trabalho de eletronica de potencia, Notas de estudo de Engenharia de Telecomunicações

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UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO

ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO

Trabalho de Eletrônica Potência

Retificadores

Recife, 12 de Dezembro de 2011

UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO

ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO

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Trabalho de Eletrônica Potência

Retificadores

Trabalho apresentado, pelas alunas Nadja Lima e Mariana Cassundé, ao curso de Engenharia Elétrica da Universidade de Pernambuco, entregue ao avaliador e professor Antônio Samuel Neto como parte da nota do 2ºEE da disciplina Eletrônica de Potência.

Recife, 12 de dezembro de 2011

Objetivo

Bibliografia………………………………………………………....................

Introdução

Os retificadores não controlados nos fornecem apenas um tensão de saída e fixa. Substituiremos os diodos por tiristores para obtermos tensões de saída controladas. Esta tensão controlada é obtida variando-se o ângulo de disparo ou de retardo dos tiristores. Um tiristor em controle de fase é disparado através da aplicação de um pulso de pequena duração ao seu gatilho e desligado devido à comutação natural da rede; e no caso de uma carga altamente indutiva, ele é desligado pelo disparo de outro tiristor do retificador, durante o semiciclo negativo da tensão de entrada.

Os retificadores controlados podem ser classificados em dois tipos, dependendo da alimentação de entrada:

• Conversores Monofásicos:

I. Semicontrolado - é um conversor de um quadrante e tem polaridade da tensão e corrente de saída;

II. Controlado - é um conversor de dois quadrantes e polaridade de sua tensão de saída pode ser tanto positiva quanto negativa. Contudo, a corrente de saída do conversor controlado tem apenas uma polaridade.;

III. (^) Conversor dual - pode operar nos quatro quadrantes; e ambas, tensão e corrente de saída, podem ser tanto positivas quanto

negativas. Em algumas aplicações os conversores são conectados em série para operar tensões elevadas e melhorar o fator de potência.l;

• Conversores Trifásicos:

I. Semicontrolado – um quadrante;

II. Controlado – dois quadrantes;

III. Conversor dual – quarto quadrantes;

Figura 1 A figura acima apresenta um conversor controlado. O qual para uma certa tensão ac o valor médio da tensão de lado dc pode ser controlado de maneira contínua a partir dos valores máximos positivos e mínimos negativos. A corrente do conversor Id não pode mudar de direção. Conseqüentemente, esse conversor só pode trabalhar em apenas dois quadrantes do plano Vd – Id. Os valores positivos de Vd e Id implicam em uma retificação quando o fluxo de potência é do lado ac para o lado dc. Em um modo inversor, Vd torna-se negativo (Id permanece positiva) e a potência é transferida do lado dc para o lado ac.

Antes de estudarmos os conversores controlados vamos revisar de maneira rápida o principal componente deste conversor, o tiristor.

Figura 3

Existindo uma tensão positiva entre o anodo e o catodo as junções J1 e J3 estarão diretamente polarizadas, caso contrário a junção J2 estará reversamente polarizada. Abrindo desta forma o circuito e consequêntemente não irá haver condução de corrente, até que a tensão Vak (tensão anodo- catodo) aumente até atingir um valor capaz de romper a barreira de potencial emJ2. Existindo uma tensão Vgk (tensão gate-catodo) positiva, irá circular uma corrente por J3, com portadores negativos indo do catodo para o gate. Por construção, a camada P ligada ao gate é bastante estreita para que elétrons cruzem J3, pois irá possuir energia suficiente para ultrapassar a barreira de potêncial que exite em J2 e consequentemente atraidos pelo anodo. Assim sendo, a junção reversamente polarizada tem sua d.d.p. (diferença de potencial) atenuada e provocando uma corrente entre anodo e catodo, que poderá existir mesmo na ausência de corrente no gate. Quando a tensão Vak for negativa, J1 e J3 estarão reversamente polarizadas, logo J2 estará diretamente polarizada. Desta forma, o tiristor bloqueia o fluxo de portadores enquanto não for superada a tensão de ruptura das junções,J1 e J3. Uma comparação bastente comum é entre o tiristor e dois transistores, como mostra a figura 4.

