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11/03/2020 Eletrônica de Potência 1

Aula 4: Retificadores a Diodos

Prof. Allan Fagner Cupertino

211/03/2020 Prof. Allan Fagner Cupertino

Conteúdo


Sumário

❑ Parâmetros de desempenho;

❑ Retificadores Monofásicos;

❑ Retificadores Polifásicos;

❑ Considerações práticas

❑ Retificadores a diodos para inversores de média tensão.

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Parâmetros de Desempenho

5Prof. Allan Fagner Cupertino

Introdução

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❑ Um retificador é um conversor estático que converte um sinal CA em CC, ou seja,

é um conversor CA-CC;

❑ Dependendo do tipo de alimentação de entrada, os retificadores são classificados

em:

• Retificadores monofásicos

• Retificadores trifásicos.

Rik W. De Doncker, “Electric Drives and Batteries for Plug-in Hybrid and Electric Vehicles”


Parâmetros de desempenho

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❑ O desempenho de um retificador é normalmente avaliado em termos dos

seguintes parâmetros:

• O valor médio da tensão de saída (da carga), 𝑉CC

• O valor médio da corrente de saída (da carga), 𝐼CC

• A potência CC de saída:

• O valor eficaz (rms) da tensão de saída, 𝑉rms

• O valor eficaz (rms) da corrente de saída, 𝐼rms

• A potência CA de saída



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• A eficiência (ou razão de retificação) de um retificador, que é uma figura de mérito

e nos permite comparar a eficácia, é definida como:

• O valor eficaz (rms) da componente CA da tensão de saída é:

• O fator de forma, que é uma medida da forma da tensão de saída, é:



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• O fator de ondulação ou fator de ripple, que é uma medida do conteúdo de

ondulação, é definido como:

• O fator de ondulação pode ser expresso como:

• O fator de utilização do transformador é definido como:



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• O fator de potência pode ser indicado como:

• O fator de crista, muitas vezes, é de interesse para especificar as capacidades de

corrente dos dispositivos e componentes.

• O fator de crista da corrente de entrada é definido como a relação entre os valores

máximo e eficaz dessa corrente:


Retificadores monofásicos


Retificador monofásico de meia onda

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❑ Utiliza um único diodo

❑ Efeito de carga indutiva pode ser eliminado por meio de um diodo de roda livre


Retificadores monofásicos de onda completa

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❑ Retificador de onda completa com derivação central

❑ Determinar:

• Razão de retificação

• FF

• FR

• FUT



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❑ Retificador de onda completa em ponte



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❑ Comparação


Retificadores monofásicos de onda completa – Carga RL

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❑ 2 condições de operação:

• Modo Contínuo



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❑ 2 condições de operação:

• Modo Descontínuo



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❑ Se a carga é fortemente indutiva

• a corrente de carga permanecerá quase constante;

• a corrente de entrada será como uma onda quadrada;

❑ O fator de deslocamento é definido como:

❑ Já o fator harmônico da corrente de entrada é determinado como:

❑ O fator de potência de entrada é


Efeito da recuperação reversa

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❑ Importante para circuitos retificadores de alta frequência


Efeito da recuperação reversa

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❑ Estimar a redução na tensão de saída do retificador para 𝑡𝑟𝑟 = 50 𝜇𝑠 e:

• 𝑓𝑛 = 60 Hz

• 𝑓𝑛 = 2 kHz


Retificadores Polifásicos


Retificadores polifásicos em estrela

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Retificadores trifásico - 6 pulsos

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Retificadores trifásico - 6 pulsos

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❑ Formas de onda e tempos

de condução dos diodos:


Retificadores trifásico - 6 pulsos: Carga altamente indutiva

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❑ A série de Fourier da corrente de entrada é dada por

❑ O valor rms da n-ésima harmônica da corrente de entrada é dado por

❑ O valor rms da componente fundamental da corrente é


Retificadores trifásico - 6 pulsos: Carga altamente indutiva

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❑ Determinar:

• Razão de retificação

• FF

• FR

• FUT


Comparação

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Tipos de filtros para retificadores

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❑ Filtro CC

❑ Filtro CA


Tensão de saída com filtro LC

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Efeito das indutâncias da fonte e da carga

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Redução da tensão média

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❑ A tensão sobre 𝐿2 é

❑ Assumindo um aumento linear da corrente i de 0 até 𝐼𝐶𝐶 :

❑ A redução da tensão média por conta das indutâncias de comutação é de


Considerações práticas


Escolha dos componentes de um circuito retificador

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❑ Diodos: Como escolher?

❑ Capacitores: Como projetar o valor da capacitância? Qual tecnologia de capacitor

utilizar?

❑ Indutores: Como projetar o valor da indutância? Qual tecnologia de capacitor

utilizar?



Escolha dos diodos

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❑ A função do circuito define o tipo de diodo a ser utilizado:

• Em aplicações de retificação lenta (60 Hz), os diodos devem ser otimizados para

reduzir perdas de condução (visto que as perdas de comutação serão desprezíveis);

• Em aplicações de retificação altas frequências maiores, o efeito da recuperação

reversa pode ser importante e diodos rápidos (otimizados para comutação) devem

ser considerados;

❑ Na maioria das vezes, mais de um part number deve ser analisado!



