caderno global dos guias do lab de eletrônica de potência

8/3/2019 Caderno global dos guias do lab de eletrnica de potncia

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE

CENTRO DE ENGENHARIA ELTRICA E INFORMTICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA

CADERNO DOS GUIAS DOS

EXPERIMENTOS

DISCIPLINA: Laboratrio de Eletrnica de

Potncia

Campina GrandeMaro de 2009


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OBJETIVOS:1. Estudar as caractersticas de operao do conversor cc-cc abaixador usando a clula bsica

de comutao;2. Familiarizar-se com o princpio de simulao usando o ambiente PSpice;3. Identificar os harmnicos gerados para a carga e para a fonte pelo conversor;4. Estudar o princpio de gerao de sinal de comando de interruptor semicondutor.

INTRODUOOs conversores cc-cc so empregados em sistemas onde se deseja obter uma tenso cc

regulada na carga. Sua utilizao rene sistemas de acionamento de motores de correntecontnua/corrente contnua (com aplicaes em veculos cc, nibus eltricos, bondes e locomotivasalimentadas em corrente contnua) e sistemas com fontes chaveadas cc (fontes de alimentao decomputadores, televiso, etc).

CONVERSORcc-cc ABAIXADORComo o prprio nome sugere, o conversor cc-cc abaixador empregado para produzir

tenso cc regulada para a carga (vo) com amplitude menor igual da fonte de entrada (E). Ocircuito da figura 1a ilustra um conversor cc-cc bsico, o qual utiliza a clula bsica de comutaocomposta de duas chaves (S1 e S2). A forma de onda da tenso na carga ilustrada na figura 1b.

Quando a chave S1 fechada, a tenso da fonteE aplicada sobre a carga e a partir do instante emque chave S1 aberta a tenso sobre a carga nula. Levando em considerao que a carga puramente resistiva, a forma de onda de corrente resultante na carga proporcional da tenso desada vo, a qual pulsada, de amplitudeE, resultando em uma tenso mdia especificado por

a) b)

Figura 1: a) conversor cc-cc bsico; b) forma de onda da tenso na carga

qEET

tV

f==0

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDECENTRO DE ENGENHARIA ELTRICA E INFORMTICA

UNIDADE ACADMICA DE ENGENHARIA ELTRICA

DISCIPLINA: Laboratrio de Eletrnica de Potncia

Guia do 1 Experimento Conversorcc-cc Abaixador

(1)


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Laboratrio de Eletrnica de Potncia Experimento 1

3

3

Onde: tf a durao de tempo em que a chave S1 permanece fechada; T= tf+ ta o perodo quedefine o ciclo de operao do circuito; e q a relao cclica de operao.

A anlise do conversor alimentando uma carga puramente resistiva permite inferir que no necessrio o emprego da chave S2. Todavia, o aparecimento do efeito indutivo da carga intrnseco ao circuito e as suas conexes. Uma considerao pertinente para aproximar mais o

modelo terico do modelo prtico, utilizar no modelo da carga uma indutncia em srie com aresistncia. Deste modo, verifica-se que o emprego da chave S2 necessrio para prover o caminhode circulao da energia reativa da carga. Na figura 2 so ilustradas as curvas de tenso e correntena carga do tipoRL.

A tenso na carga unidirecional com valor mdio igual a especificao cc. A existnciade ondulao resulta no aparecimento de componentes harmnicos que contribuem para a reduode desempenho do sistema conversor-carga. Alguns critrios de melhoramento do sinal da tenso e

corrente na carga sero discutidos em experimentos posteriores; (como a aplicao de tcnicas demodulao e a utilizao de filtros) Neste experimento, o conversor cc-cc ser estudado sem aaplicao de qualquer critrio de melhoramento de desempenho o que permitir: estudar ascaractersticas de operao do conversor cc-cc abaixador usando a clula bsica de comutao; eidentificar os harmnicos gerados para a carga e para a fonte pelo conversor devido ao processo decomutao.

Anlise de Fourier de um Sinal Peridico

De modo geral um sinal no senoidal peridico f(t) de freqncia angularT

2= pode

ser expresso como

=

=

++=+=11

)}()cos({2

1)()(

h

hho

h

ho thsenbthaatfFtf

Onde oo aF 21

= o valor mdio. Sendo

=

2

0)()cos()(

1tdthtfah h=0, . . . ,

e

=

2

0)()()(1 tdthsentfbh h=1, . . . ,

Figura 2: Curvas de tenso e corrente numa cargaRL geradas por um conversorcc-cc abaixador

(2)

(3)

(4)


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4

4

A anlise dos sinais de tenso e corrente na fonte e na carga do sistema conversor permiteescrever as suas componentes da srie de Fourier. Esta anlise ser objeto de estudo utilizandocomo ferramenta o ambiente de simulao de circuitos PSpice.

PSpiceO PSpice (1985) foi o primeiro programa comercial desenvolvido exclusivamente para

utilizao em microcomputadores. basicamente o programa SPICE2 (1975), que foi adaptadopela empresa MicroSim para uso em microcomputadores, IBM-PC e posteriormente paraworkstations com sistema operacional UNIX. A operao do programa PSpice, diferentemente dasverses originais do SPICE2, foi apresentado para utilizao com um programa associado chamadoPROBE, de modo a permitir a visualizao dos resultados da simulao.

A sintaxe de entrada de dados possui razovel grau de liberdade, sendo que o programaefetua, nos passos iniciais, uma verificao dos dados fornecidos, destinada a detectar alguns tiposde erros, como, por exemplo, a colocao de uma fonte em curto circuito. Alm disso, ele permitea omisso de diversos parmetros de circuitos, adotando-se nesse caso valores padres (default)

previamente definidos. Esta e outras caractersticas de programao no PSpice sero vistas nodesenvolvimento das atividades de laboratrio, bem como a anlise de resultados obtidos.

Maiores detalhes sobre a utilizao do PSpice podem ser obtidos no anexo aos guias dosexperimentos.

Modo de Comando de um Conversorcc-ccO comando de um conversor cc-cc sem realimentao simples. Considerando que a

chave utilizada polarizada por tenso, o estado de conduo definido quando a tenso depolarizao maior que um valor pr-definido. Isto propicia a gerao de vrias possibilidadespara se obter a lgica de comando necessria s chaves do conversor. Neste experimento seroutilizados dois princpios:

sinal em degrau - gera-se um pulso positivo de comando para a chave assumir o estado deconduo e levando-se esse sinal a zero ou negativo para a chave assumir o estado debloqueio. Neste caso, o tempo de aplicao de tenso de comando positiva obtido apartir da relao cclica desejada (q) ;

sinal dente de serra comparador o sinal dente de serra gerado comparado com um nvelde tenso de controle, vref. A depender dos sinais de comparao, como por exemplo ocaso em que na entrada de um amplificador operacional o nvel do sinal de comandogerado positivo durante o perodo em que o sinal da dente de serra for maior do que osinal de tenso de controle. Neste caso, a relao entre o tempo de aplicao de tenso decomando positiva e o perodo do sinal dente de serra (T) define a relao cclica desejada(q). Verifica-se desse modo, que conhecidas a relao cclica e a amplitude do sinal dentede serra, obtm-se a tenso de referncia (vref).

PREPARAO DA EXPERINCIA

PARTE I Fundamentos

I.1. Descreva o princpio de operao de uma chave que possui disparo controlado ebloqueio controlado e cite pelo menos dois exemplos;

I.2. O que se conceitua por chave unidirecional em tenso e unidirecional em corrente? I.3. Calcule os coeficientes de Fourier at o stimo, para um sinal onda quadrada de

perodo Te amplitude variante entre 0 eE. I.4. Calcule os coeficientes de Fourier at o stimo, para um sinal de perodo Te relao

cclica q=0,75 e amplitude variante entre 0 eE.

PARTE II PROGRAMA PSpice


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5

5

II.1. Na figura 3 ilustrado o modelo de circuito com especificao de ns para simulao

no PSpice. A partir das seguintes especificaes:i) freqncia de operao de 50kHz;ii) amplitude da fonte de tenso de 48V;iii) relao cclica de 0,5;iv) tempo total de simulao de 100s;v) resistncia de carga de 10.

Escreva um programa para o ambiente PSpice que possa simular a operao deste circuitonestas condies (use como guia o programa completo existente no anexo do guia do 1experimento).

II.2. Escreva a linha de comando para o programa PSpice referente a gerao de sinal detenso dente de serra com freqncia de operao de 50kHz e amplitude entre 0 e 10V.

TRABALHO EXPERIMENTAL

PARTE I - Simulao do Conversorcc-cc com carga resistiva1. Simule, no PSpice, o conversor cc-cc com os valores da preparao sem a insero da

chave S2.2. No domnio do tempo, trace as curvas da tenso e da corrente na carga e na chave S1,

anotando os valores das amplitudes e dos instantes de transio.3. No domnio da freqncia, mea os valores mdios da tenso e da corrente na fonte e na

carga e, da corrente na chave.4. No domnio da freqncia, mea os valores das componentes harmnicas, at a stima, da

tenso e da corrente na fonte e na carga.

5. Execute agora o programa fazendo q=0,75.6. No domnio da freqncia, mea os valores mdios da tenso e da corrente na fonte e nacarga assim como os valores das componentes harmnicas, at a stima.

PARTE I I Simulao do Conversorcc-cc com cargaRL7. Adicione uma indutncia de 10Hem srie com a resistncia de carga (cargaRL).8. No domnio do tempo, trace e analise as curvas da tenso e da corrente na carga e na chave

S1.9. Insira a chave S2 e, no domnio do tempo, trace e analise as caractersticas tenso e

corrente na carga e na chave S1.10.No domnio da freqncia, mea os valores mdios da tenso e da corrente na carga, assim

como os valores das componentes harmnicas, at a stima.

Figura 3: Circuito equivalente para simulao


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6

6

11.Simule a operao do conversor usando o comando com o sinal dente de serra comparadore faa variar a tenso de referncia assumir os seguintes valores: 0; 2,5; 5 e 10V. Anote asobservaes que achar pertinente.

PARTE III -Montagem Conversorescc-cc abaixador

12.Faa as conexes necessrias no mdulo fornecido para se obter o conversor cc-cc comcarga puramente resistiva. OBS: os sinais de comando j esto ligados internamente achave S1.

