aula01 - retificadores

65
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA CONVERSORES CA-CC

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Page 1: Aula01 - Retificadores

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

CONVERSORES CA-CC

Page 2: Aula01 - Retificadores

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.

Page 3: Aula01 - Retificadores

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Retificador Monofásico de Meia Onda com Carga Resistiva

Page 4: Aula01 - Retificadores

4

Retificador Monofásico de Meia Onda com Carga Resistiva

Page 5: Aula01 - Retificadores

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Retificador Monofásico de Meia Onda com Carga Indutiva

Page 6: Aula01 - Retificadores

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Retificador Monofásico de Meia Onda com Carga Indutiva

Page 7: Aula01 - Retificadores

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Retificador Monofásico de Meia Onda com Carga Indutiva

Page 8: Aula01 - Retificadores

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Retificador Monofásico de Meia Onda com Carga Indutiva

Page 9: Aula01 - Retificadores

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Retificador Monofásico de Meia Onda com Carga Indutiva

Page 10: Aula01 - Retificadores

10

Retificador Monofásico de Meia Onda com Carga Indutiva

Page 11: Aula01 - Retificadores

11

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

Page 12: Aula01 - Retificadores

12

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

Page 13: Aula01 - Retificadores

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

Page 14: Aula01 - Retificadores

14

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

Page 15: Aula01 - Retificadores

15

Uso do Transformador em Retificadores

Page 16: Aula01 - Retificadores

16

Uso do Transformador em Retificadores

Page 17: Aula01 - Retificadores

17

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

Page 18: Aula01 - Retificadores

18

Retificador Monofásico de Onda Completa com Tap Central

Page 19: Aula01 - Retificadores

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Retificador Monofásico de Onda Completa com Tap Central

Page 20: Aula01 - Retificadores

20

Retificador Monofásico de Onda Completa com Tap Central

Page 21: Aula01 - Retificadores

21

Retificador Monofásico de Onda Completa com Tap Central, Carga RL

Page 22: Aula01 - Retificadores

22

Retificador Monofásico de Onda Completa com Tap Central

Page 23: Aula01 - Retificadores

23

Retificador Monofásico de Onda Completa com Tap Central

Page 24: Aula01 - Retificadores

24

Retificador Monofásico de Onda Completa com Tap Central

Page 25: Aula01 - Retificadores

25

Retificador Monofásico de Onda Completa com Tap Central

Page 26: Aula01 - Retificadores

26

Retificador Monofásico de Onda Completa em Ponte, Carga R

Page 27: Aula01 - Retificadores

27

- 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 R

Page 28: Aula01 - Retificadores

28

Retificador Monofásico de Onda Completa em Ponte, Carga I

Page 29: Aula01 - Retificadores

29

Retificador Monofásico de Onda Completa em Ponte, Carga R

Page 30: Aula01 - Retificadores

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

ca

P

P

Page 31: Aula01 - Retificadores

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

• O fator de forma:

• Fator de ripple:

• Fator de utilização do transformador:

2 2

rmsca medioV V V

rms

medio

VFF

V

2

21 1rms

medio

VRF FF

V

ca

medio

VRF

V

medio

s s

PTUF

V I

Parâmetros de avaliação de desempenho de retificadores

Page 32: Aula01 - Retificadores

Revisão dos conceitos de Potência Ativa e Potência

ReativaSistema Monofásico

Page 33: Aula01 - Retificadores

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(

n

nn

2n

2nn B

Aarctg e BAC

0

00 )(cosn

nn CtnCtf

Onde:

Cn= Amplitude da n-ésima harmônica

fn = âgulo de fase da n-ésima harmônica

Page 34: Aula01 - Retificadores

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

2

0n

2

0n

2

00

)t(tdnsen)t(f1

b

)td(tncos)t(f1

a

)t(d)t(f2

1A

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.

Page 35: Aula01 - Retificadores

Onda Quadrada - Representação Gráfica

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

3 5( ) 51

1 3 5

sen t sen t sen tv t

Page 36: Aula01 - Retificadores

Definições de Potência Ativa e Potência Reativa

( ) 2. .sin( )

( ) 2. .sin( )

a

a

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:

Page 37: Aula01 - Retificadores

E quando houver harmônicos na rede elétrica?

cosSP

potência de Fator

jQPIVScomplexa Potência *:..

