EE 833 Eletrnica de Potncia

Mdulo 1

FEEC - UNICAMP

FACULDADE DE ENGENHARIA ELTRICA E DE COMPUTAO - UNICAMP

EE 833 ELETRNICA DE POTNCIA MDULO 1 RETIFICADORES NO-CONTROLADOS E FATOR DE POTNCIAASPECTOS TERICOS Neste Mdulo o estudante ter contato com o conversor de potncia do tipo CA-CC, ou seja, um retificador. Sero estudados retificadores no-controlados, ou seja, os que utilizam apenas diodos, verificando os comportamentos para diferentes tipos de carga conectado no lado CC do retificador. Sero analisados conversores monofsicos e trifsicos. Ser tambm discutida a questo e a importncia do "Fator de Potncia" enquanto indicativo de qualidade da energia eltrica. Na parte experimental tem-se, alm do contedo especfico deste mdulo, a introduo ao uso de equipamentos e mtodos de medio que sero utilizados durante o curso. 1.1 Retificadores no-controlados monofsicos O fornecimento de energia eltrica feito, essencialmente, a partir de uma rede de distribuio em corrente alternada, devido, principalmente, facilidade de adaptao do nvel de tenso por meio de transformadores. Em muitas aplicaes, no entanto, a carga alimentada exige uma tenso contnua. A converso CA-CC realizada por conversores chamados retificadores. Os retificadores podem ser classificados segundo a sua capacidade de ajustar o valor da tenso de sada (controlados x no controlados); de acordo com o nmero de fases da tenso alternada de entrada (monofsico, trifsico, hexafsico, etc.); em funo do tipo de conexo dos elementos retificadores (meia ponte x ponte completa). Os retificadores no-controlados, tema desta experincia, so aqueles que utilizam diodos como elementos de retificao. Os diodos de potncia diferem dos diodos de sinal por terem uma capacidade superior em termos de nvel de tenso de bloqueio (podendo atingir at alguns kV, num nico dispositivo), e poderem conduzir correntes de at alguns kA. Nas aplicaes em que a tenso alternada a da rede, tais diodos no precisam ter seu processo de desligamento muito rpido, uma vez que a freqncia da rede baixa (50 ou 60 Hz). Usualmente topologias em meia ponte no so aplicadas. A principal razo que, nesta conexo, a corrente mdia da entrada apresenta um nvel mdio diferente de zero. Tal nvel contnuo pode levar elementos magnticos presentes no sistema (indutores e transformadores) saturao, o que prejudicial ao sistema. Topologias em ponte completa absorvem uma corrente mdia nula da rede, no afetando, assim, tais elementos magnticos. A figura 1.1 mostra o circuito e as formas de onda com carga resistiva para um retificador monofsico com topologia de meia-ponte, tambm chamado de meia-onda. A figura 1.2 mostra topologias de onda completa, considerando os 3 tipos bsicos de carga: resistiva, capacitiva e indutiva. Com carga resistiva (fig. 1.2.a) as formas de onda da tenso e da corrente na sada do retificador e na carga so as mesmas, como mostrado na figura 1.3. A corrente de entrada apresentase com a mesma forma e fase da tenso. O retificador com carga capacitiva (fig. 1.2.B) faz com que a tenso de sada apresente-se alisada, elevando o seu valor mdio em relao carga resistiva. O capacitor carrega-se com a tenso de pico da entrada (desprezando a queda nos diodos). Quando a tenso de entrada se torna menor do que a tenso no capacitor os diodos ficam bloqueados e a corrente de sada fornecida 1

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exclusivamente pelo capacitor, o qual vai se descarregando, at que, novamente, a tenso de entrada fique maior, recarregando o capacitor. A forma de onda da corrente de entrada muito diferente de uma senide, apresentando pulsos de corrente nos momentos em que o capacitor recarregado, como mostrado na figura 1.4.

