Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulFaculdade de Engenharia

1BPLANO DE AULA DA DISCIPLINA

2BCIRCUITOS DE POTÊNCIAATUALIZADO E REVISADO EM 25/02/2011

CODICRED 4458R-04

01 SÍNTESE

DISCIPLINA: CIRCUITOS DE POTÊNCIA

CODICRED4458R-04

DOCENTE(S) :

Professor: Fernando Soares dos Reis, Dr. Ing.

CRÉDITOS/HORAS AULA

04/60

3BCURSO(S) ATENDIDO(S)ENGENHARIA ELÉTRICA

ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

TURMA450

HORÁRIOS0B3JK5JK

TIPOLOGIATEÓRICO

MÓDULO 1/60

Sala:

EMENTA:

Estudo dos componentes empregados em eletrônica de potência (diodos e tiristores).Análise de retificadores a diodo e retificadores monofásicos com filtro capacitivo.Caracterização de circuitos de comando de tiristores e retificadores a tiristor. Aplicação deinversores não-autônomos. Estudo de técnicas de comutação de tiristores. Apresentaçãode estruturas não-convencionais para retificadores. Definição de controladores de tensãoCA (gradadores) e chaves estáticas. Introdução a Conversores CC-CC e ao estudo deinversores.

5B02 OBJETIVOS

Gerais:Desenvolver no estudante habilidades de análise qualitativa e quantitativa de conversoresestáticos de potência.

Específicos:Capacitar o futuro Engenheiro para analisar, projetar e desenvolver aplicações na área daEletrônica de Potência. Como por exemplo:

1. Transporte. Em muitos países os trens elétricos têm sido amplamente usados. Agoraexiste também a possibilidade de usar veículos elétricos em grandes metrópoles parareduzir a poluição. Estes também vão requerer carregadores de baterias e drivers.

2. Retificadores. Para sistemas de carga de baterias em sistemas UPS, no sistema detelefonia comercial que é alimentado em 48 VCC, na alimentação de máquinas decorrente continua, servo atuadores, etc...

3. Gradadores. Utilizados no controle do fluxo de potência em cargas de correntealternada, como: aquecedores, controle de luminosidade em lâmpadas incandescentes,controle de velocidade de máquinas de baixa potência, circuitos limitadores da correntede partida em máquinas CA,

4. Aplicações na Eletrotécnica. Se pode incluir equipamentos para aquecimentoelétrico, galvanoplastia e aquecimento indutivo.

5. Aplicações em Alta Potência. Aplicando a linhas de transmissão (HVDC).

Conversores CA-CC e CC-CA (exemplo: ITAIPU).

6. Controle de processos e automatização industrial. Existe uma demanda crescente,no sentido de aumentar a performance oferecida pelas bombas e compressores queutilizam um drive com velocidade variável, em processos de controle. Os robôs emfábricas automatizadas são “alimentados” por servos elétricos. (Inversores,Cicloconversores)

7. Fontes comutadas e Sistemas de Alimentação Ininterruptas (SAI). Os avanços namicroeletrônica que propiciaram a criação dos computadores pessoais, equipamentosde comunicações e consumo, aumentaram muito a demanda de todos estesequipamentos.

8. Conservação de energia. Com o aumento do custo da energia e a conscientizaçãodas populações com os temas ambientais. Uma das aplicações é a utilização deconversores de potência que operam a freqüências elevadas (acima de 20 kHz).(Fontes Chaveadas)

6B03 CONTEXTO

Em termos gerais se pode dizer que a eletrônica de potência é a ciência que sededica a processar e controlar o fluxo de energia elétrica fornecendo tensões e correntesnas formas exigidas pelas cargas.

Figura 1. Diagrama de blocos de um sistema genérico de Eletrônica de Potência.

A entrada do sistema geralmente é a rede elétrica comercial com freqüências de 60ou 50 Hz, monofásico ou trifásico. O ângulo de fase entre a tensão e a corrente dependeda topologia e do controle do conversor de potência. As características de saída tais como(tensão, corrente, freqüência e o número de fases) geralmente são definidas pela carga.Se o conversor de potência opera como uma fonte de tensão o ângulo entre a tensão e acorrente normalmente vai depender do tipo de carga. Normalmente, uma realimentação éutilizada para comparar a saída real do conversor de potência e a desejada (referência), oerro resultante é minimizado pelo controlador. O fluxo de potência em tais sistemas podeser reversível, trocando assim os papeis da entrada e saída.

