retificadortrifasicocontrolado

8/2/2019 RetificadorTrifasicoControlado

1/30

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EMENGENHARIA ELTRICA

RETIFICADORES TRIFSICOS DE PONTECOMPLETA CONTROLADOS

Andr Pires Nbrega TahimMarcos Tadeu Coelho

Prof. Arnaldo Jose Perin

Florianpolis, 15 de abril de 2010.


2/30

Sumrio

Lista de Figuras iii

Lista de Tabelas iv

Lista de Abreviaturas e Siglas v

Lista de Smbolos vi1 Introduo 1

1.1 Tiristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.1 Comutao dos Tiristores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.2 Polarizao dos Tiristores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Circuitos de Acionamento de Porta (Gate) do Tiristor . . . . . . . . . . . . 3

2 Retificador Controlado de Onda Completa em Ponte (seis-pulsos) 42.1 Retificador Conectado a uma Carga Resistiva . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.1 Anlise do Grupo Positivo (T1, T3 e T5) . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.2 Anlise do Grupo Negativo (T2, T4 e T6) . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.3 Anlise da Tenso na Carga VL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.4 Anlise da Tenso nos Tiristores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.5 Anlise da Corrente nos Tiristores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.6 Controle da Tenso Mdia de Sada . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.1.7 Correntes do Circuito Retificador Controlado . . . . . . . . . . . . 11

2.2 Retificador Conectado a uma Carga Indutiva (sem diodo de circulao) . . . 14

3 Efeitos da Comutao nos Retificadores Controlados 19

4 Concluso 23

Referncias Bibliogrficas 24


3/30

Lista de Figuras

1.1 Representao simblica do tiristor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Caracterstica volt-ampere de um tiristor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Circuito simples de disparo de um tiristor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1 Circuito retificador controlado de seis-pulsos em ponte. . . . . . . . . . . . 42.2 ngulo de disparo dos tiristores no circuito retificador de ponte completa. . 5

2.3 Formas de tenso do grupo positivo, negativo e carga. . . . . . . . . . . . . 62.4 Tenso sobre o tiristor T1 em um ciclo de operao. . . . . . . . . . . . . . 82.5 Corrente sobre o tiristor T1 em um ciclo de operao. . . . . . . . . . . . . 92.6 Forma de onda de corrente dos tiristores T1 e T4. . . . . . . . . . . . . . . 92.7 Forma de onda da corrente de fase iA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.8 Tenso de sada VL com um ngulo de disparo de 60. . . . . . . . . . . . . 112.9 Tenso de sada VL com um ngulo de disparo de 100. . . . . . . . . . . . 122.10 Caracterstica de controle (carga puramente resistiva) . . . . . . . . . . . . 122.11 Tenso de sada do retificador com carga RL e = 45 . . . . . . . . . . . 142.12 Tenso de sada do retificador com carga RL e = 90 . . . . . . . . . . . 152.13 Caracterstica de controle de uma carga R (preto) e RL (vermelho). . . . . 162.14 Tenso de sada do retificador com carga RL e = 75 . . . . . . . . . . . 172.15 Forma de onda da tenso sobre o tiristor T1 ( = 75). . . . . . . . . . . . 172.16 Forma de onda da corrente nos tiristores T1 (em preto) e T4 (em azul). . . . 182.17 Forma de onda da corrente de fase iA ( = 75). . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.1 Processo de comutao dos tiristores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2 Variao do valor mdio de tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3 Corrente nos tiristores durante a comutao. . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.4 Circuito equivalente para o conversor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22


4/30

Lista de Tabelas

2.1 Tenso na carga para cada intervalo de chaveamento dos tiristores. . . . . . 7


5/30

Lista de Abreviaturas e SiglasPIV Peak Inverse Voltage

PRV Peak Reverse Voltage

HVDC High Voltage Direct Current

SCR Silicon Controlled Rectifier

CC Corrente Contnua

DC Direct Current

AC Alternating Current

RMS Root Mean Square

KCL Kirchoff Current Law


6/30

Lista de Smbolos ngulo de disparo do tiristor

IF Forward Current - Corrente direta RMS que o SCR suporta.

IGT DC Gate Trigger Current- mnima corrente necessria para mudar o estadodo tiristor do estado no-condutor para o estado condutor

IH

Holding Current- Corrente mnima para manter o SCR no estado ligado

IL(rms) Corrente eficaz de carga (sada)

IL Corrente de carga

IT(avg) Tenso mdia no tiristor

RF Fator de ondulao

Ti Tiristor i

tq Commutated-Turn-Off-Time

VA Tenso de fase A

VB Tenso de fase B

VC Tenso de fase C

VKG Tenso de linha. Tenso formada pela subtrao das fases VK e VG

VL(rms) Tenso eficaz de carga (sada)

VLavgmax Tenso mdia mxima da carga

VLavg Tenso mdia da carga (sada)

VLinha Tenso mxima de linha do circuito trifsico

VL Tenso de carga

Vn Tenso normalizada


7/30

Captulo 1Introduo

Os circuitos trifsicos geralmente so mais adequados quando uma grande quanti-dade de potncia est envolvida. Dessa forma, mesmo as cargas monofsicas de alta potnciaem corrente contnua comumente so alimentadas por meio de retificadores trifsicos.

