aula01 - retificadores

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

CONVERSORES CA-CC

Definição

• Também conhecidos como retificadores, são circuitos que permitem a transformação de um sinal ca de tensão em um sinal cc.

• Classificam-se em:– Isolados ou não isolados;– Monofásicos, trifásicos ou polifásicos;– Onda completa ou meia onda;– Controlados, semi-controlados ou totalmente

controlados;– Unidirecionais ou bidirecionais.

Retificador Monofásico de Meia Onda com Carga Resistiva

Retificador Monofásico de Meia Onda com Carga Indutiva

Retificador Monofásico de Meia Onda com Carga Indutiva e Diodo Roda Livre

Funções do Transformador:

- Adaptação da tensão da fonte;- Isolamento galvânico entre a rede e a carga.

Considerações de Análise:

- A corrente de carga é livre de harmônicas (indutância infinita);- O transformador possui relação de transformação unitária.

Uso do Transformador em Retificadores

Constata-se o mau aproveitamento do transformador.

Topologia restrita à utilização em baixas potências;

Principais vantagens: simplicidade e custo reduzido.

Uso do Transformador em Retificadores

Retificador Monofásico de Onda Completa com Tap Central

Retificador Monofásico de Onda Completa com Tap Central, Carga RL

Retificador Monofásico de Onda Completa com Tap Central

Retificador Monofásico de Onda Completa em Ponte, Carga R

- Para carga RL, tem-se as mesmas etapas de funcionamento válidas para carga R. As formas de onda da corrente e da tensão de carga são idênticas àquelas válidas para o retificador com ponto médio.

Retificador Monofásico de Onda Completa em Ponte, Carga I

Parâmetros de avaliação de desempenho de retificadores

• Valor médio da tensão de saída: Vmédio

• Valor médio da corrente de saída: Imédio

• Potência média de saída: Pmédio= Vmédio *Imédio

• Valor eficaz da tensão de saída: Vrms

• Valor eficaz da corrente de saída: Irms

• Potência CA de saída: Pca= Vrms* Irms

• Eficiência ou razão de retificação:medio

• Valor eficaz da componente alternada da tensão de saída é:

• O fator de forma:

• Fator de ripple:

• Fator de utilização do transformador:

rmsca medioV V V

21 1rms

VRF FF

Parâmetros de avaliação de desempenho de retificadores

Revisão dos conceitos de Potência Ativa e Potência

ReativaSistema Monofásico

Série de Fourier - RevisãoTeorema de Fourier: qualquer função periódica f(t) pode ser descrita por um termo constante mais uma série infinita de termos em seno e em co-seno:

t3senBt3cosAt3senBt3cosA

t2senBt2cosAtsinBtcosAAtf

03030303

020201010

0non0n )tsinnBtncosA(tf

nnonn tnCtsennBtnA 00 cos)cos(

Aarctg e BAC

00 )(cosn

nn CtnCtf

Cn= Amplitude da n-ésima harmônica

fn = âgulo de fase da n-ésima harmônica

Série de Fourier - RevisãoOs coeficientes da série são descritos por:

)t(tdnsen)t(f1

)td(tncos)t(f1

)t(d)t(f2

A análise de Fourier consiste:

– na determinação dos coeficientes A0, A1, ..., B1, B2, ...

– na decisão de quantos termos serão considerados na série infinita, de modo que a soma parcial represente a função com o menor erro possível.

Onda Quadrada - Representação Gráfica

Uma série infinita de harmônicas ímpares com amplitudes específicas resulta numa onda quadrada

3 5( ) 51

sen t sen t sen tv t

Definições de Potência Ativa e Potência Reativa

( ) 2. .sin( )

v t V t

i t I t

( ) ( ). ( ) 2 . .sin( ).sin( )

( ) . .cos( ). 1 cos(2 ) . .sin( ).sin(2 )a ap t v t i t V I t t

p t V I t V I t

A potência instantânea será dada por:

Considerando que:

Potência Ativa V.I.cos( )

Potência Reativa V.I.sin( )

( ) . 1 cos(2 ) .sin(2 )p t P t Q t

Define-se:

E quando houver harmônicos na rede elétrica?

potência de Fator

jQPIVScomplexa Potência *:..

Imaginário

Considerando a presença de harmônicos tanto na tensão quanto na corrente de carga, temos:

( ) 2. .sin( ) 2. .sin( )

a n nn

v t V t V m t

i t I t I n t

2n 2mnnnm

2m111m

2nnnn1

111111

t)nm(cost)nm(cosIV

t)1m(cost)1m(cosIV

t)1n(cost)1n(cosIV

)t2sin().sin(.I.V)t2cos(1).cos(.I.V)t(p

Considerando que:

A potência instantânea será dada por:

Considerando a presença de harmônicos tanto na tensão quanto na corrente de carga, temos:

Generalizando temos:

( ) . 1 cos(2 ) .sin(2 )

cos( )

sin( )

k k kk

p t P t Q t H

Tem-se portanto que apenas as componentes de mesma freqüência de tensão e corrente produzem potência útil.

