores não controlados (AC para DC) – converte uma tensão

monofásica ou trifásica em uma tensão DC e são usados diodos como

elementos de retificação.

2. Retificadores controlados (AC para DC) – converte uma

tensão monofásica ou trifásica em uma tensão variável e

são usados SCRs como elementos de retificação.


potência

http://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=circuito+retificador+com+scr&source=images&cd=&cad=rja&docid=9UtHj8yJoT_ecM&tbnid=JtIcRKRrZ3D4jM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Ffundaoeletro.blogspot.com%2F2009%2F08%2Ftiristores-aula-2-ricardo-pelisson.html&ei=lsQaUaaTD4es9AT364CICA&bvm=bv.42261806,d.eWU&psig=AFQjCNG_QAuJfvqdMyJvj8gvymGDyykTzA&ust=1360795135143616

3. Choppers DC (DC para DC) – converte uma tensão DC

fixa em tensões DC variáveis.


potência

http://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=chopper+DC+DC&source=images&cd=&cad=rja&docid=Q9BdAk4JjTTc7M&tbnid=BieB_UdqNPf1RM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fwww.ece.uvic.ca%2F~elec499%2F2003a%2Fgroup14%2Fproduct.htm&ei=5sUaUZLGGIf88QT11IDoDA&bvm=bv.42261806,d.eWU&psig=AFQjCNFJ4xZj4Brm7_rBseD4h-gfcFnwAg&ust=1360795398349003

4. Inversores (DC para AC) – converte uma tensão DC fixa

em uma tensão monofásica ou trifásica AC, fixa ou variável,

e com frequências também fixas ou variáveis.


potência

http://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=inversores+DC%2F+AC&source=images&cd=&cad=rja&docid=xIBb4Fc5i0lCEM&tbnid=kJIuL-6pMQpgHM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fpoluidor.blogspot.com%2F2009%2F05%2Facionamento-de-maquinas-motores.html&ei=dMYaUc_8N4-q8AS-_4CADA&bvm=bv.42261806,d.eWU&psig=AFQjCNHPgdDm1Obc6UkkUgk9M5o3EUiJBw&ust=1360795573213645

5. Conversores cíclicos (AC para AC) – converte uma

tensão e frequência AC fixa em uma tensão e frequência

AC variável.


potência


potência

6. Chaves estáticas (AC ou DC) – o dispositivo de potência

(SCR ou triac) pode ser operado como uma chave AC ou

DC, substituindo, dessa maneira, as chaves mecânicas e

eletromagnéticas tradicionais.

Aplicações práticas dos tiristores:

Limites de Funcionamento

Chaves estáticas


A transferência de potência elétrica de uma fonte para uma carga pode

ser controlada pela variação da tensão de alimentação (com o uso de

um transformador variável) ou pela inserção de um regulador (como

uma chave).

Os dispositivos semicondutores utilizados como chaves têm a

vantagem do porte pequeno, do custo baixo, da eficiência e da

utilização para o controle automático da potência.

Os dispositivos como diodo de potência, transistor de potência, SCR,

TRIAC, IGBT etc, são usados como elementos de chaveamento e

controle de fornecimento de energia de máquinas e motores elétricos.

(próximo assunto DIODO)

• O diodo está

diretamente polarizado

quando o potencial de

anodo é positivo em

relação ao catodo.

• Nesta condição o

diodo conduz. Se o

potencial de catodo

for positivo em

relação ao anodo, o

diodo bloqueia.

1. Diodos de potência

• Curva Característica


• Mesmo que a corrente

no diodo seja conduzida

até zero, ele continua

conduzindo devido à

necessidade de

recombinação dos

portadores minoritários.

O tempo requerido para

esta recombinação é

chamado tempo de

recuperação reversa. É

mais comum o tipo de

recuperação dita suave.


• Os diodos que necessitam

comutar rapidamente,

bloqueiam rapidamente,

de modo a estar apto a

conduzir novamente no

menor intervalo de tempo

possível. Entretanto, uma

recuperação abrupta

provoca oscilações que

podem gerar

instabilidades e até

mesmo falhas no

funcionamento.


1. Diodos de potência - Tipos:

• Os diodos standard

possuem tempos

de recuperação

reversa

relativamente altos.

Geralmente em

torno de 25µs e são

utilizados em

aplicações de baixa

velocidade.

• Aplicação:

retificadores e

conversores com

frequência de

entrada até 1kHz.

1. Diodos Standard

• Os diodos de

recuperação rápida

possuem tempo de

recuperação reversa

baixo, geralmente

menores que 5µs.

• Aplicação:

Conversores cc-cc

e cc-ca em que o

tempo de

recuperação é

critico para o

funcionamento do

mesmo.

1. Diodos de Recuperação Rápida

1. Diodos de potência: características e

funcionamento

O diodo mostrado abaixo é formado pela junção dos materiais dos tipos N e P.

Desta forma, só há passagem de corrente elétrica quando for imposto um

potencial maior no lado P do que no lado N. Devido a uma barreira de potencial

formada nesta junção, é necessária uma d.d.p. com valor acima de 0,6V (em

diodos de sinal) para que haja a condução. Em diodos de potência, esta tensão

necessária gira em torno de 1 a 2V.

Na figura vemos o aspecto físico de um diodo de potência caracterizado

pelo anodo rosqueado.

Aspecto físico do diodo de potência


funcionamento

Principais valores nominais para os diodos:

O valor nominal da tensão de pico inversa (peak

inverse voltage – PIV) é a tensão inversa máxima que

pode ser ligada nos terminais do diodo sem ruptura.

Se for excedido a PIV nominal, o diodo começa a conduzir

na direção inversa e pode ser danificado no mesmo

instante.


funcionamento

Principais valores nominais para os diodos:

Peak inverse voltage – PIV

Os valores nominais da PIV são de dezenas a milhares de

volts, dependendo do tipo do diodo. Os valores nominais da

PIV são também chamados de tensão de pico reversa

(PRV) ou tensão de ruptura (VBR).


funcionamento

Corrente direta média máxima If (avg) Max

A corrente direta média máxima é a corrente máxima

que um diodo pode aguentar com segurança quando

estiver diretamente polarizado.

Os diodos de potência estão disponíveis com valores

nominais que vão desde alguns poucos a centenas de

ampères.


funcionamento

Classificação dos Diodos de Potência

Genéricos, de uso geral, são fornecidos em até 3000 V,

3500 A e tempo de recuperação reversa trr de 10 ms;

Alta velocidade ou recuperação rápida, são fornecidos

em até 3000 V, 1000 A e valores típicos de trr de 0,1 e

5,0 ms;

Diodos Schottky (very fast) trr da ordem de nano-

segundos ;

Resumo dos Diodos de Potência

O diodo conduz quando esta polarizado diretamente,

isto é, quando a tensão do Ânodo é superior a (tensão)

do Cátodo;

O bloqueio se da quando a corrente que por ele (diodo)

circula se anula;

A corrente de fuga aumenta com a faixa de tensão;

Tipos de Encapsulamentos dos

dispositivos de potência

Tipo ROSCA ou rosqueável (do inglês stud ou stud-

mounted);

Tipo DISCO ou encapsulamento prensável ou disco

de hóquei (do inglês disk ou press pak ou hockey

puck)

(próximo assunto tiristores)

Um pouco de teoria:

Falando dos tiristores...Tipos:

Tiristor de comutação forçada;

Tiristor comutado pela rede;

Tiristor de desligamento pelo gatilho, GTO;

Tiristor de condução reversa, RCT;

Tiristor de indução estática, SITH;

Classificação dos tiristores:

Tiristor de desligamento auxiliado pelo gatilho, GATT;

Retificador controlado de silício, controlado por luz,

LASCR;

Tiristores controlados por MOS, MCTs;

(próximo assunto SCR)

• Existindo corrente de

gatilho, passa a se

comportar como um

diodo, mesmo quando

a correte de gatilho é

desligada

2. Retificador controlado de silício (SCR)

• As tensões máxima

que esse tiristor pode

bloquear, tanto direta

quanto reversa, são

bastate limitadas.


• Esse tiristor entra em

condução se estiver

diretamente

polarizado e for

fornecida uma

corrente no gatilho.