Figura 4

Ao aplicar-se uma corrente Ig positiva, Ic2 e Ik aumentarão. Como Ic2 = Ib1, T1 estará saturado e assim sendo conduzirá dái teremos Ib2 = Ic1 + Ig, que aumentará Ic2 e desta forma o sistema evoluirá até a saturação, mesmo

que Ig seja retirada. Este efeito acumulativo ocorrá se os ganhos dos transistores forem maior que 1. O sistema continuará conduzindo se, após o processo dinâmico de entrada em condução, a corrente anodíca tiver atingido um valor superior ao limite IL, chamado de corrente de " latching ". Se a corrente Ia cair abaixo do valor mínimo o tiristor deixa de conduzir e permite que se restaure a barreira de potencial em J2. A aplicação de uma tensão negativa Vak não é suficiente para a comutação do dispositivo. Esta tensão negativa acelera o desligamento pois desloca nos sentidos adequados os portadores na estrutura cristalina, mas não garante, sozinha, o desligamento.

Figura 5

Em detrimento a esta características do dispositivo, a aplicação de uma polarização reversa do terminal de gate não permite a comutação do SCR. Vale apena ressaltar que os tiristores podem ser disparado de diversas maneiras distintas, ou seja, estes dispositivos podem conduzir conrrente quando disparados. Os disparos podem ser devido:a tensão, quando polarizada diretamente, taxa de crescimento da tensão direta, quando polarizada inversamente, temperatura, em altas temperaturas, ação da corrente positiva do gate, quando aplica-se uma corrente miníma no gate e é o mais usado e energia radiante, energia dentro da banda espectral do silício, incidindo e penetrando no cristal.

Iremos descrever, agora, a principal forma de como devemos gatilhar um tiristor. Quando o controle do instante em que o tiristor é acionado, a corrente média do circuito pode ser controlada de maneira contínua do intervalo de zero até o valor máximo. De maneira similar podemos suprir a potência pela fonte ac.

Figura 7 a) Semi-controlada simétrica; b) Semi-controlada assimétrica; c) totalmente controlada

O uso de apenas 2 tiristores é a principal vantagem das pontes semi- controladas, sendo indicadas quando o fluxo de energia será apenas da fonte para a carga. Neste circuito a tensão de saída, v o (t) pode assumir apenas valores (instantâneos e médios) positivos. Sempre que a tensão de saída tender a se inverter (se torna negativa) haverá um caminho interno que manterá esta tensão em zero, desconectando a carga da rede.

Para carga resistiva, a forma de onda da corrente de linha será a mesma da tensão sobre a carga (sem a retificação). Com carga indutiva, a corrente irá se alisando à medida que aumenta a constante de tempo elétrica da carga, tendo, no limite, uma forma plana. Vista da entrada, a corrente assume uma forma retangular.

Ponte semi-controlada assimétrica

Na ponte assimétrica existe um caminho de livre-circulação formado pelos diodos D 1 e D 2. Supondo a polaridade da tensão da entrada como indicada, o disparo de T 1 conecta a entrada à carga (indutiva) através do tiristor e D 2. Quando a tensão de entrada se inverter, D 1 entrará em condução e T 1 cortará (Enquanto, devido ao tempo de desligamento do tiristor, T 1 , D 1 e D 2 conduzirem, a fonte estará curto-circuitada, com sua corrente sendo limitada pela impedância da fonte). Quando T 2 for disparado, D 1 cortará.

O intervalo de condução de cada SCR é de (π−α). Cada diodo conduz por (2π−α). A figura 2.14 mostra formas de onda para este conversor.

Figura 2.14 Formas de onda de ponte retificadora semi-controlada assimétrica, com carga altamente indutiva.

Ponte semi-controlada simétrica

Neste circuito não existe um caminho natural de livre-circulação, a qual deve ocorrer sempre através de um SCR e um diodo.

Supondo v i(t) com a polaridade indicada, quando T 1 for disparado, a corrente circulará por T 1 e D 2. Quando a tensão da fonte inverter a polaridade, D 1 entrará em condução e D 2 bloqueará. A tensão na carga será nula pois T 1 e D 1 conduzirão, supondo que a corrente não se interrompa (carga indutiva). Quando T 2 for disparado, T 1 bloqueará. Diodos e tiristores conduzem, cada um por 180º.

