Introdução aos Conversores Estáticos

Por muitos anos, e ainda hoje, o controle do fluxo de energia elétrica entre dois ou mais sistemas distintos é uma das grandes preocupações dos engenheiros eletricistas [1]. Para realizar tal controle, sempre foram procurados métodos que permitissem rendimentos elevados. Com o advento da Eletrônica de Potência isso se tornou possível graças aos conversores estáticos (ou conversores chaveados), que são circuitos eletrônicos capazes de realizar o tratamento da energia elétrica.

Basicamente, estes circuitos são constituídos por um conjunto de interruptores de potência e elementos passivos (resistores, capacitores e indutores), que juntos operam para converter um tipo ou nível de uma forma de onda de tensão ou corrente em outra e, por isso, são chamados conversores [2]. De outro modo, pode-se dizer que os conversores fazem um interfaceamento entre a fonte e a carga, como ilustrado na Figura 1, adequando assim os níveis de tensão ou corrente da fonte para a carga.

Figura 1. Conversor estático fazendo a interface entre uma fonte e uma carga.

Classificação dos Conversores Estáticos

Dentre suas diversas funções, os conversores são classificados conforme a relação entre a entrada e a saída [2,3]:

entrada CA/ saída CC

Em um conversor CA-CC, também conhecido como retificador, uma tensão CA de entrada é convertida numa tensão CC de saída, ou seja, a partir de uma fonte em corrente alternada, este tipo de conversor é capaz de alimentar uma carga em corrente contínua. A principal aplicação de retificadores inclui as famosas fontes chaveadas, que permitem conectar aparelhos eletroeletrônicos à rede elétrica.

entrada CC/ saída CA

O processo inverso ao citado acima é feito pelos conversores CC-CA, ou inversores, que conseguem controlar tanto a amplitude, quanto a frequência da tensão de saída. Como exemplos de aplicações, este tipo de conversor pode ser utilizado para conectar painéis fotovoltaicos diretamente à rede elétrica (os conhecidos inversores on-grid), ou para alimentar uma carga com 120 VAC/ 60 Hz a partir de uma bateria de 12V. Além de permitirem o controle de velocidade de motores de indução.

entrada CC/ saída CC

Em um conversor CC-CC, a tensão CC de entrada é convertida para uma tensão CC de saída com amplitude maior ou menor, podendo ter polaridade negativa e isolação galvânica entre os terras de referência da entrada e da saída. Existem inúmeras aplicações para este tipo de conversor, como é o caso das fontes de alimentação encontradas em smartphones, que convertem a tensão de saída da bateria para níveis adequados ao funcionamento dos circuitos eletrônicos.

entrada CA/ saída CA

Por fim, os conversores CA-CA, ou cicloconversores, envolvem a conversão de uma tensão CA de entrada para obter uma tensão CA de saída com amplitude e frequência controláveis.  Pode-se citar como exemplo circuitos de controle de luminosidade e de controle de velocidade de um motor de indução.

As principais funções dos conversores estáticos estão resumidas na Figura 2, com algumas terminologias baseadas em [1].

Figura 2. Principais funções dos conversores estáticos.

Observa-se nesta mesma figura, que a conversão de energia pode ser processada envolvendo mais de um estágio de conversão. Por exemplo, o conversor indireto de frequência requer um conversor CA-CC em cascata com um conversor CC-CA, como se verifica na Figura 3. Assim, a tensão CA é convertida primeiro para CC e depois a tensão CC é convertida em CA com amplitude e frequência diferentes da fonte CA original.

Figura 3. Conversor estático de duplo estágio.

Além disso, existem topologias de conversores que podem controlar o fluxo de energia da fonte de entrada para a fonte de saída, ou vice-versa. Estes são denominados conversores reversíveis ou conversores bidirecionais. A Figura 4 mostra um exemplo de um conversor CC-CC bidirecional [4].

Figura 4. Exemplo de aplicação de um conversor CC-CC bidirecional.       

Em condições normais, a rede de energia alimenta uma carga por meio de um retificador, e ao mesmo tempo alimenta o conversor CC-CC, que mantem a bateria carregada. Na eventual falha da rede elétrica, o conversor CC-CC inverte o fluxo de energia e passa a alimentar a carga a partir da bateria [4].

Conclusão

Neste artigo, eu apresentei uma breve introdução aos conversores estáticos, abordando os principais tipos e suas aplicações. Como veremos em artigos futuros, existe uma vasta gama de topologias para diferentes tipos de aplicações, que compreendem tanto sistemas de baixa potência quanto sistemas de potências na casa dos Mega Watts.

Referências

[1] BARBI, I. “Eletrônica de Potência”. 8ª Ed. Florianópolis, 2017.

[2] HART, D. W. “Eletrônica de Potência: Análise e Projetos de Circuitos”. 1ª Ed, AMGH Editora Ltda. Porto Alegre, 2012.

[3] ERICKSON, R. W.; Maksimovic, D. “Fundamentals of Power Electronics”. 2ª Ed. New York, 2004.

[4] MARTINS, D. C.; Barbi, I. “Conversores CC-CC Básicos Não Isolados”. 4ª Ed. Florianópolis, 2011.