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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
2/56
Sumário
Introdução
Retificadores Monofásicos
Meia onda
Onda completa
Retificadores Trifásicos
Meia onda (três pulsos)
Onda Completa em ponte (seis pulsos)
Filtragem em circuitos retificadores
DEE
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1. Introdução
DEE
4/56
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
DEE
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2. Retificadores Monofásicos
DEE
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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)
DEE
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Retificador de Meia Onda
A carga recebe apenas os ciclos
positivos da tensão Vs. Vm/R
DEE
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Parâmetros do Retificador de Meia Onda
Tensão média:
Tensão Eficaz:
Fator de Forma:
DEE
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Parâmetros do Retificador de Meia Onda
Fator de Ondulação (ripple):
Razão de Retificação
DEE
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
DEE
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.
11/56
+
vIND
-
vIND
DEE
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
DEE
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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DEE
14/56
Retificador de Onda Completa com Transformador de Derivação Central:
Corrente de ciclo positivo: I+
Princípio de operação:
DEE
15/56
Corrente de ciclo negativo: I-
Retificador de Onda Completa com Transformador de Derivação Central:
Princípio de operação:
DEE
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Retificador de Onda Completa com Transformador de Derivação Central:
Os ciclos negativos de Vs produzem
uma tensão positiva na carga.
Vm/R
DEE
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Retificador de Onda Completa com Ponte de Diodos
Corrente de ciclo positivo: I+
Princípio de operação:
DEE
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Retificador de Onda Completa com Ponte de Diodos
Corrente de ciclo negativo: I-
Princípio de operação:
DEE
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Retificador de Onda Completa com Ponte de Diodos
Vm/R
Comparando com o retificador
com transf. de derivação central a
tensão reversa em cada diodo é
reduzida à metade.
DEE
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Parâmetros do Retificador de Onda Completa
Tensão média:
Tensão Eficaz:
Fator de Forma:
Fator de Ondulação (ripple):
Razão de Retificação:
DEE
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Comparação entre Retificadores Monofásicos
DEE
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
DEE
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
DEE
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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
DEE
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Filtragem com Indutor
Fator de Ripple:
fi – freq. do sinal da fonte
DEE
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Filtragem com Capacitor
Tensão média:
Fator de Ripple:
fr – freq. do sinal retificado
DEE
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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.
DEE
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Efeito da Indutância da Fonte
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
DEE
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Efeito da Indutância da Fonte
Processo semelhante ocorre para o retificador de onda completa.
Sendo que agora:
m
dS
V
ILu
21cos
dS
DC IL
V
2
DEE
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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).
DEE
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Filtros para aplicações de alta potência
Filtro AC Indutor de Suavização
DEE
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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
DEE
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Retificador Trifásico de Meia Onda (Três Pulsos)
Princípio de operação:
• Um diodo conectado a cada uma das três fases do secundário.
• Apenas o diodo conectado à fase dominante (de maior amplitude) está conduzindo.
DEE
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Retificador Trifásico de Meia Onda (Três Pulsos)
Princípio de operação:
Quando VB > VR e VB > VY.
DEE
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Retificador Trifásico de Meia Onda (Três Pulsos)
Princípio de operação:
Quando VR > VB e VR > VY.
DEE
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Retificador Trifásico de Meia Onda (Três Pulsos)
Princípio de operação:
Quando VY > VR e VY > VB.
DEE
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Retificador Trifásico de Meia Onda (Três Pulsos)
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.
DEE
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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 %
DEE
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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.
DEE
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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)
DEE
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VBY é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):
Retificador Trifásico em Ponte (Seis Pulsos)
Princípio de operação:
DEE
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VRY é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):
Retificador Trifásico em Ponte (Seis Pulsos)
Princípio de operação:
DEE
44/56
VRB é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):
Retificador Trifásico em Ponte (Seis Pulsos)
Princípio de operação:
DEE
45/56
VYB é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):
Retificador Trifásico em Ponte (Seis Pulsos)
Princípio de operação:
DEE
46/56
VYR é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):
Retificador Trifásico em Ponte (Seis Pulsos)
Princípio de operação:
DEE
47/56
VBR é o sinal dominante (de maior valor instantâneo):
Retificador Trifásico em Ponte (Seis Pulsos)
Princípio de operação:
DEE
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Retificador Trifásico em Ponte
DEE
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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 %
DEE
50/56
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.
DEE
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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 %
DEE
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Comparação entre Retificadores Trifásicos
Ret. 3Φ de
3 pulsos
Ret. 3Φ de
6 pulsos
Ret. 3Φ de
12 pulsos
DEE
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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
DEE
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4. Exercícios de Fixação
DEE
55/56
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