13.Ajuste a relao cclica para se ter uma onda quadrada aplicada a carga.14.Com auxlio do osciloscpio verifique as curvas e os harmnicos das tenses na

fonte, na carga, na resistncia e na chave S1.15.Ajuste a relao cclica para 0,75.16.Com auxlio do osciloscpio verifique as curvas e os harmnicos das tenses na

fonte, na carga, na resistncia e na chave S1.17.Faa as conexes necessrias no mdulo fornecido para se obter o conversor cc-cc com

cargaRL.

18.Ajuste a relao cclica para se ter uma onda quadrada aplicada carga.19.Com auxlio do osciloscpio verifique as curvas das tenses na fonte, na carga, naresistncia, na indutncia e na chave S1.

20.Conecte a chave S2 (observe que a chave S2 do tipo conduo e bloqueioespontneo) e verifique o comportamento da tenso na chave S1.

BIBLIOGRAFIA1. Muhammad H. Rashid, SPICE for power electronics and electric power. New Jersey: PrenticeHall, 1993;2. Edison Roberto C. da Silva, Apostila de Eletrnica de Potncia. Campina Grande: DEE/UFCG,

2008;3. Ned Mohan, Tore M. Undeland e William P Robbins, Power Electronics Converters,Applications and Design. New York, John Wiley & Sons Inc., 1995;4. Hwei P. Hsu,Fourier Analysis. New York, Simon and Schuster Tech Outlines.


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OBJETIVOS:

1. Estudar as caractersticas de operao do conversor ca-cc abaixador usando a clulabsica de comutao;

2. Estudar as caractersticas de operao do conversor ca-ca abaixador usando a clulabsica de comutao;

3. Identificar os harmnicos gerados para a carga e para a fonte pelo conversor;4. Sedimentar os conceitos de unidirecionalidade e bidirecionalidade de tenso e de corrente,

empregados em eletrnica de potncia.

INTRODUOOs conversores estticos so estruturas que utilizam interruptores semicondutores para

controle do fluxo de energia entre a fonte e a carga. Os conversores ca-cc so empregados em

sistemas onde se deseja obter uma tenso cc na carga controlada a partir de uma fonte ca. Seu

campo de aplicao abrange desde simples eliminadores de bateria para calculadoras at

sofisticadas fontes cc de alta potnciapara centrais telefnicas, metrs, aplicaes

eletroqumicas e etc.Os conversores ca-ca so empregados em sistemas onde se deseja obter uma tenso ca na

carga controlada. A tenso ca de sada pode ser controlada em amplitude e em freqncia a

depender da aplicao a qual se destina. Neste experimento, o estudo focado na operao do

conversorca-ca com amplitude varivel e freqncia fixa, cuja aplicao se destina a:

compensadores estticos VAR; variadores de intensidade de luz; controle de velocidadede pequenos motores; partida suave de diversos motores ca; e controle de aquecimento

resistivo.O conceito de tenso (ou corrente) contnua cc conduz definio de tenso (ou corrente)

unidirecional. Por outro lado, quando existe a mudana de polaridade de maneira peridica da

fonte de tenso (ou corrente) diz-se que esta alternada ca ou bidirecional. O conceito de uni ou

bididerionalidade para as fontes (ou cargas) estendido s caractersticas estticas dos

dispositivos semicondutores, as quais so relacionadas com a capacidade de conduzir corrente ou

suportar tenso, em um ou em dois sentidos.

CONVERSORca-cc ABAIXADOR

Figura 1: Conversorca-cc bsico a) Circuito; b) Formas de ondas da tenso sobre a chave

S1 e da fonte vi (superior ) e na carga (inferior).

a b




Guia do 2 Experimento Conversoresca-cc eca-ca Abaixadores


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Figura 2: Conversorca-ca bsico a) Circuito; b) Formas de ondas da tenso sobre a chave S1 e

da fonte vi(superior ) e na carga (inferior).

O conversorca-cc abaixador empregado para produzir tenso cc regulada para a

carga (vo) a partir de uma fonte ca, com valorrms menor igual da fonte de entrada (vi).

O circuito da figura 1a ilustra um conversorca-cc bsico, o qual utiliza a clula bsica de

comutao composta de duas chaves (S1 e S2). A forma de onda da tenso na carga

ilustrada na figura 1b.Na figura 1a considere a carga puramente resistiva e a chave S1 unidirecional em corrente

e bidirecional em tenso. No semiciclo positivo a chave S1 conduz quando existe sinal de

comando, aplicando sobre a cargaa tenso de entrada durante o restante desse meio ciclo, ou seja,durante como ilustra o grfico da figura 1b inferior. Quando a tenso vi se torna nula,

imediatamente antes de se tornar negativa, a corrente de carga tambm se anula, uma vez que a

carga puramente resistiva, e S1 cessa de conduzir. Durante todo o semiciclo negativo, S1

permanece inversamente polarizado. A parte da forma de onda de entrada que no aparece sobre a

carga, inclusive todo o semiciclo negativo, aparece sobre a chave (ver a figura 1b). Nesta condio

de operao a tenso mdia na carga dada por

ondeEm a amplitude da tenso vi senoidal.

A potncia (ou quantidade de energia) entregue carga variada mudando-se o ponto no

qual a chave S1 acionada (ngulo de disparo ), durante o meio ciclo positivo. A normalizaoda tenso de sada fornecida por

CONVERSORca-ca ABAIXADORO conversorca-ca abaixador utilizado quando se deseja controlar o valor RMS de umatenso alternada. Pode ser utilizado, por exemplo, para controlar a intensidade de uma iluminao,

a temperatura de um chuveiro ou a velocidade de uma mquina ferramenta. O circuito da figura 2a

ilustra um conversorca-ca bsico, o qual utiliza a clula bsica de comutao composta de duas

chaves (S1 e S2). As formas de ondas das tenses na fonte, na carga e na chave S1 so ilustradas na

figura 2b.

( )

cos12 +=

mo

EV

cos12

+==

m

o

NE

VV

(1)

(2)

a) b)


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O princpio de operao do conversorca-ca alimentando uma carga puramente resistiva

descrito a seguir, a partir do circuito da figura 2a, considerando-se a chave S1 bidirecional em

corrente e bidirecional em tenso. A figura 2b mostra a forma de onda para um ngulo de disparo

qualquer. No semiciclo positivo a chave S1 conduz quando existe sinal de comando de maneira

que imposta cargaa tenso vi da fonte durante o restante desse meio ciclo, ou seja, durante

como ilustra o grfico da figura 2b

inferior.Durante o semiciclo positivo, S1 pode ser disparado e conduz at o instante em que a

tenso vi se torna nula. Quando, imediatamente antes da tenso vi se tornar negativa, a corrente de

carga tambm se anula, uma vez que a carga puramente resistiva, e S1 cessa de conduzir. Durante

todo o semiciclo negativo, S1 permanece inversamente polarizado a chave S2 pode ser disparada a

partir do ngulo +, de modo a manter a simetria da tenso aplicada carga. A variao do ngulo

de disparo acarreta a variao do valor RMS da tenso sobre a carga.

A parte da forma de onda de entrada que no aparece sobre a carga, aparece sobre a chave

(ver a figura 2b superior). Nesta condio de operao a tenso RMS na carga dada por

A potncia (ou quantidade de energia) entregue carga variada mudando-se os pontos

nos quais as chaves S1 e S2 so acionadas.

UTILIZAO DO PROGRAMA PSPICEPara utilizao do programa PSPICE necessrio utilizar um modelo de chave

bidirecional em tenso e unidirecional em corrente no caso do conversorcc-cc e chave

bidirecional em tenso e em corrente nos conversores ca-ca. Uma maneira simples de se

programar esta chave a partir do modelo conhecido para S1 no experimento 1 a conexo de um

diodo em srie com a mesma, como ilustrado na figura 3.

Obedecendo este princpio possvel escrever um programa no ambiente PSpice que

simule o conversorca-cc bsico com carga resistiva como:

Programa para anlise de conversor ca-cc abaixador bsico

ve 1 0 sin(0 155.56 60)s1 1 2 5 6 chaveS.model chaveS vswitch(ron=0.01 roff=100k von=0.1 voff=0)d1 2 3 diodopadraorcarga 3 0 40ohms.model diodopadrao drcv 5 6 100kvft 6 0 0vvfr 5 0 pulse(0 10 4.16m 0.01u 0.01u 8.33m 16.6667m).tran 1u 83.333m 33.333m 0.1u

.probe.end

Figura 3: Modelo de chave bidirecional em tenso e unidirecional em corrente para simulao

+=

2

21

2

senEV mo (3)


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PARTE I Conversor ca-cc

I.1. A partir do conhecimento do programa apresentado no guia para o conversor ca-cc e domodelo da chave ilustrado na figura 3 esboce o circuito descrito no programa. Especifique os

valores de ns do circuito e as caractersticas dos componentes.

I.2. Determine o valor da tenso mdia na carga quando =90. I.3. Observa-se que o modelo da chave simulada formado por um conjunto de componentes

(uma chave controlada por tenso e um diodo) conectados em srie. Justifique a utilizao

deste modelo

I.4. Calcule os coeficientes de Fourier para o sinal da tenso de carga ilustrado na figura 1b.PARTE II Conversor ca-ca

II.1. Escreva o programa para simulao do conversor ca-ca para um ngulo de disparo =90 (utilize como base o programa do conversorca-cc).

II.2. Determine o valor da tenso mdia e RMS na carga quando =90. II.3. Calcule os coeficientes de Fourier para o sinal da tenso de carga ilustrado na figura 2b


Alguns dados utilizados na experincia

Fonte CA: 110 Volts, 60 Hz, isolada. SCR: 2N2326, 1,6A RMS, VDRM= VRRM= 200 V,IGT= 10 A, Vcp = 0,5 V\ Tpico Vcp: Obtido atravs de potencimetro: de preciso de 10 voltas ou linear; com valor

mximo de 100 k (ou linear, dependendo do mdulo).

Carga composta por uma indutncia Lo = 54mH e uma lmpada de 110 V, com umaresistncia aproximada deRo 40 ;

Circuito de comando: amplitude mxima da dente-de-serra = Vcp = 12 VPARTE I - Conversorca-cc

1.

Simule, no PSpice, o conversor ca-cc com os valores da preparao sem a insero dachave S2.

2. No domnio do tempo, trace as curvas da tenso e da corrente na fonte, na carga e nachave S1, (modelo completo - modelo chave mais diodo) anotando os valores das

amplitudes e dos instantes de transio.

3. No domnio da freqncia, mea os valores mdios da tenso e da corrente nafonte e na carga assim como os valores das componentes harmnicas, at a stima.

