387380-apostila ep1 conver ca cc

7/24/2019 387380-Apostila Ep1 Conver CA Cc

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entro Federal de Educao Tecnolgica de Minas Gerais

Eletrnica de Potncia ICurso Tcnico de Eletrnica

Prof. Rubens Marcos dos Santos [email protected]

BE L O HO R I Z O N T E

FEVEREIRO DE 2001


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CEFET-MG Prof. Rubens M. Santos Filho [email protected] 2

SUMRIO

PARTE I: INTRODUO ELETRNICA DE POTNCIA

I Introduo .................................................................... ............................................................. ..................... 3

II Conversores Estticos .................................................... ............................................................................... 4

2.1 Classificao dos Conversores Estticos ........................................................................... ..................... 4

2.2 Rendimento de Converso.................................. ............................................................... ..................... 7

2.3 Utilizao de Chaves no Processamento da Energia Eltrica.................. ............................................... 7

2.4 Constituio dos Conversores Estticos ................................................................ ................................. 8

PARTE II: RETIFICADORES COMUTADOS PELA REDE

III Introduo.................................................. .................................................................... .............................. 9

IV Retificadores no controlados ...................................................................... ............................................. 11

4.1 Retificadores Monofsicos No Controlados ................................................................. ...................... 124.1.1 Retificador Monofsico de onda, No Controlado ............................................................... ..... 12

4.1.2 Retificador 1 de Onda, no Controlado, com Diodo de Roda Livre............... ....................... 144.2 Retificadores Trifsicos No Controlados....................................... ..................................................... 16

4.2.1 Retificador Trifsico de onda, No Controlado......................................................................... 164.2.2 Retificador Trifsico de Onda Completa , No Controlado........................................................... 19

V Retificadores Controlados ........................................................................ .................................................. 20

5.1 Retificadores Monofsicos Controlados Comutados pela Rede.......................... ................................ 21

5.1.1 Retificador Monofsico de Onda Controlado, com Carga RL.................................................. 215.1.2 Retificador Monofsico de Onda Controlado, com Carga RLE .............................................. 225.1.3 Retificador Monofsico de Onda Completa, Totalmente Controlado........................................... 255.1.4 Ret. Monofsico de Onda Completa, Totalmente Controlado, com Diodo de Roda Livre .......... 26

5.1.5 Retificador Monofsico de Onda Completa, em Ponte Mista Simtrica ...................................... 275.1.6 Retificador Monofsico de Onda Completa, em Ponte Mista Assimtrica................................... 29

5.2 Retificadores Trifsicos Controlados .................................................................. ................................ 305.2.1 Retificador Trifsico, Onda, Controlado .................................................................... .............. 301.1.2 Retificador Trifsico, Onda Completa, Totalmente Controlado................................................... 321.1.3 Retificador Trifsico, Onda Completa, em Ponte Mista................................... ............................ 34

VI Bibliografia ................................................................ ............................................................. .................. 36

VII Resumo das Frmulas................................................................. ............................................................. 37

7.1 Retificadores No Controlados.......................................................... ................................................... 37

7.2 Retificadores Controlados .......................................................................... .......................................... 38

VIII Listas de Exerccios ...................................................................... .......................................................... 39

8.1 Lista 1: Introduo Eletrnica de Potncia e aos Retificadores......................................................... 398.2 Lista 2: Retificadores (PARTE 1) ...................................................................... .................................. 40

8.3 Lista 3: Retificadores (PARTE 2) ...................................................................... .................................. 41

IX Anexos: Gabaritos para Execuo dos Exerccios..................................................................................... 42


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PARTE I: INTRODUO ELETRNICA DE POTNCIA

IINTRODUO

A Eletrnica de Potncia a tecnologia associada com a converso

eficiente, controle e condicionamento da energia eltrica disponvel para a

forma desejada atravs de meios estticos (isto , sem partes mveis). Sua

meta controlar o fluxo de energia da fonte at a carga, com alto

rendimento, disponibilidade e confiabilidade, pequenos tamanho e peso, e

reduzido custo [1].

A eletrnica de potncia lida com o processamento da energia

eltrica, enquanto, de uma forma geral, as demais reas da eletrnica lidam

com processamento de informao na forma eltrica (processamento de

sinais).

O campo da Eletrnica de Potncia multidisciplinar, pois envolve o

conhecimento de dispositivos semicondutores de potncia, elementos

magnticos, mquinas eltricas (motores e geradores), sistemas eltricos de

potncia, sistemas de controle, eletrnica digital e analgica.

Nos ltimos anos a eletrnica de potncia tem se desenvolvido com

rapidez devido a fatores como: evoluo dos semicondutores de potncia, com

o aumento das capacidades de tenso e corrente dos dispositivos, bem como

da sua velocidade; avanos na rea de processadores digitais de sinais

(DSP's) e circuitos integrados especficos tem contribudo para viabilizar

e versatilizar o controle dos conversores de potncia.

Nos dias de hoje, a eletrnica de potncia encontra aplicaes queenvolvem potncias que vo desde alguns watts at centenas de megawatts,

como por exemplo em sistemas de acionamento de motores CA a velocidade

varivel para compressores, bombas hidrulicas, robs, etc. aplicados no

controle e automao de processos industriais. Alm da rea industrial, a

eletrnica de potncia tambm est presente nas fontes de alimentao de

equipamentos de telecomunicaes, computadores, equipamentos eletrnicos

domsticos e nas fontes de energia ininterruptas (No-Breaks). O quadro

abaixo resume algumas das aplicaes da eletrnica de potncia:

Tabela1

REAS DE APLICAO DA ELETRNICA DE POTNCIA

rea de Transportes:- Trao em veculos eltricos:

carros de passeio, locomotivas,metrs e trlebus

- Carregamento de baterias deveculos eltricos

- Eletrnica Automotiva

rea Industrial:- Bombas- Compressores- Ventiladores- Sopradores- Mquinas-ferramenta (CNC)- Robs industriais- Fornos a arco e de Induo- LASER industrial para corte- Mquinas de Solda- Eletrlise

rea Comercial:- Elevadores

- Iluminao

-

Sistemas de Energiaininterrupta UPS (No-Breaks)


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rea de Sistemas Eltricos de Potncia

- Transmisso de energia em Corrente

Contnua sob Alta Tenso (HVDC -High Voltage DC)

- Fontes de energia alternativas:Elica e Fotovoltaica (PV - Photo-Voltaic)

- Sistemas de compensao de reativosem linhas de transmisso (SVG -Static VAR Generation)

rea Residencial

- Refrigerao- Aquecimento ambiente- Ar condicionado- Cozimento

- Iluminao- TV, microcomputadores, VK7,etc

II

CONVERSORES ESTTICOS

O Conversor Esttico o mdulo bsico dos sistemas eletrnicos de

potncia, responsvel pela converso da energia eltrica disponvel na

fonte para a forma adequada carga. Em geral, alm da entrada de energia,

os conversores possuem tambm uma ou mais entradas para controle. Atravs

dessa entrada o fluxo de energia pode ser alterado de modo a atender

requisitos especficos da carga. A Figura 1 ilustra o diagrama em bloco do

conversor esttico.

Entrada de Energia

Controle

Sada de Energia

Conversor Esttico

Figura 1 Representao em bloco do conversor esttico de potncia

2.1CLASSIFICAO DOS CONVERSORES ESTTICOS

Os conversores podem executar quatro funes bsicas:

1. Converso CC-CC: num conversor CC-CC (ou Chopper), a tenso CC de

entrada convertida numa tenso CC de sada com amplitude maior

ou menor, polaridade igual ou contrria, com ou sem isolamento

eltrico;

2. Converso CA-CC ou Retificao: num conversor CA-CC ou

retificador, a tenso CA retificada produzindo uma tenso CC na

sada. A tenso de sada pode ser controlada, dependendo do

conversor;


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3. Converso CC-CA ou inverso: num conversor CC-CA ou inversor, a

tenso CC de entrada convertida numa tenso CA de sada com

amplitude e frequncia variveis;

4. Converso CA-CA ou Cicloconverso: o cicloconversor converte uma

tenso CA de entrada numa tenso CA na sada com frequncia e/ou

amplitude controlveis. Quando somente o valor eficaz da tenso

alterado, este conversor recebe o nome de gradador.