Entre os retificadores trifsicos, o de ponte completa controlado provavelmente omais utilizado conversor de eletrnica de potncia para aplicaes de mdia e alta tenso [1].Tais retificadores obtm uma tenso Direct Current (DC) com um menor contedo harm-nico, logo de filtragem mais simples. So largamente utilizados em sistema de transmissoHigh Voltage Direct Current (HVDC), carregamento de baterias, processos de eletrlise,operao de motores DC, fontes de potncia controlada, sistemas de iluminao controladae equipamentos de trao.

Para analisar a operao dos retificadores de ponte completa controlados, faz-se ne-cessrio compreender como opera o tiristor. Esse um dispositivo utilizado para o controledo fluxo de potncia para a carga em retificadores completamente controlados.

1.1 Tiristor

Os tiristores so dispositivos semicondutores com capacidade de chaveamento. En-tre os tiristores mais conhecidos est o Silicon Controlled Rectifier(SCR) [3]:

O SCR um dispositivo de trs terminais; um anodo, um catodo (como um diodo) eum terminal adicional de controle ou gate (Fig. 1.1). capaz de bloquear corrente napolarizao direta e reversa, sendo que na polarizao direta pode tornar-se condutoraplicando-se uma corrente Corrente Contnua (CC) ao terminal de controle gate de-nominada (IGT). A corrente IGT a mnima corrente DC necessria para chavear otiristor do estado no-condutor para o estado condutor ou ligado.

Gate

Anodo Catodo

Fig. 1.1: Representao simblica do tiristor.

Disparando-se uma tenso ao terminal gate com o tiristor polarizado diretamente, o

sinal de disparo pode ser removido e o SCR continuar conduzindo at a extino dacorrente que flui atravs do dispositivo.


8/30

Andr P. N. TahimMarcos Tadeu Coelho 2

1.1.1 Comutao dos Tiristores

Para que um SCR seja desligado, a corrente que flui atravs do dispositivo deveser interrompida, ou caia a um valor de corrente mnima, denominada Holding Current(IH)por um curto perodo de tempo. Tal perodo tipicamente de 10 a 20 s, conhecido comoCommutated-Turn-Off-Time (tq) . A Fig. 1.2 ilustra a curva caracterstica volt-ampere de

um SCR. O eixo vertical representa a corrente que flui e o horizontal a tenso aplicada nosterminais anodo e catodo do SCR. O parmetro IF (forward current) define a corrente direta

Polarizao DiretaPolarizao Reversa

A corrente no

flui at que o disparo

na porta ocorra.

A corrente flui aps

o disparo da porta.

Fig. 1.2: Caracterstica volt-ampere de um tiristor.

Root Mean Square (RMS) que o SCR pode suportar no estado ligado, enquanto VR define a

tenso que a unidade capaz de bloquear no estado desligado.

1.1.2 Polarizao dos Tiristores

Ao aplicar uma tenso externa ao semicondutor estamos polarizando o dispositivo.Tal polarizao determina em que regio da curva volt-ampere estamos operando.

1.1.2.1 Operao em polarizao direta:

Uma polarizao direta (lado direito do eixo vertical na Fig. 1.2) obtida quandoaplica-se uma diferena de potencial positiva entre o anodo e o catodo.

Mesmo aps a aplicao de uma polarizao direta, o dispositivo continua no condu-zindo corrente at que uma tenso de disparo positiva sobre o gate seja aplicada.

Caso o dispositivo esteja polarizado diretamente e uma tenso de gatilho seja dispa-rada, o dispositivo torna-se de baixa impedncia e a corrente flui atravs da unidade.A unidade continua conduzindo mesmo que a tenso de gatilho seja removida. Odispositivo continua no estado ligado at que a corrente cai do valor IH.

1.1.2.2 Operao em polarizao reversa:

A polarizao reversa instituda quando a tenso do catodo mais positiva do que ado anodo (lado esquerdo do eixo vertical da Fig. 1.2.


9/30


Na condio de polarizao reversa o dispositivo no conduz corrente, independenteda existncia de tenso no terminal gate. Nesta situao deve-se projetar o circuitopara que a tenso de polarizao reversa no extrapole os limites do dispositivo, evi-tando que esse seja destrudo. Tal tenso denominada Peak Inverse Voltage (PIV) ouPeak Reverse Voltage (PRV). Costuma-se projetar o circuito para que a tenso reversa

mxima sobre o componente no seja maior do que 13PIV.

