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8/19/2019 EPO1 02 Teoria b Sica Dos Conversores
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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA IELETRÔNICA DE POTÊNCIA IAula 02Aula 02 – – Teoria bTeoria báásica dos conversoressica dos conversores
estestááticosticos
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINAUNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINACENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLCENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓÓGICASGICAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉÉTRICATRICACURSO DE ENGENHARIA ELCURSO DE ENGENHARIA ELÉÉTRICATRICA
Prof. Leandro Michels, Dr. Eng.Prof. Leandro Michels, Dr. Eng.leandromichels@gmail.comleandromichels@gmail.com
EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores
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Teoria bTeoria báásica dos conversores estsica dos conversores estááticosticosUm sistema de conversão estUm sistema de conversão estáática de energiatica de energia
éé constituconstituí í do dos seguintes elementos:do dos seguintes elementos:
Prof. Leandro Michels
Embora a(s) fonte(s) e a(s) carga(s) não componhamEmbora a(s) fonte(s) e a(s) carga(s) não componhamos conversores, elas são fundamentais para oos conversores, elas são fundamentais para o
funcionamento do sistema de conversão de energiafuncionamento do sistema de conversão de energia
FontesFontes Conversor estConversor estááticotico CargasCargas
energiaenergia energiaenergia
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Teoria bTeoria báásica dos conversores estsica dos conversores estááticosticosOs conversores estOs conversores estááticos sãoticos são
formados pelos seguintesformados pelos seguintesgrupos de elementos:grupos de elementos:
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NãoNão--lineareslineares →→ dispositivosdispositivos
semicondutores (diodos, tiristores,semicondutores (diodos, tiristores,etc.)etc.)
Lineares reativosLineares reativos →→ indutores,indutores,
capacitores e transformadorescapacitores e transformadores Lineares dissipativosLineares dissipativos →→ resistoresresistores(não existente em conversores(não existente em conversores
ideais)ideais)
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Teoria bTeoria báásica dos conversores estsica dos conversores estááticosticos
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NãoNão--lineareslineares →→ operam como interruptores para fazeroperam como interruptores para fazera conversão de correntes ou tensões de CAa conversão de correntes ou tensões de CA→→CC eCC eCCCC→→CACA
Lineares reativosLineares reativos →→ operam como armazenadoresoperam como armazenadores
intermediintermediáário da energia; efetuam alterario da energia; efetuam alteraçções naões namagnitude de correntes e tensões, isolamagnitude de correntes e tensões, isolaçção galvânicaão galvânica(transformadores) e filtragem de tensões e/ou correntes(transformadores) e filtragem de tensões e/ou correntes
(OBS: o mesmo elemento pode ter mais de uma fun(OBS: o mesmo elemento pode ter mais de uma funçção)ão) Lineares dissipativosLineares dissipativos →→ operam como consumidoresoperam como consumidoresde energia;de energia; empregados para o amortecimento deempregados para o amortecimento deoscilaoscilaçções e proteões e proteçção de dispositivosão de dispositivos
FunFunçção de cada grupo de elementos:ão de cada grupo de elementos:
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Elementos nãoElementos não--lineares (semicondutores)lineares (semicondutores)
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Interruptor abertoInterruptor aberto →→ a corrente que fluia corrente que fluipelo dispositivopelo dispositivo éé nulanula
Interruptor fechadoInterruptor fechado →→ a tensão nosa tensão nosterminais dos dispositivosterminais dos dispositivos éé nulanula
A comutaA comutaçção entre modosão entre modos éé instantâneainstantânea
Modos de operaModos de operaçção (comportamento ideal):ão (comportamento ideal):
CaracterCaracterí í stica fundamental:stica fundamental:
Dispositivo de dois terminaisDispositivo de dois terminais(excluindo os terminais de controle)(excluindo os terminais de controle)
OperaOperaçção como interruptorão como interruptor
vk
ik
+
-
i k = 0
v k
i k
v k = 0
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Elementos nãoElementos não--lineares (semicondutores)lineares (semicondutores)
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CaracterCaracterí í stica eststica estáática (ideal):tica (ideal):
Somente sobre os eixos daSomente sobre os eixos dacurvacurva vvkk xx iikk (perdas nulas)(perdas nulas)
CConduonduççãoão →→ Tensão nulaTensão nula
BloqueioBloqueio →→ Corrente nulaCorrente nula
Equivalente a uma resistênciaEquivalente a uma resistênciacom dois valores distintoscom dois valores distintos
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ik
vk
bloqueia c o n
d u z
bloqueia
c o n d u z
Os interruptores empregados em eletrônica deOs interruptores empregados em eletrônica depotência, em geral, não operam nos 4 quadrantes.potência, em geral, não operam nos 4 quadrantes.Portanto, precisaPortanto, precisa--se conhecer sua caracterse conhecer sua caracterí í stica.stica.