A Figura 2 ilustra os smbolos comumente utilizados para representar

os conversores estticos.

Conversor CC-CC

( Chopper )

Conversor CA-CC

( Retificador )

Conversor CC-CA( Inversor )

Conversor CA-CA( Cicloconversor )

CCCC

CC

CCCA

CA CACA

Figura 2 Simbologia dos conversores estticos

importante ressaltar que, sob condies especficas, alguns

conversores so capazes de reverter o sentido do fluxo de energia, isto ,

fazer com que o fluxo mdio de energia seja da carga para a fonte. Tais

conversores so chamados Conversores Reversveis. A Figura 3 ilustra um

exemplo comparativo entre um retificador reversvel e um retificador

unidirecional. Ambos so retificadores porque o sentido preferencial do

fluxo de energia CA-CC. Mas o primeiro retificador tem a capacidade de

operar tambm no sentido contrrio, isto , fazendo a converso CC-CA,quando ento diz-se que o retificador est operando como inversor.

Retificador Reversvel

CA CCCA CC

ENERGIA

Retificador Unidirecional

ENERGIA

Figura 3 Exemplos de Conversores Reversveis e Unidirecionais


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A converso entre duas formas de energia eltrica pode ser feita de

forma direta ou indireta. Nos conversores diretos no h estgio

intermedirio de converso, por exemplo: CA-CC. J nos conversores

indiretos, podem haver um ou mais estgios intermedirios, por exemplo

CA-CC-CA. A Figura 4 ilustra os diagramas de sistemas diretos e indiretos

de converso.

Conversor CA-CA IndiretoConversor CA-CA Direto

CACACA CC CA

Figura 4 Exemplos de converso direta e indireta

Como ser visto logo a seguir, os conversores estticos de potncia

utilizam chaves eletrnicas para modificar o fluxo de energia. Estas chaves

so comandadas a certa frequncia. Os conversores que trabalham ligados

rede CA comercial e operam na mesma frequncia desta (50 ou 60Hz) so

classificados como conversores de frequncia de linha; os demais

conversores que operam frequncias mais elevadas so chamados conversores

de alta frequncia. Nos conversores de frequncia de linha, a tenso

senoidal da rede pode inclusive atuar do processo de desligamento das

chaves do conversor, como no caso dos retificadores a tiristores (SCR). A

Figura 5 ilustra a classificao geral dos conversores estticos de

potncia.

Conversores Estticos de Potncia

CC-CC: Choppers CA-CC: Retificadores CC-CA: Inversores CA-CA: Cicloconversores

Diretos Indiretos

Unidirecionais Reversveis

De Alta FrequnciaDe Frequncia de Rede

Figura 5 Classificao geral dos conversores estticos de potncia


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2.2RENDIMENTO DE CONVERSO

O rendimento de um conversor definido como a razo entre as

potncias de sada e de entrada do conversor:

in

out

PP= eq. 1

Um conversor que possui um rendimento de 60%, por exemplo, perde 40%

da potncia de entrada na forma de calor. Se a potncia de sada for

substancial, assim tambm ser o calor a ser dissipado, o que levar

necessidade da utilizao de um caro sistema de refrigerao do conversor.

O alto rendimento uma caracterstica essencial no processamento de

energia, porque, em primeiro lugar, conversores com baixo rendimento

requerem grandes dissipadores para a retirada da energia perdida na forma

de calor, o que dificulta ou mesmo inviabiliza sua realizao prtica. Em

segundo lugar, reduzir as perdas significa reduzir o consumo de energia,

cuja gerao cara e causa impacto ambiental negativo.

O rendimento um bom indicador da performance de um conversor

esttico. Operando com alto rendimento o conversor fica menor, mais leve e

mais confivel.

2.3UTILIZAO DE CHAVES NO PROCESSAMENTO DA ENERGIA ELTRICA

A fim de controlar o fluxo de energia com alto rendimento, os

semicondutores utilizados nos conversores de potncia operam como chaves,

estando completamente ligados ou desligados. O estado intermedirio, de

caracterstica resistiva, evitado. A razo que, idealmente, uma chave

no dissipa calor, pois quando est fechada, h corrente mas no h queda

de tenso em seus terminais; quando est aberta no h corrente circulando;

em ambos os casos a potncia perdida na chave nula. A Figura 6 ilustra

essa caracterstica.

i = 0 => P = V * I = 0

v = 0 => P = V * I = 0

v > 0 e i > 0 => P = V * I > 0

+ v -

i

i+ v -

Figura 6 Dissipao de potncia numa chave ideal


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As chaves eletrnicas presentes no conversor conectam diretamente ou

indiretamente a fonte e a carga, permitindo um fluxo de energia controlado

e os vrios tipos de converso anteriormente citados. A frequncia de

abertura/fechamento das chaves pode variar desde algumas dezenas de Hertz

at a casa dos megahertz.

A implementao das chaves nos conversores realizada com

dispositivos semicondutores de potncia: diodos, transistores e tiristores.

No caso dos transistores somente as regies de corte (equivalente a uma

chave aberta) e saturao (equivalente a uma chave fechada) so utilizadas,

uma vez que a regio linear do transistor equivale a um resistor.

2.4CONSTITUIO DOS CONVERSORES ESTTICOS

Normalmente, os componentes magnticos so evitados em aplicaes de

processamentos de sinais, devido ao seu tamanho, custo e dificuldade deminiaturizao. Alm disso, como nestas aplicaes o rendimento no um

fator crtico (devido s baixas potncias envolvidas), os resistores so

muito utilizados. J nos conversores estticos de potncia ocorre o

contrrio: os resistores so evitados porque causariam grandes perdas de

energia, e capacitores e indutores so largamente utilizados porque

idealmente eles no dissipam energia, apenas a armazenam.

Desta forma, pode-se concluir que os conversores estticos so

constitudos basicamente por dois tipos de elementos:

Elementos Estticos: so os semicondutores utilizados como chaves

Elementos Reativos: so os capacitores, indutores (e

transformadores) utilizados como filtros ou como armazenadores

intermedirios de energia.

A Figura 7 ilustra os elementos que podem constituir um conversor

esttico de potncia.

Elementos Estticos Elementos Reativos

Figura 7 Elementos dos conversores estticos de potncia


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PARTE II: RETIFICADORES COMUTADOS PELA REDEIIIINTRODUO

Na maioria das aplicaes da eletrnica de potncia, a energia est

disponvel na forma CA, e necessita ser convertida para a forma CC. Ao

processo de converso CA-CC d-se o nome de retificao.

A retificao pode ser controlada ou no controlada. Grande parte

dos equipamentos eletrnicos utiliza retificadores no controlados, como

por exemplo fontes de alimentao, "drivers1" de motores CC e CA, etc. Os

retificadores no controlados utilizam exclusivamente diodos no processo de

retificao.

Os retificadores controlados so utilizados em acionamentos CC a

velocidade varivel, em carregadores de baterias, em mquinas de solda, e

em aplicaes que requerem um fluxo bidirecional de energia entre os lados

CA e CC, como por exemplo em sistemas de transmisso de energia em CC sob

alta tenso (HVDC) e na frenagem regenerativa de motores. Durante muitos

anos, os retificadores controlados eram construdos exclusivamente com

tiristores (SCR) e diodos. Nos dias de hoje, graas ao surgimento de chaves

controlveis de potncias mais elevadas, mais rpidas e de maior facilidade

de comando(IGBT, Power MOSFET, MCT), tornou-se possvel a construo de

retificadores que absorvem uma corrente quase senoidal da rede CA, isto ,

com baixa distoro harmnica. Esses retificadores operam em frequncias

muito maiores que a da rede CA.