1.2 Circuitos de Acionamento de Porta (Gate) do Tiristor

Os circuitos de acionamento devem fornecer um sinal de disparo no tempo correto,alm de possuir uma durao mnima para que os tiristores possam passar para o estadoligado e operar adequadamente. Em geral o circuito de disparo deve atender alguns critrios:

1. produzir um sinal na porta de amplitude adequada e com um tempo de subida menordo que o especificado ao dispositivo;

2. o sinal de disparo na porta deve possuir uma durao adequada;

3. deve existir um controle de disparo para evitar que perturbaes no acabem na nosincronia dos disparos e consequentemente no mau funcionamento do circuito;

4. assegurar que o acionamento no ocorra em decorrncia de sinais falsos ou de rudo;

5. em sinais AC, o dispositivo de controle de disparo deve assegurar que o acionamentoocorra quando o tiristor estiver diretamente polarizado;

6. em circuitos trifsicos, fornecer pulsos defasados de 120em relao ao ponto de refe-rncia no terminal porta.

7. assegurar o acionamento simultneo dos tiristores ligados em srie ou em paralelo.

Trs tipos de sinais bsicos de disparo de porta costumam ser utilizados: sinais DC,sinais pulsados e sinais Alternating Current(AC). Neste trabalho nos limitaremos ao circuito

Fig. 1.3: Circuito simples de disparo de um tiristor.

de disparo utilizando sinais AC, visto que mais simples criar o sinal de disparo a partir dafonte do sinal que um circuito trifsico (AC). Um circuito resistivo de disparo simples mostrado na Fig. 1.3. Durante o semiciclo positivo, o tiristor est no estado de bloqueiodireto. Em um determinado valor de V

s, a corrente de porta ser alta o bastante para levar

o tiristor ao estado ligado. Um circuito RC produz o sinal de porta. A tenso em C estaratrasada em relao tenso de alimentao por um ngulo de fase que depende do valorde (R1 + R2) e de C. O acrscimo de R2 faz com que aumente o tempo que o Vc leva paraalcanar o nvel no qual haja corrente de porta suficiente para levar o tiristor ao estado ligado.


10/30

Captulo 2

Retificador Controlado de OndaCompleta em Ponte (seis-pulsos)

Como mostra a Fig. 2.1, ele projetado com dois retificadores trifsicos de trs-pulsos, ligados em srie. Os tiristores T1, T3 e T5 recebem o nome de grupo positivo [1],uma vez que so disparados durante o semiciclo positivo da tenso de fases s quais estoconectados. Da mesma forma, os tiristores T2, T4 e T6 so disparados durante os ciclos

Fig. 2.1: Circuito retificador controlado de seis-pulsos em ponte.

negativos das tenses de fase formando o grupo negativo. Para que exista um caminho paraa corrente entre a fonte e a carga, necessariamente dois tiristores devem estar conduzindo,um do grupo positivo e outro do grupo negativo. Portanto, dois pulsos, separados por 60,so aplicados a cada tiristor no ciclo. Quando um tiristor do grupo positivo e um do gruponegativo esto conduzindo, uma tenso de linha VL aplicada carga. Por exemplo, se T1 eT6 conduzem de maneira simultnea, ento a tenso de linha VAB aplicada carga. Dessaforma, a tenso e a corrente mdias so controladas pelo ngulo de disparo dos tiristores.

A anlise do retificador trifsico, como apresentado na Fig. 2.1, dividido em trspartes para facilitar a compreenso de sua operao. A primeira parte da anlise, considera-

mos que existe uma carga puramente resistiva (L = 0 e E= 0). A segunda existe uma cargaRL (apenas E= 0) e a ltima o retificador est conectado a uma carga RLE.


11/30


2.1 Retificador Conectado a uma Carga Resistiva

Um circuito retificador de ponte completa (seis pulsos) pode ser analisado pela com-posio de dois grupos de trs pulsos em srie [4]. Uma forma simples de analisar tal circuitoconsiste em obter a sada para cada grupo de trs pulsos e ento som-las. Quando os tiris-

tores so acionados assim que esto diretamente polarizados, o circuito se comporta comoum retificador em ponte a diodo e o seu ngulo de disparo 0. O ngulo de disparo decada tiristor medido a partir do ponto de cruzamento de sua respectiva tenso de fase. Porexemplo, o para o tiristor T1 dado pelo cruzamento da tenso de linha VA (em que eleest conectado) e a tenso VC, como apresentado na Fig. 2.2 para um igual a 25. Para

0 30 55 90 150 210 270 330 390 450 480

311.0852

179.6051

0

179.6051

311.0852

Fig. 2.2: ngulo de disparo dos tiristores no circuito retificador de ponte completa.

facilitar a compreenso do circuito, considera-se que o ngulo de disparo 0 e a carga puramente resistiva.

