ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO

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ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAFuncionamento:INTRODUÇÃOAulas TeóricasAulas de LaboratórioAvaliação:Exercícios de 3 em 3 semanas 40%Relatórios dos trab. de laboratório 20%Exame Final 40%Bibliografia:Textos de ApoioGuias de LaboratórioColecção de ProblemasLivrosContactos:Beatriz Vieira Borges ofª Beatriz Vieira Borges

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOConteúdo da Disciplina:Disciplina6. Conversores CC/CC:1.Introdução à Electrónica de Potência2.Dispositivos electrónicosTopologias básicas3.Circuitos com interruptores e diodosPrincípios de operação4.Regimes transitórios, recuperação deenergia.Fontes de alimentação decomutada c. isolam. galvânico5.Conversores CA/CC (rectificadoresmonofásicos):Modelização de conversoresRectificadores não controladosRectificadores controlados7. Transformadores e bobines de altafrequência8. Conversores CC/CA:Princípios de operação etécnicas de modulaçãoCondução simultânea9. Amplificadores audio comutados10. Técnicas de comutação ressonanteIST-DEEC2003Profª Beatriz Vieira Borges

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOConversor ElectrónicoCIRCUITODEPOTÊNCIAAlimentaçãoCC ou CACARGAPotênciade TODE CONTROLOSinaisDadosCIRCUITO DE POTÊNCIARealimentaçãoCIRCUITO DE CONTROLO E COMANDO- dispositivos semicondutores- dispositivos electrónicos necessários à- filtros de entrada e de saídaregulação e comando do conversor- transformador de potência- protecçõesIST-DEEC2003Profª Beatriz Vieira Borges

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOGrande densidade depotência [W/cm3]AltorendimentoConversorPIPOelectrónicoη PO/PIQuando o rendimento ébaixo, há grandedissipação térmica nointerior do conversor. Ocalor gerado tem que serretirado para o exteriorIST-DEEC2003Profª Beatriz Vieira Borgesperda deFIABILIDADEGRANDES DIMENSÕES(dissipadores)

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIADispositivos electrónicos a funcionarna condução e no corteCONDUÇÃOCORTEVDS 0ID 0Componentes não dissipativosIDVDSPD ID*VDS 0linearesXXIST-DEEC2003INTRODUÇÃOProfª Beatriz Vieira Borgescomutados

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAVI 100VResistência VI 100Vvariávelη 50%SemicondutorVI 100Vlinearη 50%IST-DEEC2003Conversor -CC-CC - -Potência dePerdas 500WPotência dePerdas 500WINTRODUÇÃOIOR 5Ω VO 50V-IO 10A R 5ΩVO 50V-XIO 10A R 5ΩVO 50V-XProfª Beatriz Vieira Borges

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAη 100%Conversor comutadoiIVI 100VI 10A1 2-INTRODUÇÃOvS(t) FILTRO-VORT1VO v S (t )dt DV IT 0-VIvS(t)VO DVDTIST-DEEC20031-DTProfª Beatriz Vieira Borges

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA1VI -2INTRODUÇÃO LVICRConversorcomutadoVO-iIVIL C- iCVORRealimentaçãocompensadorDrive do transistorδ(t)MLIvεG(s)vRefDT TtTensão de referênciavε(t)tIST-DEEC2003Profª Beatriz Vieira BorgesCircuito de controlo

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOClassificação de conversores quanto às formas de onda dastensões de entrada e de saídaConversores CA-CCrectificadoresConversores CA-CAConversores CC-CCConversores CC-CAIST-DEEC2003Profª Beatriz Vieira Borgesinversores

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAConversores CA-CCComutação vOωtvAK1ωtv1 2 sin ωtαiI 0 ee vvO 0 0ouou 00iiOO 0OIST-DEEC20032π απProfª Beatriz Vieira Borges2π απ αωtωtωt

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOiOConversoresConversores CA-CCCA-CCv1 2 sin ladorControladorProfª Beatriz Vieira Borges

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOConversores CA-CAComutação naturaliOvICAvOvCAcargaVO(av) 0ωtiOvOα2π απvAK1v1 2 sin ωtωtα 0ouou 00ee vvO 0 0ouou 00iiOO 0OIST-DEEC2003ωtProfª Beatriz Vieira Borges2π απ αωtωt

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOiOConversores CA-CAComutação naturalCACircuitos de “drive”idênticos aos dosrectificadoresIST-DEEC2003Profª Beatriz Vieira BorgesvIv1 2 sin ωtcargavOCA

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOConversores CC-CCComutação forçadaCCCCiOvIvOcargaiOtontTtvOv1 VIIST-DEEC2003TtonProfª Beatriz Vieira Borges

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOConversores CC-CCComutação forçadaCircuitodedepotênciapotênciaCircuitoiOv1 2003Profª Beatriz Vieira Borgescarga