Nos últimos anos, o campo da eletrônica de potência tem experimentado uma ampladifusão devido a confluência de vários fatores. O controlador da figura 1 consiste decircuitos integrados lineares e/ou processadores digitais de sinal. Revolucionários avançosem microeletrônica permitiram o desenvolvimento destes controladores. Adicionalmente,esses avanços na tecnologia de fabricação dos semicondutores fizeram possível umimportante aumento da capacidade de manipulação de tensão, corrente e velocidade porparte dos semicondutores, todos estes avanços possibilitaram o crescimento dosprocessadores de potência. Ao mesmo tempo, o mercado da eletrônica de potência tem seexpandido de forma significante. Nos Estados Unidos se espera para o ano 2000 umcrescimento superior a 50% das cargas elétricas, alimentadas através de conversores de

Conversorde Potência

Controlador

Sinais decontrole

MedidasReferência

Entrada dePotência

Saída dePotência

Carga

Ve ie vs

potência. Este crescimento no mercado deve ser observado também em outras partes domundo onde o custo da energia seja significantemente maior que nos Estados Unidos.

Atualmente ainda existe um grande número de conversores clássicos emoperação tais como retificadores, gradadores, conversores duais, cicloconversores,compensadores estáticos, razão pela qual grande parte ou a quase totalidade dadisciplina se ocupará destes conteúdos básicos os quais Quando bemsedimentados constituem uma sólida base sob a qual os demais conhecimentospodem ser construídos.

7B04 CONTEÚDO

INTRODUÇÃOAplicações da Eletrônica de Potência. História da Eletrônica de Potência. DispositivosSemicondutores de Potência. Características de Controle dos Dispositivos de Potência.Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência. Projeto de Equipamentos de Eletrônica dePotência. Efeitos Periféricos. Módulos de Potência. Módulos Inteligentes - Smart Power.

Diodos Semicondutores de PotênciaIntrodução. Curvas Características dos Diodos. Curvas Características da RecuperaçãoReversa. Tipos de Diodos de Potência. Efeitos dos Tempos de Recuperação Direto eReverso. Diodos Conectados em Série. Diodos Conectados em Paralelo. Modelamento emSPICE de Diodos.

Circuitos e Retificadores com DiodosIntrodução. Diodos com Cargas RC e RL. Diodos com Cargas LC e RLC. Diodos deComutação. Recuperação da Energia Armazenada Utilizando um Diodo de Comutação.Retificadores Monofásicos de Meia Onda. Parâmetros de Desempenho (Performance);Retificadores Monofásicos de Onda Completa com tap central. Retificadores Monofásicosde Onda Completa com Carga RLE. Retificadores Polifásicos em Estrela. RetificadoresTrifásicos em Ponte. Retificadores Trifásicos em Ponte com Carga RLE. Projeto deCircuitos Retificadores. Tensão de Saída com Filtro LC. Efeitos das Indutâncias da Fonte eda Carga.

TIRISTORESIntrodução. Características dos Tiristores. Modelo com Transistores do Tiristor. Disparo deum Tiristores. Proteção Contra di/dt. Proteção Contra dv/dt (snubber). Desligamento doTiristor. Tipos de Tiristores. Operação em Série de Tiristores. Operação em Paralelo deTiristores. Circuitos de Disparo de Tiristores. Transistor de Unijunção. Transistor deUnijunção Programável. Modelamento em Spice para Tiristores.

Retificadores ControladosIntrodução. Princípio de Operação dos Conversores de Fase Controlada. ConversoresMonofásicos Semicontrolados. Conversores Monofásicos Semicontrolados. ConversoresMonofásicos Controlados. Conversores Monofásicos Controlados com Carga RL.Conversores Duais Monofásicos. Conversores Monofásicos em Série. ConversoresTrifásicos de Meia Onda. Conversores Semicontrolados Trifásicos. Conversor TrifásicoSemicontrolado com Carga RL. Conversores Trifásicos Controlados. ConversoresTrifásicos Controlados com Carga RL.