PARTE II - Conversorca-ca4. Simule, no PSpice, o conversor ca-cc com os valores da preparao sem a insero da

chave S2.


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5. No domnio do tempo, trace as curvas da tenso e da corrente na fonte, na carga e nachave S1, (modelo completo - modelo chave mais diodo) anotando os valores das

amplitudes e dos instantes de transio.

6. No domnio da freqncia, mea os valores mdios da tenso e da corrente nafonte e na carga assim como os valores das componentes harmnicas, at a stima.

OBSERVAO 1:

Em alguns mdulos existentes, os potencimetros so do tipo " 10 voltas" (MduloTipo I) e, nesse caso, pode-se fazer o ajuste do mesmo em 50%, o valor de Vc sendocalculado por uma simples regra de trs; em outros mdulos, entretanto, os potencimetrosso comuns (Mdulo Tipo II) e, nesse caso, o ajuste deve ser feito em termos da tenso Vc(esse valor pode ser medido a partir de fio externo conectado ao terminal mvel dopotencimetro). Indique se o mdulo que voc est usando possui um potencimetro de 10volts ou um potencimetro comum.

OBSERVAO 2:

Ao observar as formas de onda no circuito de comando, conecte o terra da primeiraponta de prova do osciloscpio ao terminal C. Assim voc conectar C carcaa doosciloscpio e poder utilizar a segunda ponta de prova para comparar as formas de ondade quaisquer dos terminais P1 a P6, com aquelas da primeira ponta.No conecte o fio terra

da segunda ponta de prova quando utilizar as duas pontas de prova.

PARTE III - Conversoresca-cc e ca-ca - Montagem7. Ligue no seu painel e faa as conexes para ter o conversorca-cc usando uma das duas

fontes de entrada de 110V, o tiristorS1 ou S4 e a carga resistivaRo. (lmpada). OBS: assadas do canal 1 j esto ligadas internamente aos gatilhos de S1 e S4.8. Com auxlio do osciloscpio verifique as curvas da tenso na fonte, na carga e na chave

S1.

9. Monte o conversorca-ca no mdulo apresentado.10.Com auxlio do osciloscpio verifique as curvas da tenso na fonte, na carga e na chave

S1.

Figura 4 Determinao dos ngulos de disparo.


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OBSERVAO 3!!!!!!!!!!!!!:

Ao observar a forma de onda da tenso sobre a carga, conecte o terra da ponte de provado osciloscpio ao terminal de catodo dos tiristores S1 ou S4. Isto conectar S1 ou S4 carcaa do osciloscpio. O pino da terra da segunda ponte de prova no poder, agora, serconectado a qualquer outro ponto do circuito, caso contrrio resultar em um curto-circuitoatravs do corpo do osciloscpio. ento aconselhvel aos alunos, o uso de apenas um canal

do osciloscpio quando trabalharem nesta medio particular.

BIBLIOGRAFIA

1. F. Gentry, "Semiconductor Controlled Rectifiers, Principles & Applications of p-n-p-n

Devices". New York: Prentice-Hall, 1964.

2. D.R. Grafham and J.C. Hey (editors), "SCR Manual", 5th Edition. New York: General

Electric, 1972.

3. Muhammad H. Rashid, SPICE for power electronics and electric power. New Jersey:Prentice Hall, 1993.

4. Edison Roberto C. da Silva, Apostila de Eletrnica de Potncia. Campina Grande:

DEE/UFCG, 2008;

5. Ned Mohan, Tore M. Undeland e William P Robbins, Power Electronics Converters,

Applications and Design. New York, John Wiley & Sons Inc., 1995;

6. Hwei P. Hsu, Fourier Analysis. New York, Simon and Schuster Tech Outlines.


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OBJETIVOS:1. Estudar as caractersticas de operao do conversor ca-cc operando com reduo de

harmnicos;

2. Estudar as caractersticas de operao do conversor ca-ca operando com reduo deharmnicos;

3. Identificar os harmnicos gerados pelo conversor na carga e na fonte.INTRODUO

Nos experimentos 1 e 2 foi evidenciado o aparecimento de harmnicos de corrente

gerados pelo pulso nico de tenso aplicado a carga. Com o aumento da aplicao de circuitos de

eletrnica de potncia aumenta-se a preocupao com as tcnicas que auxiliem na reduo destes

harmnicos. Em 1967 Mokrystski mostrou o grande valor das tcnicas de Modulao de Largura

de Pulso (MLP) do ingls PWM (Pulse Width Modulation) aplicadas ao acionamento de

mquinas.

Uma grande quantidade de tcnicas foi desenvolvida at os dias de hoje assim como

tcnicas novas continuam a serem propostas. Neste experimento utilizada a MLP com pulsos

mltiplos, em conversores ca-cc e ca-ca, comparando-se uma onda senoidal (modulante) com

uma onda dente de serra (portadora).

MODULAO DE LARGURA DE PULSOS Na tcnica de MLP empregada, um sinal senoidal, de amplitude Vs (modulante) e de

freqncia fs, comparado com uma onda triangular, de amplitude Vt e freqncia ft, (tambm

chamada de freqncia de chaveamento). A resultante na sada do comparador um sinal de

largura varivel, como ilustrado na figura 1. O nvel alto no sinal de sada aplicado chave

representa que a chave est polarizada e pode entrar em conduo. O nvel baixo representa que

foi retirado o sinal de comando da chave e esta est no estado de bloqueio.

CONVERSORca-cc ABAIXADOR




Guia do 3 Experimento Conversoresca-cc eca-ca Moduladosem Largura de Pulso

Figura 1 Diagrama de circuito para aplicao em modulao de Largura de Pulsos


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O conversorca-cc abaixador empregado para produzir tenso cc regulada para a

carga (vo) a partir de uma fonte ca, com valorrms menor igual da fonte de entrada (vi).

O circuito da figura 2a ilustra um conversorca-cc bsico, o qual utiliza a clula bsica de

comutao composta de duas chaves (S1 e S2). Neste conversor, verifica-se que devido as

suas caractersticas de operao a chave S1 bidirecional em tenso e unidirecional em

corrente enquanto que a chave S2 unidirecional em tenso e em corrente.

Na figura 2a considere a carga puramente resistiva e a chave S1 unidirecional em corrente

e bidirecional em tenso. No semiciclo positivo a chave S1 conduz quando existe sinal de

comando, aplicando sobre a cargaa tenso de entrada como ilustrado na curva de tenso da figura1b inferior. Quando a tenso vi se torna nula, imediatamente antes de se tornar negativa, a corrente

de carga tambm se anula, uma vez que a carga puramente resistiva, e S1 cessa de conduzir.

Durante todo o semiciclo negativo, S1 permanece inversamente polarizado. A parte da forma de

onda de entrada que no aparece sobre a carga, inclusive todo o semiciclo negativo, aparece sobre

a chave (ver a figura 2b). Nesta condio de operao a tenso mdia na carga varia de acordo

com a amplitude da tenso senoidal modulante, uma vez que esta amplitude define os perodos de

aplicao de tenso nula carga durante o semiciclo positivo. A MLP aplicada ao conversor,

gerando lacunas na formas de onda da tenso na carga, contribui para a limitao de harmnicos

especficos. A escolha adequada do nmero de lacunas e das larguras permitir, inclusive, at a

eliminao de harmnicos especficos.

CONVERSORca-ca ABAIXADORO conversorca-ca abaixador utilizado quando se deseja controlar o valorrms da tenso

alternada na carga. No conversor da figura 3a a chave S1 possui disparo e bloqueio comandado e

bidirecional em corrente e em tenso. A figura 2b superior ilustra as formas de ondas da

modulante e da portadora que resultar na tenso de carga ilustrada na figura 2b inferior

Figura 2: Conversorca-cc bsico a) Circuito; b) Formas de ondas da tenso modulante e

portadora(superior - vs ,vt) e na carga (inferior - vo).

a b


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Figura 3: Conversorca-ca bsico a) Circuito; b) Formas de ondas da tenso modulante e

portadora (superior - vs ,vt) e na carga (inferiorvo).

UTILIZAO DO PROGRAMA PSPICE Na condio prtica, a lgica de comando do conversor gerado por um circuito

analgico utilizando componentes discretos (resistores, capacitores, indutores transistores, diodos

amplificadores operacionais e etc) ou por circuitos integrados (microprocessadores,

microcontroladores ou microcomputador). Todavia, qualquer que seja o meio utilizado para

gerao da lgica de comando, duas condies preponderantes devem ser obedecidas: as tenses

modulante e portadora estejam em sincronismo; e a relao de freqncia entre portadora e

modulante seja um nmero inteiro impar. A primeira condio impe passagem simultnea pelo

zero do sinal da modulante e da portadora enquanto que a segunda condio permite a eliminao

dos harmnicos de ordem par.

Obedecendo este princpio possvel escrever um programa no ambiente PSpice que

simule o conversorca-cc bsico com carga resistiva como:

Programa para anlise de conversor ca-cc abaixador com MLPve 1 0 sin(0 155.56 60 0 0 10)sk1 1 2 5 6 chave.model chave vswitch(ron=0.01 roff=100k von=0.01 voff=0)dk1 2 3 diodorcarga 3 0 40.model diodo drcv 5 6 100kvfs 5 0 sin(0 0 60 0 0 10)vft 6 0 pulse(-10 10 0 0.925m 0.925m 0.1u 1.851851m).tran 5u 50m 16.6667m .5u.probe.end


a) b)


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16

PARTE I Conversor ca-cc

I.1. A partir do conhecimento do programa apresentado no guia para o conversor ca-ccdetermine a freqncia da portadora (triangular) e a relao de freqncia usada.

I.2. Justifique, corretamente, o porque da utilizao de ngulo de fase igual a 10 no sinal dafonte (ve) e da modulante (vfs).

I.3. A partir do grfico da tenso na carga da figura 2b, qual a menor freqncia que vai existirneste sinal? Justifique, corretamente, sua resposta.

PARTE II Conversor ca-ca

II.1. Escreva o programa para simulao do conversor ca-ca com comando simtrico 180para chave S1(utilize como base o programa do conversorca-cc).

II.2. A partir do grfico da tenso na carga da figura 3b, qual a menor freqncia que vaiexistir neste sinal? Justifique, corretamente, sua resposta.

II.3. A partir do grfico da tenso na carga da figura 3b, quais so as componentes harmnicasque sero eliminadas? Justifique, corretamente, sua resposta.


