Teoria 8Retificadores Controlados Monofásicos Historicamente, a retificação controlada de potência apareceu com o desenvolvimento da válvula a gás e posteriormente com o desenvolvimento dos semicondutores de potência. O elemento mais representativo da família dos semicondutores controlados de potência é o tiristor (SCR). Os circuitos retificadores controlados constituem a principal aplicação dos tiristores em conversores estáticos. Esses circuitos possuem uma vasta aplicação industrial, com grande gama de especificações na alimentação de dispositivos de baixa até médio-alta potência, como por exemplo, no acionamento de motores de corrente contínua, em estações retificadoras para alimentação de redes de transmissão C (VHDC), no acionamento de locomotivas, etc. Retificadores montados com tiristores permitem a manipulação da tensão em sua saída (VCMED) em função do ângulo de disparo. Varia-se o ângulo de disparo de tiristores, deslocando no tempo o pulso de disparo enviado ao gate. Analisaremos brevemente pontes retificadoras monofásicas, nas quais o funcionamento da retificação controlada é mais facilmente explicado, com representações mais simples e mais visíveis do que em retificadores controlados trifásicos ou polifásicos, embora o estudo das pontes trifásicas não seja substancialmente diferente. Entretanto esses últimos são os que ocorrem em um maior número de aplicações da eletrônica industrial de maior potência (iguais ou superiores a 10KVA). 8.2 Retificadores Monofásicos Semicontrolados: Os retificadores monofásicos controlados podem ser compostos de 4 tiristores (denominado “Totalmente Controlado”) ou de um arranjo adequado 2 diodos e 2 tiristores (denominado “Semi-Controlado”). Quanto aos elementos retificadores trata-se de um circuito retificador híbrido, pois parte do retificador é constituído de tiristores (elemento controlado) e parte do retificador é constituído de diodos (elemento não-controlado). A motivação para seu uso é puramente de custos, uma vez que reduz o número de tiristores pela metade (um tiristor é de custo mais elevado do que um simples diodo), sendo indicadas quando o fluxo de energia será apenas da fonte para a carga. Cada tiristor é disparado no momento angular α radianos após o instante referencial de início (momento em que seu anodo torna-se positivo em relação ao seu catodo). O conceito de semicontrolados pode ser aplicado tanto a retificadores monofásicos como trifásicos, mas seja qual for o caso, estes retificadores serão em ponte. Nos retificadores monofásicos semicontrolados a sua ponte pode ser montada em dois diferentes arranjos: • Balanceada (ou simétrica); • Desbalanceada (ou assimétrica). Na ponte monofásica semicontrolada balanceada (ou simétrica) tem-se tiristores apenas do lado positivo do retificador. Na ponte monofásica semicontrolada desbalanceada (ou assimétrica) tem-se, num ramo, um tiristor do lado positivo do retificador e no outro ramo, um outro tiristor do lado negativo do retificador, sendo que cada tiristor participa da condução de semiciclos da CA distintos. Seja uma ponte monofásica semicontrolada simétrica ou uma ponte monofásica semicontrolada assimétrica, a corrente que flui pela carga (IRC), para ambos os semiciclos, terá que passar por um elemento retificador controlado (tiristor) e por um elemento retificador não controlado (diodo), ou então por um diodo. A corrente média nos tiristores é igual à metade da corrente média na carga, e isso porque cada tiristor conduz a metade do período. Deve-se levar isso em consideração no momento de especificar os tiristores para um retificador: Corrente na carga Î C SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: [email protected] 89 Corrente por ramo do retificador Î 2RCTMAXII= 8.3 Operação Básica de uma Ponte Monofásica Semicontrolada: Durante