2.1.1 Anlise do Grupo Positivo (T1, T3 e T5)

Observando as Figs. 2.1 e 2.3, no intervalo de 30 a 150, o tiristor T1 est conectado tenso de fase positiva mais alta VA. Visto que o ngulo de disparo contado a partir doponto de cruzamento de sua respectiva tenso de fase, em igual a 0 o tiristor T1 vai dispararaos 30 e iniciar sua conduo, conectando a tenso VA carga. apresentado na Fig. 2.3 omomento de disparo do tiristor T1 e o sua respectiva durao, que de 120.

De modo semelhante, de 150 a 270, o tiristor T3 passa para o estado ligado econecta a tenso de fase VB carga. No intervalo de 270 a 390, a carga conectada


12/30


0 30 90 150 210 270 330 390 450 480

311.0852

179.6051

0

179.6051

311.0852

Fig. 2.3: Formas de tenso do grupo positivo, negativo e carga.

tenso de fase VC e o ciclo se repete.

2.1.2 Anlise do Grupo Negativo (T2, T4 e T6)

O grupo negativo est conectado ao outro extremo da carga. Observando a Fig. 2.3,no intervalo de 90 a 210 o tiristor T2 est conectado tenso de fase mais negativa VC.Nesse intervalo o tiristor T2 disparado e passa a conduzir durante os 120 subsequentes.De maneira semelhante, os tiristores T4 e T6 conduzem durante o intervalo de 210 a 330 ede 330 a 450 respectivamente.

2.1.3 Anlise da Tenso na Carga VLA tenso na carga VL dada pela diferena de tenses do grupo positivo e o grupo

negativo, uma vez que cada grupo est ligado a uma extremidade da carga. Dessa forma,percebe-se que a carga vai estar sempre submetida a uma tenso de linha. O descrito ante-riormente est graficamente representado na Fig. 2.3 e nota-se que a ponte completa possuiseis pulsos durante um ciclo. Devido a tal caracterstica o retificador de ponte completa con-trolado tambm conhecido como retificador de seis pulsos. A frequncia de ondulao na

sada seis vezes a frequncia AC na linha e a amplitude mxima que pode ser alcanada igual ao valor mximo de tenso de linha. Cada tiristor conduz durante um perodo de 120

e bloqueia durante os 240 subsequentes em cada ciclo. Faz-se necessrio que dois tiristoresconduzam simultaneamente, um do grupo positivo e outro do grupo negativo. Estabelecida a


13/30


sequncia de fase como apresentado na Fig. 2.3 a ordem dos disparos dos tiristores T1, T2,T3, T4, T5 e T6 em um ciclo. Os tiristores so disparados com 60 de defasagem entre eles.Isso permite que dois tiristores sempre estejam em conduo, visto que cada tiristor conduzdurante 120 (Fig. 2.3).

apresentado na Tabela 2.1 os intervalos e as respectivas tenses geradas pelo

grupo positivo, grupo negativo e a tenso resultante na carga VL.

Intervalo Grupo Positivo Grupo Negativo Tenso na Carga VL30 a 90 VA VB VAB90 a 150 VA VC VAC150 a 210 VB VC VBC210 a 270 VB VA VBA270 a 330 VC VA VCA330 a 390 VC VB VCB390 a 450 VA VB VAB

Tabela 2.1: Tenso na carga para cada intervalo de chaveamento dos tiristores.

2.1.4 Anlise da Tenso nos Tiristores

Durante o projeto de um circuito retificador controlado importante determinar astenses e correntes de operao para especificar corretamente os tiristores. A tenso que ostiristores esto submetidos durante um ciclo de operao pode ser determinado analisandoa Tabela 2.1. Observe que durante o ciclo de 30 a 150 a tenso do grupo positivo nacarga VA, o que indica que nesse intervalo o tiristor T1 est conduzindo, logo no existe

tenso sobre ele. No intervalo de 150

a 270

a tenso do grupo positivo na carga VB.Uma vez que o anodo do tiristor T1 est conectado tenso de linha VA e o catodo sadado grupo positivo, a tenso sobre o tiristor T1 nesse intervalo a tenso de linha VAB. Demaneira semelhante, no intervalo de 270 a 390 o tiristor fica submetido a tenso de linhaVAC. Apresenta-se na Fig. 2.4 a tenso que o tiristor T1 submetido durante um ciclo deoperao.

Pode ser observado na Fig. 2.4 que a tenso inversa mxima em um tiristor iguala amplitude instantnea mxima da tenso de linha. Alm disso, importante notar que otiristor deve ser capaz de bloquear tenses diretas e a amplitude dessa tenso depende dongulo de disparo. Um ngulo de disparo maior do que zero, acarreta na polarizao direta

do diodo, porm sem o disparo do gatilho. Assim, a medida que aumentamos o ngulo dedisparo, o tiristor fica submetido a tenses diretas maiores, chegando ao extremo de umapolarizao direta igual a tenso de linha. Portanto, a capacidade de bloqueio de polarizaodireta uma caracterstica importante quando o tiristor utilizado em circuitos retificadoresde ponte completa.

