Post on 22-Jan-2017
Curso: Sistemas Eletroeletrônicos Automotivos
Disciplina: Geração, Armazenamento e Distribuição de Energia
Dispositivos de Acionamentos e Comutação
Professor: Lauro de Vilhena Brandão Machado Neto
Pós Graduação Lato Sensu Engenharia Automotiva
• O conjunto alternador e bateria;
• Cabeamento e instalação elétrica;
• O ambiente do sistema elétrico automotivo;
• Chaveadores de potência;
• Conversores alimentados em corrente contínua e corrente alternada;
• Técnicas de Modulação.
Unidade 2 – O Sistema Elétrico e a Eletrônica
de Potência
2.1 O Conjunto Alternador e Bateria
Novas fontes de propulsão,
complementos energéticos
e sistemas de reserva:
alternativas,
combinações, etc.
2.1 O Conjunto Alternador e Bateria
Fontes de energia com característica caótica /
estocástica / aleatória - Perfis de percurso:
2.1 O Conjunto Alternador e Bateria
Simulação alternador: :
Tensão na saída do retificador OC
Corrente no rotor do alternador
Tensão na saída do retificador MO
Velocidade do eixo do alternador
Tensões na saída do alternador
• Cargas elétricas individuais: > de 200
• Potências médias e instantâneas: > 800 W e > 6000 W
• Fatores que afetam os sistemas eletroeletrônicos:
• Faixas de variação de tensão (estática e dinâmica)
• Interferências e compatibilidades por rádio frequência e eletromagnéticas (RFI/EMI/EMC)
• Vibrações e choques mecânicos
• Temperatura e condições ambientais
2.3 O ambiente
do sistema elétrico
automotivo
Delta de tensão em SEA
• Tensão nominal com motor ligado: 14,2 V
• Tensão nominal com motor desligado: 12,6 V
• Tensão de operação máxima: 16 V
• Tensão de operação mínima: 9 V
• Tensão mínima durante partida: 4,5 V
• Tensão máxima (bateria descarregada): 24 V
• Tensão reversa: -12 V
• Tensão máxima (falha no regulador/bateria): 130 V
Transientes e compatibilidade eletromagnética
• Emissões por irradiação e condução
• O equipamento não deve emitir emissões
• Imune à distúrbios irradiados e conduzidos (Suscetibilidade)
• Normas, padrões e recomendações práticas – SAE J1113
• Focos aqui:
• Transientes nos condutores de alimentação
• Limitação de emissões conduzidas
• Ensaios de transientes: definição dos tipos de pulsos – SAE J1113/11
• Fontes de transientes: acionamento de cargas indutivas (solenoides, motores, embreagens, etc.)
• Pulso de ensaio 1: simula o transiente gerado quando uma carga indutiva é desconectada da bateria e o dispositivo sob ensaio continua em paralelo
Transientes e compatibilidade eletromagnética
• Pulso de ensaio 2a: simula o transiente quando a corrente em um elemento indutivo em série com o dispositivo sob ensaio é interrompida
• Pulso de ensaio 2b: simula o transiente gerado quando uma máquina CC é desconectada da bateria
Transientes e compatibilidade eletromagnética
• Pulsos de ensaio 3a e 3b: simula o transiente quando ocorrem picos devido ao chaveamento de cargas no barramento
• Pulso de ensaio 4: simula o transiente de tensão que ocorre na partida
Transientes e compatibilidade eletromagnética
• Pulsos de ensaio 5: load dump - ocorre quando a corrente de carga do alternador decai bruscamente e a bateria não é capaz de amortecer esta mudança. Isto pode ocorrer quando a bateria é desconectada enquanto drena alta corrente. Isto se deve à interação entre as reatâncias do alternador (campo), elementos retificadores e regulador de tensão. Este transiente pode provocar picos de tensão de até 120 V com duração de centenas de milissegundos. O pulso de ensaio é simulado por uma forma de onda de corrente em paralelo com um resistor de saída
Interferências eletromagnéticas
• Limites de interferência que os equipamentos podem gerar (Irradiada e condução) – SAE J1113
• Foco: limitação de emissões por condução nos condutores de alimentação para a especificação de filtros EMI
• Especificações de EMI conduzidas: limita o ripple que o circuito eletrônico pode injetar no barramento de tensão em uma determinada faixa de frequência
• Ensaio:
• Utilização de uma Rede de Estabilização da Impedância de Linha – REIL (Line Impedance Stabilization Network – LISN ou Artificial Mains Network – AN) entre o barramento e o equipamento sob ensaio para eliminar qualquer variação da impedância do barramento, eliminando, desta forma, a quantidade de ripple injetada
• Especificações: ripple de tensão permitido (dBµV) em função da frequência
• Projeto de filtros: filtros passa-baixa frequências de estágio único ou multiestágio
Interferências eletromagnéticas
• Ensaio:
• Rede de Estabilização da Impedância de Linha – REIL (Line Impedance Stabilization Network – LISN ou Artificial Mains Network – AN)
Considerações ambientais
• Fatores ambientais: temperatura, umidade, choque mecânico, vibração, imersão, névoa salina e exposição à areia, cascalho, óleo e outros produtos químicos - Norma SAE J1211 – 1978.
