Mapa Eletronica de Potencia - Analise e Projeto de Conversores Estaticos

QUESTÃO 1 MAPA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Seja bemvindoa engenheiroa Este MAPA estará dividido em 4 Atividades contextualizadas em diferentes assuntos da disciplina onde você será estimulado a responder as perguntas feitas baseandose na observação e prática sempre contando com o embasamento teórico feito durante as aulas ATENÇÃO Este MAPA é INDIVIDUAL Contudo você pode discutir resultados com seus colegas de classe e trocar informações sobre as simulações e processos A informação quando não compartilhada não gera conhecimento Discutir a observação de fenômenos físicos e buscar compreender os motivos que levam ao acontecimento daqueles fenômenos é um exercício quase que diário na vida do profissional de engenharia As suas tarefas neste MAPA serão Analisar a transferência de potência elétrica de uma fonte de corrente contínua para um forno industrial Projeto de um retificador conectado a uma fonte de energia alternativa Controle do barramento CC de um sistema de geração de energia eólica Inversor de tensão para um sistema de geração de energia eólica As instruções detalhadas de entrega se encontram ao final deste documento É essencial que você leia cuidadosamente pois algumas regras mudaram em relação aos anos anteriores Bons estudos ASSUNTO 1 CONTROLE DE POTÊNCIA DE FORNO INDUSTRIAL A Eletrônica de Potência pode ser compeendida como uma ciência cujo objeto de estudo são os circuitos conversores estáticos O principal objetivo de um conversor estático é o controle do fluxo da energia elétrica entre dois ou mais dispostivos elétricos Dentre as várias aplicações dos conversores estáticos de potência podemos citar o Controle de sistemas de iluminação controles de motores elétricos de corrente contínua ou mesmo controle de sistemas de aquecimento em sistemas industriais como fornos estufas e caldeiras A energia desperdiçada no componente de controle aumenta à medida que a potência entregue à resistência é maior assim como o superdimensionamento de todo o sistema de alimentação Logo a melhor saída é a utilização de um dispositivo semicondutor de potência ou simplesmente uma chave estática Ao longo do curso de eletrônica de potência você já deve ter observado que um termo que está integrado em praticamente todos os circuitos eletrônicos de potência associado às chaves estáticas chaveamento O chaveamento remete ao fato de que as chaves estáticas abrem e fecham permitindo e bloqueando a passagem de corrente elétrica entre seus terminais de forma que o resultado desse processo tem como objetivo o controle da potência em uma carga Essa dinâmica das chaves pode em teoria ser entendida como ideal pois a energia despendida pelo dispositivo é geralmente muito menor que a energia processada pelo circuito e entregue à carga Porém aprendemos neste curso que na prática esta energia não é nula Além disso precisamos conhecer os limites do nosso circuito para fazer a melhor escolha na hora de projetar um circuito eletrônico de potência Baseado neste contexto analise o circuito a seguir com o objetivo de verificar se o semicondutor de potência é adequado para a aplicação a seguir Atividade 11 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 onde 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 com chave estática Fonte Elaborado pelo professor 2023 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 RL 20 Ω d 25 F 5 kHz 11a Considerando a chave Q1 como ideal calcule o valor médio da corrente na carga 11b Ainda considerando a chave Q1 ideal calcule o valor médio da potência na resistência RL 11c A partir dos itens anteriores qual o valor médio da potência na chave Q1 11d Calcule a eficiência da transferência de potência Atividade 12 Analisando o Circuito considerando um chave nãoideal 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 Tabela 1 Fonte Elaborado pelo professor 2023 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 12a Conhecendo os parâmetros da chave calcule a potência média dissipada na chave Q durante o estado ligado 12b Calcule a potência média dissipada na chave durante o estado bloqueado 12c Calcule a potência máxima dissipada durante a ligação da chave 12d Calcule a potência média dissipada na chave em relação ao ciclo de chaveamento ASSUNTO 2 RETIFICADOR PARA GERADOR EÓLICO Os retificadores tanto controlados quanto não controlados desempenham um papel fundamental nos