ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
Funcionamento:
INTRODUÇÃO
Aulas Teóricas
Aulas de Laboratório
Avaliação:
Exercícios de 3 em 3 semanas 40%
Relatórios dos trab. de laboratório 20%
Exame Final 40%
Bibliografia:
Textos de Apoio
Guias de Laboratório
Colecção de Problemas
Livros
Contactos:
Beatriz Vieira Borges (responsável)
email:[email protected]
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Conteúdo da Disciplina:
Disciplina
6. Conversores CC/CC:
1.
Introdução à Electrónica de Potência
2.
Dispositivos electrónicos
Topologias básicas
3.
Circuitos com interruptores e diodos
Princípios de operação
4.
Regimes transitórios, recuperação de
energia.
Fontes de alimentação de
comutada c. isolam. galvânico
5.
Conversores CA/CC (rectificadores
monofásicos):
Modelização de conversores
Rectificadores não controlados
Rectificadores controlados
7. Transformadores e bobines de alta
frequência
8. Conversores CC/CA:
Princípios de operação e
técnicas de modulação
Condução simultânea
9. Amplificadores audio comutados
10. Técnicas de comutação ressonante
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Conversor Electrónico
CIRCUITO
DE
POTÊNCIA
Alimentação
CC ou CA
CARGA
Potência
de Saída
Potência
de
Entrada
comando
Alimentação
CIRCUITO
DE CONTROLO
Sinais
Dados
CIRCUITO DE POTÊNCIA
Realimentação
CIRCUITO DE CONTROLO E COMANDO
- dispositivos semicondutores
- dispositivos electrónicos necessários à
- filtros de entrada e de saída
regulação e comando do conversor
- transformador de potência
- protecções
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Grande densidade de
potência [W/cm3]
Alto
rendimento
Conversor
PI
PO
electrónico
η=PO/PI
Quando o rendimento é
baixo, há grande
dissipação térmica no
interior do conversor. O
calor gerado tem que ser
retirado para o exterior
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
perda de
FIABILIDADE
GRANDES DIMENSÕES
(dissipadores)
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
Dispositivos electrónicos a funcionar
na condução e no corte
CONDUÇÃO
CORTE
VDS=0
ID=0
Componentes não dissipativos
ID
VDS
PD=ID*VDS=0
lineares
X
X
IST-DEEC
2003
INTRODUÇÃO
Profª Beatriz Vieira Borges
comutados
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
VI=100V
Resistência V
I=100V
variável
η=50%
Semicondutor
VI=100V
linear
η=50%
IST-DEEC
2003
Conversor
+
-
CC-CC
+
-
+
-
Potência de
Perdas=500W
Potência de
Perdas=500W
INTRODUÇÃO
IO
R=5Ω
+
VO=50V
-
IO=10A
+
R=5Ω
VO=50V
-
X
IO=10A
+
R=5Ω
VO=50V
-
X
Profª Beatriz Vieira Borges
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
η=100%
Conversor comutado
iI
VI=100V
I=10A
1
+
+
2
-
INTRODUÇÃO
vS(t)
+
FILTRO
-
VO
R
T
1
VO = ∫ v S (t )dt = DV I
T 0
-
VI
vS(t)
VO=DV
DT
IST-DEEC
2003
1-DT
Profª Beatriz Vieira Borges
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
1
VI
+
-
2
INTRODUÇÃO
+
L
VI
C
R
Conversor
comutado
VO
-
iI
VI
L
+
C
-
+
iC
VO
R
Realimentação
compensador
Drive do transistor
δ(t)
MLI
vε
G(s)
vRef
DT T
t
Tensão de referência
vε(t)
t
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
Circuito de controlo
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Classificação de conversores quanto às formas de onda das
tensões de entrada e de saída
Conversores CA-CC
rectificadores
Conversores CA-CA
Conversores CC-CC
Conversores CC-CA
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
inversores
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
Conversores CA-CC
Comutação natural
INTRODUÇÃO
vO
v
VO(av)
ωt
iO
iO
α
CC
iI
CA
vI
c
a
r
g
a
vO
ωt
vAK1
ωt
v1 = 2 sin ωt
α
iI
>0 ee vvO>0
>0ou
ou<<00
iiOO>0
O
IST-DEEC
2003
2π+α
π
Profª Beatriz Vieira Borges
2π+α
π+α
ωt
ωt
ωt
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
iO
Conversores
Conversores CA-CC
CA-CC
v1 = 2 sin ωt
vI
Circuitosde
deDrive
Drive
Circuitos
iI
c
a
r
g
a
vO
Transformadoresde