Controladores de Tensão CAIntrodução. Princípio do Controle Liga-Desliga. Princípio do Controle de Fase.Controladores Monofásicos Bidirecionais com Cargas Resistivas. ControladoresMonofásicos com Cargas Indutivas. Controladores Trifásicos de Meia Onda; Controladores

Trifásicos de Onda Completa. Controladores Bidirecionais Trifásicos Conectados emTriângulo. Mudança de Derivação de Transformadores Monofásicos. CicloconversoresMonofásicos. Cicloconversores Trifásicos. Projeto de Circuitos Controladores de TensãoCA. Efeitos das Indutâncias da Fonte e da Carga. Efeitos das Indutâncias da Fonte e daCarga.

CHOPPERSIntrodução. Princípio da Operação Abaixadora (Step-Down). Chopper Abaixador comCarga RL. Princípio da Operação Elevadora (Step-Up). Parâmetros de Performance.Classificação dos Choppers. Reguladores Chaveados

INVERSORES MODULADOS POR LARGURA DE PULSOIntrodução. Princípio de Operação. Parâmetros de Performance. Inversores Monofásicosem Ponte. Inversores Trifásicos

8B05 MÉTODO DIDÁTICO

O método didático, esta centrado na preocupação com a formação integral da pessoahumana, baseada nos princípios cristãos que norteiam esta Instituição de Ensino Superior.Assim, as aulas sempre iniciaram com uma pequena reflexão. Os estudantes sãoencorajados a trazerem colaborações.

As relações em sala de aula serão construídas tendo em mente o seguinte princípioMarista: A simplicidade é a virtude Marista que exerce uma função vital nas relaçõeshumanas. Embora a noção de simplicidade possa ser aplicada ao modo de vida e a outrosaspectos, é, a priori, uma faceta para um bom relacionamento. Ela implica tranqüilidadenas relações, que flui de uma total falta de duplicidade: a mesma face, tanto dentro quantofora da comunidade, e a mesma voz, tanto para oração quanto para as atitudes. É aperfeita conciliação da palavra com a ação. (Ir. Gregory Ryan)

Em nosso trabalho utilizaremos:

Aulas expositivas utilizando quadro negro, transparências, power point. Utilização de técnicas que permitam uma maior integração entre os estudantes

(projetos propostos, solução de exercícios em aula, díade, simpósios). Utilização de aulas de laboratório para despertar interesse e/ou fixar os conteúdos

vistos em aula. Como suporte as nossas aulas colocaremos a disposição uma página na internet que

servirá como mural eletrônico onde vocês poderão encontrar avisos, notas, astransparências das aulas, arquivos para simulação, catálogos de fabricantes de

dispositivos eletrônicos, acesso a seção Reflexões. O andamento das aulas tambémpoderá ser acompanhado através da seção calendário. Assim, todos os estudantesdeverão possuir e-mail. O endereço da página é: HU http://www.ee.pucrs.br/~fdosreis/index3.html UH .

Utilizaremos um livro texto, portanto é imprescindível que todos o possuam. (ELETRÔNICA DE POTÊNCIA DO PROF. IVO BARBI)

A utilização de uma calculadora científica se faz necessária durante as aulas, o uso desimuladores será de grande utilidade para fixação dos conteúdos. Trata-se de umapoderosa ferramenta de auxílio aos projetos.

9B06 SISTEMA DE AVALIAÇÃO

- O grau de G1 será composto por três avaliações (P1, P2 e P3) sendo o grau G1 formadopela média aritmética destas três provas. As avaliações versarão sobre os conteúdosdesenvolvidos: em sala de aula e nos estudos dirigidos.

- No caso de falta a uma das provas (P1, P2 ou P3) a prova de substituição PS (a qual ébom lembrar versará sobre toda a matéria ministrada) terá a função de recuperar a provaperdida. Desta forma, evite faltar às avaliações.

