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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
DEE
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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
DEE
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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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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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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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Ret. Controlado de 3 Pulsos
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:
Sendo Vm o valor máximo da tensão de fase.
Para 150o ≤ α ≤ 180º o valor médio da tensão nacarga é igual a zero.
6
cos12
33)(
mAVG VVo
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Ret. Controlado de 3 Pulsos
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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Ret. Controlado de 3 Pulsos
Carga Indutiva:
Considerando que o conversor opera no modo decorrente contínua (L >> R).
Para 0o ≤ α ≤ 180o a tensão média na carga é dadapor:
Sendo Vm o valor máximo da tensão de fase.
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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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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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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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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Retificador de 6 Pulsos com carga resistiva
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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Retificador de 6 Pulsos com carga resistiva
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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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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Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R)
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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Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R)
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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Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R)
Característica de controle
É necessário umatensão DC (forçacontra-eletromotriz)para a operaçãocomo inversor.
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Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R)
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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Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R)
Efeito da Indutância da Fonte:
O intervalo de comutação depende do valor de Ls, sendo definido a partir doângulo de sobreposição μ.
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Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R)
Efeito da Indutância da Fonte:
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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Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R)
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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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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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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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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Retificador de Fonte de Tensão
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 de Fonte de Tensão
...
Retificador com FP = 1
Inversorcom FP = 1
Operação Capacitivacom FP = 0
Operação Indutiva
com FP = 0
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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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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.