( ) 0, ligado
, desligado
=
∞k
R t
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Elementos nãoElementos não--lineares (semicondutores)lineares (semicondutores)
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CaracterCaracterí í stica dinâmica (genstica dinâmica (genéérica):rica):
ComutaComutaçção espontânea:ão espontânea: Deslocamentos sobre os eixosDeslocamentos sobre os eixos vvkk xx iikk no 2no 2ºº ou 4ou 4ºº quadquad.. Ocorre sem nenhum sinal externo de comandoOcorre sem nenhum sinal externo de comando Ex.: abertura e fechamento de diodos, abertura deEx.: abertura e fechamento de diodos, abertura detiristortiristorComutaComutaçção comandada:ão comandada: MudanMudançça do estado de condua do estado de conduçção (de fechado paraão (de fechado para
aberto ou viceaberto ou vice--versa)versa) →→ deslocamentos sobre os eixosdeslocamentos sobre os eixosvvkk xx iikk no 1no 1ºº ou 3ou 3ºº quadquad.. Ocorre devido a sinal externo de comandoOcorre devido a sinal externo de comando
Ex.: fechamento do tiristorEx.: fechamento do tiristor
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Elementos nãoElementos não--lineares (semicondutores)lineares (semicondutores)
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CaracterCaracterí í stica dos dispositivos:stica dos dispositivos:
Diodos:Diodos:
Unidirecional em corrente e unidirecional em tensãoUnidirecional em corrente e unidirecional em tensão((éé um curtoum curto--circuito para tensões positivas)circuito para tensões positivas)
Entrada em conduEntrada em conduççãoão →→ espontânea (espontânea (vvkk>0>0))
SaSaí í da de conduda de conduççãoão →→ espontânea (transiespontânea (transiçção deão deiikk>0>0 →→ iikk=0=0))
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ik
vk
c o n d u z
v k
i k +
-
1
2
bloqueia
esp.
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Elementos nãoElementos não--lineares (semicondutores)lineares (semicondutores)
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Tiristores:Tiristores:
Unidirecional em corrente e bidirecional em tensãoUnidirecional em corrente e bidirecional em tensão Entrada em conduEntrada em conduççãoão →→ comandada (comandada (vvkk>0>0 ee iigg>0>0))
SaSaí í da de conduda de conduççãoão →→ espontânea (transiespontânea (transiçção deão de
iik k >0>0 →→
iik k =0=0))
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ik
vk
v k
i k
+
-
1
2
bloqueia bloqueia
c o n d u z
com.esp.
esp.
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Elementos nãoElementos não--lineares (semicondutores)lineares (semicondutores)
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CaracterCaracterí í stica de associastica de associaçção de dispositivos:ão de dispositivos:
Tiristor com diodo em antiparalelo:Tiristor com diodo em antiparalelo:
Unidirecional em tensão e bidirecional em correnteUnidirecional em tensão e bidirecional em corrente
Entrada em conduEntrada em conduççãoão →→ comandada (comandada (vvkk>0>0 ee iigg>0>0))e espontânea (e espontânea (vvkk
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Elementos nãoElementos não--lineares (semicondutores)lineares (semicondutores)
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Tiristores em antiTiristores em anti--paralelo:paralelo:
Bidirecional em tensão e correnteBidirecional em tensão e corrente
Entrada em conduEntrada em conduççãoão →→ comandadacomandada ((vvkk>0>0 ee iig1g1>0>0) ou) ou((v v k k 0))
SaSaí í da de conduda de conduççãoão →→ espontâneaespontânea ((iikk
>0>0→→iikk
=0=0) ou) ou((iikk
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CaracterCaracterí í stica fundamental:stica fundamental:
Dispositivo de dois ou mais terminaisDispositivo de dois ou mais terminais Armazenadores de energiaArmazenadores de energia →→ campo elcampo eléétricotrico(capacitor) ou campo magn(capacitor) ou campo magnéético (indutor)tico (indutor)
Não dissipam energiaNão dissipam energia →→ a quantidade de energiaa quantidade de energiaqueque éé absorvida deve ser posteriormente devolvidaabsorvida deve ser posteriormente devolvida
Elementos lineares reativosElementos lineares reativos
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Elementos lineares reativosElementos lineares reativos
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Capacitores:Capacitores:
