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Disciplina: Eletrônica de Potência (ENGC48)

Tema: Conversores CA-CC Monofásicos Controlados

Prof.: Eduardo [email protected]

Aula 8

Universidade Federal da BahiaEscola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica

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Sumário

Introdução

Retificadores Monofásicos Controlados com Comutação na Frequência da Rede

Meia onda

Onda completa

Retificadores Monofásicos Controlados com Comutação em Alta Frequência

Retificador Elevador Monofásico

Exercícios de Fixação

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1. Introdução

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Introdução

Retificadores com diodos não permitem o controle da potência DC de saída.

Os retificadores controlados podem operar com:

chaveamento em baixa frequência (fs ou 2fs, sendo fs a frequência da rede

elétrica);

chaveamento em alta frequência.

Diagrama de blocos de

um retificador controlado

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Introdução

Um conversor AC-DC pode operar nos dois sentidos:

Convertendo potência AC em DC (com amplitude variável).

Convertendo potência DC em AC (com características ajustáveis). Neste caso

o conversor se comporta como um inversor e para isso é necessário uma

fonte de potência DC conectada em Vd, de modo que a corrente Id se torne

negativa.

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2. Retificadores Monofásicos Controlados

com Comutação em Baixa Frequência

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Retificadores com Comutação em Baixa Frequência

Tipo mais simples de retificadores controlados monofásicos onde a frequência de

comutação das chaves semicondutoras de potência é próxima da frequência da

rede elétrica.

Utilizam controle de fase para os dispositivos semicondutores de potência.

São classificados em:

Retificador controlado monofásico de meia onda;

Retificador controlado monofásico de onda completa.

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2.1. Retificador Monofásico

Controlado de Meia Onda

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Retificador Controlado Monofásico de Meia Onda

Circuito pouco utilizado na prática pois produz alta ondulação na tensão de saída.

O SCR pode entrar em condução (“disparar”) apenas nos ciclos positivos (VAK > 0),caso receba um pulso de corrente positiva no terminal de gate (IG > 0).

O ângulo de disparo (α) é definido como a diferença entre o instante decruzamento pelo zero e o instante de disparo do tiristor.

A corrente da fonte não está o tempo todo em fase com a tensão da fonte (mesmono caso puramente resistivo) → FP < 1.

Sendo 0 ≤ α ≤ π o ângulo de disparo do SCR.

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A partir do controle do ângulo de disparo é possível variar a potência fornecida à carga.

A tensão média pode ser estimada a partir de:

O valor eficaz da tensão na saída é:

Observa-se que, quando α → 0, as expressões acima tendem para os valores obtidos no

retificador de meia onda não controlado:

2

)2sin(1

2)()]sin([

2

1 max2

max V

tdtVVef

2

max0

VVef

max

0

VVd

Sendo Vmax o valor máximo datensão de alimentação CA.

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Considerando carga indutiva (R-L):

Enquanto VS > VR a corrente Id aumenta.

Quando VS < VR a corrente Id diminui.

Assim o tiristor continua conduzindo enquanto Id > 0 (mesmo se VS < 0).

Quando A1 = A2, então, a corrente Id = 0.

A tensão média na carga é dada por:

Quando o SCR estiver ligado:

dt

diLVVV d

RSL

t

Ld dVti

)(

α

β

2

)cos(cosmax

VVd

Sendo β o ângulo de avanço

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Circuito para Disparo do Tiristor

Utilizando Resistores e Capacitor:

Um sinal alternado defasado de Vs é produzido pelo circuito de disparo.

O ajuste de R2 regula a defasagem e consequentemente o ângulo de disparo.

Embora de simples construção esse circuito tem algumas limitações:

Não consegue uma variação de α de 0 a 180o;

Influencia no comportamento da corrente da carga.

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Circuito para Disparo do Tiristor

Vsincronização

Vds

VcontroleSinal de disparo do gate

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Disparo do Tiristor com o Circ. Integrado TCA 785

Circuito para disparo de tiristores

e transistores em conversores por

controle de fase.

A partir da tensão de controle

pode-se variar α de 0 a 180o.

Config. dos Pinos:

Diagrama de Blocos:

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Disparo do Tiristorcom o CI TCA 785

Gera pulsos positivos de duração

30 μs a cada meio ciclo (ideal

para o disparo de tiristores).

Pode ser configurado também

para gerar pulsos desde o

instante de disparo até 180o

(mais apropriado para o disparo

de transistores).

Utilizado em conversores CA-CC

monofásicos e trifásicos (a partir

de 3 Cis, um por fase).

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2.2. Retificador Monofásico

Controlado de Onda Completa

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Retificador Controlado Monofásico de Onda Completa

Circuito com transformador de derivação central:

Os tiristores T1 e T2 estão polarizados diretamente em ciclos opostos da tensão VS.

