Aula 06 - DEE UFBA

Universidade Federal da Bahia
Escola Politécnica
Departamento de Engenharia Elétrica
Disciplina: Eletrônica de Potência (ENGC48)
Tema: Conversores CA-CC Trifásicos Controlados
Prof.: Eduardo Simas
[email protected]
Aula 8
Sumário

Introdução

Retificadores Trifásicos Controlados com Comutação da Frequência da Rede

Retificadores Trifásicos Controlados com Comutação em Alta Frequência

Exercícios de Fixação
DEE
2/47
1. Introdução
DEE
3/47
Introdução

Os retificadores trifásicos controlados são utilizados principalmente em aplicações
onde 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)
DEE
4/47
2. Retificadores Comutados na
Frequência da Linha
DEE
5/47
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
DEE
6/47
2.1. Retificador Controlado de Três Pulsos
DEE
7/47
Ret. Controlado de 3 Pulsos
Carga Resistiva:

Para pequenos valores do ângulo de disparo
(0o ≤ α ≤ 30o):
Vo( AVG ) 
3 3
Vm cos  
Vo( AVG )  0,827Vm cos 
2
Sendo Vm o valor máximo da tensão de fase.
DEE
8/47
Ret. Controlado de 3 Pulsos
Carga Resistiva:

Com o aumento do ângulo de disparo
(30o ≤ α ≤ 150o) existem intervalos nos quais a
tensão instantânea na saída é nula.

A tensão média na carga é dada por:
Vo( AVG ) 


3 3
Vm 1  cos   
6
2

Sendo Vm o valor máximo da tensão de fase.

Para 150o ≤ α ≤ 180º o valor médio da tensão na
carga é igual a zero.
DEE
9/47
Ret. Controlado
de 3 Pulsos
Efeito do aumento da indutância:

Para L = 0, quando o tiristor está
conduzindo I e V estão em fase.

Com L > 0 há um atraso de I em
relação a V.

Com o aumento de L a ondulação
de I diminui.

Para L → ∞ a corrente tende a
ficar constante (DC).
DEE
10/47
Ret. Controlado de 3 Pulsos
Carga Indutiva:

Considerando que o conversor opera no modo de
corrente contínua (L >> R).

Para 0o ≤ α ≤ 180o a tensão média na carga é dada
por:
Vo( AVG ) 
3 3
Vm cos  
Vo( AVG )  0,827Vm cos 
2
Sendo Vm o valor máximo da tensão de fase.

A tensão média máxima ocorre para α = 0o:
Vo( AVG )  0,827Vm
DEE
11/47
Ret. Controlado de 3
Pulsos (Carga Indutiva)
α = 90o
Tensão na carga
α = 0o
α = 135o
α = 180o
α = 45o
DEE
12/47
Ret. Controlado de 3 Pulsos (Carga Indutiva)
α = 45o
DEE
13/47
Retificador Controlado de 3 Pulsos
Carga Indutiva:
I ( SCR) 

A corrente média em cada SCR é:

Característica de controle do conversor:
Io
3
Vo( AVG )  0,827Vm cos 
É necessário uma
tensão DC (força
contra-eletromotriz)
para a operação
como inversor.
DEE
14/47
2.2. Retificador Controlado de Seis Pulsos
DEE
15/47
Retificador Controlado de Seis Pulsos

É o tipo de retificador trifásico mais utilizado em aplicações de alta potência por
apresentar alta eficiência e baixa ondulação na tensão de saída.

Dois tiristores precisam estar conduzindo simultaneamente para haver tensão na
carga.
DEE
16/47
Retificador de 6 Pulsos
com carga resistiva
α = 0o
Comportamento semelhante ao
do retificador não controlado .
DEE
17/47
α = 30o
α = 60o
DEE
18/47
Retificador de 6 Pulsos
Sequência de acionamento dos tiristores:

Um modo de acionar os SCRs é fornecer
ao mesmo tempo pulsos a 2 dispositivos.

Os pulsos devem ser executados a cada
60o.