• O bloqueio acontece

quando a corrente

anodo-catodo para

de circular ou, da

mesma forma que

para um diodo de

potência, é

polarizado

reversamente



Detalhes de Funcionamento

O SCR é um dispositivo de três terminais, chamados de

anodo (A), catodo (K) e gatilho (G), como mostra a figura a

seguir:

Pode-se considerar o SCR um diodo controlado pelo

terminal de gatilho. No SCR, apesar da tensão de anodo

ser positiva, o mesmo ainda permanece bloqueado

(corrente nula).

Só quando for aplicado um pulso de gatilho, é que o

SCR passará a conduzir corrente, comportando-se como

um diodo retificador.



Análogo a um diodo com um 3º terminal (gatilho).

Para conduzir, além de estar polarizado diretamente,

deve receber um pulso de corrente no gatilho.

São chaves estáticas biestáveis, ou seja, trabalham em

dois estados: não condução e condução, com a

possibilidade de controle.

Em muitas aplicações podem ser considerados chaves

ideais, mas há limitações a serem consideradas na

prática.



Apresentam alta velocidade de comutação e elevada

vida útil;

Possuem resistência elétrica variável com a

temperatura, portanto, dependem da potência que

estiverem conduzindo;



Aplicações do SCR

Controles de relés e motores;

Fontes de tensão reguladas;

Choppers (variadores de tensão CC);

Inversores CC-CA;

Ciclo conversores (variadores de frequência);

Carregadores de bateria;

Controles de iluminação;

Polarização Direta de um SCR

J1 e J3 polarizados diretamente

J2 polarizado reversamente: apresenta maior barreira de potencial

Flui pequena corrente de fuga direta do ânodo para o cátodo, IF

Bloqueio direto –DESLIGADO

Polarização Reversa de um SCR

J2 diretamente polarizada

J1 e J3 reversamente polarizadas: apresentam maiores barreiras de potencial

Flui pequena corrente de fuga reversa do cátodo para o ânodo, IR

Bloqueio reverso -DESLIGADO

Características Dinâmicas dos Tiristores

Entrada em condução (chave

fechada em t0)

Para que o SCR entre em

condução há um tempo para

que IG provoque o decaimento

de VAK e o aumento de IA;

Tempo de retardo (td)

depende da amplitude de IG e

sua velocidade de

crescimento;

tr depende das características

do componente.


Bloqueio do Tiristor (chave Ch2 fechada em t0)

Em t1, Ch2 é aberta novamente - SCR bloqueado;

Após tempo de recuperação (trr) deve-se manter tensão reversa por um tempo maior ou igual a tq para que seja alcançado o equilíbrio térmico e o SCR permanecer bloqueado.

• O tiristor GTO (gate turn

off) entra em condução

através de um sinal

positivo no gatilho, e

bloqueia através de um

sinal negativo no gatilho.

Tiristor de desligamento pelo gatilho - GTO

Tiristor de desligamento pelo gatilho - GTO

Problemas Operacionais dos Tiristores

Efeito di/dt

Quando se inicia o processo de ignição de um tiristor, a

região de condução se restringe a uma pequena área

próxima ao gatilho. Esta área de condução cresce com uma

determinada taxa, assim como a corrente direta. Se a taxa de

crescimento da corrente for muito maior que a taxa de

crescimento da área de condução, ocorrerá um aquecimento

que poderá destruir o dispositivo.


Efeito di/dt

Solução:

O crescimento da corrente pode ser limitado com a inclusão

de um indutor em série com o tiristor.


Efeito dv/dt

Este efeito causa o disparo do tiristor em

tensões abaixo da definida pela corrente no

gatilho, isto é, disparos aleatórios.


Efeito dv/dt

Solução:

O efeito dv/dt pode ser controlado com a inclusão

de um circuito RC (circuito Snubber) em paralelo

com o tiristor.


Efeito dv/dt

Solução:


Sobretensões

As sobretensões estão, normalmente, relacionadas a um corte bruscode corrente e o aparecimento de uma tensão (L.di/dt).

As causas mais prováveis de sobretensões são:

O processo de chaveamento do próprio tiristor;

Tensões transitórias transmitidas pelas redes industriais, devido achaveamentos de circuitos indutivos.

A proteção mais utilizada também é um circuito RC (Snubber) emparalelo com o tiristor.


Sobrecorrentes

As principais causas do aparecimento de sobrecorrentes são:

Partida de motores;

Equipamentos de soldagem elétrica;

Presença de curto-circuito.

Para proteção:

Disjuntores de ação rápida (correntes não muito elevadas)

Fusíveis ultra-rápidos (correntes muito elevadas).


Problemas térmicos

A junção do semicondutor - região crítica sob o aspecto da

temperatura - está diretamente submetida ao fluxo da corrente de

carga, como consequência há uma resposta muito rápida às

variações de corrente.

Problemas térmicos

Solução:

Para evitar esses problemas é necessário o projeto de dissipadores

para transferir o calor para o ambiente.

Matemática do SCR:

Circuitos utilizando SCR

Objetivos:

Aprender algumas aplicações práticas utilizando SCR.

Aprender a dimensionar circuito de disparo para controlar

fase em carga resistiva utilizando SCR.


Circuito em corrente contínuaA figura apresenta um circuito didático, utilizando SCR em corrente contínua.


Consultando o catálogo do SCR TIC106D, foram obtidas as seguintes informações::

Para que o SCR dispare, uma corrente no mínimo igual à IGT deve ser aplicada ao

gatilho do SCR.

Além disso, a tensão entre anodo e cátodo (V ) deve ser maior ou igual a 0,6 V

(VGT).

Neste caso, o resistor R1 irá determinar (ou limitar) a corrente de gatilho IG.


Para dimensionar R1, basta aplicar a Lei de Ohm na primeira malha do

circuito. Os cálculos são apresentados a seguir:


SCR como retificador de meia onda

Circuito retificador de meia onda controlado


Segundo a sua folha de dados, o SCR TIC116B precisa:

20 mA de corrente de gatilho,

6 VCC de tensão entre anodo e catodo (VAK) (VGK),

0,6 V de tensão de gate (VGT) nesse circuito é igual a (VGK)).

Desta forma, logo no início do semiciclo positivo, a tensão da rede de

alimentação atinge um valor suficientemente alto para garantir as condições

de disparo de SCR, que conduzirá e acenderá a lâmpada.


Desconsiderando a queda de tensão no diodo e entre gatilho e cátodo, após a

condução do SCR (VGT), a tensão da rede em que o disparo ocorre pode ser

calculada da seguinte maneira:

Como as condições de disparo fixam dois valores (VAK = 6 V e IGT = 20 mA), com

certeza, entre 3,6 V e 6 V, a corrente necessária será atingida para garantir o

disparo do SCR.


Com quantos graus, a tensão da rede atinge 6 V?

Em que: – ângulo de disparo em graus


Portanto, praticamente todo semiciclo positivo é aplicado à lâmpada, como

pode ser observado pelas formas de onda da Figura.

Formas de onda no circuito retificador de meia onda com SCR


SCR controlando fase numa carga resistiva

Observe o circuito da Figura :

Dados

IGT = 200 μA

VGT = 0,6 V

a) Calcule os valores do resistor fixo R1 e da resistência variável (potenciômetro) R2,

para disparo do SCR em 2°, 15°, 30°, 60° e 90°, em relação à tensão da rede.


Disparo em 15°

Disparo em 2°


Disparo em 30°

Disparo em 60°


Disparo em 90°

Portanto, podem ser escolhidos os seguintes resistores:

Tabela 6.1: Ângulos de disparo e componentes relacionados

Ângulo de disparo () RX (Ω) R1 (kΩ) R2 (Ω)

2° 28.340,6 20 8.340,6

15° 229.426,1 20 208.426,1

30° 445.012,8 20 425.012,8

60° 774.713,0 20 754.713,0

90° 895.025,6 20 875.025,6


b) Desenhe as formas de onda da tensão sobre a carga.

Disparo em 2°

Forma de onda da tensão sobre a carga com disparo em 2º

Circuitos utilizando SCRDisparo em 15°



Disparo em 30°



Disparo em 60°



Disparo em 90°



O valor médio da tensão na carga para uma senóide, retificada em meia onda,

com ângulo de disparo , é dado pela Equação 6.1.

O valor eficaz da tensão na carga para uma senóide, retificada em meia onda,

com ângulo de disparo , é dado pela Equação 6.2.

c) Calcule o valor médio e eficaz da tensão na carga para os valores de , bem

como a potência dissipada.


A potência dissipada pela carga é dada pela Equação 6.3.

A Tabela mostra os valores da tensão média, da tensão eficaz e da potência

dissipada pela carga para cada ângulo de disparo.

