Aula 04 - DEE UFBA

Universidade Federal da Bahia
Escola Politécnica
Departamento de Engenharia Elétrica
Disciplina: Eletrônica de Potência (ENGC48)
Tema: Conversores de Corrente Alternada
para Corrente Contínua Não Controlados
Prof.: Eduardo Simas
[email protected]
Aula 8
Sumário

Introdução

Retificadores Monofásicos



Meia onda

Onda completa
Retificadores Trifásicos

Meia onda (três pulsos)

Onda Completa em ponte (seis pulsos)
Filtragem em circuitos retificadores
DEE
2/56
1. Introdução
DEE
3/56
Introdução

Os conversores de corrente alternada (AC) para corrente contínua (DC) são
conhecidos como retificadores.

Podem ser implementados utilizando diodos ou tiristores (SCR).

São utilizados para alimentar cargas de corrente contínua como:


carregadores de baterias

motores DC

computadores
Sendo classificados em:

Controlados ou não-controlados

Monofásicos ou trifásicos
DEE
4/56
2. Retificadores Monofásicos
DEE
5/56
Retificadores Não-Controlados

São circuitos que utilizam diodos como elementos retificadores.

As características da tensão na saída do retificador não podem ser
modificadas durante a operação.

Características da tensão na saída:
Tensão média
Tensão eficaz (RMS)
DEE
6/56
Retificador de Meia Onda

A carga recebe apenas os ciclos
positivos da tensão Vs.
Vm/R
DEE
7/56
Parâmetros do Retificador de Meia Onda

Tensão média:

Tensão Eficaz:

Fator de Forma:
DEE
8/56
Parâmetros do Retificador de Meia Onda

Fator de Ondulação (ripple):

Razão de Retificação
DEE
9/56
Componentes Harmônicos no Retificador
de Meia Onda

Um retificador de meia onda com carga resistiva produz harmônicos de corrente
na fonte AC ou nos transformadores associados.
Fonte
CA
Retificador
Outro Equipamento

A tabela abaixo mostra valores típicos da intensidade destes harmônicos em
relação à componente fundamental:
THD%  100 
DEE
 Xh 



h 1  X 1 
2
THD ≈ 21.7 %
10/56
Retificador de Meia Onda com Carga Indutiva

A tensão na carga é a mesma do caso resistivo
para o semi-ciclo positivo.

Durante esse período a energia da fonte é
armazenada sobre o indutor.

A energia armazenada no indutor mantém a
corrente positiva mesmo com Vs < 0.

Somente após a descarga do indutor (quando
io = 0) o diodo fica reversamente polarizado.
+
vIND
-
vIND
DEE
11/56
Retificador de Meia Onda com Carga Indutiva

É possível mostrar que:
t3
v
IND
dt  0
0
Então:
t3
t1
v
IND
dt   vIND dt  0
0
t1
vIND
Área A – Área B = 0

A tensão média na carga é
dada por:
VDC 
Vm
(1  cos  )
2

Sendo      o ângulo de condução
DEE
12/56
Retificador de Meia Onda com Carga Indutiva e
Diodo de Retorno

Para evitar que a tensão na carga seja
negativa pode-se utilizar um diodo de
retorno.

A corrente na carga pode fluir durante
todo o ciclo.

A tensão na carga é igual à do caso
puramente resistivo.
DEE
13/56
Retificador de Onda Completa com
Transformador de Derivação Central:
Princípio de operação:

Corrente de ciclo positivo:
I+
DEE
14/56
Retificador de Onda Completa com
Transformador de Derivação Central:
Princípio de operação:

Corrente de ciclo negativo:
I-
DEE
15/56
Retificador de Onda
Completa com
Transformador de
Derivação Central:
Vm/R

Os ciclos negativos de Vs produzem
uma tensão positiva na carga.
DEE
16/56
Retificador de Onda Completa com Ponte
de Diodos
Princípio de operação:

Corrente de ciclo positivo:
I+
DEE
17/56
Retificador de Onda Completa com Ponte
de Diodos
Princípio de operação:

Corrente de ciclo negativo:
I-
DEE
18/56
Retificador de Onda Completa com Ponte
de Diodos
Vm/R

Comparando com o retificador
com transf. de derivação central a
tensão reversa em cada diodo é
reduzida à metade.
DEE
19/56
Parâmetros do Retificador de Onda Completa

Tensão média:

Tensão Eficaz:

Fator de Forma:

Fator de Ondulação (ripple):

Razão de Retificação:
DEE
20/56
Comparação entre Retificadores Monofásicos
DEE
21/56
Para L ≈ R
Retificador de Onda
Completa com Carga Indutiva

As características de tensão e corrente variam.

A corrente na carga não é mais uma meia onda senoidal,
porém seu valor médio ainda pode ser calculado por:

A corrente da fonte (is) não senoidal e se aproxima de uma
onda quadrada.
DEE
Para L >> R
Retificador de Onda
Completa com Carga Indutiva

Com o aumento da indutância da carga as
características se acentuam.

