Eletrônica de Potência e Acionamentos: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 8 exercícios, com soluções completas no final.

Novos exercíciosVoltar à disciplina

Na janela de impressão, escolha “Salvar como PDF” para guardar uma cópia no seu dispositivo.

1Fórmulas e métodos

Conversores CC-CC

Buck
Vo = D·Vin
Boost
Vo = Vin/(1 − D)
Buck-boost inversor
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
Balanço de potência ideal
VinIin = VoIo
Ondulação do indutor
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
Corrente média no indutor
buck Io; boost e buck-boost Io/(1 − D)
Ondulação da saída
buck ΔIL/(8fC); boost e buck-boost Io·D/(fC)
Limite da CCM
buck (1 − D)R/(2f); boost D(1 − D)²R/(2f); buck-boost (1 − D)²R/(2f)

Método

  1. Identifique o conversor (buck, boost ou buck-boost) e a razão cíclica D a partir da relação de tensões.
  2. Use o equilíbrio volt-segundo no indutor: a tensão média no indutor ao longo de um período é zero.
  3. Encontre a tensão no indutor enquanto a chave conduz e depois ΔIL = VL·D/(L·f).
  4. Para a ondulação da saída, encontre a carga que entra e sai do capacitor; para o limite da CCM, iguale a corrente média no indutor a ΔIL/2.

Motores CC

Circuito de armadura
V = E + IaRa
fcem e torque
E = k·ω, T = k·Ia
Velocidade
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Velocidade a vazio e torque de travamento
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Potências
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Partida
Istart = V/(Ra + Rst)
Regulação de velocidade
SR = (n0 − nFL)/nFL
Potência desenvolvida máxima
Pmax = V²/(4Ra)
Acionamento com chopper
Va = D·Vdc

Método

  1. Desenhe o circuito da armadura: alimentação V, resistência Ra e fcem E em série.
  2. Use V = E + Ia·Ra para relacionar tensão, corrente e fcem.
  3. Use E = k·ω para a velocidade e T = k·Ia para o torque, com ω = 2π·n/60.
  4. Para potência e rendimento, parta de V·Ia, subtraia a perda no cobre Ia²·Ra e depois as perdas rotacionais.

Potência CA e fator de potência

Potência ativa
P = V·I·cos φ
Potência reativa
Q = V·I·sin φ
Potência aparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Fator de potência
pf = cos φ = P/S
Capacitor de correção
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Potência trifásica

Ligação em Y
VL = √3·Vph, IL = Iph
Ligação em Δ
VL = Vph, IL = √3·Iph
Potência ativa total
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Potência aparente e reativa
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Capacitores de correção
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tensão sobre cada capacitor
Δ: VL Y: VL/√3
Potência de entrada do motor
Pin = Pout/η

2Exercícios

1.Conversores CC-CCMédia
+−15 VSL = ?CR+−10,5 V

Um conversor buck ideal converte 15 V em 10,5 V com uma frequência de chaveamento de 20 kHz. Encontre a indutância L que mantém a ondulação pico a pico da corrente no indutor em 0,6 A.

Vin​ = 15 VVo​ = 10,5 Vf = 20 kHzΔIL = 0,6 A
L = µH
2.Conversores CC-CCDifícil
tvo​Vo​ΔV = ?DTT2T

Um conversor buck converte 12 V em 9 V para uma carga de 4 Ω a 500 kHz, com L = 33 µH e C = 22 µF. Encontre a ondulação pico a pico da tensão de saída ΔVo em mV.

Vin​ = 12 VVo​ = 9 Vf = 500 kHzL = 33 µHC = 22 µF
ΔVo = mV
3.Motores CCMédia
+−VRa​M+−En = 1000 rpmT = ?

Um motor CC fornece 0,75 kW de potência mecânica a 1000 rpm. Encontre o torque no eixo T.

P = 0,75 kWn = 1000 rpm
T = N·m
4.Motores CCDifícil
+−110 VRa​ = 1,5 ΩIa​: 5 → 2 AM+−En = ?T

Um motor CC de excitação independente em 110 V (Ra = 1,5 Ω) gira a 1000 rpm com uma corrente de armadura de 5 A. A carga muda e a corrente passa a 2 A, com o campo inalterado. Encontre a nova velocidade n2.

V = 110 VRa = 1,5 Ωn1 = 1000 rpmIa1 = 5 AIa2 = 2 A
n2 = rpm
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 16 kWQ = ?Sφ

Um motor monofásico consome 16 kW com fator de potência 0,85 indutivo de uma fonte de 400 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.

