Eletronica de Potencia Ivo Barbi

Eletrônica de Potência Ivo Barbi Edição do Autor 6ª Edição ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Ivo Barbi INEP - Instituto de Eletrônica de Potência Departamento de Engenharia Elétrica - CTC UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina Cx. Postal: 5119 CEP: 88040-970 - Florianópolis - SC Fone: (048) 3331-9204 FAX: (048) 3234-5422 site: http://www.ivobarbi.com E-mail: ivobarbi@inep.ufsc.br IVO BARBI ELETRÔNICA DE POTÊNCIA FLORIANÓPOLIS EDIÇÃO DO AUTOR 2006 B236e Barbi, Ivo Eletrônica de potência / Ivo Barbi. – 5. ed. – Florianópolis : Ed. Do Autor, 2005. 328 p. : il., grafs. tabs. Inclui apêndices Traz exercícios resolvidos 1. Eletrônica de potência. 2. Retificadores (Eletrônica) 3. Diodos. 4. Tiristores. 5. Retificadores de corrente elétrica. I. Título. CDU: 621.314.22 Catalogação na fonte por Marlene Margarete Elbert CRB14/167 AGRADECIMENTOS Pela valiosa colaboração na revisão, formatação e diagramação da presente edição, o autor agradece às seguintes pessoas: Adriano Marquart Hugo Rolando Estefanero Lariço João Victor de Lara Oliveira Pela colaboração nas edições anteriores, o autor agradece às seguintes pessoas: Arnaldo José Perin Juliano Anderson Pacheco Marco Aurélio Quadros Marlos Gatti Bottarelli Alexandre Ferrari de Souza Antonio José Bento Bottion Romero Leandro Andersen Telles Brunelli Lazzarin PREFÁCIO À SEGUNDA EDIÇÃO (2000) Ao escrever o prefácio da segunda edição de um livro técnico-didático você já não conta com o ineditismo da obra e isto limita seu espaço de excursão na tarefa de transmitir aos leitores uma síntese das virtudes do conhecimento ali contido. Se a primeira edição tiver um histórico de esgotamento em pouquíssimo tempo; se o livro tiver sido adotado a nível de graduação por inúmeras escolas de engenharia no Brasil e América Latina; se estiver ainda sendo empregado como instrumento para nivelamento em outros tantos cursos de pós-graduação, aí então se torna tarefa de enorme responsabilidade. E isto tudo aconteceu com a primeira edição de “Eletrônica de Potência”, de autoria do Prof° Ivo Barbi; poder-se-ia a esta altura inferir uma pretensa angústia da minha pessoa frente a tais fatos que me aumentam a responsabilidade. Não é verdade; eu me considero pertencente a uma “casta de privilegiados” que teve a honra (e a sorte) de tê-lo tido como professor no curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina e com auxilio de e da primeira edição de sua obra, ter aprendido e solidificado conceitos que me ajudaram imensamente, particularmente na vida profissional. Próprio de um caráter cartesiano e insaciável pelo conhecimento, o autor consegue a proeza de melhorar o que já era excelente, mantendo a obra jovem num campo do conhecimento onde a tecnologia se opõe a todos os dias o que nos parecia novo. A versão atual melhora as figuras que apresentam formas de onda, que na sua maior parte são obtidas através de programas de simulação, tornando-as muito mais representativas em relação às formas de ondas obtidas na prática. Os ábacos foram acrescentados através de programas de análise matemática, tornando-os mais precisos. Foi acrescentado um capítulo que mostra os princípios dos retificadores com carga capacitiva. Ressalte-se que a maneira didática com que o livro foi escrito facilita tanto o trabalho do professor na abordagem do tema retificadores a diodos e tiristores, bem como a assimilação por parte dos alunos. O autor dá ênfase ao cálculo das grandezas elétricas que permitem o dimensionamento dos componentes eletrônicos e o cálculo térmico, de modo que os conversores possam ser de fato projetados. Embora alguns conversores não sejam mais pesquisados, o conhecimento de suas tecnologias ainda é comercialmente muito importante, devido ao seu grande emprego industrial. O que o torna tão importante quanto os modernos conversores que utilizam os novos interruptores estáticos de potência, para o acionamento em corrente alternada. Finalizando, o autor, através do capítulo nove insere importante e inovadores conceitos que hoje já estão sendo explorados e que resultarão em novos paradigmas na área de conversores de potência, deixando evidente a dinâmica do caminho à frente desta ciência importante para o mundo pois processa energia limpa. José Fernando Xavier Faraco Presidente do Sistema FIESC SUMÁRIO Introdução .............................................................. 