Disciplina: Eletrônica de Potência (ENGC48)€¦ · · 2012-04-12sinal de erro indica para o sistema de controle que é necessário mais potência do lado AC

Disciplina: Eletrônica de Potência (ENGC48)

Tema: Conversores CA-CC Trifásicos Controlados

Prof.: Eduardo [email protected]

Aula 8

Universidade Federal da BahiaEscola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica

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Sumário

Introdução

Retificadores Trifásicos Controlados com Comutação da Frequência da Rede

Retificadores Trifásicos Controlados com Comutação em Alta Frequência

Exercícios de Fixação

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1. Introdução

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Introdução

Os retificadores trifásicos controlados são utilizados principalmente em aplicaçõesonde são necessários baixa flutuação de tensão e maior potência DC.

Aplicações:

Processos eletroquímicos

Circuitos (drivers) de acionamento de motores

Fontes DC ajustáveis

Sistemas HVDC

Classificação:

Retificadores comutados na frequência da linha

Retificadores comutados em alta frequência (por PWM)

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2. Retificadores Comutados na

Frequência da Linha

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Retificadores Comutados na Frequência da Linha

São o tipo mais comum de retificador controlado trifásico.

Utilizam tiristores que são acionados na frequência da rede elétrica.

Entre os tipos mais comuns pode-se mencionar:

Retificador Controlado de Três Pulsos

Retificador Controlado de Seis Pulsos

Retificador Controlado de Doze Pulsos

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2.1. Retificador Controlado de Três Pulsos

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Ret. Controlado de 3 Pulsos

Carga Resistiva:

Para pequenos valores do ângulo de disparo(0o ≤ α ≤ 30o):

Sendo Vm o valor máximo da tensão de fase.

cos827,0cos2

33)()( mAVGmAVG VVoVVo

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Carga Resistiva:

Com o aumento do ângulo de disparo(30o ≤ α ≤ 150o) existem intervalos nos quais atensão instantânea na saída é nula.

A tensão média na carga é dada por:


Para 150o ≤ α ≤ 180º o valor médio da tensão nacarga é igual a zero.

6

cos12

33)(

mAVG VVo

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Efeito do aumento da indutância:

Para L = 0, quando o tiristor estáconduzindo I e V estão em fase.

Com L > 0 há um atraso de I emrelação a V.

Com o aumento de L a ondulaçãode I diminui.

Para L → ∞ a corrente tende aficar constante (DC).

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Carga Indutiva:

Considerando que o conversor opera no modo decorrente contínua (L >> R).

Para 0o ≤ α ≤ 180o a tensão média na carga é dadapor:


A tensão média máxima ocorre para α = 0o:

cos827,0cos2

33)()( mAVGmAVG VVoVVo

mAVG VVo 827,0)(

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Ret. Controlado de 3 Pulsos (Carga Indutiva)

α = 0o

α = 45o

α = 90o

α = 135o

α = 180o

Tensão na carga

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Ret. Controlado de 3 Pulsos (Carga Indutiva)

α = 45o

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Retificador Controlado de 3 Pulsos

Carga Indutiva:

A corrente média em cada SCR é:

Característica de controle do conversor:

3)(

IoI SCR

É necessário umatensão DC (forçacontra-eletromotriz)para a operaçãocomo inversor.

cos827,0)( mAVG VVo

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2.2. Retificador Controlado de Seis Pulsos

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Retificador Controlado de Seis Pulsos

É o tipo de retificador trifásico mais utilizado em aplicações de alta potência porapresentar alta eficiência e baixa ondulação na tensão de saída.

Dois tiristores precisam estar conduzindo simultaneamente para haver tensão nacarga.

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Retificador de 6 Pulsos com carga resistiva

α = 0o

Comportamento semelhante ao do retificador não controlado .

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α = 30o α = 60o

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Retificador de 6 Pulsos

Sequência de acionamento dos tiristores:

Um modo de acionar os SCRs é fornecerao mesmo tempo pulsos a 2 dispositivos.

Os pulsos devem ser executados a cada60o.

Deste modo garante-se que sempre doisSCRs estarão sendo ativados.

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Tensão média na carga:

0o ≤ α ≤ 60º

60o ≤ α ≤ 120º

120o ≤ α ≤ 180º

Corrente média nos SCRs:

cos33

)( mAVG VVo

3cos1

33)(

mAVG VVo

0)( AVGVo

3

)(

)(

AVG

AVGSCR

IoI

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Corrente RMS na saída:

0o ≤ α ≤ 60º

60o ≤ α ≤ 120º

Corrente de linha:

2cos332

2

3)(

R

VIo m

RMS

)()(32 AVGRMSA IoI

)3/2sin(364

2

3)(

R

VIo m

RMS

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Característica de controle

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Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R)

Neste caso acorrente na carga éaproximadamenteconstante.

As correntes nosSCRs têm a mesmaforma das obtidaspara a versão nãocontrolada, porémcom defasagem α.

Cada SCR conduzpor 120o.

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Correntes de Linha:

As correntes de linha também sãosemelhantes às do caso nãocontrolado.

Apresentam uma defasagem α emrelação às tensões de linha.

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Tensão média na carga:

Tensão eficaz na saída:

Corrente média na carga:

Corrente média nos SCRs:

cos33

)( mAVG VVo

3

)(

)(

AVG

AVGSCR

IoI

R

VoIo

AVG

AVG

)(

)(

cos8

33

4

132)( mRMS VVo

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Característica de controle

É necessário umatensão DC (forçacontra-eletromotriz)para a operaçãocomo inversor.