Influência dos harmônicos:Influência dos harmônicos:

Definições importantesDefinições importantes

ITHD n

21Idti

Icrista de Fator

Considerando a presença de harmônicos apenas

na corrente de carga, temos:

potência de fator pf

todeslocamen de potência de fator dpf

)THD(1

dpfcos

cos dpf

I.V aparente Potência

cos.I.Vativa Potência

Tetraedro de Potência: Potência Harmônica

Exemplo

v t( ) Vdc V1 sin t( ) V2 sin 2 t( ) V3 sin 3 t( )

i t( ) Idc I1 sin t( ) I2 sin 2 t( ) I3 sin 3 t( )

0 0.02 0.04 0.060

v t( ) i t( )

Vdc 1 V1 1 V2 1 V3 1

Idc 1 I1 1 I2 1 I3 1

• Como calcular a potência ativa e o fator de potência para um sinal com harmônicas de tensão e corrente?

Vdc 1 V1 0 V2 0 V3 0

Idc 1 I1 0 I2 0 I3 0

Vdc 1 V1 0 V2 0 V3 0

Idc 0 I1 1 I2 0 I3 0

Vdc 1 V1 0 V2 0 V3 0

Idc 0 I1 0 I2 1 I3 0

Vdc 1 V1 0 V2 0 V3 0

Idc 0 I1 1 I2 1 I3 1

Vdc 0 V1 1 V2 0 V3 0

Idc 0 I1 1 I2 0 I3 0

Vdc 0 V1 1 V2 0 V3 0

Idc 0 I1 0 I2 1 I3 0

Vdc 0 V1 1 V2 0 V3 0

Idc 0 I1 0 I2 1 I3 0

Vdc 0 V1 1 V2 0 V3 0

Idc 0 I1 0 I2 0 I3 1

Vdc 0 V1 1 V2 0 V3 0

Idc 0 I1 0 I2 1 I3 1

0 0.01 0.02 0.032

v t( ) i t( )

Vdc 0 V1 0 V2 1 V3 0

Idc 0 I1 0 I2 1 I3 0

0 0.01 0.02 0.030

v t( ) i t( )

Vdc 1 V1 1 V2 1 V3 1

Idc 1 I1 1 I2 1 I3 1

v t( ) Vdc V1 sin t( ) V2 sin 2 t( ) V3 sin 3 t( )

i t( ) Idc I1 sin t( ) I2 sin 2 t( ) I3 sin 3 t( )

Cálculo da Potência Ativa

tv t( ) i t( )

v0 t( ) Vdc v1 t( ) V1 sin t( ) v2 t( ) V2 sin 2 t( ) v3 t( ) V3 sin 3 t( )

i0 t( ) Idc i1 t( ) I1 sin t( ) i2 t( ) I2 sin 2 t( ) i3 t( ) I3 sin 3 t( )

tv0 t( ) i0 t( ) v1 t( ) i1 t( ) v2 t( ) i2 t( ) v3 t( ) i3 t( )

Cálculo do Fator de Potência

tVdc V1 sin t( ) V2 sin 2 t( ) V3 sin 3 t( ) 2

d 1.581Vdc

2 1.581

tIdc I1 sin t( ) I2 sin 2 t( ) I3 sin 3 t( ) 2

d 1.581Idc

2 1.581

S Vef Ief 2.5

Circuito típico de entrada de fonte de alimentaçãoCircuito típico de entrada de fonte de alimentação

Corrente eficaz=0,66A

Fator de crista=2,6

THD=106%

fp=0,66

Retificador Trifásico de Meia Onda, Carga R

Retificador Trifásico de Onda Completa, Carga R

Silicon Controled Rectifier (SCR)gatilho

catodo

p+ 1019

-5 x 10

n+ 10 m

30 - 100

50 - 1000

30-50 Anodo

gatilho

catodo

(a)(b)

Catodo

Gatilho

• Também chamado de SCR;• Mais antigo dispositivo de potência

em estado sólido• É um dispositivo de quatro camadas

Silicon Controled Rectifier (SCR)

• Modos de disparo:– Corrente de Gatilho IGK;

• Corrente de Retenção (IL)

• Corrente de Manutenção (IH);

– Sobretemperatura;– Sobretensão;– Degrau de Tensão dv/dt;– Luz ou Radiação;

• Bloqueio ou comutação do SCR– Diodos e SCR’s somente bloqueiam quando

praticamente é extinta a corrente ânodo-cátodo e não por aplicação de tensão reversa;

– A corrente de ânodo deve ser reduzida abaixo da corrente de manutenção IH, durante um certo tempo tq;

– O tempo de desligamento = 50 - 100s para os SCR’s normais e 5 - 10s para os SCR’s rápidos.

• Comutação Natural– Quando a corrente IA for reduzida abaixo de IH pelo

comportamento natural do circuito (em circuitos ca, por ex.).

• Comutação Forçada– Usada principalmente em circuito cc, onde um

interruptor auxiliar desvia a corrente por um caminho de menor impedância.

Características dinâmicas na entrada em condução

Características dinâmicas na saída de condução

Retificadores Controlados

• Monofásicos– Carga RLE

• Descontínuo ;• Descontínuo >;• Descontínuo > e ->;• Contínuo <;• Contínuo >;

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