1.2 introducao a eletronica de potencia
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fala sobre eletronica de potencia: definicoes e questoes .TRANSCRIPT
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
Prof. Edvan Carneiro Almeida
FACULDADE SANTO AGOSTINHO - FSA
ENGENHARIA ELÉTRICA
Eletrônica de potência
Por que eletrônica de potência?
A transferência de potência elétrica de uma fonte para uma carga pode ser
controlada pela variação de tensão de alimentação (transformador variável) ou
pela inserção de um regulador (reostato, reator variável ou uma chave)
Reostato como dispositivo de controle
Nas aplicações em que a potência a ser controlada é grande, a eficiência de
conversão passa a ser importante. Uma eficiência baixa significa grandes perdas,
uma preocupação de caráter econômico, além de gerar calor, que terá de ser
removido do sistema para evitar superaquecimento.
Exemplo:
Uma fonte DC de 100 V está fornecendo energia
para uma carga resistiva de 10 Ω. Determine a
potência entregue a carga (PL), a potência dissipada
no reostato (PR), a potência total fornecida pela fonte
(PT) e a eficiência η, se o reostato for ajustado para:
a) 0 Ω b) 10 Ω c) 100 Ω
Eletrônica de potência
Chave como dispositivo de controle
Exemplo:
Uma fonte DC de 100 V está fornecendo energia para uma carga resistiva de 10
Ω através de uma chave. Determine a tensão na carga (VL) a potência entregue a
carga (PL), a potência dissipada no reostato (PS), a potência total fornecida pela
fonte (PT) se a chave estiver:
a) Fechada
b) Aberta
c) Fechada 50% do tempo
d) Fechada 20% do tempo
Eletrônica de potência
Chaves semicondutoras de potência
Principais tipos:
- diodos;
- transistores bipolar de junção (BJTs);
- transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFETs);
- transistores bipolar de porta isolada (IGBTs);
- retificadores controlados de silício (SCRs);
- triacs;
- tiristores de desligamento por porta (GTO);
- tiristores controlados MOS (MCT).
Esses dispositivos são operados no modo de chaveamento. As chaves podem
ser operadas em alta frequência, a fim de converter e controlar a energia elétrica
com alta eficiência e alta resolução. A perda de potência na chave, em si, é muito
pequena.
Eletrônica de potência
Uma chave ideal satisfaz às seguintes condições:
1. Liga e desliga instantaneamente.
2. Quando está ligada, a queda de tensão nela é zero.
3. Quando está desligada, a corrente que passa por ela é zero.
4. Não dissipa potência.
Além disso, as seguintes condições são desejáveis:
5. Quando ligada, que possa suportar correntes altas.
6. Quando desligada, que possa suportar tensões altas.
7. Que utilize pouca potência para o controle da operação.
8. Que seja altamente confiável.
9. Que seja pequena e leve.
10.Que tenha baixo custo.
11.Que não requeira manutenção.
Eletrônica de potência
Perdas de potência em chaves não ideais
Ao contrário do que ocorre em uma chave ideal, uma chave real, assim como um
transistor bipolar de junção, tem duas grandes fontes de perda de potência: perda
na condução e perda por chaveamento.
Perda na condução
Quando o transistor abaixo estiver desligado, por ele passará uma corrente de
fuga (Ileak). A perda de potência associada a essa corrente de fuga é POFF = VS .
ILEAK. Uma vez que a corrente de fuga é muito pequena e não varia de maneira
significativamente com a tensão, costuma ser desprezada.
Quando o transistor estiver
ligado, ocorre uma pequena
queda de tensão sobre ele.
Essa tensão é chamada de
de tensão de saturação
(VCE(sat)).
