ATIVIDADE 1 - ELETRÔNICA DE POTÊNCIA - 53_2024
ATIVIDADE DE ESTUDO 1 – ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
Instruções:
- Esta é uma atividade de entrega INDIVIDUAL.
- Trabalhos com cópias indevidas integrais ou parciais de outros alunos ou da Internet terão desconto na nota final.
- A sua resolução deve ser feita utilizando um documento de texto, pois ao final da sua atividade, você irá entregar apenas UM ARQUIVO com suas respostas. O arquivo a ser entregue deve ser dos formatos DOC / DOCX ou PDF.
- Se você usa OPEN OFFICE ou MAC, transforme o arquivo em PDF para evitar incompatibilidades.
- Se você fez a atividade (ou parte dela) a mão, você deve digitalizar ou tirar fotos da sua atividade e colocar estas imagens dentro do seu arquivo de resposta que será entregue .
- O arquivo de resposta preenchido pode ter quantas páginas você precisar para respondê-lo.
- Coloque um nome simples no seu arquivo para não se confundir no momento de envio.
- Antes de clicar em FINALIZAR, certifique-se de que você está enviando o arquivo correto! É a atividade da disciplina certa? Uma vez finalizado você não poderá mais modificar o arquivo. Sugerimos que você clique no link gerado da sua atividade e faça o download para conferir se está de acordo com o arquivo entregue.
Boa atividade a todos!
Prof. Igor Henrique N. Oliveira
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).
- 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.
- 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.
- 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?
- b) Qual o valor médio de corrente na carga considerando a mesma situação do item a)?
- c) Qual o valor da potência, em Watts, absorvida pela carga RL?
Obs.: considere a 4ª ordem como a maior da série.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
