Conversores CA CC

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inicio sobre conversores CA e CC em eletrnica de potncia

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  • EE 833 Eletrnica de Potncia 2005 FEEC - UNICAMP

    FACULDADE DE ENGENHARIA ELTRICA E DE COMPUTAO - UNICAMP

    EE 833 ELETRNICA DE POTNCIA

    CONVERSORES CA-CC

    TEORIA

    1.1 Introduo

    Na grande maioria das aplicaes a fonte de alimentao ou fonte de potncia do circuito est disponvel na forma de corrente alternada ou AC na freqncia de 50 ou 60Hz, a partir de uma rede de distribuio em corrente alternada, devido principalmente, facilidade de adaptao do nvel de tenso por meio de transformadores.

    Assim necessrio quase sempre convert-la em corrente contnua ou corrente

    DC. Esta funo pode ser realizada por um retificador. A figura abaixo ilustra um diagrama em bloco de um retificador.

    is

    vd

    Fig.1.1 Diagrama em bloco de um retificador

    As caractersticas do retificador so: A sada DC deve ser livre de ripple tanto e to menor quanto maior o

    capacitor do filtro; A corrente de entrada (is) elevada perto do pico do sinal AC e descontinua; Devido a isto a corrente de entrada altamente distorcida produzindo um

    baixo fator de potncia; Limites impostos neste fator de potncia impem que retificadores com

    somente diodos sejam evitados.

    1

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    1.2 Retificadores no-controlados monofsicos Os retificadores podem ser classificados segundo a sua capacidade de ajustar o valor da tenso de sada (controlados x no controlados); de acordo com o nmero de fases da tenso alternada de entrada (monofsico, trifsico, hexafsico, etc.); em funo do tipo de conexo dos elementos retificadores (meia ponte x ponte completa). Os retificadores no-controlados so aqueles que utilizam diodos como elementos de retificao. Os diodos de potncia diferem dos diodos de sinal por terem uma capacidade superior em termos de nvel de tenso de bloqueio (podendo atingir at alguns kV, num nico dispositivo), e poderem conduzir correntes de at alguns kA. Nas aplicaes em que a tenso alternada a da rede, tais diodos no precisam ter seu processo de desligamento muito rpido, uma vez que a freqncia da rede baixa (50 ou 60 Hz). Usualmente topologias em meia ponte no so aplicadas. A principal razo que, nesta conexo, a corrente mdia da entrada apresenta um nvel mdio diferente de zero. Tal nvel contnuo pode levar elementos magnticos presentes no sistema (indutores e transformadores) saturao, o que prejudicial ao sistema. Topologias em ponte completa absorvem uma corrente mdia nula da rede, no afetando, assim, tais elementos magnticos.

    1.2.1 Carga Puramente resistiva A figura 1.1 mostra o circuito e as formas de onda com carga resistiva para um retificador monofsico com topologia de meia-ponte, tambm chamado de meia-onda. Devido ao grande ripple na tenso v e na corrente i este retificador tem pouco uso prtico.

    vs vd

    R

    i

    Fig.1.2 Retificador bsico com carga resistiva

    2

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    t

    vs vd

    i imedia

    Fig.1.3 Formas de onda do retificador bsico com carga resistiva

    Com carga resistiva as formas de onda da tenso e da corrente na sada do retificador e na carga so as mesmas, como mostrado na figura 1.3. A corrente de entrada apresenta-se com a mesma forma e fase da tenso.

    1.2.2 Carga indutiva Vamos considerar agora uma carga indutiva com um indutor em srie com um resistor. A figura 1.4 mostra este retificador. vdiodo vL

    3

    vR R

    L

    vd

    i

    vs

    Fig.1.4 Retificador bsico com carga indultiva Para vs positiva o diodo pode ser considerando como um curto e a corrente no circuito dado por: vs = Ri + Ldi/dt (1.1)

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    As formas de ondas so mostradas na figura 1.5. At o tempo t1, vs > vR ,isto vL positivo, a corrente aumenta, e o indutor acumula energia. Alm de t1, vL torna-se negativa, e a corrente comea a decrescer. Aps t2, a voltagem de entrada vs negativa mas a corrente ainda positiva e o diodo por causa da energia armazenada no indutor.

    4

    Fig.1.5 Formas de onda do retificador bsico com carga indutiva

    t

    vs vR

    i imedia

    t1 t2 t3

    rea A vL rea B

    t

    tvdiodo

    i=0vL

    vs vRR vd

    i

    L

    vL

    vs vRvd=0 L

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    A voltagem na carga negativa no intervalo t2 e t3. Portanto, com relao ao caso resistivo a voltagem mdia de sada menor.

