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Disciplina: Eletrônica de Potência (ENGC48)

Tema: Conversores de Corrente Alternada para Corrente Contínua Não Controlados

Prof.: Eduardo Simas [email protected]

Aula 8

Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica

DEE

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Sumário

Introdução

Retificadores Monofásicos

Meia onda

Onda completa

Retificadores Trifásicos

Meia onda (três pulsos)

Onda Completa em ponte (seis pulsos)

Filtragem em circuitos retificadores

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1. Introdução

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Introdução

Os conversores de corrente alternada (AC) para corrente contínua (DC) são

conhecidos como retificadores.

Podem ser implementados utilizando diodos ou tiristores (SCR).

São utilizados para alimentar cargas de corrente contínua como:

carregadores de baterias

motores DC

computadores

Sendo classificados em:

Controlados ou não-controlados

Monofásicos ou trifásicos

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2. Retificadores Monofásicos

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Retificadores Não-Controlados

São circuitos que utilizam diodos como elementos retificadores.

As características da tensão na saída do retificador não podem ser

modificadas durante a operação.

Características da tensão na saída:

Tensão média Tensão eficaz (RMS)

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Retificador de Meia Onda

A carga recebe apenas os ciclos

positivos da tensão Vs. Vm/R

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Parâmetros do Retificador de Meia Onda

Tensão média:

Tensão Eficaz:

Fator de Forma:

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Parâmetros do Retificador de Meia Onda

Fator de Ondulação (ripple):

Razão de Retificação

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Componentes Harmônicos no Retificador de Meia Onda

Um retificador de meia onda com carga resistiva produz harmônicos de corrente na fonte AC ou nos transformadores associados.

A tabela abaixo mostra valores típicos da intensidade destes harmônicos em relação à componente fundamental:

THD ≈ 21.7 %

1

2

1

% 100h

h

X

XTHD

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Fonte CA

Retificador

Outro Equipamento

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Retificador de Meia Onda com Carga Indutiva

A tensão na carga é a mesma do caso resistivo para o semi-ciclo positivo.

Durante esse período a energia da fonte é armazenada sobre o indutor.

A energia armazenada no indutor mantém a corrente positiva mesmo com Vs < 0.

Somente após a descarga do indutor (quando io = 0) o diodo fica reversamente polarizado.

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+

vIND

-

vIND

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Retificador de Meia Onda com Carga Indutiva

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É possível mostrar que:

A tensão média na carga é dada por:

3

0

0

t

INDdtv

1 3

10

0

t t

t

INDIND dtvdtv

Então:

Área A – Área B = 0

)cos1(2

Vm

VDC Sendo o ângulo de condução

vIND

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Retificador de Meia Onda com Carga Indutiva e Diodo de Retorno

Para evitar que a tensão na carga seja negativa pode-se utilizar um diodo de retorno.

A corrente na carga pode fluir durante todo o ciclo.

A tensão na carga é igual à do caso puramente resistivo.

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Retificador de Onda Completa com Transformador de Derivação Central:

Corrente de ciclo positivo: I+

Princípio de operação:

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Corrente de ciclo negativo: I-



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Os ciclos negativos de Vs produzem

uma tensão positiva na carga.

Vm/R

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Retificador de Onda Completa com Ponte de Diodos

Corrente de ciclo positivo: I+


DEE

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Corrente de ciclo negativo: I-


DEE

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Vm/R

Comparando com o retificador

com transf. de derivação central a

tensão reversa em cada diodo é

reduzida à metade.

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Parâmetros do Retificador de Onda Completa

Tensão média:

Tensão Eficaz:

Fator de Forma:

Fator de Ondulação (ripple):

Razão de Retificação:

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Comparação entre Retificadores Monofásicos

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Retificador de Onda Completa com Carga Indutiva

As características de tensão e corrente variam.

A corrente na carga não é mais uma meia onda senoidal, porém seu valor médio ainda pode ser calculado por:

A corrente da fonte (is) não senoidal e se aproxima de uma onda quadrada.

Para L ≈ R

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Retificador de Onda Completa com Carga Indutiva

Com o aumento da indutância da carga as características se acentuam.

Para uma indutância infinita a corrente na carga é constante e a corrente exigida da fonte é uma onda alternada retangular.