Possuem o comportamento de uma fonte de tensãoPossuem o comportamento de uma fonte de tensão
A tensão em seus terminais não pode ser mudadaA tensão em seus terminais não pode ser mudadaimediatamenteimediatamente →→ resulta em corrente infinitaresulta em corrente infinita
Podem ser operar em circuito abertoPodem ser operar em circuito aberto
Não podem operar em curtoNão podem operar em curto--circuitocircuito →→ exceexceççãoãoquandoquando v v c c ((t t )=0)=0
Apresentam, na prApresentam, na práática, resistências (RSE) etica, resistências (RSE) eindutâncias parasitasindutâncias parasitas
( ) ( )c
c
dv t i t C
dt =
i c
1
2
v c
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( ) ( ) ( ) 00
10 ,
t
c c cv t i t dt v t t
C = + ∀ >∫
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( ) ( ) ( ) 0
0
10 ,
t
L L Li t v t dt i t t
C
= + ∀ >
∫( ) ( ) L
L
di t v t L
dt
=
Elementos lineares reativosElementos lineares reativos
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Indutores:Indutores:
Possuem o comportamento de uma fonte de correntePossuem o comportamento de uma fonte de corrente
A corrente em seus terminais não pode ser mudadaA corrente em seus terminais não pode ser mudadaimediatamenteimediatamente →→ resulta em tensão infinitaresulta em tensão infinita
Podem ser operar em curtoPodem ser operar em curto--circuitocircuito
Não podem operar em curto abertoNão podem operar em curto aberto →→ exceexceççãoãoquandoquando i i LL((t t )=0)=0
Apresentam, na prApresentam, na práática, resistências (RSE) etica, resistências (RSE) e
capacitâncias parasitascapacitâncias parasitas Podem possuir derivaPodem possuir derivaçções (mais terminais)ões (mais terminais)
i L
1
2
v L
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Elementos lineares de conversãoElementos lineares de conversão
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Transformadores (ideais):Transformadores (ideais):
Idealmente se comportam como um dispositivo semIdealmente se comportam como um dispositivo semdinâmicadinâmica →→ comportamento de fontes de corrente ecomportamento de fontes de corrente etensão acopladastensão acopladas
Não processa energia CCNão processa energia CC →→ impedância nulaimpedância nula
( )
( )
22 1
1
21 2
1
( )
( )
N v t v t
N
N i t i t
N
=
=
i 1
N1:N
2 i 2
v 2
v 1
+-v 1 v 2
i 1
i 2
i2N
2
N1
v1
N2
N1
Obs.:Obs.: Este modelo não funciona para sinais CCEste modelo não funciona para sinais CC
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Elementos lineares de conversãoElementos lineares de conversão
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Transformadores (reais):Transformadores (reais):
Possuem dinâmica (indutâncias mPossuem dinâmica (indutâncias múútua e dispersão)tua e dispersão)→→ comportamento de fonte de correntecomportamento de fonte de corrente
A corrente em seus terminais não pode ser mudadaA corrente em seus terminais não pode ser mudadaimediatamenteimediatamente →→ resulta em tensão infinitaresulta em tensão infinita
Podem ser operar em curtoPodem ser operar em curto--circuitocircuito
Não podem operar em curto abertoNão podem operar em curto aberto →→ exceexceççãoãoquandoquando i i LL((t t )=0)=0 →→ resulta emresulta em sobretensõessobretensões nos outrosnos outros
enrolamentosenrolamentos Apresentam, na prApresentam, na práática, resistências (RSE) etica, resistências (RSE) ecapacitâncias parasitascapacitâncias parasitas
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Elementos lineares de conversãoElementos lineares de conversão
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Transformadores x AutoTransformadores x Auto--transformadores:transformadores:
TransformadoresTransformadores →→ possuem isolapossuem isolaçção galvânicaão galvânica →→cada enrolamento pode estar em qualquer potencialcada enrolamento pode estar em qualquer potencial(desde que respeitada a tensão de isola(desde que respeitada a tensão de isolaçção entre osão entre osenrolamentos)enrolamentos)
AutoAuto--transformadorestransformadores →→ não possuem isolanão possuem isolaççãoãogalvânicagalvânica
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TransformadorTransformador
AutoAuto--transformadortransformador
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Elementos lineares de conversãoElementos lineares de conversão