1 CAPÍTULO 1 - ESTUDO DOS COMPONENTES EMPREGADOS EM ELETRÔNICA DE POTÊNCIA (DIODOS E TIRISTORES) 1.1 O Diodo ............................................................. 3 1.2 O Tiristor ......................................................... 9 1.3 Cálculo Térmico ................................................ 12 1.4 Curvas para Cálculo Térmico de Diodos e Tiristores ................... 15 1.5 Exemplos de Cálculo Térmico ..................................... 17 CAPÍTULO 2 - RETIFICADORES A DIODO 2.1 Retificador Monofásico de Meia Onda a Diodo .................. 23 2.2 Retificador Monofásico de Onda Completa com Ponto Médio .......... 37 2.3 Retificador Monofásico de Onda Completa em Ponte ............. 44 2.4 Retificador Trifásico à Diodo com Ponto Médio .................. 47 2.5 Retificador Trifásico de Onda Completa (Ponte de Graetz) .......... 57 Exercícios Resolvidos ................................................ 63 Exercícios Propostos ................................................ 69 CAPÍTULO 3 - RETIFICADORES A TIRISTOR 3.1 Retificador Monofásico de Meia Onda ........................... 73 3.2 Retificadores de Onda Completa Monofásicos ................... 83 3.3 Retificador Trifásico com Ponto Médio a Tiristor .................. 101 3.4 Ponte de Graetz à Tiristor ..................................... 105 3.5 Ponte Trifásica Mista ......................................... 108 3.6 Ábaco de Puschlowski .......................................... 111 3.7 Exemplo de Emprego do Ábaco de Puschlowski .................. 113 Exercícios Propostos ................................................ 114 CAPÍTULO 4 - ESTUDO DA COMUTAÇÃO 4.1 Introdução .................................................... 119 4.2 Descrição da Comutação ...................................... 119 4.3 Queda de Tensão Devido à Comutação, Provocada pela Indutância Lc ........... 120 4.4 Cálculo do Ângulo de Comutação u ................................ 122 4.5 Ângulo de Comutação para α ≠ 0 ............................. 127 4.6 Circuito Equivalente de Saída ................................ 128 4.7 Estudo da Ponte de Graetz ................................... 129 4.8 Influência do Transformador ................................ 131 4.9 Influência de Lc na Corrente de Entrada do Conversor ............... 132 4.10 Observações Finais ........................................... 133 Exercícios Resolvidos .............................................. 134 Exercícios Propostos .............................................. 137 CAPÍTULO 5 - CONVERSORES DUAIIS 5.1 Introdução ................................................... 139 5.2 Princípio do Conversor Dual ................................ 139 5.3 O Problema da Corrente de Circulação ........................ 142 5.4 Princípio de Funcionamento com Circulação de Corrente ........... 143 5.5 Cálculo da Corrente de Circulação ............................. 145 5.6 Harmônicas da Tensão de Carga .............................. 151 5.7 Outras Estruturas dos Conversores Duais ....................... 152 5.8 Operação sem Circulação de Corrente .......................... 153 Exercício Resolvido ................................................. 154 CAPÍTULO 6 - CICLOCONVERSORES 6.1 Introdução ................................................... 155 6.2 Princípio de Funcionamento .................................. 155 6.3 Equação da Tensão de Saída ................................... 157 6.4 Estruturas dos Cicloconversores ................................ 157 6.5 Harmônicas de Tensão de Saída ................................ 159 6.6 Limites da Frequência de Saída ................................ 163 6.7 Correntes de Entrada dos Cicloconversores ..................... 164 6.8 Frequência das Harmônicas da Corrente de Entrada .............. 165 Exercício Resolvido ................................................ 166 Exercícios Propostos .............................................. 