Eletrônica de potência
A dissipação de potência no transistor ou a perda na condução devido a tensão de
saturação é:
VS – VCE(sat) VS
PON = VCE(sat) . IC onde IC = ----------------------- ≈ ------
RL RL
Quando do chaveamento:
PON(avg) = VCE(sat) . IC . tON = VCE(sat) . IC . d
T
De modo semelhante:
POFF(avg) = VS . ILEAK . tOFF
T
Ciclo de trabalho d é definido como o percentual do ciclo, no qual a chave está
ligada:
d = tON /(tON + tOFF) = tON
T
Potência se a chave permanecer ligada indefinitivamente.
Eletrônica de potência
Perda por chaveamento Passar do estado ligado para o desligado (e vice-versa), nas chaves não ideais
não ocorre de modo instantâneo. Ela leva um certo tempo finito tSW(ON) para ligar
e certo tempo finito tSW(OFF) para desligar. Esses períodos não apenas introduzem
dissipação de potência, como também limitam a máxima frequência de
chaveamento possível. Tempos diferentes para ligar e para desligar.
Eletrônica de potência
A perda máxima de potência, na passagem do estado desligado para o ligado é:
PSW-ON(max) = 0,5 VCE(max) . 0,5 IC(max)
Onda senoidal retificada. O valor médio dessa forma de onda é
PSW-ON(avg) = 0,637 PSW-ON(max)
PSW-ON(avg) = 0,167 . VCE(max) . IC(max)
PSW-ON(avg) = 1/6 . VCE(max) . IC(max)
A perda de energia (potência x tempo) durante o fecham será PSW-ON(avg) . tSW-(ON).
WSW-ON = 1/6 . VCE(max) . IC(max) . tSW-(ON) (joules)
e durante o desligamento.
WSW-OFF = 1/6 . VCE(max) . IC(max) . tSW-(OFF) (joules)
Perda total de energia.
WSW = WSW-ON + WSW-OFF = 1/6 . VCE(max) . IC(max) . [tSW-(ON) + tSW-(OFF) ]
Eletrônica de potência
A dissipação média de potência na chave será:
PSW = WSW /T = WSW . f
PSW = 1/6 . VCE(max) . IC(max) . [tSW-(ON) + tSW-(OFF) ] . f
PT = PON(avg) + POFF(avg) + PSW
PSW = VCE(sat) . IC . d + 1/3 . VCE(max) . IC(max) . tSW . f
Onde: tSW = tSW-(ON) = tSW-(OFF)
Eletrônica de potência
Exemplo:
Na figura VS = 50 V, RL = 5 Ω e a chave é ideal sem perdas no chaveamento. Se
a queda de tensão no estado ligado for de 1,5 V e a corrente de fuga for de 1,5
mA, calcule a perda de potência na chave quando estiver:
a) ligada b) desligada
R. a) 14,55 W e b) 75 mW
Eletrônica de potência
Exemplo:
Calcule as perdas máximas e médias de potência para a chave do exemplo
anterior se a frequência de chaveamento for de 500 Hz com um ciclo de trabalho
de a) 50% e b) 20%.
R. a) b)
Perda média de potência ligado – 7,27 W - 2,91 W
Perda média de potência desligado – 0,037 W - 60 mW
Perda média de potência por ciclo – 7,3 W - 2,97 W
Dissipação máxima de potência – 14,55 W - 14,55 W
Eletrônica de potência
Exemplo:
Na figura VS = 120 V, RL = 6 Ω e a transistor é ideal sem perdas na condução. Se
tSW-(ON) = tSW-(OFF) = 1,5 µs, calcule a perda de potência média de chaveamento a
uma frequência de chaveamento de 1 kHz.
R. a)
Perda média de potência SW(ON) – 400 W
Perda média de potência SW(OFF) – 400 W
Perda de energia SW(ON) – 0,6 mJ
Perda de energia SW(OFF) – 0,6 mJ
Dissipação média de potência no chaveamento – 1,2 W
Eletrônica de potência
R.
Eletrônica de potência
R.
Referências Bibliográficas
Ahmed, A; Eletrônica de potência, Prentice Hall, São Paulo, 2000.