O disparo dos tiristores está condicionado ao pulso de corrente de gate.

Condução com Vs>0

Condução com Vs < 0

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Cada tiristor é disparado uma vez por ciclo da linha CA.

A corrente da fonte não está o tempo todo em fase com a tensão da fonte (mesmo no caso puramente resistivo) → FP < 1.

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A partir do controle do ângulo de disparo é possível variar a potência fornecida à carga.

A tensão média pode ser estimada a partir de:

O valor eficaz da tensão na saída é:

Observa-se que, quando α → 0, as expressões acima tendem para os valores obtidos no

retificador de onda completa não controlado:

2

)2sin(1

2)()]sin([

1 max2

max V

tdtVVef

2

max0

VVef

max

0

2VVd

Sendo Vmax o valor máximo datensão de alimentação CA.


)cos1()()sin(

1 maxmax

VtdtVVd

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Efeito de uma carga indutiva:

A ondulação da corrente tende a ser reduzida com o aumento da indutância da carga.

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Quando L >> R (L →∞):

Para α = 0

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Retificador Controlado Monofásico de Onda Completa Quando L >> R (L →∞):

Para α = 46o Para α = 90o Para α = 135o

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A tensão média na carga é dada por:

A tensão eficaz na carga é igual à da fonte(e independente de α):

A tensão média normalizada é definida por:

cos2

maxVVd

cos

0

dV

dV

VN

)()( EFSEFO VV

Vd > 0 para 0o < α < 90o

Vd = 0 para α = 90o

Vd < 0 para 90o < α < 180o

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Operação no modo de inversão:

Quando α > 90o a tensão média de saída é negativa e o conversor como um inversor.

A transferência de potência do lado CC para o CA somente é possível com a conexão de uma fonte de tensão no lado CC.

Um exemplo de aplicação é um motor de corrente contínua que opera em condições regenerativas.

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Circuito em ponte:

Uma ponte de tiristores é utilizada para produzir um sinal retificado em onda completa.

As formas de onda são semelhantes às do retificador de onda completa com transformador de derivação central.

A principal diferença está na máxima tensão reversaque precisa ser suportada por cada tiristor.

Os tiristores devem ser disparados aos pares:

T1 e T2 devem ser disparados durante os ciclos positivos de Vs.

T3 e T4 devem ser disparados durante os ciclos negativos de Vs.

Totalmente controlado

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Para garantir o disparo simultâneo, utiliza-se o mesmo sinal de disparo para os tiristores T1 e T2 / T3 e T4.

Os sinais de cada ramo da ponte são semelhantes aos de retificadores controlados de meia onda.

A ondulação da tensão de saída é reduzida em comparação ao retificador controlado de meia onda.

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Considerando que a indutância de carga é muito maior que a resistência (L >> R):

A corrente na carga tende a um valor constante.

A corrente exigida da fonte é uma onda quadrada com a mesma frequência da tensão de alimentação CA, porém defasada em α.

A operação pode ser ajustada para os modos de retificação ou inversão a partir da variação do ângulo de disparo (α ).

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Análise da Distorção de Corrente

Conforme observado, a corrente exigida da fonte CA por um retificador controlado não é puramente senoidal.

Estes conversores introduzem componentes harmônicos que contribuem para distorcer a corrente do sistema.

Considerando uma carga altamente indutiva, a corrente da fonte é uma onda quadrada com defasagem α em relação à tensão da rede.

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Análise da Distorção de Corrente

A partir da decomposição da corrente da fonte em série de Fourier chega-se ao valor RMS dos componentes harmônicos:

Na freq. fundamental

Sendo Id o valor médio da corrente na carga

Para n ímpar

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Cálculo do Fator de Potência – Carga Resistiva (L ≈ 0)

No caso puramente resistivo não há defasagem entre Vs e Is, porém, Is não existedurante todo o período, o que acaba produzindo um fator de potência não unitário.

O fator de potência é definido como:

Sendo e

Então:

S

PFP

Potência Ativa

Potência Aparente

EFEF IsVoP EFEF IsVsS

EF

EF

Vs

VoFP

2

)2sin(1 FP

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Cálculo do Fator de Potência – Carga Resistiva (L ≈ 0)

A relação entre o fator de potência e o ângulo de disparo pode ser obtida da curva:

sendo:

2

)2sin(1 FP

Vs

Vo

EF

EF

EF

EF

Vs

Vo

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Cálculo do Fator de Potência – Carga Indutiva (L >> R)

Neste caso Is é atrasada em α em relação a Vs.

