Circuitos e Dispositivos Eletrônicos de Potência
• Conversores Estáticos:
– CA-CC, CC-CA, CC-CC e CA-CA;
• Interação entre o controle e os atuadores;
• Elementos mais utilizados:
– Capacitores, Indutores,
Resistores e
Chaves Estáticas
• Principal foco:
– Rendimento;
4. Circuitos e Dispositivos Eletrônicos de Potência
1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Circuitos e Dispositivos Eletrônicos de
Potência
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2. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Eletrônica
e ô ca
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
• Processamento de Informação
– Transistor (1947) e CI (
( ) (1958)
)
• Processamento da Energia
– R tifi d a arco d mercúrio (1956)
Retificador de úi
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3. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Eletrônica de Potência
e ô ca oê ca
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
• Eletrônica de potência é a tecnologia
associada ao eficiente processamento e
p
controle da energia por meios estáticos,
onde uma entrada qualquer é convertida
na forma de saída desejada.
• Vai de mW ( (telefone celular) a centenas
f )
de MW (sistemas de energia).
( g )
• Área multidisciplinar.
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4. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Eletrônica de Potência
e ô ca oê ca
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Áreas de conhecimento associadas:
• Conversão de energia g
• Circuitos elétricos
• Eletrônica
• Controle
• Instrumentação
• Sistemas de energiag
• Máquinas elétricas
• Compatibilidade eletromagnética
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5. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Eletrônica de Potência
e ô ca oê ca
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Métodos de processamento da energia:
• Linear → conversão através de transistores
operando como resistores variáveis →
elevadas perdas → eletrônica analógica
p g
convencional (ex.: amplificador de som)
• Comutada → conversão através de
interruptores → operação em etapas
(ex.:
(ex : sistema de partida suave de motores)
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6. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Eletrônica de Potência
e ô ca oê ca
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
• Conversores Estáticos:
– CA-CC, CC-CA, CC-CC e CA-CA;
, , ;
• Interação entre o controle e os atuadores;
• Elementos mais utilizados:
– Capacitores, Indutores,
p , ,
Resistores e
Chaves Estáticas
• Principal foco:
– R di
Rendimento;
t
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7. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
C a es s á cas
Chaves Estáticas
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
• Diodos:
– Condução e bloqueio controlado p
ç q pelo
circuito de potência;
• Tiristores:
– conduzem via controle, bloqueio pela
interrupção d corrente;
i t ã da t
• Chaves Controladas:
– conduzem e bloqueiam via controle.
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8. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Chaves Estáticas
Diodo
odo
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Real Ideal Potencial Circ. Equiv.
de disparo Linear aprox.
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9. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Chaves Estáticas
s o es
Tiristores
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
• TRIAC;
• SCR (Retificador controlado de silício);
• GTO (Bloqueio pelo gatilho);
• DIAC;
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10. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
C a es s á cas
Chaves Estáticas
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
• IGBT (Transistor bipolar com gatilho
);
isolado);
• MOSFET (Transistor de Efeito de Campo
de Metal Óxido Semicondutor);
Metal-Óxido-Semicondutor);
• MCT (Tiristor Controlado a MOS);
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11. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Chaves Estáticas
Valores Nominais
Tensão Corrente Frequência Potência
Componente
(V) (A) (Hz) (kVA)
TIRISTOR 10.000 5.000 2 10.000
TRANSISTOR 1.000 300 20 200
MOSFET 1.000 100 50 50
IGBT 3.000 1.000 20 3.000
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12. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Características
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA das principais chaves
Potência (VA)
Potência (VA)
P
P
Tensão (V) Frequência (Hz)
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13. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Chaves Estáticas
Aplicações
p cações
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
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14. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Conversores estát cos
Co e so es estáticos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
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15. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Conversores estát cos
Co e so es estáticos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Classificação quanto ao fluxo de energia:
• Unidirecional em tensão e corrente (1 quad)
( q )
• Bidirecional em tensão e unidirecional em
corrente (2 quad)
• Bidirecional em corrente e unidirecional em
tensão (2 quad)
• Bidirecional em tensão e corrente (4 quad)
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16. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos
comutados pela linha
co utados pe a a
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
• Dispositivos de processamento de energia
Capacitor
Diodo Indutor (reator)
metalizado (CA)
( )
Capacitor
C it
Tiristor Transformador
eletrolítico (CC)
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17. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos
comutados pela linha
co utados pe a a
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
• Dispositivos de proteção e dissipação
Dissipador de calor Ventilador Resistor
Resistor NTC Varistor Fusível para Snubber
semicondutor
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18. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos
comutados pela linha
co utados pe a a
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
• Dispositivos de instrumentação
Sensor de corrente Sensor de
shunt tensão t f
t ã trafo
Sensor de Sensor de Sensor de
corrente hall temperatura tensão hall
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19. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos
comutados pela linha
co utados pe a a
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
• Dispositivos de comando e controle
Transformador
de pulso
Placa de aquisição e
controle
Driver isolado
Fonte CC
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20. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos
Aplicações
p cações
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Corrente de Cond
C e A)
dução (A
Tensão de Bloqueio (V)
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21. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversores estáticos
Aplicações
p cações
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
1. Conversores comutados pela linha
– Alta potência
– Ambiente Industrial
– Alta Confiabilidade
– Freqüência de comutação baixa e
– Elementos reativos grandes
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22. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Conversores estáticos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Retificadores não-controlados – carga RL
não-
• Principais tipos:
– Monofásico de meia onda
– Monofásico de onda
completa com ponto médio
– Retificador monofásico de
onda completa em ponte
– Retificador trifásico com
ponto médio
t édi
Emprega-se
– Retificador trifásico de onda apenas diodos
completa
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23. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Conversores estáticos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Retificadores não-controlados – carga RL
não-
• Aplicações