2.1.5 Anlise da Corrente nos Tiristores

A corrente em cada tiristor pode ser determinada avaliando novamente a Tabela2.1. O tiristor T1, por exemplo, esta conectado a tenso de fase VA e a tenso de sada dogrupo positivo. Quando a tenso de grupo positivo igual a V

A, significa que o tiristor T

1est conduzindo. Percebe-se assim pela tabela, que apenas no intervalo de 30 a 150 existecorrente fluindo atravs do tiristor T1. A corrente que flui no intervalo de 30 a 90 a

VABR

.No intervalo entre 90 a 150 a corrente sobre T1

VACR

. A Fig. 2.5 apresenta graficamente acorrente fluindo no tiristor T1 em um ciclo de operao.


14/30


0 30 90 150 210 270 330 390 450 480

311.0852

179.6051

0

179.6051

311.0852

Fig. 2.4: Tenso sobre o tiristor T1 em um ciclo de operao.

Observe que a corrente no tiristor sempre positiva, pois o dispositivo unidireci-onal para a corrente. Vale notar no entanto, que cada fase est conectada entre um tiristor dogrupo positivo e outro do grupo negativo. Sendo assim, por meio da Fig.2.1 pode-se obtercada corrente de fase aplicando-se a Kirchoff Current Law (KCL) :

iA = i1 i4 (2.1)iB = i3

i6 (2.2)

iC = i5 i2 (2.3)A corrente de fase iA dada pela subtrao da corrente do tiristor T1 e o tiristor T4,

como apresentado nas Figs. 2.6 e 2.7.Da Fig. 2.7 pode-se observar que as correntes de fase, geralmente do lado secund-

rio do transformador so no-lineares. Alm das descontinuidades, diferentemente da carga,as correntes de fase invertem de sentido durante o ciclo e possuem valor mdio nulo.

2.1.6 Controle da Tenso Mdia de Sada

O controle da tenso mdia de sada realizado pela variao do ngulo de disparo. Para a carga puramente resistiva ou carga indutiva com diodo de roda livre, pode-secalcular o valor mdio da tenso de carga VL a partir da Fig. 2.3.

Para 0 60 a tenso e corrente de sada so contnuas, o que significa queno existe intervalos de tenso e corrente nula na carga. Pode-se verificar que o ngulo


15/30


0 30 90 150 210 270 330 390 450 480

0

Fig. 2.5: Corrente sobre o tiristor T1 em um ciclo de operao.

0 30 90 150 210 270 330 390 450 480

0

Fig. 2.6: Forma de onda de corrente dos tiristores T1 (em preto) e T4 (em azul).


16/30


0 30 90 150 210 270 330 390 450 480

0

Fig. 2.7: Forma de onda da corrente de fase iA.

de disparo de 60 o limite da conduo contnua para a carga puramente resistiva, comoapresenta a Fig. 2.8.

A tenso mdia de sada VLavg para 0

60 dada por:

VLavg =3

+2

+6

VLinha sinwt +

6

d(wt). (2.4)

VLavg = 3

VLinha

cos

+

4

6

cos

+

3

(2.5)

VLavg = 3

VLinha cos() (2.6)

em que VLinha a tenso mxima de linha do circuito trifsico. Para o intervalo60

120 obtm-se o valor mdio da seguinte forma (veja Fig. 2.9):

VLavg =3

56

+6

VLinha sinwt +

6

d(wt). (2.7)

VLavg = 3

VLinha

cos() cos

+

3

(2.8)

VLavg =3

VLinha

1 + cos

+

3

(2.9)

Para 120 180 os disparos ocorrem quando as tenses de linha possuemvalores negativos, ocorrendo o no disparo dos tiristores devido a polarizao inversa queesses esto submetidos. Logo, para essa faixa de ngulo de disparo, a carga no alimentada.

Visto que possumos as tenses mdias para cada ngulo de disparo, podemos cons-truir a caracterstica de controle da tenso mdia de sada em funo do ngulo de disparo. Primeiramente normalizamos a tenso mdia de cada faixa pela tenso mdia mximaVLavgmax.


17/30


0 30 55 90 150 210 270 330 390 450 480

311.0852

179.6051

0

179.6051

311.0852

Fig. 2.8: Tenso de sada VL com um ngulo de disparo de 60.

Como

VLavgmax =3 VLinha

,

obtm-se os seguintes valores de tenso normalizados para cada faixa de ngulo de disparo.

Para 0 60 : Vn = cos()

Para 60 120

: Vn = 1 + cos +

3

Para 120 180 : Vn = 0

A partir da tenso normalizada Vn podemos plotar a caracterstica de controle da tensomdia de sada, como apresentado na Fig. 2.10.