deimpulsos
impulsos
Transformadores
Transformadorde
de
Transformador
amostragemda
datensão
tensão
amostragem
deentrada
entrada
de
IST-DEEC
2003
Controlador
Controlador
Profª Beatriz Vieira Borges
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Conversores CA-CA
Comutação natural
iO
vI
CA
vO
v
CA
carga
VO(av) = 0
ωt
iO
vO
α
2π+α
π
vAK1
v1 = 2 sin ωt
ωt
α
>0ou
ou<<00ee vvO>0
>0ou
ou<<00
iiOO>0
O
IST-DEEC
2003
ωt
Profª Beatriz Vieira Borges
2π+α
π+α
ωt
ωt
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
iO
Conversores CA-CA
Comutação natural
CA
Circuitos de “drive”
idênticos aos dos
rectificadores
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
vI
v1 = 2 sin ωt
carga
vO
CA
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Conversores CC-CC
Comutação forçada
CC
CC
iO
vI
vO
c
a
r
g
a
iO
ton
t
T
t
vO
v1 = VI
IST-DEEC
2003
T
ton
Profª Beatriz Vieira Borges
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Conversores CC-CC
Comutação forçada
Circuitode
depotência
potência
Circuito
iO
v1 = VI
vI
vO
Circuitode
de
Circuito
controlo
controlo
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
c
a
r
g
a
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Conversores CC-CA
Comutação forçada
v1 = VI
iO
CC
iO
vI
CA
carga
vO
T/2
vI
vO
-vI
ou<<00
iOiO ee vvOO >>ou
IST-DEEC
2003
T
Profª Beatriz Vieira Borges
t
t
T/2
T
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Conversores CC-CA
iO
vI
R
S
e vO > ou < 0
Circuito deiO potência
Circuito de
controlo
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
T
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Conversores Especiais
iI
VI
L
+
iL
+
n:1
vL
-
ideal
-
CC
iC
D
S
CA
CC
C
+
vO(t)
R
-
Circuitode
depotência
potência
Circuito
Fonte
comutada de
alta
frequência
CC-CAhf-CC
Freq. [100kHz]
Pot<100W
η<85%
Circuitode
de
Circuito
controlo
controlo
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Conversores Especiais
Fontecomutada
comutada
Fonte
comcorrecção
correcçãodo
do
com
factorde
depotência
potência
factor
CA-CC- CC-CAhf-CC
vI
CC
iI
L
iL
ω
iI
t
+
n:1
vL
-
ideal
S
v1 = 2 sin ωt
CA
CA
IST-DEEC
2003
CC
D
vI
ωt
iIav(ω t)
CC
Profª Beatriz Vieira Borges
iC
C
+
R
vO(t)
-
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Conversores Especiais
VI
iI L
iL
+
-
LS
+
-
Fonte Quase Ressonante
n:1
ideal
S
iC
D
vL
CS
C
+
vO(t)
R
-
Circuitode
depotência
potência
Circuito
ZVS
“Zero Voltage Switching”
CC-CAhf-CC
Frequência:
[1MHz]
Circuitode
de
Circuito
controlo
controlo
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
Pot<50W
η<95%
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
Conversores Especiais
INTRODUÇÃO
Fonte com comutação
Ressonante
Circuitode
depotência
potência
Circuito
“Zero Voltage Switching”
CC-CAhf-CC
Frequência:
[250kHz]
Circuitode
de
Circuito
controlo
controlo
IST-DEEC
2003
Pot<1kW
η=97%
Profª Beatriz Vieira Borges
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
Conversores Especiais
INTRODUÇÃO
Amplificador
Audio
Comutado
CA-CC-CAhf-CA
Circuitode
depotência
potência
Circuito
Frequência:
[132 kHz]
Circuitode
de
Circuito
controlo
controlo
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
Pot<2kW
η<80%
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Processos de comutação:
comutação natural:
Quando num circuito estão criadas as condições, por via da fonte de alimentação ou da
carga, ou por entrada de outro dispositivo do circuito por forma que a corrente num
dispositivo se anule, passando este ao estado de corte, sem actuação exterior.
comutação pela fonte
comutação pela carga
iT
iT
iT
iT
t
iG
iG
t
t
IST-DEEC
2003
t
Profª Beatriz Vieira Borges
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
comutação forçada:
Quando é necessário actuar no terminal de controlo do dispositivo, ou num
circuito auxiliar, para passar o dispositivo do estado de condução ao estado de
corte.