Alternador Mineração - Bauxita
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24. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Conversores estáticos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Retificadores não-controlados – carga RC
não-
• Principais tipos:
– Monofásico de onda
completa
– Monofásico como dobrador
de tensão
– Trifásico
Emprega-se
apenas diodos
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25. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Conversores estáticos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Retificadores não-controlados – carga RC
não-
• Aplicações
Estágio de entrada de fontes Fontes p/ equipamentos
para computador eletrônicos
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26. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Conversores estáticos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Conversores diretos CC lineares
• Principais tipos:
– Regulador de tensão a diodo
g
zener
– Regulador de tensão a
transistor
– Regulador de tensão a CI
Circuitos Fontes p/ equipamentos
Sem Comutação eletrônicos
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27. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Conversores estáticos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Retificadores controlados – carga RL
• Principais tipos:
– Monofásico de meia onda
– Monofásico de onda
completa
– Retificador trifásico com
ponto médio
– Retificador trifásico de onda
completa
l t
Empregam diodos e
tiristores
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28. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Conversores estáticos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Retificadores controlados – carga RL
• Aplicações
Solda e corte
Fornos a arco CC
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29. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Conversores estáticos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Retificadores controlados – carga RL
• Aplicações
Galvanização eletrolítica
Eletrolisação
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30. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Conversores estáticos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Retificadores controlados – carga RL
• Aplicações
HVDC (Transmissão de energia
( g
em corrente contínua)
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31. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Conversores estáticos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Retificadores controlados – carga RLE
• Aplicações
Motor CC → giro unidirecional
Excitatriz estática (geração do
(g ç
campo) para motor CC e gerador
síncrono
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32. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos
Conversores Duais
• Principais tipos:
– Monofásico com
ponto médio
– Monofásico em ponte
– Trifásico com 3 pulsos
– T ifá i com 6 pulsos
Trifásico l
Empregam apenas
tiristores
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33. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Conversores estáticos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Retificadores controlados – carga RL
• Aplicações
Motor CC → giro bidirecional
Indústria de laminação, papel, cimento, mineração
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34. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
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NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos
Gradadores
• Principais tipos:
– Gradadores monofásicos
– Gradadores trifásicos
– Controle por ciclos inteiros
Empregam apenas
tiristores
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35. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos
Gradadores – carga R
• Aplicações
Controle de temperatura
p
Fornos industriais
F i d ti i
Ducha eletrônica
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36. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Conversores estáticos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Gradadores – cargas genéricas
• Aplicações
Estabilizadores eletrônicos de
tensão Chaves de
transferência estática
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37. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos
Gradadores – carga L
• Aplicações
Compensadores estáticos de potência reativa
(FACTS – transmissão de energia)
11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 37
38. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos
Gradadores – carga RLE
• Aplicações
Sistema de partida suave para motores
(soft-starters)
11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 38
39. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos
Cicloconversores
• Principais tipos:
– Trifásicos 3 pulsos com
p
ponto médio
– Trifásico 6 pulsos em ponte
pulsos, ponte,
para cargas isoladas
– Trifásicos 6 pulsos em
pulsos,
ponte, para cargas não
isoladas
Empregam apenas
tiristores
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40. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos
Cicloconversores
• Aplicações
Controle de motores CA de propulsão de alta potência
(trens, navios, guindastes)
11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 40
41. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos
Inversores
• Principais tipos:
– Monofásicos
– Trifásicos 3 braços
– Trifásicos 4 braços
Empregam diodos e
tiristores
11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 41
42. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos
Inversores
• Aplicações
Forno de indução
11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 42
43. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Conversores estáticos
2. Conversores completamente controláveis
– Aplicações → potências p q
p ç p pequenas a médias
– São muito empregados em sistemas comerciais
e resitências
– Possuem elevada densidade de potência
–EEmpregam freqüências d comutação elevadas
f üê i de t ã l d
e elementos reativos pequenos
11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 43
44. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Conversores estáticos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
comutados em alta freqüência
• Principais tipos:
– CC-CC (pulsador)
(p )
– CA-CC (retificador)
– CC CA (inversor)
CC-CA
– CA-CA (gradador/
cicloconversor)
i l )
11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 44
45. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Conversores estáticos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Conversor CC-CC – alta freqüência
CC-
• Aplicações
Fontes de computadores Fontes CC-CC para
(VRM) equipamentos eletrônicos
11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 45
46. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Conversores estáticos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Retificadores – alta-freqüência
alta-
• Aplicações
Retificadores para aplicações Carregadores compactos para
em telecomunicações equipamentos eletrônicos
11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 46
47. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos
Inversores – alta-freqüência
alta-
• Aplicações
Amplificadores de som Estágio de saída de inversores
de freqüência
11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 47
48. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
Conversores estáticos
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Conversores CA-CA– alta-freqüência
CA-CA– alta-
• Aplicações
Acionamento de motores
11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 48
49. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos
indiretos (em cascata)
• Podem utilizar
conversor dde
baixa freqüência
(BF) em conjunto
com outro de alta
freqüência (AF)
11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 49
50. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos
indiretos (em cascata)
• Aplicações
Fonte para telecom No-breaks Inversor de freq.
Retificador (AF) Retificador (BF/AF) Retificador (BF)
CC CC (AF)
CC-CC ( ) Inversor (AF) Inversor (AF)
I
11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 50