Observe que se T 2 não for disparado, e supondo que T 1 continue a conduzir, em função da elevada constante de tempo elétrica da carga, no próximo semiciclo positivo a fonte será novamente acoplada à carga fornecendo-lhe mais corrente. Ou seja, a simples retirada dos pulsos de disparo não garante o desacoplamento entre carga e fonte. Para que isso ocorra é necessário diminuir o ângulo de disparo para que a corrente se torne descontínua e assim T 1 corte. Obviamente o mesmo comportamento pode ocorrer com respeito ao outro par de componentes. Formas de onda típicas estão mostradas na figura 8.

Isto pode ser evitado pela inclusão do diodo de livre-circulação D 3 , o qual entrará em condução quando a tensão se inverter, desligando T 1 e D 1. A vantagem da montagem assimétrica é que os catodos estão num mesmo potencial, de modo que os sinais de acionamento podem estar num mesmo potencial.

Figura 9

A corrente de entrada apresenta-se como uma onda quadrada, com sua componente fundamenta defasada de um ângulo em relação à tensão.

Ao acionar um motor CC, a carga comporta-se como um circuito RL ao qual se adiciona uma fonte de tensão CC, que representa a força contra-eletro- motriz de armadura, como mostrado na figura 10. Em situações em que a constante de tempo é pequena, ou então a tensão Ea é elevada, é possível que a corrente se anule, fazendo com que os tiristores comutem dentro de um semiciclo da rede. Em tal situação, como não há corrente, a tensão vista nos terminais da máquina, vo(t), será a própria tensão de armadura. A tensão vo(t) será igual à tensão de entrada (retificada) apenas enquanto os tiristores conduzirem.

Figura 10

Retificadores trifásicos

Assim como mostrado na figura abaixo os retificados trifásicos de onda completa são formados por 6 tiristores, podendo ou não possuir indutores, tanto na entrada como na saida da tensão.

Quando V (^) a for mais positiva, conduzirá o tiristor T 1 a partir do instante

em que for injetado um pulso de corrente no seu terminal de gate.

Durante este intervalo, inicialmente Vb será mais negativa, levando T 6 a conduzir e em seguida, Vc será mais negativa, levando T 2 a conduzir.

Para que isto ocorra, é sempre necessária a injeção de um sinal de corrente nos respectivos gates dos tiristores.

Existem intervalos onde os tiristores encontram-se diretamente polarizados, mas pela ausência de sinais de corrente nos seus gates , os mesmos permanecerão bloqueados (bloqueio direto).

Isto permite um controle efetivo do valor médio da tensão DC, que é feito através de um sistema de controle de malha fechada, o qual baseado na medição da grandeza selecionada para controle produz os pulsos de corrente de gate nos instantes desejados.

O valor médio da tensão DC aplicada à carga pode ser expresso como:

Onde é o ângulo de disparo dos tiristores, medido a partir do cruzamento pelo zero das tensões AC de mesma polaridade.

Para = 0°, o valor médio da tensão retificada é máximo, enquanto que para a = 90°, o referido valor médio é nulo.

A partir deste valor, tem-se tensões negativas aplicadas à carga e como a corrente direta através dos tiristores circula sempre de anodo para catodo (corrente positiva), surgem valores negativos de potência.

Isto representa uma inversão no sentido do fluxo de potência e o conversor passa a operar como inversor.

F 0 6 1

F 0 2 0

F 0 3 D

F 0 2 0

F 0 3 1

F 0 3 8

F 0 Para (^) 3 0°, o valor médio da tensão retificada atinge o seu valor máximo negativo, completando o ciclo de operação do conversor.

Para que o conversor opere como inversor, é necessário que exista no lado DC uma fonte de potência, tal como um motor DC (frenagem eletromagnética) ou um sistema de transmissão em corrente contínua.

0° ≤ φ ≤ 90° → cos φ ≥ 0 e sen φ ≥ 0 → P ≥ 0 e Q ≥ 0.

Nesta situação, o conversor opera como retificador, transferindo potencia ativa do lado AC para o lado DC e comporta-se como um elemento indutivo, consumindo potência reativa, a ser fornecida pela rede AC.

90° ≤ φ ≤ 180° → cos φ ≤ 0 e sen φ ≥ 0 → P ≤ 0 e Q ≥ 0.