T

T

dtiT

I

dttvT

V

0

2

0

2

1

)(1

P

Imaginário

Real

S jQ

Page 38: Aula01 - Retificadores

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

12

1 12

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

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

a mm

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:

Page 39: Aula01 - Retificadores

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

Generalizando temos:

1

1

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

cos( )

sin( )

k k kk

k k kk

p t P t Q t H

P V I

Q V I

Onde:

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

Page 40: Aula01 - Retificadores

Influência dos harmônicos:Influência dos harmônicos:

Definições importantesDefinições importantes

21

2

2

I

ITHD n

n

i

1

2

0

21Idti

TIRMS

n

T

n

rms

max

I

Icrista de Fator

Page 41: Aula01 - Retificadores

Considerando a presença de harmônicos apenas

na corrente de carga, temos:

potência de fator pf

todeslocamen de potência de fator dpf

onde

)THD(1

dpfcos

II

SP

fp

cos dpf

I.V aparente Potência

cos.I.Vativa Potência

2i

11

1

1

111

Page 42: Aula01 - Retificadores

PQ

HS

Tetraedro de Potência: Potência Harmônica

Page 43: Aula01 - Retificadores

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

5

10

15

v t( ) i t( )

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?

Page 44: Aula01 - Retificadores

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

Page 45: Aula01 - Retificadores

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

Page 46: Aula01 - Retificadores

Vdc 0 V1 1 V2 0 V3 0

Idc 0 I1 0 I2 1 I3 1

0 0.01 0.02 0.032

1

0

1

2

v t( ) i t( )

t

Vdc 0 V1 0 V2 1 V3 0

Idc 0 I1 0 I2 1 I3 0

0 0.01 0.02 0.030

0.2

0.4

0.6

0.8

1

v t( ) i t( )

t

Page 47: Aula01 - Retificadores

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

P

2 0

2

tv t( ) i t( )

d 2.5

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( )

P

2 0

2

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

d 2.5

Page 48: Aula01 - Retificadores

Cálculo do Fator de Potência

Vef

2 0

2

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

d 1.581Vdc

2 V12

2

V22

2

V32

2 1.581

Ief

2 0

2

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

d 1.581Idc

2 I12

2

I22

2

I32

2 1.581

S Vef Ief 2.5

FPP

S1

Page 49: Aula01 - Retificadores

110V

220V

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

Page 50: Aula01 - Retificadores

50

Retificador Trifásico de Meia Onda, Carga R

Page 51: Aula01 - Retificadores

51

Retificador Trifásico de Meia Onda, Carga R

Page 52: Aula01 - Retificadores

Retificador Trifásico de Meia Onda, Carga R

Page 53: Aula01 - Retificadores

Retificador Trifásico de Meia Onda, Carga R

Page 54: Aula01 - Retificadores

54

Retificador Trifásico de Onda Completa, Carga R

Page 55: Aula01 - Retificadores

55

Retificador Trifásico de Onda Completa, Carga R

Page 56: Aula01 - Retificadores

56

Retificador Trifásico de Onda Completa, Carga R

Page 57: Aula01 - Retificadores

57

Retificador Trifásico de Onda Completa, Carga R

Page 58: Aula01 - Retificadores

58

Retificador Trifásico de Onda Completa, Carga R

Page 59: Aula01 - Retificadores

Silicon Controled Rectifier (SCR)gatilho

Anodo

n-

p

14cm

-3

catodo

1019

cm-3

n+

p

p+ 1019

cm-3

1017

cm-3

1017

-5 x 10

1017

cm-3

30-50

1019

cm-3

n+ 10 m

30 - 100

50 - 1000

30-50 Anodo

gatilho

catodo

(a)(b)

m

m

m

m

p n

+

-

p

n +

Anodo

Catodo

Gatilho

J1

J2

J3

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

em estado sólido• É um dispositivo de quatro camadas

Page 60: Aula01 - Retificadores

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;

Page 61: Aula01 - Retificadores

Silicon Controled Rectifier (SCR)

• 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.

Page 62: Aula01 - Retificadores

Silicon Controled Rectifier (SCR)

• 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.

Page 63: Aula01 - Retificadores

Silicon Controled Rectifier (SCR)

Características dinâmicas na entrada em condução

Page 64: Aula01 - Retificadores

Silicon Controled Rectifier (SCR)

Características dinâmicas na saída de condução

Page 65: Aula01 - Retificadores

Retificadores Controlados

• Monofásicos– Carga RLE

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