Nos retificadores que utilizam tiristores (SCRs) e/ou diodos, as

tenses da rede eltrica atuam ativamente no processo de comutao dos

dispositivos, da esses retificadores serem classificados como "comutados

pela rede". Por esse motivo, a frequncia de funcionamento dos

retificadores a SCRs e diodos a mesma da rede eltrica em que esto

ligados, o que no acontece nos chamados retificadores chaveados, que

utilizam transistores e podem operar em frequncias de vrios kilohertz. A

Figura 8 ilustra a classificao dos retificadores.

Retificadores

Comutados pela Rede

No Controlados (A Diodos)

Totalmente Controlados (A SCRs)

Monofsicos

Trifsicos

Chaveados( em alta frequncia )

Controlados - (A transistores)

Monofsicos

Trifsicos

Semicontrolados (A SCRs e Diodos)

Meia Onda

Onda Completa

Onda Completa

Figura 8 Classificao dos Retificadores

1O mesmo que acionador


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A forma de onda da tenso de sada dos retificadores no puramente

CC, ou seja, constituda por pores da forma de onda da fonte CA de

entrada. Isto implica na existncia de uma ondulao ou "ripple" na tenso

de sada dos retificadores. Quando necessrio atenuar-se esta ondulao,

introduz-se um filtro na sada do retificador.

A seguir sero dadas algumas definies importantes, que sero

utilizadas no decorrer dos estudos:

Regimes ou Modos de Conduo

A operao dos retificadores pode ser caracterizada pelos chamados

modos ou regimes de operao, que se referem corrente que circula pela

carga. Quando a cada ciclo de operao a corrente na carga se anula por um

intervalo de tempo qualquer, o regime de operao chamado descontnuo.

Por outro lado, se a corrente na carga sempre maior que zero durante o

funcionamento do circuito, o regime de operao contnuo.

Nmero de Pulsos do Retificador

O nmero de pulsos do retificador a relao entre a frequncia do

ripple da tenso retificada e a frequncia da tenso da fonte CA.

Valor Mdio

Para quantificar a amplitude da tenso CC de sada dos

retificadores, utilizado o valor mdio. O valor mdio ao longo do tempo

de uma varivel peridica x(t), de perodo T, dado por:

=T

0med dttx

T

1X )( eq. 2

O valor mdio tambm importante na especificao da capacidade de

conduo de corrente mdia dos dispositivos de potncia, como diodos,

tiristores, transistores, etc.

Valor Eficaz ou Valor RMS

O valor eficaz ou RMS "Root Mean Square" normalmente utilizado

para especificar a corrente eficaz nos dispositivos de potncia, bem como

para clculos de potncia aparente. O valor eficaz de uma varivel

peridica x(t), de perodo T, dado por:

=T

0med dttx

T

1X )( eq. 3

A importncia da especificao do valor eficaz da corrente nos

dispositivos reside no fato de que este valor se relaciona diretamente com

a potncia dissipada na parcela resistiva do dispositivo.


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Fator de Forma - FF

O fator de forma utilizado para quantificar o grau de distoro de

um sinal CC qualquer em relao a um sinal CC puro. Por definio, o fator

de forma a relao entre o valor eficaz e o valor mdio de um sinal (eq.

4). Desta forma, um sinal CC puro possui fator de forma unitrio.

med

rmsF

X

XF = eq. 4

Fator de Crista - FC

O fator de crista utilizado para quantificar o grau de distoro

de um sinal CA qualquer em relao a um sinal CA puramente senoidal. Por

definio, o fator de crista a relao entre o valor de pico do sinal e

seu valor eficaz (eq. 5). Um sinal puramente senoidal possui fator de

crista igual a 2 .

rms

CX

XF max= eq. 5

Fator de Ripple ou Fator de Ondulao - FR

O fator de ripple utilizado para quantificar o grau de filtragem

da tenso ou corrente de sada dos retificadores, e definido por:

1X

X100F

2

med

rmsR

= % eq. 6

Fator de Potncia - FP

O fator de potncia a relao entre a potncia ativa P, em Watts,

e a potncia aparente S, em VA, num circuito ou equipamento. Idealmente o

FP deve ser unitrio.

S

PFP= eq. 7

Nas sees IV e V sero analisados os retificadores no controlados

e controlados, respectivamente, considerando-se semicondutores ideais e

fontes de tenso ideais, ou seja, com impedncia interna nula. Somente

sero estudados os retificadores comutados pela rede.

IVRETIFICADORES NO CONTROLADOS

Nos retificadores no controlados, o valor mdio da tenso

retificada de sada depende da amplitude da tenso de entrada e daestrutura do retificador. Quando necessrio, a adaptao do valor da tenso


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ao nvel adequado carga feita com o auxlio de um transformador no lado

CA.

4.1RETIFICADORES MONOFSICOS NO CONTROLADOS

4.1.1RETIFICADOR MONOFSICO DE ONDA,NO CONTROLADO

O circuito do retificador monofsico de onda est mostrado na

Figura 9. A carga do tipo resistor-indutor, ou simplesmente RL. Quando a

tenso da rede positiva em relao ao catodo, o diodo fica diretamente

polarizado e a corrente comea a fluir. Devido presena do indutor na

carga, esta corrente cresce "atrasada" em relao tenso, como mostrado

na Figura 10, de maneira que quando a tenso da fonte CA passa por zero em

t=180, ainda h corrente no circuito. Isso se explica pela presena da

fora contra eletromotriz f.c.e.m. (tenso) gerada pelo indutor, que mantm

o diodo polarizado mesmo aps a tenso da rede ter ficado negativa.Quando a corrente est crescendo, o indutor est armazenando

energia. Quando a corrente est decrescendo, o indutor est devolvendo a

energia armazenada. Quando a energia que foi armazenada no indutor se

esgota, ou seja, quando a corrente no mesmo chega a zero em t = , a

f.c.e.m. do indutor se anula e o diodo fica reversamente polarizado pela

tenso da fonte CA.

Figura 9 Retificador monofsico de onda com carga RL

Figura 10 Formas de onda do Retificador 1, onda, carga RL


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Como a corrente se extingue aps a tenso da fonte CA ter ficado

negativa, surge na sada do retificador uma parcela de tenso negativa, que

permanece at que a corrente se extngua em t = (beta).

O valor mdio da tenso na carga pode ser encontrado utilizando-se

a definio dada pela eq. 2:

=

0

medO tdtV2

1V )sen(max eq. 8

onde Vmax a amplitude da tenso senoidal de entrada

O desenvolvimento da expresso (2.1) resulta em:

( )

cosmax = 12

VV medO eq. 9

A expresso que representa a variao da corrente em funo

do tempo pode ser encontrada solucionando-se a equao de malha do

circuito:

oo idt

dLiRtV +=senmax eq. 10

cujo desenvolvimento resulta em:

++=

tg

t

2L

2o et

XR

V

ti ).sen()sen()(max

eq. 11

onde:

R

Xarctg L= eq. 12

e

LXL= eq. 13

Em princpio, o valor do ngulo de extino da corrente poderiaser analiticamente encontrado explicitando-se t na eq. 11 fazendo-se io=0.

Entretanto, este procedimento resulta numa equao que no tem soluo

analtica, chamada equao transcedental. Assim, o valor de somente pode

ser determinado por mtodos numricos (ou grficos). A Figura 11 mostra a

soluo grfica. Para determinar-se o valor de , deve-se primeiro

encontrar o valor de (eq. 12), que o ngulo de fase do circuito.

