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11/03/2020 Eletrônica de Potência 1
Aula 4: Retificadores a Diodos
Prof. Allan Fagner Cupertino
211/03/2020 Prof. Allan Fagner Cupertino
Conteúdo
311/03/2020 Prof. Allan Fagner Cupertino
Sumário
❑ Parâmetros de desempenho;
❑ Retificadores Monofásicos;
❑ Retificadores Polifásicos;
❑ Considerações práticas
❑ Retificadores a diodos para inversores de média tensão.
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Parâmetros de Desempenho
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Introdução
11/03/2020
❑ Um retificador é um conversor estático que converte um sinal CA em CC, ou seja,
é um conversor CA-CC;
❑ Dependendo do tipo de alimentação de entrada, os retificadores são classificados
em:
• Retificadores monofásicos
• Retificadores trifásicos.
Rik W. De Doncker, “Electric Drives and Batteries for Plug-in Hybrid and Electric Vehicles”
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Parâmetros de desempenho
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❑ O desempenho de um retificador é normalmente avaliado em termos dos
seguintes parâmetros:
• O valor médio da tensão de saída (da carga), 𝑉CC
• O valor médio da corrente de saída (da carga), 𝐼CC
• A potência CC de saída:
• O valor eficaz (rms) da tensão de saída, 𝑉rms
• O valor eficaz (rms) da corrente de saída, 𝐼rms
• A potência CA de saída
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Parâmetros de desempenho
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• A eficiência (ou razão de retificação) de um retificador, que é uma figura de mérito
e nos permite comparar a eficácia, é definida como:
• O valor eficaz (rms) da componente CA da tensão de saída é:
• O fator de forma, que é uma medida da forma da tensão de saída, é:
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Parâmetros de desempenho
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• O fator de ondulação ou fator de ripple, que é uma medida do conteúdo de
ondulação, é definido como:
• O fator de ondulação pode ser expresso como:
• O fator de utilização do transformador é definido como:
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Parâmetros de desempenho
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• O fator de potência pode ser indicado como:
• O fator de crista, muitas vezes, é de interesse para especificar as capacidades de
corrente dos dispositivos e componentes.
• O fator de crista da corrente de entrada é definido como a relação entre os valores
máximo e eficaz dessa corrente:
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Retificadores monofásicos
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Retificador monofásico de meia onda
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❑ Utiliza um único diodo
❑ Efeito de carga indutiva pode ser eliminado por meio de um diodo de roda livre
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Retificadores monofásicos de onda completa
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❑ Retificador de onda completa com derivação central
❑ Determinar:
• Razão de retificação
• FF
• FR
• FUT
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Retificadores monofásicos de onda completa
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❑ Retificador de onda completa em ponte
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Retificadores monofásicos de onda completa
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❑ Comparação
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Retificadores monofásicos de onda completa – Carga RL
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❑ 2 condições de operação:
• Modo Contínuo
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Retificadores monofásicos de onda completa – Carga RL
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❑ 2 condições de operação:
• Modo Descontínuo
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Retificadores monofásicos de onda completa – Carga RL
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❑ Se a carga é fortemente indutiva
• a corrente de carga permanecerá quase constante;
• a corrente de entrada será como uma onda quadrada;
❑ O fator de deslocamento é definido como:
❑ Já o fator harmônico da corrente de entrada é determinado como:
❑ O fator de potência de entrada é
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Retificadores monofásicos de onda completa – Carga RL
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❑ Se a carga é fortemente indutiva
• a corrente de carga permanecerá quase constante;
• a corrente de entrada será como uma onda quadrada;
❑ O fator de deslocamento é definido como:
❑ Já o fator harmônico da corrente de entrada é determinado como:
❑ O fator de potência de entrada é
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Efeito da recuperação reversa
11/03/2020
❑ Importante para circuitos retificadores de alta frequência
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Efeito da recuperação reversa
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❑ Estimar a redução na tensão de saída do retificador para 𝑡𝑟𝑟 = 50 𝜇𝑠 e:
• 𝑓𝑛 = 60 Hz
• 𝑓𝑛 = 2 kHz
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Retificadores Polifásicos
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Retificadores polifásicos em estrela
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Retificadores polifásicos em estrela
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Retificadores trifásico - 6 pulsos
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Retificadores trifásico - 6 pulsos
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❑ Formas de onda e tempos
de condução dos diodos:
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Retificadores trifásico - 6 pulsos: Carga altamente indutiva
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❑ A série de Fourier da corrente de entrada é dada por
❑ O valor rms da n-ésima harmônica da corrente de entrada é dado por
❑ O valor rms da componente fundamental da corrente é
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Retificadores trifásico - 6 pulsos: Carga altamente indutiva
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❑ Determinar:
• Razão de retificação
• FF
• FR
• FUT
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Comparação
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Tipos de filtros para retificadores
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❑ Filtro CC
❑ Filtro CA
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Tensão de saída com filtro LC
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Efeito das indutâncias da fonte e da carga
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Efeito das indutâncias da fonte e da carga
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Redução da tensão média
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❑ A tensão sobre 𝐿2 é
❑ Assumindo um aumento linear da corrente i de 0 até 𝐼𝐶𝐶 :
❑ A redução da tensão média por conta das indutâncias de comutação é de
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Considerações práticas
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Escolha dos componentes de um circuito retificador
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❑ Diodos: Como escolher?