• Temperatura:
• Equipamentos refrigerados à ar ou água
• Altitude reduz pressão atmosférica que reduz a eficiência na transferência de calor
• Ciclagem térmica e choque térmico: efeito na confiabilidade
2.5 Conversores alimentados em CA e CC
Retificador monofásico de meia-onda não-controlado:
𝑉𝑚é𝑑 = 1
2𝜋. 𝐸𝑎 . 𝑑𝜔𝑡 + 𝑉𝑚á𝑥. 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡)
𝛽
𝜃1
. 𝑑𝜔𝑡 + 𝐸𝑎. 𝑑𝜔𝑡𝜃1+2𝜋
𝛽
𝜃1
0
𝐼𝑚é𝑑 = 𝑉𝑚é𝑑−𝐸𝑎
𝑅
𝑉𝑟𝑚𝑠 = 1
2𝜋. (𝐸𝑎)2 . 𝑑𝜔𝑡 + (𝑉𝑚á𝑥. 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡))2
𝛽
𝜃1
. 𝑑𝜔𝑡 + (𝐸𝑎)2. 𝑑𝜔𝑡𝜃1+2𝜋
𝛽
𝜃1
0
𝑉𝑐𝑎 = 𝑉𝑟𝑚𝑠 2 − 𝑉𝑚é𝑑 2
𝐹𝑅% = 𝑉𝑐𝑎
𝑉𝑚é𝑑 .100
2.5 Conversores alimentados em CA e CC
Retificador monofásico de onda-completa não-controlado:
𝐼𝑚é𝑑 = 𝑉𝑚é𝑑−𝐸𝑎
𝑅
𝐹𝑅% = 𝑉𝑐𝑎
𝑉𝑚é𝑑 .100
𝑉𝑚é𝑑 = 2
2𝜋. 𝑉𝑚á𝑥. 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡) . 𝑑𝜔𝑡
𝜋
0
𝑉𝑟𝑚𝑠 = 2
2𝜋. 𝑉𝑚á𝑥. 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡
𝜋
0
2 . 𝑑𝜔𝑡
𝑉𝑐𝑎 = 𝑉𝑟𝑚𝑠 2 − 𝑉𝑚é𝑑 2
2.5 Conversores alimentados em CA e CC
Retificador trifásico de meia-onda não-controlado:
𝐼𝑚é𝑑 = 𝑉𝑚é𝑑−𝐸𝑎
𝑅
𝑉𝑐𝑎 = 𝑉𝑟𝑚𝑠 2 − 𝑉𝑚é𝑑 2
𝐹𝑅% = 𝑉𝑐𝑎
𝑉𝑚é𝑑 .100
𝑉𝑚é𝑑 = 3
2𝜋. 𝑉𝑚á𝑥𝐹𝑁. 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡) . 𝑑𝜔𝑡
150°
30°
𝑉𝑟𝑚𝑠 = 3
2𝜋. 𝑉𝑚á𝑥𝐹𝑁. 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡
150°
30°
2
. 𝑑𝜔𝑡
2.5 Conversores alimentados em CA e CC
Retificador trifásico de onda-completa não-controlados:
𝐼𝑚é𝑑 = 𝑉𝑚é𝑑−𝐸𝑎
𝑅
𝑉𝑐𝑎 = 𝑉𝑟𝑚𝑠 2 − 𝑉𝑚é𝑑 2
𝐹𝑅% = 𝑉𝑐𝑎
𝑉𝑚é𝑑 .100
𝑉𝑚é𝑑 = 6
2𝜋. 3. 𝑉𝑚á𝑥. 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡) . 𝑑𝜔𝑡
120°
60°
𝑉𝑟𝑚𝑠 = 6
2𝜋. 3. 𝑉𝑚á𝑥. 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡
120°
60°
2
. 𝑑𝜔𝑡
2.5 Conversores alimentados em CA e CC
Retificador monofásico de meia-onda controlado:
𝐼𝑚é𝑑 = 𝑉𝑚é𝑑−𝐸𝑎
𝑅
𝑉𝑐𝑎 = 𝑉𝑟𝑚𝑠 2 − 𝑉𝑚é𝑑 2
𝐹𝑅% = 𝑉𝑐𝑎
𝑉𝑚é𝑑 .100
𝑉𝑚é𝑑 = 1
2𝜋. 𝐸𝑎 . 𝑑𝜔𝑡 + 𝑉𝑚á𝑥. 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡)
𝛽
𝜃𝑑
. 𝑑𝜔𝑡 + 𝐸𝑎. 𝑑𝜔𝑡2𝜋
𝛽
𝜃𝑑
0
𝑉𝑟𝑚𝑠 = 1
2𝜋. (𝐸𝑎)2 . 𝑑𝜔𝑡 + (𝑉𝑚á𝑥. 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡))2
𝛽
𝜃𝑑
. 𝑑𝜔𝑡 + (𝐸𝑎)2. 𝑑𝜔𝑡2𝜋
𝛽
𝜃𝑑
0
2.5 Conversores alimentados em CA e CC
