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CIRCUITOS RETIFICADORES
Retificador é um circuito que faz a conexão entre uma fonte CA e uma Carga CC, isto é, converte uma tensão CA em CC. A tensão direta assim obtida não é pura tal qual a de uma bateria, contém componente de ripple alternada (CA), superposta com um nível médio (CC).
Existem vários tipos possíveis de retificadores, e, de acordo com o tipo, obtém-se diferentes ripples , tensão média e eficiência na saída. De acordo com a natureza da carga, influências significativas podem ocorrer na tensão CA de alimentação.
1 - CIRCUITOS E NOMENCLATURAS Os circuitos retificadores dividem-se em dois grandes grupos, os de meia-onda ou um caminho, e os de onda completa ou em ponte ou dois caminhos. Os retificadores de meia-onda são aqueles que possuem um diodo por fase da tensão CA de alimentação na entrada. Todos os diodos são ligados em cátodo ou ânodo comum em um terminal de carga, e o outro terminal da carga ligado ao neutro do transformador de alimentação. A expressão meia - onda vem do fato de que, em cada fase na entrada, a corrente é unidirecional; por isso alguns autores preferem a denominação um caminho. Os retificadores de onda completa correspondem à associação de dois retificadores de meia-onda ligados em série. Um deles leva a corrente até a carga, e o outro faz o retorno para a entrada CA, eliminando a necessidade de uma fonte CA com neutro. A expressão onda completa provém de que, em cada fase na entrada, a corrente tem dois sentidos, com valor médio nulo. Daí alguns autores preferirem a denominação dois caminhos. Quanto à característica de controle, os retificadores se enquadram em uma das seguintes categorias: sem controle, meio controlado ou híbridos e totalmente controlado. O retificador sem controle contém apenas diodos, fornecendo à carga uma tensão média fixam que depende da tensão alternada presente na entrada. O retificador totalmente controlado contém apenas tiristores ou então transistores de potência. Nesses retificadores, utilizando-se circuitos de disparo apropriados, o valor médio entregue à carga pode ser controlado, desde um valor positivo até um valor negativo. Esse fato caracteriza esses retificadores como conversores bidirecionais , pois o fluxo de potência ora vai da entrada para a carga, ora da carga para a entrada. O retificador híbrido ou meio controlado contém um misto de diodos e tiristores. O valor médio na carga é controlado, porém sempre positivo, desde um valor médio máximo até zero. Esse fato caracteriza esses retificadores como conversores unidirecionais , pois o fluxo de potência vai sempre da entrada para a carga. Pelo número de pulsos caracteriza-se a tensão de saída de um retificador, e conseqüentemente define-se quantas vezes essa tensão de saída é maior que a tensão de entrada. Por exemplo, retificador de seis pulsos quer dizer que o ripple de saída é seis vezes maior que a freqüência da entrada. Assim, sendo de 60 Hz a freqüência fundamental do ripple da saída.
2 - DIODO DE COMUTAÇÃO
Em muitos retificadores, em particular os bidirecionais, coloca-se um diodo em paralelo com a carga, ilustrado na Fig. 1. Esse diodo, denominado diodo de retorno, de circulação
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ou de comutação, evita que a tensão média na carga fique negativa durante o semiciclo negativo da tensão CA na entrada, mantendo a corrente do retificador na carga.
Fig. 1 - Posição do diodo de comutação
Esse diodo tem, portanto, duas funções básicas: − Evitar a tensão média negativa na carga; − Manter a corrente em circulação na carga, mesmo com os tiristores do conversor bloqueados.
3 - RETIFICADOR MONOFÁSICO DE MEIA-ONDA (OU DE UM CAMINHO)
Este é o mais simples dos retificadores, e seu circuito está representado na Fig. 2.
Fig. 2 - Retificador monofásico de meia-onda. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda para carga puramente resistiva. ( c ) Formas de onda para cargas contendo indutância.
