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Reflexões (J.S. Nobre) > O seu irmão está errado? > Não o empurre mais para o erro falando mal dele, espalhando entre outros os seus erros. Edifique-o.

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2 Reflexões (J.S. Nobre) > O seu irmão está errado? > Não o empurre mais para o erro falando mal dele, espalhando entre outros os seus erros. Edifique-o com o seu bom exemplo. É a melhor maneira de fazê-lo enxergar os seus próprios defeitos. Mas faça isso com caridosa discrição, sem que nem ele perceba que você o tem em vista. > Um dia você saberá o bem que praticou, vendo-o correto e passando ao seu lado com um sorriso de humildade e de profundo agradecimento.

3 Eletrônica de Potência u Introdução u Capítulo 1 pág. 1 à 22 do livro texto; u Aula 3; u Professor: Fernando Soares dos Reis

4 Sumário Capítulo 1 u 1.1 Aplicações da Eletrônica de Potência; u 1.2 História da Eletrônica de Potência; u 1.3 Dispositivos Semicondutores de Potência; u 1.4 Características de Controle dos Dispositivos de Potência; u 1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência; u 1.6 Projeto de Equipamentos de Eletrônica de Potência; u 1.7 Efeitos Periféricos; u 1.8 Módulos de Potência; u 1.9 Módulos Inteligentes - Smart Power; u 1.10 Periódicos; u Resumo;

5 1.1 Aplicações da Eletrônica de Potência u Acionamentos de Máquinas Elétricas; u Controladores Industriais; u Combina: Potência, Eletrônica e Controle; u Aplicação da Eletrônica de estado sólido para o controle e conversão de energia elétrica; u Baseia-se no chaveamento dos semiconduto- res de potência;

6 Aplicações da Eletrônica de Potência u Utiliza semicondutores de potência e micro- eletrônica; u Controle de sistemas de aquecimento; u Controle de luminosidade; u Controle de máquinas elétricas; u Fontes de alimentação; u Sistemas de propulsão de veículos;

7 Aplicações da Eletrônica de Potência u Sistemas de corrente contínua em alta tensão (high voltage direct-current HVDC); Dispositivos/Circui- tos Eletrônicos Controle Analógico e/ou Digital Equipamentos de Potência Estáticos/Rotativos

8 1.2 História da Eletrônica de Potência u Introdução do retificador a arco de mercúrio, em 1900; u Retificador de tanque metálico; u Retificador em tubo a vácuo de grade controlada; u As válvulas Ignitron e Tiratron; u Foram utilizados seqüencialmente até: 1950;

9 1.2 História da Eletrônica de Potência u A primeira revolução começou em 1948 com a invenção do transistor de silício, por Bardeen, Brattain e Schockley da Bell Telephone Laboratories; u Em 1956 a Invenção do transistor disparável PNPN, definido como tiristor ou retificador controlado de silício ( S ilicon C ontroled R ectifier), pela Bell Tel. Labs.

10 1.2 História da Eletrônica de Potência u A segunda revolução começou em 1958 com o desenvolvimento comercial do tiristor, pela General Electric Company. u O desenvolvimento dos novos interruptores e da microeletrônica nos possibilita trabalhar em elevadas potências com rendimentos cada vez melhores.

11 1.2 História da Eletrônica de Potência u Nos próximos 30 anos a eletrônica de potência dará forma e condicionará a eletricidade, em algum lugar na linha de transmissão, entre sua geração e todos os seus usuários.

12 1.2 História da Eletrônica de Potência u O grande salto desta ciência ocorreu no final dos anos 80 e início dos 90. Existem hoje no mundo centenas de pesquisadores trabalhando; u Aqui na PUCRS existem vários pesquisadores trabalhando nesta promissora área o Laborató- rio de Eletrônica de Potência da PUCRS o LEPUC congrega um grupo de pesquisadores que trabalham nesta área;

13 1.2 História da Eletrônica de Potência

14 1.3 Dispositivos Semicondutores de Potência u Diodos de Potência; u O SCR (primeiro tiristor); u Transistores de junção bipolar (BJTs); u MOSFETs de potência; u Transistores Bipolares de porta isolada (IGBTs); u Transistores de indução estática (SITs);

15 Classificação dos Diodos de Potência Genéricos, de uso geral, são fornecidos em até 3000 V, 3500 A e tempo de recuperação reversa t rr de 10 s; Genéricos, de uso geral, são fornecidos em até 3000 V, 3500 A e tempo de recuperação reversa t rr de 10 s; Alta velocidade ou recuperação rápida, são fornecidos em até 3000 V, 1000 A e valores típicos de t rr de 0,1 e 5,0 s; Alta velocidade ou recuperação rápida, são fornecidos em até 3000 V, 1000 A e valores típicos de t rr de 0,1 e 5,0 s; u Diodos Schottky (very fast) t rr da ordem de nano-segundos ;