Tensões média, eficaz e potência dissipada pela carga para cada ângulo.

Ângulo de disparo () Vm (V) Vrms (Vrms) P (W)

2° 57,2 89,8 80,64

15° 56,2 89,6 80,28

30° 53,3 88,5 78,32

60° 42,9 80,5 64,80

90° 28,6 63,5 40,32


Atividades de aprendizagem1.O circuito da Figura é alimentado por uma fonte CA de 127 Vrms. Calcule osvalores do resistor RX para disparo do SCR em 2°, 15°, 30°, 60° e 90° (ângulo dedisparo em relação à tensão da rede) e desenhe as formas de onda da tensão nacarga RL de 100 ohms e no SCR. Calcule o valor médio e eficaz da tensão na cargapara os valores de . Calcule também a potência dissipada. Para o cálculo dovalor dos resistores no circuito de gatilho, considerar a queda de tensão do diodoD1 igual a 0,7 V.

Dados

IGT(tip) = 200 μA

VGT(tip) = 0,6 V

ITmax = 8 A

VRRM = 200 V

(próximo assunto TJB)

• O transistor bipolar pode

ser do tipo NPN ou PNP. O

transistor pode funcionar na

região de corte, região ativo

ou região de saturação. Em

fontes chaveadas, o

transistor é utilizado em

corte ou saturação.

3. Transistor de Potência bipolar de junção

(TJB)

• O transistor bipolar é um

interruptor controlado por

corrente e requer uma

corrente de base para que

flua uma corrente de

coletor.


(TJB)

É um dispositivo de três camadas P e N

(P-N-P ou N-P-N), cujos símbolos são mostrados na

figura.


(TJB)

Segue os mesmos parâmetros do transistor de sinal, com alguns

parâmetros próprios devido aos níveis de correntes e tensões de

trabalho:

O ganho varia entre 15 e 100;

Operação como chave em dois estados: corte e saturação;

Tensão e corrente máximas de coletor de 700V e 800A;

Tensão de saturação é de 1,1V para um transistor de silício.

Tensão de bloqueio reverso entre coletor e emissor em torno de 20V,

de modo que o impede de trabalhar em AC.

(próximo assunto mosfet)


(TJB)

4. Transistor de efeito de campo metal-óxido-

semicondutor (MOSFET)

O transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido

metálico (MOSFET) de potência é um dispositivo para uso

como chave em níveis de potência.

Os terminais principais são o dreno e a fonte, com a

corrente fluindo do dreno para a fonte e sendo controlada

pela tensão entre a porta e a fonte.



Abaixo é mostrado o símbolo do MOSFET:

O MOSFET é um transistor de chaveamento rápido,

caracterizado por uma alta impedância de entrada,

apropriado para potências baixas (até alguns quilowatts) e

para aplicações de alta frequência (até 100kHz).

O MOSFET infelizmente sozinho não consegue bloquear

uma tensão reversa entre dreno e fonte.



Isto de deve a um diodo

acoplado internamente a sua

estrutura em antiparalelo.

Este diodo é chamado de

diodo de corpo e serve para

permitir um caminho de

retorno para a corrente para

a maioria das aplicações de

chaveamento. Este diodo é

mostrado na figura ao lado.



• O MOSFET é um

interruptor controlado

por tensão e requer

apenas uma pequena

corrente de entrada

para que flua uma

elevada corrente de

dreno para source.



• A velocidade de

chaveamento do

MOSFET é elevada.

• Os tempos de comutação

são da ordem de nano

segundos.

• Permitem elevadas

frequências de

chaveamento.



• O MOSFET é um dispositivo

controlado por tensão e possui

uma impedância de entrada

muito elevada. Portanto, o

gatilho ou gate drena uma

corrente muito baixa. Desta

forma, o circuito de gatilho se

torna mais simples.



5. Transistor bipolar de porta isolada (IGBT)

O transistor bipolar de porta isolada (IGBT) mescla as

características de baixa queda de tensão de saturação do

TJB, com as excelentes características de chaveamento e

simplicidade dos circuitos de controle da porta do MOSFET.

Figura 11 – Símbolo do IGBT

Os IGBTs substituiram os MOSFETS em aplicações de

alta tensão, nas quais as perdas na condução precisam ser

mantidas em valores baixos.

Embora as velocidades de chaveamento dos IGBTs sejam

maiores (até 50 kHz) do que as dos TJBs, são menores que

as dos MOSFETs.


Portanto, as frequências máximas de chaveamento

possíveis com IGBT ficam entre as dos TJBs e as dos

MOSFETs.

Ao contrário do que ocorre no MOSFET, o IGBT não tem

qualquer diodo reverso interno. Assim, sua capacidade de

bloqueio para tensões inversas é muito ruim. A tensão

inversa máxima que ele pode suportar é de menos de 10 V.


• O IGBT integra as vantagens do transistor

(capacidade de corrente) com as do

MOSFET (controle por tensão).


• O IGBT, portanto, é

um dispositivo

acionado por tensão.

O IGBT é mais rápido

que o transistor

bipolar, porém, mais

lento que o MOSFET.


• O IGBT possui baixas

perdas em condução e

elevada capacidade de

corrente.

• Possui perda de

comutação

significativa, devido a

presença da corrente

de cauda.


6. TRIAC

Para se evitar a necessidade de utilização de dois SCRs

em antiparalelo, foi desenvolvido o TRIAC.

TRI (triodo ou dispositivo de três terminais) e AC (corrente

alternada) formam o nome deste elemento, cuja principal

característica é permitir o controle de passagem de corrente

alternada.

As condições de disparo são

análogas ao do SCR. Podendo ser

disparado com corrente de gatilho

positiva ou negativa.

Em condução, apresenta-se

quase como um curto-circuito

com queda de tensão entre 1V e

2V.

Os terminais são chamados de

anodo 1 (A1 ou MT1), anodo 2

(A2 ou MT2) e gatilho (G)

Figura 23 – Símbolo do triac

6. TRIAC

O TRIAC pode ser disparado em qualquer polaridade de

tensão e sentido de corrente, desta forma ele opera nos

quatro quadrantes, tomando-se o terminal A1 como

referência.

Quadrantes de polarização do triac

6. TRIAC

a) Existem quatro modos diferentes para disparo de um TRIAC, operando em quatroquadrantes. Tomando-se MT1 como referência, os quatro quadrantes são definidospela polaridade de MT2 e o gatilho (G) em relação a MT1. A seguir são detalhadosestes quatro modos de disparo.

b) Disparo no 1° quadrante – os terminais MT2 e gatilho (G) estão positi- vos em relação

a MT1.

c) Disparo no 2° quadrante – o terminal MT2 está positivo e o terminal G está negativo,

ambos em relação a MT1.

d) Disparo no 3° quadrante – o terminal MT2 está negativo e o terminal G está negativo,

ambos em relação a MT1.

e) Disparo no 4° quadrante – o terminal MT2 está negativo e o terminal G está positivo,

ambos em relação a MT1. Logo, a corrente entra em G.

6. TRIAC

6. TRIAC

No 1° e 3° quadrantes, obtêm-se maior sensibilidade de disparo para o TRIAC

em relação às outras possibilidades;

No 4° quadrante, a sensibilidade é pequena;

No 2° quadrante, é ainda mais reduzida, devendo ser utilizada somente em

TRIACs concebidos especialmente para este fim.

Portanto, o disparo de um TRIAC não é simétrico, ou seja, não dispara nas

mesmas condições para os quatro quadrantes.

6. TRIAC

PerguntaEm circuitos de corrente alternada, como o TRIAC pode ser bloqueado se ele nunca fica reversamente polarizado?

RespostaNa passagem do sinal de tensão por zero a corrente principal (IA) também cai a zero e o TRIAC é bloqueado (IA < IH).

A sensibilidade ao disparo varia conforme o quadrante, em função das

diferenças nos ganhos de amplificação, em cada caso. Normalmente, o

primeiro quadrante é o de maior sensibilidade ao disparo e o quarto, o de

menor.

Os circuitos a seguir mostram, como exemplo, aplicações simples do

TRIAC em corrente alternada:

6. TRIAC

6. TRIAC

6. TRIAC

Controle de onda completa com TRIAC

Observe que esse circuito efetua disparo no 1° e 3° quadrantes.