circuitos de geração de energia eólica A energia eólica obtida a partir do vento é uma fonte limpa e renovável que pode ser convertida em eletricidade por meio de aerogeradores No entanto a eletricidade gerada pelos aerogeradores é do tipo alternada e precisa ser retificada para ser utilizada de forma eficiente Os retificadores não controlados são amplamente utilizados na conversão de energia eólica especialmente em sistemas de pequena escala Eles são responsáveis por converter a corrente alternada gerada pelos aerogeradores em corrente contínua que pode ser armazenada em baterias alimentar diretamente cargas de corrente contínua ou mesmo alimentar um barramento CC para alimentar um inversor de tensão para injetar energia diretamente à rede elétrica Esses retificadores são construídos com diodos e por isso não exigem um circuito de controle para sua operação Por outro lado os retificadores controlados como o retificador de onda completa controlado têm a capacidade de ajustar a quantidade de energia convertida Isso é possível através do controle da fase de disparo dos dispositivos semicondutores como tiristores utilizados nesses retificadores Os retificadores controlados são mais comumente encontrados em sistemas de geração de energia eólica em grande escala onde o controle preciso e a regulação de potência são essenciais Um diagrama de blocos pode ilustrar o sistema de geração de energia eólica mostrando os diferentes componentes e circuitos de potência envolvidos Cada bloco representaria um elementochave como o aerogerador o retificador o sistema de armazenamento e a carga A Figura 2 apresenta um exemplo de diagrama de blocos de um sistema de geração eólica onde cada bloco representa um circuito de potência específico Figura 2 Diagrama de blocos do sistema de geração eólica Fonte O Autor2018 Nesse sistema a energia cinética do vento é capturada pelo aerogerador e convertida em energia elétrica alternada comumente a partir de um gerador trifásico repreentado no diagrama por PMSG do inglês Permanent Magnet Synchronous Generator Essa energia é então retificada por meio de um retificador controlado ou não controlado convertendoa em corrente contínua A corrente contínua pode ser utilizada diretamente para alimentar armazenada em baterias ou entregue a um barramento CC para uso posterior permitindo o uso eficiente da energia eólica gerada Atividade 2 Uma vez que entendemos uma das aplicações mais importantes dos circuitos retificadores em sistemas de geração de energia eólica vamos iniciar analisando um retificador monofásico da Figura 3 onde os quatro diodos formam uma ponte completa alimentando a carga RL genérica Figura 3 Circuito Retificador Monofásico com carga RL Fonte Elaborado pelo professor 2023 Dados do circuito D1 D2 D3 D4 Diodos ideais Vs Fonte de tensão monofásica do gerador eólico R Componente resistiva da carga cujo valor é de 5 Ω L Componente indutiva da carga cujo valor é de 75 mH 2 a Se considerarmos os diodos como chaves ideais quais os valores médios de tensão e corrente na carga se o valor máximo da tensão monofásica é de 150 V em 50 Hz 2 b Qual o valor da potência em Watts absorvida pela carga RL Obs Considere a 4ª ordem como a maior da série Considere agora que é necessário controlar a tensão e potência em corrente contínua entregues pelo gerador eólico Para isso podemos utilizar um retificador controlado como na Figura 4 Figura 4 Retificador Monofásico Controlado em Ponte Fonte HART D W Eletrônica de potência análise e projetos de circuitos Porto Alegre AMGH 2012 Adaptado 2c Qual o modo de atuação do circuito se se o ângulo de disparo for ajustado em α 50 Considere os tiristores ideais 2d Para a situação descrita em 2c calcule a corrente média na carga 2e Esboce graficamente as formas de onda da tensão na fonte CA a tensão e corrente na carga para a situação descrita em 2c destacando os ângulos de disparo α e de extinção de corrente β 2f Calcule a corrente eficaz na carga para a situação 2c 2g Calcule a potência eficaz entrega à carga para a situação descrita em 2c 2h Desejase controlar a tensão barramento CC para uma tensão média de 72 V Qual seria o ângulo de disparo α para que o circuito forneça a tensão desejada Obs Considere o conversor operando em modo de condução contínua 2i Considerando o resultado do item 2h qual seria o valor crítico do ângulo β para que a corrente da carga não atingisse o zero Figura 5 Gráficosresposta do item da atividade 2 ASSUNTO 3 