A curva caracterstica nos permite concluir que o circuito em ponte controlada ja-mais pode funcionar como inversor se a carga puramente resistiva ou indutiva com umdiodo de circulao. Isso se deve a impossibilidade de existir uma tenso negativa na carga.Alm disso, caso o ngulo de disparo seja 60 (limite da conduo contnua), temos um valorde tenso mdio na carga igual a metade do valor mximo (

= 0

).

2.1.7 Correntes do Circuito Retificador Controlado

A corrente mdia de cada tiristor IT(avg) dada por:


18/30


0 30 90 150 210 270 330 390 450 480

311.0852

179.6051

0

179.6051

311.0852

Fig. 2.9: Tenso de sada VL com um ngulo de disparo de 100.

0 20 40 60 80 100 1200

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Fig. 2.10: Caracterstica de controle (carga puramente resistiva)

IT(avg) =IL(avg)

3(2.10)


19/30


Tal equao pode ser obtida observando a Fig. 2.5, em que nota-se que a a correnteque passa por cada tiristor apenas 1

3da corrente de ciclo da carga IL.

O valor RMS (ou eficaz) da corrente de sada IL(rms) obtido por:

IL(rms) =

VL(rms)

R (2.11)

Para 0 60 :

IL(rms) =

3

+2

+6

VLinha sin

wt +

6

2R

(2.12)

Para 60

120 :

IL(rms) =

3

56

+6

VLinha sin

wt +

6

2R

(2.13)

O valor eficaz das correntes de linha da fonte para ambas as faixas de operao dongulo de disparo dado por:

iA(rms) =

2

3 IL(avg) (2.14)

A frequncia de ondulao da sada seis vezes a frequencia da fonte. O fator deondulao RF pode ser obtido da seguinte maneira:

RF =

I2L(rms)I2L(avg)

1 (2.15)

A potncia dissipada obtida a partir da corrente eficaz na carga:

PL = I2L(rms)R (2.16)


20/30


2.2 Retificador Conectado a uma Carga Indutiva (sem diodo de circulao)

O retificador de seis pulsos em ponte geralmente utilizado em aplicaes em quea carga altamente indutiva. Nesta seo descreve-se o efeito dessa indutncia nas correntese tenses do circuito de sada. Vale lembrar que o circuito retificador exatamente o mesmo,

no importando o tipo de carga, no entanto mostra-se aqui que o comportamento das tensese correntes variam bastante entre uma carga resistiva e uma indutiva.

Considere o circuito da Fig. 2.1 com uma carga RL e E nulo. Para um ngulo dedisparo dos tiristores entre 0 60 , a tenso de sada sempre positiva e a conduo contnua independente do tipo de carga. apresentado na Fig. 2.11 um exemplo da tensode sada quando o disparo dos tiristores ocorre em 45.

0 30 90 150 210 270 330 390 450 480

311.0852

179.6051

0

179.6051

311.0852

Fig. 2.11: Tenso de sada do retificador com cargaRL e = 45

A tenso de sada varia de acordo com o ngulo de disparo dos tiristores e possui oseu valor mximo quando 0. medida que aumentamos o ngulo de disparo, a tensomdia de sada diminui e se torna zero em 90, visto que a indutncia de carga permite queos tiristores continuem conduzindo para tenses negativas da fonte. A Fig. 2.12 apresenta aforma de onda da tenso de sada quando o ngulo de disparo dos tiristores igual a 90.

Percebe-se das Figs. 2.11 e 2.12 que o circuito com carga indutiva atua como umretificador para ngulos de disparo entre 0 90 e como inversor para ngulos de

disparo acima de 90

. Isso ocorre porque a tenso mdia de sada para tais ngulos de disparotorna-se negativa. A tenso DC mdia atinge seu mximo negativo (modo inversor) quando ongulo de disparo de 180. No modo inversor o circuito em ponte transfere potncia do ladoda carga para o lado da fonte AC. Vale ressaltar que para operar no modo inversor a cargadeve possuir indutncia, visto que impossvel uma carga puramente resistiva transferir


21/30


0 30 55 90 150 210 270 330 390 450 480

311.0852

179.6051

0

179.6051

311.0852


potncia para a fonte. A variao da tenso mdia de disparo mostrada na Fig. 2.13. Emvermelho destaca-se a tenso mdia de acordo com o ngulo de disparo para uma carga RL,enquanto em preto para uma carga resistiva pura. Nota-se pela caracterstica de controle quena carga RL temos a possibilidade de disparar os tiristores na faixa de 0 180, e queo ngulo de 90 (tenso mdia nula) representa o limiar entre a operar no modo retificadorou inversor. Uma grande diferena entre uma carga puramente resistiva e uma carga RL estna corrente de carga. Se a indutncia da carga RL for suficientemente grande em relao aR, a corrente de sada tende a permanecer constante durante a conduo. O valor da corrente

mdia de cada tiristor dado por:

IT(avg) =IL(avg)

3(2.17)

Para cargas cuja indutncia muito maior do que a parte resistiva, podemos fazer aseguinte considerao:

IL(rms) = IL(avg) (2.18)

O valor RMS de cada tiristor

IT(rms) =IL(avg)

3(2.19)

Para ngulos de disparo entre 60 120, a tenso de sada se torna negativapara algumas partes do ciclo. A tenso mdia de sada nessa faixa de disparo dada por:

VL(avg) =3 VL

1 + cos

+

3

(2.20)


22/30


0 20 40 60 80 100 120 140 160 1801

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Fig. 2.13: Caracterstica de controle de uma cargaR (preto) e RL (vermelho).

