pce – projeto de conversores estáticos aula 2 · retificadores com filtro capacitivo ......
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PCE – Projeto de Conversores Estáticos
Aula 2
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
● Introdução
● Estágio de entrada
● Retificadores com filtro capacitivo
● Monofásico convencional
● Monofásico dobrador
● Circuitos de pré carga
● Qualidade de energia
Tópicos
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
Introdução
● Eletrônica de potência: trata do processamento de energia elétrica através de conversores estáticos.
● Ciência aplicada, multidisciplinar, envolve controle, isolação galvânica, eletromagnetismo (projetos de indutores transformadores, EMI), dimensionamento térmico, circuitos eletrônicos.
Diversas áreas de aplicação: fontes, inversores, retificadores, reguladores, filtros ativos, iluminação, geração de energia...
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
Introdução
● Projetos de conversores estáticos
● Foco da disciplina em: conversores isolados c.c.-c.c.
● Aplicações típicas: fontes de alimentação, carregadores inteligentes, iluminação com led, etc.
● Necessidade de isolação por questões de segurança, a isolação básica para 184 < Vin < 354 é de 1,5kV RMS.
●
●
●
● UL1950, VDE0805 (EN60950, IEC950), and CSA C22.2, No. 950-95
● Transformador pode ainda ser usado para adaptar grande diferença entre tensões de entrada e saída.
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
Introdução
● Estrutura típica de fontes de alimentação não-chaveadas monofásicas
● Características negativas:
● Transformador em baixa frequência, volume, peso, custo
● Regulador linear: perdas elevadas, eficiência baixa, volume de dissipadores considerável.
● Dificuldade de operação com tensão universal
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
Introdução
● Possível alternativa para estrutura típica, com regulador chaveado
● Possibilidade de substituir o regulador linear por regulador chaveado (Buck, boost, buck-boost)
Características:
● Conversor isolado, eficiência alta, robustez elevada.
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
Introdução
● Estrutura típica de fontes de alimentação monofásicas chaveadas
● Características principais
● Volume do transformador reduzido pela frequência de operação.
● Capacitor do barramento e retificador devem suportar tensão da rede comercial.
● Possibilidade de atender aos valores universais de tensão.
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RETIFICADOR
ESTÁGIO DE ENTRADA
● Retificador meia-onda: apresenta circulação de corrente c.c. (nível médio) na entrada. Seu uso deve ser evitado, limite de circulação de corrente c.c. em transformadores de distribuição é de 0,5%.
● Retificador de onda completa:
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RETIFICADOR
OPERAÇÃO EM REGIME PERMANENTE
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RETIFICADOR
OPERAÇÃO DURANTE TRANSITÓRIO DE PARTIDA
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
RETIFICADOR
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00Tim e [m s ]
-375.00
-250.00
-125.00
0.00
125.00
250.00
375.00
Y1
[V]
-20.00
5.00
30.00
55.00
80.00
105.00
123.86
E1
.I [A
]
Simplorer1E1 Probe 0 ANSOFT
Curve Info Y Axis
E1.ITR E1.I
E1.VTR Y1
C1.VTR Y1
Transitório de carga com pequena ondulação de tensão.
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
RETIFICADOR
Transitório de carga com circuito de pré-carga
0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 125.00 150.00 175.00 200.00Tim e [m s ]
-375.00
-250.00
-125.00
0.00
125.00
250.00
375.00
Y1
[V]
-15.00
-10.00
-5.00
0.00
5.00
10.00
15.00
E1
.I [A
]
Simplorer1E1 Probe 0 ANSOFT
Curve Info Y Axis
E1.ITR E1.I
E1.VTR Y1
C1.VTR Y1
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
RETIFICADOR
Transitório de carga com circuito de pré-carga
0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 125.00 150.00 175.00 200.00Tim e [m s ]
-375.00
-250.00
-125.00
0.00
125.00
250.00
375.00
Y1
[V]
-15.00
-10.00
-5.00
0.00
5.00
10.00
15.00
E1
.I [A
]
Simplorer1E1 Probe 0 ANSOFT
Curve Info Y Axis
E1.ITR E1.I
E1.VTR Y1
C1.VTR Y1
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
RETIFICADOR
circuitos de pré-carga
Circuito com NTC
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
RETIFICADOR
I p=Vin pR
● A corrente de pico deve ser limitada para não danificar os diodos e o próprio capacitor.