CONTROLE DO BARRAMENTO CC DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA O crescimento da demanda global de energia associada à crescente consciência da sociedade sobre os impactos ambientais levou ao aumento da exploração de fontes de energia renováveis Assim como a tecnologia fotovoltaica a geração de energia por fonte eólica desempenha um papel muito importante nesse contexto Segundo relatório da Associação Brasileira de Energia Eólica Abeeólica a geração de energia a partir dos ventos alcançou em 2021 a marca de 2103 GW de capacidade instalada no Brasil antes 177 GW em 2020 Com estes valores o Brasil passou a ocupar o 6º lugar Ranking de Capacidade Total Instalada de Energia Eólica Onshore ou seja em solo antes a 7ª posição 2020 Em 2012 o país ocupava a 15ª posição Fonte Disponível em httpswwwcnnbrasilcombreconomiabrasilsobeposicaoem rankingglobaldeproducaodeenergiaeolica Acesso em 09 jul de 2023 Fato é que a tecnologia dos aerogeradores está crescendo ano a ano onde as aplicações podem chegar a turbinas de 15 MW de potência máxima e assim como as máquinas eletromecânicas o sistema eletrônico de controle da potência também fez parte deste alavanco tecnológico Aplicações de pequeno porte conectados à rede elétrica e isoladas já fazem parte do instalações urbanas ou rurais à mais de 1 década no Brasil o que é muito interessante para várias aplicações em que se necessita de uma fonte de energia elétrica complementar As rápidas mudanças tecnológicas fizeram com que os produtos eletrônicos de potência desempenhassem um papel importante na qualidade de vida da sociedade atual Equipamentos de armazenamento de energia são uma forma comumente usada em equipamentos eletrônicos de potência Aplicações isoladas ou também conhecidas como standalone podem ser uma alternativa muito eficaz para locais bem afastados da rede elétrica interligada Alguns exemplos como bombeamento de água para a sede de uma fazenda o sistema elétrico em uma embarcação ou mesmo um sistema de telemetria conectado à uma área distante da sociedade Estas e outras várias podem utilizar baterias como fonte de energia as quais podem estar conectadas à um sistema controlador de carga A função básica de um controlador de carga ou carregador de baterias é fazer a gestão da energia proveniente do gerador com o objetivo de manter um nível de tensão adequado para um carregamento seguro da bateria independente da energia disponível pelos ventos Este carregamento inteligente só é possível a partir de um sistema eletrônico de potência capaz de interpretar a disponibilidade energética e adaptar o controle do circuito de forma que mantenha sempre a bateria saudável Na Figura 6 é mostrado um esquema que mostra os principais elementos do sistema O retificador que está conectado à saída do gerador o Controlador que é um conversor CC capaz de regular a tensão no barramento das baterias que estão conectadas à sua saída Elaborado pelo professor 2023 Figura 6 Esquema do sistema de carregamento de baterias com gerador eólico Fonte O Autor 2018 A energia disponível de um gerador eólico varia conforme a velocidade dos ventos de forma não linear e é possível estimar a potência de um gerador conhecendo a sua curva de potência característica A seguir na Figura 7 temse uma curva de potência característica de um aerogerador de pequeno porte em função da tensão no barramento cc Vdc A tensão Vdc é mensurada após a retificação da tensão do gerador que geralmente é de corrente alternada As curvas de velocidade de vento representam a potência mecânica disponível ao rotor em função da velocidade angular do gerador e o diâmetro de suas pás Figura 7 Exemplo de uma curva de potência de um gerador eólico Fonte Yatimi H 2018 A curva de potência representada pela linha tracejada é formada pelo ponto de máxima eficiência de cada curva de velocidade de vento Cada ponto de cruzamento entre a linha de potência e as curvas de velocidade de vento é chamado de Ponto de Máxima Potência ou MPP Maximum Power Point em inglês Logo uma vez que a característica de potência da turbina é conhecida é possível estimar quantos watts o gerador é capaz de fornecer a partir da medição da velocidade de vento A partir disso pode ser feito o controle do barramento CC para a utilização desta energia Atividade 3 Agora vamos falar de projeto Vamos considerar que o gerador eólico apresenta tensão no barramento cc que vai de zero a 120 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 