As formas de onda estão representadas na Fig. 2(b), considerando-se desprezível a queda direta nos diodos, ou seja, quando diretamente polarizado (ânodo positivo em relação ao cátodo), o diodo funciona como um interruptor simples fechado (curto- circuito), e quando inversamente polarizado, como um interruptor simples aberto (circuito aberto). As formas de onda da Fig. 2(b) foram construídas considerando-se
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as formas de onda são similares àquelas da Fig. 2( c ), com exceção do atraso dado pelo ângulo de disparo.
Fig. 4 - Retificador monofásico controlado com diodo de comutação. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda para α menor que 90º. ( c ) Formas de ondas para α maior que 90º.
O diodo de comutação começa a conduzir a partir do instante em que a tensão de alimentação inicia o semiciclo negativo. Para os ângulos de disparo pequenos pode acontecer de o tiristor ser disparado antes que a corrente pelo diodo de comutação chegue a zero. Então a corrente na carga é contínua, Fig. 3 ( b ); se o ângulo de disparo for grande (próximo a 180º), o tiristor é disparado quando a corrente do diodo de comutação já tiver extinguido. Nesse caso a corrente na carga é dita descontínua, Fig. 3 ( c ).
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Analisando a forma de onda da tensão na carga, conclui-se que a tensão média pode ser determinada pela equação:
( 1 cos )
V
V médio ( 1 / 2 ) Vmáxsen d máx + α
π α
Portanto:
para ângulo de disparo igual a zero →
médio^ =^ máx
V
V (máximo)
para ângulo de disparo igual a 180º → Vmédio = 0 (mínimo)
A tensão sobre o tiristor apresenta uma parte positiva e uma negativa. A parte positiva corresponde ao intervalo em que o tiristor está diretamente polarizado, mas não recebeu impulso de gate. A parte negativa corresponde ao intervalo em que o tiristor está inversamente polarizado. Portanto a tensão direta máxima é igual à tensão reversa máxima, e ambas iguais à Vmax. Quando o tiristor está conduzindo, a queda direta é praticamente zero. Concluindo, pode-se dizer que o diodo de comutação tem duas funções básicas no retificador: evitar tensão negativa na carga, aumentando o valor médio, e conduzir no semiciclo negativo da tensão de entrada, retirando energia da carga e diminuindo o intervalo de condução do tiristor.
4 - RETIFICADOR BIFÁSICO DE MEIA-ONDA (OU DE UM CAMINHO)
O circuito de retificador bifásico de meia-ona está desenhado na figura 5 ( a ). É alimentado por duas tensões senoidais, V 1 e V 2 , defasadas de 180º entre si, obtidas de um transformador com tomada central (N). Em qualquer instante, somente um dispositivo (diodo ou tiristor) estará conduzindo a corrente elétrica. No caso de diodos, conduzirá aquele que estiver ligado à fase com maior tensão, e, no caso de tiristores, tenta-se disparar os dois simultaneamente, aquele ligado à fase de maior tensão entrará em condução. Com relação à Fig. 5 ( a ), T 1 ; analogamente T 2 , dentro do semiciclo de V 2. O circuito de disparo foi omitido. Entretanto basta construir um circuito que forneça pulsos, como mostram os gráficos de Ig1 e Ig2. Se o ângulo de disparo for igual a zero, os tiristores se comportarão como se fossem diodos. Quando T 1 é disparado, a corrente na carga aumenta, e, devido à indutância, T 1 só deixará de conduzir quando T 2 for acionado. Como T 2 é acionado quando V 1 é negativo, aparecerá uma tensão negativa na carga. Condições análogas ocorrem quanto T 2 é disparado. A tensão sobre os tiristores tem a mesma forma de onda, porém defasada de 180º entre si. No caso de T 1 , inicialmente, a tensão é positiva, mas não recebeu impulso de gate. Portanto não está conduzindo. Após o impulso de gate entra em condução, a tensão cai a zero (desprezível); e, após o disparo de T 2 , T 1 é bloqueado e a tensão sobre ele é V = V 1 + V 2 (ver Fig. 6). Logo, nos tiristores a tensão direta máxima é igual à tensão reversa máxima, e ambas iguais a 2 Vmax, que é o valor máximo da tensão nos terminais do secundário do transformador de entrada.
