Aula 05 - DEE UFBA

Universidade Federal da Bahia
Escola Politécnica
Departamento de Engenharia Elétrica
Disciplina: Eletrônica de Potência (ENGC48)
Tema: Conversores CA-CC Monofásicos Controlados
Prof.: Eduardo Simas
[email protected]
Aula 8
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
DEE
2/46
1. Introdução
DEE
3/46
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);

DEE
chaveamento em alta frequência.
Diagrama de blocos de
um retificador controlado
4/46
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.
DEE
5/46
2. Retificadores Monofásicos Controlados
com Comutação em Baixa Frequência
DEE
6/46
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.
DEE
7/46
2.1. Retificador Monofásico
Controlado de Meia Onda
DEE
8/46
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 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.
DEE
Sendo 0 ≤ α ≤ π o ângulo de disparo do SCR.
9/46
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:
Sendo Vmax o valor máximo da
tensão de alimentação CA.

O valor eficaz da tensão na saída é:

Vef

Vmax
1
 sin(2 )
2

[
V
sin(

t
)]
d
(

t
)

1


max

2 
2

2
Observa-se que, quando α → 0, as expressões acima tendem para os valores obtidos no
retificador de meia onda não controlado:
Vd 0 
DEE
Vmax

Vef 0 
Vmax
2
10/46
Retificador Controlado Monofásico de Meia Onda
Considerando carga indutiva (R-L):
Quando o SCR
estiver ligado:
di
VL  VS  VR  L d
dt
α
β
t

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: V  Vmax (cos   cos  )
d
2
id (t )   VL d

Sendo β o ângulo
de avanço
DEE
11/46
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.
DEE
12/46
Circuito para Disparo do Tiristor
Vsincronização
Vds
DEE
Sinal de disparo
do gate
Vcontrole
13/46
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 180o.
Config. dos Pinos:
DEE
14/46
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 180o
(mais apropriado para o disparo
de transistores).

Utilizado em conversores CA-CC
monofásicos e trifásicos (a partir
de 3 Cis, um por fase).
DEE
15/46
2.2. Retificador Monofásico
Controlado de Onda Completa
DEE
16/34
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
DEE
17/46
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.
DEE
18/46
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:
Vd 



 Vmax sin(t )d (t ) 
Vmax (1  cos  )
Sendo Vmax o valor máximo da
tensão de alimentação CA.


O valor eficaz da tensão na saída é:
Vef 

1
1


2
[
V
sin(

t
)]
d (t ) 
 max

Vmax
 sin(2 )
1 

2
2
Observa-se que, quando α → 0, as expressões acima tendem para os valores obtidos no
retificador de onda completa não controlado:
Vd 0 
DEE
2Vmax

Vef 0 
Vmax
2
19/46
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.
DEE
20/46
Retificador Controlado Monofásico
de Onda Completa

Quando L >> R (L →∞):
Para α = 0
DEE
21/46
Retificador Controlado Monofásico
de Onda Completa Quando L >> R (L →∞):
Para α = 46o
Para α = 90o
Para α = 135o
DEE
22/46
Retificador Controlado Monofásico
de Onda Completa Quando L >> R (L →∞):

A tensão média na carga é dada por:

A tensão eficaz na carga é igual à da fonte
(e independente de α):

Vd 
2

Vmax cos 
Vd > 0 para 0o < α < 90o
Vd = 0 para α = 90o
Vd < 0 para 90o < α < 180o
VO ( EF )  VS ( EF )
A tensão média normalizada é
definida por:
V
VN  d  cos 
V
d0
DEE
23/46
Retificador Controlado Monofásico
de Onda Completa Quando L >> R (L →∞):
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.
DEE
24/46
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:
 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
DEE
25/46
Retificador Controlado Monofásico
de Onda Completa

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.
DEE
26/46
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 ).
DEE
27/46
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.
DEE
28/46
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
DEE
29/46
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 
Potência Ativa
P
S
Potência Aparente

Sendo P  VoEF  IsEF e S  Vs EF  IsEF

Então:
FP 
Vo EF
Vs EF
FP  1 
 sin(2 )


2
DEE
30/46
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 EF
Vs EF
sendo:
DEE
VoEF
 sin(2 )
 FP  1  
Vs EF

2
31/46
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:
DEE
32/46
2.3. Aplicações de Retificadores
Monofásicos Controlados com
Comutação em Baixa Frequência
DEE
33/46
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.
DEE
34/46
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).
DEE
35/46
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.
DEE
36/46
3. Retificadores Monofásicos Controlados
com Comutação em Alta Frequência
DEE
37/46
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 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.
DEE
38/46
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).
DEE
Transistor conduzindo
Transistor em corte
39/46
Retificador Elevador Monofásico
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
DEE
40/46
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.
DEE
Transistor em corte
41/46
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
DEE
Tensão de controle do transistor
42/46
Retificador Elevador Monofásico

A distorção é consideravelmente reduzida:
THD = 7,46%

O fator de potência é quase unitário:
FP ≈ 0,99
DEE
43/46
4. Exercícios de Fixação
DEE
44/46
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.
DEE
45/46
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
DEE
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