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOConversores CC-CAComutação forçadav1 VIiOCCiOvICAcargavOT/2vIvO-vIou 00iOiO ee vvOO ouIST-DEEC2003TProfª Beatriz Vieira BorgesttT/2T

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOConversores CC-CAiOvIRSe vO ou 0Circuito deiO potênciaCircuito decontroloIST-DEEC2003Profª Beatriz Vieira BorgesT

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOConversores EspeciaisiIVIL iL n:1vL-ideal-CCiCDSCACCC comutada dealtafrequênciaCC-CAhf-CCFreq. [100kHz]Pot 100Wη 3Profª Beatriz Vieira Borges

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOConversores rCA-CC- CC-CAhf-CCvICCiILiLωiIt n:1vL-idealSv1 2 sin ωtCACAIST-DEEC2003CCDvIωtiIav(ω t)CCProfª Beatriz Vieira BorgesiCC RvO(t)-

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOConversores EspeciaisVIiI LiL -LS -Fonte Quase Ressonanten:1idealSiCDvLCSC �Zero Voltage deCircuitocontrolocontroloIST-DEEC2003Profª Beatriz Vieira BorgesPot 50Wη 95%

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAConversores EspeciaisINTRODUÇÃOFonte com aCircuito“Zero Voltage dedeCircuitocontrolocontroloIST-DEEC2003Pot 1kWη 97%Profª Beatriz Vieira Borges

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAConversores quência:[132 03Profª Beatriz Vieira BorgesPot 2kWη 80%

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOProcessos de comutação:comutação natural:Quando num circuito estão criadas as condições, por via da fonte de alimentação ou dacarga, ou por entrada de outro dispositivo do circuito por forma que a corrente numdispositivo se anule, passando este ao estado de corte, sem actuação exterior.comutação pela fontecomutação pela cargaiTiTiTiTtiGiGttIST-DEEC2003tProfª Beatriz Vieira Borges

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOcomutação forçada:Quando é necessário actuar no terminal de controlo do dispositivo, ou numcircuito auxiliar, para passar o dispositivo do estado de condução ao estado C2003(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

ELECTRÓNICADE POTÊNCIAConversorCA-CCP n 1n 1vO VO a n cos n ω t bn sin n ω tv I 2VI sin ωt NvIINTRODUÇÃOvOIdealvO VOvIvONPConversor CC-CAPFiltragem-vI vO-vI n 1n 1vO a n cos n ω t bn sin n ω tv I VIN vOIdealvO 2 VO sin ωtNFiltragemPIST-DEEC2003Profª Beatriz Vieira Borges

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOProcedimentos básicos em electrónica de potência:Não ligar em série geradores de correntes diferentes.C diferentes.Não ligar em paralelo fontes de tensãoNão abrir circuitos indutivos.Não curto-circuitar circuitos capacitivos.Se a alimentação é uma fonte de tensão a carga tem características de fonte decorrente (bobine em série com a carga).Se a alimentação é uma fonte de corrente a carga tem características de fontede tensão (condensador em paralelo com a carga).Eliminação de incompatibilidades por introdução de elementos reactivos de adaptação:Vintrodução de C paraabrir circuito indutivointrodução de L para ligarduas fontes de tensãodiferentesIST-DEEC2003LLVRVRCProfª Beatriz Vieira BorgesRabrirfecharVLRC

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃODISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA:1. diodoAKKA2. tiristor - (SCR) “silicon controlled rectifier”.GBGCE4. transistor bipolar - (TJB).KA3. tiristor de corte comandado (GTO) - “gate turn off thyristor”.BDDEC5. transistor de efeito de campo de potência (MOSFET).GCG6. IGBT - “insulated gate bipolar transistor”.EA7. MCT - “MOS controlled thyristor”.GKIST-DEEC2003Profª Beatriz Vieira BorgesGSS

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIADiodoAINTRODUÇÃOKConduz se a tensão vAK se tornar positiva.Bloqueia se a corrente IF se tornar VAKIST-DEEC2003Profª Beatriz Vieira Borges

ELECTRÓNICA DE -controladoGConduz se vAK for positivo e se existir umimpulso de corrente na “gate” de curtaduração.Controlo apenas na passagem a ONBloqueia se a corrente IF se tornar alvAKiGIST-DEEC2003iGVO(av)disparoαVAKProfª Beatriz Vieira BorgesKGvOvIFbloqueio VAK -ωt2π αωt

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAMOSFETINTRODUÇÃODGTotalmente controlado. Conduz se vGS forpositiva.SBloqueia se vGS se tornar nula ou VDSIST-DEEC2003Profª Beatriz Vieira Borges

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAIGBTINTRODUÇÃOCFreq. [20 kHz]GTotalmente controlado. Conduz se vGE forpositiva.EBloqueia se vGE se tornar nula ou VCEIST-DEEC2003Profª Beatriz Vieira Borges

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOTransformadores de Alta Frequênciav1v2Núcleo de ferritev1 N1 v2 N 2i2 N 1 i1 N 2IST-DEEC2003v1i1 -Profª Beatriz Vieira Borgesi2 -idealidealv2

