Retificadores e Filtros Capacitivos
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- Alícia Peres
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1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina Departamento Acadêmico de Eletrônica Pós-Graduação em Desen. de Produtos Eletrônicos Conversores Estáticos e Fontes Chaveadas Retificadores e Filtros Capacitivos Prof. Clóvis Antônio Petry. Florianópolis, março de 2010.
2 Bibliografia para esta aula
3 Conteúdo desta aula Conversores CA-CC: 1. Características gerais e aplicações; 2. Retificadores Monofásicos; 3. Retificadores Trifásicos; 4. Retificadores Controlados; 5. Retificadores de múltiplos pulsos; 6. Retificadores com filtro capacitivo puro; 7. Retificador monofásico de onda completa com filtro; 8. Dobrador de tensão monofásico; 9. Retificador trifásico com filtro capacitivo.
4 Conversores CA-CC E 1 Retificador v,f 1 1 Conversor CC-CC Conversor indireto de tensão Conversor indireto de freqüência E v,f 2 Inversor 2 2
5 Conversores CA-CC Princípio geral convertem a tensão alternada da rede de energia elétrica em uma tensão contínua v f V out 0 t 0 t v f V out
6 Conversores CA-CC Podem ser: Monofásicos, trifásicos ou n-fásicos; Unidirecionais ou bidirecionais; Controlados ou não-controlados; Com ou sem correção de fator de potência; Isolados ou não-isolados; Um pulso ou múltiplos pulsos.
7 Conversores CA-CC Número de fases Monofásico Trifásico
8 Conversores CA-CC Direcionalidade Unidirecional vds T 1 S 1 Re tificador S 3 S 5 L o S 7 C o i o Bidirecional v i S 2 S 4 v r S 6 a S 8 b i Lo v o Inversor
9 Conversores CA-CC Controle Não-controlado Controlado
10 Conversores CA-CC Fator de potência Sem correção Com correção
11 Conversores CA-CC Isolamento Isolado Não-isolado
12 Conversores CA-CC Número de pulsos 2 pulsos 12 pulsos
13 Conversores CA-CC Aplicações dos retificadores Processos eletroquímicos, tais como: anodização, produção de gases, refinamento de metais, eletrodeposição, etc.; Soldagem elétrica; Acionamentos a velocidade ajustável; Sistemas HVDC; Fontes de uso geral e ininterruptas; Interfaceamento de sistemas de energia alternativa com a rede de energia elétrica; Reatores eletrônicos e todos os outros circuitos que utilizam processamento indireto de energia. v ri Retificador Inversor L o C o v dp d, v r vri vr vdp
14 Conversores CA-CC Aplicações dos retificadores Acionamento de motores CA
15 Conversores CA-CC Aplicações dos retificadores Fontes chaveadas
16 Retificador monofásico de meia onda Carga resistiva pura:
17 Retificador monofásico de meia onda Carga resistiva pura: Tensão média na carga: v t V sen t 2 o 1 VLmed 2 Vo sen t d t 2 0 V Lmed 2 Vo 0,45 V o
18 Retificador monofásico de meia onda Carga resistiva pura: Esforços no diodo: V Dp 2 V o Tensão de pico reversa; Corrente de pico; Corrente média; Corrente eficaz. I Dp 2 V o R 1 2 V o ILef sen t d t 2 R 0 2 I Dmed 2 Vo R I Def Vo ILef 2 R Vo 0,707 R
19 Retificador monofásico de meia onda Carga resistiva pura: Fator de potência: FP P S Fator de potência Potência ativa Potência aparente S V I ef ef P R I ef 2 P V I cos ef ef Demonstrar que: Fator de deslocamento FP 1 2 0,707
20 Retificador monofásico de meia onda Carga RL:
21 Retificador monofásico de meia onda Carga RL: Tensão média na carga: 1 VLmed 2 Vo sen t d t 2 0 V Lmed 2 V 2 o 1cos
22 Retificador monofásico de meia onda Carga RL: Corrente na carga 2 di t dt L Vo sen t L R il t
23 Retificador monofásico de meia onda Carga RL com diodo de roda-livre: Etapas de funcionamento