Alguns dados utilizados na experincia Fonte CA: 110 Volts, 60 Hz, isolada. IGBT Diodos Carga composta por uma indutncia Lo = 54mH e uma lmpada de 110 V, com uma

resistncia aproximada deRo 40 ; Circuito de comando

PARTE I - Conversorca-cc1. Simule, no PSpice, o conversor ca-cc com os valores da preparao sem a insero da

chave S2.

2. No domnio do tempo, trace as curvas da tenso e da corrente na fonte, na carga e nachave S1, (modelo completo - modelo chave mais diodo).

3. No domnio da freqncia, mea os valores mdios da tenso e da corrente nafonte e na carga assim como os valores das componentes harmnicas, at a nona.

4. No domnio do tempo, realize a anlise do comportamento da tenso na carga quando atenso da modulante assume valores iguais a -5 e 5V. Comente os resultados obtidos.

PARTE II - Conversorca-ca5. Simule, no PSpice, o conversor ca-cc com os valores da preparao sem a insero da

chave S2.

6. No domnio do tempo, trace as curvas da tenso e da corrente na fonte, na carga e nachave S1, (modelo completo - modelo chave mais diodo).

7. No domnio da freqncia, mea os valores mdios da tenso e da corrente nafonte e na carga assim como os valores das componentes harmnicas, at a nona.

8. No domnio do tempo, realize a anlise do comportamento da tenso na carga quando atenso da modulante assume valores iguais a -5 e 5V. Comente os resultados obtidos.

PARTE III - Conversoresca-cc e ca-ca - Montagem


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17

9. Ligue no seu painel e faa as conexes para ter o conversorca-cc usando uma das duasfontes de entrada de 110V, e a carga resistivaRo (lmpada).

10.Com auxlio do osciloscpio verifique as curvas da tenso na fonte, na carga e na chaveS1.

11.Monte o conversorca-ca no mdulo apresentado.12.

Com auxlio do osciloscpio verifique as curvas da tenso na fonte, na carga e na chaveS1.

PARTE IV Compare os resultados obtidos no experimento 3 com aqueles do experimento2.

BIBLIOGRAFIA

1. Muhammad H. Rashid, SPICE for power electronics and electric power. New Jersey:

Prentice Hall, 1993.

2. Edison Roberto C. da Silva, Apostila de Eletrnica de Potncia. Campina Grande:DEE/UFCG, 2008;


Applications and Design. New York, John Wiley & Sons Inc., 1995.


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OBJETIVOS:1. Estudar as caractersticas de operao do conversor cc-ca abaixador usando a clula

bsica de comutao;

2. Assimilar os princpios bsicos da converso cc-ca;3. Identificar os harmnicos gerados na carga e na fonte devido converso esttica;4. Sedimentar as caractersticas estticas e dinmicas dos dispositivos empregados em

eletrnica de potncia;5. Sedimentar os princpios da modulao de largura de pulsos (PWM) do tipo senoidal6. Abordar o conceito de reversibilidade de potncia.

INTRODUOUm conversor esttico opera como conversor cc-ca (inversor), quando ele converte

tenso contnua da fonte (entrada) em tenso alternada para a carga (sada).

Na figura 1 ilustrada estrutura de um conversor cc-ca bsico utilizando a clulaelementar de comutao (figura 2a) alimentando uma carga do tipoRL.

a b)

Figura 1- Conversor cc-ca abaixador bsico

Figura 2: Clula elementar de comutao: a) grupamento bsico; b) grupamento com chaves

unidirecionais em tenso e bidirecionais em corrente.




Guia do 4 Experimento Conversorcc-ca abaixador


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Laboratrio de Eletrnica de Potncia Experimento 4 19

19

O modelo de clula elementar como a da figura 2 recebe a denominao de brao. O

princpio de operao do conversor realizado a partir da definio de brao, formado de

chaves com operao complementar; ou seja, S1 est no estado de conduo S2 est no estado debloqueio e vice-versa. Para operao correta do conversor cc-ca necessrio o uso de chavesunidirecionais em tenso e bidirecionais em corrente. Para satisfazer esta condio de operao

das chaves, utilizam-se diodos em antiparalelo com S1 e S2, como ilustrado na figura 2b.Verifica-se que, a partir da insero de brao ou braos possvel obter-se o conversor cc-ca natopologia desejada, como por exemplo, a topologia monofsica em meia ponte ilustrada na

figura 1, a topologia monofsica em ponte completa (ver figura 6) e as topologias polifsicas

(bifsica, trifsica, tetrafsica e etc). A partir da topologia escolhida, o conhecimento da tenso

de fase aplicada carga tem como fundamento a tenso de plo gerada (va0 na figura 1), a qual obtida da diferena de potencial entre o ponto intermedirio do brao formado pelos

interruptores (pontoanas figuras 1 e 2) e o ponto intermedirio (referncia) da fonte cc (pontoona figura 1).

O princpio bsico de operao do conversor cc-ca descrito fazendo-se cada chave conduzirdurante 180. Neste caso, so gerados dois pulsos de tenso na sada, um a cada semiciclo de

operao, de modo que cada chave conduz por meio perodo (T/2) (ver figura 3). A tenso

alternada obtida na sada uma onda quadrada com freqncia dada por 1/T. Este mtodo degerao da tenso alternada simples, porm, as correntes harmnicas de ordem inferior, comfreqncias prximas a da fundamental, tm amplitudes relativamente elevadas. Por outro lado,

a obteno de amplitudes de tenses variveis na sada ca do conversor, s possvel quando setem a tenso cc varivel na entrada deste conversor.

A eliminao de harmnicos indesejveis pode ser obtida utilizando-se tcnicas de

modulao de largura de pulsos - MLP (PWM). O emprego de MLP em conversores cc-capermite a operao destes com tenso cc de entrada essencialmente constante. Com o uso deMLP o controle do perodo de conduo das chaves produz uma seqncia de pulsos de largura

varivel de modo a tornar as tenses ca aplicada carga o mais prximo possvel de umasenoide, com a amplitude e a freqncia da componente fundamental da tenso ca controlada.Diversas tcnicas de MLP j foram apresentadas neste sentido todavia, uma das tcnica mais

empregada a modulao por portadora, na qual um sinal modulante vs (tambm chamado dereferncia ou de controle) comparado com o sinal de uma portadora (uma triangular, de modo

geral).

MODULAO SENOIDALNa tcnica de modulao senoidal, um sinal senoidal de amplitude Vs (modulante) com

freqnciafs, comparado com uma onda triangular de amplitude Vtcom freqnciaft, (tambmchamada de freqncia de chaveamento), resultando num sinal de largura varivel na sada docomparador, como sugerido na figura 4. Os instantes de subida e de descida desse sinal so

utilizados para sincronizar os pulsos de disparo das chaves do brao do conversor cc-ca comoaquele ilustrado na figura 1. Os perodos de conduo de S1 e S2 so definidos a partir dos

Figura 3 Onda quadrada de amplitude E/2 gerada com conversor cc-ca monofsico topologia

em meia-ponte e a componente senoidal fundamental


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20

perodos em que a sada do amplificador comparador alto (ou baixo), tendo-se o conhecimento

que S1 e S2 so chaves com lgica de comando complementar.

A tenso de plo, vao no conversor cc-ca da figura 1 a imagem do sinal na sada do

comparador, como ilustrado na figura 5. A amplitude de sua fundamental,1ao

V dada por

(1)

onde,E a tenso total do barramento cc e ma=Vs/Vt definido como ndice de modulao de

amplitude ou, simplesmente, ndice de modulao.

A expresso (1) sugere que a amplitude da fundamental pode ser variada linearmente com o

valor de Vs e o estudo analtico confirma esta condio de linearidade desde que ma 1. Emgeral, o valor mximo utilizado para ma 0,9; evitando-se, com isto, o emprego de pulsosmuito estreitos que no respeitariam a necessidade de um tempo mnimo de aplicao de tenso

reversa, que garantisse o bloqueio no sentido direto da chave. Quando se utiliza ma > 1,denominado sobremodulao, h uma melhor utilizao da tenso no barramento cc. Nessecaso, algumas das intersees so perdidas, causando a perda de linearidade com o ndice de

modulao na determinao da amplitude da componente fundamental da tenso ca. O empregode ma > 1, resulta no aparecimento de harmnicos de ordem mais baixa, ou seja, os harmnicoscom freqncias prximas a da fundamental. Isso porque, o aumento de ma aproxima a tensovao da onda quadrada e, para valores bastante elevados de ma as nicas intersees so aquelasna passagem por zero e, portanto, a tenso ca de sada gerada uma onda quadrada.

Figura 5 Sinal de tenso ca modulado em largura de pulso gerado por um conversor cc-ca

Figura 4 Diagrama de circuito para aplicao em modulao senoidal com mf=9.

221E

mE

V

VV a

t

sao ==


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21

(2)

A variao da freqncia da tenso ca obtida variando-se a freqncia fs do sinalmodulante (senoide de referncia). A variao da freqncia da modulante (ou da portadora)

acarreta na variao do ndice de modulao de freqncia que dado por

s

tf

f

fm =

A utilizao de valores inteiros mpares de mf admite a possibilidade de sincronismoentre a triangular e a forma de onda de controle (no caso, a senoide) alm da simetria do sinal

em 180. A utilizao de valores para mfque no seja um nmero inteiro resulta na gerao desub-harmnicos. Entretanto, quando se utiliza valores de mf > 21 esses sub-harmnicos podemser considerados desprezveis. Verifica-se, igualmente na modulao senoidal, que os

harmnicos da tenso ca gerada aparecem como bandas laterais centradas em torno dafreqncia de chaveamentoft e seus mltiplos, ou seja, em torno dos harmnicos de ordem mf,2mf, 3mfe etc.

A aplicao de duas senoides de controle, defasadas de 180 uma em relao outra,geram os sinais de disparo dos interruptores de uma ponte monofsica. Trs senoides defasadas

de 120 so utilizadas no comando de uma ponte inversora trifsica.

UTILIZAO DO PROGRAMA PSPICEO ambiente de programao do PSpice permite a simulao de um circuito com

modelos bem elaborados de todos os componentes, face aos recursos que o programa dispe.

Entretanto, isto exigiria muito tempo de clculo, o que foge aos propsitos de apresentar os

princpios bsicos do funcionamento e caractersticas de um conversor cc-ca. Assim, o modelodo interruptor (BJT, IGBT ou MOSFET) simplificado e aqui representado por uma chave

controlada por tenso. A figura 6 ilustra o esquema de simulao que ser utilizado.