O valor da corrente mdia na carga pode ser encontrado

atravs da expresso:

R

V

I

omed

omed= eq. 14


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A razo da indutncia no entrar no clculo de IOmed que a

tenso mdia na carga fica apenas sobre o resistor, pois a tenso mdia

sobre o indutor zero.

Figura 11 Soluo grfica para determinar ngulo de extino

4.1.2RETIFICADOR 1 DE ONDA,NO CONTROLADO,COM DIODO DE RODA LIVRE

A componente indutiva da carga faz com que a tenso de sada fique

negativa durante certo tempo, o que reduz o seu valor mdio. Para

solucionar-se esse problema, pode ser adicionado ao circuito o diodo de

roda livreou diodo de comutao, como mostrado na Figura 12.

Figura 12 Retificador monofsico de onda com diodo de roda livre

A Figura 13 ilustra as formas de onda de tenso e corrente no

circuito. O funcionamento do circuito pode ser dividido em duas etapas:

a) Etapa 1 (t entre 0 e ): O diodo principal conduz a corrente

de carga. A tenso da fonte CA positiva.

b) Etapa 2 (t entre e ): O diodo de roda livre entra em

conduo no instante em que a tenso na carga tende a ficar negativa, isto

, em t=. Neste instante, o diodo principal entra em corte, e o diodo de

roda livre promove um caminho para que o indutor se descarregue. A Figura

14 mostra a configurao do circuito aps a entrada em conduo do diodo de

roda livre.


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Figura 13 Formas de onda no circuito da Figura 12

Figura 14 Configurao do circuito com DRem conduo

Como pode ser observado, o indutor se descarrega diretamente sobre o

resistor. A durao da descarga depende da constante de tempo do circuito

RL, dada pela expresso:

R

L= eq. 15

Aps cinco constantes de tempo, aproximadamente, a corrente se anula

e o diodo de roda livre se bloqueia. O ngulo de extino em graus dado

pela expresso:

oo 180360T

5+

eq. 16

onde T o perodo da onda de tenso da rede CA.

Duas situaes podem ocorrer:

a) < 360: Neste caso a corrente chega a zero antes da

tenso da fonte ficar novamente positiva, o que caracteriza o modo ou

regime de conduo descontnua.


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b) > 360: Neste caso a corrente no chega efetivamente a

se anular, pois a tenso da fonte CA fica novamente positiva antes que isso

ocorra. Assim, a corrente no chega a zero, o que caracteriza o regime de

conduo contnua. Em t=360 o diodo principal volta a conduzir e o diodo

de roda livre corta.

O valor mdio da tenso de sada do retificador dado por:

maxVVOmed= eq. 17

e o valor da corrente mdia por:

R

VI OmedOmed= eq. 18

4.2RETIFICADORES TRIFSICOS NO CONTROLADOS

Os retificadores trifsicos so utilizados em aplicaes de

potncias mais elevadas, pois sua tenso de sada possui menor ondulao e

maior valor mdio. Alm disso a corrente mdia em cada diodo apenas 1/3

do valor mdio na carga, como ser mostrado a seguir.

4.2.1RETIFICADOR TRIFSICO DE ONDA,NO CONTROLADO

O retificador trifsico de onda pode ser visualizado como a

ligao em paralelo de trs retificadores monofsicos de onda. A carga ligada ao neutro da fonte trifsica, como pode ser observado na Figura 15.

Figura 15 Retificador trifsico de onda

Desta forma, a tenso sobre a carga composta por pores das

tenses fase-neutro, que esto defasadas 120 entre si. Como os catodos dos

diodos esto unidos, ou seja, esto no mesmo potencial, conduzir o diodo

que tiver a maior tenso em seu anodo, consequentemente colocando este

potencial em seu catodo e forando os outros dois diodos a bloquear.

A Figura 16 mostra as formas de onda das tenses trifsicas RN, S

Ne

TN juntamente com a tenso de sada do retificador. Como as tenses


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trifsicas so defasadas entre si 120, a cada instante apenas uma delas

mais positiva do que as outras. Por exemplo: quando a tenso da fase R a

mais positiva (em relao s outras duas), o diodo D1 conduz. No instante

em que a tenso da fase S supera a amplitude da tenso RN, D2 entra em

conduo forando D1 ao corte, e assim por diante.

Figura 16 Formas de onda do circuito da Figura 15

A durao de cada ondulao da tenso de sada 120, porque este

tambm o intervalo no qual dada tenso fase-neutro permanece mais positiva

do que as demais. Devido a isto, a frequncia do ripple da tenso de sada

trs vezes a frequncia da fonte CA (retificador de 3 pulsos):

rederipple f3f = eq. 19

Como a ciclo da tenso senoidal cada diodo conduz durante apenas

120, a corrente mdia em cada diodo igual a 1/3 da corrente mdia que

circula na carga:

OmedDmed I3

1I = eq. 20

Aplicando-se a definio de valor eficaz sobre a curva de corrente

do diodo, e aps algumas aproximaes, chega-se a:

3

II OmedrmsD eq. 21

A tenso mdia na carga pode ser encontrada aplicando-se a definio

de valor mdio forma de onda da tenso:

=65

6FNOmed tdtV

2

3V

/

/max )sen(

eq. 22

que resulta em:

FNrmsOmed V171V = , eq. 23


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A corrente mdia na carga dada pela expresso:

R

VI OmedOmed= eq. 24

A forma de onda da tenso sobre o diodo pode ser visualizada na

Figura 17, onde observa-se que ela composta por trechos de tenses fase-

fase. Isto porque o diodo que conduz em dado momento leva o potencial de

seu anodo para o catodo dos outros dois que esto bloqueados, que ento

ficam submetidos a uma diferena de potencial fase-fase de catodo para

anodo.

Figura 17 Forma de onda da tenso no diodo D1

Cada diodo deve portanto suportar o pico da tenso fase-fase, ou

seja, a especificao da tenso de pico inversa (PIV ou VRRM) deve ser

superior a:

FFrmsV2PIV = eq. 25

lembrando que FNrmsFFrms V3V = .

A sequncia das tenses fase-fase mostradas na Figura 2.9 depende

basicamente da sequncia de fases da fonte CA. So 6 o nmero de

combinaes das tenses fase-fase, que so defasadas entre si 60.

Cargas Indutivas

No retificador de monofsico de onda, a presena de uma parcela

indutiva na carga faz com que surja um trecho de tenso negativa sobre a

mesma. No retificador trifsico, a forma de onda da tenso de sada no se

altera em presena de indutncia na carga. Isto ocorre porque neste

retificador a fonte a responsvel pela comutao dos diodos, isto , umdado diodo conduzir obrigatoriamente quando a tenso em seu anodo ficar


19/53


mais positiva que as demais, obrigando o diodo que conduzia anteriormente a

cortar. Neste caso o efeito da indutncia a reduo da ondulao da

corrente da carga.

4.2.2RETIFICADOR TRIFSICO DE ONDA COMPLETA ,NO CONTROLADO

O circuito do retificador trifsico de onda completa pode ser

visualizado na Figura 18. Como pode ser observado, o neutro da fonte CA no

ligado ao circuito retificador.

Figura 18 Retificador trifsico de onda completa

Os diodos D1, D3 e D5 constituem o chamado grupo positivo (ou poli-

catdico), e os diodos D2, D4, D6 o grupo negativo (ou poli-andico). Os

diodos conduzem sempre dois a dois: um diodo do grupo positivo e um do

grupo negativo. No grupo positivo, conduzir o diodo que possuir a tenso

mais positiva em seu anodo em relao ao neutro. No grupo negativo,conduzir o diodo que possuir a tenso mais negativa em seu anodo em

relao ao neutro. A Figura 19 mostra a forma de onda da tenso de sada do

retificador, juntamente com a forma de onda da tenso num dos diodos.