De forma análoga se a potência drenada for acima da capacidade a rotação tende a diminuir juntamente com a tensão Considerando que estão agrupadas 4 baterias de 12 V em série 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 3a Qual seriam as topologias de conversor CCCC adequadas a este projeto Justifique 3b Dando preferência aos circuitos não isolados e de menor ordem possível represente o diagrama elétrico do conversor estático que melhor se enquadra nestes parâmetros 3c Para o circuito escolhido no item 3b calcule os valores de razão cíclica máximos e mínimos para manter a tensão da bateria em 48 V Nota Considere o valor de tensão mínimo de operação do gerador em 20 V 3d Considere que a bateria pode ser representada por uma impedância de 12 Ω Calcule o valor médio da indutância do conversor quando a tensão do barramento estiver em 80 V e a tensão da bateria estiver regulada em 48 V mantendo 5 de ondulação sobre o valor médio de corrente na carga A frequência do conversor é 2 kHz 3e O que acontece com a indutância do conversor se aumentarmos a frequência para 5 kHz Justifique o novo valor calculado 3f Qual o valor máximo da corrente no indutor para a situação em 3d 3g Agora calcule o valor da variação de corrente no indutor ΔIL considerando que utilizamos o indutor definido em 3e na frequência original de 2kHz 3h Com o objetivo de que a tensão na bateria tenha no máximo 1 de ondulação sobre o valor médio calcule o valor do Capacitor de filtro para o conversor considerando toda a configuração de 3d ASSUNTO 4 INVERSOR DE TENSÃO PARA UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA ISOLADO A importância de se produzir a própria energia através de painéis fotovoltaicos ou de aerogeradores em um sistema offgrid ou isolado para o fornecimento de energia que pode ser utilizada como uma alternativa na qual a energia elétrica é escassa ou que a rede elétrica interligada não está disponível Em sistemas isolados a energia elétrica produzida pelo gerador é armazenada em um banco de baterias estacionárias após ser processada pelo controlador de carga que monitoram o nível de tensão de energia das baterias evitando a sua descarga total para evitar desgastes desnecessários da bateria e de falta de energia nos equipamentos Para a utilização de cargas de corrente alternada um Inversor é necessário O inversor offgrid tem o circuito estático que converte a corrente contínua em corrente alternada com a frequência adequada e formas de onda adequadas Inversores de onda quadrada por serem mais comuns podem ser utilizados em aparelhos específicos ao sistema os inversores de onda modificada são utilizados para ligar qualquer aparelho que não utilizem controle de velocidade Do ponto de vista da eletrônica de potência os inversores consistem em uma associação de Conversores de Tensão CACC e CCCA interligados por um barramento CC O conversor CCCA possui um bloco de controle que comanda a abertura e fechamento das chaves estáticas de forma a sintetizar as formas de onda de tensão e corrente adequadas à rede ou cargas em que o inversor está conectado O diagrama básico de um sistema de geração isolada pode ser ilustrado conforme a Figura 8 Figura 8 Diagrama de blocos de um sistema isolado de geração de energia eólica Fonte httpswwwshutterstockcomptimagevectorwindgeneratorhomerenewable energyconcept599024117 Acesso em 09 jul de 2023 Atividade 4 Sobre o tema Inversores responda as questões a seguir 4a Considerando um inversor monofásico em ponte completa com tensão de entrada de 250 VCC modulada a partir da técnica PWM com tempo de ciclo ativo de 15 ms Determine o valor RMS da tensão de saída conforme o sinal de tensão vo na Figura 9 Figura 9 Forma de onda do item 4a Fonte RASHID M H Eletrônica de Potência Dispositivos Circuitos e Aplicações 4 ed Person Universidades 2014 Adaptado 4b Determine o valor da nova razão cíclica para que a tensão de saída seja de 50 V eficazes 4c A técnica de modulação SPWM é a mais utilizada dentre as modulações aplicadas em inversores de tensão estudadas Nos outros métodos de modulação visto ao longo do módulo a forma de onda de saída é quadrada com valores médio e eficaz variáveis Porém apresentam de forma expressiva componentes harmônicas Descreva o princípio da geração de sinal SPWM para aplicação em inversores monofásicos para ambas as modulações Unipolar e Bipolar utilizando componentes analógicos amplificadores operacionais por exemplo 4d Apresente a forma de