Contextualização Nas primeiras unidades de Eletrônica de Potência, tratamos de estudar os conceitos básicos de circuitos chaveados quando calculamos a potência perdida na transferência entre fonte e carga. Em seguida, discutimos os circuitos conversores básicos de CA para CC, os chamados retificadores, que podem ser controlados ou não controlados.

Contextualização

Nas primeiras unidades de Eletrônica de Potência, tratamos de estudar os conceitos básicos de circuitos chaveados quando calculamos a potência perdida na transferência entre fonte e carga. Em seguida, discutimos os circuitos conversores básicos de CA para CC, os chamados retificadores, que podem ser controlados ou não controlados.


Controle da temperatura de um forno industrial

Considere que o diagrama a seguir, ilustrado na Figura 1, representa o circuito de potência simplificado de um forno elétrico, em que a energia absorvida pelo resistor de carga é transformada em calor. Consideraremos a resistência como linear, visando analisar o circuito de controle e a transferência de potência entre a fonte (Vs) e a carga (RL).


Figura 1 – Circuito de potência simplificado de um forno elétrico
Fonte: o autor.
Considere que Vs representa uma fonte de tensão CC,VRL é a tensão entre os terminais do resistor. VDS representa a tensão entre os terminais principais de uma chave estática de potência, Q1, que por sua vez é comandada por um gerador de sinal PWM conectado ao terminal de controle da chave. IRL representa a corrente no resistor de carga.
Os dados de operação do circuito são:

Vs = 120 V

RL = 20 Ω

d = 0,25

F = 5 kHz

 

 

Considere agora que uma chave REAL será utilizada no circuito. Isso significa que ela apresentará perdas durante o funcionamento do circuito. O modelo escolhido foi o transistor MOSFET CANAL N STB7NK80Z. Algumas características deste componente estão mostradas na Tabela 1.

 

Parâmetro	Símbolo	Valor Típico	Unidade
Turn-On Rise Time	tsw on	12	ηs
Turn-Off Fall time	tsw off	20	ηs
Drain-Source Breakdown Voltage	VDS máx	800	V
Drain-Source On-State Voltage	VDS on	0,8	V
Drain Leakage Current	ILeak	10	µA
Maximum Power Dissipation	Pmáx	125	W

Tabela 1 – Características do componente

Fonte: o autor.

 

Na Tabela 1 estão apresentados os valores de tempo de abertura (tSWon) e fechamento (tSWoff), o limite de tensão entre Dreno e Source (VDSmáx), a queda de tensão em condução (VDSon), a corrente de fuga (ILeak) e a potência máxima permitida para esta chave (Pmáx).

 

1. a) Conhecendo os parâmetros da chave, calcule a potência média dissipada na chave Q durante o estado ligado.

 

1 b) Calcule a potência média dissipada na chave durante o estado bloqueado.

 

1 c) Calcule a potência máxima dissipada durante a ligação da chave.

 

1 d) Calcule a Potência Média Total dissipada na chave em relação ao ciclo de chaveamento.

 

2. Um retificador monofásico da Figura 2, no qual os quatro diodos formam uma ponte completa, alimentando a carga RL genérica.

 

Figura 2 – Circuito Retificador Monofásico com carga RL

Fonte: o autor.

 

Dados do circuito:

D1, D2, D3, D4: diodos ideais.

Vs: Fonte de tensão monofásica da rede elétrica.

R: Componente resistiva da carga, cujo valor é de 5 Ω;

L: Componente indutiva da carga, cujo valor é de 7,5 mH.

 

2. a) Se considerarmos os diodos como chaves ideais, qual o valor médio de tensão na carga se o valor máximo da tensão monofásica é de 150 V em 50 Hz?

 

2. b) Qual o valor médio de corrente na carga considerando a mesma situação do item a)?

 

2. c) Qual o valor da potência, em Watts, absorvida pela carga RL?

Obs.: considere a 4ª ordem como a maior da série.

 

3. Você foi contratado para projetar um sistema em que um gerador eólico deve alimentar um banco de baterias. A tensão de saída do gerador varia de 10 a 110 Vcc em diferentes condições de vento e carga. Caso a potência drenada da máquina esteja abaixo da capacidade, a rotação da turbina tende a aumentar e, consequentemente, a tensão nos seus terminais também aumenta. De forma análoga, se a potência drenada for acima da capacidade, a rotação tende a diminuir juntamente com a tensão.

Considerando que o banco de baterias resulta num barramento de 220 Vcc e o objetivo de que, ao menor valor de tensão de operação disponível no gerador, o carregamento da bateria já aconteça, responda as questões a seguir considerando as chaves estáticas como ideais.

 

3. a) A partir dos modelos de conversores cc-cc que você conheceu no curso de eletrônica de potência, quais das topologias se adequam a este projeto? Justifique.

 

3. b) Considerando que a topologia escolhida é a BOOST, calcule os valores máximos e mínimos de razão cíclica para transferir 10 kW do gerador para o banco de baterias.

 

3. c) Desprezando as perdas na chave e nos elementos passivos, calcule a corrente média na entrada do conversor quando o gerador fornece a potência máxima.

 

3. d) Considere que a bateria pode ser representada por uma impedância puramente resistiva de 20 Ω. Calcule o valor médio da indutância L do conversor Boost quando a tensão do barramento estiver em 110 V e a tensão da bateria estiver regulada em 220 V, mantendo 5% de ondulação sobre o valor médio de corrente no indutor. A frequência do conversor é 10 kHz.