20/53


Como so 6 as tenses fase-fase, e estando as mesmas defasadas 60

entre si, para cada ciclo da rede CA h 6 ondulaes na tenso de sada

retificada (retificador de 6 pulsos), ou seja:


Da mesma forma que no retificador 3 de onda, cada diodo conduz

durante 120, a assim:

OmedDmed I3

1I = eq. 27

e

3

II OmedrmsD eq. 28

Atravs da forma de onda da tenso no diodo (Figura 19) observa-se

que a tenso de pico inversa expressa por:

FFrmsV2PIV = eq. 29

Utilizando-se a definio de valor mdio obtm-se a tenso mdia de

sada do retificador:

FFrmsOmed V351V = , eq. 30

A corrente mdia de sada :

R

VI OmedOmed= eq. 31

VRETIFICADORES CONTROLADOS

Os retificadores controlados comutados pela rede utilizam SCRs como

chaves estticas de potncia. Como mencionado na seo III, uma dasprincipais aplicaes dos retificadores controlados o acionamento de

motores de corrente contnua, onde o ajuste da velocidade angular

realizado atravs da variao da tenso mdia retificada de sada aplicada

ao motor. A variao da tenso mdia retificada realizada atravs do

ajuste do ngulo de disparo dos tiristores (SCRs)do retificador, que por

sua vez realizado por um circuito de comando apropriado.

O modelo eltrico do circuito de armadura do motor CC com excitao

independente ou srie (Figura 20) do tipo RLE, onde a resistncia e a

indutncia representam o enrolamento da armadura e a fonte de tenso

contnua E representa a f.c.e.m. (fora contra-eletro-motriz) do motor.Esta tenso gerada internamente devido variao do fluxo magntico que


21/53


corta os condutores dos enrolamentos, causada pelo movimento de rotao do

motor. Esta tenso proporcional velocidade angular, sendo nulaquando a

armadura estiver em repouso.

Uma outra aplicao que apresenta o mesmo circuito equivalente de

carga o carregamento de baterias. Neste caso, a indutncia adicionada

ao circuito com a finalidade de filtrar a corrente, isto , reduzir a sua

ondulao.

Figura 20 Smbolo e circuito equivalente da armadura do Motor CC

5.1 RETIFICADORES MONOFSICOS CONTROLADOS COMUTADOS PELA REDE

5.1.1RETIFICADOR MONOFSICO DE ONDA CONTROLADO,COM CARGA RL

O circuito do retificador monofsico de onda controlado com carga

RL est mostrado na Figura 21. Em relao ao retificador no controlado

observa-se que o diodo foi substitudo por um SCR, permitindo assim o

controle sobre o valor mdio da tenso de sada atravs da variao do

ngulo de disparo, denominado (alfa).

Figura 21 Retificador monofsico de onda controlado, com carga RL

A Figura 22 mostra as formas de onda de tenso e corrente no

circuito. Pode observar nessa figura que, at o instante t = , ( =

ngulo de disparo), no h corrente circulando no circuito, e a tenso na

carga nula. Em t = , dado o pulso de disparo no gate do SCR, e como a

tenso da rede positiva nesse instante, o dispositivo entra em conduo.

A corrente cresce atrasada devido parcela indutiva da carga, e se

extingue em t = , chamado ngulo de extino da corrente. Da mesma forma

que no retificador monofsico no controlado, surge uma parcela negativa detenso sobre a carga, cuja durao depende do valor do ngulo .


22/53


Figura 22 - Formas de onda do retificador 1controlado, 1/2 onda, carga RL

A tenso mdia na carga pode ser determinada atravs do

desenvolvimento da expresso:

=

tdtV

2

1V medO )sen(max eq. 32

resultando em:

)cos(cosmax

=2

VV medO eq. 33

O mtodo de determinao do ngulo de extino da corrente ser

descrito na seo a seguir.

5.1.2RETIFICADOR MONOFSICO DE ONDA CONTROLADO,COM CARGA RLE

O circuito do retificador monofsico de onda est mostrado naFigura 23. A carga RLE representa o circuito de armadura do motor de

corrente contnua.

Figura 23 Retificador monofsico de onda controlado com carga RLE


23/53


A Figura 24 mostra as formas de onda de tenso e corrente no

circuito. O eixo da curva de corrente foi deslocado para coincidir com o

valor de E. interessante observar que quando o tiristor est bloqueado,

ou seja, quando no h corrente na carga, a tenso sobre ela igual

f.c.e.m. interna E.

Figura 24 Formas de onda do retificador da Figura 23

A seguir esto os significados dos ngulos mostrados na figura:

: ngulo de disparo1 : ngulo mnimo de disparo

2 : ngulo mximo de disparo

: ngulo de extino da corrente

Para ngulos menores que o mnimo 1ou maiores que o mximo 2,otiristor est reversamente polarizado, pois E > Vs. O valor de 1 dado

por:

=

max

arcsenV

E1 eq. 34

e

1o

2 180 =

A expresso da tenso mdia na carga pode ser encontrada aplicando-

se a definio forma de onda de tenso da Figura 3.5:

+=

+

2

Omed tdEtdtV2

1V senmax eq. 35

cujo desenvolvimento resulta em:

EV

E

2

VV +

+= )(coscos

max

maxOmed

eq. 36

Como o valor mdio da tenso no indutor zero, o valor mdio dacorrente na carga dado por:


24/53


R

EVI OmedOmed

= eq. 37

O valor do ngulo de extino da corrente somente pode ser

encontrado por mtodos numricos ou grficos, uma vez que no existe uma

soluo analtica que possa express-lo. A soluo grfica utilizada para a

determinao de o baco de Puschlowski, mostrado na Figura 25.

Figura 25 baco de Puschlowski


25/53


Para se utilizar o baco, inicialmente deve-se determinar os

parmetros: o ngulo de disparo , o cosseno do ngulo de fase , e o

coeficiente a = E/Vmax. A partir desses valores possvel obter o ngulo

de extino no eixo Y do baco.

O baco de Puschlowski informa tambm se o regime de conduo do

retificador contnuo ou descontnuo: Se o ponto de operao determinado

por (a, cose ) estiver acima da linha correspondente ao retificador em

questo, o regime de conduo contnuo. Caso contrrio descontnuo.

Quando o retificador em questo for trifsico, o ngulo de

entrada no baco deve ser ', onde:

' = + 30 para o retificador trifsico de onda

' = + 60 para o retificador trifsico de onda completa

Isto ocorre porque nestes retificadores contado a partir do

cruzamento das tenses fase-neutro e fase-fase, e o baco foi construdo

com base na passagem da tenso por zero.

importante lembrar que o baco de Puschlowski no pode ser

utilizado quando o retificador possuir diodo de roda livre ou efeito de

roda livre, como no caso dos retificadores em ponte mista.

5.1.3RETIFICADOR MONOFSICO DE ONDA COMPLETA,TOTALMENTE CONTROLADO

O circuito do retificador monofsico em ponte, totalmente

controlado, est mostrado na Figura 26.

Figura 26 Retificador Monofsico em ponte totalmente controlada

A sequncia de disparo T1/T4no semi-ciclo positivo da tenso CA

de entrada e T2/T3no semi-ciclo negativo. Por isso, a posio da ligao

das fases importante no circuito de comando do retificador. A Figura 27

mostra as formas de onda de tenso e corrente na carga para o funcionamento

em conduo contnua, bem como a sequncia dos pulsos de disparo dos

tiristores.

O regime de conduo pode ser contnuo ou descontnuo,

dependendo do ngulo de extino da corrente:

Se > + 180 regime contnuoSe < + 180 regime descontnuo


26/53


O regime de conduo tambm pode ser verificado diretamente no baco de

Puschlowski.