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Transformadores (reais):Transformadores (reais):
Modelo equivalente (desprezandoModelo equivalente (desprezando--se as resistências)se as resistências)
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( )
( )
( )
( )
1 111 12
21 222 2
v t i t L L d
L L dt v t i t
=
212 21
1
111 1 12
2
2
22 2 121
M
l
l
n L L L
n
n L L L
n
n
L L Ln
= =
= +
= +
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Elementos lineares dissipativosElementos lineares dissipativos
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CaracterCaracterí í stica fundamental:stica fundamental:
Dissipam a energiaDissipam a energia
Geram calorGeram calor
Diminuem a eficiência da conversãoDiminuem a eficiência da conversão
Resistores:Resistores:
Não possuem dinâmicaNão possuem dinâmica
1
2
v R
i R
( ) ( ) R Rv t R i t =
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FontesFontes
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Fonte de tensãoFonte de tensão →→ a tensãoa tensão éé impostaimpostapela fonte e a corrente depende dapela fonte e a corrente depende da
cargacarga Fonte de correnteFonte de corrente →→ a correntea corrente ééimposta pela fonte e a tensão dependeimposta pela fonte e a tensão depende
da cargada carga
Modos de operaModos de operaçção (comportamento ideal):ão (comportamento ideal):
CaracterCaracterí í stica fundamental:stica fundamental:
Dispositivo de dois ou mais terminaisDispositivo de dois ou mais terminais
Fundamentalmente são fornecedores deFundamentalmente são fornecedores deenergia (podem absorver em parte do tempo)energia (podem absorver em parte do tempo)
Podem ser unidirecionais ou bidirecionaisPodem ser unidirecionais ou bidirecionais
vf
if
+
-
1
2
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CargasCargas
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ResistivoResistivo
ResistivoResistivo--indutivoindutivo
ResistivoResistivo--indutivoindutivo--fontefonte
FonteFonte
Principais comportamentos das cargas:Principais comportamentos das cargas:
CaracterCaracterí í stica fundamental:stica fundamental:
Dispositivo de dois ou mais terminaisDispositivo de dois ou mais terminais
Fundamentalmente são absorvedores deFundamentalmente são absorvedores deenergia (mas tambenergia (mas tambéém podem devolverm podem devolverenergia)energia)
Podem ser unidirecionais ou bidirecionaisPodem ser unidirecionais ou bidirecionais
vL
iL
+
-
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Fundamentos da conversão estFundamentos da conversão estááticatica
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PrincPrincí í pios fundamentais:pios fundamentais:
1) Interconexão entre a(s) fonte(s) e a(s) carga(s)1) Interconexão entre a(s) fonte(s) e a(s) carga(s)intermediada por interruptor(es)intermediada por interruptor(es)
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FontesFontes Conversor estConversor estááticotico CargasCargasenergiaenergia energiaenergia
FonteFonte Conversor estConversor estááticotico CargaCarga
~
S 1
RS
2
E
Ex.: retificadorEx.: retificador
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PrincPrincí í pios fundamentais dos conversorespios fundamentais dos conversores
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2) A comuta2) A comutaçção do(s) interruptor(es) ocorre de formaão do(s) interruptor(es) ocorre de formaccí í clicaclica →→ controle do fluxo de potência econtrole do fluxo de potência e
direcionalidadedirecionalidade da tensão e/ou correnteda tensão e/ou corrente
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Ex.: retificadorEx.: retificador →→ corrente de sacorrente de saí í da unidirecionalda unidirecional QuandoQuando vvFF(t)>0(t)>0 QuandoQuando vvFF(t)0
FonteFonte Conversor estConversor estááticotico CargaCarga FonteFonte Conversor estConversor estááticotico CargaCarga
~
S 1
RS
2
E v L
i L
v F
i F
i L
t
v F
t
~
S 1
RS
2
E
t
v F
i F
v L
i L
v F
t
i L
t
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24
PrincPrincí í pios fundamentais dos conversorespios fundamentais dos conversores
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3) Utiliza3) Utilizaçção de elementos reativosão de elementos reativos →→ filtragemfiltragem
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Ex.: retificadorEx.: retificador →→ corrente de sacorrente de saí í da unidirecionalda unidirecional
