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6019 - Electrónica de Potência

Um pequeno resumo da UFCD 6019 - Electrónica de Potência - Dispositivos
by

Sergio Sousa

on 1 August 2015

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Transcript of 6019 - Electrónica de Potência

Conversão de tensões alternadas

Aplicação:
Controlo de circuitos CA
Sistemas de soldadura
Iluminação
Tipo de conversor
Monofásico
Trifásico

Modulação do conversor
Onda quadrada
PWM sinusoidal
Conversão de tensões contínuas em alternadas (CC-CA)

Aplicação:
Controlo de motores CA
Fornos de indução e máquinas de soldadura
Elevadores e monta-cargas
Semicondutores - Transístores MOSFET/IGBT

Tecnologias - Modulação por largura de pulso (PWM)

Tipos de conversores:
Conversor de 1ºQ ( VOUT < VIN )
Conversor redutor ( VOUT < VIN )
Conversor elevador ( VOUT > VIN )
Conversor redutor/elevador

Conversão de tensões contínuas (elevador/redutor de tensão/corrente)

Aplicações
Controlo de motores CC
Robótica e CAM/CNC
Veículos eléctricos
Rectificadores
Conversão de tensões alternadas em contínuas (CA-CC )

Aplicações:
Carregadores de baterias
Fontes de alimentação
Controlo de motores CC
CA-CC – Rectificadores
Conversão de tensões alternadas em contínuas

CC-CC – Choppers
Conversão de tensões contínuas (elevador ou redutor de tensão ou corrente)

CC-CA – Inversores ou onduladores
Conversão de tensões contínuas em alternadas

CA-CA
Conversão de tensões alternadas (redutor ou elevador de tensão ou corrente)

Limites de operação:
Máxima tensão Dreno-Fonte VDS
Máxima tensão Dreno-Gate VDG
Máxima corrente de Dreno ID
Máxima tensão Gate-Fonte VGS

Potência Máxima dissipada PD

Circuitos de protecção
Sobretensão
Dreno-fonte - varistor, 2x zeners, malha RCD
Gate – zener
Sobreintensidade
Feedback de corrente dreno-fonte (shunt)

Características estáticas ânodo-cátodo e porta
Curva IT = f(VAK,VGK)
Resistência incremental de condução rTon
Resistência equivalente no estado de corte roff
Potência dissipada e resistência térmica Pd e Rth
Tensão e corrente mínimas VGK, IGK

Características dinâmicas
Tempo de entrada em condução
Tempo de passagem ao corte (recuperação directa)

Circuitos de protecção
Tensão (varístor) e corrente (fusíveis)
Variações de tensão (malha RC) e de corrente (bobina proteção)

Características estáticas
Tensão de condução Vd
Resistência incremental de condução rd
Resistência equivalente no estado de corte roff
Potência dissipada e resistência térmica Pd e Rth

Características dinâmicas
Tempo de recuperação inversa e de armazenamento
Tempo de recuperação directa

Circuitos de protecção
Malha RC em paralelo com o díodo
Amortece as oscilações de tensão
Limita a taxa de variação da tensão directa

Redes de Energia eléctrica:
Transmissão em corrente contínua e alta tensão (HVDC);
Sistemas VAR estáticos (compensação de factor de potência);
Fontes de energia de recurso (grupos heterogéneos e UPS);
Sistemas de armazenamento de energia.

Redes de Telecomunicações:
Carregadores de baterias;
Fontes de alimentação;
Fontes de alimentação ininterruptíveis.

Aplicações Domésticas:
Refrigeração e congelação;
Aquecimento;
Fornos;
Electrónica de uso doméstico;
Iluminação.
Aplicações - Resumo
Transportes:
Carregadores de baterias;
Accionamento de veículos de tracção:
Locomotivas eléctricas;
Metropolitanos;
Carros eléctricos, automóveis, etc.

Industria aeronáutica e espacial:
Alimentação de aviões;
Alimentação de satélites;
Alimentação de veículos espaciais tripulados.
Aplicações - Resumo
Aplicações Industriais:
Bombas, compressores, ventoinhas;
Máquinas/ferramentas (robótica e CAM/CNC);
Fornos de indução e máquinas de soldadura;
Controlo da Iluminação;
Alimentação de Lasers;
Processos electroquímicos.