- No caso de falta a mais de uma prova ou a PS só será concedida recuperação, extra,com autorização da direção da Faculdade de Engenharia.

- As condições de aprovação são as constantes do Regimento Interno da Universidade.

10B07 CRONOGRAMA DE ATIVIDADES

No Dia Assunto1 01/03t INTRODUÇÃO A ELETRÔNICA DE POTÊNCIA. Integração do grupo e combinações para o

semestre em sala de aula. Apresentação da bibliografia. Aplicações da Eletrônica dePotência. História da Eletrônica de Potência. Dispositivos Semicondutores de Potência.Características de Controle dos Dispositivos de Potência. Tipos de Circuitos em Eletrônicade Potência. Projeto de Equipamentos de Eletrônica de Potência. Efeitos Periféricos.Módulos de Potência. Módulos Inteligentes - Smart Power. Revisão de matemática.

2 03/03q DIODOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA. Introdução. Curvas Características dosDiodos. Cu rvas Características da Recuperação Reversa, Tipos de Diodos de Potência.Efeitos dos Tempos de Recuperação Direto e Reverso. DIODOS SEMICONDUTORES DEPOTÊNCIA. Diodos Conectados em Série. Conectados em Paralelo. EXERCÍCIOS.

3 08/03t FERIADO NACIONAL - Carnaval4 10/03q RETIFICADORES COM DIODOS. Meia-Onda, Center-Tape e Em Ponte. Carga Resistiva.

5 15/03t RETIFICADORES COM DIODOS. Meia-Onda, Center-Tape e Em Ponte. Carga Resistiva eIndutiva. EXERCÍCIOS.

6 17/03q CÁLCULO TÉRMICO. 7 22/03t RETIFICADORES COM DIODOS. Trifásico de 3 pulsos. Carga Resistiva. EXERCÍCIOS.8 24/03q RETIFICADORES COM DIODOS. Trifásico de 3 pulsos. Carga Indutiva.9 29/03t RETIFICADORES COM DIODOS. Trifásico em Ponte de Graetz. Cargas Resistiva e

Indutiva. EXERCÍCIOS. 10 31/03q RETIFICADORES COM DIODOS. Utilização do transformador na configuração - Y.11 05/04t RETIFICADORES COM DIODOS. Utilização do transformador na configuração - Y.12 07/04q Estudo dirigido em grupos13 12/04t PRIMEIRA AVALIAÇÃO DE G1.14 14/04q Resolução da Prova. RETIFICADORES COM TIRISTORES. Meia-Onda. Carga Resistiva.15 19/04t RETIFICADORES COM TIRISTORES. Carga Resistiva.16 21/04q FERIADO NACIONAL - Tiradentes17 26/04t RETIFICADORES COM TIRISTORES. Em Ponte. Carga Resistiva.Trifásico de 3 pulsos.

EXERCÍCIOS.18 28/04q RETIFICADORES COM TIRISTORES. Trifásico em Ponte de Graetz.19 03/05t Controladores de Tensão CA - GRADADORES. Introdução.

Princípio do Controle Liga-Desliga. 20 05/05q Controladores de Tensão CA. Controle por ângulo de disparo ().21 10/05t Controladores de Tensão CA. Controladores Trifásicos de Onda Completa. Controladores

Bidirecionais Trifásicos Conectados em Estrela (Y).22 12/05q Controladores de Tensão CA. Controladores Trifásicos de Onda Completa. Controladores

Bidirecionais Trifásicos Conectados em Estrela (Y). EXERCÍCIOS.23 17/05t Controladores de Tensão CA. Estabilizadores de Tensão24 19/05q SEGUNDA AVALIAÇÃO DE G125 24/05t Resolução da Prova. ESTUDO DA COMUTAÇÃO - CONVERSOR DUAL –

CICLOCONVERSOR26 26/05q RETIFICADORES COM FILTRO CAPACITIVO27 31/05t RETIFICADORES COM FILTRO CAPACITIVO28 02/06q CONVERSORES CC-CC, Conversor Redutor. EXERCÍCIOS.29 07/06t CONVERSORES CC-CC, Conversor Redutor-Elevador30 09/06q CONVERSORES CC-CC, Conversor Elevador.- EXERCÍCIOS.31 14/06t MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO.32 16/06q TERCEIRA AVALIAÇÃO DE G1.33 21/06t Resolução da Prova. INVERSORES.34 23/06q FERIADO MUNICIPAL – Corpus Christi35 28/06t INVERSORES.36 30/06q PROVA DE SUBSTITUIÇÃO PS.37 07/07q G2