Retificador monofásico de onda-completa controlado:
𝐼𝑚é𝑑 = 𝑉𝑚é𝑑−𝐸𝑎
𝑅
𝑉𝑐𝑎 = 𝑉𝑟𝑚𝑠 2 − 𝑉𝑚é𝑑 2
𝐹𝑅% = 𝑉𝑐𝑎
𝑉𝑚é𝑑 .100
𝑉𝑚é𝑑 = 2
2𝜋. 𝑉𝑚á𝑥. 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 𝑑𝜔𝑡
𝜃𝑑 +𝜋
𝜃𝑑
𝑉𝑟𝑚𝑠 = 2
2𝜋. 𝑉𝑚á𝑥. 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡
2𝑑𝜔𝑡
𝜃𝑑+𝜋
𝜃𝑑
2.5 Conversores alimentados em CA e CC
Retificador trifásico de meia-onda controlado:
𝐼𝑚é𝑑 = 𝑉𝑚é𝑑−𝐸𝑎
𝑅
𝑉𝑐𝑎 = 𝑉𝑟𝑚𝑠 2 − 𝑉𝑚é𝑑 2
𝐹𝑅% = 𝑉𝑐𝑎
𝑉𝑚é𝑑 .100
𝑉𝑟𝑚𝑠 = 3
2𝜋. (𝑉𝑚á𝑥. 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡))2
𝜃𝑑+2𝜋/3
𝜃𝑑
. 𝑑𝜔𝑡
𝑉𝑚é𝑑 = 3
2𝜋. 𝑉𝑚á𝑥. 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡
𝜃𝑑+2𝜋/3
𝜃𝑑
. 𝑑𝜔𝑡
2.5 Conversores alimentados em CA e CC
Retificador trifásico de onda-completa controlado:
𝐼𝑚é𝑑 = 𝑉𝑚é𝑑−𝐸𝑎
𝑅
𝑉𝑐𝑎 = 𝑉𝑟𝑚𝑠 2 − 𝑉𝑚é𝑑 2
𝐹𝑅% = 𝑉𝑐𝑎
𝑉𝑚é𝑑 .100
𝑉𝑚é𝑑 = 6
2𝜋. 3. 𝑉𝑚á𝑥. 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡)
𝜃𝑑 +𝜋/2
𝜃𝑑 +𝜋/6
. 𝑑𝜔𝑡
𝑉𝑟𝑚𝑠 = 6
2𝜋. ( 3. 𝑉𝑚á𝑥. 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡))2
𝜃𝑑+𝜋/2
𝜃𝑑 +𝜋/6
. 𝑑𝜔𝑡
2.5 Conversores alimentados em CA e CC Chopper abaixador de tensão – Conversor Buck:
Smo kVV k = TON/T
2.5 Conversores alimentados em CA e CC Chopper abaixador-elevador de tensão – Conversor Buck-Boost:
k1
kVV Smo
2.5 Conversores alimentados em CA e CC Chopper abaixador-elevador de tensão – Conversores Cuk, SEPIC e Zeta:
2.5 Conversores alimentados em CA e CC Conversores CC/CA (Inversores):
COMANDO
TENSÃO NA CARGA
FFT DA TENSÃO NA CARGA
.
2.5 Conversores alimentados em CA e CC Conversores CC/CA (Inversores):
fw 2 T
0
2
RMS dttvT
1V
n
nxsenxdxnxsen
4
2
2
2 R
VI RMS
RMS tnsenn
Vtv
n
S
O
,...5,3,1
4
1
,..5,3
2
V
V
THDn
n
2
1
2
RMS
,..5,3n
2
n VVV
fw 2 T
0
2
RMS dttvT
1V
n
nxsenxdxnxsen
4
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Vtv
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S
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V
THDn
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n
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VI RMS
RMS tnsenn
Vtv
n
S
O
,...5,3,1
4
1
,..5,3
2
V
V
THDn
n
2
1
2
RMS
,..5,3n
2
n VVV