Conversores Eletrónicos de Potência

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Conversor
Conversores eletrónicos de potência
CONTEÚDO
1. Objetivos
2. Introdução aos conversores
3. Tipos de conversores
4. Parâmetros característicos
5. Série de Fourier
6. Resumo
7. Bibliografia
Conversor | 3
Objetivos
• Conhecer os diferentes tipos de conversores e 
identificar em que aplicações/dispositivos 
podem ser encontrados.
• Analisar diferentes índices de desempenho como 
medida de qualidade num sistema conversor.
• Abordar a análise e o estudo dos circuitos 
conversores a partir das séries de Fourier.
INTRODUÇÃO AOS 
conversores
Como já se viu na unidade anterior, a energia elétrica 
produzida e consumida está presente em 
diferentes formatos: corrente contínua, corrente alternada 
monofásica, corrente alternada trifásica, corrente pulsada, 
etc. É necessário, portanto, conceber elementos de 
conversão que transformem a energia com o maior 
rendimento possível.
O conversor é o módulo básico de um sistema de 
potência que tem como objetivo a conversão da 
energia elétrica entre dois formatos distintos. Em 
geral, um conversor controla e molda a magnitude 
elétrica de entrada Vi, a frequência fi e o número de 
fases
• Conversores CC-CA. Também conhecidos como 
inversores. Este tipo de conversores transforma a 
energia elétrica de corrente contínua em 
corrente alternada. Desta forma, é possível 
controlar tanto a frequência como o valor 
efetivo da tensão ou intensidade de saída, o 
que os torna fundamentais para a conceção de 
acionamentos baseados em máquinas assíncronas e 
síncronas. Em determinadas aplicações, estarão 
associados a um retificador.
• Conversores CC-CC. Permitem transformar um 
determinado valor de corrente contínua de entrada 
num valor diferente na saída, com a possibilidade 
de incluir, além disso, isolamento galvânico entre a 
entrada e a saída. A sua utilização restringe-se a 
sistemas embarcados, onde a distribuição de 
energia é feita em corrente contínua, ou, em 
algumas situações especiais, a sua 
utilização combinada com retificadores não 
controlados permite projetar conversores CA/CC 
com um melhor fator de potência.
Retificação
φi, numa grandeza elétrica de saída Vo, frequência fo e 
número de fases φo. A potência pode fluir de 
forma reversível, trocando-se os papéis entre a 
entrada e a saída.
Ao analisar um conversor, devem ser tidos em conta 
aspetos como a eficiência, a reversibilidade,
Conversão 
CA - CA
Inversão
Conversão 
CC - CC
fiabilidade, volume ou tecnologia, entre outros.
Tipos de conversores
A primeira classificação a ser feita para os 
conversores de potência baseia-se nos quatro tipos de 
conversão possíveis. Seguindo o exemplo de uma 
aplicação real, menciona-se em primeiro lugar o tipo de 
energia disponível na entrada do conversor, seguido do 
formato da energia na saída do mesmo (figura 1).
• Conversores CA-CC. Conhecidos como 
retificadores, transformam a corrente alternada de 
entrada, tanto monofásica como trifásica, em 
corrente contínua.
• Conversores CA-CA. São utilizados com o 
objetivo de modificar o valor efetivo da tensão de 
entrada, mantendo a sua frequência. Ou então, 
permitem obter uma tensão de saída cuja 
frequência é um submúltiplo da frequência de 
entrada. Estes últimos são os chamados 
cicloconversores.
Figura 1. Conversões entre sistemas de energia elétrica.
Existem também outras classificações, que incluem como 
características determinantes:
• O tipo de semicondutor utilizado
• O modo de comutação
• O tipo de aplicação
Tendo em conta o tipo de comutação, distingue-se 
entre:
• Comutação natural. Quando a fonte de tensão 
primária, presente num dos lados do conversor, 
facilita a passagem para o estado de corte dos 
semicondutores. Além disso, esses 
semicondutores passam para o estado de 
condução em fase com a frequência da 
tensão de entrada. Exemplos disso são: 
retificadores, reguladores de corrente alternada e 
cicloconversores.
• Comutação forçada. Quando os comutadores 
controláveis são levados ao estado de corte e de 
condução a frequências superiores à frequência da 
rede. Destacam-se: cortadores, inversores e 
onduladores autónomos.
Por fim, a Tabela 1 apresenta as aplicações 
industriais de cada um dos conversores 
mencionados.
Conversor | 4
0
V2 (t)dt
T
∫
1
T
Conversor Aplicações
Retificadores
• Alimentação de todo o tipo de sistemas eletrónicos que necessitem de energia elétrica sob a
forma de corrente contínua.
• Controlo de motores de corrente contínua utilizados em processos industriais: máquinas-
ferramentas, empilhadores e transportadores, linhas de laminação e fábricas de papel.
• Transporte de energia elétrica em corrente contínua e alta tensão.
• Processos eletroquímicos.
• Carregadores de baterias.
Reguladores de CA
• Aquecimento por indução.
• Controlo de iluminação.