11B08 BIBLIOGRAFIA BÁSICA

Livro texto:

- Dr. Ivo Barbi, Eletrônica de Potência - Edição do Autor. HU http://www.ivobarbi.com UH Obs. Existem diversos exemplares na Biblioteca central.Quem desejar pode adquirir este livro diretamente com o autor através do e-mail: HU livros@inep.ufsc.br UH.É interessante que a turma se organize para fazer compra única neste caso eles dão desconto, o envioé feito por SEDEX.Auxiliares:

1. Dr. Muhammad H. Rashid, ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Circuitos, Dispositivos e Aplicações um livroeditado pela Makron Books. São Paulo - 1999.

2. Material deixado no Xerox e na página da disciplina: HU http://www.ee.pucrs.br/~fdosreis/ U

Complementar:1. AHMED, ASHFAQ - Eletrônica de Potência - Printice Hall. São Paulo -2000.2. Mohan / Undeland / Robbins, Power Electronics Converters, Applications, and Design - John Wiley &

Sons, Inc.3. KASSAKIAN, John G. ; SCHLECHT, Martin F. ; VERGHESE, George C. - Principles of Power

Eletronics - Ed. Addison Wesley4. ALMEIDA, José Luiz Antunes de - Eletrônica de Potência - Ed. Érica LTDA.5. LANDER, Cyril W. - Eletrônica Industrial , Teoria e Aplicações - Ed. McGraw-Hill6. GUAZZELLI, M. B. Paiva - Eletrônica de Potência - Ed. da UNICAMP7. BOSE, B. K. - Power Electronics and AC Drives - Prentice Hall

livros@inep.ufsc.br

12B09 CORPO DOCENTE / CURRÍCULO RESUMIDO

Prof. Fernando Soares dos ReisO professor Fernando se graduou em engenharia elétrica pela Pontifícia Universidade Católicado Rio Grande do Sul em 1987. Neste mesmo ano ingressou no setor industrial na área deEletrônica de Potência. Em 1990 obteve o título de mestre em engenharia pela UniversidadeFederal de Santa Catarina (UFSC) tendo realizado estudos na área de eletrônica de potência eacionamento elétrico. No ano de 1990 assumiu o departamento técnico de uma empresa do setortendo coordenado vários projetos. A partir de 1991 começou a trabalhar como professor assistentejunto a PUCRS. Tendo concluído o Doutoramento em Eletrônica Industrial na UniversidadPolitécnica de Madrid (UPM) com a Distinção de Apto Cum Laude regressou a PUCRS em 1995onde exerce atividade profissional junto ao Departamento de Engenharia Elétrica. Pós-Doutoradona Curtin University of Technology em Energias Renováveis em 2004.

Participa de vários projetos acadêmicos e de iteração com o setor industrial e órgãosgovernamentais de fomento a pesquisa como o CNPq e a FAPERGS, na União Européia participoudo projeto TOPIC como colaborador da UPM no qual participava a renomada empresa, Alcatel-Espanha.

Durante os anos de 1998 e 1999 foi coordenador do departamento de Engenharia elétrica atuandosempre em prol dos interesses dos estudantes, tendo idealizado e implantado a versão noturna docurso de engenharia elétrica. Hoje é coordenador do Laboratório de Eletrônica de Potência daPUCRS (LEPUC).

Disciplinas já lecionadas na Graduação:

Eletrônica Básica,Eletrônica de Potência,Eletrônica de Potência (ECA),Laboratório de Eletrônica de Potência,Eletrônica Industrial,Amplificadores Operacionais eCircuitos Elétricos.