24 Retificador monofásico de meia onda Carga RL com diodo de roda-livre: Condução descontínua 1 VLmed 2 Vo sen t d t 2 V Tensão média na carga: Lmed 0 2 Vo 0,45 V o
25 Retificador monofásico de meia onda Carga RL com diodo de roda-livre: Condução contínua 1 VLmed 2 Vo sen t d t 2 V Tensão média na carga: Lmed 0 2 Vo 0,45 V o
26 Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Carga resistiva pura: Primeira etapa de funcionamento Segunda etapa de funcionamento
27 Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Carga resistiva pura:
28 Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Carga resistiva pura: Tensão média na carga: 1 VLmed 2 V2 sen t d t 0 V Lmed 2 2V 2 0,9 V 2
29 Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Carga resistiva pura: Esforços nos diodos (em cada um): VDp 2 2V 2 Tensão de pico reversa; Corrente de pico; Corrente média; Corrente eficaz. I Dp 2 V R 2 I Dmed 2 2V R 2 I Def V R V 0,707 R
30 Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Carga RL: Tensão e corrente na carga Corrente no diodo D1 V Lmed 2 2V 2 0,9 V 2 I Dmed 0,45 V R 2 IDef 0,707 I Lmed
31 Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Estudo do comportamento do transformador:
32 Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Estudo do comportamento do transformador: 1 I I I d t S 1 ef S 2 ef 2 Lmed 0 I 1 I 2 0,707 I S ef S ef Lmed S V I s1 2ef s1ef VLmed V2ef 0,9 VLmed Ss 1 0,707 I 0,9 S 1 0,785 V I 2 Lmed s Lmed Lmed S2 S 1 S 2 1,57 V I P V I s s Lmed Lmed L Lmed Lmed S2 1,57 P L Significa o uso de um transformador 1,57 vezes maior que a carga.
33 Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Carga resistiva pura: V Lmed 2 2V 2 0,9 V 2 VDp 2 V 2 Primeira etapa Segunda etapa
34 Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Estudo do comportamento do transformador (carga RL):
35 Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Estudo do comportamento do transformador (carga RL): 2 1 I2ef ILmed d t 2 I V 2ef 2ef I V Lmed Lmed 0,9 S V I 0 2 2ef s2ef 2 V Lmed S2 1,11 V Lmed I Lmed I 0,9 Lmed P V I L Lmed Lmed S2 1,11 P L Significa o uso de um transformador 1,11 vezes maior que a carga.
36 Retificador trifásico de ponto médio Carga resistiva pura:
37 Retificador trifásico de ponto médio Carga resistiva pura:
38 Retificador trifásico de ponto médio Carga resistiva pura: Tensão média na carga: VLmed 2 Vo sen t d t 2 6 V Lmed Vo 1,17 V 2 o
39 Retificador trifásico de ponto médio Carga resistiva pura: Corrente média nos diodos: I I Dmed Dmed ILmed 3 1,17 V 3R o Corrente de pico; Corrente média; Corrente eficaz. Corrente de pico nos diodos: I I Dp Def 2 Vo R Corrente eficaz nos diodos: 0,59 I Lmed
40 Retificador trifásico de ponto médio Tensão de pico inversa nos diodos: V V V 1 D1 2 V V V D1 2 1 V V V V 2,45 V 1 2 o D p o o
41 Retificador trifásico de ponto médio Estudo do comportamento do transformador:
42 Retificador trifásico de ponto médio Estudo do comportamento do transformador:
43 Retificador trifásico de ponto médio Estudo do comportamento do transformador: I sef I Lmed 3 S V I 2ef o sef VLmed Vo 1,17 VLmed ILmed S2 0,493V I 1,17 3 ef Lmed Lmed S 3 S 1,48 V I 2 2f Lmed Lmed P V I L Lmed Lmed S2 1,48 P L
44 Retificador trifásico de ponto médio Estudo do comportamento do transformador: 2 I I pef 3 S V I S 1 f o pef 1 f Lmed VLmed 2 I 1,17 3 Lmed S1 0,402 V I f Lmed Lmed S 1 3S1f S1 1,21 P L FP P L FP 0,83 S 1
45 Retificador trifásico de onda completa Ponte de Graetz
46 Retificador trifásico de onda completa Tensão de linha
