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Cláudio Pedroso Cunha
1 Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica Disciplina: Eletrônica de Potência (ENGC48) Tema: Conversores CA-CC Monofásicos Controlados Prof.: Eduardo Simas Aula 8
2 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 2/46
3 1. Introdução 3/46
4 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 4/46
5 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. 5/46
6 2. Retificadores Monofásicos Controlados com Comutação em Baixa Frequência 6/46
7 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. 7/46
8 2.1. Retificador Monofásico Controlado de Meia Onda 8/46
9 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 (V AK > 0), caso receba um pulso de corrente positiva no terminal de gate (I G > 0). O ângulo de disparo (α) é definido como a diferença entre o instante de cruzamento 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 (mesmo no caso puramente resistivo) FP < 1. Sendo 0 α π o ângulo de disparo do SCR. 9/46
10 Retificador Controlado Monofásico de Meia Onda 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: Sendo V max o valor máximo da tensão de alimentação CA. V ef 1 2 V [ V sin( )] ( ) max max t d t sin(2 ) 2 Observa-se que, quando α 0, as expressões acima tendem para os valores obtidos no retificador de meia onda não controlado: V d 0 Vmax V ef 0 V 2 max 10/46
11 Retificador Controlado Monofásico de Meia Onda Considerando carga indutiva (R-L): V L Quando o SCR estiver ligado: did VS VR L dt α β Enquanto V S > V R a corrente Id aumenta. Quando V S < V R a corrente Id diminui. i d ( t) t V L d Assim o tiristor continua conduzindo enquanto Id > 0 (mesmo se V S < 0). Quando A 1 = A 2, então, a corrente Id = 0. A tensão média na carga é dada por: V d (cos cos ) V max 2 Sendo β o ângulo de avanço 11/46
12 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 180 o ; Influencia no comportamento da corrente da carga. 12/46
13 Circuito para Disparo do Tiristor V sincronização V ds Sinal de disparo V controle 13/46 do gate
14 Disparo do Tiristor com o Circ. Integrado TCA 785 Circuito para disparo de tiristores e transistores em conversores por controle de fase. Diagrama de Blocos: A partir da tensão de controle pode-se variar α de 0 a 180 o. Config. dos Pinos: 14/46
15 Disparo do Tiristor com 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 180 o (mais apropriado para o disparo de transistores). Utilizado em conversores CA-CC monofásicos e trifásicos (a partir de 3 Cis, um por fase). 15/46
16 2.2. Retificador Monofásico Controlado de Onda Completa 16/34
17 Retificador Controlado Monofásico de Onda Completa Circuito com transformador de derivação central: Os tiristores T 1 e T 2 estão polarizados diretamente em ciclos opostos da tensão V S. O disparo dos tiristores está condicionado ao pulso de corrente de gate. Condução com Vs>0 Condução com Vs < 0 17/46
18 Retificador Controlado Monofásico de Onda Completa 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. 18/46
19 Retificador Controlado Monofásico de Onda Completa 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: V d 1 V V sin( ) ( ) max max t d t (1 cos ) Sendo V max o valor máximo da tensão de alimentação CA. O valor eficaz da tensão na saída é: V ef 1 2 V [ V sin( )] ( ) max max t d t 2 1 sin(2 ) 2 Observa-se que, quando α 0, as expressões acima tendem para os valores obtidos no retificador de onda completa não controlado: V d 0 2V max V ef 0 V 19/46 max 2
20 Retificador Controlado Monofásico de Onda Completa Efeito de uma carga indutiva: A ondulação da corrente tende a ser reduzida com o aumento da indutância da carga. 20/46
21 Retificador Controlado Monofásico de Onda Completa Quando L >> R (L ): Para α = 0 21/46
22 Retificador Controlado Monofásico de Onda Completa Quando L >> R (L ): Para α = 46 o Para α = 90 o Para α = 135 o 22/46
23 Retificador Controlado Monofásico de Onda Completa Quando L >> R (L ): A tensão média na carga é dada por: V d 2 V max cos Vd > 0 para 0 o < α < 90 o Vd = 0 para α = 90 o Vd < 0 para 90 o < α < 180 o A tensão eficaz na carga é igual à da fonte (e independente de α): V V O( EF ) S( EF ) A tensão média normalizada é definida por: V N V d cos V d0 23/46
24 Retificador Controlado Monofásico de Onda Completa Quando L >> R (L ): Operação no modo de inversão: Quando α > 90 o 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. 24/46
25 Retificador Controlado Monofásico de Onda Completa 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 reversa que precisa ser suportada por cada tiristor. Os tiristores devem ser disparados aos pares: T 1 e T 2 devem ser disparados durante os ciclos positivos de Vs. T 3 e T 4 devem ser disparados durante os ciclos negativos de Vs. Totalmente controlado 25/46
26 Retificador Controlado Monofásico de Onda Completa Para garantir o disparo simultâneo, utiliza-se o mesmo sinal de disparo para os tiristores T 1 e T 2 / T 3 e T 4. 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. 26/46
27 Retificador Controlado Monofásico de Onda Completa 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 ). 27/46
28 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. 28/46
29 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 Para n ímpar Sendo Id o valor médio da corrente na carga 29/46
30 Cálculo do Fator de Potência Carga Resistiva (L 0) No caso puramente resistivo não há defasagem entre Vs e Is, porém, Is não existe durante todo o período, o que acaba produzindo um fator de potência não unitário. O fator de potência é definido como: FP P S Potência Ativa Potência Aparente Sendo P Vo EF Is EF e S Vs EF Is EF Então: FP Vo Vs EF EF FP 1 sin(2 ) 2 30/46
31 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: Vo Vs EF EF sendo: Vo Vs EF EF FP 1 sin(2 ) 2 31/46
32 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: 32/46
33 2.3. Aplicações de Retificadores Monofásicos Controlados com Comutação em Baixa Frequência 33/46
34 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. 34/46
35 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). 35/46
36 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. 36/46
37 3. Retificadores Monofásicos Controlados com Comutação em Alta Frequência 37/46
38 Distorção Produzida por Retificadores Comutados na Frequência da Rede Asprincipais 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 rapidamente de modo que em prédios comerciais modernos a energia consumida por cargas não lineares (incluindo os retificadores) pode variar entre 50% e 90% do total. Uma alternativa para minimizar estes problemas pode ser a utilização de retificadores comutados em alta frequência. 38/46
39 Retificador Elevador Monofásico 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 39/46
40 Retificador Elevador Monofásico Funcionamento: Quando o transistor está em condução (chave fechada) a tensão Vs está carregando a indutância L. Como Vs >0, i L 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 40/46
41 Retificador Elevador Monofásico 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 41/46
42 Retificador Elevador Monofásico Funcionamento: Um sistema de controle é utilizado para realizar o chaveamento do transistor em alta frequência, gerando uma corrente aproximadamente senoidal: Tensão na carga Corrente no indutor Tensão de controle do transistor 42/46
43 Retificador Elevador Monofásico A distorção é consideravelmente reduzida: THD = 7,46% O fator de potência é quase unitário: FP 0,99 43/46
44 4. Exercícios de Fixação 44/46
45 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 = 25 o. 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. 45/46
46 Referências Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and Applications, Segunda Edição, Elsevier, Ahmed, Ashfak. Eletrônica de Potência, Wiley, Pomilio, José Antenor. Eletrônica de Potência, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, UNICAMP, 1998, Revisado em Algumas figuras utilizadas nessa apresentação foram retiradas das referências listadas acima 46/46