onda de um sinal SPWM BIPOLAR cuja onda portadora possui 6 vezes a frequência da onda modulante e com índice de modulação de 08 4e Considerando que em uma instalação elétrica rural é necessário energizar um motor trifásico que acionará uma bomba dagua Para isso um inversor trifásico pode ser implementado em ponte alimentando um motor trifásico fechado em estrela Neste contexto represente a forma de onda de tensão de fase A em relação ao neutro considerando tensão no barramento CC de 310 V com modo de condução 180 4f Ainda considerando a mesma situação do item 4e represente a forma de onda de tensão de linha BC considerando tensão no barramento CC de 310 V 4g Prove matematicamente que a potência de saída de um inversor em modo de condução 180 é superior ao mesmo inversor em modo 120 alimentando uma carga linear balanceada Orientações gerais Para esta atividade você deverá utilizar o formulário padrão que está disponível no ícone Material da Disciplina Considere as orientações para a atividade MAPA acessando o link do vídeo explicativo Não se esqueça de que este é um trabalho acadêmico assim sendo observe as Normas ABNT Atenção se identificado plágio cópia indevida de textos pesquisados ou cópia textual entre colegas a atividade poderá ser zerada Anexe o arquivo no campo de resposta da atividade MAPA clicando sobre o botão Selecionar arquivo Após anexar o arquivo certificarse que se trata do arquivo correto clique no botão Responder e posteriormente em Finalizar Questionário após Finalizar o Questionário não será possível reenviar a atividade ou realizar qualquer modificação no arquivo enviado Tendo dúvidas não deixe de encaminhálas por meio do fale com o mediador Resolução Eletrônica de Potência Questão 11 Resolução Fala aí galera Bora lá O diagrama na figura representa o circuito de potência de um conversor CCCC baseado em reguladores lineares e opera somente como abaixador de tensão Considerando os dados iremos calcular o que foi pedido V s120V RL20Ω d025 F5kHz O valor médio da corrente na carga é dado por I Lmed V Lmed RL d V s RL I Lmed025 120 20 15 A O valor médio da potência na resistência é dado por PLI Lmed 2 RL20 15 2 PL45W Se a tensão na carga for 25 a tensão da fonte então 25 da potência é absorvida na carga Logo 75 da potência é dissipada no transistor assim PC075 180135W A eficiência da transferência de potência é dada por ηV L V s d V s V s d025 Resposta a I Lmed15 A b PL45W c PC135W d η025 Questão 12 Resolução Primeiro iremos calcular o duty cicle d t swon T 1210 9 3210 9 d0375 A potência média dissipada na chave Q durante o estado ligado é PCon0375 135 506W A potência média dissipada na chave Q durante o estado bloqueado é PCoff10375 135844W A potência máxima é igual à potência máxima permitida para esta chave Pmax125W A chave abre e fecha durante 32ns logo potência média dissipada na chave em relação ao ciclo de chaveamento é Pm3210 9 3210 9 125125W Questão 2 Resolução Nesse circuito temos um Retificador Monofásico de onda completa em ponte Dados do circuito Diodos ideais V s Fonte de tensão monofásica do gerador eólico R5Ω L7 5mH Se V s150V com f 50 Hz o valor médio de tensão na carga é V Lmed0 9V s09 150 V Lmed135V O valor médio de corrente na carga é I Lmed V Lmed R 135 5 I Lmed27 A A potência absorvida pela carga é PLV Lmed I Lmed135 27 PL3645W Considerando um retificador controlado para que o tiristor entre em condução além de estar diretamente polarizado um pulso de tensão positiva deve ser aplicado no gatilho Como o ângulo de disparo foi ajustado em α50 o tiristor só irá conduzir quando a fonte atingir 50 O valor médio de corrente na carga é I Lmed045V s cosαcos β R Pelo ábaco β205 I Lmed209 A Forma de onda da tensão na fonte CA Forma de onda da tensão e corrente na carga destacando os ângulos de disparo α e de extinção de corrente β A corrente eficaz na carga é I RMSI Lmed2248 A A potência eficaz entrega à carga é PLI RMS 2 RL307 kW Para que tenhamos uma tensão de saída igual a 72 V é preciso ter um ângulo de disparo igual a V Lmed0 45V s 1cosα 72 045 1501cos α αcos 100667862 Considerando o resultado anterior o valor crítico do ângulo β para que a corrente da carga não atingisse o zero é β 204 6 Resposta V Lmed135V I Lmed27 A PL3645W I Lmed209 A I RMS248 A PL307 kW α86 2 β 204 6 Questão 3 Resolução Para esse projeto seria necessário utilizar um conversor que seja tanto abaixador quanto elevador pois a tensão de entrada varia entre 0 V e 120 V e é preciso