Nesta situação, o conversor opera como inversor, transferindo potência ativa do lado DC para o lado AC e comporta-se como um elemento indutivo, consumindo potência reativa, a ser fornecida pela rede AC.

O conversor AC / DC multipulsos comporta-se sempre como um elemento indutivo, consumindo potência reativa, que deve ser fornecida pela rede AC.

O processo de disparo introduz um atraso no processo de condução dos tiristores. Isto faz com que a componente fundamental da corrente injetada pelo conversor no sistema AC seja atrasada da tensão. Um elemento cuja corrente e atrasada da tensão é visto pela rede AC como um elemento indutivo.

Apenas para α = 0° e α = 180°, tem-se o conversor operando como um elemento de fator de potência unitário.

RETIFICADORES NÃO-CONTROLADOS

Na maior parte das aplicações em eletrônica de potência, a entrada de energia tem a forma de uma tensão alternada senoidal em 60 Hz, proveniente da rede, que é convertida em tensão contínua para ser aplicada à carga. Isto é realizado através dos conversores CA-CC, também chamado de Retificadores. Dependendo do semicondutor utilizado, SCR ou diodo, os retificadores podem ser controlados ou não controlados respectivamente. Os retificadores a diodo são encontrados em muitas aplicações, em geral como estágio de entrada de fontes de potência, acionamento de máquinas, carregadores de baterias e outros. Neste caso a tensão de saída do retificador não pode ser controlada.

A existência da indutância provoca uma redução na tensão média na carga, sendo que quanto maior a indutância, maior será o valor do ângulo de extinção, com consequente redução do valor médio de tensão na carga.

Retificador Monofásico de Onda Completa em Ponte a) Carga Resistiva Nesta configuração, também chamada de ponte monofásica, durante o semiciclo positivo da tensão de entrada os diodos D 1 e D 4 conduzem corrente à carga e os diodos D estão bloqueados. Já no semiciclo negativo, D 2 e D 3 passam a conduzir e D 1 e D bloqueiam. Desta forma a tensão sobre a carga é sempre positiva. A Figura 3. mostra as duas etapas de operação deste retificador com as principais formas de onda.

O valor médio da tensão na carga é dado por:

E a corrente média na carga é obtida de:

Corrente e tensão nos diodos da ponte

1. A máxima tensão reversa sobre os diodos é dada pelo valor de pico da tensão de entrada da ponte retificadora.
2. Os valores médios das correntes nos diodos são iguais à metade do valor calculado para a carga.

As oscilações que aparecem na tensão sobre a carga, denominam-se “ripple”. Este ripple de tensão pode ser reduzido com a inclusão de um filtro capacitivo, normalmente um capacitor eletrolítico de alto valor em paralelo com a carga.

b) Filtro Capacitivo As formas de onda da Figura 3.8 comparam a tensão na carga e a corrente na fonte nas duas situações, com e sem o capacitor de filtro. Quanto maior a capacitância menor será o ripple. Como o capacitor se mantém carregado, os diodos são polarizados somente quando a tensão da rede ultrapassa o valor da tensão de saída sobre o capacitor, portanto durante pequenos intervalos de tempo. Isto provoca correntes não senoidais na fonte de alimentação, gerando harmônicas que reduzem o fator de potência e poluem o sistema elétrico.

c) Carga RL A ponte monofásica alimentando carga RL, bem como as principais formas de onda, estão representados na Figura 3.9.

Com o uso do indutor, pode-se obter uma corrente de carga menos ondulada. Assim, quanto maior o valor da indutância, menor será o ripple de corrente. As expressões para cálculo de tensão e corrente médias são as mesmas para carga resistiva.

d) Carga RLE Em algumas aplicações, os retificadores alimentam cargas RLE, ou seja, cargas constituídas de resistência, indutância e uma tensão CC. Como exemplo típico, cita-se um motor de corrente contínua, cujo enrolamento de armadura pode ser representado eletricamente por uma resistência, uma tensão contínua (tensão gerada ou contra- eletromotriz) e uma indutância. Normalmente se utiliza um indutor em série com o motor para diminuir a ondulação da corrente. A Figura 3.10 apresenta um retificador em ponte com carga RLE e as principais formas de onda.