A tenso normalizada obtida dividindo-se a tenso de sada mdia pela tenso desada mdia mxima, como apresenta a equao abaixo:

Vn =VL(avg)

VL(avg)max= 1 + cos +

3 (2.21)

A corrente mdia no tiristor para ngulos de disparo entre 60 120 dadapor:

IT(avg) =IL(avg)

3(2.22)

Um exemplo do retificador funcionando na faixa de disparo entre 60 120est representado pela Fig. 2.14. Com esse ngulo de disparo o circuito ainda opera comoretificador, no entanto a tenso de sada torna-se negativa a cada disparo.

Supondo que a indutncia grande quando comparada resistncia de carga, acorrente que flui em cada tiristor e na linha aproximadamente constante. A Fig. 2.15apresenta a tenso que submetida o tiristor durante um ciclo de operao.

As correntes que fluem nos tiristores T1 e T4 para o mesmo ngulo de disparo ( =75) esto representados na Fig. 2.16. A corrente de linha iA que resultado da composiodas correntes i1 e 4 apresentada na Fig. 2.17.


23/30


0 30 55 90 150 210 270 330 390 450 480

311.0852

179.6051

0

179.6051

311.0852


0 30 90 150 210 270 330 390 450 480

311.0852

179.6051

0

179.6051

311.0852

Fig. 2.15: Forma de onda da tenso sobre o tiristor T1 ( = 75).


24/30


0 30 90 150 210 270 330 390 450 480

311.0852

179.6051

0

179.6051

311.0852

Fig. 2.16: Forma de onda da corrente nos tiristores T1 (em preto) e T4 (em azul).

0 30 90 150 210 270 330 390 450 480

311.0852

179.6051

0

179.6051

311.0852

Fig. 2.17: Forma de onda da corrente de fase iA ( = 75).


25/30

Captulo 3

Efeitos da Comutao nos RetificadoresControlados

Os conversores foram analisados at o momento assumindo-se que o processo decomutao instantnea nos retificadores controlados a tiristor. Na prtica, existe um in-tervalo de tempo para que ocorra a transferncia de corrente entre os ramos do conversoraps o disparo do gatilho dos tiristores. Esse intervalo de tempo, denominado intervalo desobreposio, depende da tenso de linha entre os tiristores que participam do processo decomutao e da indutncia Ls entre o conversor e a fonte. Durante o intervalo de sobreposi-o, dois tiristores conduzem ocorrendo um curto entre duas tenses de fase. Dessa forma, atenso de linha (fase-fase) toda aplicada s indutncias Ls, como apresentado na Fig. 3.1.A partir da Fig. 3.1 e assumindo que a corrente IL aproximadamente constante, pode-se

Fig. 3.1: Processo de comutao dos tiristores.

deduzir a seguinte relao:

2Ls disc

dt=

2 Vff sin(t) = VA VB (3.1)


26/30


em que VA e VB so fontes senoidais com um valor de pico Vmax entre a fase e o neutro. Acorrente isc a corrente do tiristor sendo disparado durante o processo de comutao (tiristorT3 na Fig. 3.1). Isolando o valor da corrente em (3.1) temos:

isc =

2

2Ls Vffcos(t)

+ C (3.2)A constante C de (3.2) pode ser obtida por meio das condies iniciais previamente

conhecidas. No momento que o tiristor T3 disparado (t = ), a corrente isc ainda nula.Substituindo tais condies iniciais em (3.2) temos:

C=Vff2Ls

cos() (3.3)

Substituindo (3.3) em (3.2) temos a equao que determina a corrente durante acomutao

isc =

Vff

2Ls (cos(

) cos(t

))(3.4)

Antes da comutao, a corrente IL fornecida pelo tiristor T1 (ver Fig. 3.1). Du-rante a comutao, a corrente de carga IL permanece constante. Isso indica que a medida quea corrente isc cresce, a corrente sobre o tiristor T1 diminui, levando-o ao bloqueio quando iscse iguala a corrente de carga IL. Nesse momento de bloqueio, o intervalo de sobreposiotermina e a corrente de carga IL totalmente fornecida pelo tiristor T3. A durao da sobre-posio medida em ngulo e conhecido como ngulo de sobreposio (overlap angle) erepresentado neste trabalho por . Quando t = + , a corrente isc = IL. Substituindoesta condio final em (3.4) obtm-se o a corrente IL em funo da indutncia da fonte, dongulo de disparo e do ngulo de sobreposio .