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A forma de onda da tensão na carga permite dizer que se trata de um conversor de dois pulsos. As formas de onda das correntes ilustradas na Fig. 2 ( b ) correspondem à condição de corrente contínua na carga. Nota-se que o ripple é grande, com valor médio relativamente pequeno. No caso de corrente descontínua na carga, indutância pequena, aparecerão períodos de tensão igual a zero na carga.
Fig. 6 - Circuito ilustrado T2 conduzindo e T1 bloqueado.
5 - RETIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA (OU DE DOIS
CAMINHOS)
Esse retificador (também conhecido como conexão em ponte) pode ser do tipo sem controle (4 diodos), híbrido ou meio controlado (2 diodos e 2 tiristores), ou totalmente controlado (4 tiristores). Esta seção descreve cada um dos tipos.
5.1 - Sem controle Na Fig. 7 estão desenhados quatro tipos de circuitos que podem representar esse retificador. A título de estudo e comparação com futuros retificadores, a representação mais utilizada é aquela da Fig. 7 ( c ), embora se utilize também a da Fig. 7 ( d ), pois essas configurações permitem estudar outros retificadores por comparação. Por exemplo, associando-se em série dois retificadores de meia-onda, utilizando-se na alimentação uma tomada central N, equivale ao de onda completa. Assim sendo, a forma de onda da tensão na carga pode ser obtida com uma alimentação senoidal, Vx e Vy, ou então considerando uma tomada central e as tensões V 1 e V 2 , referenciadas a N. Sem tomada central, quando Vx é positivo, D 1 e D 2 conduzem, e, quando Vy é positivo, conduzem D 3 e D 4 , resultando as formas de onda da Fig. 7 ( e ). Com tomada central para V1 positivo e V 2 negativo, D 1 D 2 conduzem, e, para V 2 positivo e V 1 negativo, D 3 e D 4 conduzem, resultando as formas de onda da Fig. 7 ( e ). Nos dois casos a tensão reserva máxima no diodo é o valor máximo da tensão alternada (Vmax), presente entre os terminais do secundário. As formas de onda da corrente nos diodos e na entrada são idênticas àquelas do retificador bifásico de meia-onda, mostradas na Fig. 5. Similarmente ao retificador anterior, o retificador monofásico de onda completa pode ser caracterizado por um conversor de dois pulsos.
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Fig. 7 - Retificador monofásico em ponte. ( a ) - ( d ) Circuitos representativos. ( e ) Formas de onda.
5.2 - Totalmente Controlado O circuito do retificador monofásico totalmente controlado está representado na Fig. 8, na qual os diodos foram substituídos por tiristores. Para alimentação da carga, os tiristores T 1 e T 2 devem ser acionados simultaneamente quando Vx é positivo ou quando V 1 é positivo e V 2 negativo e, 180º depois (próximo semiciclo), acionados T 3 e T 4. Para acionamento de dois tiristores simultaneamente, o circuito de disparo deve ser interligado com os tiristores, como mostra a Fig. 9. A equação que fornece o valor médio da tensão na carga é a mesma estudada no retificador bifásico de meia-onda, ou seja:
= cos
2 V
V médio máx (1.7)
Esta equação não é aplicada para o caso de corrente descontínua na carga.