o semiciclo positivo, o ponto A está positivo e o ponto B está negativo, assim estamos dando condição para que possa fluir corrente pelo caminho D1-Carga-T1 na ponte semicontrolada assimétrica (ou T1-carga-D1 na ponte semicontrolada simétrica). No entanto a condução de corrente por esse caminho somente poderá haver efetivamente após o tiristor T1 ser disparado, por receber um pulso em seu gate. O tiristor T1 será disparado no momento α radianos, com α podendo assumir qualquer valor desde 0 até π radianos (de 0 a 180º), ou seja, durante a ocorrência do respectivo semiciclo em que o ponto A está positivo em relação ao ponto B. Já durante o semiciclo negativo, é o ponto B que está positivo e o ponto A que está negativo, assim estamos dando condição para que possa fluir corrente pelo caminho T2- Carga-D2. No entanto a condução de corrente por esse caminho somente poderá haver efetivamente após o tiristor T2 ser disparado, por receber um pulso em seu gate. Para uma situação de carga constante, é conveniente que o valor de α tanto para T1 quanto para T2 seja o mesmo, ou seja, que tenhamos um único valor de ângulo de disparo para ambos os ramos do retificador, ângulo este variando de 0 até π radianos. 8.4 A Tensão Contínua Média (VCMED) de Pontes Monofásicas Semicontroladas: Para cargas puramente resistivas, o valor da tensão contínua média para qualquer valor de ângulo de disparo α entre 0 e π radianos pode ser determinado pela fórmula: Isso vale igualmente para pontes monofásicas semicontroladas tanto simétricas quanto assimétricas. Variando-se o ângulo de disparo α estaremos variando a tensão contínua média na saída do retificador, e, como α pode variar de 0 até π radianos, então, num retificador monofásico semicontrolado temos que: para α = 0ºÆ πPICOCMEDVV⋅=2 (Valor Máximo) para α = 180º Æ 0=CMEDV (Valor Mínimo) Se fizermos, por exemplo, α = 90º , ou seja, α = 2 π radianos, estaremos fazendo com que os tiristores deixem de conduzir durante a primeira metade de seus respectivos semiciclos e passem ao estado de condução exatamente a partir da metade daqueles semiciclos. SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: [email protected] SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: [email protected] Tal situação nos leva a crer que a tensão de saída do retificador deva ter também um valor reduzido à metade se comparado à situação na qual o mesmo tipo de retificador seja construído apenas com diodos. Note que numa ponte retificadora com apenas diodos, por não haver como controlar o início da condução, os mesmos entram em condução espontânea, sempre, automaticamente, em α = 0º. O comportamento da tensão na saída do retificador é o mesmo seja a ponte simétrica ou assimétrica. 8.5 Formas de Onda das Pontes Semicontroladas (Para Carga Resistiva): Na seqüência apresentaremos diagramas contendo as formas de onda relacionadas a esses tipos de retificadores. Estes diagramas serão elaborados considerando que a carga na saída do retificador seja estritamente resistiva, pois caso considerássemos a carga indutiva, como um motor C, por exemplo, devido ao efeito reativo deste tipo de carga (que causa alisamento da corrente e atraso desta em relação à tensão) as formas de onda de tensão e corrente na saída seriam diferentes daquilo que será mostrado a seguir. Olhando a figura da próxima página, repare que para a representação deste diagrama, considerou-se arbitrariamente α=120º. Observe também que as formas de onda das correntes dos tiristores (IT1 e IT2) ocorrem em semiciclos alternados, e que, a corrente de saída ICMED é formada da somatória das correntes IT1 e IT2. No que diz respeito à conformação, a forma de onda de ICMED pode perfeitamente representar também VCMED, tendo em vista que, como já dissemos a carga é estritamente resistiva. Observe também