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Eletrônica de Potência: importância e aplicações no cotidiano
Sem essa tecnologia, motores elétricos não funcionariam em sua capacidade total e as energias renováveis, como a solar e a eólica, não poderiam ser conectadas à rede elétrica.
Por José Wemerson Farias Lima
A humanidade está se conscientizando do problema climático que o nosso planeta vive, introduzindo novas formas de geração de energia à medida que os países estão cortando suas emissões de carbono. Dessa forma, a energia elétrica oriunda de fontes renováveis é responsável por cerca de 40% da demanda mundial, e que em alguns países chega a 100% da demanda nacional, como exemplo na Dinamarca.
De acordo com o aumento da demanda de energia elétrica e a crescente tendência para utilização de energias renováveis, o uso de tecnologias como Eletrônica de Potência torna-se cada vez mais importante. Para entender melhor o que o termo Eletrônica de Potência significa, é necessário conhecer a Eletrônica, que em uma definição mais abrangente, estuda o uso de circuitos formados por componentes elétricos e eletrônicos, basicamente diodos e transistores, com o objetivo principal de representar, armazenar, transmitir ou processar informações.
A revolução na Eletrônica teve seu início em 1948 com a invenção do transistor de silício, desenvolvido por John Baardeen, Brattain e Schockley. Posteriormente, em 1958, o desenvolvimento do transistor disparável substituiu definitivamente o uso de válvulas para chaveamento manual. Esses componentes foram e são construídos ainda hoje com silício, um semicondutor de grande importância, encontrado em larga escalas nos produtos eletrônicos.
O trabalho com semicondutores é bem mais antigo. Em 1833, Michael Faraday percebeu que a resistência de amostras de sulfeto de prata diminuía quando elas eram aquecidas. A partir disso, outros cientistas observaram comportamentos associados a efeitos semicondutores, como Edmond Becquerel e Willoughby Smith. No entanto, foi só em 1874 que Karl Ferdinand Braun avançou nessa tecnologia: ele trabalhava com sulfetos metálicos quando observou o efeito retificador.
Figura 1. Transistor disparável produzindo em 1948. [Fonte: https://www.embarcados.com.br/a-historia-do-primeiro-transistor]
É possível assimilar, então, uma caracterização da Eletrônica de Potência, voltada especialmente para sistemas e produtos envolvidos em conversão e controle do fluxo de energia elétrica. Como exemplo, a simples ação de carregar um notebook requer a modificação da tensão de corrente alternada da rede elétrica para uma tensão menor e com corrente contínua, e se a corrente for gerada por uma placa solar, deverá ser convertida de corrente contínua para tensão alternada de 220V e 60Hz, o que é de suma dificuldade montar um arranjo eletrônico que faça uma tensão contínua oscilar e ser amplificada.
A aplicação tradicional da Eletrônica de Potência está na utilização dos inversores de frequência para controlar motores elétricos. Tecnologias desse tipo permitem variar a velocidade dos sistemas motrizes, tornando os processos mais eficientes, reduzindo assim a quantidade de energia consumida. Exemplos básicos são os sistemas de aquecimento, ventilação e condicionamento de ar. Sem os inversores de frequência, os motores desses sistemas funcionariam sempre na potência máxima, consumindo desnecessariamente enormes quantidades de energia.
Os inversores aumentam ou diminuem a velocidade dos motores, dependendo da carga de trabalho que precisa ser executada e também controlam o processo para garantir um nível consistente de qualidade, ou seja, garantir a menor perda de energia possível. Aplicados em sistemas AVAC (aquecimento, ventilação e ar condicionado), destinados ao conforto ambiental interior, sobretudo em edifícios e em veículos, o conforto do aquecimento é condicionado pelo ar quente que sai do lado interior para o exterior através de ventoinhas forçadas por motores bipolares.
Da mesma maneira no maquinário de fábricas, aeronaves, trens e navios, os motores fornecem precisamente a quantidade de energia necessária num momento específico, conservando energia e, também, permitindo que trens e elevadores acelerem ou desacelerem suavemente por meio do método de controle Proporcional-Integrativo-Derivativo (PID), que como o nome sugere, consiste em uma componente proporcional, integral, que suaviza a resposta do sistema, e derivativo, que acelera a resposta do sistema.
Figura 2. Variação do ângulo de condução para modificar a potência aplicada a carga. [Fonte: http://www.marcotomas.eu/electronica/motor1.htm]
Os veículos elétricos (VEs) e híbridos, assim como estações de corrente contínua de carga rápida, podem carregar baterias de VEs em até 30 minutos, mais rápido que o carregamento de um smartphone. No caso dos veículos elétricos, a Eletrônica de Potência pode ser usada para armazenar a energia de frenagem e fornecê-la para a bateria, conforme o necessário, voltando ao ponto de obter-se energia elétrica de diferentes formas. Ao mesmo tempo que a Eletrônica avança no controle do suprimento de energia nos veículos, a tecnologia voltada à segurança também cresce, comandando sistemas de propulsão híbrida, elétrica ou bicombustível; desligando e religando automaticamente o motor no trânsito; controlando o funcionamento para baixar níveis de emissão de poluentes; ajudando na condução e frenagem; detectando possíveis acidentes e acionando freios e equipamentos de proteção e monitorando a pressão dos pneus.
Para que haja transmissão eficiente de energia elétrica, as perdas devem ser minimizadas, quando a transmissão precisa ser feita por longas distâncias em uma rede convencional de corrente alternada, as interferências do ambiente influem diretamente no acúmulo de ruídos no sinal. Para resolver esses problemas, a Eletrônica de Potência é aplicada para converter sinais C.A (corrente alternada) em C.C (corrente contínua).
A tecnologia principal por trás da Eletrônica de Potência são os semicondutores de energia. Um dos polos de produção e estudo mais importantes no mundo para a Eletrônica de Potência e a Microeletrônica é mantido pela ABB (Asea Brown Boveri) na Suíça, onde a companhia desenvolve e fabrica semicondutores, integrando em produtos e sistemas elétricos de potência.
A revolução da Microeletrônica permite o processamento de uma enorme quantidade de informações a uma incrível velocidade, já o desenvolvimento da Eletrônica de Potência facilita o modo de lidar com grandes quantidades de energia com uma eficiência sempre crescente. Devido à junção da Eletrônica de Potência com a Microeletrônica, muitas aplicações nessa área estão agora emergindo, como o controle de grandes máquinas, distribuição de energia e criação de conversores cada vez mais eficientes.
Referências:
A história do primeiro Transistor. Francesco Sacco. Disponível em: https://www.embarcados.com.br/a-historia-do-primeiro-transistor/. Acesso em 18 de 11 de 2016.
Controlo de velocidade para motores de corrente alternada. Marco Tomás. Disponível em: http://www.marcotomas.eu/electronica/motor1.htm. Acesso em 18 de 11 de 2016.
Eletrônica de Potência – Introdução à Disciplina. José Antenor Pomilio. Disponível em: http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/hist.pdf. Acesso em 20 de 11 de 2016.
Eletrônica de Potência - pós-graduação. José Antenor Pomilio. Disponível em: http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/elpot.html. Acesso em 20 de 11 de 2016.