Para uma indutância infinita a corrente na
carga é constante e a corrente exigida da fonte
é uma onda alternada retangular.
DEE
Filtragem em Circuitos Retificadores

Filtros são utilizados para suavizar a ondulação da tensão de saída dos
retificadores;

Os filtros podem utilizar capacitores ou indutores;

Em aplicações de alta potência são mais utilizados os filtros com indutores,
pois são mais eficientes na redução do fator de forma da corrente DC.
Retificador
Retificador
DEE
24/56
Filtragem com Indutor

Fator de Ripple:
fi – freq. do sinal da fonte
DEE
25/56
Filtragem com Capacitor

Tensão média:

Fator de Ripple:
DEE
fr – freq. do sinal retificado
26/56
Efeito da Indutância da Fonte

Considerando inicialmente um retificador de meia onda no qual a corrente da carga é
aproximadamente constante (carga com alta indutância), a corrente da fonte (is) tem a
característica a seguir:

Considerando que a indutância na fonte é
maior que zero, as transições da corrente
da fonte não podem ocorrer
instantaneamente.
DEE
27/56
Efeito da Indutância da Fonte

Assim, é necessário
Vm
considerar o Intervalo de
Comutação (u):
cos u  1 

fLS I d
Vm
A tensão média na carga é
reduzida em:
VDC 
LS
Id
2
Id
DEE
28/56
Efeito da Indutância da Fonte

Processo semelhante ocorre para o retificador de onda completa.

Sendo que agora:
cos u  1 
DEE
2LS I d
Vm
VDC 
2LS

Id
29/56
3. Retificadores Trifásicos
DEE
30/56
Retificadores Trifásicos


Retificadores monofásicos:

Confecção simples;

Limitada capacidade de transmissão de potência;

Significativa ondulação.
Retificadores trifásicos:

Tensão de saída mais alta para uma mesma entrada;

Menor ondulação;

Ondulação de frequência mais alta (facilitando a filtragem).
DEE
31/56
Filtros para aplicações de alta potência
Filtro AC
Indutor de Suavização
DEE
32/56
Exemplo: Layout de um sistema HVDC
Transformadores
Filtros AC
Filtros passa-altas
Capacitores de comutação
Válvulas HVDC
Estação de controle
Resfriamento
das válvulas
Indutor de Suavização
Filtro Ativo DC
DEE
33/56
Retificador Trifásico de Meia Onda
(Três Pulsos)
Princípio de operação:
• Um diodo conectado a cada uma das três fases do secundário.
• Apenas o diodo conectado à fase dominante (de maior amplitude) está conduzindo.
DEE
34/56
Retificador Trifásico de Meia Onda
(Três Pulsos)
Princípio de operação:
Quando VB > VR e VB > VY.
DEE
35/56
Retificador Trifásico de Meia Onda
(Três Pulsos)
Princípio de operação:
Quando VR > VB e VR > VY.
DEE
36/56
Retificador Trifásico de Meia Onda
(Três Pulsos)
Princípio de operação:
Quando VY > VR e VY > VB.
DEE
37/56
Retificador Trifásico de Meia Onda
(Três Pulsos)

A carga é alimentada pelos ciclos
positivos dos sinais de tensão das
três fases.

A ondulação é menor que no
retificador de onda completa
monofásico.
DEE
38/56
Parâmetros do Retificador Trifásico de Meia
Onda

Tensão média:

Tensão Eficaz:

Fator de Forma: FF = 0,84/0,827 = 1,016

Fator de Ondulação (ripple): RF = 0,182

Razão de Retificação: σ = 96,88 %
DEE
39/56
Retificador Trifásico de 3 Pulsos com Carga Indutiva

Não há mudanças nas características da
tensão na carga.

A corrente na carga tende a um valor
constante com o aumento de L.

A corrente em cada diodo tende para
pulsos quadrados.
DEE
40/56
Retificador Trifásico em Ponte
(Seis Pulsos)

É um dos conversores AC-DC mais utilizados em aplicações de alta potência;

A carga é alimentada pela tensão fase-fase retificada em onda completa;

Dois diodos em série estão sempre conduzindo (um ímpar e um par, Ex. D5 e D6
conduzem quando a tensão dominante for VBY);

Cada diodo conduz por 1/3 do ciclo (120o).
DEE
41/56
Retificador Trifásico em Ponte
(Seis Pulsos)
Princípio de operação:

VBY é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):
DEE
42/56
Retificador Trifásico em Ponte
(Seis Pulsos)
Princípio de operação:

VRY é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):
DEE
43/56
Retificador Trifásico em Ponte
(Seis Pulsos)
Princípio de operação:

VRB é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):
DEE
44/56
Retificador Trifásico em Ponte
(Seis Pulsos)
Princípio de operação:

VYB é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):
DEE
45/56
Retificador Trifásico em Ponte
(Seis Pulsos)
Princípio de operação:

VYR é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):
DEE
46/56
Retificador Trifásico em Ponte
(Seis Pulsos)
Princípio de operação:

VBR é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):
DEE
47/56
Retificador Trifásico em Ponte
DEE
48/56
Parâmetros do Retificador Trifásico de Onda
Completa (Seis Pulsos)

Tensão média:

Tensão Eficaz:

Fator de Forma: FF = 1,655/1,654 = 1,0006

Fator de Ondulação (ripple): RF = 0,042

Razão de Retificação: σ = 99,88 %
DEE
49/56
Retificador Trifásico de 6 Pulsos com Carga Indutiva

A tensão na carga permanece a
mesma do caso puramente resistivo.