P = 16 kWpf = 0,85V = 400 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
230 V50 Hzcarga6 kW, 0,65C100 µFI

Uma carga monofásica consome 6 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma fonte de 230 V, 50 Hz. Um capacitor de 100 µF é ligado em paralelo com a carga. Encontre o novo fator de potência cos φ visto pela fonte.

P = 6 kWpf1 = 0,65V = 230 Vf = 50 HzC = 100 µF
cos φ =
7.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 400 VNZ = 7 + j24 Ωpor fase

Uma carga equilibrada ligada em Y com impedância de 7 + j24 Ω por fase está ligada a uma alimentação trifásica equilibrada com tensão de linha de 400 V. Encontre a potência ativa total P absorvida pela carga em kW.

VL = 400 VZ = 7 + j24 Ω por fase
P = kW
8.Potência trifásicaDifícil
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 250 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma alimentação de 400 V (tensão de linha), 60 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,9 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.

P = 250 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar

3Soluções

1.Conversores CC-CC

Resposta: L = 262,5 µH

Conversores CC-CC: uma chave S conduz durante a fração D de cada período T = 1/f. Em regime permanente a tensão média no indutor é zero (equilíbrio volt-segundo), o que dá as relações de conversão ideais em condução contínua: buck Vo = D·Vin, boost Vo = Vin/(1 − D), buck-boost inversor |Vo| = Vin·D/(1 − D). Um conversor ideal conserva a potência: Vin·Iin = Vo·Io. Enquanto S conduz, a corrente no indutor sobe ΔIL = VL·D·T/L, com VL = Vin − Vo no buck e Vin no boost e no buck-boost. A ondulação da saída é ΔVo = ΔIL/(8fC) no buck e Io·D/(fC) no boost e no buck-boost. A corrente no indutor apenas toca o zero (o limite da CCM) quando a corrente média no indutor é igual a ΔIL/2.

Ciclo de trabalho

D = 10,5/15 = 0,7

Indutância

L = 4,5·0,7/(0,6·20·10³) = 262,5 µH

Resposta

L = 262,5 µH
2.Conversores CC-CC

Resposta: ΔVo = 1,55 mV

Conversores CC-CC: uma chave S conduz durante a fração D de cada período T = 1/f. Em regime permanente a tensão média no indutor é zero (equilíbrio volt-segundo), o que dá as relações de conversão ideais em condução contínua: buck Vo = D·Vin, boost Vo = Vin/(1 − D), buck-boost inversor |Vo| = Vin·D/(1 − D). Um conversor ideal conserva a potência: Vin·Iin = Vo·Io. Enquanto S conduz, a corrente no indutor sobe ΔIL = VL·D·T/L, com VL = Vin − Vo no buck e Vin no boost e no buck-boost. A ondulação da saída é ΔVo = ΔIL/(8fC) no buck e Io·D/(fC) no boost e no buck-boost. A corrente no indutor apenas toca o zero (o limite da CCM) quando a corrente média no indutor é igual a ΔIL/2.

Ciclo de trabalho

D = 9/12 = 0,75

Ondulação de corrente no indutor

ΔIL = (12 − 9)·0,75/(33·10⁻⁶·500·10³) = 0,1364 A

Ondulação da saída

ΔVo = 0,1364/(8·500·10³·22·10⁻⁶) = 1,55 mV

Resposta

ΔVo = 1,55 mV
3.Motores CC

Resposta: T = 7,162 N·m

Motor CC: a armadura é uma resistência Ra em série com a força contraeletromotriz (fcem) E, de modo que V = E + Ia·Ra. A fcem cresce com a velocidade, E = k·ω, e o torque com a corrente, T = k·Ia, com a mesma constante do motor k (V·s/rad = N·m/A) em unidades SI. Converta velocidades com ω = 2π·n/60. A potência desenvolvida é E·Ia = T·ω; a potência de entrada é V·Ia, e a perda no cobre Ia²Ra e a perda rotacional fazem a diferença. A velocidade cai em linha reta com o torque, ω = V/k − Ra·T/k², da velocidade a vazio V/k até zero no torque de travamento k·V/Ra. Com o motor parado E = 0, então a corrente de partida V/Ra é grande, a menos que um resistor a limite.