Para L >> R

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Filtragem em Circuitos Retificadores

Filtros são utilizados para suavizar a ondulação da tensão de saída dos

retificadores;

Os filtros podem utilizar capacitores ou indutores;

Em aplicações de alta potência são mais utilizados os filtros com indutores,

pois são mais eficientes na redução do fator de forma da corrente DC.

Retificador Retificador

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Filtragem com Indutor

Fator de Ripple:

fi – freq. do sinal da fonte

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Filtragem com Capacitor

Tensão média:

Fator de Ripple:

fr – freq. do sinal retificado

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Efeito da Indutância da Fonte

Considerando inicialmente um retificador de meia onda no qual a corrente da carga é

aproximadamente constante (carga com alta indutância), a corrente da fonte (is) tem a

característica a seguir:

Considerando que a indutância na fonte é

maior que zero, as transições da corrente

da fonte não podem ocorrer

instantaneamente.

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Assim, é necessário

considerar o Intervalo de

Comutação (u):

A tensão média na carga é

reduzida em:

m

dS

V

IfLu 1cos

Vm

Id d

SDC I

LV

2

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Processo semelhante ocorre para o retificador de onda completa.

Sendo que agora:

m

dS

V

ILu

21cos

dS

DC IL

V

2

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3. Retificadores Trifásicos

DEE

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Retificadores Trifásicos

Retificadores monofásicos:

Confecção simples;

Limitada capacidade de transmissão de potência;

Significativa ondulação.

Retificadores trifásicos:

Tensão de saída mais alta para uma mesma entrada;

Menor ondulação;

Ondulação de frequência mais alta (facilitando a filtragem).

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Filtros para aplicações de alta potência

Filtro AC Indutor de Suavização

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Exemplo: Layout de um sistema HVDC

Indutor de Suavização

Filtros AC

Filtro Ativo DC

Transformadores

Estação de controle

Válvulas HVDC

Capacitores de comutação

Resfriamento das válvulas

Filtros passa-altas

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Retificador Trifásico de Meia Onda (Três Pulsos)


• Um diodo conectado a cada uma das três fases do secundário.

• Apenas o diodo conectado à fase dominante (de maior amplitude) está conduzindo.

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Quando VB > VR e VB > VY.

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Quando VR > VB e VR > VY.

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Quando VY > VR e VY > VB.

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A carga é alimentada pelos ciclos

positivos dos sinais de tensão das

três fases.

A ondulação é menor que no

retificador de onda completa

monofásico.

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Parâmetros do Retificador Trifásico de Meia Onda

Tensão média:

Tensão Eficaz:

Fator de Forma: FF = 0,84/0,827 = 1,016

Fator de Ondulação (ripple): RF = 0,182

Razão de Retificação: σ = 96,88 %

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Retificador Trifásico de 3 Pulsos com Carga Indutiva

Não há mudanças nas características da tensão na carga.

A corrente na carga tende a um valor constante com o aumento de L.

A corrente em cada diodo tende para pulsos quadrados.

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É um dos conversores AC-DC mais utilizados em aplicações de alta potência;

A carga é alimentada pela tensão fase-fase retificada em onda completa;

Dois diodos em série estão sempre conduzindo (um ímpar e um par, Ex. D5 e D6

conduzem quando a tensão dominante for VBY);

Cada diodo conduz por 1/3 do ciclo (120o).

Retificador Trifásico em Ponte (Seis Pulsos)

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VBY é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):



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VRY é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):



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VRB é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):



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VYB é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):



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VYR é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):



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VBR é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):



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Retificador Trifásico em Ponte

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Parâmetros do Retificador Trifásico de Onda Completa (Seis Pulsos)

Tensão média:

Tensão Eficaz:

Fator de Forma: FF = 1,655/1,654 = 1,0006

Fator de Ondulação (ripple): RF = 0,042

Razão de Retificação: σ = 99,88 %

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Retificador Trifásico de 6 Pulsos com Carga Indutiva

A tensão na carga permanece a

mesma do caso puramente resistivo.

A corrente na carga tende a se

tornar constante com o aumento da

indutância.

As correntes nos diodos tendem a

ondas quadradas com duração de

120O.

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Retificador Trifásico de 12 Pulsos

É possível gerar uma tensão na

saída com características mais

próximas da tensão DC.

Requer o uso de um

transformador trifásico com

conexões estrela e triângulo no

secundário.