As expresses da tenso mdia e corrente mdia na carga so:

cos

max

=

V2

VOmed eq. 38

e

R

EVI OmedOmed

= eq. 39

Figura 27 Formas de onda e sequncia de disparo dos SCRs

Neste retificador, cada diodo conduz durante metade do tempo, e

portanto:

OmedTmed I2

1I = eq. 40

A frequncia do ripple igual ao dobro da frequncia da rede

CA:


5.1.4RET. MONOFSICO DE ONDA COMPLETA,TOTALMENTE CONTROLADO,COM DIODO DERODA LIVRE

O circuito do retificador monofsico de onda completa em ponte com

diodo de roda livre est mostrado na Figura 28. O diodo de roda livre

impede que a tenso na carga fique negativa, elevando seu valor mdio, cuja

expresso :

( )

cosmax += 1V

VOmed eq. 42

e


27/53


R

EVI OmedOmed

= eq. 43

Figura 28 Retificador 1, em ponte, totalmente controlado, com diodo de

roda livre

5.1.5RETIFICADOR MONOFSICO DE ONDA COMPLETA,EM PONTE MISTA SIMTRICA

O circuito do retificador monofsico de onda completa em ponte mista

simtrica est mostrado na Figura 3.10. Este retificador constitudo por

tiristores e diodos, e o nome simtrico advm do fato que o ngulo de

conduo dos tiristores e diodos possui o mesmo valor, como mostra a Figura

30.

Figura 29 Retificador monofsico em ponte mista simtrica



28/53


Os tiristores so disparados um por vez. Quando T1 disparado no

semi-ciclo positivo da tenso da fonte CA, D2 entra em conduo. No

instante em que a tenso da fonte CA se inverte, D1 entra espontaneamente

em conduo, fazendo uma etapa de roda livre. Quando T2 disparado no

semi-ciclo negativo da tenso da fonte, T1 corta devido ao potencial

positivo levado at o seu catodo por T2. Quando a tenso da fonte CA se

inverte, D2 entra espontaneamente em conduo, fazendo novamente uma etapa

de roda livre at que T1seja novamente disparado.

Em conduo contnua o ngulo de conduo dos tiristores e diodos

igual a 180.

Devido ao efeito de roda livre, a tenso de sada no fica negativa,

e sua expresso (em conduo contnua) dada por:

( )

cosmax += 1V

VOmed eq. 44

e

R

EVI OmedOmed

= eq. 45

Um problema que este retificador apresenta o chamado "efeito de

meia onda" ("Half Waving"), que ocorre quando os pulsos dos gates dos

tiristores so desligados e o regime de conduo contnuo: como os diodos

entram espontaneamente em conduo e os tiristores somente bloqueiam quando

sua corrente se anula, o circuito fica "preso" num ciclo vicioso, comomostra a Figura 31. Para que este problema ocorra deve haver suficiente

energia no indutor para manter a continuidade da corrente durante ciclo

ou mais (conduo contnua).

Figura 31 Efeito de meia onda "Half Waving"


29/53


5.1.6RETIFICADOR MONOFSICO DE ONDA COMPLETA,EM PONTE MISTA ASSIMTRICA

O circuito do retificador monofsico de onda completa em ponte mista

assimtrica est mostrado na Figura 32. Em termos de montagem, a diferena

da ponte assimtrica para a ponte simtrica a posio de montagem dos

semicondutores.

Figura 32 Retificador monofsico em ponte mista assimtrica

A Figura 33 mostra as formas de onda de tenso e corrente bem como

os semicondutores que conduzem em cada intervalo. Na ponte assimtrica a

etapa de roda livre realizada exclusivamente pelos diodos, permitindo que

os tiristores recuperem sua condio de bloqueio e eliminando o problema do

efeito de meia onda. Por outro lado, os ngulos de conduo dos tiristores

e diodos so diferentes, ou melhor, assimtricos:

Os diodos conduzem durante 180+

Os tiristores conduzem durante 180-


As expresses de tenso e corrente mdia na carga so as mesmas daponte mista simtrica.


30/53


5.2RETIFICADORES TRIFSICOS CONTROLADOS

5.2.1RETIFICADOR TRIFSICO,ONDA,CONTROLADO

O circuito do retificador trifsico de onda controlado com carga

RLE est mostrado na Figura 34.

Figura 34 Retificador trifsico de onda controlado

As formas de onda de tenso e corrente para regime de conduo

descontnuo e carga RLE esto mostradas na Figura 35. O circuito de comando

do retificador deve fornecer os pulsos nos instantes adequados, devendo

estar sincronizado com as tenses trifsicas.


(Conduo Descontnua)

importante notar que o ngulo de disparo do retificador trifsico

de onda controlado contado a partir do cruzamento das tenses fase-

neutro (por definio), isto , a partir de 30. A seguir esto as

definies dos ngulos indicados na Figura 35:


31/53


=ngulo de cruzamento das fases = 30o

= ngulo de disparo contado a partir do cruzamento das fases (30o)= ngulo de disparo com referncia em 0: ' = + 30 = ngulo de extino da corrente com referncia em 0

= ngulo com corrente nula

Observa-se que a corrente na carga chega a zero antes do disparo do

prximo tiristor. Assim, h um perodo em que io=0 e a tenso de sada fica

igual tenso da f.c.e.m. E do motor. O regime de conduo pode ser

facilmente verificado com o auxlio do baco de Puschlowski e tambm pode

ser determinado da seguinte forma:

< ' + 120 Conduo Descontnua

> ' + 120 Conduo Contnua

As expresses da tenso e corrente mdia na carga para conduo

descontnuaso:

EV

E

2

V3VOmed +

+= )'(cos'cos

max

max

eq. 46

e

R

EVI OmedOmed

= eq. 47

As formas de onda de tenso e corrente na carga para regime de

conduo contnua esto mostradas na Figura 36.


(Conduo Contnua)


32/53


As expresses da tenso e corrente mdia na carga para conduo

contnuaso:

cos, = FNrmsOmed V171V eq. 48

e

R

EVI OmedOmed

= eq. 49

5.2.2RETIFICADOR TRIFSICO,ONDA COMPLETA,TOTALMENTE CONTROLADO

O circuito do retificador trifsico de onda completa, totalmente

controlado, com carga RLE est mostrado na Figura 37. Esta configurao

tambm conhecida por ponte de Graetz.

A Figura 3.20 mostra as formas de onda de tenso e corrente na carga

para o regime de conduo contnua. Neste retificador, o ngulo de disparo

contado a partir do cruzamento das tenses fase-fase, ou seja, a partir

de 60. Desta forma tem-se ' = + 60.

Figura 37 Retificador trifsico de onda completa, em ponte totalmentecontrolada

Os tiristores devem ser disparados aos pares, na sequncia correta,

sincronizados com a sequncia de fases da fonte CA. Os pulsos de reforoso necessrios para iniciar o funcionamento do retificador e garantir a

operao correta (Figura 38).

As expresses de tenso e corrente mdia na carga para o modo de

conduo contnuaso:

cos, = FFrmsOmed V351V eq. 50e

R

EVI Omed

Omed

= eq. 51


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interessante observar que para ngulos de disparo menores que 60

a conduo sempre contnua, mesmo com carga puramente resistiva, uma vez

que neste caso a tenso aplicada carga sempre positiva.

Figura 38 Formas de onda do retificador da Figura 37 em conduo contnuae sequncia de disparo dos tiristores

Para o modo de conduo descontnua, a expresso da tenso

mdia na carga :

EVEV351V FFrmsOmed +

+= )'(cos'cos,

max

eq. 52


34/53


5.2.3RETIFICADOR TRIFSICO,ONDA COMPLETA,EM PONTE MISTA

O circuito do retificador trifsico de onda completa em ponte mista

pode ser observado na Figura 39. Da mesma forma que na ponte mista

monofsica, a tenso na carga no fica negativa devido ao efeito de roda

livre, causado pela conduo espontnea dos diodos.