as formas de onda das tensões nos tiristores (VT1 e VT2) para o caso da ponte semicontrolada simétrica e compare estas formas de onda com suas respectivas, para o caso da ponte semicontrolada assimétrica (mais uma pagina adiante). Repare que na conformação da porção positiva, comparando os casos, estas formas de onda se apresentam idênticas. No entanto se compararmos ambos os casos as conformações das porções negativas das formas de onda de VT1 e VT2, estas se apresentam diferentes entre si: • No caso da ponte simétrica não há tensão reversa a ser bloqueada pelo tiristor de um ramo do retificador enquanto o tiristor do outro ramo não for disparado, ou seja, a tensão reversa em um tiristor existe somente a partir do momento que ocorra o disparo do outro tiristor. • Já no caso da ponte assimétrica, as formas de onda de VT1 e VT2 apresentam o semiciclo negativo completo, indicando que o tiristor está em bloqueio, sob tensão reversa, durante todo o intervalo que dura o semiciclo reverso; 8.5.1 Formas de Onda da Ponte Semicontrolada Simétrica: Tiristor Não disparado Tiristor Conduzindo Tiristor Bloqueado s/ Tensão Reversa Tiristor Bloqueado c/ Tensão Reversa α = 120º SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: [email protected] 8.5.2 Formas de Onda da Ponte Semicontrolada Assimétrica: SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: [email protected] Tiristor Não disparado Tiristor Conduzindo Tiristor Bloqueado c/ Tensão Reversa α = 120º 8.6 Retificador Monofásico Totalmente Controlado: Neste caso o controle dos elementos retificadores da ponte é total, ou seja todos os quatro elementos retificadores são tiristores. Os pares de tiristores sejam T1 e T4 ou T2 e T3 devem ser disparados simultaneamente, a fim de garantir um caminho para a corrente através da fonte. Tais disparos simultâneos devem ocorrer em um momento angular α, sincronizados com seus respectivos semi-ciclos, No caso carga puramente resistiva a corrente é pulsante, ou seja, a corrente na carga vai a zero ao final de cada um dos semiciclos da rede. Isso faz com que os tiristores se desliguem automaticamente devido ao fato de a corrente cair abaixo do valor mínimo da corrente de manutenção. Para cargas resistivas, a expressão para determinação da tensão média contínua na saída do retificador (VCMED) é a mesma usada para as pontes semicontroladas. As formas de onda, para cargas puramente resistivas, são como as que serão mostradas a seguir, diferindo das formas de onda das pontes semicontrolada balanceada e desbalanceada, apenas no que diz respeito à tensão reversa dos tiristores: SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: [email protected] SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: [email protected] Observe que na conformação da porção positiva das formas de onda VT1, VT2 e VT3, VT4: durante o intervalo de tempo em que o tiristor ainda não tiver sido disparado, ou seja, de 0º a α, a tensão sustentada sobre cada um dos tiristores corresponde à metade da tensão da CA, pois a outra metade está sendo sustentada sobre o outro tiristor, o qual trabalha conjuntamente (em série). Repare no gráfico que a tensão VT atinge no pico apenas 50% daquilo que seria o pico da CA. Na conformação da porção negativa destas formas de onda (bloqueio reverso): De 0º até α do semiciclo reverso, cada um dos tiristores polarizados reversamente sustenta uma tensão que corresponde à metade da tensão da CA. Na soma, os dois tiristores que trabalham conjuntamente estão sustentando a tensão total da CA de entrada. A partir de α, os outros tiristores são disparados, e, efeito semelhante ao que acontece na ponte semicontrolada balanceada, ocorre um imediato acréscimo na tensão que está sendo bloqueada pelos tiristores que estão polarizados reversos, pois o catodo do tiristor que