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SISTEMA CONVERSOR RETIFICADOR DE 12 PULSOS UTILIZANDO
TRANSFORMADOR DE 3 ENROLAMENTOS
Alexandre de Carvalho Duarte Rafael de Souza Machado Daniel Silveira Costa
Orientador: Prof. Dr. Angelo José Junqueira Rezek Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE)
Resumo
O objetivo principal desse trabalho é reativar
e analisar o funcionamento de uma bancada com um
sistema conversor de doze pulsos tiristorizado que
será disponibilizada para fins didáticos em pesquisas
de iniciação científica no Laboratório DON/DET.
A bancada estava inicialmente inoperante e
em mau estado de conservação. Após limpeza,
recuperações e algumas implementações, encontra-se
atualmente em funcionamento e vem apresentando
bom desempenho.
Iremos analisar o Sistema Retificador
Tiristorizado de doze pulsos utilizando transformador
de três enrolamentos.
Palavras-Chave: Conversor de doze pulsos, Sistema
retificador, Transformador de três enrolamentos
Abstract
The main goal of this work is to reactivate
and analyze a thyristorized converter workbench of
twelve pulses that will be available for teaching pur-
poses as scientific initiation at the DON/DET Labora-
tory.
The workbench was initially inoperative and
in a poor condition. After cleaning, recoveries and
some implementations is, at this moment, in operation
and developing a good performance.
We will analyze the twelve pulse thyristorized
rectifier system with a three winding transformer.
Keywords: Twelve pulse converter, Rectifier system,
three winding transformer
I – REFERENCIAL TEÓRICO
O fornecimento de energia elétrica é feito,
essencialmente, a partir de uma rede de distribuição em
corrente alternada, devido, principalmente, à facilidade de
adaptação do nível de tensão por meio de
transformadores. Em muitas aplicações, no entanto, a
carga alimentada exige uma tensão contínua. A conversão
CA-CC é realizada por conversores chamados
retificadores. [7]
Os retificadores podem ser classificados
segundo a sua capacidade de ajustar o valor da tensão de
saída (controlados x não controlados); de acordo com o
número de fases da tensão alternada de entrada
(monofásico, trifásico, hexafásico, etc.); em função do
tipo de conexão dos elementos retificadores (meia ponte
x ponte completa). Os retificadores não-controlados são
aqueles que utilizam diodos como elementos de
retificação, enquanto os controlados utilizam tiristores ou
transistores. [7]
Os circuitos retificadores controlados constituem
a principal aplicação dos tiristores em conversores
estáticos. Possuem vasta aplicação industrial, no
acionamento de motores de corrente contínua, em
estações retificadoras para alimentação de redes de
transmissão CC, no acionamento de locomotivas, etc.
Transformadores com três ou mais
enrolamentos, conhecidos como transformadores de
múltiplos enrolamentos, são usados frequentemente para
interconectar três ou mais circuitos que podem ter tensões
diferentes. Para esses propósitos, um transformador de
múltiplos enrolamentos custa menos e é mais eficiente do
que um número equivalente de transformadores de dois
enrolamentos. [10]
I.1 – Associação de Retificadores
Em determinadas situações pode ser conveniente
fazer-se uma associação de circuitos retificadores, como
por exemplo, quando se deseja reduzir o conteúdo
harmônico da corrente drenada da rede. Isto se aplica a
retificadores controlados ou não.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
OUTUBRO/2015
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
ENGENHARIA ELÉTRICA
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Fig. 1 - Associação em série de retificadores
não controlados. Circuito de “12 pulsos”
A análise que se observa na Fig. 1, embora tome
como exemplo retificadores a diodo, pode ser estendida
também para circuitos com tiristores e mistos.
I.2 – Conversor de 12 Pulsos
Um conversor 12 pulsos pode ser obtido à partir
da ponte retificadora trifásica clássica com associação em
série das pontes retificadoras, porem esta não é a única
forma, podendo ser em paralelo. É obtido um
defasamento de 30° entre as tensões das pontes por efeito
de transformador com primário em ∆ (delta) e
secundários em ∆ e Y (estrela). [8]
O Conversor de 12 Pulsos apresenta como uma
das vantagens a eliminação de harmônicos de menor
ordem, por exemplo, o 5º e o 7º. O mesmo é utilizado em
sistemas industriais e em sistemas de transmissão de
energia elétrica em corrente contínua, citando-se, por
exemplo, o sistema de transmissão de energia elétrica em
corrente contínua de Itaipu. [9]
II – INTRODUÇÃO
Esta bancada foi utilizada anteriormente em um
projeto de P&D com a CEMIG e estava inoperante. Por
possuir muitos recursos didáticos, foi disponibilizada
para nosso trabalho pelo coordenador do projeto, Prof.