❑ Capacitores: Como projetar o valor da capacitância? Qual tecnologia de capacitor
utilizar?
❑ Indutores: Como projetar o valor da indutância? Qual tecnologia de capacitor
utilizar?
Rik W. De Doncker, “Electric Drives and Batteries for Plug-in Hybrid and Electric Vehicles”
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Escolha dos diodos
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❑ A função do circuito define o tipo de diodo a ser utilizado:
• Em aplicações de retificação lenta (60 Hz), os diodos devem ser otimizados para
reduzir perdas de condução (visto que as perdas de comutação serão desprezíveis);
• Em aplicações de retificação altas frequências maiores, o efeito da recuperação
reversa pode ser importante e diodos rápidos (otimizados para comutação) devem
ser considerados;
❑ Na maioria das vezes, mais de um part number deve ser analisado!
Rik W. De Doncker, “Electric Drives and Batteries for Plug-in Hybrid and Electric Vehicles”
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Escolha dos diodos
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❑ Tensão de bloqueio: é recomendado que o estresse máximo de tensão do diodo
não supere 60 % da sua capacidade de bloqueio nominal;
❑ Corrente: A corrente eficaz, a corrente média e a corrente de pico nos diodos são
variáveis importantes para a escolha da capacidade de corrente no diodo;
❑ O projeto térmico (dissipador) tem um papel importante na seleção da corrente
dos diodos;
❑ Diodo deve suportar o pico de corrente no processo de carga do barramento cc!
Rik W. De Doncker, “Electric Drives and Batteries for Plug-in Hybrid and Electric Vehicles”
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Capacitores e indutores
11/03/2020
❑ A capacitância é calculada de acordo com a ondulação de tensão máxima
admissível no projeto do retificador;
❑ A indutância é calculada de acordo com a ondulação de corrente máxima
admissível;
❑ A indutância também ajuda na redução da distorção de corrente na rede elétrica;
❑ O projeto depende da topologia!!!
Rik W. De Doncker, “Electric Drives and Batteries for Plug-in Hybrid and Electric Vehicles”
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Capacitores
11/03/2020
https://vbn.aau.dk/ws/portalfiles/portal/243654015/IECON_2016_Cap_HW.pdf
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Tecnologias de Capacitores
11/03/2020
https://vbn.aau.dk/ws/portalfiles/portal/243654015/IECON_2016_Cap_HW.pdf
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Capacitores: Comportamento elétrico
11/03/2020
Capacitores:
❑ Efeito indutivo limita a utilização do capacitor;
❑ ESR é a mínima impedância do capacitor (Por quê?);
❑ Os pinos dos capacitores tem uma grande influência na indutância do capacitor.
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Efeito da frequência na impedância do capacitor
11/03/2020
43Prof. Allan Fagner Cupertino
Exemplo: Inversor de 100 kVA
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Exemplo: Inversor de 100 kVA
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Tipos de capacitores
11/03/2020
❑ Os capacitores cerâmicos são capacitores de uso
geral, especialmente em Cis com tecnologia de
montagem em superfície. Destaca-se seu baixo
custo.
❑ O capacitor eletrolítico de alumínio é construídos
com placas embebidos em eletrólito líquido,
conectadas a terminais e selados em uma lata.
❑ Esses capacitores geralmente oferecem valores de
capacitância de 0,1 μF a 3 F e faixas de tensão de 5
V a 750 V.
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Efeito da frequência na impedância do capacitor
11/03/2020
❑ Os capacitores CA de filme usam um filmede polipropileno metalizado.
❑ Oferecem capacitância com tolerânciapequena, correntes de fuga muito baixas epequena variação da capacitância com atemperatura.