Assim, a potência ativa é calculada por:

A potência reativa é:

E o fator de potência:

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2.3. Aplicações de Retificadores

Monofásicos Controlados com

Comutação em Baixa Frequência

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Fonte de Alimentação Ininterrupta (UPS)

Na falta da tensão CA da rede elétrica a UPS é capaz de alimentar a carga a partir da energia armazenada em um banco de baterias que foi carregado a partir da utilização de retificadores controlados.

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Driver de Motor CC com operação em 2 quadrantes

O retificador controlado regula a tensão de armadura e consequentemente a corrente id necessária para produzir o torque requerido.

Essa configuração permite apenas correntes positivas.

O motor pode operar em apenas um sentido de rotação nas configurações de potência direta (motor) e frenagem regenerativa (gerador).

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Driver de Motor CC com operação em 4 quadrantes

Esse arranjo é conhecido como conversor dual.

Utilizando-se dois retificadores é possível variar a polaridade tanto da tensão quando da corrente.

Neste caso, a máquina pode operar nos dois sentidos de giro e nas configurações de motor e gerador.

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3. Retificadores Monofásicos Controlados

com Comutação em Alta Frequência

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Distorção Produzida por Retificadores Comutados na Frequência da Rede

As principais desvantagens dos retificadores comutados na frequência da rede são:

atraso da corrente exigida da fonte em relação à tensão;

introdução de componentes harmônicos no sistema elétrico.

Esses aspectos influenciam tanto o fator de potência como a qualidade da energia(distorção harmônica).

Nos últimos anos a utilização de retificadores monofásicos vem crescendo rapidamentede modo que em prédios comerciais modernos a energia consumida por cargas nãolineares (incluindo os retificadores) pode variar entre 50% e 90% do total.

Uma alternativa para minimizar estes problemas pode ser a utilização de retificadorescomutados em alta frequência.

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Um dos mais importantes retificadores com alto fator de potência.

Composto por um retificador não controlado em ponte, indutor, capacitor, diodo e transistor (dispostos como num conversor CC-CC).

Transistor conduzindo Transistor em corte

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Funcionamento:

Quando o transistor está em condução (chave fechada) a tensão |Vs| está carregando a indutância L.

Como |Vs|>0, iL está sempre aumentando enquanto a chave estiver fechada.

O diodo impede que o capacitor descarregue sobre o transistor.

A carga fica conectada em paralelo com o capacitor.

Transistor conduzindo

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Funcionamento:

Quando a chave é aberta a corrente sobre o indutor não pode ser interrompida abruptamente, passando através do diodo, carregando o capacitor e alimentando a carga.

Quando Vo > |Vs| (o que é uma condição para o correto funcionamento do circuito “elevador”), então a corrente no indutor está decrescendo.

Transistor em corte

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Funcionamento:

Um sistema de controle é utilizado para realizar o chaveamento do transistor em alta frequência, gerando uma corrente aproximadamente senoidal:

Tensão na carga

Tensão de controle do transistor

Corrente no indutor

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A distorção é consideravelmente reduzida:

THD = 7,46%

O fator de potência é quase unitário:

FP ≈ 0,99

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4. Exercícios de Fixação

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Exercícios de Fixação

1) Obtenha a decomposição em série de Fourier da corrente produzida por um retificador monofásico de meia onda controlado com carga puramente resistiva. Estude o comportamento da THD em função do ângulo de disparo.

2) Obtenha a decomposição em série de Fourier da corrente produzida por um retificador monofásico de onda completa controlado com carga puramente resistiva. Estude o comportamento da THD em função do ângulo de disparo.

3) Com o auxílio de uma ferramenta computacional trace o gráfico do valor médio da tensão na carga (puramente resistiva) de um retificador controlado de onda completa em função do ângulo de disparo.

4) Um retificador controlado de onda completa utiliza um transformador de derivação central (1:3) e é conectado numa fonte de 220 V. Considerando que a carga é uma resistência de 100 Ω, encontre os valores do ângulo de disparo de modo que:

a. O valor médio da tensão na carga é 250 V.b. A corrente eficaz na carga é ≈ 30 A.c. O fator de potência do conversor é ≈ 0,85.

5) Num retificador de onda completa controlado em ponte com carga predominantemente indutiva alimentado por uma fonte de 330 V, encontre:

a. O ângulo de disparo necessário para que o valor médio da tensão na carga seja 100 V.

b. O fator de potência para α = 25o. Considere R = 150 Ω.

6) Para o retificador da questão 05, encontre os valores RMS e médio da corrente sobre cada tiristor.

7) Calcule as perdas associadas aos tiristores no circuito da questão 05. Considere que foram utilizados tiristores do modelo TIC 106 conforme datasheet em anexo.

8) Explique o funcionamento do retificador elevador monofásico e indique suas vantagens em relação aos retificadores com comutação 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 nessa apresentação foram retiradas das

referências listadas acima

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