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5.3 - Híbrido ou Semicontrolado É possível o controle de tensão média na carga utilizando-se dois tiristores e dois diodos, como mostra na Fig. 10 ( a ). Devido à mistura de elementos retificadores, o circuito é dito híbrido ou meio controlado. Outro modelo para representar este retificador é mostrado na Fig. 11, que ilustra nitidamente a conexão de dois retificadores de meia- onda em série, onde os tiristores levam a corrente até a carga e considerando a tomada central, desenham-se as tensões nos terminais da carga, referenciadas ao ponto N da tomada central; a diferença entre os potenciais dessas tensões é a tensão final na carga; sem tomada central, desenha-se a tensão na carga diretamente. Nesse retificador, a tensão na carga nunca é negativa, pois os diodos da ponte funcionam como diodo de comutação no circuito toda vez que a tensão de alimentação passar por zero.
O tiristor que está conduzindo continua nessa condição até que o outro tiristor seja disparado, pois a carga é indutiva. Por exemplo, quando T 1 é acionado, o retorno é feito por D 2 , até que a tensão de alimentação passe por zero; daí, devido à presença do indutor na carga, T 1 continua conduzindo com D 4 , até que T 2 seja disparado (caso de corrente contínua na carga). Colocando o diodo de comutação sempre que a tensão de alimentação passa por zero, o tiristor que estava conduzindo será bloqueado, pois a impedância do diodo de comutação é menor que a da associação em série de um diodo mais um tiristor. A corrente então fluirá por esse diodo bloqueando o tiristor. A tensão média na carga será:
( 1 cos )
V
V médio ( 1 / ) Vmáxsen d máx + α
π α
A tensão média na carga pode ser controlada desde um valor médio máximo igual a 2Vmax/π (ângulo de atraso igual a 0) até um valor nulo (ângulo de atraso igual a 180º).
Fig. 10 - Retificador monofásico híbrido. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda.
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Fig. 11 - Circuito retificador monofásico híbrido
Fazendo uma comparação entre os retificadores híbrido e o totalmente controlado, pode- se afirmar que a inversão de tensão na carga só é possível no retificador totalmente controlado, e nas vizinhanças de zero a corrente na entrada tem menor distorção no caso do híbrido.
6 - RETIFICADOR TRIFÁSICO DE MEIA-ONDA (OU DE UM CAMINHO)
O retificador trifásico de meia-onda é o mais simples dos retificadores polifásicos. Necessita obrigatoriamente de um transformador trifásico na entrada, com o secundário ligado em estrela (ou ziguezague), fato que limita um pouco seu uso. Portanto, para simplificar o estudo considere que na entrada os enrolamentos secundários estão inicialmente em ligação estrela. Com o aumento do número de fases, o número de pulsos da tensão na carga é maior, melhorando o fator de ripple , e aumentando o valor médio da tensão. No caso de carga indutiva, a corrente no retificador pode ser considerada contínua. Generalizando, nos retificadores polifásicos as correntes serão consideradas contínuas, e com ripple desprezível. O Circuito no retificador trifásico de meia-onda está esquematizado na Fig. 12 ( a ), as fases estão conectadas com a carga via diodos, e o retorno da carga para o transformador, via neutro, daí a obrigatoriedade da ligação estrela. Os diodos estão ligados em cátodo comum. Portanto aquele que tiver o ânodo mais positivo estará conduzindo; consequentemente, a fase com valor instantâneo mais positiva, D 1 estará conduzindo, e a tensão aplicada na carga será V 1. Fazendo o mesmo raciocínio para D 2 e D 3 , obtém-se a forma de onda da tensão na carga, desenhada na Fig. 21 ( b ). Portanto cada diodo conduz, individualmente, durante 120º, fato que caracteriza esse retificador como um conversor de três pulsos. A corrente na carga é devida à condução dos três diodos. Como sempre existe um diodo conduzindo, essa corrente será contínua, e, em valor médio 3 vezes maior que a corrente por diodo; em valor RMS, raiz rês vezes maior. Sendo IL a corrente média na carga, de acordo com o exposto com anteriormente, a corrente RMS nos diodos será:
I RMS = IL 3 (1.9)
As formas de onda da tensão sobre os diodos são iguais entre si e defasadas de 120º uma da outra. Na figura 12 ( b ) está desenhada a tensão sobre D 1. Quando D 1 conduz, a tensão sobre ele é praticamente zero; daí entra em condução D 2 , que aplica em D 1 a
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conectados em ziguezague, como mostra a Fig. 13 ( a ), garantindo que a corrente refletida para primário seja alternada, como mostram as formas de onda da Fig. 13 ( b ).