168 CAPÍTULO 7 - GRADADORES 7.1 Introdução ................................................... 171 7.2 Estrutura do Gradador Monofásico ............................. 171 7.3 Análise do Gradador Monofásico para Carga Resistiva Pura .......... 171 7.4 Análise do Gradador Monofásico para Carga RL ................... 175 7.5 Estruturas dos Gradadores Trifásicos ............................ 186 7.6 Controle por Ciclos Inteiros .................................... 187 7.7 Compensador Estático de Potência Reativa ..................... 189 7.8 Estabilizador de Tensão Alternada Senoidal Baseado no Compensador Estático de Energia Reativa ......................................................... 192 7.9 Circuito Estabilizador de McVey-Weber ......................................................... 193 7.10 Resistor Variável entre Dois Limites Finitos ......................................................... 196 7.11 Associação Gradador-Transformador-Retificador ......................................................... 196 Exercício Resolvido ......................................................... 197 Exercícios Propostos ......................................................... 198 CAPÍTULO 8 - CIRCUITOS DE COMANDO 8.1 Função ......................................................... 201 8.2 Comandos Vertical e Horizontal ......................................................... 201 8.3 Tensão de Referência Cossoenidal e Dente-de-Serra ......................................................... 202 8.4 Organização de um Circuito de Comando ......................................................... 203 8.5 Estágio de Ataque ......................................................... 204 8.6 Sincronização do Retificador de Meia Onda Monofásico ......................................................... 205 8.7 Sincronização do Retificador Monofásico de Onda Completa ......................................................... 206 8.8 Sincronização do Retificador Trifásico de Ponto Médio ......................................................... 207 8.9 Sincronização da Ponte Trifásica Mista ......................................................... 209 8.10 Sincronização da Ponte Trifásica Completa ......................................................... 209 8.11 Duração dos Pulsos de Gatilho ......................................................... 212 8.12 Módulo de Comando Discreto de Baixo Custo ......................................................... 213 8.13 Módulos de Comando Integrados ......................................................... 214 CAPÍTULO 9 - GENERALIZAÇÃO DO CONCEITO DE RETIFICADOR 9.1 Introdução ......................................................... 217 9.2 Simbologia Adotada para as Fontes de Energia Elétrica ......................................................... 217 9.3 Símbolos e Características dos Interruptores ......................................................... 218 9.4 O Conversor Genérico do Tipo Buck ou Abaixador ......................................................... 220 9.5 Retificadores Abaixadores para Operação em 2 Quadrantes ......................................................... 221 9.6 Retificadores Abaixadores para Operação em Um Quadrante ......................................................... 227 9.7 Conversor Genérico do Tipo Boost ou Elevador ......................................................... 235 9.8 Retificadores Elevadores para Operação em 2 Quadrantes ......................................................... 235 9.9 Retificadores Elevadores para Operação em um Quadrante ......................................................... 240 CAPÍTULO 10 - RETIFICADORES COM FILTRO CAPACITIVO PURO 10.1 Retificadores Monofásicos com Filtro Capacitivo ......................................................... 247 10.2 Operação como Retificador Monofásico de Onda Completa ......................................................... 247 10.3 Análise Detalhada do Retificador Monofásico com Filtro Capacitivo ......................................................... 257 10.4 Operação do Retificador Monofásico como Dobrador de Tensão ......................................................... 264