16 Características dos Diodos de Potência u O diodo conduz quando esta polarizado diretamente, isto é, quando a tensão do Ânodo é superior a (tensão) do Cátodo; u O bloqueio se da quando a corrente que por ele (diodo) circula se anula; u A corrente de fuga aumenta com a faixa de tensão;

17 Tipos de Encapsulamentos u Tipo ROSCA ou rosqueável (do inglês stud ou stud-mounted); u Tipo DISCO ou encapsulamento prensável ou disco de hóquei (do inglês disk ou press pak ou hockey puck)

18 Classificação dos tiristores: u Tiristor de comutação forçada; u Tiristor comutado pela rede; u Tiristor de desligamento pelo gatilho, GTO; u Tiristor de condução reversa, RCT; u Tiristor de indução estática, SITH;

19 Tiristor de desligamento pelo gatilho, GTO

20 Classificação dos tiristores: u Tiristor de desligamento auxiliado pelo gatilho, GATT; u Retificador controlado de silício, controlado por luz, LASCR; u Tiristores controlados por MOS, MCTs;

21 Classificação dos tiristores: u Os tiristores de comutação natural ou pela rede podem operar até 6000 V e 3500 A; u Os tiristores de alta velocidade, neste caso apresentam tempos de desligamento da ordem de 10 a 20 s e valores de tensão de 1200 V e corrente de 2000 A;

22 Classificação dos tiristores: u Os tiristores de condução reversa RCT e de desligamento auxiliado pelo gatilho GATTs são amplamente utilizados para chaveamen- to em alta velocidade, em especial em apli- cações de tração. Um RCT pode ser conside- rado como um SCR com um diodo em anti- paralelo, 2500 V, 1000 A (400 A em condu- ção reversa) e apresentam tempos de cha- veamento da ordem de 40 s.

23 Classificação dos tiristores: u Os GATTs são fornecidos em até 1200 V e 400 A, com uma velocidade de chaveamento de 8 s; u Os LASCR, retificadores controlados de silício controlados por luz são fornecidos em até 6000 V e 1500 A, com uma velocidade de chavea- mento de 200 a 400 s, são apropriados para sistemas de alta potência HVDC;

24 Classificação dos tiristores: u Os TRIACs são amplamente utilizados no controle de cargas CA de baixa potência; u Os GTOs e os tiristores de indução estática SITHs são tiristores autodesligáveis. São ligados e desligados pela aplicação de um curto pulso positivo e negativo respectiva- mente. Os GTOs são fornecidos em até 4000V e 3000 A;

25 Classificação dos tiristores: u Os SITHs, cujos valores nominais podem ser tão altos, como 1200V e 300 A, têm expectativa de aplicação em conversores de média potência, com uma freqüência de várias centenas de qui- lohertz e além da faixa de freqüência dos GTOs; u Os MCTs podem ser ligados por um pequeno pulso de tensão negativa na porta MOS e vice- versa em relação ao seu ânodo, fornecidos em até 1000 V e 100 A, é como um GTO pero...

26 Características dos Transistores u Os BJTs, apresentam três terminais cbe sendo normalmente operados como interruptores na configuração emissor comum devido as suas características é normalmente utilizado em conversores que operam até 1200 V, 400 A e 10 kHz; u Os MOSFETs, são utilizados em potências relativamente baixas, na faixa de 1000 V, 50 A e dezenas de quilohertz;

27 Características dos Transistores u Os IGBTs, são transistores de potência controlados por tensão. Eles são inerentemente mais rápidos que os BJTs, mas não tão rápidos quanto os MOSFETs sento fornecidos em até 1200 V, 400 A podendo operar em freqüên- cias de até 20 kHz;

28 Características dos Transistores u O Transistor de indução estática SITs é similar a um JFET. Possui baixo ruído, baixa distorção e capacidade de potência em altas freqüências de áudio. Sento fornecidos em até 1200 V, 300 A podendo operar em freqüências de até 100 kHz; Usados em áudio, VHF/UHF e microondas;

29 Principais Características dos Dispositivos de Potência

30 Principais Aplicações dos Dispositivos de Potência

31 Características e Simbologia dos Dispositivos de Potência

32 1.4 Características de Controle dos Dispositivos de Potência u Disparo e desligamento não-controlado diodos; u Disparo controlado e desligamento não-controlado SCR; u Disparo e desligamento controlado BJT, MOSFET, GTO, SITH, IGBT, SIT, MCT; u Necessidade de sinal contínuo de porta BJT, MOSFET, IGBT, SIT; u Necessidade de pulso de gatilho GTO, SCR, MCT;

33 1.4 Características de Controle dos Dispositivos de Potência u Capacidade de suportar tensão bipolar SCR, GTO; u Capacidade de suportar tensão unipolar BJT, MOSFET, IGBT, MCT; u Capacidade de corrente bidirecional TRIAC, RCT; u Capacidade de corrente unidirecional SCR, GTO, BJT, MOSFET, MCT, IGBT, SITH, SIT, diodo;