Fig. 13 - Ligação ziguezague. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda.
Quando os diodos da Fig. 12 ( a ) são substituídos por tiristores, como mostra a Fig. 14 ( a ), o retificador passa a ser totalmente controlado, podendo então ajustar o valor médio da tensão na carga de acordo com o valor do ângulo de disparo, ajustado pelo circuito de disparo. Mais uma vez não está representado o circuito de disparo, mas ele deve enviar três pulsos positivos aos gates dos tiristores, em relação aos respectivos cátodos, defasados entre si de 120º. A referência para ângulo de atraso igual a zero é o cruzamento entre si das tensões de fases, nesse caso a tensão média na carga é máxima, e o retificador funciona como se os tiristores fossem diodos. Da forma de onda da tensão na carga, Fig. 14 ( b ), pode-se concluir que a tensão média correspondente é dada pela equação:
π+α π (^) +α
V cos
V sen d
V 6 máx
5
6
médio máx (1.11)
Portanto, dependendo do valor de α, a tensão média pode ser positiva (α < 90º), zero (α
= 90º) ou negativa (α > 90º). Evidentemente, o ripple aumenta; porém, por se tratar de um conversor de três pulsos, taxa de aumento é menor que no caso de dois pulsos.
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Fig. 14 - Retificador trifásico meia-onda totalmente controlado. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda. ( c ) e ( d ) Tensão na carga
7 - RETIFICADOR TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA (OU DE DOIS CAMINHOS)
O circuito retificador trifásico de onda completa, esta desenhado na figura 15, a carga é alimentada via três diodos ligados em catodo comum, e o retorno é feito via três diodos ligados em ânodo comum, dispensando o ponto de neutro, aceitando, portanto, a alimentação em triângulo ou estrela.
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gates , na Fig. 17 ( b ). Quando o tiristor é disparado pelo segundo pulso, provavelmente já se encontra em condução, porém é mais um reforço para garantir a sua condução, e, dessa forma aumentar a confiabilidade do circuito.
Fig. 16 - Retificador trifásico onda completa. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda.
A Fig. 17 ( c ) mostra formas de onda de tensão na carga para ângulos de disparos maiores. Observar que, para um ângulo de disparo igual a 90º, a tensão média na carga é zero. O valor médio da tensão na carga pode ser dado pela expressão:
= V cos
V médio linha(máx) (1.13)
Não considerando a queda direta sobre os tiristores.
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Fig. 17 - Retificador trifásico onda completa totalmente controlado. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda para ângulo de disparo pequenos. ( c ) Tensão na carga para ângulos de disparo grandes.
O circuito será um retificador trifásico híbrido se os diodos D 1 , D 2 e D 3 da Fig. 16 forem substituídos por tiristores T 1 , T 2 e T 3 , como mostra a Fig. 18 ( a ). O acionamento dos tiristores fecha o circuito, permitindo corrente do transformador para a carga; os diodos fazem o retorno da carga para o transformador. Dessa forma, o circuito equivale à associação em série de um retiricador trifásico de meia-onda totalmente controlador com um trifásico de meia-onda sem controle, como mostram as formas de onda da figura. 18 ( b ).
A forma de onda da tensão na carga equivale à soma das formas de onda das tensões na carga, devidas à associação em série dos dois retificadores trifásicos de meia-onda antes mencionados, resultando num conversor de três pulsos, com ripple bem superior ao conversor totalmente controlado. As formas de onda das correntes na Fig. 18 ( b ) ilustram que em T1 o início da condução dependo do instante de disparo; em D4 o início da condução é feito quando Va passa a ser a tensão mais negativa, resultando numa corrente média no enrolamento secundário do transformador de entrada, porém com um grande número de harmônicas.