Corrente mdia de entrada Vo Vi=Vp.sen(wt) + Vo0V

Tenso de entrada

Figura 1.1 Topologia e formas de onda (com carga resistiva) de retificador monofsico nocontrolado, meia-onda. Para o retificador com carga indutiva (fig. 1.2.C), a carga se comporta como uma fonte de corrente. Dependendo do valor da indutncia, a corrente de entrada pode apresentar-se quase como uma corrente quadrada, como mostrado na figura 1.5. Para valores reduzidos de indutncia, a corrente tende a uma forma que depende do tipo de componente sua jusante. Se for apenas uma resistncia, tende a uma senide. Se for um capacitor, tende forma de pulso, mas apresentando uma taxa de variao (di/dt) reduzida.

+ Vp.sin(wt) Vo=Vr Vp.sin(wt)

+ Vo

(a)

(b)

+ Vp.sin(wt) Vr

+ Vo

(c)Figura 1.2 Retificadores monofsicos no-controlados, de onda-completa.

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100V

0V 200V

0V

-200V 0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms

Figura 1.3. Formas de onda para retificador com carga resistiva.

Corrente de entrada

Tesno de sada (Vo)

Tenso de entrada

Figura 1.4 Formas de onda para retificador monofsico no-controlado, onda completa, com carga capacitiva.Tenso de entrada

Corrente de entrada

Figura 1.5. Formas de onda para retificador monofsico, onda-completa, no-controlado, alimentando carga indutiva.

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1.2 Retificadores no-controlados com entrada trifsica

Quando a potncia da carga alimentada se eleva, via de regra so utilizados retificadores trifsicos, a fim de, distribuindo a corrente entra as 3 fases, evitar desequilbrios que poderiam ocorrer caso a corrente fosse consumida de apenas 1 ou 2 fases. Neste caso a corrente fornecida, a cada intervalo de 60 graus, por apenas 2 das 3 fases. Podero conduzir aquelas fases que tiverem, em mdulo, as 2 maiores tenses. Ou seja, a fase que for mais positiva, poder levar o diodo a ela conectado, na semi-ponte superior, conduo. Na semi-ponte inferior poder conduzir o diodo conectado s fase com tenso mais negativa.1.3 Comutao

Para qualquer tipo de retificador, nos instantes que ocorre a transferncia de corrente de um par de diodos para outro, caso exista alguma indutncia presente na conexo de entrada, esta transio no pode ser instantnea. Quando a alimentao feita por meio de transformadores este fenmeno se acentua, embora ocorra sempre, uma vez que as linhas de alimentao sempre apresentam alguma caracterstica indutiva. Em tais situaes, que representam os casos reais, durante alguns instantes esto em conduo simultnea o diodo que est entrando em conduo e aquele que est sendo desligado. Isto significa, do ponto de vista da rede, um curto-circuito aplicado aps as indutncias de entrada, Li. A tenso efetiva na entrada do retificador ser a mdia das tenses presentes nas fases. Tal distoro mostrada na figura 1.6, num circuito trifsico alimentando carga indutiva. A soma das correntes pelas fases em comutao igual corrente drenada pela carga. Quando termina o intervalo de comutao, a tenso retorna sua forma normal (neste caso em que o di/dt em regime nulo). Quando a carga capacitiva, as indutncias de entrada atuam no sentido de reduzir a derivada inicial da corrente, como mostrado na figura 1.7. Neste caso, como a corrente apresenta-se variando, as mesmas indutncias apresentaro uma queda de tenso, de modo que a tenso Vi mostra-se significativamente distorcida.Corrente de fase

Vi Lf Vp.sin(wt) Li + Vr + Vo

Tenso de fase

intervalo de comutao

Figura 1.6. Topologia de retificador trifsico, no-controlado, com carga indutiva . Formas de onda tpicas, indicando o fenmeno da comutao.