34 Características de Controle dos Dispositivos de Potência

35 1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência u Retificadores com diodos; u Conversores CA-CC (retificadores controlados); u Conversores CA-CA (controladores de tensão CA); u Conversores CC-CC (choppers); u Conversores CC-CA (inversores); u Chaves estáticas; Os circuitos de eletrônica de potência podem ser:

36 1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência Retificadores u Um circuito retificador converte tensão CA em uma tensão CC fixa;

37 1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência u O valor médio da tensão pode ser controlado variando-se o tempo de condução dos tiristores ou o atraso do ângulo de disparo,. Conversores CA - CC

38 1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência u São usados para que se possa obter uma tensão CA variável a partir de uma tensão CA fixa. Através do controle do ângulo de disparo, ; Conversores CA - CA

39 1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência u Também conhecido como chopper ou regulador chaveado. A tensão média de saída é controlada pela variação do tempo de condução do transistor, t ON. Se T é o período de operação do conversor, então t ON =DT. Onde D é chamado ciclo de trabalho do conversor; Conversores CC - CC

40 1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência Conversores CC - CC

41 1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência u Também conhecido como inversor; Conversores CC - CA

42 1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência u Como os dispositivos de potência podem ser operados como chaves estáticas, relês, contatores ou até circuitos de proteção como disjuntores eletrônicos, a alimentação para essas chaves pode ser tanto CA quanto CC e as chaves são chamadas chaves estáticas CA ou chaves CC; Chaves Estáticas

43 1.6 Projeto de Equipamentos de Eletrônica de Potência u Projeto dos circuitos de potência; u Proteção dos dispositivos de potência; u Determinação da estratégia de controle; u Projetos dos circuitos lógico e de controle; Pode ser dividido em quatro partes:

44 1.6 Projeto de Equipamentos de Eletrônica de Potência u Na análise e projeto os dispositivos de potência são considerados ideais, os efeitos parasitas dos diversos elementos, tais como: indutância de dispersão, capacitâncias parasitas, resistências de condução dos interruptores de potência e os respectivos tempos de comutação são desprezados; u Na construção do circuito real todos estas caracterís- ticas devem ser levadas em conta;

45 1.7 Efeitos Periféricos u Os conversores introduzem correntes e tensões harmô- nicas no sistema de alimentação e na sua saída. Isso pode causar problemas de distorção da tensão de saída, geração de harmônicos no sistema de alimentação (rede) e interferências eletromagnéticas em sistemas de comunicação, PC, instrumentação, TV, sinalização.. u Estes problemas podem ser minimizados através da utilização de filtros, blindagens e do projeto adequado de todo o circuito de potência, topologia, placa de CI, controle...

46 1.7 Efeitos Periféricos Filtro de EntradaConversor de Potência Filtro de Saída Gerador de Sinal de Controle de Chaveamento Fonte de Alimentação Saída

47 1.8 Módulos de Potência u Oferecidos com dois, quatro ou seis dispositivos; u Os módulos oferecem as vantagens de perdas mais baixas no estado de condução, características de chaveamento de altas tensões e correntes, e velocida- des maiores que as dos dispositivos convencionais; u Alguns módulos ainda incluem proteção contra transientes e ao circuito de excitação da porta ou gatilho;

48 1.9 Módulos Inteligentes - Smart Power u São o estado da arte em eletrônica de potência, integrando o módulo de potência e o circuito periférico; u O circuito periférico consiste de uma isolação entrada-saída e interface do sinal com o sistema de alta tensão, um circuito de excitação, um (circuito) de diagnóstico e proteção; u Os usuários necessitam apenas conectar as fontes de alimentação;

49 1.10 Periódicos u Existem vários periódicos (revistas) disponíveis na Biblioteca Central da PUCRS; u IEEE Transactions on Industrial Electronics; u IEEE Transactions on Industry Applications; u IEEE Transactions on Power Electronics; u No LEPUC também estão disponíveis vários Anais de Conferências da área;

50 Resumo u À medida que a tecnologia para dispositivos semicondutores de potência e circuitos integrados se desenvolve, o potencial para aplicações da eletrônica de potência torna-se mais amplo. u Existem muitos dispositivos semicondutores de potência que são fornecidos comercialmente; entretanto, o desenvolvimento neste sentido é contínuo.

51 Resumo u Os conversores de energia podem ser classificados como: retificadores, conversores CA-CC, conversores CA-CA, conversores CC-CC, conversores CC-CA e chaves estáticas; u O projeto de circuitos de eletrônica de potência requer o desenvolvimento dos circuitos de potência e controle; u As tensões e correntes harmônicas geradas pelos conversores de energia são reduzidos com uma escolha adequada da estratégia de controle;

52 Estudo Dirigido u Em grupos vamos agora responder as questões de revisão propostas; u Boa Sorte!


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