Disciplinas lecionadas no Programa de Pós-Graduação em Eng. Elétrica (MESTRADO):

Eletrônica de Potência I,Eletrônica de Potência II,Máquinas Elétricas eConversores Ressonantes.Compatibilidade Eletromagnética.Tecnologia de Uso Final

Membro de diversas associações: Conselheiro da Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência,SOBRAEP. Sociedade Brasileira de Automática, SBA. The Institute of Electrical and ElectronicsEngineers, IEEE. Power Electronics Society, PELS. Industrial ElectronicsSociety e Electromagnetic Compatibility Society.

Áreas de atuação: Eletrônica de Potência e Compatibilidade Eletromagnética (CEM). Especialmenteinteressado no estudo dos prerreguladores de fator de potência, reatores eletrônicos (electronicbalast), Inversores, Sistemas UPS (Uninterrupted Power Systems), Sistemas eletrônicos parasistemas de energia renováveis como carregadores de baterias a partir de Paineis SolaresPhotovoltaicos (PVs), circuitos inversores para geração tensão alternada a partir de baterias,sistemas de conexão direta em PVs e a rede de energia etc... O estudo dos temas relacionados acompatibilidade eletromagnetica CEM nestes equipamentos.

Pesquisas em desenvolvimento: Sistema de Iluminação Pública Inteligente, Reator Eletrônico deAlta Freqüência para Lâmpada de Alta Pressão de Vapor de Sódio. Sistemas de AlimentaçãoIninterrupta (SAIs) para cargas não lineares. Balastros eletrônicos para lâmpadas de descargaelétrica. Correção ativa do fator de potência. Método para avaliação da densidade de potência nosPFPs. Inversores para sistemas alternativos de energia. Desenvolvimento de um ConversorSoftstart para partida do Motor de Indução Trifásico. Desenvolvimento de Ferramentas Didáticaspara o Ensino da Eletrônica de Potência.

Conte com o apoio incondicional de seu professor para orientá-lo e para ajudá-lo em tudo que dizrespeito a disciplina.

Contato:_______________________________________________________________________________Endereço: Av. Ipiranga, 6681 - PUCRS - Prédio 30 - Sala 328Telefone: 3353 4571 (Sala do Professor), Ramais 7668, 7670 ou 7688 (LEPUC).e-mail: HU f.dosreis@ieee.org Home page: HU http://www.ee.pucrs.br/~fdosreis U

13B10 Mensagem

Lk:8:4: E, ajuntando-se uma grande multidão, e vindo de todas as cidades ter com ele,disse por parábola:Lk:8:5: Um semeador saiu a semear a sua semente e, Quando semeava, caiu alguma juntodo caminho, e foi pisada, e as aves do céu a comeram;Lk:8:6: E outra caiu sobre pedra e, nascida, secou-se, pois que não tinha umidade;Lk:8:7: E outra caiu entre espinhos e crescendo com ela os espinhos, a sufocaram;Lk:8:8: E outra caiu em boa terra, e, nascida, produziu fruto, a cento por um. Dizendo eleestas coisas, clamava: Quem tem ouvidos para ouvir, ouça.Lk:8:9: E os seus discípulos o interrogaram, dizendo: Que parábola é esta?Lk:8:10: E ele disse: A vós vos é dado conhecer os mistérios do reino de Deus, mas aosoutros por parábolas, para que vendo, não vejam, e ouvindo, não entendam.Lk:8:11: Esta é, pois, a parábola: A semente é a palavra de Deus;Lk:8:12: E os que estão junto do caminho, estes são os que ouvem; depois vem o diabo, etira-lhes do coração a palavra, para que não se salvem, crendo;Lk:8:13: E os que estão sobre pedra, estes são os que, ouvindo a palavra, a recebem comalegria, mas, como não têm raiz, apenas crêem por algum tempo, e no tempo da tentaçãose desviam;Lk:8:14: E a que caiu entre espinhos, esses são os que ouviram e, indo por diante, sãosufocados com os cuidados e riquezas e deleites da vida, e não dão fruto com perfeição;Lk:8:15: E a que caiu em boa terra, esses são os que, ouvindo a palavra, a conservamnum coração honesto e bom, e dão fruto com perseverança.

Na Universidade assim como na vida a perseverança éfundamental. Não se deixe levar... Seja perseverante.