Parâmetros de desempenho:

Fator de Forma = 1,00005

Ripple ≈ 1 %

Razão de Ret. σ = 99,99 %

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Comparação entre Retificadores Trifásicos

Ret. 3Φ de

3 pulsos

Ret. 3Φ de

6 pulsos

Ret. 3Φ de

12 pulsos

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Comparando os Retificadores:

Percebe-se que os retificadores trifásicos apresentam melhor

desempenho em termos da estabilidade da tensão e da potência

transmitida para a carga.

Retificador \ Parâmetro VDC VL FF RF

Meia onda monofásico 0,318Vm 0,636Vm 1,57 1,210

Onda completa monofásico 0,636Vm 0,707Vm 1,11 0,482

Meia onda trifásico 0,827Vm 0,84Vm 1,016 0,182

Onda completa trifásico 1,654Vm 1,655Vm 1,0006 0,042

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4. Exercícios de Fixação

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Exercícios de Fixação

1) Trace utilizando um software apropriado (Ex. Matalb ou Scilab) a forma de onda da diferença entre a corrente exigida por um retificador de onda completa monofásico quando a carga é predominantemente indutiva (L >> R) e quando a carga é puramente resistiva (assuma um valor máximo normalizado (unitário) para os dois casos.

2) Para um retificador de meia onda conectado a uma fonte de 120 V e uma resistência de 20 Ω determine:

a) A tensão média na carga b) A corrente máxima no diodo c) A corrente média no diodo d) O valor da tensão de pico inversa (PIV) no diodo e) Fator de potência na carga

3) Um retificador de meia onda com carga indutiva e diodo de retorno é conectado a uma fonte de 120 V e tem a carga composta por uma resistência igual a 5 Ω e uma indutância de 20 mH. Determine:

a) A tensão e a corrente médias na carga b) Tensão e corrente no diodo retificador

4) Um transformador 2:1 alimenta um retificador de onda completa com terminal central a partir de uma fonte de 400 V. Se a resistência de carga for 500 Ω e a indutância 1 H, determine

1) Tensão e corrente médias na carga 2) Corrente máxima no diodo 3) Fator de potência

5) Para um retificador monofásico de onda completa em ponte Vs=240 V e a resistência de carga é 10 Ω . Neste caso, encontre:

a) A tensão média na carga

b) A corrente RMS na carga

c) A potência dissipada em cada diodo nos estados ligado e desligado sabendo que Vc=1V , IR=1mA.

6) Num retificador monofásico de onda completa em ponte com Vs = 300 V e RL = 50 Ω estime a perda total produzida pelos diodos nos estados de condução, corte e chaveamento. Considere que foram utilizados diodos modelo BYC8-600 (conforme datasheet enviado em arquivo em anexo).

7) Um retificador trifásico de três pulsos é ligado numa fonte de 220 V (Tensão Fase-Neutro). Se a corrente média na carga for 50 A, determine:

a) A tensão média na carga b) Os valores máximo e médio da corrente em cada diodo c) O valor RMS da corrente de linha

8) Repita o exemplo da questão 07 utilizando agora um retificador trifásico de seis pulsos.

9) Um retificador de seis pulsos é alimentado por uma fonte de 330 V (Tensão Fase-Neutro) e conectado a uma carga de 20 Ω. Neste caso encontre:

a) Tensão média na carga b) Corrente média na carga c) Corrente média no diodo d) PIV no diodo e) Potência média na carga

10) Repita o problema da questão 09 acrescentando uma indutência grande em série com a resistência de carga.

11) Para o circuito da questão 04 considere os efeitos da indutância da fonte Ls = 1mH.

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Referências

Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and

Applications, Segunda Edição, Elsevier, 2007.

Ahmed, Ashfak. Eletrônica de Potência, Wiley,

Pomilio, José Antenor. Eletrônica de Potência , Faculdade de Engenharia

Elétrica e de Computação, UNICAMP, 1998, Revisado em 2002.

Algumas figuras utilizadas nesta apresentação foram retiradas

das referências citadas acima.

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5. Anexos

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Figuras Auxiliares para Exercícios Resolvidos em Sala

Componentes em Frequência da Onda Quadrada:

d =1 d =1/3 d =1/5

d =1/20 d =1/50 d =1/1000

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Figuras Auxiliares para Exercícios Resolvidos em Sala

Sistema Trifásico Desbalanceado

SX -> 1pu

SZ -> 0,85pu

SY -> 1,05pu

Fase X

Fase Y

Fase Z

Fase X

Fase Y

Fase Z

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