manter em 12 V As topologias de conversor adequadas seriam BuckBoost Ćuk Zeta Flyback Forward e Sepic Dando preferência aos circuitos não isolados e de menor ordem possível para esse projeto podemos escolher o conversor BuckBoost e abaixo apresenta o diagrama elétrico Considerando que a tensão da bateria precisa manter em 48 V e a tensão máxima do gerador é 120 V a razão cíclica mínima é V o V d 1d V o V d 1d 48 120 d 1d 04 d0286 Considerando que a tensão mínima de operação do gerador é 20 V a razão cíclica máxima é V o V d 1d V o V d 1d 48 20 d 1d 24 d0706 Considerando que a bateria pode ser representada por uma impedância de 12 Ω quando a tensão do barramento estiver em 80 V e a tensão da bateria estiver regulada em 48 V mantendo 5 de ondulação sobre o valor médio de corrente na carga A frequência do conversor é 2 kHz Sabendo que a razão cíclica é V o V d 1d V o V d 1d 48 80 d 1d 0 6 d0375 A corrente média no indutor é I L V o 2 V Rd 48 2 80 120375 64 A A variação na corrente do indutor que atende ao valor especificador de 5 é Δi L005 6 4032 A Podemos calcular o valor médio da indutância do conversor L V d Δi Lf 80 0375 032210 3 L46910 3 H Se aumentarmos a frequência para 5 kHz o valor da indutância diminui pois a frequência é inversamente proporcional à indutância L V d Δi Lf 80 0375 032510 3 L187510 3H O valor máximo da corrente no indutor com frequência de 2 kHz é I LmaxI L Δi L 2 64 032 2 I Lmax656 A Considerando a indutância L187510 3H e frequência original de 2kHz a variação de corrente no indutor é Δi LV d Lf 80 0375 187510 3 210 3 Δi L08 A Com o objetivo de que a tensão na bateria tenha no máximo 1 de ondulação sobre o valor médio podemos calcular o valor do capacitor de filtro ΔV 0 V 0 d RCf C dV 0 ΔV 0RCf C 0375 00112 210 3 156310 3F Resposta a BuckBoost Cúk Zeta Flyback Forward e Sepic b BuckBoost c d0286ed0706 d L46910 3 H e O valor da indutância diminui f I Lmax656 A g Δi L08 A h C156310 3F Questão 4 Resolução Considerando um inversor monofásico em ponte completa com tensão de entrada de 250V CC O valor RMS de uma tensão com forma de onda quadrada é o mesmo do valor de pico logo o valor RMS da tensão de saída é dado por V RMSV oV CC V RMS250V A tensão de saída não depende do valor da razão cíclica logo para que a tensão de saída seja de 50 V eficazes teremos que modificar o valor da tensão de entrada para 50V CC A modulação por largura de pulso senoidal SPWM do inglês Sinusoidal Pulse Width Modulation é uma técnica amplamente utilizada em inversores de frequência e controle de motores elétricos para gerar tensões senoidais a partir de uma fonte de tensão contínua CC O primeiro passo é gerar uma referência senoidal que representa a tensão de saída desejada Isso pode ser feito usando um circuito oscilador ou gerador de forma de onda senoidal Em seguida você precisa de uma série de comparadores Cada comparador compara a tensão senoidal de referência com uma forma de onda triangular Gere uma forma de onda triangular usando um circuito apropriado ou um amplificador operacional configurado como um integrador Essa forma de onda triangular atuará como a portadora para a modulação A saída do comparador é um sinal digital que determina se a tensão senoidal de referência está acima ou abaixo da forma de onda triangular em um determinado ponto no tempo Isso resulta em uma forma de onda digital de pulsos com largura variável E por ultimo para converter o sinal digital de pulsos em um sinal analógico suave você pode passar o sinal pelos filtros passa baixos Apresente a forma de onda de um sinal SPWM BIPOLAR Considerando que em uma instalação elétrica rural é necessário energizar um motor trifásico que acionará uma bomba dagua Para isso um inversor trifásico pode ser implementado em ponte alimentando um motor trifásico fechado em estrela Neste contexto represente a forma de onda de tensão de fase A em relação ao neutro considerando tensão no barramento CC de 310 V com modo de condução 180 Ainda considerando a mesma situação do item acima represente a forma de onda de tensão de linha BC considerando tensão no barramento CC de 310 V Para provar matematicamente que a potência de saída de um inversor em modo de condução de 180 é superior ao mesmo inversor em modo de 120 alimentando uma carga linear balanceada precisamos analisar o comportamento de potência em ambos os casos Primeiro vamos definir algumas variáveis e conceitos V dc Tensão contínua de entrada tensão CC de alimentação do