IL =Vff2Ls

(cos() cos( + )) (3.5)

Durante a comutao, os dois tiristores conduzem ao mesmo tempo, que significaque existe um curto-circuito instantneo entre as duas fontes de tenso que participam doprocesso. Na Fig. 3.1 os tiristores T1 e T3 durante a comutao do um curto nas fases Ae B. Supondo que as indutncias nas fases so iguais (Ls), a corrente isc produz a mesmaqueda de tenso em cada indutncia de fonte Ls. Contudo, como a corrente flui em cadaindutncia em direes opostas, as tenses das indutncias da fonte possuem sinais opostos.A fase que possui a maior tenso instantnea sofre uma queda de tenso v e a fase commenor tenso instantnea sofre um aumento de +v. Tal situao afeta a tenso DC nacarga, reduzindo o seu valor de uma quantidade Vmed. A Fig. ?? destaca o momento decomutao dos tiristores devido ao ngulo de disparo e a variao mdia de tenso (Vmed)resultante do tempo em que dois tiristores conduzem simultaneamente. Apresenta-se na Fig.?? as correntes nos tiristores durante o intervalo de comutao. A queda de tenso v (paraindutncias de fonte iguais) dada por:

v =VA VB

2=

2 Vff sin(t)

2(3.6)

Integrando (3.6) durante o perodo de 60 (perodo entre disparos) e o intervalo de

obtm-se a variao do valor mdio devido ao intervalo de comutao.

Vmed =3

1

2

+

2 Vff sin(t) dt (3.7)


27/30


Fig. 3.2: Variao do valor mdio de tenso devido ao intervalo de comutao dos tiristores.

Vmed =3

Vff

2[cos() cos( + )] (3.8)

Subtraindo Vmed do valor mdio do retificador trifsico de onda completa sobre acarga temos:

VL(avg) = 3

2Vf

f cos()

Vmed (3.9)

VL(avg) =3

2Vff2

[cos() + cos( + )] (3.10)

As equaes (3.5) e (3.10) podem ser escritas em funo da tenso do enrolamentoprimrio, visto que o retificador trifsico geralmente est conectado a um transformador.Sendo a a razo de transformao entre o secundrio e o primrio temos:

IL =a Vprimff

2Ls[cos() cos( + )] (3.11)

VL(avg) =3

2aVprimff2

[cos() + cos( + )] (3.12)


28/30


Fig. 3.3: Corrente nos tiristores durante a comutao.

Fazendo VL(avg) em funo de IL obtemos:

VL(avg) =3

2aVprimff

cos() 3ILLs

(3.13)

A equao (3.13) nos evidencia que o conversor pode ser substitudo por um circuito

equivalente simples, como mostrado na Fig. 3.4.

Fig. 3.4: Circuito equivalente para o conversor.

importante notar que a resistncia equivalente de tal circuito no dissipa potnciae assim considerada virtual. Alm disso, observa-se que para altas frequncias ou altasindutncias na fonte, a queda de tenso pode ser significativa, retirando completamente ovalor mdio do valor projetado, caso o intervalo de comutao seja desconsiderado.


29/30

Captulo 4

Concluso

O retificador em ponte completa a tiristores pode prover uma tenso de sada DCcontrolada de um circuito trifsico utilizando uma nica unidade em vez de trs autotrans-

formadores e uma ponte de diodo retificadora. O controle da tenso de sada obtidocontrolando-se o intervalo de conduo de cada tiristor. Alm disso, uma vez que os tiristo-res podem bloquear a tenso em ambas as direes, o circuito pode operar como retificadorou inversor, dependendo do ngulo de disparo utilizado. Dessa forma, possvel reverter apolaridade da tenso de sada DC e transferir potncia da carga para a fonte alternada (apenasse a carga for indutiva).

Apesar do retificador controlado nos prover de controle sobre a tenso mdia nacarga, a medida que reduzimos o valor mdio da tenso de sada, aumentamos a quantidadede harmnicas na carga. Uma outra desvantagem quando existe uma alta indutncia dolado da fonte1, ou quando opera para sinais de alta frequncia. Para tais casos, o intervalode comutao pode reduzir significativamente o valor mdio de sada alm de introduzirharmnicas indesejadas, tendo assim que ser considerado durante o projeto do conversor.

1Tal caso comum, visto que o retificador trifsico geralmente est ligado s bobinas de um transformador.


30/30

Referncias Bibliogrficas

[1] AHMED, A. Eletrnica de Potncia. Prentice Hall, 2000.

[2] BARBI, I . Eletrnica de Potncia. Edio do Autor, Brasil, 2006.

[3] GILLILAND, E. Scr - silicon controlled rectifier. In Electrical Contractor Magazine,1982.

[4] RASHID, M. H. Power Electronics Handbook. Academic Press, USA, 2001.

retificadortrifasicocontrolado

Documents