A corrente na carga tende a se
tornar constante com o aumento da
indutância.

As correntes nos diodos tendem a
ondas quadradas com duração de
120O.
DEE
50/56
Retificador Trifásico de 12 Pulsos

É possível gerar uma tensão na
saída com características mais
próximas da tensão DC.

Requer o uso de um
transformador trifásico com
conexões estrela e triângulo no
secundário.

Parâmetros de desempenho:

Fator de Forma = 1,00005

Ripple ≈ 1 %

Razão de Ret. σ = 99,99 %
DEE
51/56
Comparação entre Retificadores Trifásicos
Ret. 3Φ de Ret. 3Φ de
3 pulsos
6 pulsos
Ret. 3Φ de
12 pulsos
DEE
52/56
Comparando os Retificadores:
Retificador \ Parâmetro
VDC
VL
FF
RF
Meia onda monofásico
0,318Vm
0,636Vm
1,57
1,210
Onda completa monofásico
0,636Vm
0,707Vm
1,11
0,482
Meia onda trifásico
0,827Vm
0,84Vm
1,016
0,182
Onda completa trifásico
1,654Vm
1,655Vm
1,0006
0,042

Percebe-se que os retificadores trifásicos apresentam melhor
desempenho em termos da estabilidade da tensão e da potência
transmitida para a carga.
DEE
53/56
4. Exercícios de Fixação
DEE
54/56
Exercícios de Fixação
1)
2)
3)
4)
Trace utilizando um software apropriado (Ex. Matalb ou Scilab) a
forma de onda da diferença entre a corrente exigida por um
retificador de onda completa monofásico quando a carga é
predominantemente indutiva (L >> R) e quando a carga é
puramente resistiva (assuma um valor máximo normalizado
(unitário) para os dois casos.
Para um retificador de meia onda conectado a uma fonte de 120 V
e uma resistência de 20 Ω determine:
a) A tensão média na carga
b) A corrente máxima no diodo
c) A corrente média no diodo
d) O valor da tensão de pico inversa (PIV) no diodo
e) Fator de potência na carga
Um retificador de meia onda com carga indutiva e diodo de retorno
é conectado a uma fonte de 120 V e tem a carga composta por uma
resistência igual a 5 Ω e uma indutância de 20 mH. Determine:
a) A tensão e a corrente médias na carga
b) Tensão e corrente no diodo retificador
Um transformador 2:1 alimenta um retificador de onda completa
com terminal central a partir de uma fonte de 400 V. Se a
resistência de carga for 500 Ω e a indutância 1 H, determine
1) Tensão e corrente médias na carga
2) Corrente máxima no diodo
3) Fator de potência
5)
Para um retificador monofásico de onda completa em ponte Vs=240 V e a resistência
de carga é 10 Ω . Neste caso, encontre:
a)
A tensão média na carga
b)
A corrente RMS na carga
c)
A potência dissipada em cada diodo nos estados ligado e desligado sabendo
que Vc=1V , IR=1mA.
6)
Num retificador monofásico de onda completa em ponte com Vs = 300 V e RL = 50 Ω
estime a perda total produzida pelos diodos nos estados de condução, corte e
chaveamento. Considere que foram utilizados diodos modelo BYC8-600 (conforme
datasheet enviado em arquivo em anexo).
7)
Um retificador trifásico de três pulsos é ligado numa fonte de 220 V (Tensão FaseNeutro). Se a corrente média na carga for 50 A, determine:
a) A tensão média na carga
b) Os valores máximo e médio da corrente em cada diodo
c) O valor RMS da corrente de linha
8)
Repita o exemplo da questão 07 utilizando agora um retificador trifásico de seis
pulsos.
9)
Um retificador de seis pulsos é alimentado por uma fonte de 330 V (Tensão FaseNeutro) e conectado a uma carga de 20 Ω. Neste caso encontre:
a) Tensão média na carga
b) Corrente média na carga
c) Corrente média no diodo
d) PIV no diodo
e) Potência média na carga
10) Repita o problema da questão 09 acrescentando uma indutência grande em série
com a resistência de carga.
11) Para o circuito da questão 04 considere os efeitos da indutância da fonte Ls = 1mH.
DEE
55/56
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 citadas acima.
DEE
56/56
5. Anexos
DEE
57/56
Figuras Auxiliares para Exercícios Resolvidos em Sala
Componentes em Frequência da Onda Quadrada:
DEE
d =1
d =1/3
d =1/5
d =1/20
d =1/50
d =1/1000
58/56
Figuras Auxiliares para Exercícios Resolvidos em Sala
Sistema Trifásico Desbalanceado
Fase X
Fase Y
Fase Z
DEE
Fase X
Fase Y
Fase Z
SX -> 1pu
SZ -> 0,85pu
SY -> 1,05pu
59/56