6. TRIAC Controle de onda completa com TRIAC

Considerando que este TRIAC possui módulos iguais de corrente de disparo

(|IGT| = 50 mA) para o 1° e o 3° quadrantes e;

Considerando que a queda de tensão típica de disparo entre G e MT1 é VGT = 1,2 V.

, Calcular em quais ângulos serão efetuados os disparos.

Portanto, o TRIAC irá disparar em:

1,13° (1° quadrante) e

181,13° (3° quadrante).

6. TRIAC

O TRIAC bloqueia quando o sinal de corrente entre os terminais MT1 e MT2 passapelo zero da senoide.

No caso deste circuito, como a carga (lâmpada incandescente) é puramenteresistiva, a tensão passa por zero no mesmo instante da corrente, ou seja, atensão e a corrente estão em fase.

Neste circuito a lâmpada receberá praticamente todo o ciclo de onda, de acordocom a figura.

Forma de onda da tensão VR sobre a carga (lâmpadaincandescente)

6. TRIAC

a) Como você faria para alterar o ângulo de disparo?

b) Como você faria para disparar o TRIAC em uma tensão pré-estabelecida?

Estas questões serão abordadas na próxima aula.

• O TRIAC pode conduzir

em ambos os sentidos.

Podemos, inclusive,

considerar o TRIAC

como dois tiristores em

antiparalelo.

6. TRIAC

6. TRIAC

Circuitos utilizando TRIAC

Objetivos

Aprender dimensionar circuito para controlar fase de carga resistiva utilizando

TRIAC.

Compreender o funcionamento de um DIAC e de um circuito dimmer.

Compreender a função e o funcionamento de um acoplador óptico.

6. TRIAC

TRIAC controlando fase de uma carga resistivaExemplo

Observe o circuito da figura:

Dados

IGT = 50 mA (1º e 3º quadrantes) VGT = 2,0 V (1º e 3º quadrantes)

a) Calcule os valores do resistor fixo R1 e da resistência variável (potenciô-

metro) R2 para disparo do TRIAC em 2°, 15°, 30°, 60° e 90° em relação à tensão

da rede.

6. TRIAC

Disparo em 2°

Disparo em 15°

6. TRIAC

Disparo em 30°

Disparo em 60°

6. TRIAC

Disparo em 90°

Portanto, podem ser escolhidos os resistores apresentados na tabela.

Ângulos de disparo e componentes relacionados

Ângulo de disparo

()

RX (Ω) R1 (Ω) R2 (Ω)

2° 85,4 50 35,4

15° 889,7 50 839,7

30° 1.756,1 50 1706,1

60° 3.070,9 50 3.020,9

90° 3.552,1 50 3.502,1

6. TRIAC

b) Desenhe as formas de onda da tensão sobre a carga.

Disparo em 2°


6. TRIAC

Disparo em 15°

Disparo em 30°

6. TRIAC

Disparo em 60°

Disparo em 90°

6. TRIAC c) Calcule o valor médio e eficaz da tensão na carga para os valores de , bem

como a potência dissipada.

Quando se utiliza um circuito com TRIAC em corrente alternada, o valor médio

da tensão na carga, para qualquer ângulo de disparo, é sempre igual à zero.

Entretanto, o valor eficaz da tensão na carga é diferente de zero e dependerá do

ângulo de disparo “alfa” (), conforme a equação abaixo:

6. TRIAC

Tensões média, eficaz e potência dissipada pela carga, para cada ângulo de disparo

Ângulo de disparo () Vm (V) Vrms (Vrms) P (W)

2° 0 127,0 161,29

15° 0 126,8 160,78

30° 0 125,2 156,75

60° 0 113,9 129,73

90° 0 89,8 80,64

tabela acima, observa-se que, quanto maior o ângulo de disparo do triac, menor será a tensão

eficaz aplicada à carga e vice-versa.

Disparando-o em diversos ângulos da tensão senoidal da rede, é possível aplicar à carga RL,

potências diferentes.

cálculo da potência foi utilizada a mesma expressão utilizada na Equação 6.3.

6. TRIAC Disparo com divisor de tensão

R1 é um resistor fixo cuja função é limitar a corrente de gatilho do TRIAC.

R2 é um resistor variável, cuja variação provoca a variação do ângulo de disparo do

TRIAC.

Observe que Rx = R1 + R2, pois estão em série e possuem a mesma corrente.

O conjunto R3 e C1 formam um circuito Snubber de proteção contra disparo por

variação de tensão.

6. TRIAC

Dados

IGT = 50 mA (1º e 3º quadrantes)

VGT = 2,0 V (1º e 3º quadrantes)

RGK = 1 kΩ

Responda

a) Encontre a expressão para calcular RX, em função da corrente de disparo (IGT) do

TRIAC.

6. TRIAC De acordo com Lei dos Nós, observamos que:

Sabemos que a tensão sobre o resistor RGK é igual à VGT, após o disparo.

Portanto, podemos reescrever a equação anterior da seguinte maneira:

Logo:

6. TRIAC

Cálculo de RX

Cálculo de R2

b) Determine os valores de RX e R2 para disparo em 30°.

7. DIAC

O DIAC (Diode Alternative Currente) é uma chave bidirecional disparada por

tensão.

Normalmente, a tensão de disparo dos DIACs ocorre entre 20 e 40V.

A sua curva característica está mostrada a seguir, junto com seus símbolos

mais utilizados .

7. DIAC

Basicamente, trata-se de um TRIAC sem gatilho.

Ele só dispara quando a tensão aplicada atinge as tensões de disparo VD.

Geralmente este valor se encontra entre 20 e 40 volts.

Trata-se de um dispositivo simétrico, ou seja, ele possui as mesmas condições de disparo tanto para o 1°, quanto para o 3° quadrantes. Portanto, ele corrigeo problema de antissimetria de disparo do TRIAC, de acordo com o circuito

dimmer da figura

7. DIAC

O capacitor C1 atrasa a tensão aplicada sobre o DIAC.

Então, é comum dizer que se trata de disparo por rede defasadora.

7. DIAC Torna-se possível disparar o TRIAC com ângulos maiores que 90° e 270°.

A tensão sobre o capacitor, atrasada em relação à tensão da rede, é quem vai

disparar o DIAC e, consequentemente, o TRIAC.

7. DIAC

Optoacopladores

Os optoacopladores ou acopladores ópticos possuem a função de proporcionarisolamento elétrico entre o circuito de disparo e o circuito de potência, já que ocontato passa a ser realizado por luz.

Eles são construídos com um LED infravermelho e um fotodetector, que pode ser

um transistor, um SCR ou um TRIAC (sensíveis a luz), de acordo com a figura.

7. DIAC

Nesse circuito luz emitida pelo LED D2 irá acionar o fototriac Q2. , disparando oTRIAC principal Q1, ligando a carga.

DadosOptoacoplador MOC3011

LED D2

IA = 10 ~ 50 mA

VF = 1,3 V ~ 10mA

TRIAC Q2

VBR, VB0 = 250 V

VT(max) = 3 V @100mA

IA(max) = 1,2 A

TRIAC Q1

VGT = 2,0 V

IGT = 100 mA

7. DIAC Exemplo

Observe o circuito da Figura 8.12.

A luz emitida pelo LED D2 irá acionar o fototriac Q2. Estes elementos estão

encapsulados em um único circuito integrado. Assim, polarizando diretamente o LED

D2, por meio da tensão de controle (Vcontrole), o fototriac Q2 irá conduzir, disparando o

TRIAC principal Q1, ligando a carga.

Dados

TRIAC Q1

VGT = 2,0 V

IGT = 100 mV

Optoacoplador MOC3011

LED D2

IA = 10 ~ 50 mA

VF = 1,3 V @ 10 mA

7. DIAC Responda

a) Verifique se o MOC está sendo usado dentro de seus parâmetros máximos.

LED D2

(dentro da faixa de 10~50 mA)

TRIAC Q2

Considerando VT = 0 V para Q2 e VGT = 0 V para Q1, a corrente máxima em Q2 será:

(menor que 1,2 A)

7. DIAC

b) Cálculo do valor da tensão da rede no instante de disparo do TRIAC Q1.

7. DIAC

Resumo

Nessa aula, você aprendeu como controlar a fase em uma carga resistiva,

utilizando TRIAC.

Você também conheceu o dispositivo DIAC e compreendeu a função e o

funcionamento de um optoacoplador.