Cicloconversores
• Ligação entre dois sistemas energéticos de corrente alternada não sincronizados.
• Alimentação de aeronaves ou grupos geradores móveis.
Inversores
• Acionadores de motores de corrente alternada em todo o tipo de aplicações industriais.
• Conversores de corrente contínua para corrente alternada para fontes não convencionais,
tais como a fotovoltaica ou eólica.
• Aquecimento por indução.
• Sistemas de Alimentação Ininterrupta (SAI).
Cortadores “chopper”
• Alimentação e controlo de motores de corrente contínua.
• Alimentação de equipamentos eletrónicos a partir de baterias ou fontes autónomas de
corrente contínua.
Tabela 1. Aplicações para cada tipo de conversor.
Parâmetros característicos
Para compreender os conversores, é necessário ter 
uma noção clara de uma série de parâmetros que os 
caracterizam:
• Sinal periódico
Diz-se que um sinal x(t) é periódico de período T,
sendo T uma constante real, se se verificar que
x(t + T) = x(t) ∀ t ∈ R. Na figura 2 seguinte
mostram dois sinais periódicos, um sinusoidal e
a outra ao quadrado.
+
• Valor médio
Denomina-se valor médio de um sinal à média
aritmética de todos os valores instantâneos do
sinal num determinado intervalo de tempo.
No caso de um sinal sinusoidal simétrico em
relação ao eixo do tempo, o valor médio durante
um período será nulo, uma vez que os valores
positivos se compensam com os valores
negativos. Para contornar esta dificuldade, o valor
médio é geralmente obtido para metade do
período.
Para um sinal v(t) de período T, o valor médio é dado
pela seguinte expressão:
Vm =
-
1 T
∫ V(t)dt =
T 0
1 2π
∫
2π 0
V(0)d0
Sinal senoidal Sinal quadrático
Figura 2. Sinais periódicos do tipo senoidal e quadrado.
Os sinais periódicos podem ser representados como 
uma soma ponderada de funções sinusoidais 
simples de diferentes frequências e fases 
iniciais.
• Valor instantâneo
Denomina-se valor instantâneo de um sinal o
valor que uma tensão, corrente ou potência assume
num instante de tempo específico.
Do ponto de vista dos circuitos, o valor médio é o 
valor CC de um sinal, seja de corrente ou de 
tensão.
• Valor eficaz
O valor eficaz (rms) de um sinal periódico de
tensão ou corrente é igual ao valor contínuo que
seria necessário aplicar a uma resistência para
que esta dissipasse a mesma potência que se lhe
fosse aplicada a forma de onda original v(t).
A função matemática que define o valor eficaz de um
sinal é a seguinte:
Vef ou Vrms = =
Vi
t t
0
V2 
(0)d0
2π
∫
1
2π
Conversor | 5
∑∞ V2
n=2 hms 
• Potência instantânea
A potência instantânea é calculada como o
produto dos valores instantâneos da tensão e da
corrente.
Geralmente, a potência será um valor positivo e
os consumidores consomem a energia que os
geradores fornecem ao circuito. No entanto,
caso surja um valor negativo para a potência, os
resultados devem ser interpretados de forma
inversa.
• Potência média
Devido à sua natureza variável ao longo do
tempo, a potência instantânea não é um bom
indicador da quantidade de energia que um
elemento elétrico fornece ou dissipa.
É necessário recorrer a um parâmetro como a
potência média, que nos fornece o valor
médio da potência instantânea.
S é a potência aparente, medidaem volt-amperes 
(VA).
É importante salientar que o fator de potência 
coincide com o cos φ apenas em regime 
permanente sinusoidal, e não na presença de 
harmónicos.
• Fator de ondulação
O fator de ondulação é uma medida da ondulação
do sinal de saída num retificador. Determina,
portanto, a qualidade de uma conversão elétrica CA
– CC (figura 3).
1 T
P = ∫
T 0
p(t) dt 
=
1 T
∫ V(t)·i(t)dt
T 0
Figura 3. Sinal de ondulação típico num retificador.
O fator de ondulação nada mais é do que a relação que
• Potência aparente
A potência aparente é calculada a partir dos
valores efetivos da tensão e da corrente.
Existe entre o valor efetivo da ondulação e o seu 
valor médio.
Vrms 
S = Vrms · Irms
FR = =
Vm Vm
Sendo a sua unidade característica os volt-amperes 
(VA).
• Fator de potência
A relação de fase existente entre a tensão e a
corrente num elemento é designada por fator de
potência (FP).
Trata-se de um parâmetro muito importante
que mede a eficácia com que o recetor
absorve a potência real. Idealmente, procura-se
um fator de potência igual a um (FP=1), o que
indica que não ocorrem perdas no equipamento e
que toda a potência fornecida à carga será
potência útil.
Quanto menor for o fator de ondulação, 
mais próximo estará de um sinal totalmente 
contínuo (sinal contínuo FR = 0).
