ACIONAMENTOS ELTRICOS
Conversores Estticos
Um conversor esttico de potncia constitudo basicamente de
interruptores eletrnicos a semicondutores (chaves estticas). O controle de
abertura e do fechamento destes interruptores, segundo ciclos
determinados, permite que se modifique periodicamente a interconexo
direta dos terminais das fontes conectadas entrada e sada do conversor,
controlando-se desta forma o fluxo de energia entre ambos.
Principais interruptores:
- Diodos de Potncia
- Transistores Bipolares
- Tiristores
- Mosfets,
- IGBTs
- GTOs
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Conversores Estticos
Evoluo das Chaves Estticas (Semicondutores de Potncia):
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Semicondutores de Potncia
Regies de Aplicaes das Chaves Estticas
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Conversores Estticos
Tipos de Conversores de Energia:
Retificador Controlado (conversor CA / CC) converso de tenso /
corrente alternada de amplitude e frequncia fixa ou varivel, para tenso
contnua de valor varivel.
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Conversores Estticos
Inversor (conversor CC / CA) - converso de tenso / corrente contnua de
valor fixo ou varivel para tenso / corrente alternada de valor fixo ou
varivel, com variao ou no da frequncia.
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Conversores Estticos
Chopper (conversor CC / CC) - converso de tenso / corrente contnua de
valor fixo para tenso / corrente contnua de varivel.
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Conversores Estticos
Cicloconversor (conversor CA / CA) - converso de tenso / corrente
alternada de frequncia fixa para tenso / corrente alternada varivel em
amplitude e frequncia.
Pode ser operado como variador direto de frequncia atravs de dois
retificadores de fase controlada
conectados como conversores duais.
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Conversores Estticos
Controladores de Tenso CA (conversor CA / CA) - Consiste em controlar o
fluxo de potncia entre a fonte de entrada e a sada atravs da variao do
valor eficaz da tenso CA aplicado carga.
Fornece uma tenso de sada varivel, mas a frequncia dessa tenso de
sada fixa.
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Semicondutores de Potncia
Diodo de Potncia
- no recebe comandos para entrada em conduo (no controlados).
- funciona como uma chave fechada quando polarizado diretamente, e
- bloqueia a corrente quando polarizado reversamente.
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Semicondutores de Potncia
Tiristor (SCR Silicon Controller Retifier)
- recebe comandos para entrada em conduo;
- funciona como uma diodo aps entrada em conduo;
- interrompe o fluxo de corrente, quando a corrente passa por zero e a
polarizao se inverte.
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Semicondutores de Potncia
Transistor Bipolar (BJT Bipolar Junction Transistor)
- recebe comandos para entrada em conduo (IB >0), e tambm para sada
de conduo (IB = 0);
- permite o fluxo de corrente em apenas um sentido e quando em estado
bloqueado suporta somente tenses positivas (ic > 0 e VCE > 0) ;
- possui tempos de comutao relativamente altos, limitando a operao em
frequncias mais elevadas.
- os transistores de potncia so do tipo NPN.
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Semicondutores de Potncia
Tipos de Transistores
MOSFET
( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
- um semicondutor totalmente controlado;
- pode conduzir corrente somente em uma direo;
- chaveado por tenso: Quando uma tenso adequada aplicada entre os
termais da porta e fonte (VGS > 0), o MOSFET entra em conduo. Com a
remoo da tenso (VGS = 0), o MOSFET volta ao estado bloqueado.
- tempos de comutao extremamente curtos (superior ao Transistor BJT),
desse modo podem operar com freqncias mais elevadas;
- faixa de potncia: 10 VA at 10kVA e frequncia < 800kHz
- so para aplicaes com VDS < 500V
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Semicondutores de Potncia
IGBT ( Isulated Gate Bipolar Transistor)
- semicondutor que combina as caractersticas do BJT + MOSFET;
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Semicondutores de Potncia
Caractersticas:
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Semicondutores de Potncia
Quadro Comparativo
Como regra bsica: em baixa tenso e alta freqncia: MOSFET e em alta
tenso e baixa freqncia: IGBT.
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Retificadores
Retificador Monofsico de Meia Onda
Diodo carga R resistiva
oo
Lmed VVV
V .45,0.2max
)(..2)( wtsenVwtv o
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Retificadores
Retificador Monofsico de Meia Onda
Diodo carga RL
)(..2)( wtsenVwtv o
cos1..225,0 oLmed VV
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Retificadores
Retificador Monofsico de Meia Onda
Diodo carga RL e diodo de roda livre
oLmed VV .45,0
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Retificadores
Retificador Monofsico de Meia Onda
Tiristor carga R
)(..2)( wtsenVwtv o
cos1..225,0 oLmed VV
2
21.
2
senVV oLef
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Retificadores
Retificador Monofsico de Meia Onda
Tiristor carga RL
)(..2)( wtsenVwtv o
coscos..225,0 oLmed VV
2
22.
