EE833 - Eletrônica de Potência - Graduação

Contexto da disciplina

Aproximadamente no ano 2000, em uma atualização do catálogo de disciplinas do curso de Engenharia Elétrica, em um contexto de redução de carga horária, as antigas disciplinas EE831 (Eletrônica Industrial, 4 créditos) e EE832 (Laboratório de Eletrônica Industrial, 2 créditos) foram substituídas por EE833 (Eletrônica de Potência, 4 créditos). Ao longo dos anos a disciplina segue se atualizando, em especial com a renovação e melhoria da parte experimental.

Um dos aspectos inovadores desta iniciativa é conciliar em uma única disciplina tanto aulas teóricas quanto atividades experimentais. Para o bom andamento do curso, é recomendável que o mesmo professor seja responsável tanto pelas aulas teóricas quanto pelas de laboratório, de modo que seja possível articular corretamente os temas abordados. Isso requer do docente, além do conhecimento da teoria da disciplina, uma familiaridade com os circuitos de potência e suas não-idealidades, com os circuitos integrados de comando e controle e com as diferentes aplicações exploradas, além do correto uso do instrumental de laboratório.

Ainda no contexto da referida reforma curricular, visando uma redução do encadeamento de pré-requisitos, foi estabelecido que a disciplina tem como pré-requisito EE533 (Eletrônica Básica). O catálogo do curso (periodo integral) sugere realizar EE533 no sexto semestre e EE833 no oitavo semestre. Neste momento do curso, seguindo estritamente o catálogo sugerido, o estudante já cursou as disciplinas de princípios de conversão de energia, máquinas elétricas, eletrônica II e princípios de controle. Por não serem pré-requisitos, nem todos os estudantes têm o mesmo embasamento. Isso requer do docente um cuidado adicional na apresentação de aspectos do curso que fazem uso de conceitos de tais disciplinas, em especial nas atividades de laboratório.

Enquanto as aulas de teoria focalizam os temas diretamente afeitos à Eletrônica de Potência, ou seja, as topologias de conversores, suas aplicações, características e princípios de dimensionamento, as atividades de laboratório procuram adicionar contextos de aplicações reais. Assim, vários dos experimentos realizam o percurso completo de uma aplicação, desde o funcionamento do conversor, passando pela sua caracterízação estática e, às vezes, dinâmica, com o uso de circuitos de comando e controle comerciais, chegando ao controle em malha fechada relacionado a alguma aplicação típica da topologia. A estrutura das atividades experimentais foi apresentada em um artigo publicado em Eletrônica de Potência em 2020, com acesso em: https://journal.sobraep.org.br/index.php/rep/article/view/229/223

As atividades experimentais são precedidas de exercícios de simulação em PSpice (em qualquer versão). Os exercícios propostos (disponíveis na sequência) estão diretamente relacionados com as atividades a serem desenvolvidas no laboratório e são entregues pelos estudantes antes do experimento. A atividade de abertura das aulas de laboratório é uma discussão dos resultados das simulações, vinculando-os com o que será objeto da atividade prática.

Para conciliar a nova disciplina com a quantidade de estudantes dos cursos de Engenharia Elétrica em período integral (70 vagas/ano) e noturno (30 vagas/ano), a infraestrutura do laboratório de ensino foi expandida para 10 bancadas, totalizando uma capacidade de 30 alunos/turma. No semestres ímpares (turma noturno) é aberta uma turma e nos semestres pares, são abertas de duas a três turmas, a depender da demanda indicada pela Diretoria Acadêmica.

Programa: 

Objetivos gerais: O objetivo é familiarizar o estudante com diferentes topologias de conversores eletrônicos de potência, identificando aplicações industriais típicas. Objetiva-se também desenvolver a capacidade de interpretar circuitos e formas de onda, possibilitando a análise dos conversores. São estudados conversores CA-CC (retificadores); CA-CA (reguladores CA e cicloconversores); CC-CC (fontes chaveadas e choppers), CC-CA (inversores). Para cada uma destas estruturas são considerados os dispositivos semicondutores de potência mais indicados: diodos, tiristores, MOSFETs, IGBTs. Na parte laboratorial também são estudados sensores, CIs dedicados e estratégias de controle. As experiências são organizadas de modo a solicitar do estudante a análise dos fenômenos observados nos circuitos e nas cargas alimentadas.

A parte experimental possui sete atividades. As sessões de laboratório são de duas horas, de modo que alguns experimentos ocorrem em duas sessões.