A inclusão do indutor diminui a ondulaA inclusão do indutor diminui a ondulaçção naão na
corrente de sacorrente de saí í dada
FonteFonte Conversor estConversor estááticotico CargaCarga
~
S 1
RS
2
v F v
L
i L
L
i L
t
i F
v F
t
c/ filtro
s/ filtro
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PrincPrincí í pios fundamentais dos conversorespios fundamentais dos conversores
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3) Utiliza3) Utilizaçção de elementos de conversãoão de elementos de conversão →→ alteraalteraççãoãoda amplitude da tensão e/ou correnteda amplitude da tensão e/ou corrente
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Ex.: retificadorEx.: retificador →→ tensão de satensão de saí í da unidirecionalda unidirecional
O autotransformador altera o valor da tensão CAO autotransformador altera o valor da tensão CA
FonteFonte Conversor estConversor estááticotico CargaCarga
~
S 1
RS
2
v F v
L
i F 1:2
i L
v F
t
t
v L
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PrincPrincí í pios fundamentais dos conversorespios fundamentais dos conversores
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3) Utiliza3) Utilizaçção de elementos de conversãoão de elementos de conversão →→ isolaisolaççãoãogalvânicagalvânica
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Ex.: retificadorEx.: retificador →→ tensão de satensão de saí í da unidirecionalda unidirecional
O transformadorO transformador éé empregado para se obter aempregado para se obter a
isolaisolaçção galvânicaão galvânica
FonteFonte Conversor estConversor estááticotico CargaCarga
~
S 1
RS
2
E v F v L
i Li F 1:1
v F
t
v L
t
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PrincPrincí í pios fundamentais dos conversorespios fundamentais dos conversores
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4) Associa4) Associaçção de fontesão de fontes
Fonte de tensão em sFonte de tensão em séérie com indutorrie com indutor→→
comportamento de fonte de correntecomportamento de fonte de corrente
Fonte de corrente em paralelo com capacitorFonte de corrente em paralelo com capacitor →→
comportamento de fonte de tensãocomportamento de fonte de tensão
=
=
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O á
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PrincPrincí í pios fundamentais dos conversorespios fundamentais dos conversores
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5) Conexão de fontes por interruptores5) Conexão de fontes por interruptores
Fonte de tensão não podem serFonte de tensão não podem ser curtocurto--circuitadascircuitadas
(exce(exceççãoão vvcc=0=0 ou E=0)ou E=0)
Fonte de corrente não podem ser abertasFonte de corrente não podem ser abertas(exce(exceççãoão ii
LL
=0=0 ouou iiFF
=0=0))
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v c S E S
i L
S i F
S
EPO I A l 02 T i bá i d
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29
v c1
v c2
S
PrincPrincí í pios fundamentais dos conversorespios fundamentais dos conversores
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5) Conexão de fontes por interruptores5) Conexão de fontes por interruptores
Fonte de tensão sFonte de tensão sóó podem ser conectadas empodem ser conectadas em
paralelo quandoparalelo quando vvc1c1=v=vc2c2 ouou vvc1c1=E=E
Fonte de corrente sFonte de corrente sóó podem ser conectadas empodem ser conectadas emsséérie quandorie quando ii
L1L1=i=i
L2L2 ouou ii
FF=i=i
L2L2
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vvc1c1≠≠vvc2c2 vvc1c1≠≠EE
E v c1
S
S
i L1
i L2
S
i L2
i F
iiL1L1≠≠
iiL2L2 iiFF≠≠iiL2L2
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30
PrincPrincí í pios fundamentais dos conversorespios fundamentais dos conversores6) Princ6) Princí í pio bpio báásico da concepsico da concepçção de conversoresão de conversores
Interconexão em cascata de fontes de naturezaInterconexão em cascata de fontes de natureza
diferentediferente
UtilizaUtilizaçção de interruptores para conversão dasão de interruptores para conversão dasformas de ondaformas de onda
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Fonte deFonte detensãotensão
Fonte deFonte decorrentecorrente
Fonte deFonte detensãotensão
Fonte deFonte decorrentecorrente
......
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