As tenses de plo, tenso entre o ponto intermedirio de cada brao do conversor cc-ca e oponto intermedirio das fontes cc (ponto 0, indicado nas figuras 1 e 6), dependem do estado deconduo das chaves. Quando a chave S1 est em estado de conduo a tenso de plo v20 igual a tenso da fonte vi1. Se a chave S1 est em estado de bloqueio a tenso de plo v20 serigual a vi2. Generalizando, na condio de operao normal, as tenses de plo so obtidas por

( ){ } ...5,3,10, 211 =+= + kondevSvSjv ikik

ej o n intermedirio do brao (na figura 6, ns 2 e 5).

Figura 6 Esquema do circuito para simulao do conversor cc-ca monofsico

(3)


22/71


22

A aplicao de uma tcnica de modulao por largura de pulso (PWM) define o tempo

de conduo das chaves em cada intervalo de chaveamento, que por conseqncia gera cada

uma das tenses de plo chaveada, com componente fundamental igual da modulante

(referncia).

A manuteno do sincronismo entre modulante e portadora importante, e necessria,

principalmente, quando mf


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23

I.2. Determine os valores das componentes fundamentais das tenses de plo, da tenso e dacorrente na carga considerando as condies de modulao dadas no programa.

I.3. Observa-se que o modelo da chave simulada formado por um conjunto decomponentes (uma chave controlada por tenso e um diodo) conectados em antiparalelo.

Justifique, corretamente, a utilizao deste modelo.

I.4. Os ndices de modulao de amplitude e de freqncia so modificados de 0,5 para 0,9e de 9 para 25, respectivamente. Qual a influncia da modificao destes na amplitude da

componente fundamental da tenso e na gerao dos harmnicos na tenso e na corrente da

carga?

I.5. A partir das tenses de plos defasadas de 180 obtenha a expresso que especifique aamplitude a tenso na carga (v25 da figura 6) em funo de ma.

PARTE II Programa PSpice

II.1. Quais as modificaes necessrias a serem realizadas no programa dado no guiaquando se procede a mudana do ndice de modulao de freqncia mf= 9 para mf=25.

Escreva as linhas que sero modificadas com as novas especificaes. II.2. Por que as fontes vfs1e vfs2 tm ngulos de fase 10 e 190?


PARTE IA Conversorcc-ca commf=91. Simule, no PSpice, o conversor cc-ca a partir do programa dado no guia.2. No domnio do tempo, trace as curvas das tenses de plo e da tenso e corrente na

carga. Mea a amplitude da corrente na carga.

3. No domnio da freqncia, mea as amplitudes das componentes harmnicas dastenses de plo e da tenso na carga e corrente na e na carga at 2mf2.4. No domnio da freqncia, realize a anlise do comportamento das tenses de plo, da

tenso e da corrente na carga quando ma=0,9 e ma=1,5.

PARTE IB - Conversorcc-ca commf=255. Simule, no PSpice, o conversor cc-ca com ma=0,5 e mf=25.6. No domnio do tempo, trace as curvas das tenses de plo e da tenso e corrente na

carga. Mea a amplitude da corrente na carga.

7. No domnio da freqncia, mea as amplitudes das componentes harmnicas dastenses de plo e da tenso na carga e corrente na e na carga at 2mf2.

8.

No domnio da freqncia, realize a anlise do comportamento das tenses de plo, datenso e da corrente na carga quando ma=0,9 e ma=1,5.

PARTE IIA - Conversorcc-ca commf=9 - Montagem9. Para o mdulo fornecido faa as conexes para ter o conversor cc-ca ilustrado na figura

6.

10.Ajuste a freqncia da modulante para 60Hz e faa ma=0,5 e mf=9.11.Com auxlio do osciloscpio e no domnio do tempo verifique as curvas das tenses de

plo e da tenso e corrente na carga. Mea a amplitude da corrente na carga.

12.No domnio da freqncia, verifique as amplitudes das componentes harmnicasdas tenses de plo e da tenso na carga e corrente na e na carga at 2mf2.

13.No domnio da freqncia, realize a anlise do comportamento das tenses de plo, datenso e da corrente na carga quando ma=0,9 e ma=1,5


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24

PARTE IIA - Conversorcc-ca commf=25 Montagem14.Faa ma=0,5 e mf=25.15.Com auxlio do osciloscpio e no domnio do tempo verifique as curvas das tenses de

plo e da tenso e corrente na carga. Mea a amplitude da corrente na carga.

16.No domnio da freqncia, verifique as amplitudes das componentes harmnicasdas tenses de plo e da tenso na carga e corrente na e na carga at 2mf2.

17.No domnio da freqncia, realize a anlise do comportamento das tenses de plo, datenso e da corrente na carga quando ma=0,9 e ma=1,5

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

1. Edison Roberto C. da Silva, "Apostila de Eletrnica de Potncia". Campina Grande:

DEE/UFCG, 2008.

2. Ned Mohan, Tore M. Underland and William P. Robbins, Power electonics: converters,applications and Design, (2a. Edio). New York: John Wiley and Sons, 1995 .



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OBJETIVOS1. Estudar as caractersticas de operao do conversorcc-cc abaixadorcom filtro;2. Estudar as caractersticas de operao do conversorcc-cc elevadorcom filtro;3. Identificar os harmnicos presentes na fonte e na carga do sistema conversor;4.

Verificar o comportamento dos parmetros de desempenho dos conversores cc-cc.

INTRODUOOs conversores cc-cc abaixadores so utilizados no acionamento de motores de corrente

contnua/corrente contnua (com aplicaes em veculos cc) e em fontes chaveadas cc (fontes de

alimentao de computadores, televiso, etc). J os conversores cc-cc elevadores, alm deaplicaes em fontes chaveadas em que a tenso de sada maior do que a de entrada, seu

princpio tem sido muito aplicado no controle de fator de potncia.

CONVERSORcc-cc ABAIXADORO circuito da figura 1a ilustra um conversorcc-cc bsico, o qual utiliza a clula bsica de

comutao composta de duas chaves (S1 e S2). A forma de onda da tenso na carga ilustrada nafigura 1b e pode ser calculada em funo da relao cclica de chaveamento (q), dada por

(1)

Onde: tf a durao de tempo em que a chave S1 permanece fechada; T= tf+ ta o perodo que

define o ciclo de operao do circuito; e q a relao cclica de operao.

a) b)

Figura 1: a) conversorcc-cc bsico; b) forma de onda da tenso vo na carga




Guia do 5 Experimento Conversorcc-cc com Filtro

qEET

tV

f==0


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26

A chave S1 totalmente controlada (comando de conduo e de bloqueio) observando-seque, a partir do instante em que a chave S1 fechada, a tenso da fonteE aplicada sobre a carga.

Quando a chave S1 aberta a tenso sobre a carga nula. A chave S2 opera como complementarda chave S1, no entanto, a sua utilizao facultativa para cargas resistivas uma vez que no himposio de nenhuma regra para conexo da carga resistiva.

Na prtica, existe a indutncia em srie com a resistncia a qual contribui para o

aparecimento de tenso elevada na chave S1 no instante de sua abertura, quando absorve a energiada indutncia (ou dissipa), e que pode causar a sua destruio. Nesse caso realmente importante

a existncia da chave S2 que prov o caminho para a corrente de carga. As caractersticas deoperao do circuito fornecem a condio de se utilizar um diodo como chave S2 (conduo

espontnea e bloqueio espontneo), permitindo duas condies de operao: a contnua e a

descontnua. Na figura 2 so ilustradas as caractersticas de tenso e corrente na carga onde a

corrente na indutncia flui continuamente. O caso de conduo descontnua no ser tratado neste

texto.

A ondulao da tenso na carga entre 0 eEpode ser reduzida com a introduo de

um filtro passa baixa composto de um indutor e um capacitor, como ilustrado na figura 3.

No modo de operao contnua, a expresso que permite o dimensionamento da

indutnciaLo para uma determinada ondulao pico a pico da corrente na indutncia de filtro, I, fornecida por:

Figura 3: Conversorcc-cc abaixadorcom filtro passa-baixa

Figura 2 - Forma de ondas de tenso e de corrente na carga num conversorcc-cc abaixador

( )

o

LfL

qEqI

=

1


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27

(2)

ondef a freqncia de operao da chave S1 (freqncia de chaveamento,f=1/T). Se a ondulao

da corrente na carga for considerada desprezvel a ondulao da corrente no capacitor igual

ondulao da corrente no indutor. Logo, pode se escrever que, IC=IL.

O valor do capacitor de sada, Co,pode ser calculado a partir de sua ondulao de pico a

pico, VC, ou seja,

( )2

2

0 8

1

8

1

4

1

fCL

qEqTI

Cdt

I

CV

oo

L

o

T

C

=

=

=

com freqncia de corte obtida por

oo

cCL

f2

1=

Comando de um Conversorcc-cc abaixadorVrias so as possibilidades de se obter a lgica de comando necessria a um conversor

cc-cc abaixador. O princpio j estudado na Experincia 1, ou seja, o de uma dente de serracomparada com um nvel de tenso de controle pode ser utilizado. Dependendo dos sinais de

comparao, por exemplo, uma tenso positiva gerada na sada do comparador, enquanto o sinal

da dente de serra for maior do que o sinal de controle. Esta tenso a imagem da tenso de sada

do conversor cc-cc abaixador. Logo, estando a tenso em nvel alto na sada do comparador

indicativo de disparo da chave e esta entra em conduo; estando a tenso em nvel baixo (0V) indicativo de estado de bloqueio da chave.

Uma outra possibilidade a gerao de uma onda quadrada com perodo igual ao do ciclo de

chaveamento T=1/f. Essa onda quadrada permanece em nvel alto por um perodo igual ao que sedeseja que a chave permanea fechada, e em nvel baixo por todo o resto do perodo. Este sinal de

comando ser utilizado aqui neste experimento.

CONVERSORcc-cc ELEVADOREste tipo de conversor usado quando se deseja uma tenso de sada maior do que a

tenso de entrada. O circuito bsico desse conversor elevador de tenso obtido a partir da clulaelementar de comutao, indicado na figura 4. Na realidade, a fonte de corrente realizada

colocando-se uma grande indutncia (Lo) conectadaem srie com uma fonte de tenso. A carga

tipo de tenso constituda por um capacitor em paralelo com a carga (no caso exposto, uma

resistncia), o qual representa o filtro de sada. Seu modo de operao bem distinto daquele do

conversorcc-cc abaixador. No modo de conduo contnua a chave S1 fechada e a intensidade da

corrente no indutorLo aumenta linearmente. Quando a chave S1 aberta, a corrente circula porDoe o capacitor se carrega. O diodo Do polarizado reversamente e impede a descarga de Co no

instante em que a chave S1 novamente fechada. Deste modo, Co fornece, ento, a corrente decarga.

(3)

(4)


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28

O valor da tenso mdia na carga maior do queE. A reduo de tf, leva a tenso de sada

para o valorEe vo=Equando tf=0.

No modo de operao contnua, o valor deLo para um determinada ondulao da corrente

IL fornecida por

Assumindo que a corrente de carga constante durante o perodo em que chave S1 est aberta,

pode se calcularCo, considerando-se que a corrente mdia no capacitor de filtro IC=Io. Assim aondulao pico a pico da tenso,VC, em seus terminais

Comando de um Conversorcc-cc Elevador

O comando de um conversorcc-cc elevador geralmente utiliza o mesmo princpio utilizado noconversorcc-cc abaixador. Todavia, interessante observar que a existncia de um circuito de

controle sempre necessrio para este circuito, dado ao fato que a tenso de sada sensvel a

carga e, o tempo de conduo da chave deve observar a tenso de sada desejada. Adiciona-se

tambm a caracterstica que a chave no opera em srie com a fonte e um comando inadequado da

chave pode levar a tenso de sada a nveis perigosos.


Figura 4 Conversorcc-cc elevador

q

E

tT

ET

Vf

o == 1

o

LfL

qEI =

====ft

o

o

o

o

o

fo

C

o

cfC

qI

C

qTI

C

tIdtI

CV

0

1

(5)

(6)

(7)


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29

PARTE I Conversorcc-cc abaixador

I.1. O conversorcc-cc abaixador ilustrado na figura 3, opera com freqncia de chaveamentode 50kHz. A tenso da fonte 24Ve a relao cclica q = 0,25. Sabendo que a resistncia da

carga Ro = 10e que o conversor opera no modo de conduo contnua:a) qual o valor mdio da tenso de sada?b) qual o valor mdio da corrente na chave?c) qual o valor da indutncia de filtroLo, para que a ondulao de corrente nesta seja

inferior a 5% ?

d) qual o valor do capacitor de filtro para garantir ondulao mxima da tenso sobrea carga de 2%?

I.2. Calcule os coeficientes de Fourier para a tenso no diodo Do (vD) nas condies deoperao especificadas na proposio I.1.

I.3. Com as mesmas condies de fonte, carga e freqncia da proposio I.1 calcule o valormdio da tenso de sada quando q=0,275.

PARTE II Conversorcc-cc elevador

II.1. Seja o conversor cc-cc elevador da figura 4, alimentado por uma fonte de tenso de 24V.A tenso mdia de sada 120Ve a resistncia de carga 120. O circuito opera com umafreqncia de chaveamento de 50kHze no modo de conduo contnua. Determine:

a) qual a relao cclica de chaveamento q?b) qual a corrente mdia de carga?c) qual o valor da corrente mdia da fonte?d) qual o valor de indutncia que permite a obteno da tenso mdia de sada

desejada com ondulao mxima de 5% na corrente da indutncia.

e)qual o valor do capacitor de filtro a ser utilizado no conversor para que aondulao mxima da tenso de sada seja 2%.

PARTE III - PROGRAMA PSpice

III.1. Considere o conversorcc-cc abaixador da figura 3 e os parmetros determinadosna PARTE I. A partir destes dados, escreva um programa para o ambiente do PSpice

onde: a chave utilizada possui uma resistncia de conduo de 0,01 e uma

resistncia de bloqueio de 200 k ; o valor da resistncia do circuito de comando da

chave 1 k; o sinal de comando uma onda quadrada de tempo de retardo nulo,

tempo de subida e descida iguais a 0,01 s e o tempo de durao obtido a partir do qespecificado; a amplitude do sinal de comando varia de -10 a 15V. Os resultados

sero observados no intervalo de 2,0ms a 2,1ms e os clculos feitos com um passo de

0,5s.

III.2. Considere o conversorcc-cc abaixador da figura 4 os parmetros determinadosna PARTE II. A partir destes dados, escreva um programa para o ambiente do PSpice

onde: a chave utilizada possui uma resistncia de conduo de 0,01 e uma

resistncia de bloqueio de 200 k; o valor da resistncia do circuito de comando da

chave 1 k; o sinal de comando uma onda quadrada de tempo de retardo nulo,

tempo de subida e descida iguais a 0,01 s e o tempo de durao obtido a partir do qespecificado; a amplitude do sinal de comando varia de -10 a 15V. Os resultadossero observados no intervalo de 9,0ms a 9,1ms e os clculos feitos com um passo de

0,5s.


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PARTE IA Conversorcc-cc abaixador

1. Simule, no PSpice, o conversorcc-cc abaixador a partir do programa escrito na Parte IIIda preparao.

2. No domnio do tempo, trace as curvas: da tenso na fonte, na carga e na chave S1 nodiodo; da corrente na fonte e na carga. Anote os valores das amplitudes e dos instantes de

transio. Mea as ondulaes da corrente na indutncia e da tenso na.

3. No domnio da freqncia, mea os valores mdios: da tenso na fonte, na carga, na chaveS1 e no diodo; da corrente na fonte e na carga.

4. No domnio da freqncia com q=0.275 mea o valor da tenso mdia na carga.PARTE IB Conversorcc-cc elevador

5. Simule, no PSpice, o conversorcc-cc elevador a partir do programa escrito na Parte III dapreparao.

6. No domnio do tempo, trace as curvas da tenso e da corrente na carga, na indutncia e nachave S1, anotando os valores das amplitudes e dos instantes de transio. Mea asondulaes da tenso na carga e da corrente na indutncia.

7. No domnio da freqncia, mea os valores mdios: da tenso e da corrente na fonte e nacarga; da tenso na indutncia; da corrente no capacitor e na chave.

PARTE IIA - Conversorcc-cc abaixador - Montagem

8. Para o mdulo fornecido faa as conexes para ter o conversorcc-cc abaixador ilustradona figura 3.9. Ajuste a freqncia de chaveamento para 50kHz e faa q=0,5.10.Com auxlio do osciloscpio e no domnio do tempo verifique as curvas da tenso e da

corrente na carga, na indutncia e na chave S1.

11.Mea as tenses mdias sobre a carga, indutncia e diodo de circulao.12.Com q=0,275 mea o valor da tenso mdia na carga.

PARTE IIB - Conversorcc-cc elevador - Montagem13.Para o mdulo fornecido faa as conexes para ter o conversorcc-cc elevador ilustrado na

figura 4.

14.Ajuste a freqncia de chaveamento para 50kHz e faa q=0,8.15.Com auxlio do osciloscpio e no domnio do tempo verifique as curvas da tenso e da

corrente na carga, na indutncia e na chave S1.

16.Mea as tenses mdias sobre a carga e indutncia .

BIBLIOGRAFIA


2. Edison Roberto C. da Silva, Apostila de Eletrnica de Potncia. Campina Grande:DEE/UFCG, 2008;


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31


Applications and Design. New York, John Wiley & Sons Inc., 1995;

4. Hwei P. Hsu,Fourier Analysis. New York, Simon and Schuster Tech Outlines.


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OBJETIVOS:1. Estudar as caractersticas de operao dos retificadores bifsicos controlados;2. Estudar as caractersticas de operao do diodo de circulao livre;3. Identificar os harmnicos gerados para a carga e para a fonte pelo conversor;4. Sedimentar os conceitos de unidirecionalidade e bidirecionalidade de tenso e de corrente,


INTRODUAOA distribuio de energia eltrica, quase que universalmente, feita por sistemas de corrente

alternada (ca) havendo assim uma necessidade bsica de conversores ca-cc (retificadores) para

milhares de aplicaes que necessitam de fontes de tenso cc. Como resultado desta demanda, os

retificadores so, atualmente, os equipamentos mais comuns de converso de tenso. Seu campo de

aplicao abrange desde simples carregadores de telefones celulares (3W) at sofisticadas fontes cc de

alta potncia para centrais telefnicas, metrs, aplicaes eletroqumicas, sistemas de transmisso de

energia eltrica (centenas de megawatts).

No longo dos anos foram desenvolvidos vrios circuitos bsicos de retificadores monofsicose trifsicos. A escolha do circuito bsico a ser empregado em determinada aplicao deve levar em

considerao fatores tais como: custo, potncia, ondulao na sada e os harmnicos. Geralmente, os

circuitos monofsicos so usados em aplicaes de pequenas potncias e custos baixos. Por outro

lado, os circuitos trifsicos so mais usados em aplicaes sofisticadas, que exigem pequena

ondulao na tenso de sada, altas correntes de sada e eliminao de harmnicos de ordem inferior.

Nesta experincia, so estudados os funcionamentos e as caractersticas dos circuitos

retificadores bifsicos sem e com diodo de circulao livre, usando dois conversores ca-cc

abaixadores simtricos em 180. Em todas as montagens e discusses sero usadas chaves genricas

explorando o conceito de bidirecionalidade de tenso e unidirecionalidade de corrente, tipo SCR's,

porm os resultados podem ser aplicados a circuitos que usam apenas diodos, fazendo-se o ngulo de

disparo igual ao zero.

CIRCUITO DE ONDA COMPLETAO circuito ca-cc bifsico (tambm chamado retificador bifsico de meia-onda) composto de

dois conversores ca-cc abaixadores bsicos (tambm denominados retificadores de meia-onda,

ilustrado na figura 1), conectados a uma nica carga como o ilustrado na figura 2. A sua estrutura

consiste de duas fontes ca defasadas de 180 entre si; duas (ou trs) chaves (S1 a S2ou S1 a S3) e carga.

Um transformador com derivao intermediria normalmente usado para obter o defasamento de

180 entre as fontes vi1 e vi2. Por esta razo, este circuito , tambm, freqentemente chamado de

retificador com derivao intermediria. As chaves S1 e S2 so bidirecionais em tenso e

unidirecionais em corrente. A chave S3 do tipo unidirecional em tenso e em corrente e tem como

funo principal prover o caminho de corrente quando a carga possui alguma componente de

impedncia indutiva.Os conversores ca-cc abaixadores bifsicos podem operar em um dos dois modos distintos:

corrente de carga contnua e corrente de carga descontnua



DISCIPLINA: Laboratriode Eletrnica de Potncia

Guia do 6 Experimento - Retificador bifsico com cargaRL


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33

MODO DE CONDUAO DESCONTNUAO modo de operao obtido quando o ngulo de conduo (=) menor que 180, ou

seja, uma das chaves S1 ou S2cessa de conduzir antes que seja enviado um comando para conduo da

outra. Nesse caso, a corrente de carga se anula durante algum intervalo de tempo em cada semi-ciclo.As formas de onda de tenso na fonte e na carga e da corrente na carga para este modo de operao

so ilustradas na figura 3. A tenso sobre cada uma das chaves S1 ou S2 obtida subtraindo-se da

tenso sobre a carga a parcela da tenso da fonte de alimentao equivalente a esta chave, como por

exemplo, vS 111= v i1 - vo.

A corrente circulando no circuito fornecida por

Figura 1: Conversorca-cc abaixador bsico

Figura 2: Conversorca-cc abaixador bifsico.

Figura 3 Formas de ondas para o modo de operao descontnua: das tenses nas fontes e na

carga (superior); e corrente na carga (inferior).


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34

(1)

Assim, a expresso para o ngulo de conduo e para o ngulo de extino=+, obtida fazendo-se

i(t=)=0 na expresso (1) de modo que se obtm

(2)

Onde

=

o

o

R

Ltg

1

A equao (2) mais facilmente utilizada quando apresentada na forma de curvas, como

ilustrado na figura 4. Observe que o ngulo de conduo depende dos parmetros de resistncia e

indutncia da carga (Ro eLo), e do ngulo (o qual se denomina ngulo de disparo) a partir do qual sedefine o estado de conduo das chaves. O ngulo de conduo aumenta medida que o ngulo de

disparo diminui. Assim, diminuindo o valor de , atinge-se um determinado ponto no qual ser180. Neste ponto, S1, deixa de conduzir exatamente no instante em que S2 comea a conduzir e a

corrente de carga est a ponto de tornar-se contnua. O valor do ngulo de disparo para o qual isto

ocorre chamado de ngulo crtico de disparo c porque, neste ponto, o circuito opera no limite dosseus dois modos de operao. Pode-se obter uma expresso para c a partir da expresso (2), fazendo-se =. O valorc pode tambm ser estimado pelas curvas da figura 4 por meio do ponto em que acurva, correspondente aos parmetros da carga em questo, atinge a linha de =180.

No caso do conversorca-cc abaixador bsico da figura 1, o valor mdio normalizado de i,

em relao aZVp , iN, pode ser calculado a partir da equao (1) ou de

(3)

onde =+ e 22 )( oo LRz += . Uma famlia de curvas de iN versus para vrios valores de

obtidos da equao (3) ilustrada na figura 5a, para o caso do conversorca-cc abaixador bsico (ver

figura 1).

Tambm, a partir da equao (1), o valor normalizado da corrente eficaz da sada, no caso do

conversorca-cc abaixador bsico, dada por

ou

(4)

Uma famlia de curvas deINversus ilustrada na figura 5b.

( ) ( ) ( )

=

2

2

1 tgt

NesentsenI

( ) ( ) ( )

=

tg

t

N esentseni

( ) ( )

=+ oo

L

R

esensen

( ) ( ) ( ) ( )

=

tg

t

pesentsen

Z

Vti

( )( )

cos

2sen ++=NI


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Entretanto, no retificador bifsico existem dois pulsos de corrente por ciclo de tenso dafonte. Portanto, o valor mdio normalizado para a corrente igual a duas vezes o valor obtido atravsda figura 5a, ou seja,

(5)

e o valor RMS normalizado da corrente de sada igual a 2 vezes aquele obtido com a ajuda dafigura 5b, sendo

(6)

Figura 5 Curvas para determinao da corrente normalizada quando e variveis para um

conversorca-cc abaixador bsico (sada em meia onda): a) curvas de corrente mdia;

b) curvas de corrente eficaz.

Figura 4 Curvas para determinao do ngulo de conduo em funo do ngulo de disparo e da carga

a) b)

No iZ

Ei

22=

NI

ZEI 22=


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MODO DE CONDUAO CONTINUAUma vez que c tenha sido determinado para certa carga, a escolha de valores de ngulo de

disparo inferiores a c asseguram uma corrente contnua sobre a carga. Formas de onda de tenso

sobre a carga e corrente de carga para este modo de operao so ilustradas na figura 6.

No caso de conduo contnua na carga, o valor mdio de tenso sobre a carga proporcional

ao cosseno do ngulo de disparo. Assim, se for maior que 90, e a carga indutiva for suficiente paraassegurar conduo contnua em tal valor de , a tenso mdia de sada ser, ento, negativa. Como a

corrente na carga s pode ser positiva, a potncia mdia de sada do circuito torna-se negativo, ou

seja, o circuito funciona como um retificador inversor, transferindo potncia cc da carga (uma vez que

ele seja capaz de fornecer energia, mesmo que fosse temporariamente) para a fonte ca.

Para a condio de conduo contnua o valor da corrente mdia na carga

o

o

R

VI =_

, uma

vez que a tenso mdia nos terminais do indutor nula, ou seja,

(7)

A tenso instantnea sobre a carga pode ser expressa em srie de Fourier como

(8)

onde

, e e, h indica a ordem do harmnico e ah e bh so os

coeficientes de Fourier.

O conhecimento de ch permite a determinao da amplitude de cada componente harmnico

da corrente, que dado por

Figura 6 Formas de ondas das tenses nas fontes e sobre a carga (superior) e da corrente na carga

(inferior), para o modo de conduo contnua.

( )

cos22 V

Vo =

( )h

h

hoo thcVv +=

=

cos1

22

hhhbac +=

=

h

h

hb

atg 1


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37

(9)

Assim, o valor eficaz de cada componente harmnica

(10)

e o valor eficaz da corrente na carga

(11)

ondeI1 o valor eficaz da componente alternada, calculado por

(12)

OPERAAO COM DIODO DE CIRCULAOA operao do circuito, com o diodo de circulao, realizada com a conexo da chave S3 do

circuito ilustrado na figura 2, onde S3 um diodo em antiparalelo com a carga. As formas de ondas

para o circuito operando com diodo de circulao so ilustradas na figura 7. Agora, as chaves S1 e S2

conduzem a corrente de carga desde o instante em que disparado at o final do semiciclo. A partir do

incio do prximo semiciclo a corrente de carga passa a circular pelo diodo de circulao at que a

chave conectada a fonte que tem tenso positiva seja disparada. Observe que, um circuito com diodo

de circulao no pode funcionar como retificador inversor uma vez que este diodo no permite que a

tenso sobre a carga seja negativa.

UTILIZAO DO PROGRAMA PSPICENa condio prtica, a lgica de comando do conversor gerado por um circuito analgico

utilizando componentes discretos (resistores, capacitores, indutores transistores, diodos

amplificadores operacionais e etc) ou por circuitos integrados (microprocessadores,

microcontroladores ou microcomputador). Todavia, qualquer que seja o ambiente utilizado para

gerao da lgica de comando, o sinal de acionamento das chaves S1 e S2 esto sincronizados com as

2

h

h

dI =

22

soIII +=

=

=simon

h

hs II1

2

Figura 7 Formas de ondas das tenses nas fontes e sobre a carga (superior) e da corrente na carga

(inferior), para o modo de conduo contnua.

( )22 oo

hh

LhR

cd

+=


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tenses das fontes na passagem por zero, com derivada positiva. Geram-se, a partir desta condio de

sincronismo, sinais de comandos defasados de 180.

Obedecendo este princpio possvel escrever um programa no ambiente PSpice que simule o

conversorca-cc como:

Programa RETBIRL.CIR*Programa para simulao de um retificador bifsico* Carga RL usando SCR* fontes de tensoVvi1 1 0 sin(0 150 60)Vvi2 0 4 sin(0 150 60)* Resistncia de cargaRro 2 3 40* Indutncia de cargaLlo 3 0 54m* Diodos em srie com as chavesDsk1 5 2 moddiodos

Dsk2 6 2 moddiodos.model moddiodos D* Chaves controladas por tensosk1 1 5 7 0 modchavessk2 4 6 8 0 modchaves.model modchaves vswitch(Ron=0.01 Roff=200e3 Von=0.1 Voff=0.0)* Circuito de comandoRcv1 7 0 1kRcv2 8 0 1k* fontes de controleVC1 7 0 pulse(0 10 4.167m 0 0 8.333m 16.667m)VC2 8 0 pulse(0 10 12.5m 0 0 8.333m 16.667m).tran 10u 50m 33.333m 10u.probe.end

PREPARAO DO EXPERIMENTO

PARTE I - PROGRAMA PSpice

I.1. A partir do programa para o conversor ca-cc abaixador da figura 2 (retificador bifsico) para o ambiente do PSpice escrito no guia, desenho o circuito eltricoequivalente e determine o ngulo de disparo das chaves.

I.2. Justifique, corretamente, a utilizao de cada uma das 4 variveis utilizadas nocomando . tran (.tran 10u 50m 33.333m 10u).

Parte II - Retificador II.1. Qual a freqncia bsica de pulsao da tenso da carga. Por qu? II.2. Qual a mxima tenso reversa que pode ocorrer sobre as chaves S1 e S2? II.3. Quais as vantagens da utilizao do diodo de circulao? Por qu? II.4. Por que se despreza o termo de componente reativa da impedncia da carga no

clculo da corrente mdia na carga?


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Alguns dados utilizados na experinciaFonte ca: 110 Volts, 60 Hz, isolada. SCR: 2N2326, 1,6 A RMS, VDRM= VRRM= 200 V,IGT= 10 A, Vcp= 0,5 V

Tpico Vcp: Obtido atravs de potencimetro: de preciso de 10 voltas ou linear; com valormximo de 100 k (dependendo do mdulo). Carga composta por uma indutnciaLo = 54mH e uma lmpada de 110 V, com uma resistncia

aproximada de 40 (Ro 40 ); Circuito de comando: amplitude mxima da dente-de-serra = Vcp = 12 V

PARTE IA Simulao do retificador bifsico sem diodo1. Simule, no ambiente do PSpice, o retificador bifsico com os valores da preparao sem a

insero da chave S3.

2. No domnio do tempo, trace as curvas da tenso e da corrente na fonte, na carga, naresistncia, na indutncia e na chave S1, (modelo completo - modelo chave mais diodo)

anotando os valores das amplitudes e dos instantes de transio.

3. No domnio da freqncia, mea os valores mdios da tenso e da corrente na fonte, nacarga, na resistncia, na indutncia e na chave S1, assim como os valores das componentes

harmnicas at a nona (considere como base a freqncia da fonte).

4. Repita os itens 1 e 2 para um ngulo de disparo menor que o ngulo crticoPARTE IB Simulao do retificador bifsico com diodo

5. Simule, no ambiente do PSpice, o retificador bifsico com os valores da preparao com ainsero da chave S3 (diodo de circulao).

6. No domnio do tempo, trace as curvas da tenso e da corrente na fonte, na carga, naresistncia, na indutncia e na chave S1, (modelo completo - modelo chave mais diodo)

anotando os valores das amplitudes e dos instantes de transio.

Parte IIA Modulo Retificador sem diodo7. Monte em seu painel o circuito da figura 2 sem conectar o diodo de circulao Do.8. Ajuste o potencimetro do mdulo para obter=90. A forma de onda da corrente na

carga observada indiretamente atravs da tenso na lmpada (vR=iR). Mea o valor

da tenso mdia na carga (indutncia + resistncia) e na lmpada. Mea o valor da

resistncia da lmpada e anote o valor da indutncia utilizada.

9. Com auxlio do osciloscpio verifique as curvas e os harmnicos das tenses na fonte,na carga, na resistncia, na indutncia e na chave S1.

10. Diminua o valor de at que a corrente de carga esteja no limite de tornar-secontnua. Mea e anote este valor de ngulo crtico de disparo, c.

11.Para 10


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OBJETIVOS:1. Estudar as caractersticas de operao dos retificadores monofsicos simtricos;2. Identificar os harmnicos gerados para a carga e para a fonte pelo conversor;3. Sedimentar os conceitos de unidirecionalidade e bidirecionalidade de tenso e de corrente,

empregados em eletrnica de potncia.INTRODUO

Os retificadores bifsicos de meia onda (tambm chamados monofsicos de onda completaem meia ponte ou, ainda, com transformador de sada intermediria) necessitam de umtransformador. Nestes conversores a tenso na carga aparece com freqncia de pulsao duas vezes da fonte. Os mesmos resultados podem ser obtidos com uma ponte retificadora monofsica, que

pode funcionar sem transformador de alimentao. Os retificadores monofsicos em ponte seconstituem nos representante mais simples dos retificadores em ponte e podem ser considerados

bsicos para o entendimento de sua verso trifsica. Todos os estudos de conduo contnua oudescontnua realizados nos retificadores bifsicos aplicveis s pontes retificadoras monofsicas e

por essa razo no sero repetidos nesta experincia.

Nesta experincia so estudados o funcionamento e as caractersticas dos circuitosretificadores controlados em ponte com operao sem e com diodo de circulao. Em todas asmontagens e discusses sero usados SCR`s, porm os resultados podem ser aplicados a circuitosque usam apenas diodos, fazendo-se o ngulo de disparo igual a zero. Tambm, nessas estruturas,

podem ser utilizados interruptores de disparo e bloqueio controlados, desde que sejam introduzidosdiodos em srie com os mesmos, no caso de o interruptor em pauta ser unidirecional em tenso.

RETIFICADORES CONTROLADOS EM PONTE MONOFSICA SIMTRICA

Um circuito em ponte simtrica se caracteriza por utilizar apenas SCR`s como elemento depotncia, na ponte propriamente dita. freqentemente chamada de ponte totalmente controlada. Aponte pode, ou no, possuir diodo de circulao.

Operao sem diodo de circulaoUma caracterstica importante da ponte simtrica sem diodo de circulao sua capacidade

de poder operar como inversor. Um circuito de ponte simtrica deste tipo ilustrado na figura 1a.Os SCR`s conduzem aos pares e, portanto, devem ser disparados simultaneamente (por esta razo que cada um dos dois canais do circuito de disparo possui duas sadas). Os parmetros de carga e dengulo de disparo definem dois modos de conduo de corrente de carga: modo descontnuo; emodo contnuo. As figuras 1b e 1c ilustram as caractersticas de tenso na fonte e na carga, ecorrente na carga para os modos descontnuo e contnuo de conduo, respectivamente.



DISCIPLINA: Laboratriode Eletrnica de Potncia

Guia do 7 Experimento - Retificadores monofsicos em pontecompleta simtricos


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Figura 1 Retificador monofsico em ponte simtrica sem diodo de circulao: a) diagramade circuito; b) curvas caractersticas para regime de conduo descontnua; c) curvascaractersticas para regime de conduo contnua.

b)

a

c)


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43

Operao com diodo de circulao

Um retificador totalmente controlado com diodo de circulao ilustrado na figura 2a. Estatopologia de circuito no permite o aparecimento de tenso negativa na carga o que impede oconversor de operar como retificador inversor. Um par de SCR conduz a corrente de carga paracada semiciclo equivalente desde o instante em que so disparados at o final do semiciclo. A partirdo incio do prximo semiciclo a corrente de carga passa a circular pelo diodo de circulao at queo prximo SCR seja disparado. As caractersticas de tenso da fonte; tenso e corrente so ilustradasna figura 2b

PREPARAO DO EXPERIMENTO

PARTE I Retificador Monofsico Simtrico sem Diodo de Circulao I.1. Considere que L>>R para o conversor da figura 1a. Sabendo-se que o ngulo de

disparo igual a 60esboce as formas de onda das correntes ia, iS1 e iS2. I.2. Para as mesmas condies do item I.1 esboce as formas de onda das tenses vo, vS1 e

vS2. I.3. Com relao ao retificador bifsico quais as diferenas que podem ser observadas

com relao corrente na fonte e as tenses nas chaves?

a)

Figura 2 Ponte simtrica com diodo de circulao: a) diagrama de circuito; b) curvascaractersticas.

b)


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PARTE II Retificador Monofsico Simtrico com Diodo de Circulao II.1. Considere que L>>R para o conversor da figura 2a. Sabendo-se que o ngulo de

disparo igual a 60esboce as formas de onda das correntes ia, iS1 e iS2. II.2. Para as mesmas condies do item II.1 esboce as formas de onda das tenses vo, vS1

e vS2.

II.3. Considerando o caso em que todos os dispositivos semicondutores tm comocaracterstica uma corrente mnima de sustentao para garantir a conduo. Existealgum ngulo de disparo que possibilite a conduo descontnua quando se utiliza oretificador da figura 2a?


Alguns dados utilizados na experinciaFonte ca: 110 Volts, 60 Hz, isolada. SCR: 2N2326, 1,6 A RMS, VDRM= VRRM= 200 V,IGT= 10 A, Vcp= 0,5 V Tpico Vcp: Obtido atravs de potencimetro: de preciso de 10 voltas ou linear; com valor

mximo de 100 k (dependendo do mdulo). Carga composta por uma indutncia Lo = 54mH e uma lmpada de 110 V, com uma

resistncia aproximada de 40 (Ro 40 ); Circuito de comando: amplitude mxima da dente-de-serra = Vcp = 12 V

Parte I Modulo Retificador sem diodo1. Monte em seu painel o circuito da figura 1a.2. Ajuste o potencimetro do mdulo para obter=90. A forma de onda da corrente

na carga observada indiretamente atravs da tenso na lmpada (vR=iR). Mea ovalor da tenso mdia na carga (indutncia + resistncia) e na lmpada. Mea ovalor da resistncia da lmpada e anote o valor da indutncia utilizada.

3. Com auxlio do osciloscpio verifique as curvas e os harmnicos das tenses nafonte, na carga, na resistncia, na indutncia e na chave S1.4. Diminua o valor de at que a corrente de carga esteja no limite de tornar-secontnua. Mea e anote este valor de ngulo crtico de disparo, c.

5. Para 10


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OBSERVAES A SEREM REALIZADAS APS A EXPERINCIA Comente e explique o motivo das diferenas encontradas nas formas de onda da tenso de

sada (por exemplo, qual a razo da diferena dos valores mdios medidos nos circuitos dasfiguras 1 e 2, para os trs ngulos de disparo).

Comente e explique o motivo das diferenas encontradas nas formas de onda das tensesaplicadas sobre os SCR`s e diodos.

Comente e explique o motivo das diferenas encontradas nas formas de onda da corrente decarga, nos circuitos das figuras 1 e 2, para os trs ngulos de disparo.

BIBLIOGRAFIA1. J. Scheeffer, "Rectifier Circuits - Theory & Design", John Wiley and Sons, New York,

1965.2. F. Gentry, "Semiconductor Controlled Rectifiers, Principles & Applications of p-n-p-n

Devices". New York: Prentice-Hall, 1964.

3. 2. D.R. Grafham and J.C. Hey (editors), "SCR Manual", 5th Edition. New York: GeneralElectric, 1972.


5. Edison Roberto C. da Silva, Apostila de Eletrnica de Potncia. Campina Grande:DEE/UFCG, 2008.

6. Ned Mohan, Tore M. Undeland e William P Robbins, Power Electronics Converters,Applications and Design. New York, John Wiley & Sons Inc., 1995.

7. Hwei P. Hsu, Fourier Analysis. New York, Simon and Schuster Tech Outlines8. S.B. Dewan, "Power Semiconductor Circuits", John Wiley and Sons, New York, 1975.

TRABALHO POSTERIOR A EXPERINCIA1. Comente e explique o porque das diferenas encontradas nas formas de onda da tenso de

sada (por exemplo, qual a razo da diferena dos valores mdios medidos nos circuitos dasfiguras 1 e 2, para os trs ngulos de disparo).

2. Comente e explique o porque das diferenas encontradas nas formas de onda das tensesaplicadas sobre os tiristores e diodos.

3. Comente e explique o porque das diferenas encontradas nas formas de onda da corrente decarga, nos circuitos das figuras 1 e 2, para os trs ngulos de disparo.

4. Explique como as formas de onda de tenso podem confirmar os circuitos equivalentes quedefinem a operao de cada um dos circuitos das figuras 3 a 5.

5. Faa comentrios sobre seus resultados utilizando o circuito da figura 6 (controlador detenso CA).

6. Comente tudo o que julgar pertinente em relao sua experincia, sem se fixar apenas nositens das partes I e II.


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OBJETIVOS:1. Estudar as caractersticas de operao dos retificadores monofsicos assimtricos;2. Identificar os harmnicos gerados para a carga e para a fonte pelo conversor;3. Sedimentar os conceitos de unidirecionalidade e bidirecionalidade de tenso e de corrente,


INTRODUOO uso de retificadores monofsicos bem difundido em aplicaes domsticas. Algumas

topologias permitem a reduo de custos utilizando-se uma combinao chaves controladas e no

controladas como os retificadores em pontes mistas.

Neste experimento so estudados o funcionamento e as caractersticas

caderno global dos guias do lab de eletrônica de potência

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