47 Retificador trifásico de onda completa Tensão média na carga: L 3 2 cos v t V t 6 6 o 3 V 3 2 V cos t d t Lmed o V Lmed 2,34 V o
48 Retificador trifásico de onda completa Corrente média nos diodos: IDmed ILmed d t 2 I Dmed I 3 0 Lmed Tensão de pico reversa; Corrente de pico; Corrente média; Corrente eficaz. Corrente eficaz nos diodos: I Def I Lmed 3 Tensão de pico reversa nos diodos: V 3 2 V 2,45 V Dp o o
49 Retificador trifásico de onda completa Estudo do comportamento do transformador:
50 Retificador trifásico de onda completa Estudo do comportamento do transformador: S2 1,05 P L S S 1 2 FP 0,95
51 Retificador monofásico de meia onda - controlado Carga resistiva pura:
52 Retificador monofásico de meia onda - controlado Carga resistiva pura: Tensão média na carga: v t V sen t 2 o 0V 0,45 V Lmed o 180 V 0 Lmed o 1 VLmed 2 Vo sen t d t 2 V Lmed 2 V 2 o 1 cos VLmed 0,225 Vo 1 cos
53 Retificador monofásico de meia onda - controlado Carga resistiva pura: Característica de saída
54 Retificador monofásico de meia onda - controlado Carga RL
55 Retificador monofásico de meia onda - controlado Carga RL Tensão média na carga: v t V sen t 2 o 1 VLmed 2 Vo sen t d t 2 VLmed 0,225 Vo cos cos
56 Retificador monofásico de meia onda - controlado Carga RL com diodo de roda-livre: Etapas de funcionamento
57 Retificador monofásico de onda completa - controlado Ponte completa:
58 Retificador monofásico de onda completa - controlado Ponte mista:
59 Retificador monofásico de onda completa - controlado Ponto médio:
60 Retificador monofásico de onda completa - controlado Carga resistiva pura (para todas as estruturas): Tensão média na carga: 1 VLmed 2 Vo sen t d t VLmed 0,45 Vo 1 cos 0V 0,9 V Lmed o 180 V 0 Lmed o
61 Retificador monofásico de onda completa - controlado Carga resistiva pura: VLmed 0,45 Vo 1 cos Característica de saída
62 Retificador monofásico de onda completa - controlado Carga RL (ponte completa): Tensão média na carga: 1 VLmed 2 Vo sen t d t VLmed 0,45 Vo cos cos
63 Retificador monofásico de onda completa - controlado Carga RL (ponte completa): VLmed 0,45 Vo cos cos Característica de saída
64 Retificador monofásico de onda completa - controlado Carga RL (ponte mista):
65 Retificador monofásico de onda completa - controlado Carga RL (ponte mista): Tensão média na carga: 1 VLmed 2 Vo sen t d t VLmed 0,45 Vo 1 cos
66 Retificador trifásico de ponto médio - controlado 0 o 60 o
67 Retificador trifásico de ponto médio - controlado Característica de saída carga R
68 Retificador trifásico de ponto médio - controlado Característica de saída carga RL
69 Retificador trifásico em ponte - controlado
70 Retificador trifásico em ponte - controlado Característica de saída carga R
71 Estudo da comutação O problema: Lc > 0 Lc = 0
72 Estudo da comutação Queda na tensão de saída:
73 Retificadores de múltiplos pulsos Retificador de 12 pulsos Fonte:
74 Retificadores de múltiplos pulsos Retificador de 12 pulsos
75 Retificadores de múltiplos pulsos Retificador de 18 pulsos
76 Retificadores de múltiplos pulsos Retificador de 18 pulsos
77 Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Carga Descarga
78 Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Carga Descarga
79 Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Carga Descarga
80 Retificador monofásico de onda completa c/ filtro 1 tensão de entrada 2 tensões de entrada - bivolt C out C C C C