    Exerccio: Utilizando a relao vL = Ldi/dt e as formas de onda acima mostre que a rea A igual a rea B. 1.2.3 Carga indutiva O retificador com carga capacitiva (fig. 1.6) faz com que a tenso de sada apresente-se alisada, elevando o seu valor mdio em relao carga resistiva. O capacitor carrega-se com a tenso de pico da entrada (desprezando a queda nos diodos). Quando a tenso de entrada se torna menor do que a tenso no capacitor os diodos ficam bloqueados e a corrente de sada fornecida exclusivamente pelo capacitor, o qual vai se descarregando, at que, novamente, a tenso de entrada fique maior, recarregando o capacitor.

    A forma de onda da corrente de entrada muito diferente de uma senide, apresentando pulsos de corrente nos momentos em que o capacitor recarregado, como mostrado na figura 1.7. i

    R C

    vd

    vs

    Fig.1.6 Retificador bsico com carga capacitiva

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    t

    vs vd

    i

    vdmedia

    Fig.1.7 Formas de onda do retificador bsico com carga capacitiva

    1.3 Retificadores com ponte de diodo monofsico Um retificador com uma ponte de diodo mostrado na figura 1.8. Um capacitor de filtro de alto valor colocado na sada do retificador. O fonte de sinal de entrada modelada sua impedncia interna que normalmente indutiva (LS). Para facilitar a compreenso deste circuito ns analisaremos com maneira mais simples.

    vs vd

    id

    Cd

    LS

    icarga

    is

    fig.1.8 Retificador com ponte de diodo monofsico

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    1.3.1 Circuito idealizado com LS = 0 Como uma primeira aproximao, vamos supor que Ls=0 e o lado DC do retificador substitudo por uma fonte de corrente (carga altamente indutiva) ou como uma resistncia R. A figura 1.9 mostra esta simplificao.

    7

    vs

    vd

    id

    D2 D4

    D3 D1

    R

    vs

    vd

    id

    D2 D4

    D3 D1is is

    a) b)

    fig.1.9 Retificador idealizado com LS = 0 Os circuitos acima podem ser redesenhados consistindo de dois grupos de diodos: o de topo como os diodos D1 e D3 e de os baixo D2 e D4 como mostrado na figura 1.10. Com LS = 0 fcil de verificar a operao de cada grupo. A corrente id flue continuamente atravs de um diodo de cada grupo. No grupo de topo, os catodos dos dois diodos esto em um mesmo potencial, portanto aquele diodo com mais potencial em seu anodo conduzir. Isto , quando vs for positiva, o diodo D1 conduzir id e vs aparecer como uma voltagem reversa atravs do diodo D3. Quando vs for negativa , a corrente id comutar instantaneamente para o diodo D3 e a agora a voltagem vs ser aplicada de forma reversa em D1. No grupo de baixo acontece exatamente o anlogo sendo apenas a polalarida das tenses invertidas. A figura 1.11 mostra as formas de onda destes retificadores

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    vs

    vd

    id is D1

    D3

    D4

    D2

    id

    fig.1.10 Retificador redesenhado

    8

    t

    vs

    is imedia

    t

    vd

    id

    imedia

    (a)

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    t

    vs

    is

    id

    vd

    id

    t

    (b)

    Fig.1.11 Formas de ondas dos retificadores das (a) fig 1.9a e fig 1.9b Exerccio: Mostre que se Vs for o valor rms de sinal de entrada vs ,ento o valor mdio na sada do retificador igual 22/ 0.9VS. 1.3.2 Efeitos de LS na comutao de corrente

    Vamos agora analisar o efeito da indutncia finita do lado AC na operao do circuito. Ns assumimos que o lado DC pode ser representado por uma fonte de corrente constante Id como mostrado na figura 1.12. Devido a presena do indutor Ls, a transio na corrente de entrada is de um valor +Id para Id ou vice-versa no ser instantnea. O tempo finito necessrio para isto chamado de tempo de comutao da corrente, e este processo onde a corrente desloca a conduo de um diodo para o outro chamado de processo de comutao de corrente.

    Para entender este processo, considere o circuito hipottico da figura 1.13 a)

    com dois diodos alimentado por uma fonte de voltagem vs = 2VSsent. A figura 1.13 b) mostra as formas de ondas.

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    vs

    Id

    LS

    vd is

    D4

    D3D1

    D2

    Fig1.12 Retificador simples com LS

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    a) b)

    vd vs

    Id

    LS is

    D1

    D2

    vL

    t=0

    vs , vd is

    vs

    vd Id

    Fig1.12 a) Circuito bsico para ilustrar a comutao de corrente. b) Formas de

    ondas

    Antes de t=0 a voltagem vs negativa e a corrente Id circula atravs de D2 com vd = 0 e is = 0. Quando vs torna-se positiva em t=0, uma voltagem direta aparece sobre o diodo D1 e este comea a conduzir. A forma da corrente is pode ser construda com o auxilio das figuras 1.13a) e b). Desde que o diodo D2 est conduzindo, este fornece um curto (diodo ideal) por onde a corrente is pode fluir (0

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