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOTransformadores de Alta FrequênciaEsquema equivalentei’1 v1-IST-DEEC2003Ll1iµLµi1i2 --N1 :N2Profª Beatriz Vieira Borgesi’2Ll2 v2-

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOTransformadores de Alta Frequênciai’2i1i2i’1 Ll1v1-IST-DEEC2003 --N1 :N2Ll2 N2 Lµ N1 2 v2-Lµ infinita(indutância de magnetização)Ll1(indutâncias de dispersão)eLl2 0Profª Beatriz Vieira Borges

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOELECTRÓNICA DE POTÊNCIA (área multidisciplinar)Estudo dos conversores electrónicos: topologias, dispositivos semicondutores,técnicas de modelação, processos de controlo e sua caracterização, técnicas de filtragem esupressão de harmónicas, etc.PROJECTOAJUDADO PORCOMPUTADORELECTRÓNICAANALÓGICA EDIGITALTOPOLOGIASCONTROLO DEMÁQUINASELÉCTRICASDISPOSITIVOSSEMICONDUTORESDE POTÊNCIAELECTRÓNICADE POTÊNCIAREGULAÇÃO ECONTROLOCIRCUITOSINTEGRADOS � Beatriz Vieira Borges

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOPrincipais campos de aplicação / áreas iais e fontes dealimentaçãoBalastros electrónicosControlo intensidade luminosaIluminaçãoConversores fIgnição e 2003Profª Beatriz Vieira BorgesProf. Pedro SantosEnergiasalternativas

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOÁreas tecnológicas de aplicação / áreas emergentesSemicondutores de potênciaMódulos de PotênciaPICPower ManagementMódulos DC/DCComponentes passivosMateriais magnéticos /núcleosProtecçõesDistribuição de energiaThermal ManagementEncapsulamentoCEM (EMC)Simulação e modelizaçãoRegulação / ControloTopologias de conversoresIST-DEEC2003Profª Beatriz Vieira BorgesProf. Pedro SantosHVDC

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOProdutos e sistemas envolvidos na Electrónica de PotênciaSemicondutores de potênciaMódulos DarlingtonSistemas de alimentaçãoComponentes passivosTransformadoresLfontes DC e ACCConversores de FrequênciaRUPSTransformadores (isolamento,HF, .)EstabilizadoresBateriasRelés estáticosnúcleos, ferrites, materiaismagnéticosConverter ICenrolamentosMódulos Diodo/tiristor (hibridos)Módulos IGBTSmart Power IC e PICsDiodes potênciaMódulos MOSFETMotor DriversFontes de laboratóriosistemas de Power Managementmódulos/conversores DC/DCApplication-oriented ICsThermalmanagementFerramentas CAD / CAESensores e MicrosistemasDissipadoresSoftware de desenvolvimentoSensores de parâmetros eléctricos emagnéticosRadiadores erefrigeradoresSoftware de simulaçãoSensores de temperaturaVentoinhasMicro-actuadoresElementos de PeltierSoftware para aplicaçõesespecíficasOpto-Semiconductor ComponentsIST-DEEC2003Profª Beatriz Vieira BorgesProf. Pedro SantosSoftware de teste

ELECTRÓNICA DE POTÊNCIAINTRODUÇÃOAPLICAÇÕES INDUSTRIAIS: REDES DE ALIMENTAÇÃO DE ENERGIA ELÉCTRICA:Bombas;Compressores;VentoinhasMáquinas ferramentas (Robots)Fornos de induçãoIluminação“Lasers”Máquinas de soldaduraProcessos electroquímicos.Transmissão em corrente contínua e alta tensão (HVDC)Sistemas VAR estáticosFontes de energia de recursoSistemas de armazenamento de energia. INDUSTRIA AERONÁUTICA E ESPACIAL: COMERCIAIS:Aquecimento, ventilação e ar condicionadoAparelhagem de frioIluminaçãoComputadores e equipamento de escritórioFontes de alimentação ininterruptíveis (UPS)Elevadores. TRANSPORTES:Controlo e accionam. de veículos eléctricos detracçãoCarregadores de bateriasLocomotivas eléctricasMetropolitanoCarros eléctricos, automóveis, etc.IST-DEEC2003Sistemas de alimentação de potência de naves espaciaisSistemas de alimentação de potência de satélitesSistemas de alimentação de aviões. TELECOMUNICAÇÕES:Carregadores de bateriasFontes de alimentaçãoFontes de alimentação ininterruptíveis. APLICAÇÕES DOMÉSTICAS:Refrigeração e congelação; Aquecimento; Fornos;Electrónica de uso doméstico; Iluminação.Profª Beatriz Vieira Borges

IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Processos de comutação: comutação natural: Quando num circuito estão criadas as condições, por via da fonte de alimentaçãoou da carga, ou por entrada de outro dispositivo do circuito por forma que a corrente num dispositivo se anule,

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