Módulo 1: Retificadores não-controlados (diodos): retificadores mono e trifásico. Filtros L, C e LC. Análise do fator de potência e da distorção harmônica da corrente. Comutação.

Módulo 2: Circuitos com tiristores: características de tiristores, controle de fase com TCA780, alimentação de carga resistiva e acionamento de motor cc com controle de velocidade.

Módulo 3: Circuitos com TRIAC: controle por ciclos inteiros com CA3059, alimentação de carga resistiva e controle de temperatura, flutuação de tensão.

Módulo 4: Caracterização de dispositivos semicondutores rápidos de potência: diodos rápidos, lentos e Schottky; transistor bipolar, MOSFET e IGBT. Circuitos de acionamento, carga resistiva e indutiva, perdas de comutação.

Módulo 5: Circuitos com transistores MOSFET: aplicação em fonte chaveada operando com CI3524, Modulação por Largura de Pulso, modos de condução contínua e descontínua, com controle da tensão de saída. Snubber de desligamento.

Módulo 6: Circuitos com IGBTs: geração de sinais MLP em modulação de três níveis, para comando de inversor monofásico para obtenção de tensão alternada senoidal. Análise de resposta de filtro LC com carga linear e não-linear. Operação em malha fechada.

Módulo 7: Circuitos com IGBTs: inversor alimentando carga indutiva com controle de fluxo. Acionamento de  motor trifásico com ajuste de velocidade e comando por microcontrolador.  

As aulas teóricas e práticas se alternam, devendo manter o sincronismo entre os tópicos.

Em princípio, com aulas de duas horas, são previstas 12 sessões de laboratório, duas sessões de avaliação presencial, duas sessões de resolução de exercícios e 14 sessões teóricas, totalizando as 60 horas do curso.

O oferecimento sempre conta com um auxiliar didático (Programa de Estágio Docente - PED, para alunos de pós-graduação) que dá suporte, principalmente, no atendimento extra-classe e nas aulas de laboratório.

Exercícios preparatórios (simulações em PSpice).

Esses exercícios são rotineiramente alterados a cada edição do curso. As alterações normalmente são paramétricas, mantendo a estrutura da proposição, mas com resultados diferentes a cada semestre. A versão em uso é disponibilizada através do Moodle.

Exercícios para a 1ª Experiência (Principais conceitos explorados: edição de esquemático, uso do probe, análise no domínio do tempo, uso de FFT, distorção harmônica)
Exercícios para a 2ª Experiência (Principais conceitos explorados: características de tiristor, edição de modelos PSpice, cargas passivas e ativas, alimentação de motor CC)
Exercícios para a 3ª Experiência (Principais conceitos explorados: características de TRIAC, snubber, controle de fase e controle de ciclos inteiros)
Exercícios para a 4ª Experiência (Principais conceitos explorados: características de comutação de diodos e transistores de potência, efeitos parasitas capacitivos e indutivos, circuitos de comando, perdas de comutação)
Exercícios para a 5ª Experiência (Principais conceitos explorados: condução contínua e descontínua, CI3524, análise CA, controle em malha fechada e estabilidade)
Exercícios para a 6ª Experiência (Principais conceitos explorados: modulação PWM 3 níveis, resposta em frequência e no tempo de filtro LC com e sem amortecimento, carga linear e não linear)
Exercícios para a 7ª Experiência (Principais conceitos explorados: não linearidade de núcleo magnético, controle de fluxo por V/f constante)

Calendário e Critério de Avaliação - Ajustado a cada oferecimento e divulgado pelo Moodle

Breve História da Eletricidade Industrial e da Eletrônica de Potência (apresentação na aula inicial do curso, procurando contextualizar o surgimento da Eletrônica de Potência e sua relevância).

Os materiais de suporte (apostilas e slides) são disponibilizados aos estudantes através o Moodle. Também pelo Moodle são recebidos os exercícios de simulação e disponibilizadas as avaliações (notas das provas e dos roteiros de laboratório).

Textos de apoio

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Slides das apresentações (complementa textos de apoio)

Exercícios de simulação são baseados no programa PSpice por conta dos melhores modelos dos dispositivos semicondutores de potência.
Versões livres e suficiente para os exercícios, podem ser obtida em: Simuladores

Referências Bibliográficas: 
· M. H. Rashid: Power Electronics, Circuits, Devices and Applications. 4nd. Edition, Prentice-Hall, 2014 (Livro texto) 
· Mohan, Undeland and Robbins: Power Electronics: Converters, Applications and Design. 2nd. Edition, John Wiley, 1994. 
· Apostilas diversas disponíveis na página acadêmica de José Antenor Pomilio