Dr. Augusto Nelson Carvalho Viana.
O primeiro passo foi o transporte da bancada e
suas componentes para o Laboratório DON/DET. A mesa
se encontrava deteriorada e aparentemente com diversos
problemas como se pode obser var na Fig. 2 e Fig. 3
Fig. 2 – Bancada em estágio inicial (painel)
Fig. 3 – Bancada em estágio inicial (interior)
Após a limpeza foram feitas várias verificações e
testes para detectar erros no funcionamento. Como
reparos podemos citar correção de circuitos, substituição
de componentes, soldagens, troca de fusíveis etc. Foram
ainda implementados um novo circuito de disparo e uma
ponte de tiristores.
III – METODOLOGIA DE TRABALHO
O sistema conversor parte do princípio básico da
conexão unitária, consistindo no emprego de um sistema
“back to back” retificador mais inversor, como por
exemplo, aquele usualmente empregado em sistemas de
transmissão HVDC.
Utilizou-se uma conexão unitária convencional
de doze pulsos, retificador mais inversor tiristorizados
“back to back”.
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III.1 - Montagem
A bancada foi montada baseada no seguinte
esquema mostrado na Fig. 4.
Fig. 4 – Esquema de Montagem do Circuito
Conversor
A configuração para conversores de 12 pulsos é
geralmente formada por dois grupos de 6 pulsos
alimentados por dois transformadores trifásicos em
paralelo, com suas tensões fundamentais iguais e
defasadas de 30º. Além disso, para manter a operação de
12 pulsos os 2 grupos de 6 pulsos devem trabalhar com
mesmo controle de ângulo, e portanto as correntes de
frequência fundamental nos primários dos dois
transformadores estarão em fase.
Já neste projeto será utilizada uma formação
diferente para tentar obter um aumento do rendimento,
mostrado no esquema da Fig. 5, onde a entrada se dá por
um transformador trifásico de 3 enrolamentos (estrela-
estrela-delta) obtendo assim a defasagem angular
necessária para o funcionamento.
Fig. 5 – Montagem Física do Circuito Conversor
Operou-se o sistema de conversão de energia
CA/CC (retificador) e CC/CA (inversor), no modo
manual. O ângulo de disparo do inversor foi mantido
constante e aproximadamente igual a 120 graus. O
controle da corrente foi feito no retificador, para operação
do sistema de corrente contínua com corrente constante.
Para esta finalidade foram utilizados reguladores digitais
nas duas pontes retificadoras, para disparo de tiristores
modelo MP 400T da SEMIKRON
SEMICONDUTORES. Para as duas pontes inversoras,
utilizou-se o circuito de disparo analógico da
DATAPOOL de Itajubá- MG sendo os ângulos de
disparo destas unidades mantidos constantes e iguais a
cento e vinte graus.
III.2 - Equipamentos utilizados
Os seguintes equipamentos foram utilizados:
2 Indutores: um de 50[mh] e outro de 5[mh] em
série;
2 DATAPOOL Eletrônica LTDA, modelo 8440,
110-220 [V], 1,5[A] (Fig. 6);
4 pontes tiristorizadas compostas por 6 tiristores
40TPS12, 5L3V, 0038A, cada uma;
2 Transformadores trifásicos, um tapeado( do
retificador ), e outro sem TAPs;
2 MP400T SEMIKRON,
Fig. 6 – Circuito DATAPOOL
III.3 - Funcionamento do Sistema Conversor de 12
Pulsos
Para os testes do projeto foi utilizada a tensão de rede
da CEMIG no local do gerador, utilizando uma tensão
fase-fase de 227[V], que passando pelo transformador
tapeado passa a ter 256[V] fase-fase, e obtendo uma
diferença angular entre o secundário e o terciário de 30°
devido a sua montagem (estrela-estrela-delta). Montagem
essa que influenciará nas formas de ondas das pontes
tiristorizadas utilizadas na construção do retificador.
O retificador do terciário (delta) terá uma defasagem
natural de 30° em relação ao do secundário (estrela),
dispensando assim a necessidade de outros equipamentos
para influenciar essa defasagem angular entre o
secundário e o terciário do transformador.
Para colocar a bancada em funcionamento é
necessário seguir uma determinada ordem, para evitar
possíveis danos à bancada.
Também é necessária a configuração prévia dos 2
circuitos MP400T para os disparos do retificador,
facilmente configurados utilizando o DataSheet obtidos
junto ao fabricante.
Primeiramente deve-se colocar tensão de entrada
(CEMIG 227 [V]) em ambos os lados da mesa, tanto no
lado gerador quanto no lado da rede, após isto deve-se
ligar os disjuntores da rede (CEMIG), depois ligam-se os
2 DATAPOOL com ângulo de disparo em 120°, após
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ligados e ajustados , deve-se liberar seus pulsos, agora
deverá ser zerada a potência no potenciômetro(REF.