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FEEC - UNICAMPCorrente de fase

Vi Vp.sin(wt) Li Cf +Tenso de fase

Vo

Figura 1.7. Topologia de retificador trifsico, no-controlado, com carga capacitiva e formas de onda tpicas, indicando o fenmeno da comutao e da distoro da tenso.1.4 Fator de Potncia

A atual regulamentao brasileira do fator de potncia [1.1] estabelece que o mnimo fator de potncia (FP) das unidades consumidoras de 0,92, com o clculo feito por mdia horria. O consumo de reativos alm do permitido (0,425 VArh por cada Wh) cobrado do consumidor. No intervalo entre 6 e 24 horas isto ocorre se a energia reativa absorvida for indutiva e das 0 s 6 horas, se for capacitiva. No entanto, tais definies foram estabelecidas considerando que a corrente tem uma forma aproximadamente senoidal, o que no a realidade em situaes em que uma parte considervel das cargas do tipo eletrnica, com um retificador em sua conexo com a rede. Consideremos, para efeito das definies posteriores, o esquema da figura 1.8.

Ii Vi Equipamento

Figura 1.8 Circuito genrico utilizado nas definies de FP1.4.1 Definio de Fator de Potncia Fator de potncia definido como a relao entre a potncia ativa e a potncia aparente consumidas por um dispositivo ou equipamento, independentemente das formas que as ondas de tenso e corrente apresentem.

1 v ( t ) ii ( t ) dt P T i FP = = S VRMS I RMS

(1.1)

Em um sistema com formas de onda senoidais, a equao anterior torna-se igual ao cosseno da defasagem entre as ondas de tenso e de corrente:FPsen o = cos

(1.2)

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Quando apenas a tenso de entrada for senoidal, o FP expresso por:FPV = I1 I RMS cos 1

sen o

(1.3)

Neste caso, a potncia ativa de entrada dada pela mdia do produto da tenso (senoidal) por todas as componentes harmnicas da corrente (no-senoidal). Esta mdia nula para todas as harmnicas exceto para a fundamental, devendo-se ponderar tal produto pelo cosseno da defasagem entre a tenso e a primeira harmnica da corrente. Desta forma, o fator de potncia expresso como a relao entre o valor RMS da componente fundamental da corrente e a corrente RMS de entrada, multiplicado pelo cosseno da defasagem entre a tenso e a primeira harmnica da corrente. A relao entre as correntes chamada de fator de forma e o termo em cosseno chamado de fator de deslocamento. Por sua vez, o valor RMS da corrente de entrada tambm pode ser expresso em funo das componentes harmnicas:2 I RMS = I1 + I 2 n n=2

(1.4)

Define-se a Taxa de Distoro Harmnica (TDH) como sendo a relao entre o valor RMS das componentes harmnicas da corrente e a fundamental:

TDH =

In=2

2 n

I1

(1.5)

Assim, o FP pode ser rescrito como:FP = cos1 1 + TDH 2

(1.6)

evidente a relao entre o FP e a distoro da corrente absorvida da linha. Neste sentido, existem normas internacionais que regulamentam os valores mximos das harmnicas de corrente que um dispositivo ou equipamento pode injetar na linha de alimentao.1.5 Normas IEC 61000-3-2: Distrbios causados por equipamento conectado rede pblica de baixa tenso

Esta norma [1.2] refere-se s limitaes das harmnicas de corrente injetadas na rede pblica de alimentao. Aplica-se a equipamentos eltricos e eletrnicos que tenham uma corrente de entrada de at 16 A por fase, conectado a uma rede pblica de baixa tenso alternada, de 50 ou 60 Hz, com tenso fase-neutro entre 220 e 240 V. Para tenses inferiores, os limites no foram ainda estabelecidos (2001). Os equipamentos so classificados em 4 classes: Classe A: Equipamentos com alimentao trifsica equilibrada, aparelhos eletro-domsticos (exeto os da classe D), equipamentos de udio, ferramentas (exceto as portteis) e todos os demais no includos nas classes seguintes. Inclui reguladores de intensidade (dimmer) para lmpadas incandescentes. 6

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Classe B: Ferramentas portteis Classe C: Dispositivos de iluminao, exceto para lmpada incandescente. Classe D: Receptores de TV, computadores pessoais e monitores de vdeo para computadores.

A Tabela I indica os valores mximos para as harmnicas de corrente Tabela I: Limites para as Harmnicas de Corrente Classe A Classe B Classe C Classe D Mxima Mxima % da (75W