Deste modo garante-se que sempre dois
SCRs estarão sendo ativados.
DEE
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Retificador de 6 Pulsos com carga resistiva


Tensão média na carga:
0o ≤ α ≤ 60º
Vo( AVG ) 
3 3


60o ≤ α ≤ 120º
Vo( AVG ) 
3 3

120o ≤ α ≤ 180º
Vo( AVG )  0
Corrente média nos SCRs:

Vm cos 

 

Vm 1  cos  

3 


I SCR( AVG ) 
Io( AVG )
3
DEE
20/47
Retificador de 6 Pulsos com carga resistiva


Corrente RMS na saída:

0o

60o
≤α≤
60º
≤α≤
120º
Corrente de linha:
Io( RMS ) 
3Vm
2R
2  3 3 cos 2
Io( RMS ) 
3Vm
2R
4  6  3 sin(2   / 3)


I A( RMS )  2 3Io( AVG )
DEE
21/47
Retificador de 6 Pulsos com carga resistiva
Característica de controle
DEE
22/47
Retificador de 6 Pulsos com
Carga Indutiva (L >> R)

Neste
caso
a
corrente na carga é
aproximadamente
constante.

As correntes nos
SCRs têm a mesma
forma das obtidas
para a versão não
controlada, porém
com defasagem α.

Cada SCR conduz
por 120o.
DEE
23/47
Retificador de 6 Pulsos com
Carga Indutiva (L >> R)
Correntes de Linha:

As correntes de linha também são
semelhantes às do caso não
controlado.

Apresentam uma defasagem α em
relação às tensões de linha.
DEE
24/47
Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R)
3 3

Tensão média na carga:
Vo( AVG ) 

Tensão eficaz na saída:
Vo( RMS )  2 3Vm

Corrente média na carga:

Corrente média nos SCRs:
Io( AVG ) 

Vm cos 
1 3 3

cos 
4 8
Vo( AVG )
I SCR( AVG ) 
R
Io( AVG )
3
DEE
25/47
Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R)
Característica
de controle
É necessário uma
tensão DC (força
contra-eletromotriz)
para a operação
como inversor.
DEE
26/47
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 de
modo instantâneo devido à indutância Ls (não nula) da fonte AC.
DEE
27/47
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 do
ângulo de sobreposição μ.
DEE
28/47
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:
DEE
29/47
Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R)

Fator de Potência:

Sendo

I arms
1 
6

Io( AVG )
O fator de potência é influenciado pelo ângulo de disparo e pela distorção harmônica
do sinal de corrente.
DEE
30/47
2.3. Aplicações
DEE
31/47
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.
DEE
32/47
Controle de Velocidade de Motor de Indução

Em conjunto com um inversor, pode ser utilizado para o controle de uma máquina
síncrona num acionamento através de tensão e frequência variáveis.
DEE
33/47
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:
DEE
34/47
3. Retificadores Trifásicos com
Comutação em Alta Frequência
DEE
35/47
Introdução

Os retificadores com comutação em alta frequência (ou comutação forçada) são
indicados para reduzir distorções da corrente de linha inerentes a retificadores
comutados na frequência da linha.

Em geral são utilizados dispositivos semicondutores que podem ser ligados e
desligados em alta frequência a partir do terminal de gate (Ex: GTO, IGBT ou
MOSFET).

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 componentes
harmônicos são de alta frequência e baixa amplitude.

Os tipos mais comuns são: Retificador de Fonte de Tensão e Retificador de Fonte de
Corrente.
DEE
36/47
3.1 Retificador de Fonte de Tensão
DEE
37/47
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 de
energia no lado DC).

Essa topologia de conversor pode também ser utilizado para correção do fator de
potência da linha na qual está conectado.
DEE
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Retificador de Fonte de Tensão - Operação

Quando a corrente ID é positiva (operação como retificador) o capacitor se descarrega e o
sinal 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 valor
maior que a referência e o sinal de erro indica para o controlador que é necessário
descarregar o capacitor retornando a energia para o lado AC.
DEE
39/47
Retificador de Fonte de Tensão

Um padrão PWM produz na frequência fundamental um sinal VMOD com a mesma
frequência da tensão da rede.

Modificando a amplitude e a defasagem δ entre VLinha e VMOD é possível operar o
conversor 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
DEE
40/47
Retificador de Fonte de Tensão

...
Retificador
com FP = 1
Inversor
com FP = 1
Operação
Capacitiva
com FP = 0
Operação
Indutiva
com FP = 0
DEE
41/47
3.2 Aplicações
DEE
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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.
DEE
43/47
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 é
possível gerar energia para o sistema elétrico em frequência fixa a partir de um gerador
operando em frequência variável.
DEE
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4. Exercícios de Fixação
DEE
45/47
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 retificador
trifásico de onda completa (seis pulsos).
6)
Explique o funcionamento do retificador trifásico de fonte de tensão e comente a respeito das suas vantagens em
relação aos retificadores comutados na frequência da rede.
DEE
46/47
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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