retificadores de meia-onda cap. 3 - power electronics -...

Cap. 5Livro do Hart: pag 181-192

Controladores de Tensão AC

Conversores ac-ac

Cap. 5 - Controladores de Tensão AC

Conversores ac-ac

5.1 – Introdução5.2 – Controlador de Tensão CA Monofásico

- Funcionamento básico- Controlador monofásico com carga resistiva- Controlador monofásico com carga RL- Simulação com o Pspice para o controlador de tensão CA monofásico

5.3 – Controladores de Tensão Trifásicos- Conexão de carga resistiva em Y- Carga RL conectada em Y- Carga resistiva conectada em triângulo

5.4 – Controle de Rotação de Motor de Indução5.5 – Controle Estático Var

Controladores de Tensão AC

Conversores Ac-Ac

Tipos de controle AC-AC

Controle do ângulo de condução em cada cíclo

Controle do número de ciclos completos

Conversão AC-AC

Entrada AC: senoidal

Saída AC: não-senoidal

Controladores de Tensão AC

Conversores Ac-Ac

Controladores monofásicos

Controladores trifásicos

Controle de velocidade de motores de indução

Controle de VAR (volt-ampere reativo) estático

Controlador Monofásico

Utiliza:- 2 SCRs ou 1 TRIAC

2

mo,rms m

sin 2V1V V sin t d t 1

22

Tensão de saída RMS

Corrente de saída RMS

- Devido a simetria, o cálculo pode ser feito apenas para metade do ciclo.- A segunda metade possui o mesmo valor.

- Para , a tensão na carga é uma senoide.

Tensão RMS de saída (normalizada) vs Ângulo de disparo

• Para um ângulo de disparo de zero grausa tensão RMS é igual a da fonte.

• Para um ângulo de disparo de 90 grausobserva-se que a tensão RMS é maiordo que 50% da tensãoda fonte.

(função não linear)

Fator de Potência

para

Tensão RMS de saída

Tensão RMS de entrada

Corrente média em cada SCR

Corrente RMS em cada SCR

• Cada SCR conduz metade do ciclo de corrente da carga• Corrente RMS em cada SCR é de:

Amplitude dos harmônicos VS. ângulo de disparo

Corrente da fonte e da carga não sãosenoidais.

Distorção harmônica

Quanto maior o ângulo de disparo menor a amplitude da componente fundamental e

maior a quantidade de harmônicos.

Exemplo 5-1

Um controlador AC monofásico possui uma fonte de 60Hz com 120V rms. A resistência da carga é de 15 ohm. Determine:

(a) Ângulo de disparo (espera) necessário para enviar 500W para a carga.(b) Corrente RMS da fonte(c) Corrente RMS e média em cada SCR(d) Fator de potência(e) Distorção harmônica total (THD) da corrente na fonte

Fórmulas

Exemplo 5-1

(a) Ângulo de disparo (espera) necessário para enviar 500W para a carga.

Numericamente:

Exemplo 5-1

(b) Corrente RMS da fonte

(c) Corrente RMS e média em cada SCR

Exemplo 5-1

(d) Fator de potência

ou

Exemplo 5-1

(e) Distorção harmônica total (THD) da corrente na fonte

Precisamos calcular I1,rms

Métodos de cálculo

- Método gráfico: Calcular a corrente de base RMS e depois o primeiro harmônicoatravés do gráfico.

- Série de Fourier

Exemplo 5-1

(e) Distorção harmônica total (THD) da corrente na fonte

Corrente de base RMS

x

Valor da corrente se a tensão fosse senoidal

Valor da corrente rms

Controlador monofásico com carga R-L

Controlador monofásico com carga R-L

Análise das curvas:

Ponto 1- Parte do ciclo negativo chega atéa carga pois ainda há correntepassando e o SCR não entra emcorte.

1

Controlador monofásico com carga R-L

Análise das curvas:

Ponto 2 Ponto 1- Parte do ciclo positivo chega até a carga pois ainda há correntepassando e o SCR não entra emcorte.

2

Controlador monofásico com carga R-L

Análise das curvas:

Ponto 3- Um SCR não pode dispararenquanto o outro não interromperseu disparo.- Um SCR fica polarizadoreversamente enquanto o outro conduz

3

Controlador monofásico com carga R-L

Análise das curvas:

Ponto 4- Atraso de corrente devido aoindutor.

4

Controlador monofásico com carga R-L

Ângulo de disparo = αÂngulo de extinção = 𝛽Ângulo de condução =𝛽 − α

t /m

o

22 1

Vsin t sin e for t

Zi t

0 otherwise

Lwhere Z R L , and tan

R

A corrente na carga em cada semi-ciclo é igual ao

do retificador controlado de meia-onda

2o,rms o

1I i ( t)d( t)

Controlador Trifásico

Carga resistiva conectada em Y

Controlador Trifásico

Carga resistiva conectada em Y

Funcionamento dos 6 SCRs Ligam na sequência: 1-2-3-4-5-6 em

intervalos de 60 graus. Tensão na carga determinada pelos

SCRs ligados naquele instante.