R
V
iT
L
iG
t
t
natural
-
linha
carga
forçada
IST-DEEC
2003
(comutam devido à forma das tensões de entrada)
“line frequency converters”
(a carga que provoca o anulamento de corrente).
“load commutated converters”
- conversores comutados
“switching converters”
Profª Beatriz Vieira Borges
+
ELECTRÓNICA
DE POTÊNCIA
Conversor
CA-CC
P
∞
∞
n =1
n =1
vO = VO + ∑ a n cos n ω t + ∑ bn sin n ω t
v I = 2VI sin ωt
+
N
vI
INTRODUÇÃO
vO
Ideal
vO=VO
vI
vO
N
P
Conversor CC-CA
P
Filtragem
-
vI
+
vO
-
vI
∞
n =1
n =1
vO = ∑ a n cos n ω t + ∑ bn sin n ω t
v I = VI
N
∞
vO
Ideal
vO=√2 VO sin ωt
N
Filtragem
P
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Procedimentos básicos em electrónica de potência:
Não ligar em série geradores de correntes diferentes.
C diferentes.
Não ligar em paralelo fontes de tensão
Não abrir circuitos indutivos.
Não curto-circuitar circuitos capacitivos.
Se a alimentação é uma fonte de tensão a carga tem características de fonte de
corrente (bobine em série com a carga).
Se a alimentação é uma fonte de corrente a carga tem características de fonte
de tensão (condensador em paralelo com a carga).
Eliminação de incompatibilidades por introdução de elementos reactivos de adaptação:
V
introdução de C para
abrir circuito indutivo
introdução de L para ligar
duas fontes de tensão
diferentes
IST-DEEC
2003
L
L
V
R
V
R
C
Profª Beatriz Vieira Borges
R
abrir
fechar
V
L
R
C
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA:
1. diodo
A
K
K
A
2. tiristor - (SCR) “silicon controlled rectifier”.
G
B
G
C
E
4. transistor bipolar - (TJB).
K
A
3. tiristor de corte comandado (GTO) - “gate turn off thyristor”.
B
D
D
E
C
5. transistor de efeito de campo de potência (MOSFET).
G
C
G
6. IGBT - “insulated gate bipolar transistor”.
E
A
7. MCT - “MOS controlled thyristor”.
G
K
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
G
S
S
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
Diodo
A
INTRODUÇÃO
K
Conduz se a tensão vAK se tornar positiva.
Bloqueia se a corrente IF se tornar negativa
Característica
Característica
ideal
ideal
IF
VAK
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
Tiristor
INTRODUÇÃO
K
A
Semi-controlado
Semi-controlado
G
Conduz se vAK for positivo e se existir um
impulso de corrente na “gate” de curta
duração.
Controlo apenas na passagem a ON
Bloqueia se a corrente IF se tornar negativa
A
IAK
Característica
Característica
ideal
ideal
vAK
iG
IST-DEEC
2003
iG
VO(av)
disparo
α
VAK
Profª Beatriz Vieira Borges
K
G
vO
v
IF
bloqueio
+ VAK -
ωt
2π+α
ωt
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
MOSFET
INTRODUÇÃO
D
G
Totalmente controlado. Conduz se vGS for
positiva.
S
Bloqueia se vGS se tornar nula ou negativa
Característica
Característica
ideal
ideal
ID
VDS
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
IGBT
INTRODUÇÃO
C
Freq. [20 kHz]
G
Totalmente controlado. Conduz se vGE for
positiva.
E
Bloqueia se vGE se tornar nula ou negativa
Característica
Característica
ideal
ideal
IC
VCE
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Transformadores de Alta Frequência
v1
v2
Núcleo de ferrite
v1 N1
=
v2 N 2
i2 N 1
=
i1 N 2
IST-DEEC
2003
v1
i1
+
-
Profª Beatriz Vieira Borges
i2
+
-
ideal
ideal
v2
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Transformadores de Alta Frequência
Esquema equivalente
i’1
+
v1
-
IST-DEEC
2003
Ll1
iµ
Lµ
i1
i2
+
+
-
-
N1 :N2
Profª Beatriz Vieira Borges
i’2
Ll2
+
v2
-
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Transformadores de Alta Frequência
i’2
i1
i2
i’
1
+ Ll1
v1
-
IST-DEEC
2003
+
+
-
-
N1 :N2
Ll2
 N2 

Lµ 
 N1 
2
+
v2
-
Lµ = infinita
(indutância de magnetização)
Ll1
(indutâncias de dispersão)
e
Ll2 = 0
Profª Beatriz Vieira Borges
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA (área multidisciplinar)
Estudo dos conversores electrónicos: topologias, dispositivos semicondutores,
técnicas de modelação, processos de controlo e sua caracterização, técnicas de filtragem e
supressão de harmónicas, etc.