Figura 39 Retificador trifsico em ponte mista

Figura 40 Tenso de sada para ngulos de disparo menores que 60,juntamente com a sequncia de disparo dos tiristores


35/53


O funcionamento do circuito apresenta diferenas para ngulos de

disparo maiores que 60 e menores que 60. A Figura 40 mostra as formas de

onda para ngulos de disparo menores que 60. Quando atingido o

cruzamento das tenses fase-fase em t=60, o diodo da fase correspondente

entra espontaneamente em conduo. No h etapa de roda livre.

Quando o ngulo de disparo superior a 60 ocorre a etapa de roda

livre, onde o diodo conduz juntamente com o tiristor do mesmo brao (ex.:

T1 com D1, T2 com D2, T3 com D3), como mostrado na Figura 41(conduo

contnua).

Figura 41 Tenso de sada para ngulos de disparo maiores que 60

O valor da tenso mdia retificada para qualquer ngulo de disparo e

conduo contnua dada pela expresso:

( )cos, += 1V6750V FFrmsOmed eq. 53

A corrente mdia em cada semicondutor igual a um tero da corrente

mdia na carga.


36/53


VI

BIBLIOGRAFIA

[1] Thomas G. Wilson, The Evolution of Power Electronics, Applied Power

Electronics Specialists Conference, IEEE, 1999.

[2] Barbi, Ivo "Eletrnica de Potncia", UFSC, Florianpolis, 1986

[3] Santos Filho, Sady A. e outros "Eletrnica Industrial Conversores

Estticos Retificadores", Cefet-MG, 1997, publicao interna.

[4] Mohan, Ned, et alli, "Power Electronics, Converters, Applications and

Design", John Wiley & Sons, USA, 1990.

[5] Lander, Cyril W. "Eletrnica Industrial, Teoria e Aplicaes", 2a

ed., Makron Books, SP, 1997

[6] Ahmed, Ashfaq "Power Electronics for Technology", Prentice Hall,

USA, 1999.

[7] Erickson, Robert W., "Fundamentals of Power Electronics", Chapman &

Hall, USA, 1997.


37/53


VII

RESUMO DAS FRMULAS

7.1RETIFICADORES NO CONTROLADOS

RETIFICADOR 1 DE 1/2 ONDA

+

+=

Tgt

2L

2o et

XR

Vti ).sen()sen()( max ( )

cosmax = 1

2

VVOmed

R

VI omedomed=

RETIFICADOR 1 DE 1/2 ONDA COM DIODO DE RODA LIVRE

maxVVOmed= R

VI OmedOmed=

RETIFICADOR 3 DE 1/2 ONDA

FNrmsOmed V171V = , R

VI OmedOmed= OmedDmed I

3

1I =

3

II OmedrmsD = rederipple f3f = FFrmsV2PIV =

FNrmsrmsO V1871V = ,

RETIFICADOR 3 DE ONDA COMPLETA

FFrmsOmed V351V = , R

VI OmedOmed= OmedDmed I

3

1I =

3

II OmedrmsD = rederipple f6f = FFrmsV2PIV =

FFrmsrmsO V3511V = ,


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7.2RETIFICADORES CONTROLADOS

RETIFICADOR 1, 1/2 ONDA

i t VR

sen t EV

VR

EV

sen eo

t

tg( ) max cos . ( )max

maxmax

cos . ( ) .=

+

VoV E

VEmed= +

+

maxcos cos

max( )

2 Io

Vo E

Rmed

med=

RETIFICADOR 1, ONDA COMPLETA, EM PONTE, TOTALMENTE CONTROLADO

Conduo Contnua: VoV

med= 2. max

cos

IoVo E

Rmed

med=

Conduo Descontnua: VomedV E

VE= +

+

maxcos cos

max( )

RETIFICADOR 1, ONDA COMPLETA, EM PONTE MISTA ouTOTALMENTE CONTROLADA COM DIODO DE RODA LIVRE

Conduo Contnua: VoV

med= +2

1. max

( cos )

IoVo E

Rmed

med=

RETIFICADOR 3, 1/2 ONDA

Conduo Contnua: cos, = rmsFNmed V171Vo IoVo E

Rmed

med=

Conduo Descontnua: VomedV E

VE= +

+

3

2

. maxcos cos

max( )| |

RETIFICADOR 3, ONDA COMPLETA, EM PONTE, TOTALMENTE CONTROLADO

Conduo Contnua: VoV

med= 3. max

cos

IoVo E

Rmed

med=

Conduo Descontnua: Vo VE

VEmed FF rms= +

+1 35, . cos cos

max( )( )

| |

RETIFICADOR 3, ONDA COMPLETA, EM PONTE MISTA

Vo Vmed FF rms= +0 675 1, . ( cos )( ) IoVo E

R

medmed=


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VIII

LISTAS DE EXERCCIOS

8.1LISTA 1:INTRODUO ELETRNICA DE POTNCIA E AOS RETIFICADORES

1. Qual a meta da tecnologia da Eletrnica de Potncia ?

2.

Em que faixa de potncia a eletrnica de potncia encontra aplicaes ?3. Cite algumas aplicaes da eletrnica de potncia que julgar mais

importantes.

4. Qual o mdulo bsico dos sistemas eletrnicos de potncia ?

5. Para que serve a entrada de controle dos conversores estticos ?

6. Quais so os quatro tipos de conversores estticos ? Desenhe suasrepresentaes em bloco.

7. O que significa um conversor ser "reversvel" ? E unidirecional ?

8. O que um conversor indireto ? E direto ? D exemplos.

9. O que so conversores de frequncia de linha ? E de alta frequncia ?D um exemplo de um conversor de frequncia de linha que voc conhea.

10.

O que rendimento de Converso ? Qual o rendimento ideal de umsistema de converso de energia ? Por que na prtica no possvelobt-lo ?

11. Quais as vantagens prticas de um conversor operar com alto rendimentoenergtico ? Explique.

12. Qual a finalidade da utilizao de semicondutores operando como chavesnos conversores estticos ?

13. Por que uma chave ideal no dissipa calor ?

14. Indique porque as chaves eletrnicas reais (diodos, transistores,tiristores) dissipam calor e portanto no so ideais.

15. Por que a regio linear de trabalho dos transistores no utilizadanos conversores de potncia ? Ento quais so as regies utilizadas ?

16.

Quais as duas classes de elementos constituintes dos conversoresestticos ? Quais so os componentes de cada classe ?

17. O que significa um retificador ser "comutado pela rede" ? E umretificador "chaveado em alta frequncia" ? Qual a vantagem desseltimo ?

18. Que componentes so utilizados nos retificadores no controlados,totalmente controlados e nos semicontrolados ?

19. Explique o que so os regimes de conduo dos retificadores.

20. O que significa dizer que um retificador " de seis pulsos" ?

21. Como se encontra o valor mdio de uma varivel contnua ao longo dotempo ? E de uma varivel discreta ?

22.

Para que se determina o valor eficaz ou rms de uma tenso ou corrente ?23. Qual a diferena entre fator de forma e fator de crista ?