Os tiristores de comutação natural ou pela rede

podem operar até 6000 V e 3500 A;

Os tiristores de alta velocidade, neste caso

apresentam tempos de desligamento da ordem

de 10 a 20 ms e valores de tensão de 1200 V e

corrente de 2000 A;

Os tiristores de condução reversa RCT e de

desligamento auxiliado pelo gatilho GATTs são

amplamente utilizados para chaveamento em

alta velocidade, em especial em aplicações de

tração;

Um RCT pode ser conside-rado como um SCR

com um diodo em anti-paralelo, 2500 V, 1000 A

(400 A em condução reversa) e apresentam

tempos de cha-veamento da ordem de 40 ms.


Os GATTs são fornecidos em até 1200 V e 400 A,

com uma velocidade de chaveamento de 8 ms;

Os LASCR, retificadores controlados de silício

controlados por luz são fornecidos em até 6000 V e

1500 A , com uma velocidade de chaveamento de

200 a 400 ms;

Os LASCR são apropriados para sistemas de alta

potência HVDC;


Os TRIACs são amplamente utilizados no

controle de cargas CA de baixa potência;

Os GTOs e os tiristores de indução estática

SITHs são tiristores autodesligáveis.

São ligados e desligados pela aplicação de um

curto pulso positivo e negativo respectivamente.

GTOs são fornecidos em até 4000V e 3000 A;


Os SITHs, cujos valores nominais podem ser tão altos, como

1200V e 300 A, têm expectativa de aplicação em

conversores de média potência, com uma freqüência de

várias centenas de quilohertz e além da faixa de freqüência

dos GTOs;

Os MCTs podem ser ligados por um pequeno pulso de

tensão negativa na porta MOS e vice-versa em relação ao

seu ânodo, fornecidos em até 1000 V e 100 A.


Os BJTs, apresentam três terminais cbe sendo

normalmente operados como interruptores na

configuração emissor comum devido as suas

características é normalmente utilizado em

conversores que operam até 1200 V, 400 A e 10

kHz;

Os MOSFETs, são utilizados em potências

relativamente baixas, na faixa de 1000 V, 50 A e

dezenas de quilohertz;


Os IGBTs, são transistores de potência

controlados por tensão;

São inerentemente mais rápidos que os BJTs,

mas não tão rápidos quanto os MOSFETs;

São fornecidos em até 1200 V, 400 A podendo

operar em freqüências de até 20 kHz;


O Transistor de indução estática SITs é similar a

um JFET;

Possui baixo ruído, baixa distorção e

capacidade de potência em altas frequências de

áudio;

São fornecidos em até 1200 V, 300 A podendo

operar em frequências de até 100 kHz; Usados

em áudio, VHF/UHF e microondas;



Limites de Funcionamento

Principais Características dos Dispositivos de Potência

Principais Aplicações dos Dispositivos de Potência

Características e

Simbologia dos

Dispositivos de

Potência

1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência

1. Retificadores com diodos;

2. Conversores CA-CC (retificadores

controlados);

3. Conversores CA-CA (controladores de tensão

CA);

4. Conversores CC-CC (choppers);

5. Conversores CC-CA (inversores);

6. Chaves estáticas;

Os circuitos de eletrônica de potência podem ser:

u Um circuito retificador converte tensão CA em

uma tensão CC fixa;

1. Retificadores a Diodo CA - CC

u O valor médio da tensão pode ser

controlado variando-se o tempo de

condução dos tiristores ou o atraso do

ângulo de disparo, .

2. Retificadores controlados

(Conversores CA – CC)

São usados para que se possa obter uma

tensão CA variável a partir de uma tensão

CA fixa. Através do controle do ângulo de

disparo, ;

3.Conversores CA – CA

(Controladores de tensão CA)

u Também conhecido como chopper ou

regulador chaveado. A tensão média de

saída é controlada pela variação do tempo de

condução do transistor, tON. Se T é o período

de operação do conversor, então tON=DT.

Onde D é chamado ciclo de trabalho do

conversor;

4. Conversores CC – CC (CHOPPERS)


Principais tipos de conversores CC/CC

Objetivos

Compreender o princípio de funcionamento dos conversores CC/CC.

Conhecer os principais tipos de conversores CC/CC.

Especificar os componentes eletrônicos principais dos conversores estudados.


Segundo Mello (2011), existem seis conversores CC/CC básicos e a maioria dosconversores encontradas na prática são baseados nesses circuitos:

Buck,

Boost,

Buck-Boost,

CUK,

SEPIC,

ZETA.

o Em todos, a tensão de saída é controlada por uma chave ativa (transistor) e umachave passiva (diodo).

o O transistor sempre opera como chave, (corte / saturação).

o Há sempre um filtro capacitivo na saída, de modo a manter, sobre o circuito, atensão estabilizada.


O conversor buck também é chamado de abaixador(step-down).

BUCKO conversor buck é um conversor abaixador de tensão e é utilizado quando sedeseja uma redução na tensão de saída VS em relação à tensão de entrada VE.


1ª Etapa (TON) – Transistor em condução e diodo em corte:

A corrente circula pelo transistor, pelo indutor L (iL = iT) e pela saída.A tensão de entrada VE fornece energia para a saída e para a magnetização doindutor L, bem como para o capacitor.Quando o valor instantâneo da corrente pelo indutor for maior do que acorrente da carga, a diferença carrega o capacitor.

Transistor conduzindo,

Diodo em corte


2ª Etapa (TOFF) – Transistor está bloqueado e diodo conduzindo. A tensão de entrada VE se desliga do circuito.O diodo entra em condução e mantém a corrente circulando pelo indutor (iL = iD).Em (TOFF), a energia do indutor é transferida para a carga (indutor é desmagnetizado).Enquanto o valor instantâneo da corrente pelo indutor for maior do que a corrente dacarga, a diferença carrega o capacitor.Quando a corrente for menor, o capacitor se descarrega, suprindo a diferença, a fim demanter constante a corrente da carga (já que estamos supondo constante a tensão VS).

Transistor em corte,

diodo em condução


A forma de onda da corrente no indutor tem o formato triangular,variando entre os valores mínimo (ILmin) e máximo (ILmax).

O valor médio desta corrente será IS, a corrente de saída para acarga, uma vez que o valor médio da corrente no capacitor seránulo.

4. Conversores CC – CC (CHOPPERS) A forma de onda mostrada trata-se de condução contínua, pois a corrente no

indutor não cai a zero em cada período.

Se atingisse o valor zero e permanecesse em zero algum instante teríamos ocaso de condução descontínua de corrente.

Caso ficasse no valor limite teríamos a chamada condução crítica de corrente.

Conforme o modo de condução de corrente dos conversores os valores doscomponentes serão alterados.


Lembre-se de que, no indutor, a tensão induzida em seus terminais é dada pelaEquação 10.1.

Durante o intervalo de tempo TON (primeira etapa de funcionamento), a tensão sobre o

indutor é dada pela Equação 10.2.


Se VS tem um valor constante e menor que VE (circuito abaixador de tensão),

Nesta etapa, a tensão sobre o indutor terá um valor constante e positivo,

A corrente no indutor aumentará linearmente com o tempo (Figura 10.3a), de

acordo com a equação:

Durante o intervalo de tempo TOFF, a tensão sobre o indutor terá um valor negativo e

constante, dado pela Equação 10.4.


Nesta etapa, a corrente no indutor diminuirá linearmente com o tempo, de acordo

com a equação.


Essas equações desprezam a tensão VCE de saturação do transistor e a tensão direta

sobre o diodo, uma vez que na maioria dos casos VE e VS são muito maiores do

que estas tensões.

Eliminando as correntes IL min e IL max, nas Equações 10.3 e 10.5, teremos a Equação

10.6.


A Equação abaixo descreve o funcionamento básico do conversor buck.

Como D ≤ 1, a tensão de saída será sempre menor do que a tensão de

entrada.

Se o conversor operar com relação cíclica constante, variações na tensão de

entrada irão acarretar em variações na tensão de saída.

Para uma saída constante, é utilizado um circuito de controle que ajusta a

relação cíclica D. (independentemente das variações na tensão de entrada e

da corrente drenada na saída).


Se a corrente pelo indutor não vai a zero durante a condução do diodo, diz-se que o

circuito opera no modo de condução contínua.

Tanto o transistor, como o diodo não podem deixar de conduzir em algum instante do

período de chaveamento TS.

Caso contrário, tem-se o modo descontínuo.

Prefere-se operar no modo de condução contínua, pois há, neste caso, uma relação bem

determinada entre a largura de pulso e a tensão média de saída.