● O resistor deve ser curto-circuitado, no momento adequado. Atenção com o segundo pico de corrente, que ocorre ao curto-circuitar o resistor.
0.33 25.00 50.00 75.00 100.00 125.00 150.00 175.00 189.01Tim e [m s]
-335.97
-250.00
-125.00
0.00
125.00
250.00
371.57
Y1
[V]
-60.00
-50.00
-40.00
-30.00
-20.00
-10.00
-0.00
10.00
19.59
E1
.I [A
]
Simplorer1E1 Probe 0 ANSOFT
Curve Info Y Axis
E1.ITR E1.I
E1.VTR Y1
C1.VTR Y1
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
RETIFICADOR
0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00Time [ms]
-375.00
-250.00
-125.00
0.00
125.00
250.00
375.00
Y1
[V]
-15.00
-10.00
-5.00
-0.00
5.00
10.00
15.00
E1
.I [A
]
Simplorer1E1 Probe 0 ANSOFT
Curve Info Y Axis
E1.ITR E1.I
E1.VTR Y1
C1.VTR Y1
● Além disso, a carga só deve ser conectada após a “retirada” do resistor de pré-carga do circuito.
● Outros componentes que auxiliam na redução da corrente de pré-carga (in-rush current): impedância da rede/transformador, resistência série do capacitor.
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RETIFICADOR
● Qualidade de energia
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00Spectrum [Hz]
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
ma
g(E
1.I)
[A]
Simplorer1XY Plot 8 ANSOFT
Curve Info
mag(E1.I)TR
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RETIFICADOR
● Retificador dobrador
● Utilizado para manter aproximadamente a mesma tensão de barramento com tensões de 110V e 220V na entrada.
● Necessita de realização de conexão de ponto médio do barramento à fonte de entrada.
Fonte: curso de fontes chaveadas – INEP, I. Barbi, A.F. De Souza
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RETIFICADOR
● Tensão de saída média sofre pequena redução em comparação com operação normal.
● Durante esse modo de operação apenas 2 diodos são usados, porém a ondulação de tensão em cada capacitor é maior (2 retificadores de meia onda).
Fonte: curso de fontes chaveadas – INEP, I. Barbi, A.F. De Souza
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RETIFICADOR
Fonte: curso de fontes chaveadas – INEP, I. Barbi, A.F. De Souza
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RETIFICADOR
Cabe salientar que em diversas aplicações o conversor permite operação com tensão de entrada universal, não sendo necessário o uso de dobradores de tensão.
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RETIFICADOR
Fonte: curso de fontes chaveadas – INEP, I. Barbi, A.F. De Souza
Cálculo:
BARBI , Ivo. Projeto de Fontes Chaveadas, pgs 7-55Barbi, I. (2006), Eletrônica de Potência, 6 ed., Edição do Autor, pgs 247-269
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RETIFICADOR
Exercício:
1) Projetar o estágio de entrada de uma fonte chaveada (retificador com filtro capacitivo) para atender as seguintes especificações:
Tensão de entrada nominal: 220VPotência: 250 WOndulação da tensão e saída 10% do valor médio.
2) Realizar simulação numérica e obter:a) Corrente eficaz no capacitorb) Corrente média nos diodos
3) Realizar a escolha dos componentes reais
4) Calcular perdas nos diodos e no(s) capacitor(es).
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PCE – Projeto de Conversores Estáticos
Revisão sobre retificadores:Comutação em retificadores
Este material foi elaborado com informações e algumas figuras obtidas
na referência [1]
(rev 5: 27/2/015)
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● Complementar informação sobre o funcionamento de retificadores
● Introduzir fenômenos de comutação
● Consolidar o conhecimento sobre a operação de diodos
Objetivos
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Fenômeno da comutação
● É comum a presença de indutância parasita na entrada de
retificadores (dispersão de transformadores, cabos).
● Se a indutância estiver em série com os diodos do retificador, esta
pode provocar uma redução no valor médio da tensão de saída devido
ao fenômeno da comutação (além da queda de tensão do próprio
indutor).
● O fenômeno está baseado no fato de que a variação de corrente em
uma indutância não é instantânea.