24. Qual a diferena entre fator de forma e fator de ripple ? O que elestm em comum ?

25. O que fator de potncia ?


40/53


8.2LISTA 2:RETIFICADORES (PARTE1)

1. Cite aplicaes dos circuitos retificadores.

2. Um retificador monofsico de onda no controlado alimentado com uma

tenso senoidal de 380Vrms e 60Hz, e est ligado a uma carga puramente

resistiva de 5. Determine: a) A tenso mdia na carga. b) A correntemdia no diodo e na carga. c) A tenso de pico inversa no diodo. d) Aforma de onda da tenso no diodo e na carga. e) A forma de onda da

corrente na rede de alimentao. Resp: Vomed = 171.1V; Iomed =IDmed =

34.2A;

3. Repita o exerccio 2 considerando uma carga RL onde R = 5e L = 65mH.Faa tambm: f) Comente sobre os efeitos da presena do indutor no

funcionamento do circuito. g) Determine o regime de conduo. Inicie o

exerccio determinando o ngulo de extino da corrente (). Resp:=78,5; 280o; Vomed= 70.6V; Iomed=14.1A

4. Repita o exerccio 2 incluindo um diodo de roda livre (ou diodo de

comutao). f) descreva as trs etapas de operao do circuito g) Quala vantagem de se utilizar o diodo de comutao ? h) Ele necessrio se

a carga for puramente resistiva ? Determine tambm: i) A forma de onda

da corrente no diodo de roda livre. j) o regime de conduo.

5. Quais as vantagens dos retificadores 3em relao aos monofsicos ?

6. Faa o diagrama fasorial de um sistema trifsico com sequncia de fases

ABC, indicando apenas os fasores das tenses fase-neutro (FN).

7. Um retificador trifsico de onda no controlado alimentado por uma

fonte trifsica senoidal cuja tenso de linha 220Vrms, 60Hz, e a

seqncia de fase RST. A carga puramente resistiva com R=10.Determine: a) A tenso mdia na carga. b) A corrente mdia na carga e

em cada diodo. c) A tenso de pico inversa que cada diodo devesuportar. d) A tenso eficaz na carga e) A forma de onda da tenso de

sada indicando qual diodo conduz em cada intervalo. f) A forma de onda

da tenso no diodo 2. g) a corrente eficaz nos diodos.

8. Repita o item e) do exerccio 7 considerando que a seq. de fase seja

BAC.

9. Repita os itens e) e f) do exerccio 7 supondo que o diodo da fase R

esteja aberto.

10. Quais as consequncias da insero de uma parcela indutiva na carga do

retificador da questo 7 ?

11.

Repita o ex. 9 considerando a presena de uma parcela indutiva nacarga.

12. Construa o digrama fasorial de um sistema trifsico com sequncia de

fases RST, indicando corretamente os 3 fasores das tenses FN e os dois

conjuntos trifsicos das tenses FF. Observe a defasagem de +30 e -30

entre os fasores FF dos conjuntos 1 e 2 e os fasores FN,

respectivamente. Em seguir anote em separado a sequncia dos fasores FF

obtida.

13. Repita o exerccio 7 para um retificador trifsico de onda completa no

controlado.

14. Repita o item e) do exerccio 7 considerando que a seqncia de fase

seja BAC e o retificador seja trifsico de onda completa.


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15. Qual a vantagem dos retificadores controlados ? De que forma a tenso

mdia na carga pode ser ajustada?

16. Qual o circuito equivalente da armadura de um motor CC ?

17. Um retificador monofsico controlado de onda, alimenta um motor CC

com excitao separada, girando a velocidade constante de 1300RPM, a

partir de uma tenso de alimentao de 127V/60Hz. Sabendo-se que af.c.e.m. interna do motor nesta velocidade 108V, que a indutncia e a

resistncia do circuito de armadura so respectivamente 6mH e 1,determine a tenso e corrente mdia de sada do retificador para um

ngulo de disparo de 80o. Determine tambm o regime de conduo do

retificador. Resp.: cos= 0.4; a=0.6; 178o; Vomed = 112.2V; Iomed =

4.2A; conduo descontnua.

8.3LISTA 3:RETIFICADORES (PARTE2)

1. Desenhe o diagrama de um retificador monofsico de onda completa em

ponte totalmente controlada, alimentando um motor de corrente contnua

com excitao independente de campo (carga RLE). Desenhe as formas de

onda da tenso na carga para os regimes de conduo contnuo e

descontnuo: para o regime contnuo considere =30, 60, 90 e 120.Para o regime descontnuo considere =120 e um ngulo de extinoarbitrrio. Acompanhando passo a passo o funcionamento do circuito,

marque nas formas de onda os semicondutores que conduzem em cada

intervalo.

2. A partir de uma fonte CA de 220Vrms/60Hz, um retificador monofsico em

ponte totalmente controlada alimenta um MCC cujos dados so:

resistncia do enrolamento da armadura: 1,5; indutncia do enrolamentoda armadura: 20mH; fora eletromotriz interna a 3000RPM: 125V. Sabendo-

se que nesta situao o ngulo de disparo do retificador 30,

determine o regime de conduo e calcule a tenso e a corrente mdia

sobre o motor. Resp.: a=0.4; cos=0.2; 221, cond. contnua,

Vomed=171.5V, Iomed=31A.

3. Idem ao exerccio 1 incluindo um diodo de roda livre. Fazer apenas para

=60 em ambos os regimes. Qual a funo do diodo de roda livre ?

4. Cite as principais caractersticas dos retificadores monofsicos em

ponte mista simtrica e assimtrica. Explique o fenmeno de onda

(Half Waving).5. Desenhe o diagrama de um retificador monofsico de onda completa em

ponte mista simtrica, alimentando um motor de corrente contnua com

excitao independente de campo (carga RLE). Desenhe as formas de onda

da tenso e corrente na carga para os regimes de conduo contnuo e

descontnuo (assuma ngulos de disparo e extino arbitrrios, mas

coerentes com cada regime). Acompanhando passo a passo o funcionamento

do circuito, marque nas formas de onda os semicondutores que conduzem

em cada intervalo.

6. Idem ao exerccio 5 porm considerando uma ponte mista assimtrica.

7. Desenhe o diagrama de um retificador trifsico onda, controlado,

alimentando um motor de corrente contnua com excitao independente decampo (carga RLE). Desenhe as formas de onda da tenso na carga para os


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regimes de conduo contnuo e descontnuo: para o regime contnuo

desenhe as formas de onda para ngulos de disparo de 0, 30, 60, 90,

120 e 150. Para o regime descontnuo assuma um ngulo de disparo de

90 e escolha um ngulo de extino. Acompanhado passo a passo o

funcionamento do circuito, marque nas formas de onda os semicondutores

que conduzem em cada intervalo.

8. Um retificador trifsico de onda alimenta um motor de corrente

contnua cujos dados so: R=0,5 L=3,03mH e E=186,6V (na velocidadede rotao considerada). Desenhe o diagrama do circuito. Sabendo-se que

a rede monofsica de 380VFF/60Hz, e o ngulo de disparo igual a 60o,

determine primeiramente o regime de conduo. Em seguida, determine a

tenso e a corrente mdia na carga. Resp: a=0.6, cos=0.4, '=90,

173, cond. descontnua, Vomed=204.9V, Iomed=36.6A.

9. Desenhe o diagrama do retificador 3de onda completa, com carga RLE.Desenhe as formas de onda de tenso na carga para conduo contnua com

ngulos de disparo de 0, 30, 120, e 150. Acompanhando passo a passo

o funcionamento do circuito, indique os semicondutores que conduzem emcada intervalo.

10. Desenhe as formas de onda da tenso na carga de um retificador 3emponte mista, considerando: a) < 60 (p.ex.: =30) b) > 60 (p.ex.:=90).

11. Como um retificador controlado pode operar como inversor, isto , fazer

com que a energia flua do lado CC para o lado CA ? O que significa

inversor "no-autnomo" ?

12. Que tipos de retificadores no podem ser utilizados no modo inversor ?

13. Cite algumas aplicaes do modo inversor dos retificadores.

14. Explique os quadrantes de operao do conversor dual, indicando tambm

a faixa de ngulos de disparo de cada retificador em cada quadrante.

15. Cite aplicaes para os retificadores controlados e indique um critrio

de escolha do tipo de retificador de acordo com a aplicao.

IXANEXOS:GABARITOS PARA EXECUO DOS EXERCCIOS


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CEFET-MG Prof. Rubens M. Santos Filho [email protected]


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