epo1 02 teoria b sica dos conversores

8/19/2019 EPO1 02 Teoria b Sica Dos Conversores

1/30

1

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. [email protected]@gmail.com

EPO I – Aula 02 – Teoria básica dos conversores


2/30

2

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



3/30

3

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:


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)



4/30

4

Teoria bTeoria báásica dos conversores estsica dos conversores estááticosticos


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:



5/30

5

Elementos nãoElementos não--lineares (semicondutores)lineares (semicondutores)


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



6/30

6



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


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


7/30

7



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



8/30

8



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))


ik

vk

c o n d u z

v k

i k +

-

1

2

bloqueia

esp.


9/30

9



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))


ik

vk

v k

i k

+

-

1

2

bloqueia bloqueia

c o n d u z

com.esp.

esp.


10/30

10



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


11/30

11



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


12/30

12



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



13/30

13



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


( ) ( ) ( ) 00

10 ,

t

c c cv t i t dt v t t

C = + ∀ >∫


14/30

14

( ) ( ) ( ) 0

0

10 ,

t

L L Li t v t dt i t t

C

= + ∀ >

∫( ) ( ) L

L

di t v t L

dt

=



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



15/30

15

Elementos lineares de conversãoElementos lineares de conversão


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



16/30

16



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



17/30

17



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


TransformadorTransformador

AutoAuto--transformadortransformador


18/30

18



Transformadores (reais):Transformadores (reais):

Modelo equivalente (desprezandoModelo equivalente (desprezando--se as resistências)se as resistências)


( )

( )

( )

( )

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

= =

= +

= +


19/30

19

Elementos lineares dissipativosElementos lineares dissipativos



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 =



20/30

20

FontesFontes


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):


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



21/30

21

CargasCargas


ResistivoResistivo

ResistivoResistivo--indutivoindutivo

ResistivoResistivo--indutivoindutivo--fontefonte

FonteFonte

Principais comportamentos das cargas:Principais comportamentos das cargas:


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

+

-



22/30

22

Fundamentos da conversão estFundamentos da conversão estááticatica


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)


FontesFontes Conversor estConversor estááticotico CargasCargasenergiaenergia energiaenergia

FonteFonte Conversor estConversor estááticotico CargaCarga

~

S 1

RS

2

E

Ex.: retificadorEx.: retificador


23/30

23

PrincPrincí í pios fundamentais dos conversorespios fundamentais dos conversores


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


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


24/30

24



3) Utiliza3) Utilizaçção de elementos reativosão de elementos reativos →→ filtragemfiltragem


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


~

S 1

RS

2

v F v

L

i L

L

i L

t

i F

v F

t

c/ filtro

s/ filtro


25/30

25



3) Utiliza3) Utilizaçção de elementos de conversãoão de elementos de conversão →→ alteraalteraççãoãoda amplitude da tensão e/ou correnteda amplitude da tensão e/ou corrente


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


~

S 1

RS

2

v F v

L

i F 1:2

i L

v F

t

t

v L


26/30

26



3) Utiliza3) Utilizaçção de elementos de conversãoão de elementos de conversão →→ isolaisolaççãoãogalvânicagalvânica


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


~

S 1

RS

2

E v F v L

i Li F 1:1

v F

t

v L

t


27/30

27



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

=

=


O á


28/30

28



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))


v c S E S

i L

S i F

S

EPO I A l 02 T i bá i d


29/30

29

v c1

v c2

S



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


vvc1c1≠≠vvc2c2 vvc1c1≠≠EE

E v c1

S

S

i L1

i L2

S

i L2

i F

iiL1L1≠≠

iiL2L2 iiFF≠≠iiL2L2

EPO I Aula 02 Teoria básica dos conversores


30/30

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


Fonte deFonte detensãotensão

Fonte deFonte decorrentecorrente

Fonte deFonte detensãotensão

Fonte deFonte decorrentecorrente

......

epo1 02 teoria b sica dos conversores

Documents