PROJECTO
AJUDADO POR
COMPUTADOR
ELECTRÓNICA
ANALÓGICA E
DIGITAL
TOPOLOGIAS
CONTROLO DE
MÁQUINAS
ELÉCTRICAS
DISPOSITIVOS
SEMICONDUTORES
DE POTÊNCIA
ELECTRÓNICA
DE POTÊNCIA
REGULAÇÃO E
CONTROLO
CIRCUITOS
INTEGRADOS VLSI
IST-DEEC
2003
µCOMPUTADORES
µPROCESSADORES
Profª Beatriz Vieira Borges
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Principais campos de aplicação / áreas emergentes
Equipamento
Informático
Sistemas
aeroespaciais e de
satélites
Máquinas
eléctricas
Telecomunicações
fontes de
alimentação
Balastros electrónicos
Controlo intensidade luminosa
Iluminação
Conversores f
Ignição e injecção
electrónica
Indústria
automóvel
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
Prof. Pedro Santos
Energias
alternativas
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Áreas tecnológicas de aplicação / áreas emergentes
Semicondutores de potência
Módulos de Potência
PIC
Power Management
Módulos DC/DC
Componentes passivos
Materiais magnéticos /
núcleos
Protecções
Distribuição de energia
Thermal Management
Encapsulamento
CEM (EMC)
Simulação e modelização
Regulação / Controlo
Topologias de conversores
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
Prof. Pedro Santos
HVDC
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
Produtos e sistemas envolvidos na Electrónica de Potência
Semicondutores de potência
Módulos Darlington
Sistemas de alimentação
Componentes passivos
Transformadores
L
fontes DC e AC
C
Conversores de Frequência
R
UPS
Transformadores (isolamento,
HF, ...)
Estabilizadores
Baterias
Relés estáticos
núcleos, ferrites, materiais
magnéticos
Converter IC
enrolamentos
Módulos Diodo/tiristor (hibridos)
Módulos IGBT
Smart Power IC e PICs
Diodes potência
Módulos MOSFET
Motor Drivers
Fontes de laboratório
sistemas de Power Management
módulos/conversores DC/DC
Application-oriented ICs
Thermal
management
Ferramentas CAD / CAE
Sensores e Microsistemas
Dissipadores
Software de desenvolvimento
Sensores de parâmetros eléctricos e
magnéticos
Radiadores e
refrigeradores
Software de simulação
Sensores de temperatura
Ventoinhas
Micro-actuadores
Elementos de Peltier
Software para aplicações
específicas
Opto-Semiconductor Components
IST-DEEC
2003
Profª Beatriz Vieira Borges
Prof. Pedro Santos
Software de teste
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
INTRODUÇÃO
APLICAÇÕES
• INDUSTRIAIS:
• REDES DE ALIMENTAÇÃO DE ENERGIA ELÉCTRICA:
Bombas;Compressores;Ventoinhas
Máquinas ferramentas (Robots)
Fornos de indução
Iluminação
“Lasers”
Máquinas de soldadura
Processos electroquímicos.
Transmissão em corrente contínua e alta tensão (HVDC)
Sistemas VAR estáticos
Fontes de energia de recurso
Sistemas de armazenamento de energia.
• INDUSTRIA AERONÁUTICA E ESPACIAL:
• COMERCIAIS:
Aquecimento, ventilação e ar condicionado
Aparelhagem de frio
Iluminação
Computadores e equipamento de escritório
Fontes de alimentação ininterruptíveis (UPS)
Elevadores.
• TRANSPORTES:
Controlo e accionam. de veículos eléctricos de
tracção
Carregadores de baterias
Locomotivas eléctricas
Metropolitano
Carros eléctricos, automóveis, etc.
IST-DEEC
2003
Sistemas de alimentação de potência de naves espaciais
Sistemas de alimentação de potência de satélites
Sistemas de alimentação de aviões.
• TELECOMUNICAÇÕES:
Carregadores de baterias
Fontes de alimentação
Fontes de alimentação ininterruptíveis.
• APLICAÇÕES DOMÉSTICAS:
Refrigeração e congelação; Aquecimento; Fornos;
Electrónica de uso doméstico; Iluminação.
Profª Beatriz Vieira Borges