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Efeito da Indutância da Fonte:

Num caso real, as comutações das correntes de linha não podem ser realizadas demodo instantâneo devido à indutância Ls (não nula) da fonte AC.

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O intervalo de comutação depende do valor de Ls, sendo definido a partir doângulo de sobreposição μ.

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O efeito do intervalo de comutação é uma queda na tensão média na saída:

A tensão média pode ser calculada através de:

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Fator de Potência:

Sendo

O fator de potência é influenciado pelo ângulo de disparo e pela distorção harmônicado sinal de corrente.

)(1

6AVG

rms

a IoI

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2.3. Aplicações

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Acionamento de Motor DC

Um retificador controlado pode ser conectado diretamente a um motor DC.

Torque e velocidade podem ser controlados pela corrente de armadura ID.

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Controle de Velocidade de Motor de Indução

Em conjunto com um inversor, pode ser utilizado para o controle de uma máquinasíncrona num acionamento através de tensão e frequência variáveis.

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Sistemas de Transmissão HVDC

Sistemas HVDC são mais econômicos que sistemas AC em linhas de longo comprimento.

Podem conectar dois sistemas AC de diferentes frequências nominais.

Em geral são utilizados conversores de 12 pulsos:

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3. Retificadores Trifásicos com

Comutação em Alta Frequência

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Introdução

Os retificadores com comutação em alta frequência (ou comutação forçada) sãoindicados para reduzir distorções da corrente de linha inerentes a retificadorescomutados na frequência da linha.

Em geral são utilizados dispositivos semicondutores que podem ser ligados edesligados em alta frequência a partir do terminal de gate (Ex: GTO, IGBT ouMOSFET).

Na maioria dos casos o acionamento é feito por sinais modulados em PWM.

A corrente de linha está (aproximadamente) em fase com a tensão e os componentesharmônicos são de alta frequência e baixa amplitude.

Os tipos mais comuns são: Retificador de Fonte de Tensão e Retificador de Fonte deCorrente.

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3.1 Retificador de Fonte de Tensão

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Retificador de Fonte de Tensão

É a topologia de retificador de comutação forçada mais utilizada.

A tensão no barramento DC é mantida constante a partir de uma malha de controle.

O conversor pode operar nos modos de retificação e inversão (caso exista uma fonte deenergia no lado DC).

Essa topologia de conversor pode também ser utilizado para correção do fator depotência da linha na qual está conectado.

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Retificador de Fonte de Tensão - Operação

Quando a corrente ID é positiva (operação como retificador) o capacitor se descarrega e osinal de erro indica para o sistema de controle que é necessário mais potência do lado AC.

Quando a corrente ID é negativa (operação com inversor) o capacitor é carregado com valormaior que a referência e o sinal de erro indica para o controlador que é necessáriodescarregar o capacitor retornando a energia para o lado AC.

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Um padrão PWM produz na frequência fundamental um sinal VMOD com a mesmafrequência da tensão da rede.

Modificando a amplitude e a defasagem δ entre VLinha e VMOD é possível operar oconversor nos quatro quadrantes:

Retificador com fator de potência em atraso

Retificador com fator de potência em avanço

Inversor com fator de potência em atraso

Inversor com fator de potência em avanço

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Retificador com FP = 1

Inversorcom FP = 1

Operação Capacitivacom FP = 0

Operação Indutiva

com FP = 0

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3.2 Aplicações

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Retificador de Fonte de Tensão com Capacidade para Eliminação de Harmônicos

O retificador pode ser aproveitado para operar eliminando distorções harmônicas na linha AC.

Além da conversão AC-DC, tem função semelhante à de um filtro ativo de potência.

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Sistema de Geração em Velocidade Variável e Frequência Constante

Em algumas aplicações o uso de frequência variável contribui para melhor aproveitamento da fonte de energia (Ex: Pequenas usinas hidroelétricas e sistemas de geração de energia eólica).

Com o uso de um sistema composto por um retificador controlado e um inversor épossível gerar energia para o sistema elétrico em frequência fixa a partir de um geradoroperando em frequência variável.

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4. Exercícios de Fixação

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Exercícios de Fixação

1) Um retificador trifásico controlado de meia onda (três pulsos) está ligado a uma fonte de 220 V e uma carga de 10Ω.Considerando que o ângulo de disparo é 20o determine:

a. Valores médio e RMS na saída

b. Esboço do gráfico da tensão na carga

c. Corrente máxima na saída

d. Potência dissipada na carga.

e. Valores médio, eficaz e máximo da corrente no SCR

f. Tensão de pico reversa no SCR

g. Dissipação de potência no SCR caso seja utilizado o TIC106D

2) Repita a Questão 01 para α = 45o e α = 100o.

3) Para o circuito da Questão 01 encontre o valor do ângulo de disparo que produz uma tensão média igual 150 V na carga.

4) Repita as Questões 01, 02 e 03 considerando que uma grande indutância foi adicionada em série com a carga.

5) Repita as Questôes de 01 a 04 substituindo o retificador trifásico controlado de meia onda (três pulsos) pelo retificadortrifásico de onda completa (seis pulsos).

6) Explique o funcionamento do retificador trifásico de fonte de tensão e comente a respeito das suas vantagens emrelação aos retificadores comutados na frequência da rede.

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Referências

Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and

Applications, Segunda Edição, Elsevier, 2007.

Ahmed, Ashfak. Eletrônica de Potência, Wiley,

Pomilio, José Antenor. Eletrônica de Potência , Faculdade de Engenharia

Elétrica e de Computação, UNICAMP, 1998, Revisado em 2002.

Algumas figuras utilizadas nesta apresentação foram retiradas das

referências listadas acima.

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