Corrente) que controla o percentual de potência liberado
pelo retificador ao circuito, após feito isso liga-se os
disjuntores do disparo, libera-se os disparos, fecha-se o
link e começa-se a aumentar o potenciômetro até q seja
obtida uma corrente de meio ampere no medidor da
bancada.
Após feitas essas etapas a bancada estará em
operação onde foram feitas medidas com o um
osciloscópio para obtenção das ondas nas pontes do
retificador e do inversor, ondas essas que serão
apresentadas nos resultados do projeto.
Para desligar a bancada deve-se também seguir uma
ordem correta de eventos para a preservação da bancada.
Deve-se inicialmente baixar o potenciômetro até que
a tensão VI(do retificador) e VII(do inversor) sejam zero
nos mostradores da bancada, após isso abre-se o link,
primeiramente vamos desligar o retificador bloqueiam-se
os disparos, desligam-se os disjuntores de disparo, zera-se
o potenciômetro do REF. corrente, agora vamos desligar
o inversor, destravam-se os ângulos de disparos das 2
DATAPOOL, depois as mesmas são desligadas,
finalmente desligam-se os disjuntores da rede (CEMIG),
agora a bancada já pode ser totalmente desenergizada.
IV.4 - Programação MP400t
As configurações do módulo DATAPOOL 8440
e da placa MP400t foram feitas utilizando o datasheet
disponibilizados pelo orientador, para obter um controle
de corrente manual para o sistema. Podendo mais tarde
ser alterado para um controle automático.
IV - RESULTADOS
IV.1 - Reativação
O processo de restauração da bancada foi longo,
passou pelo transporte, limpeza, consertos e os últimos
retoques. Por fim, sua reativação foi bem sucedida, como
pode-se observar na Fig. 7, e o resultado foi gratificante
para nós, garantindo o bom funcionamento de todas as
suas componentes.
Fig. 7 – Bancada restaurada
IV.2 - Formas de ondas obtidas
Foram realizados ensaios utilizando lâmpadas em série
como carga para se observar a tensão nos terminais do
retificador e do inversor, assim como a corrente no
circuito CC. Na configuração da Fig. 8 a bancada
começou a operar como retificadora na entrada e
inversora na saída.
Fig. 8 – Bancada em funcionamento
Com a bancada em pleno funcionamento e com
o auxílio de um osciloscópio obtivemos as formas de
ondas nas saídas do retificador, inversor e a corrente no
circuito CC. Os resultados são mostrados nas Figuras a
seguir a seguir:
Fig. 9 – Tensão Retificador Y-Y
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Fig. 10 – Tensão Retificador Y-Δ
Fig. 11 – Tensão Inversor Y-Y
Fig. 12 – Tensão Inversor Y-Y
Fig. 13 – Corrente no circuito CC
V – DISCUSSÃO DE RESULTADOS
V.1 – Implementação e Funcionamento do Sistema
Conversor de 12 Pulsos
Avaliando-se os resultados de um ponto de vista
geral, eles foram bastante satisfatórios. Considerando a
sua situação incial, onde a bancada se encontrava bastante
danificada e possuía muitos defeitos como, mal contatos
devido a ligações de circuitos, fusíveis danificados e
cabos velhos e danificados.
Ainda não foi possível subtituir alguns LEDs e
fazer a etiquetagem completa da mesa. Porém, todos os
reparos para o seu devido funcionamento e testes
posteriores foram feitos, como visto na Fig. 6. Esses
reparos finais têm como objetivo apenas melhorar a
estética do equipamento.
V.2 – Análise das formas de onda de tensão do
Retificador e Inversor
Baseando-se na teoria foram feitos os
experimentos para colocar em funcionamento o Sistema
Conversor de 12 Pulsos Tiristorizado. Como pode-se
observar nas formas de onda o resultado é o esperado.
Deve-se observar com cuidado o defasamento
angular no transformador de entrada entre os 3
transformadores, umas vez que essa defasagem de Y-Δ
entre o secundário e o terciário é o que possibilita a
utilização desta bancada sem algum outro circuito,
inserindo uma defasagem angular entre as pontes
tiristorizadas do retificador. Devido a essa defasagem,
que se tem formas de onda diferentes entre as pontes
retificadoras Y-Y e Y-Δ. Essa diferença não ocorre na
forma de onda de tensão do inversor, já que não há
defasagem angular entre os transformadores.
V.3 – Análise das formas de onda de corrente CC na
saída do indutor de 55[mH]
Também é possível observar que a corrente no
circuito CC não é totalmente lisa, isso se deve ao fato de
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ter harmônicos na rede e, principalmente, pelo nosso
reator de alisamento ser de menor valor que o necessário,
uma vez que quanto maior a indutância de alisamento
mais uniforme a forma de onda da corrente fica.