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OPERAÇÃO DOS CONVERSORES
A palavra retificação implica a conversão de energia de uma fonte CA para alimentação de uma carga CC. Na prática, sob determinadas condições, a potência pode inverter seu fluxo, indo da carga CC para a fonte CA. Nessas condições se diz que o retificador opera no modo inversor. Portanto a palavra conversor é usada para se refetir a um retificador , quando o fluxo de potência vai da fonte CA para a carga CC, ou a um i nvesor , quando esse fluxo se inverte.
1 - COMUTAÇÃO
No capítulo anterior, foi considerada instantânea a passagem da corrente de um diodo (ou tiristor) para o outro. Na prática, existe a impedância da fonte CA, que corresponde à associação em série de um indutor e um resistor, impondo que essa passagem seja feita durante um intervalo de tempo bem determinado, definido como tempo de comutação. Esse tempo é o tempo que a corrente demora para sair de zero até atingir a corrente de regime no diodo que vai entrar em condução, ou o tempo que a corrente demora para ir do regime até chegar a zero no diodo a ser bloqueado. O elemento predominante na fonte CA de alimentação é o indutor, a parte resistiva é desprezível. Dessa forma, na comutação dos diodos, a troca de corrente sofrerá um atraso devido à presença dessa indutância, que na prática recebe o nome de reatância de comutação. O equivalente a Thèvenin da fonte CA correspondente a uma fonte ideal de tensão em série com um indutor ideal, em cada fase de alimentação. Para expor o fenômeno da comutação, considere o circuito retificador da Fig. 1 ( a ), que representa um retificador trifásico de meia-onda, alimentado por um transformador cujo secundário está ligado em estrela, e cada fonte foi substituída pelo equivalente de Thèvenin correspondente. As formas de onda estão desenhadas na Fig. 1 ( b ), onde γ é o tempo de comutação devido à reatância de comutação L da fonte CA. Observe que durante a comutação, dois diodos consecutivos conduzem simultaneamente. Devido a sua característica, γ é também chamado ângulo de comutação , e durante a comutação a entrada “enxerga” um curto-circuito entre fases, sendo que 2L limita a corrente nessas condições, e na carga a corrente não é alternada, pois corresponde à soma das correntes nos dois diodos em comutação. Quanto maior for o tempo de duração da comutação, menor será a tensão média na carga. A comutação termina quando a corrente no diodo que vai entrar atinge o nível da corrente na carga. Para equacionar essa situação, considere D 1 e D 2 em comutação; o circuito equivalente é o da Fig. 2. Ignorando a queda direta dos diodos, e aplicando a segunda lei de Kircchoff na única malha o circuito, resulta:
ν 2 −ν 1 =Ldidt+Ldi dt (1.1)
A tensão V 2 - V 1 é igual a zero para t = 0, pois, nessa condição, V 1 = V 2 (fases iguais em módulo). Como a tensão de linha é dada pela diferença entre fases, vem:
3 V máx senωt= 2 Ldidt,ondeVmáx=tensãomáximadefase.
cos t C, onde
2 L
3 Vmáx
i
2 L
3 V sen t
Por tantodi máx^ ω +
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2 L
3 V
C máx
= , pois para t = 0 → i = 0. Finalmente resulta:
( 1 cos t )
2 L
3 V
i máx^ − ω
Fig. 1 - Comutação no retificador trifásico de meia-onda sem controle. ( a ) Circuito. ( b ) Formas de onda.
A comutação termina quando i = IL → γ = ωt, sendo X = ωL (reatância de comutação). Vem:
( 1 cos )
2 X
3 V
I L = máx + γ (1.3)
ou