Escolha dos diodos

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❑ Tensão de bloqueio: é recomendado que o estresse máximo de tensão do diodo

não supere 60 % da sua capacidade de bloqueio nominal;

❑ Corrente: A corrente eficaz, a corrente média e a corrente de pico nos diodos são

variáveis importantes para a escolha da capacidade de corrente no diodo;

❑ O projeto térmico (dissipador) tem um papel importante na seleção da corrente

dos diodos;

❑ Diodo deve suportar o pico de corrente no processo de carga do barramento cc!



Capacitores e indutores

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❑ A capacitância é calculada de acordo com a ondulação de tensão máxima

admissível no projeto do retificador;

❑ A indutância é calculada de acordo com a ondulação de corrente máxima

admissível;

❑ A indutância também ajuda na redução da distorção de corrente na rede elétrica;

❑ O projeto depende da topologia!!!



Capacitores

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https://vbn.aau.dk/ws/portalfiles/portal/243654015/IECON_2016_Cap_HW.pdf



Tecnologias de Capacitores

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Capacitores: Comportamento elétrico

11/03/2020

Capacitores:

❑ Efeito indutivo limita a utilização do capacitor;

❑ ESR é a mínima impedância do capacitor (Por quê?);

❑ Os pinos dos capacitores tem uma grande influência na indutância do capacitor.


Efeito da frequência na impedância do capacitor

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Exemplo: Inversor de 100 kVA

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Tipos de capacitores

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❑ Os capacitores cerâmicos são capacitores de uso

geral, especialmente em Cis com tecnologia de

montagem em superfície. Destaca-se seu baixo

custo.

❑ O capacitor eletrolítico de alumínio é construídos

com placas embebidos em eletrólito líquido,

conectadas a terminais e selados em uma lata.

❑ Esses capacitores geralmente oferecem valores de

capacitância de 0,1 μF a 3 F e faixas de tensão de 5

V a 750 V.



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❑ Os capacitores CA de filme usam um filmede polipropileno metalizado.

❑ Oferecem capacitância com tolerânciapequena, correntes de fuga muito baixas epequena variação da capacitância com atemperatura.

❑ Possuem baixas perdas, onde uma resistênciasérie equivalente (ESR) e um fator dedissipação muito baixo: densidade decorrente relativamente alta.

❑ Combinação de alta capacitância e baixo FD,o que permite altas correntes CA.

Fonte: http://old.weg.net/br/Produtos-e-Servicos/Controls/Capacitores-e-Correcao-do-Fator-de-Potencia/Capacitores-de-Polipropileno



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❑ Os capacitores de tântalo sólido são dispositivos

polarizados (tensão reversa máxima de 1 V) com

terminais distintos, positivo e negativo, e são

oferecidos em vários estilos.

❑ Os valores típicos de capacitância são de 0,1 μF, a

1000 μF, e as faixas de tensão vão de 2 V a 50 V.

❑ Os supercapacitores oferecem valores

extremamente elevados de capacitância (farads) em

várias opções de encapsulamento que satisfazem as

exigências de perfil baixo, montagem de superfície

through hole e alta densidade.


Comparação das tecnologias mais utilizadas em EP

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Indutores

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❑ Indutores podem ser instalados do lado CA ou do lado CC do inversor;

❑ Indutores CC apresentam maior fluxo magnético e portanto utilizam

mais material magnético;

❑ Indutores CA apresentam menor volume e custo;

❑ Algumas vezes a própria indutância de dispersão do transformador

pode ser utilizada.


Exemplos de filtros indutivos

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Algumas realizações possíveis

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Alguns materiais

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Resistores de descarga (Bleeder resistors)

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❑ Resistores instalados em paralelo com o barramento CC para

descarregar o mesmo durante operações de manutenção;

❑ Devem apresentar resistência elevada para garantir baixas perdas em

regime permanente (crítico em sistemas de alta potência);

❑ Geralmente calculadas para descarregar o capacitor em alguns minutos

(1 a 5 minutos);

❑ Resistores de balanceamento podem ser utilizados quando a conexão

série de capacitores é necessária.


Corrente de inrush

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❑ Capacitor inicialmente descarregado:

comporta-se como um curto circuito;

❑ Alto pico de corrente na carga do capacitor;

❑ Pode-se escolher diodos que suportam o

pico da corrente de pré-carga;

❑ Contudo esta abordagem é prejudical para o

circuito que alimenta o retificador.


Estratégias de limitação da corrente de inrush

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❑ Abordagem usada em fontes chaveadas → Uso de termistores NTC


Estratégias de limitação da corrente de inrush

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❑ Abordagem em sistemas de alta potência → Resistores de pré-carga


Transitório com resistor de pré-carga

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Retificadores de média tensão


Retificador de 6 e 12 pulsos

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https://www.ee.co.za/article/medium-voltage-industrial-variable-speed-drives.html



Retificador de 18 pulsos

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Efeito do aumento do número de pulsos

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Exemplo de aplicação

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❑ Cascaded H-Bridge Converter (CHB) com transformador zig-zag

• Siemens Robicon perfect harmony

• Delta Electronics MVD 2000 series

A. Marzoughi, R. Burgos, D. Boroyevich and Y. Xue, "Design and Comparison of Cascaded H-Bridge, Modular Multilevel Converter, and 5-

L Active Neutral Point Clamped Topologies for Motor Drive Applications," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 54, no. 2, pp.

1404-1413, March-April 2018.


Exemplo de aplicação

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https://www.controldesign.com/articles/2016/peter-hammond-recalls-the-birth-of-the-medium-voltage-drive/



Robicon perfect harmony

11/03/2020




Allan Fagner Cupertino

[email protected]

Dúvidas?

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