está do lado positivo do retificador (onde até então havia zero volt) recebe neste instante tensão positiva enquanto que, simultaneamente, o anodo do tiristor que se encontra do lado negativo do retificador, onde também havia zero volt, passa a receber tensão negativa. Type VRRM Tc °C Tvj °C Rth (j-c) cont. K/W Circuit SKKD 15600-1600 24 15 82 320 - 40 + 125 2 SKKD 261200-1600 60 26 93 550 - 40 + 125 1 SKKD 46400-1800 90 45 86 700 - 40 + 125 0,6 SKKD 81400-20 140 80 87 2000 - 40 + 125 0,4 SKKD 100400-1800 175 100 85 2500 - 40 + 125 0,35 SKKD 162800-20 310 160 95 6000 - 40 + 135 0,18 SKKD 260800-20 410 260 85 10 - 40 + 130 0,14 SKKD 380800-20 600 380 100 10 - 40 + 150 0,1 SKKD 700800-20 10 700 100 25000 - 40 + 150 0,06 SKKE 15600-1600 24 15 82 320 - 40 + 125 2 SKKE 81400-20 140 80 87 2000 - 40 + 125 0,4 SKKE 162800-20 310 160 95 6000 - 40 + 135 0,18 SKKE 3801200-1600 600 380 100 10 - 40 + 150 0,1 SKKE 6001200-20 930 600 100 200 - 40 + 150 0,07 SKKE 12001800-20 2000 1180 100 45000 - 40+ 160 0,04 SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: [email protected] SKKH 15600-1600 24 15 75 320 - 40 + 125 1,6 SKKH 27800-1800 50 27 82 550 - 40 + 125 0,9 SKKH 42800-1800 75 40 85 1000 - 40 + 125 0,65 SKKH 57800-20 95 5 80 1500 - 40 + 125 0,57 SKKH 72800-20 125 70 85 1600 - 40 + 125 0,35 SKKH 92800-1800 150 95 85 2000 - 40 + 125 0,28 SKKH 106800-1800 180 106 85 2250 - 40 + 130 0,28 SKKH 122800-1800 195 122 8 3600 - 40 + 125 0,2 SKKH 132 800-1800 220 130 87 4700 - 40 + 125 0,18 SKKH 162800-1800 250 160 83 5400 - 40 + 125 0,17 SKKH 213800-1800 370 213 90 8500 - 40 + 130 0,1 SKKH 250800-1800 420 250 85 9000 - 40 + 130 0,14 SKKH 253800-1800 420 253 85 9000 - 40 + 130 0,1 SKKH 2802000-20 440 280 79 8500 - 40 + 125 0,1 SKKH 330800-1800 510 330 80 9500 - 40 + 130 0,1 SKKH 4301600-20 700 430 86 15000 - 40 + 125 0,06 SKKH 500800-1800 920 500 89 17000 - 40 + 130 0,06 SKKH 132 H42000-20 220 132 84 4500 - 40+ 125 0,17 SKKH 162 H42000-20 250 162 7 5200 - 40 + 125 0,16 SKKL 92800-1800 150 95 85 2000 - 40 + 125 0,28 SKKT 15600-1600 24 15 75 320 - 40 + 125 1,6 SKKT 20800-1600 40 20 80 320 - 40 + 125 1,2 SKKT 27800-1800 50 27 82 550 - 40 + 125 0,9 SKKT 42800-1800 75 40 85 1000 - 40 + 125 0,65 SKKT 57800-20 95 5 80 1500 - 40 + 125 0,57 SKKT 72800-20 125 70 85 1600 - 40 + 125 0,35 SKKT 92800-1800 150 95 85 2000 - 40 + 125 0,28 SKKT 106800-1800 180 106 85 2250 - 40 + 130 0,28 SKKT 122800-1800 195 122 8 3600 - 40 + 125 0,2 SKKT 132800-1800 220 130 87 4700 - 40 + 125 0,18 SKKT 162800-1800 250 160 83 5400 - 40 + 125 0,17 SKKT 213800-1800 370 213 90 8500 - 40 + 130 0,1 SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: [email protected] SKKT 253800-1800 420 253 85 9000 - 40 SKKT 2802000-20 440 280 79 8500 - 40 SKKT 330800-1800 510 330 80 9500 - 40 SKKT 4301600-20 700 430 86 15000 - 40 SKKT 500800-1800 920 500 89 17000 - 40 SKKT 132 H42000-20 220 132 84 4500 - 40 SKKT 162 H42000-20 250 162 7 5200 - 40 SKKT 106B800-1800 180 106 85 2250 - 40 SKKT 20B800-1600 40 20 80 320 - 40 + 130 0,1 + 125 0,1 + 130 0,1 + 125 0,06 + 130 0,06 + 125 0,17 + 125 0,16 + 130 0,28 + 125 1,2 SKKT 27B800-1800 50 27 82 550 - 40 + 125 0,9 SKKT 42B800-1800 75 40 85 1000 - 40 + 125 0,65 SKKT 57B800-20 95 5 80 1500 - 40 + 125 0,57 SKKT 72B800-20 125 70 85 1600 - 40 + 125 0,35 SKKT 92B800-1800 150 95 85 2000 - 40 + 125 0,28 SKMT 92800-1800 150 95 85 2000 - 40 + 125 0,28 SKET 330800-20 600 330 78 9000 - 40 + 130 0,09 SKET 400800-1800 700 400 84 14000 - 40 + 130 0,09 SKET 7401800-20 1500 740 81 38000 - 40 + 125 0,04 SKET 8001400-1800 1500 805 85 40000 - 40+ 130 0,04 SKNH 561200-1800 95 50 85 1500 - 40 + 125 0,57 SKNH 911200-1800 150 95 85 2000 - 40 + 125 0,28 SKNH 132800-1800 220 130 87 4700 - 40 + 125 0,18 SKKT 250800-1800 420 250 85 9000 - 40 ... + 130 0,14 André Luis Lenz – 2002/2006 – [email protected]