Velocidade em rad/s

ω = 2π·1000/60 = 104,7 rad/s

Torque

T = P/ω = 750/104,7 = 7,162 N·m

Resposta

T = 7,162 N·m
4.Motores CC

Resposta: n2 = 1044 rpm

Motor CC: a armadura é uma resistência Ra em série com a força contraeletromotriz (fcem) E, de modo que V = E + Ia·Ra. A fcem cresce com a velocidade, E = k·ω, e o torque com a corrente, T = k·Ia, com a mesma constante do motor k (V·s/rad = N·m/A) em unidades SI. Converta velocidades com ω = 2π·n/60. A potência desenvolvida é E·Ia = T·ω; a potência de entrada é V·Ia, e a perda no cobre Ia²Ra e a perda rotacional fazem a diferença. A velocidade cai em linha reta com o torque, ω = V/k − Ra·T/k², da velocidade a vazio V/k até zero no torque de travamento k·V/Ra. Com o motor parado E = 0, então a corrente de partida V/Ra é grande, a menos que um resistor a limite.

fcem antes e depois

E1 = 110 − 5·1,5 = 102,5 V
E2 = 110 − 2·1,5 = 107 V

Nova velocidade

n2 = 1000·107/102,5 = 1044 rpm

Resposta

n2 = 1044 rpm
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 9,916 kvar

Potência CA: a potência aparente S = V·I (VA) se divide em potência ativa P = S·cos φ (W), que realiza trabalho útil, e potência reativa Q = S·sin φ (var), que vai e volta entre fonte e carga. O fator de potência é cos φ. Um capacitor em paralelo fornece potência reativa localmente, então a corrente de linha cai para a mesma potência ativa.

Ângulo

φ = arccos(0,85) = 31,79°, tan φ = 0,6197

Potência reativa

Q = P·tan φ = 16·0,6197 = 9,916 kvar

Resposta

Q = 9,916 kvar
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: cos φ = 0,7462

Potência CA: a potência aparente S = V·I (VA) se divide em potência ativa P = S·cos φ (W), que realiza trabalho útil, e potência reativa Q = S·sin φ (var), que vai e volta entre fonte e carga. O fator de potência é cos φ. Um capacitor em paralelo fornece potência reativa localmente, então a corrente de linha cai para a mesma potência ativa.

Potência reativa antes e depois

A potência ativa P não muda; só muda a potência reativa tirada da rede.

Q1 = 6·tan(arccos 0,65) = 7,015 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·100·10⁻⁶ = 1662 var = 1,662 kvar
Q2 = 7,015 − 1,662 = 5,353 kvar

Nova potência aparente

S2 = √(6² + 5,353²) = 8,041 kVA

Novo fator de potência

cos φ = P/S2 = 6/8,041 = 0,7462

Resposta

cos φ = 0,7462
7.Potência trifásica

Resposta: P = 1,792 kW

Sistemas trifásicos equilibrados: em uma ligação Y (estrela) a tensão de linha é √3 vezes a tensão de fase, VL = √3·Vph, e a corrente de linha é igual à corrente de fase. Em uma ligação Δ (triângulo) a tensão de linha é igual à tensão de fase e a corrente de linha é √3 vezes a corrente de fase, IL = √3·Iph. A potência total é três vezes a potência de uma fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Tensão de fase

Vph = 400/√3 = 230,9 V

Corrente de fase

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
Iph = 230,9/25 = 9,238 A

Potência ativa total

Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.

P = 3·Iph²·R = 3·9,238²·7 = 1,792 kW

Resposta

P = 1,792 kW

Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,28, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.

8.Potência trifásica

Resposta: QC = 171,2 kvar

Sistemas trifásicos equilibrados: em uma ligação Y (estrela) a tensão de linha é √3 vezes a tensão de fase, VL = √3·Vph, e a corrente de linha é igual à corrente de fase. Em uma ligação Δ (triângulo) a tensão de linha é igual à tensão de fase e a corrente de linha é √3 vezes a corrente de fase, IL = √3·Iph. A potência total é três vezes a potência de uma fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Correção do fator de potência: os capacitores fornecem potência reativa localmente, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Cada um dos três capacitores fornece QC/3 = V²·ω·C, onde V é a tensão sobre aquele capacitor: VL em um banco em Δ, VL/√3 em um banco em Y.

Potência reativa antes e depois

A potência ativa não muda, então cada fator de potência fixa a potência reativa: Q = P·tan φ.

Q1 = 250·tan(acos 0,65) = 250·1,169 = 292,3 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,9) = 250·0,4843 = 121,1 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 171,2 kvar

Resposta

QC = 171,2 kvar

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics