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3. CONVERSORES CA-CC - RETIFICADORESEste captulo se inicia com uma reviso de alguns conceitos bsicos dos retificadores. Este assunto j deve ter sido objeto de estudo em cursos de graduao, razo pela qual no se faz uma anlise aprofundada dos mesmos. O foco deste tpico estudar novas estruturas de retificadores e suas aplicaes. O fornecimento de energia eltrica feito, essencialmente, a partir de uma rede de distribuio em corrente alternada, devido, principalmente, facilidade de adaptao do nvel de tenso por meio de transformadores. Em muitas aplicaes, no entanto, a carga alimentada exige uma tenso contnua. A converso CA-CC realizada por conversores chamados retificadores. Os retificadores podem ser classificados segundo a sua capacidade de ajustar o valor da tenso de sada (controlados x no controlados); de acordo com o nmero de fases da tenso alternada de entrada (monofsico, trifsico, hexafsico, etc.); em funo do tipo de conexo dos elementos retificadores (meia ponte x ponte completa). Os retificadores no-controlados so aqueles que utilizam diodos como elementos de retificao, enquanto os controlados utilizam tiristores ou transistores. Usualmente topologias em meia ponte no so aplicadas. A principal razo que, nesta conexo, a corrente mdia da entrada apresenta um nvel mdio diferente de zero. Tal nvel contnuo pode levar elementos magnticos presentes no sistema (indutores e transformadores) saturao, o que prejudicial ao sistema. Topologias em ponte completa absorvem uma corrente mdia nula da rede, no afetando, assim, tais elementos magnticos. A figura 3.1 mostra o circuito e as formas de onda com carga resistiva para um retificador monofsico com topologia de meia-ponte, tambm chamado de meia-onda.Corrente mdia de entrada Vo Vi=Vp.sen(wt) + Vo0V

Tenso de entrada

Figura 3.1 Topologia e formas de onda (com carga resistiva) de retificador monofsico nocontrolado, meia-onda. 3.1 Retificadores no controlados

A figura 3.2 mostra topologias de retificadores a diodo (no-controlados). Neste caso no h possibilidade de controlar a tenso de sada devido ausncia de interruptores controlveis. Tm-se os 3 tipos bsicos de carga: resistiva, capacitiva e indutiva. Com carga resistiva (fig. 3.2.a) as formas de onda da tenso e da corrente na sada do retificador e na carga so as mesmas, como mostrado na figura 3.3. A corrente de entrada apresenta-se com a mesma forma e fase da tenso. Um retificador com carga capacitiva (fig. 3.2.B) faz com que a tenso de sada apresentese alisada, elevando o seu valor mdio em relao carga resistiva. O capacitor carrega-se com a tenso de pico da entrada (desprezando a queda nos diodos). Quando a tenso de entrada se torna menor do que a tenso no capacitor os diodos ficam bloqueados e a corrente de sada fornecida exclusivamente pelo capacitor, o qual vai se descarregando, at que, novamente, a tenso de

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entrada fique maior, recarregando o capacitor. A forma de onda da corrente de entrada muito diferente de uma senide, apresentando pulsos de corrente nos momentos em que o capacitor recarregado, como mostrado na figura 3.4. Para o retificador com carga indutiva (fig. 3.2.C), a carga se comporta como uma fonte de corrente. Dependendo do valor da indutncia, a corrente de entrada pode apresentar-se quase como uma corrente quadrada, como mostrado na figura 3.5. Para valores reduzidos de indutncia, a corrente tende a uma forma que depende do tipo de componente sua jusante. Se for apenas uma resistncia, tende a uma senide. Se for um capacitor, tende forma de pulso, mas apresentando uma taxa de variao (di/dt) reduzida.

+ Vp.sin(t) Vo=Vr Vp.sin(t)

+ Vo Vp.sin(t)

+ Vr

+ Vo

(a)

(b)

(c)

Figura 3.2 Retificadores monofsicos no-controlados, de onda-completa.200V

Tenso na sada

100V

0V 200V

Tenso na entrada

0V

-200V 0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms

Figura 3.3. Formas de onda para retificador com carga resistiva.

Corrente de entrada

Tenso de sada (Vo)

Tenso de entrada

Figura 3.4 Formas de onda para retificador monofsico no-controlado, onda completa, com carga capacitiva.

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Tenso de entrada

Corrente de entrada resistivo dominante

capacitivo dominante

indutivo dominante

Figura 3.5. Formas de onda no lado CA para retificador monofsico, onda-completa, nocontrolado, alimentando carga indutiva. 3.1.1 Retificadores no-controlados com entrada trifsica Quando a potncia da carga alimentada se eleva, via de regra so utilizados retificadores trifsicos, como mostra a figura 3.6, a fim de, distribuindo a corrente entra as 3 fases, evitar desequilbrios que poderiam ocorrer caso a corrente fosse consumida de apenas 1 ou 2 fases. Neste caso a corrente fornecida, a cada intervalo de 60 graus, por apenas 2 das 3 fases. Podero conduzir aquelas fases que tiverem, em mdulo, as 2 maiores tenses. Ou seja, a fase que for mais positiva, poder levar o diodo a ela conectado, na semi-ponte superior, conduo. Na semi-ponte inferior poder conduzir o diodo conectado s fase com tenso mais negativa. Pela fase com tenso intermediria no haver corrente. A figura 3.7 mostra formas de onda tpicas considerando que o lado CC composto, dominantemente, por uma carga resistiva, indutiva ou capacitiva. No primeiro caso a corrente segue a mesma forma da tenso sobre a carga, ou seja, uma retificao de 6 pulsos. Quando um filtro indutivo utilizado, tem-se um alisamento da corrente, de modo que a onda apresenta-se praticamente retangular. J com um filtro capacitivo (mantendo ainda uma pequena indutncia srie), tem-se os picos de corrente. Com o aumento da indutncia tem-se uma reduo dos picos e, eventualmente, a corrente no chega a se anular.

Lo + Vr Co + Vo

Figura 3.6 Retificador trifsico, onda completa, no controlado.

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Tenso

carga dominante resistiva

carga dominante indutiva

carga dominante capacitiva

Figura 3.7 Formas de onda no lado CA para retificador trifsico, onda-completa, no-controlado, alimentando diferentes tipos de carga. 3.4 Fator de Potncia A atual regulamentao brasileira do fator de potncia estabelece que o mnimo fator de potncia (FP) das unidades consumidoras de 0,92, com o clculo feito por mdia horria. O consumo de reativos alm do permitido (0,425 VArh por cada Wh) cobrado do consumidor. No intervalo entre 6 e 24 horas isto ocorre se a energia reativa absorvida for indutiva e das 0 s 6 horas, se for capacitiva. 3.4.1 Definio de Fator de Potncia Fator de potncia definido como a relao entre a potncia ativa (P) e a potncia aparente (S) consumidas por um dispositivo ou equipamento, independentemente das formas que as ondas de tenso e corrente apresentem, desde que sejam peridicas (perodo T). 1 v ( t ) ii ( t ) dt P T i FP = = S VRMS I RMS

(3.1)

Em um sistema com formas de onda senoidais, a equao anterior torna-se igual ao cosseno da defasagem entre as ondas de tenso e de corrente:FPsen o = cos

(3.2)

Quando apenas a tenso de entrada for senoidal, o FP expresso por: cos 1 (3.3) I RMS onde I1 o valor eficaz da componente fundamental e 1 a defasagem entre esta componente da corrente e a onda de tenso. Neste caso, a potncia ativa de entrada dada pela mdia do produto da tenso (senoidal) por todas as componentes harmnicas da corrente (no-senoidal). Esta mdia nula para todas as harmnicas exceto para a fundamental, devendo-se ponderar tal produto pelo cosseno da defasagem entre a tenso e a primeira harmnica da corrente. Desta forma, o fator de potncia expresso como a relao entre o valor eficaz da componente fundamental da corrente e a corrente eficaz de entrada, multiplicado pelo cosseno da defasagem entre a tenso e a primeira harmnica da corrente. FPVsen o

=

I1

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A relao entre as correntes chamada de fator de forma e o termo em cosseno chamado de fator de deslocamento. Por sua vez, o valor eficaz da corrente de entrada tambm pode ser expresso em funo das componentes harmnicas:2 I RMS = I1 + I 2 n n=2

(3.4)

Define-se a Taxa de Distoro Harmnica TDH (em ingls, THD - Total Harmonic Distortion) como sendo a relao entre o valor eficaz das componentes harmnicas da corrente e o da fundamental:

TDH =

In=2

2 n

I1

(3.5)

Assim, o FP pode ser rescrito como:FP = cos1 1 + TDH 2

(3.6)

evidente a relao entre o FP e a distoro da corrente absorvida da linha. Neste sentido, existem normas internacionais que regulamentam os valores mximos das harmnicas de corrente que um dispositivo ou equipamento pode injetar na linha de alimentao. Desvantagens do baixo fator de potncia (FP) e da alta distoro da corrente Consideremos aqui aspectos relacionados com o estgio de entrada de fontes de alimentao. As tomadas da rede eltrica domstica ou industrial possuem uma corrente eficaz mxima que pode ser absorvida (tipicamente 15A nas tomadas domsticas). A figura 3.8 mostra uma forma de onda tpica de um circuito retificador alimentando um filtro capacitivo. Notem-se os picos de corrente e a distoro provocada na tenso de entrada, devido impedncia da linha de alimentao. O espectro da corrente (figura 3.9) mostra o elevado contedo harmnico. Nota-se que o baixo fator de potncia da soluo convencional (filtro capacitivo) o grande responsvel pela reduzida potncia ativa disponvel para a carga alimentada. Consideremos os dados comparativos da tabela 3.I. Suponhamos uma tenso de alimentao de 120 V, sendo possvel consumir 15 A de uma dada tomada. A potncia aparente mxima disponvel de 1800 VA. Tabela 3.I: COMPARAO DA POTNCIA ATIVA DE SADA Convencional Com correo de FP Potncia disponvel 1800 VA 1800 VA Fator de potncia 0,6 1 Eficincia do corretor de fator de potncia 100% 95% Eficincia da fonte 85% 85% Potncia disponvel 918 W (51%) 1453 W (81%) Podem ser citadas como desvantagens de um baixo FP e elevada distoro os seguintes fatos: 3.4.2

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A mxima potncia ativa absorvvel da rede fortemente limitada pelo FP; As harmnicas de corrente exigem um sobre-dimensionamento da instalao eltrica e dos transformadores, alm de aumentar as perdas (efeito pelicular); A componente de 3a harmnica da corrente, em sistema trifsico com neutro, pode ser muito maior do que o normal; Deformao da onda de tenso, devido ao pico da corrente, alm da distoro da forma de onda, pode causar mau-funcionamento de outros equipamentos conectados mesma rede; As componentes harmnicas podem excitar ressonncias no sistema de potncia, levando a picos de tenso e de corrente, podendo danificar dispositivos conectados linha.

0

-

0

Figura 3.8 Corrente de entrada e tenso de alimentao de retificador alimentando filtro capacitivo.10A

1.0A

100mA

10mA

1.0mA 0Hz

0.2KHz 0.4KHz 0.6KHz 0.8KHz 1.0KHz 1.2KHz 1.4KHz .6KH 1

Figura 3.9 Espectro da corrente. 3.5 Normas IEC 61000-3-2: Distrbios causados por equipamento conectado rede pblica de baixa tenso Esta norma (cuja verso anterior era designada de IEC555-2) refere-se s limitaes das harmnicas de corrente injetadas na rede pblica de alimentao. Aplica-se a equipamentos eltricos e eletrnicos que tenham uma corrente de entrada de at 16 A por fase, conectado a uma rede pblica de baixa tenso alternada, de 50 ou 60 Hz, com tenso fase-neutro entre 220 e 240 V. Para tenses inferiores, os limites no foram ainda estabelecidos (1990). A Emenda 14, de janeiro de 2001 inseriu algumas alteraes nas definies das classes e nos mtodos de medidas, devendo vigorar a partir de 2004. Os equipamentos so classificados em 4 classes: Classe A: Equipamentos com alimentao trifsica equilibrada e todos os demais no includos nas classes seguintes.

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Classe B: Ferramentas portteis. Classe C: Dispositivos de iluminao, exceto reguladores de intensidade para lmpadas incandescentes (dimmer). Classe D: Equipamentos de TV, computadores pessoais e monitores de vdeo. A potncia ativa de entrada deve ser igual ou inferior a 600W, medida esta feita obedecendo s condies de ensaio estabelecidas na norma (que variam de acordo com o tipo de equipamento). A Tabela 3.II indica os valores mximos para as harmnicas de corrente

Tabela 3.II: Limites para as Harmnicas de CorrenteOrdem da Harmnica (n)Harmnicas mpares

Classe A Mxima corrente [A] 2,30 1,14 0,77 0,40 0,33 0,21 2,25/n

Classe B Mxima corrente[A] 3,45 1,71 1,155 0,60 0,495 0,315 3,375/n

Classe C (>25W) % da fundamental

Classe D (de 75 W a 600 W) [mA/W] 3,4 1,9 1,0 0,5 0,35 0,296 3,85/n

3 5 7 9 11 13 15