• Distorção harmónica
O fator de distorção harmónica total ou THD
(Total Harmonic Distortion, em inglês) define-se
como a relação entre o valor efetivo do total das
componentes harmónicas e o valor efetivo
correspondente à componente fundamental. Este
índice é utilizado tanto para tensões como para
correntes.
THD = =
P
FP = cos(0v - 0I ) = cosφ = 
S
V1rms V1rms 
S = P + Q (soma vetorial) 
Onde:
P é a potência ativa, medida em watts (W).
Q é a potência reativa, medida em volt-amperes 
reativos (VAR).
Será utilizado para medir a qualidade 
numa conversão elétrica CC-CA.
Série de Fourier
Em muitas ocasiões, a energia elétrica que 
alimenta o circuito conversor de potência não 
corresponde a um sinal sinusoidal puro e 
apresenta-se distorcida. No entanto, estes sinais 
repetem-se com um certo período T, pelo que são 
considerados periódicos para todos os efeitos.
Vr
- V2
rms mV 2
- V2
rms 1rms V 2
Conversor | 6
+
V filtro C
-
Circuito a 
analisar para 
calcular a tensão 
aplicada ao filtro 
Vfiltro
+
- +
V filtro
C
-
) )(
n n
A frequência de repetição é designada por 
frequência fundamental, enquanto as 
frequências indesejadas são conhecidas como 
harmónicos. Estes componentes da frequência 
fundamental ou harmónicos podem ser calculados 
a partir das séries de Fourier.
As séries de Fourier permitem representar uma função 
periódica através de expressões trigonométricas. Esta 
teoria, desenvolvida por Fourier no início do século XIX, 
baseia-se numa propriedade interessante dos sinais 
periódicos: permite representá-los através de uma 
soma ponderada de funções sinusoidais de 
diferentes frequências.
• Análise de circuitos através de séries de Fourier
Trata-se de estabelecer um método para a análise
de circuitos com presença de harmónicos.
1. Análise do circuito e da tensão aplicada ao
circuito linear (exemplo: carga LCR) (figura 4).
L
+
R V
A ∞ ∞
v(t)≈
0 + ∑ A · cos(n·ω·t) + ∑ B · sin(n·ω·t)
n
2 n=1 n=1
n -
Para o cálculo dos coeficientes, podem ser 
utilizadas as seguintes expressões:
Figura 4. Análise de circuitos 
I. Nota. Retirado de:
UC3M.
2
An =
T
2
Bn =
T
T
· ∫ v(t) · cos(n·ω·t)dt
0
T
· ∫ v(t) · sen(n·ω·t)dt
0
2. Cálculo das séries de Fourier da tensão
aplicada ao filtro (figura 5).
L
Outra expressão alternativa para as séries de Fourier 
seria a seguinte:
V filtro +
Onde:
v(t) 
≈
∞
0 + ∑ C · sen(n·ω·t
+ β )
2 n=1
V filtro1
R V
V filtroN -
Cn =
β = arctg (An)
Figura 5. Análise de circuitos II. 
Nota. Retirado de: UC3M.
n
n
Aplica-se a superposição e resolve-se cada
A formulação anterior tem uma importância 
extraordinária para determinar a qualidade do 
conversor, uma vez que a medida da discrepância entre
circuito (regime sinusoidal permanente) a uma 
frequência (figura 6).
A comparação entre o sinal ideal que o conversor 
deveria gerar e o sinal real é feita com base em 
parâmetros obtidos a partir da análise de Fourier.
Os requisitos que um sinal v(t) deve cumprir para ser 
representado por meio de séries de Fourier são:
2
ef
Onde:
|V | 2
= V 2
 +
1
√2
|VN | 2
+···+
√2
1. Sinal contínuo no período T, ou com um número
finito de descontinuidades no intervalo de um
período.
2. Sinal v(t) com um número finito de máximos
e mínimos no período T.
3. A integral do valor absoluto da função v(t) num
período deve ser finita.
vN = vfiltroN
R/(1 + jωN CR)
·
2 A + B2
n n
jωN L + R/(1 + jωN CR)
V
A
B
(
Conversor |
7
L
+
-
L
+
R +
-
+
R +...+
-
L
R
Figura 6. Análise de circuitos III. 
Nota. Retirado de: UC3M.
RESUMO
Os dois formatos de energia elétrica: CA e CC dão origem a 
quatro operações de conversão, ou seja, a quatro tipos 
de conversores:
• Conversor CA/CC, conhecido como retificador
• Conversor CC/CA, também denominado
inversor
• Conversor CC/CC, conhecido como regulador de
corrente contínua
• Conversor CA/CA, como os reguladores de
corrente alternada e os cicloconversores
Para determinar a qualidade destes conversores, 
deve-se centrar-se nos seus parâmetros característicos: 
tensão/corrente média, tensão/corrente efetiva, 
potência aparente, fator de ondulação e distorção 
harmónica.
BIBLIOGRAFIA
De autoria de Marcos de la Rosa Prada
+ VL -
+ 
-
Vfiltro
+
C V
-
+
Vfilt
ro1
C 
V1
-
+
VfiltroN
C VN
-