VI – CONCLUSÃO
Os resultados obtidos foram bastante positvos do
ponto de vista da equipe. Conseguimos reparar e colocar
em operação o Sistema Conversor de 12 Pulsos.
As formas de onda obtidas, tanto nos testes com
as pontes retificadoras quanto nas inversoras, foram
satisfatórias, tendo um nível de ruídos muito baixo e já
esperado.
O principal objetivo do projeto que era a
reativacão e disponibilização do equipamento para
pesquisas de iniciaçao cientifica foi atingido.
Foi um grande aprendizado para a equipe em
termos de aplicação e resoluções de problemas práticos
relacionados ao assunto em estudo. Possibitando um
melhor entendimento do Sistema Conversor Tiristorizado
de 12 Pulsos com Transformador de 3 Enrolamentos.
VII – AGRADECIMENTOS
Primeiramente gostaríamos de agradecer nossos
familiares por nos dar apoio e incentivo para realizarmos
nossos objetivos.
Agradecemos também o nosso orientador Prof.
Dr. Angelo José Junqueira Rezek que foi o idealizador
desse trabalho e nos ajudou e guiou durante todo o
processo. O Prof. Dr. Rafael que também nos prestou
apoio no laboratório.
E finalmente, à UNIFEI que nos forneceu o
equipamento, laboratório e o conhecimento necessário
para a realização do trabalho
VIII - REFERÊNCIAS
[1] MARQUES, P.H.. “Hidreletricidade em Novos
Tempos”. III Latin-American Congress on
Generation & Transmission, Campos do
Jordão, SP, Brasil, 1997.
[2] REZEK, A.J.J.. “Modelagem e Implementação de
Sistemas Multiconversores”. Tese de
Doutorado, FEEC/UNICAMP, maio/1991.
[3] REZENDE, J.T.; REZEK, AJ.J.. “O Gerador de
Indução como Alternativa de Geração de
Energia Elétrica”. XIV SNPTEE, Belém, PA,
outubro/1997.
[4] SAIDEL, M.A.; REIS, L.B.. “Geração Hidrelétrica
em Rotação Ajustável: Ampliação da Eficiência
Energética e Integração Ambiental do
Aproveitamento”. IV ELAF, Itajubá, MG, pp.
152-157, abril/1997.
[5] PELLY, B.R. “Thyristor Phase-Controlled Convert-
ers and Cycloconverters”,Wiley-Interscience,
1971.
[6] TEIXEIRA, D.A. “Análise das distorções harmôni-
cas: Estudo de caso de um sistema industrial”.
Dissertação de Mestrado, PPGEE/UFMG,
Novembro/2009
[7] DSE-FEEC-UNICAMP. “Conversores CA-CC –
Retificadores” Disponível em:
<http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffi
les/eltpot/cap3.pdf> Acesso em 5 de outubro de
2015.
[8] BORGES, D. T. S.; FREITAS, L. C. G.. “Retificador
Trifásico de 12 Pulsos com Autotransformador e
Conversores Boost Cascateados”
Disponível em:
<http://www.ceel.eletrica.ufu.br/artigos2013/cee
l2013_058.pdf > Acesso em 5 de outubro de
2015.
[9] SANTIAGO A. S., REZEK, A.J.J. “Análise e
Simulação do Conversor de 12 Pulsos”
Disponível em: <
http://www.gsiconsultoria.com.br/publicacoes_g
si/12%20-%20ART493-
07%20(Analise%20e%20simulacao%20do%20c
onversor%2012%20pulsos).pdf > Acesso em 5
de outubro de 2015.
[10] FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY Jr., C.; UMANS,
S. D. “Máquinas Elétricas: Com introdução à
eletrônica de potência”. Bookman, 2006.
BIOGRAFIA:
Alexandre de Carvalho Duarte
Nasceu em São Roque-SP, em 1989,
estuda em Itajubá na UNIFEI no
curso de engenharia elétrica,
realizou estágio de férias em
FURNAS (Ibiúna- SP), na troca do
sistema de proteção de analógico
para digital.
Daniel Silveira Costa
Nasceu em Muriaé (MG), em 1986.
Ingressou no curso de Engenharia
Elétrica na UNIFEI em 2006, com
ênfase em eletrônica. Estagiou na
ELETROCIDADE (Muriaé-MG),
na áera de instalações elétricas.
Rafael de Souza Machado
Nasceu em Muriaé (MG), em 1989.
Ingressou no curso de Engenharia
Elétrica na UNIFEI em 2010, com
ênfase em sistemas de potência.