A corrente de carga IS, de acordo com a equação :


A corrente mínima de saída para manter o modo de condução contínua de

corrente pode ser calculada, fazendo-se nula a corrente mínima no indutor:

Como VS, L e TS = 1/fS são constantes, o valor da corrente mínima de saída,

para manter o modo contínuo, varia com a razão cíclica D.

Essa equação é útil para a determinação do valor da indutância L, necessária

para o funcionamento no modo contínuo.

Se, por acaso, a tensão de entrada varia, o valor de D deve ter o maior valor

possível encontrado para a tensão mínima de entrada.

4. Conversores CC – CC (CHOPPERS) O capacitor C, colocado em paralelo com a carga RS, serve para diminuir a

ondulação da tensão de saída.

A carga armazenada pelo capacitor pode ser calculada pela área sombreada

(área do triângulo) na figura,

Enquanto a corrente pelo indutor for maior que IS (corrente na carga, suposta

constante) o capacitor se carrega,

Quando for menor, o capacitor se descarrega.

A carga armazenada será descrita pela equação abaixo:


Eliminando ILmax e ILmin, com auxílio da Equação 10.3, encontraremos a Equação 10.10.

A variação de tensão (ondulação) em um capacitor está relacionada à carga

que ele adquire por meio da Equação 10.11.


Assim, o capacitor de saída pode ser definido a partir da variação da

tensão admitida, lembrando-se que valores muito baixos para a

ondulação ocasionam valores de capacitância elevados.

Quanto maior for a frequência de chaveamento (fS = 1/TS), menor

será o valor do capacitor.

Finalmente, o transistor e o diodo podem ser especificados em

termos da máxima tensão que estes dispositivos podem suportar,

quando não estão conduzindo, e da máxima corrente que os

percorre, quando em condução.


CONVERSOR BOOST (STEP-UP)


Conversor boost (STEP-UP)

O conversor Boost é um conversor elevador de tensão e é utilizado quandose deseja um aumento na tensão de saída VS em relação à tensão de entradaVE. Na figura abaixo é ilustrado o diagrama elétrico do conversor boost.


As etapas de funcionamento do conversor Boost podem ser visualizadas na Figura

10.5 e são descritas a seguir.

Figura 10.5: Etapas de funcionamento do conversor boost –

transistor conduzindo (a) e transistor em corte e diodo em condução(b)


1ª Etapa (TON) – nesta etapa, o transistor está conduzindo (saturado) e fun-

ciona como uma chave fechada (iL = iT). Durante esse período (TON), a fonte de

entrada VE fornece energia ao indutor L e ele é magnetizado. O diodo

encontra-se reversamente polarizado não fornecendo corrente à carga.

Durante esse período, o capacitor fornece corrente à carga RS e deve manter a

tensão de saída sem grandes variações. Deve-se escolher um valor de

capacitância alto, para que a ondulação na tensão de saída seja baixa.


2ª Etapa (TOFF) – nesta etapa, o transistor T está bloqueado. O diodo D entra em

condução e mantém a corrente circulando pelo indutor (iL = iD). Durante esse

período (TOFF), a energia armazenada no indutor é transferida para a carga e

para o capacitor. A tensão na carga aumenta. A corrente no indutor deve ser

capaz de repor a carga perdida pelo capacitor durante a 1ª etapa e manter a

corrente da carga IS constante.


Durante o intervalo de tempo em que o transistor está conduzindo (TON), a tensão

sobre o indutor tem o seguinte valor: VL = VE. Como a tensão sobre o indutor tem

um valor constante e positivo, a corrente no indutor aumentará linearmente com

o tempo (Figura 10.6.a), de acordo com a Equação 10.12.


Da mesma forma, durante o intervalo de tempo TOFF, a tensão sobre o indutor será a

diferença entre a tensão de saída VS e a tensão de entrada, dada pela Equação 10.13.

Como VS é maior do que VE, a tensão no indutor terá um valor negativo nesta etapa e a

corrente no indutor diminuirá linearmente com o tempo, de acordo com a Equação

10.14.


As equações acima foram escritas desprezando a tensão VCE de saturação do

transistor e a tensão direta sobre o diodo, uma vez que, na maioria dos casos, a

tensão de entrada e de saída serão muito maiores do que estas tensões.

Eliminando as correntes ILmin e ILmax, nas Equações 10.12 e 10.14, teremos a

Equação 10.15:


A Equação 10.15 descreve o funcionamento básico do conversor buck.

Como D ≤ 1, a tensão de saída será sempre maior do que a tensão de entrada.

Se o conversor operar com relação cíclica constante, variações na tensão de

entrada irão acarretar em variações na tensão de saída. Como se deseja que a

saída seja constante, na prática é utilizado um circuito de controle que ajusta a

relação cíclica D, de tal forma que a tensão de saída seja constante,

independentemente das variações na tensão de entrada e da corrente drenada

na saída

4. Conversores CC – CC (CHOPPERS)De acordo com a Figura 10.4, a corrente de saída IS é igual ao valor médio

da corrente que passa pelo diodo, uma vez que a corrente média no

capacitor é nula. Como o diodo só conduz no intervalo de tempo TOFF,

durante o período de chaveamento TS, pode-se escrever a Equação 10.16.

A corrente mínima de saída, para manter o modo contínuo de corrente,

pode ser calculada, fazendo-se nula a corrente mínima no indutor. Assim,

fazendo-se ILmin = 0 nas Equações 10.12 e 10.16 e rearranjando,

encontraremos a Equação 10.17.


Como VE, L e TS = 1/fS são constantes, o valor da corrente mínima de saída,

para manter o modo contínuo, varia com a razão cíclica D. Essa equação é

extremamente útil para a determinação do valor da indutância L necessária

para o funcionamento no modo contínuo.

O valor mínimo do capacitor de saída, para manter a ondulação da tensão de

saída VC, dentro de limites especificados, pode ser calculado pela carga

perdida pelo capacitor durante o tempo de condução do transistor TON, de

acordo com a Equação 10.18.

4. Conversores CC – CC (CHOPPERS)Finalmente, o transistor e o diodo podem ser especificados em termos damáxima tensão que estes dispositivos podem suportar quando não estãoconduzindo e da máxima corrente que os percorre quando em condução.Resumo

Buck, que é utilizado quando se deseja uma redução na tensão de saída VS em

relação à tensão de entrada VE .

Boost, que é utilizado quando se deseja um aumento na tensão de saída VS em

relação à tensão de entrada VE.

Finalmente, definimos o modo de condução contínua dos conversores e vimos

como especificar os elementos passivos (indutor e capacitor) e ativos (transistor e

diodo) que compõem os conversores CC/CC.

. No conversor elevador de tensão, da questão anterior, admite-se uma on-

dulação na tensão de saída de ±2 V. Determine o valor mínimo do capacitor de

saída, para uma corrente de saída, em modo contínuo igual a 5 A.

u Como os dispositivos de potência podem ser

operados como chaves estáticas, relês,

contatores ou até circuitos de proteção

como disjuntores eletrônicos, a

alimentação para essas chaves pode ser

tanto CA quanto CC e as chaves são

chamadas chaves estáticas CA ou chaves

estáticas CC;

5. Chaves Estáticas

Chaves estáticas

6. Conversores CC-CA (INVERSORES)

OBJETIVOS:

Compreender o princípio de funcionamento de um inversor de fre-

quência.

Identificar as principais vantagens de se utilizar um inversor de fre-

quência em sistemas de acionamento.

Conhecer os elementos constituintes de um inversor.

Conhecer os principais parâmetros de um inversor de frequência.

Distinguir um inversor de frequência escalar de um vetorial.

7-.Inversores de Frequência

Finalidade do inversor de frequência:

Também conhecidos como conversores de frequência, são

dispositivos eletrônicos que convertem a tensão da rede

alternada senoidal, em tensão contínua e finalmente

convertem esta última, em uma tensão de amplitude e

frequência variáveis.


A frequência de operação de um inversor está normalmente entre

0,5 e 400 Hz, dependendo do modelo e da marca, podendo

facilmente controlar a velocidade do eixo do motor, por meio da

variação de frequência imposta pelo inversor.

Os inversores de frequência possuem uma entrada ligada à rede

de energia comum de alimentação, podendo ser monofásica ou

trifásica, e uma saída que é aplicada ao dispositivo que deve ser

alimentado, no caso um Motor de Indução Trifásico (MIT).