81 Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Análise simplificada com carga Resistiva: Energia W in P in f Win 1 C V V pk C min Capacitância Tempo de condução Corrente C V V 2 2 pk C min P C f V V in 2 2 pk C min P in f V min V cos 2 f t C pk c t c cos 1 VC min 2 f V pk I p CV t c Q I t C V p C V V t c 2 2 pk C min c
82 Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Análise simplificada: Corrente nos diodos I Dmed P 2 V in C min I Def I p t c T
83 Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Análise simplificada: I I I ef med C1ef valor eficaz de i; valor médio de i; valor eficaz da componente alternada de i, circula por C. I I I ef med C1ef I I I 2 2 C1ef ef med I I med ef I I p p 2t c T 2t c T 2 IC1 ef I p 2tc f 2tc f
84 Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Análise simplificada:
85 Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Análise simplificada para retificador alimentando um conversor: Pin I pk VC min D D I pk T on T V P in C min D P I in 2ef P out Para D=0,5 V P in C min I I I 2 2 Cef 2ef C1ef Corrente total no capacitor
86 Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Retificador de entrada de uma fonte chaveada: VAC 117V V min 99V V max 135V AC AC a) f P in 60Hz V min 100V 0,7 Pout 70W Pout W 0,7 C b) V 2 V V pk AC min V Vpk VC min V Considerando queda nos diodos. C Pin 100 f V V pk C min F C1 C2 406F
87 Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Retificador de entrada de uma fonte chaveada: VAC 117V V min 99V V max 135V AC AC f 60Hz V min 100V 0,7 Pout 70W C V pk 135 1,954 ms 2 f 2 60 cos 1 C min 1 c) V cos 100 t c d) I p C V t 1,954m c 3,64 A
88 Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Retificador de entrada de uma fonte chaveada: VAC 117V V min 99V V max 135V AC AC f 60Hz V min 100V 0,7 Pout 70W C e) 2t f 21,954 m60 0,2345 c 2 2 I I 2t f 2t f 3,64 0,2345 0,2345 1,54 A ef p c c I f) 2 ef Pin A V 100 C min I I2 I 1 1,54 1,84 A g) Cef ef ef
89 Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Retificador de entrada de uma fonte chaveada: VAC 117V V min 99V V max 135V AC AC f 60Hz V min 100V 0,7 Pout 70W C h) tc 1,954m IDef I p 3,64 1,25 A T 16,67m i) I Dmed Pin 100 2V 2100 C min 0,5 A j) V V 2 V V Dmax pk max AC max k) I I 3,64 A Dp p
90 Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Análise detalhada da forma da corrente VC V C D1 V AC D 2 i 1 i C C i R R V 1 V Cmín V pk D3 D i C t VC VC D1 V AC D 2 i 1 i C C i R R D1 V AC D 2 i C C i R R D3 D 4 D3 D 4
91 Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Representação da função RC versus V Cmin /V pk
92 Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Valor eficaz parametrizado da corrente no capacitor
93 Dobrador de tensão Chave fechada
94 Dobrador de tensão
95 Dobrador de tensão Descrição do funcionamento:
96 Dobrador de tensão Descrição do funcionamento:
97 Retificador trifásico de onda completa Descrição do funcionamento:
98 Retificador trifásico de onda completa Descrição do funcionamento:
99 Retificador trifásico de onda completa Descrição do funcionamento:
100 Resultados Experimentais V1 ef = 220V f = 60Hz C = 220F R = 2,05k
101 Resultados Experimentais Transitório de partida sem limitação da corrente Vc Vc Iac Iac Transitório de partida com limitação da corrente
102 Ajustes na metodologia de projeto A partir dos resultados de simulação pode-se concluir que: I V V t I c p corrente de pico é praticamente o dobro da calculada; cmin pk med correta; = correta; = correto; = correto.
103 Próxima aula Aplicativos: Simuladores; Softwares matemáticos.
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