2
sensenVV oLef
)(..2)( wtsenVwtv o
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Retificadores
Retificador Monofsico de Onda Completa
Ponte de Diodos
carga R:
carga RL:
ooLmed VVV
V .9,0.2.2.2 max
)(..2)( wtsenVwtv o
D1 D4 D2 D3
cos1..45,0 oLmed VV
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Retificadores
Retificador Monofsico de Onda Completa
Ponte de Tiristores
carga R:
carga RL:
)(..2)( wtsenVwtv o
T1 T4 T2 T3
coscos..45,0 oLmed VV
cos1.45,0 oLmed VV
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Retificadores
Retificador Trifsico de Onda Completa
Ponte de Diodos
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Retificadores
Caractersticas (Ponte de Diodos):
> cada diodo conduz durante um intervalo de 120o;
> existem sempre dois diodos em conduo;
> ocorre uma comutao a cada 60o;
> a freqncia da componente fundamental da tenso igual a 6 vezes a
freqncia das tenses de alimentao.
Tenso na carga (com diodos):
ooLmed VVV .34,2.6.3
LLmed
Lo
VV
VVseja
.35,1
3:
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Retificadores
Ponte de Tiristores
Tenso na carga
cos..34,2cos..6.3
ooLmed VVV
cos..35,1
3:
LLmed
Lo
VV
VVseja
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Retificadores
Forma de onda de sada p/ um ngulo de disparo
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Retificadores
Valor mdio da tenso p/ diferentes ngulo de disparo
0o < < 90 90o < < 180
Vmed positivo Vmed negativo
Potncia + ( fluxo fonte p/ carga) Potncia - ( fluxo carga p/ fonte)
Modo retificador (motor) Modo inversor (gerador)
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Inversores
Conversor CC / CA
A funo de um inversor consiste em converter uma tenso de entrada de
corrente contnua em tenso de sada de corrente alternada simtrica de
amplitude e frequncia desejadas. A tenso de sada pode ser fixa ou
varivel em uma frequncia fixa ou varivel.
H vrias tcnicas para alterar o ganho do inversor, ou seja, controlar a
magnitude da tenso e frequncia de sada, por exemplo:
- Modulao por Largura de Pulso
- Modulao por Largura de Pulso Senoidal
- Modulao Histerese
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Inversores
Inversor Monofsico em Ponte
Carga RL
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Inversores
Tenso eficaz de sada:
Tenso instantnea de sada na srie Fourier:
para n=1, tenso eficaz da componente fundamental:
dc
T
dc VdtVTV
2
0
20
2
1
dcdc VVV .9,0..2
41
,...5,3,1..
.
4
no wtnsen
ntV
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Inversores
Inversor Trifsico em Ponte
1,5,6 1,2,6 1,2,3 2,3,4 3,4,5 4,5,6
2
2
2
2
Vdc
- Vdc
Vab
Vbc
Vca
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Inversores
Caractersticas:
> cada transistor conduz durante um intervalo de 180o;
> existem sempre trs transistores em conduo (sequncia de comando);
> existem 6 modos de operao em um ciclo e a durao de cada modo
de 60o;
> quando Q1 entra em conduo, o terminal a conectado ao positivo de
Vdc. Quando Q4 entra em conduo, o terminal a conectado ao negativo
de Vdc.
> sinais de comando so defasados de 60o uns dos outros para obterem
tenses trifsicas equilibradas.
> a frequncia da tenso de sada pode ser ajustada por alterar o perodo
do intervalo de chaveamento.
chs
tf
.6
1
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Inversores
Q1, Q5 e Q6 esto conduzindo Vab = Va - Vb = + Vdc
Terminais a e c positivos (Q1 e Q5) Vbc = Vb - Vc = - Vdc
Terminal b negativo (Q6) Vca = Vc - Va = 0
= Vs
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Inversores
Q1, Q2 e Q6 esto conduzindo Vab = + Vdc
Terminal a positivo (Q1) Vbc = 0
Terminais b e c negativos (Q2 e Q6) Vca = - Vdc
= Vs
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Inversores
Q1, Q2 e Q3 esto conduzindo Vab = 0
Terminais a e b positivos (Q1 e Q3) Vbc = + Vdc
Terminal c negativo (Q2) Vca = - Vdc
= Vs
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Inversores
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Inversores
Tenso de linha eficaz:
N-sima componente eficaz da tenso de linha:
para n=1, tenso fundamental de linha:
tenso eficaz de fase neutro:
dcdcL VVV 816,03
2
6
.cos..2
4
nVn
V dcLn
dcdcL VVV .78,06cos.24
1
dcdcL
a VVV
V .47,0.3
816,0
3
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Inversores
Modulao por Largura de Pulso (PWM Pulse Width Modulation)
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Inversores
Modulao por Largura de Pulso Senoidal
A frequncia do sinal de
referncia (fr) determina a
frequncia de sada do
inversor (fo), e sua
amplitude mxima Ar
controla o ndice de
modulao de amplitude
(M = Ar / Ac) , que, por sua
vez, controla a amplitude
da tenso eficaz de sada
(Vo).
ACIONAMENTOS ELTRICOS
Inversores
Modulao Histerese
Ia ref
corrente
Ia ref
Ia medida