inversor V RMS Valor eficaz da tensão de saída I RMS Valor eficaz da corrente de saída P Potência Agora vamos analisar ambos os modos Modo de Condução 180 Nesse modo o inversor opera com um ângulo de condução de 180 o que significa que os transistores de potência estão conduzindo metade do tempo e desligados metade do tempo durante cada ciclo de tensão Valor eficaz da tensão de saída V RM S180 é diretamente proporcional a V dc V RM S180V dc 2 A corrente de saída I RM S180também será diretamente proporcional a V dc e à carga Assumindo uma carga linear balanceada I RM S180 será proporcional a V RM S180 Portanto a potência de saída P180 será proporcional ao quadrado da tensão de saída pois P180V RM S180 I RM S180 P180 V RM S 180 2 2 V dc 2 2 Modo de Condução 120 Nesse modo o inversor opera com um ângulo de condução de 120 o que significa que os transistores de potência estão conduzindo por 120 do ciclo de tensão Valor eficaz da tensão de saída V RM S12 0é diretamente proporcional a V dc mas é menor do que em 180 devido ao menor tempo de condução V RM S120 V dc 2 A corrente de saída I RM S12 0 será proporcional a V RM S120 assim como em 180 Portanto a potência de saída P120 será proporcional ao quadrado da tensão de saída mas com um valor menor devido a V RM S120 ser menor P120 V RM S 12 0 2 2 V dc 2 2 Assim podemos ver que a potência de saída no modo de condução de 180 é maior do que a potência de saída no modo de condução de 120 desde que a carga seja linear balanceada e as condições de operação sejam ideais Resolução Eletrônica de Potência Questão 11 Resolução Fala aí galera Bora lá O diagrama na figura representa o circuito de potência de um conversor CCCC baseado em reguladores lineares e opera somente como abaixador de tensão Considerando os dados iremos calcular o que foi pedido O valor médio da corrente na carga é dado por O valor médio da potência na resistência é dado por Se a tensão na carga for 25 a tensão da fonte então 25 da potência é absorvida na carga Logo 75 da potência é dissipada no transistor assim A eficiência da transferência de potência é dada por Resposta a b c d Questão 12 Resolução Primeiro iremos calcular o duty cicle A potência média dissipada na chave Q durante o estado ligado é A potência média dissipada na chave Q durante o estado bloqueado é A potência máxima é igual à potência máxima permitida para esta chave A chave abre e fecha durante logo potência média dissipada na chave em relação ao ciclo de chaveamento é Questão 2 Resolução Nesse circuito temos um Retificador Monofásico de onda completa em ponte Dados do circuito Diodos ideais Fonte de tensão monofásica do gerador eólico Se com o valor médio de tensão na carga é O valor médio de corrente na carga é A potência absorvida pela carga é Considerando um retificador controlado para que o tiristor entre em condução além de estar diretamente polarizado um pulso de tensão positiva deve ser aplicado no gatilho Como o ângulo de disparo foi ajustado em o tiristor só irá conduzir quando a fonte atingir O valor médio de corrente na carga é Pelo ábaco Forma de onda da tensão na fonte CA Forma de onda da tensão e corrente na carga destacando os ângulos de disparo e de extinção de corrente A corrente eficaz na carga é A potência eficaz entrega à carga é Para que tenhamos uma tensão de saída igual a 72 V é preciso ter um ângulo de disparo igual a Considerando o resultado anterior o valor crítico do ângulo para que a corrente da carga não atingisse o zero é Resposta Questão 3 Resolução Para esse projeto seria necessário utilizar um conversor que seja tanto abaixador quanto elevador pois a tensão de entrada varia entre 0 V e 120 V e é preciso manter em 12 V As topologias de conversor adequadas seriam BuckBoost Ćuk Zeta Flyback Forward e Sepic Dando preferência aos circuitos não isolados e de menor ordem possível para esse projeto podemos escolher o conversor BuckBoost e abaixo apresenta o diagrama elétrico Considerando que a tensão da bateria precisa manter em 48 V e a tensão máxima do gerador é 120 V a razão cíclica mínima é Considerando que a tensão mínima de operação do gerador é 20 V a razão cíclica máxima é Considerando que a bateria pode ser representada por uma impedância de 12 Ω quando a tensão do barramento estiver em 80 V e a tensão da bateria estiver regulada em 48 V mantendo 5 de ondulação sobre o valor médio de corrente na carga A frequência do conversor é 2 kHz Sabendo que a razão cíclica é A corrente