Esse equipamento versátil e dinâmico é muito utilizado nas

mais Diversas áreas:

Elevadores,

Máquinas-ferramenta,

Bombas,

Tração mecânica, etc.

Os inversores de frequência também, controlam outros

parâmetros inerentes ao motor elétrico, sendo que um deles

é o controle de torque.


Mas quando a velocidade de um motor é alterada pela

variação da frequência, seu torque também será modificado.

No motor de indução, o torque é diretamente proporcional

à tensão aplicada no estator e inversamente proporcional à

frequência.

Assim, para manter o torque constante, basta fazer com que

a relação tensão/ frequência, ou V/F, seja constante.


Os inversores de frequência são usados para substituir:

Os rústicos sistemas de variação de velocidades

mecânicos,

Polias e variadores hidráulicos,

Os custosos motores de corrente contínua.


As principais vantagens de se utilizar um conjunto motor

assíncrono e um inversor de frequência em sistemas de

acionamento são:

a)Redução dos custos de instalação.

b)Otimização do processo, pois o inversor contribui para a redução

das taxas de perdas e consumo de material na produção.

c)Possibilidade de controlar as partidas e frenagens dos motores,

tornando a operação das máquinas mais suaves. Além disto, o

inversor permite operações em vários regimes de carga.


d) Menor manutenção, aumentando a vida útil do sistema, pois usa

motores de corrente alternada, mais robustos e mais baratos.

e) Minimizar o consumo de energia, utilizando rotações menores.

Por exemplo, em bombas e ventiladores, o consumo elétrico é

proporcional ao cubo da velocidade de rotação.

Uma carga desse tipo, ligada a um inversor à meia velocidade, a energia

elétrica consumida é de apenas 12,5 % da energia de rotação nominal.

f) Manutenção da capacidade de conjugado aplicado à carga durante

toda a faixa de variação de velocidade.


g) Melhoria do fator de potência.

Inversores de frequência naturalmente corrigem o fator de potência.

Apesar de o motor estar operando com um fator depotência baixo ( 0,8), em um dado instante de tempo, ofator de potência visto pela rede é o do inversor, que estápróximo de um (0,96).

h) Possibilidade de se implantar um controle em malha fechada, por meio de uma rotina PID interna ao inversor.


Além disso, em sistemas de controle de vazão, pressão e temperatura,

usando válvulas e/ou dampers de estrangulamento, desperdiçam energia

elétrica.

Isso porque utilizando esses elementos, a vazão é reduzida, porém, o

motor da bomba continua operando na mesma velocidade,

pressionando (estrangulando) o fluído sobre a entrada da válvula,

absorvendo sempre a mesma potência.

Ao diminuir a velocidade, os inversores proporcionam grande economia

de energia.


Funcionamento do inversor de frequência:

Ligado à rede monofásica ou trifásica, e em sua saída geralmenteum motor que necessita de uma frequência variável.

Para tanto, o inversor possui:

Primeiro estágio, um circuito retificador, responsável portransformar a tensão alternada em contínua,

Segundo estágio, composto de um banco de capacitoreseletrolíticos e circuitos de filtragem de alta frequência,

Terceiro estágio (composto de transistores IGBT), capaz detransformar a tensão contínua do barramento (CC), paraalternada, e com a frequência variável.



Diagrama resumido de um inversor de frequência

Blocos constituintes do inversor

Blocos dos principais componentes de um inversor de frequência.



1. 1º Bloco – Unidade Central de Processamento (CPU)Formada por um microprocessador ou por um microcontrolador, é na CPU quetodas as informações (parâmetros e dados do sistema) estão armazenadas, vistoque uma memória está também integrada a esse conjunto. A CPU não apenasarmazena os dados e parâmetros relativos aos equipamentos, como tambémexecuta a função mais vital para o funcionamento do inversor: geração dospulsos de disparo através de uma lógica de controle coerente para os IGBT(transistores bipolares de porta isolada, do inglês Insulated Gate BipolarTransistor).

2. 2º Bloco – Interface Homem Máquina (IHM) É por meio desse dispositivo que se pode visualizar o que estáocorrendo no inversor (display), e parametrizá-lo de acordo com aaplicação (teclas). Por meio da IHM, podem-se visualizar diferentesgrandezas do motor, como tensão, corrente, frequência, e do próprioinversor como tensão do barramento CC, alarmes, entre outras funções.É também possível visualizar e alterar o sentido de giro, verificar ealterar o modo de operação (local ou remoto), ligar ou desligar oinversor, variar a frequência e velocidade, alterar parâmetros e outrasfunções. A Figura 3.4 ilustra a IHM padrão do inversor CFW08 da WEG


3.3.3 3º Bloco – interfaces A maioria dos inversores pode ser comandada por meio de dois tiposde sinais: analógicos ou digitais. Normalmente, quando se necessitacontrolar a velocidade de rotação de um motor no inversor, utiliza-seuma tensão analógica

de comando (0 à 10 VCC). A velocidade de rotação será proporcionalao seu valor, por exemplo: 1 VCC = 1000 rpm, 2 VCC = 2000 rpm. Pode-setambém configurar cada uma das entradas analógicas para operaçãocom sinal de corrente (0-20 mA ou 4-20 mA). Além da interfaceanalógica, o inversor possui entradas e saídas digitais. Por meio de umparâmetro de programação, pode-se

selecionar qual entrada é válida (analógica ou digital). A Figura 3.5ilustra um diagrama de conexões do inversor CFW08 Plus da WEG noqual estão apresentadas a pinagem, descrição e especificação das 4entradas digitais (DI1, DI2, DI3 e DI4), das duas entradas analógicas (AI1e AI2), da saída analógica (AO) e da saída digital a relé (contatos NF, NAe comum).



INTERFACE HOMEM MÁQUINA

Figura 3.5: Diagrama de conexões do inversor CFW08 Plus da WEGFonte: CTISM, adaptado de WEG Automação, 2009

3.3.4 4º Bloco – etapa de potênciaA etapa de potência é constituída por um circuito retificador, que alimenta (pormeio de um circuito intermediário chamado “barramento CC”), o circuito desaída inversor (módulo IGBT). Este bloco já foi apresentado na Figura 3.2. Astensões trifásicas defasadas de 120º que alimentam o motor são obtidas pormeio de um chaveamento correto dos IGBT (chaves) que compõem o inversor.Essa técnica de chaveamento é conhecida como PWM (modulaçãopor largura depulsos, do inglês Pulse Width Modulation). A frequência com que os transistoressão chaveados (frequência de chaveamento) é da ordem de kHz e é umparâmetro que pode ser alterado no inversor e não deve ser confundida com afrequência de saída do inversor. A frequência de saída de um inversor estánormalmente entre 0,5 e 400 Hz, dependendo do modelo e da marca. A maioriados inversores permite gerar as três tensões de saída defasadas de 120º comfrequência variável, ainda que se alimente o inversor com apenas duas fases.



3.4 ParametrizaçãoPara que o inversor funcione a contento, não basta instalá-lo corretamente.É preciso informar a ele em que condições de trabalho irá operar. Essatarefa é justamente a parametrização do inversor. Quanto maior o númerode recursos que o inversor oferece, tanto maior será o número deparâmetros disponíveis.

As funções de um inversor de frequência são executadas de acordo com osparâmetros pré-definidos alocados na CPU. Os parâmetros são agrupados deacordo com as suas características e particularidades, conformeapresentados em seguida:


Parâmetros de leitura – variáveis que podem ser visualizadas no display, mas

que não podem ser alteradas pelo usuário, como por exemplo, tensão de saída,

corrente de saída, tensão no barramento CC, potência ativa, etc.

Parâmetros de regulação – são os valores ajustáveis a serem utilizados pelas

funções do inversor de frequência, como por exemplo, frequências mínima e

máxima, tempo de aceleração e desaceleração, frequência de JOG, etc.


Parâmetros de configuração – definem as características do inversor de

frequência, as funções a serem executadas, bem como as entradas e saídas,

como por exemplo, parâmetros dos relés de saída e das entradas (analógicas e

digitais) do inversor de frequência.

Parâmetros do motor – indicam as características nominais do motor, como por

exemplo, a corrente, tensão e rendimentos nominais.

Parâmetros especiais – alguns modelos de inversores disponibilizam a função de

controle PID (Proporcional, Integral e Derivativo) que pode ser usada para fazer o

controle de um processo em malha fechada. Por meio desses parâmetros, pode-

se, por exemplo, definir os ganhos do controla- dor, bem como o tipo de ação

(direta ou reversa).