Situações possíveis: 3 SCRs ligados ao mesmo tempo

- Tensão linha-neutro 2 SCRs ligados ao mesmo tempo

- Metade da tensão linha-linha Nenhum SCR ligado

van para ângulo de disparo 0 < α < 60°

Exemplo abaixo para α = 30°

van para 0 < α < 60°

Exemplo abaixo para α = 30°

Em wt=0- S5 e S6 conduzem- Não há corrente em RaLogo, Van = 0

Em wt=30- S1 recebe sinal no gate e dispara- S5 e S6 continuam ligadosVan = VAN

van para 0 < α < 60°

Exemplo abaixo para α = 30°

Em wt=60- Corrente em S5 chega em zero (desliga)- S1 e S6 conduzem- Van = VAB/2

van para 0 < α < 60°

Exemplo abaixo para α = 30°

Em wt=90- S2 liga- S1, S2 e S6 conduzem- Van = VAN

van para 0 < α < 60°

Exemplo abaixo para α = 30°

Em wt=120- S6 desliga- S1, S2 conduzem- Van = VAC/2

van para 0 < α < 60°

Exemplo abaixo para α = 30°

*Os SCRs variam entre 2 ou 3 em disparo** Para existir intervalos com os 3 SCRs ligados o ângulode disparo deve ser menor que 60 graus.

van para 0 < α < 60°

Exemplo abaixo para α = 30°

Tensões em cada fase

van para 0 < α < 60°

(ângulo de disparo)

(α = 30°)

Correntes em cada SCR

Observe o alto nível de distorção

van para 60° < α < 90°

(α = 75° abaixo)• Apenas 2 SCRs conduzem ao mesmotempo.

• 1 SCR sempre estádesligado

• Tensões na carga sãometade da tensãolinha-linha ou sãozero.

van para 90° < α < 150°

(α = 120° abaixo)

• Apenas 2 SCRs conduzem ao mesmotempo.

• Existem intervalos emque nenhum SCR estaligado.

van para 150° < α

• Não há intervalos de tempo em que o SCR estápolarizado diretamente enquanto um sinal é aplicado no gate.

• Tensão na carga é zero.

Tensão de saída (normalizada) VS. ângulo de disparo

Tensão RMS e potência transferida para a carga

Formulação analítica muito complexa!

Cálculo deve ser feito através de simulações

Carga RL conectada em Y no controlador trifásico

Formulação analítica muito complexa!Cálculo deve ser feito através de simulações

Corrente simulada em uma faseCircuito com ângulo de disparo de 75 graus, resistência 10 ohm, indutância 30mH, tensão

trifásica linha-linha de 480V

Exercício de simulação 5-4

Carga resistiva conectada em delta (triângulo)

Carga resistiva conectada em delta (triângulo)

Tensão no resistor Tensão linha-linha quando o SCR da fase está

ligado

• Ângulo de disparo em relação ao cruzamentocom o zero da tensão linha-linha

• SCRs ligados na sequência 1-2-3-4-5-6

• Correntes de linha determinadas pela soma de duas correntes do delta:

Correntes para pequenosângulos de condução

Correntes para grandesângulos de condução

Carga resistiva conectada em delta (triângulo)

Ângulo de condução e as correntes

Pequenos ângulos de condução Grandes ângulos de disparo Correntes no delta não se sobrepoem Corrente de linha RMS:

Carga resistiva conectada em delta (triângulo)

Ângulo de condução e as correntes

Grandes ângulos de condução Pequenos ângulos de disparo Correntes no delta se sobrepoem Corrente de linha RMS:

Depende do ângulo de disparo

Carga resistiva conectada em delta (triângulo)

Inserção de tiristores em cada fase.Em diversos casos não é possível.

Arranjo pouco utilizado

Controle de Velocidade de Motor de Indução

Motor de indução com rotor tipo gaiola de esquilo

Controle de velocidade- Tensão- Frequência

Controlador AC é adequado para:Motores e cargas de baixa potência. Pequeno tempo de operação em

baixa velocidade

- Baixa eficiência em baixas velocidades

Controle de Velocidade de Motor de Indução

Para o motor monofásico Para o motor trifásico

- Grande variação de torque e tensão para pequenas variações de velocidade

Controle de VAR (volt-ampere reativo) estático

- O controle do fator de potência de algumas cargas estáticas pode ser feito com um capacitor em paralelo.

- Se a carga não for estática, é possível controlar o fator de potência de forma dinâmica com o circuito abaixo.

Controlador AC de volt-ampere reativo