Aplicações Comerciais:
Aquecimento, ventilação e ar condicionado;
Aparelhagem de frio;
Iluminação (balastros electrónicos);
Computadores e equipamento de escritório;
Fontes de alimentação ininterruptíveis (UPS);
Elevadores e monta-cargas.
Aplicações - Resumo
Comparação entre semicondutores
Esquema equivalente = 2 tirístores ligados em anti-paralelo

Condução bidireccional
Comando à condução , mas não ao corte
O ângulo de disparo define o valor eficaz de Vo
IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor

Bidireccional (comando à condução/corte)
sentido colector-emissor via transístor
sentido emissor-colector via díodo inverso (opcional)

Frequências médias (2-10kHz)
Potências elevadas (Max. 3500V, 300A)

Perdas por comutação elevadas (VCE(SAT))
Perdas por condução reduzidas

Bidireccional (comando à condução e ao corte)
Sentido dreno-fonte via transístor
Sentido fonte-dreno via díodo intrínseco

Frequências elevadas (10-500kHz)
Potências reduzidas (Max.100V, 30A)

Perdas por comutação reduzidas
Perdas por condução elevadas (RDS(ON))
Regulação
Díodo real
Dispositivos de comutação
Díodos, tirístores, GTOs, BJTs, MOSFETs, IGBTs

Topologia de Conversores de Potência
CA-CC (rectificadores)
CC-CC (“choppers”)
CC-CA (inversores/onduladores)
CA-CA (triacs/cicloversores)

Laboratórios de Eletrónica de Potência (4)

Programa do módulo
Carro Elétrico
Exemplos
Fonte de alimentação de um computador portátil
(laptop)
Exemplos
Electrónica analógica - Pré requisitos
Enquadramento
O ângulo de disparo "alfa" define o valor eficaz da tensão de saída
Modulação de um inversor trifásico via SPWM
Modulação de um inversor trifásico via Square Wave
Resulta da comparação entre uma tensão sinusoidal e uma tensão triangular ou dente de serra
O índice de modulação define o valor eficaz da tensão
Tipos de topologia:
Meia-ponte
Ponte completa

Tipos de modulação:
Square Wave
SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation)
PC494 – PWM Controller
UC3573 – Buck Controller
Exemplo de um conversor CC-CC redutor
PWM=Pulse Width Modulation
Utilizada em conversores 100% comutados
Aplicada em todos os tipos de conversores
Implementação analógica ou digital
Controlo manual ou automático
Modulação por largura de pulso (PWM)
Paralelo – uso de um elemento regulador em paralelo com a carga.
Série – uso de um elemento regulador em série com a carga.
Uso de tirístores para rectificação de onda completa
O ângulo de disparo define o valor médio de Vd
Uso de bobinas e condensadores para filtragem
Ponte de díodos = Ponte de Graetz
Queda de tensão dupla devido à barreira de potencial do díodo
Diferenças nos enrolamentos do secundário podem produzir diferenças na tensão de saída
Queda de tensão devido à barreira de potencial de cada díodo
Rectificação de meia onda
Díodo ideal (somente com Vd)
Unidireccional
Conduz se vAK >0
Bloqueia se IF <0

Máximo 5000 V, 10000A

Características ideais vs reais

Modelo do díodo à condução

Potência dissipada
Depende de Vd x Id(av)
Depende de Rf x Id(rms)
Díodo
Diagrama de blocos de um rectificador
A tensão de saída varia entre 0 e um valor dado por:
Indutância da bobina L
Frequência de comutação f
Curto-circuito para factores de ciclo D elevados
A tensão de saída é sempre superior à de entrada:
Depende da frequência de comutação e do valor da bobina
Armazenamento temporário de energia na bobina L
Curto-circuito para factores de ciclo D elevados
A tensão de saída é inferior à de entrada
Uso de um díodo de roda livre D
Aplicação de um filtro passa baixo LC
Unidireccional
Comando à condução, mas não ao corte

Velocidade de comutação:
lentos: 5000V, 5000A, Tc=100 us
rápidos: 2000V, 200A, Tc=20 us
T = 0,6 x Laboratório + 0,4 x Exame
A nota final tem duas componentes:

Laboratório (60%)

Exame (40%)

A nota mínima é 10 (dez) valores
Carga resistiva (R)
Carga resistiva-indutiva (RL)
Carga RLE (ex. motor CC)
Regulação da carga