média no indutor é A variação na corrente do indutor que atende ao valor especificador de 5 é Podemos calcular o valor médio da indutância do conversor Se aumentarmos a frequência para 5 kHz o valor da indutância diminui pois a frequência é inversamente proporcional à indutância O valor máximo da corrente no indutor com frequência de 2 kHz é Considerando a indutância e frequência original de 2kHz a variação de corrente no indutor é Com o objetivo de que a tensão na bateria tenha no máximo 1 de ondulação sobre o valor médio podemos calcular o valor do capacitor de filtro Resposta a BuckBoost Cúk Zeta Flyback Forward e Sepic b BuckBoost c e d e O valor da indutância diminui f g h Questão 4 Resolução Considerando um inversor monofásico em ponte completa com tensão de entrada de O valor RMS de uma tensão com forma de onda quadrada é o mesmo do valor de pico logo o valor RMS da tensão de saída é dado por A tensão de saída não depende do valor da razão cíclica logo para que a tensão de saída seja de 50 V eficazes teremos que modificar o valor da tensão de entrada para A modulação por largura de pulso senoidal SPWM do inglês Sinusoidal Pulse Width Modulation é uma técnica amplamente utilizada em inversores de frequência e controle de motores elétricos para gerar tensões senoidais a partir de uma fonte de tensão contínua CC O primeiro passo é gerar uma referência senoidal que representa a tensão de saída desejada Isso pode ser feito usando um circuito oscilador ou gerador de forma de onda senoidal Em seguida você precisa de uma série de comparadores Cada comparador compara a tensão senoidal de referência com uma forma de onda triangular Gere uma forma de onda triangular usando um circuito apropriado ou um amplificador operacional configurado como um integrador Essa forma de onda triangular atuará como a portadora para a modulação A saída do comparador é um sinal digital que determina se a tensão senoidal de referência está acima ou abaixo da forma de onda triangular em um determinado ponto no tempo Isso resulta em uma forma de onda digital de pulsos com largura variável E por ultimo para converter o sinal digital de pulsos em um sinal analógico suave você pode passar o sinal pelos filtros passa baixos Apresente a forma de onda de um sinal SPWM BIPOLAR Considerando que em uma instalação elétrica rural é necessário energizar um motor trifásico que acionará uma bomba dagua Para isso um inversor trifásico pode ser implementado em ponte alimentando um motor trifásico fechado em estrela Neste contexto represente a forma de onda de tensão de fase A em relação ao neutro considerando tensão no barramento CC de 310 V com modo de condução 180 Ainda considerando a mesma situação do item acima represente a forma de onda de tensão de linha BC considerando tensão no barramento CC de 310 V Para provar matematicamente que a potência de saída de um inversor em modo de condução de 180 é superior ao mesmo inversor em modo de 120 alimentando uma carga linear balanceada precisamos analisar o comportamento de potência em ambos os casos Primeiro vamos definir algumas variáveis e conceitos Tensão contínua de entrada tensão CC de alimentação do inversor Valor eficaz da tensão de saída Valor eficaz da corrente de saída Potência Agora vamos analisar ambos os modos Modo de Condução 180 Nesse modo o inversor opera com um ângulo de condução de 180 o que significa que os transistores de potência estão conduzindo metade do tempo e desligados metade do tempo durante cada ciclo de tensão Valor eficaz da tensão de saída é diretamente proporcional a A corrente de saída também será diretamente proporcional a e à carga Assumindo uma carga linear balanceada será proporcional a Portanto a potência de saída será proporcional ao quadrado da tensão de saída pois Modo de Condução 120 Nesse modo o inversor opera com um ângulo de condução de 120 o que significa que os transistores de potência estão conduzindo por 120 do ciclo de tensão Valor eficaz da tensão de saída é diretamente proporcional a mas é menor do que em 180 devido ao menor tempo de condução A corrente de saída será proporcional a assim como em 180 Portanto a potência de saída será proporcional ao quadrado da tensão de saída mas com um valor menor devido a ser menor Assim podemos ver que a potência de saída no modo de condução de 180 é maior do que a potência de saída no modo de condução de 120 desde que a carga seja linear balanceada e as condições de operação sejam ideais