7-.Inversores de FrequênciaPara a programação, normalmente faz-se o uso de teclas em uma sequência

que é determinada pelo fabricante. Os principais parâmetros encontrados nos

inversores são

Parâmetro de acesso (leitura/escrita) – é um parâmetro de proteção. Por

meio dele, é permitida ou não ao usuário, a alteração dos demais parâmetros

do inversor.

Tensão nominal do motor – esse parâmetro existe na maioria dos inversores

comerciais e serve para informar ao inversor qual é a tensão nominal em que o

motor irá operar.

Corrente nominal do motor – esse parâmetro determina o valor de corrente

que será utilizado nos cálculos que serão feitos pelo inversor, como por

exemplo para protegê-lo de sobrecargas.


Frequência mínima de saída – esse parâmetro determina a velocidade mínima do

motor. Deve ser sempre menor que a frequência máxima.

Frequência máxima de saída – esse parâmetro determina a velocidade máxima do

motor. Deve ser sempre maior que a frequência mínima.

Frequência de JOG – JOG (impulso) é um recurso que faz o motor girar com velocidade

bem baixa. Isso facilita o posicionamento de peças antes da máquina funcionar em seu

regime normal. Por exemplo: Encaixar o papel em uma bobinadeira, antes de o papel

ser bobinado efetivamente.


Tempo de partida (rampa de aceleração) – esse parâmetro indica em quanto

tempo deseja-se que o motor chegue a velocidade programada, estando ele

parado. Esse parâmetro deve respeitar a inércia da carga e o limite de corrente

do inversor.

Tempo de parada (rampa de desaceleração) – o inversor pode pro- duzir uma

parada gradativa do motor. Essa facilidade pode ser parame- trizada e, como a

anterior, deve levar em consideração a massa (inércia) da carga acoplada.

7-.Inversores de FrequênciaSeleção da fonte (local/remoto) – na maioria dos inversores pode-se trabalharem dois modos de operação (local ou remoto). Esse parâmetro define como éfeita a seleção entre a situação local e a situação remota.

Seleção do setpoint de frequência – o setpoint de frequência geralmente podeser feito por meio das teclas da IHM ou utilizando-se uma entrada analógica detensão ou corrente. Pode-se também trabalhar com frequências fixas por meiode combinação das entradas digitais (multi-speed – multi-velocidades). Deve-sedefinir uma referência (setpoint) de frequência para cada modo de operação(local ou remoto).

Funções das entradas digitais – para cada entrada digital existe um pa- râmetroassociado. Por meio desses parâmetros, pode-se definir a função de cada umadas entradas digitais utilizadas. Essas funções podem ser, por exemplo, seleçãodo sentido de giro, seleção do modo local/remoto, habilitação, liga, desliga,comando gira/para, multi-speed, dentre outras.


Tipo de controle – esse parâmetro informa o tipo de controle utilizado: escalar,

cuja relação V/f é constante, ou vetorial, no qual se consegue um melhor

controle de conjugado em toda faixa de operação.

Frequência de chaveamento PWM – esse parâmetro determina a fre- quência

de PWM do inversor (frequência de chaveamento). Para evitar- mos perdas no

motor e interferências eletromagnéticas (EMI), quanto menor essa frequência,

melhor. Entretanto, ao parametrizarmos o PWM com frequências baixas (2 ou 4

kHz), são gerados ruídos sonoros, isto é, a máquina fica mais “barulhenta”.

Portanto, devemos fazer uma “análise crítica” das condições gerais do ambiente

de trabalho, antes de optar- mos pela melhor frequência PWM.


Cuidados na instalação, escolha e dimensionamento de inversoresA utilização de inversores de frequência exige certos cuidados na instalação

para evitar a ocorrência de interferência eletromagnética (conhecida porEMI). Esta se caracteriza pelo distúrbio no funcionamento normal dosinversores ou de componentes próximos, tais como sensoreseletrônicos, controladores programáveis, transdutores, equipamentosde rádio, etc. Para minimizar este problema existem, internamente aosinversores, filtros capacitivos que são suficientes para evitar este tipo deinterferência na grande maioria dos casos. No entanto, em algumassituações, pode existir a necessidade do uso de filtros supressores,principalmente em aplicações em ambientes residenciais. Estes filtrospodem ser instalados internamente (alguns modelos) ou externamenteaos inversores.

Quando a interferência eletromagnética, gerada pelo inversor, for umproblema para outros equipamentos, os seguintes cuidados fazem-senecessários:


Utilizar filtros supressores, como citado anteriormente.

Utilizar fiação blindada ou fiação protegida por conduite metálico, para a conexão entre a saída do inversor e o motor.

Aterrar o inversor e o motor, bem como conectar a blindagem em cada extremidade, ao ponto de aterramento do inversor, e à carcaça do motor.

Separar os cabos do motor dos demais cabos.

Prever conduítes ou calhas independentes para a separação física dos condutores de sinal, controle e potência.


No que diz respeito à escolha e dimensionamento dos inversores, é

comum a pergunta: como posso saber qual é o modelo, tipo e potência do

inversor adequado para a minha aplicação? Bem, vamos responder a essa

pergunta nas três etapas a seguir.

a) Potência do inversor – para definirmos a potência do inversor temos de

saber qual a corrente do motor (e qual carga) ele acionará. Normalmente

se escolhe um inversor com uma capacidade de corrente igual ou um

pouco superior à corrente nominal do motor. A tensão, tanto do inversor,

quanto do motor, deve ser igual a da rede de alimentação.


b)Tipo de inversor – existem dois tipos de inversores: escalar e vetorial. A

maioria dos inversores utilizados é do tipo escalar. Só utilizamos o tipo ve-

torial em duas ocasiões: extrema precisão de rotação, torque elevado para

rotação baixa ou zero (ex.: guindastes, pontes rolantes, elevadores, etc.).

c)Modelo e fabricante – para escolher o modelo, basta consultar os catá- logos

dos fabricantes, e procurar um que atenda às características mínimas

necessárias. Quanto ao fabricante, o preço e qualidade desejada devem

determinar a escolha. Apenas como referência ao leitor os mais encontrados

na indústria são: Siemens, Weg, Yaskawa, Allen Bradley e ABB.

7-.Inversores de FrequênciaVisão Geral

Esse dispositivo é amplamente utilizado no acionamento de Motores de Indução Trifásicos (MIT),pois permite o controle da velocidade e do conjugado do motor em uma ampla faixa de operação.Com a utilização do inversor, pode-se alimentar um MIT com tensões trifásicas e com frequênciasvariáveis, ainda que se utilize alimentação monofásica. É amplamente utilizado, pois ofereceinúmeras vantagens que o sistema formado pelo inversor e motor de indução possuem em relaçãoaos sistemas mecânicos de variação de velocidade e aos sistemas de acionamento com motores decorrente contínua.

Internamente, o inversor é constituído por quatro blocos básicos, com diferentes funções, a saber:Unidade Central de Processamento (CPU), Interface Homem-Máquina (IHM), interfaces e etapa depotência.

Por meio da IHM, pode-se parametrizar o inversor de frequência. Para realizar um determinadoacionamento, é necessário o conhecimento dos principais parâmetros de um inversor defrequência. Uma vez corretamente parametrizado, o inversor de frequência está apto a entrar emoperação.

Também foram vistos alguns cuidados na instalação, escolha e dimensionamento de inversores defrequência.

Resumo

Os conversores de energia podem ser classificados

como: retificadores, conversores CA-CC,

conversores CA-CA, conversores CC-CC,

conversores CC-CA e chaves estáticas;

O projeto de circuitos de eletrônica de potência

requer o desenvolvimento dos circuitos de potência

e controle;

As tensões e correntes harmônicas geradas pelos

conversores de energia são reduzidos com uma

escolha adequada da estratégia de controle;

Resumo

À medida que a tecnologia para dispositivos

semicondutores de potência e circuitos integrados

se desenvolve, o potencial para aplicações da

eletrônica de potência torna-se mais amplo.

Existem muitos dispositivos semicondutores de

potência que são fornecidos comercialmente;

entretanto, o desenvolvimento neste sentido é

contínuo.

Periódicos

IEEE Transactions on Industrial Electronics;

IEEE Transactions on Industry Applications;

IEEE Transactions on Power Electronics;

Obrigado e Boa Sorte!

PROJETOS E INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS · 2018. 11. 14. · INSTITUTO ESB PROJETOS E...

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