Ripple

A electrónica de Potência consiste no uso de semicondutores para o controlo e conversão de energia eléctrica
Conversores c.c.-c.a.
Conversores c.a.-c.a.
Conversores c.c.-c.c.
Electrónica de Potência
Conversores c.a.-c.c.
Sérgio Sousa
2013

Carga
Fonte
Controlo
Conversor
Electricidade
Resistências, bobinas, condensadores (UFCDs 6007,6008,6010)

Semicondutores
Semicondutores (UFCD 6011)
Transístor bipolar (UFCD 6012)
Transístor de efeito de campo (UFCD 6015)
Amplificadores Operacionais (UFCD 6016)
Osciladores (UFCD 6018)
Avaliação
Tipos de Conversores
Rectificadores
Exemplos de variadores
de frequência
São sistemas electrónicos que permitem a variação da frequência aplicada ao motor, de 0 Hz até à frequência da rede eléctrica (50 Hz).
Ligações (2)

Alguns conversores de frequência integram filtros CEM classe B, que permitem atender às normas EN 55011 classe B grupo 1 e IEC/EN 61800-3 Categoria C1.

Contudo, caso seja necessário efectuar uma correcção mais profunda a nível de harmónicas é possível adquirir filtros adicionais.
Ruído Electromagnético
Injecção de harmónicas na rede
Desvantagens dos variadores de frequência
Eliminação ou redução dos picos de corrente durante o arranque
Redução dos consumos, através de um aumento de eficácia do motor
Permite adaptar a velocidade às condições de exploração
Garante uma aceleração ou desaceleração progressivas, sem sobressaltos
A utilização de inversores de frequência permite a eliminação de alguns inconvenientes relativamente ao sistema tradicional de controlo de motores através de contactores
Vantagens dos variadores de frequência face à tecnologia de contactores:
O Inversor/ondulador é composto por seis transístores de potência (IGBT ou MOSFET), comandados pelo bloco de controlo.
A ondulação é obtida através de controlo SPWM de modo que a corrente alternada resultante seja o mais sinusoidal possível,
Constituição de um variador de frequência (2)
Constituição de um variador de frequência (1)
Comando

Potência

Defeito (alarme)
Resposta de Marcha
Ajuste velocidade
Inversão de Marcha
Paragem
Arranque
Ligações (1)
Variadores de frequência
Possibilita arranques e paragens suaves através de um aumento ou diminuição progressivas da tensão aplicada ao motor.
Um arrancador suave, tal como o próprio nome indica, permite realizar o arranque controlado de um motor trifásico de modo a reduzir as suas correntes de arranque, através da subida progressiva da tensão
Arrancadores suaves
Transformação
Rectificação
Filtragem
Regulação
Díodo
Tipo de rectificador mais simples
Uso de díodo de roda livre para cargas indutivas
Rectificação de onda completa com transformador de ponto médio
Rectificação de onda completa com ponte de díodos
Tirístor
Rectificação de onda completa semi-controlada
Rectificador de meia-onda com filtragem por condensador (1)
Rectificador de meia-onda com filtragem por condensador (2)
Pode ser efectuado via série ou paralelo
Rendimento reduzido devido às perdas por efeito de Joule
Controlo da da saída através de um elemento activo (ex. transístor).
Tipos de regulação
Choppers (Conversores CC-CC)
Choppers (Conversores CC-CC)
Transístor MOSFET
Transístor MOSFET
Transístor IGBT
Exemplo de um conversor CC-CC redutor
Conversor 1º quadrante
Conversor CC-CC (redutor ou buck)
Conversor CC-CC (elevador ou boost)
Conversor CC-CC (redutor-elevador ou buck-boost)
Inversores (Conversores CC-CA)
Inversores (Conversores CC-CA)
Inversor/ondulador monofásico
Inversor/ondulador trifásico
Inversor/ondulador trifásico
Modulação de um inversor monofásico via Square Wave
Modulação de um inversor monofásico via SPWM
Inversor/ondulador monofásico
Inversor/ondulador monofásico
Conversores CA-CA
Triac
Conversor ca-ca monofásico
Variadores de frequência
Módulo 6019 - EPD
Agradeço desde já todos os comentários/críticas a esta apresentação !
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