● Elementos parasitas são considerados à medida que a compreensão
de fenômenos importantes se faz necessária, níveis diferentes de
idealização são usados para aproximar da realidade a representação de
interesse.
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Fenômeno da comutação
Durante esta etapa o diodo D1
está conduzindo a corrente de
carga I. Esta etapa termina
quando o diodo D2 entra em
condução.
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Fenômeno da comutação
Esta etapa inicia quando a
amplitude da tensão V2 se
iguala à V1, colocando em
condução o diodo D2.
O indutor Lc impede a
anulação instantânea da
corrente, assim os diodos D1 e
D2 conduzem simultaneamente
iD1(ω t)+iD2(ω t)=I (ω t )
μIntervalo de tempo:
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Fenômeno da comutação
Esta etapa inicia com o
bloqueio do diodo D1
Durante este intervalo de
tempo o diodo D2 conduz toda
a corrente de carga I.
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Fenômeno da comutação
−v1(ω t)+vLC+vL(ω t )=0
v1(ω t )=Lcd i1(ω t)dt
+vL(ω t)
v2(ω t)=Lcd i2(ω t)dt
+vL(ω t)
d i1(ω t )dt
=v1(ω t )−vL(ω t)
Lc
d i2(ω t)dt
=v2(ω t )−vL(ω t)
Lc
Qual o impacto causado pela
comutação na tensão da carga?
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Fenômeno da comutação
i1(ω t)+i2(ω t)=I (ω t )
d i1(ω t )dt
+d i2(ω t )dt
=d I (ω t)dt
d I (ω t)dt
=v1(ω t )−v L(ω t)
Lc+v2(ω t)−vL(ω t)
Lc
d I (ω t)dt
=0
vL(ω t )=v1(ω t)+v2(ω t)
2
Tensão instantânea na carga
durante o intervalo de comutação
Fonte: [1]
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Fenômeno da comutação
vLc(ω t)=Lcd i2(ω t)dt
A tensão média na carga sofre uma redução, dada por:
V Lc=m2π
∫0
Iω Lc di2
V Lc=m⋅ω⋅LC⋅I
2π
A queda de tensão é proporcional à:
● Corrente média na carga
● Indutância
● Número de pulsos deste tipo de retificador (m)
● Frequência angular (ω)
Fonte: [1]
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Fenômeno da comutação
Cálculo da duração do intervalo (ver Barbi, I. “Eletrônica de Potência”,
pg 123.)
μ=arccos (1−2ω⋅LC⋅I
√3⋅√2⋅Vo)
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Fenômeno da comutação
Exercício:
Seja um retificador trifásico com ponto médio com os seguintes
parâmetros.
Vinef=220VI=15 ALC=5mHfr=60Hz
a) Calcule a queda de tensão média provocada pela presença das
indutâncias.
b) Determine a duração da comutação
V L=m⋅ω⋅LC⋅I
2πμ=arccos (1−
2ω⋅LC⋅I
√3⋅√2⋅Vo)
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Fenômeno da comutação
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Fenômeno da comutação
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Fenômeno da comutação
Comutação no retificador ponte de Graetz
O retificador por ser considerado como uma associação
série de 2 retificadores de 3 pulsos.
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Fenômeno da comutação
A duração da comutação tem o mesmo valor do caso do
retificador 3 pulsos, portanto a equação abaixo é válida.
μ=arccos (1−2ω⋅LC⋅I
√3⋅√2⋅Vo)
A queda de tensão média ocorre tanto no grupo superior quanto no
grupo inferior.
Equação válida:
V Lc=3⋅ω⋅LC⋅I
π
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Fenômeno da comutação
Exemplo
Seja um retificador trifásico ponte de Graetz com os seguintes
parâmetros.
Vinef=220VI=15 ALC=5mHfr=60Hz
Resposta:V LC=27V
μ=26,5o
Portanto, o valor médio da queda do retificador em ponte
de Graetz tem o dobro do valor do retificador com ponto
médio.
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Atividades e comentários finais
Leitura sobre projeto de retificador com filtro capacitivo, incluindo
dobrador (Livro texto: projeto de fontes chaveadas) + capítulo sobre
comutação do livro “Eletrônica de Potência”, Ivo Barbi.
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Referência bibliográfica
[1] Barbi, I. “Eletrônica de Potência”, 6 ed. Edição do autor,
Florianópolis.
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