❑ Possuem baixas perdas, onde uma resistênciasérie equivalente (ESR) e um fator dedissipação muito baixo: densidade decorrente relativamente alta.
❑ Combinação de alta capacitância e baixo FD,o que permite altas correntes CA.
Fonte: http://old.weg.net/br/Produtos-e-Servicos/Controls/Capacitores-e-Correcao-do-Fator-de-Potencia/Capacitores-de-Polipropileno
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Efeito da frequência na impedância do capacitor
11/03/2020
❑ Os capacitores de tântalo sólido são dispositivos
polarizados (tensão reversa máxima de 1 V) com
terminais distintos, positivo e negativo, e são
oferecidos em vários estilos.
❑ Os valores típicos de capacitância são de 0,1 μF, a
1000 μF, e as faixas de tensão vão de 2 V a 50 V.
❑ Os supercapacitores oferecem valores
extremamente elevados de capacitância (farads) em
várias opções de encapsulamento que satisfazem as
exigências de perfil baixo, montagem de superfície
through hole e alta densidade.
48Prof. Allan Fagner Cupertino
Comparação das tecnologias mais utilizadas em EP
11/03/2020
https://vbn.aau.dk/ws/portalfiles/portal/243654015/IECON_2016_Cap_HW.pdf
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Indutores
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❑ Indutores podem ser instalados do lado CA ou do lado CC do inversor;
❑ Indutores CC apresentam maior fluxo magnético e portanto utilizam
mais material magnético;
❑ Indutores CA apresentam menor volume e custo;
❑ Algumas vezes a própria indutância de dispersão do transformador
pode ser utilizada.
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Exemplos de filtros indutivos
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Algumas realizações possíveis
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Alguns materiais
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Resistores de descarga (Bleeder resistors)
11/03/2020
❑ Resistores instalados em paralelo com o barramento CC para
descarregar o mesmo durante operações de manutenção;
❑ Devem apresentar resistência elevada para garantir baixas perdas em
regime permanente (crítico em sistemas de alta potência);
❑ Geralmente calculadas para descarregar o capacitor em alguns minutos
(1 a 5 minutos);
❑ Resistores de balanceamento podem ser utilizados quando a conexão
série de capacitores é necessária.
54Prof. Allan Fagner Cupertino
Corrente de inrush
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❑ Capacitor inicialmente descarregado:
comporta-se como um curto circuito;
❑ Alto pico de corrente na carga do capacitor;
❑ Pode-se escolher diodos que suportam o
pico da corrente de pré-carga;
❑ Contudo esta abordagem é prejudical para o
circuito que alimenta o retificador.
55Prof. Allan Fagner Cupertino
Estratégias de limitação da corrente de inrush
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❑ Abordagem usada em fontes chaveadas → Uso de termistores NTC
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Estratégias de limitação da corrente de inrush
11/03/2020
❑ Abordagem em sistemas de alta potência → Resistores de pré-carga
57Prof. Allan Fagner Cupertino
Transitório com resistor de pré-carga
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Retificadores de média tensão
59Prof. Allan Fagner Cupertino
Retificador de 6 e 12 pulsos
11/03/2020
https://www.ee.co.za/article/medium-voltage-industrial-variable-speed-drives.html
60Prof. Allan Fagner Cupertino
Retificador de 18 pulsos
11/03/2020
https://www.ee.co.za/article/medium-voltage-industrial-variable-speed-drives.html
61Prof. Allan Fagner Cupertino
Efeito do aumento do número de pulsos
11/03/2020
62Prof. Allan Fagner Cupertino
Exemplo de aplicação
11/03/2020
❑ Cascaded H-Bridge Converter (CHB) com transformador zig-zag
• Siemens Robicon perfect harmony
• Delta Electronics MVD 2000 series
A. Marzoughi, R. Burgos, D. Boroyevich and Y. Xue, "Design and Comparison of Cascaded H-Bridge, Modular Multilevel Converter, and 5-
L Active Neutral Point Clamped Topologies for Motor Drive Applications," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 54, no. 2, pp.
1404-1413, March-April 2018.
63Prof. Allan Fagner Cupertino
Exemplo de aplicação
11/03/2020
https://www.controldesign.com/articles/2016/peter-hammond-recalls-the-birth-of-the-medium-voltage-drive/
64Prof. Allan Fagner Cupertino
Robicon perfect harmony
11/03/2020
https://www.controldesign.com/articles/2016/peter-hammond-recalls-the-birth-of-the-medium-voltage-drive/