Pontifícia Universidade Católica do RS Faculdade de Engenharia

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1 Pontifícia Universidade Católica do S Faculdade de Engenharia LABOATÓIO DE ELETÔNICA DE POTÊNCIA Experiência 8: Ponte etificadora Monofásica a Tiristor (Totalmente Controlada). Objetivos: Verificar qualitativa e quantitativamente o funcionamento da ponte retificadora monofásica controlada, isto é, composta unicamente de tiristores. Apresentação da estrutura: A estrutura é composta basicamente de um transformador (T ) para o isolamento, 4 tiristores (T1,T2,T3 e T4) e o circuito de comando de disparo dos tiristores. Figura 8.1 etificador de onda completa em ponte. A carga pode ser indutiva, capacitiva, resistiva ou mista. Em aplicações de eletrônica de potência geralmente alimenta-se uma carga L. esumo teórico do comportamento da estrutura: O arranjo de um conversor monofásico controlado e mostrado na figura 8.1, para efeito de teoria consideramos com uma carga altamente indutiva de tal forma que a corrente de carga seja livre de ondulações. Durante o semiciclo positivo, os tiristores T1 e T4 estão diretamente polarizados; e quando esses dois tiristores são disparados simultaneamente em ωt = α a carga é conectada a rede de alimentação de entrada através de T1 e T4. Devido à carga indutiva, os tiristores T1 e T4 continuarão a conduzir até de ωt = α, mesmo se a tensão de entrada já estiver negativa. Durante o semiciclo negativo da tensão de entrada, os tiristores T2 e T3 estão diretamente polarizados; e o disparo de T2 e T3 aplicará a tensão da rede sobre T1 e T4 como tensão reversa de bloqueio. T1 e T4 serão desligados devido à comutação natural ou pela rede e a corrente de carga será transferida de T1 e T4 para T2 e T3. Durante o intervalo compreendido entre α < ωt < π, a tensão de entrada Vs e a corrente de entrada Is são positivas; e a potência flui da rede de alimentação para a carga. Diz-se que o conversor opera como retificador. Durante o período compreendido entre π < ωt < α+π, a tensão de entrada Vs é negativa e a corrente de entrada Is é positiva; e haverá fluxo inverso de potência, da carga para rede de alimentação. Diz-se que o conversor está operando como inversor. Laboratório de Eletrônica de Potência 1

2 O retificador a tiristor apesar de alimentar uma carga em corrente contínua, comporta-se para a rede como uma carga indutiva, absorvendo potência reativa. Isso ocorre mesmo para cargas puramente resistivas. Para cargas de pequena potência o consumo de potência reativa é bem tolerado. Contudo, quando se trata de sistemas de grande potência, há a necessidade de se empregar algum tipo de compensação. No caso de a carga ser um motor, pode existir uma f.c.e.m. que equivale a uma fonte fazendo parte da carga. Neste caso a estrutura pode atuar como um inversor. Esse conversor é extensivamente utilizado em aplicações industriais até 15 kw. Dependendo do valor de α, a tensão média de saída pode ser tanto positiva quanto negativa fazendo assim com que o conversor opere como retificador ou inversor respectivamente. A estrutura apresentada é utilizada em eletrônica de potência quando se deseja operar em dois quadrantes, aceleração e frenagem de máquinas CC, cargas de baterias, fornecimento de energia para rede comercial, etc. Trata-se de uma estrutura que apresenta um custo mais elevado em relação à ponte mista. Porém, é essencial nos casos em que se faz necessária à operação em dois quadrantes. Análise da estrutura: A análise será feita considerando que os tiristores T 1 e T 4, serão disparados simultaneamente e de modo complementar (em relação a senóide) aos tiristores T 2 e T 3. 1 V1 2 V2 T1 T2 V 3 4 T3 V3 T4 V4 Figura 8.2 etificador de onda completa em ponte Simulação no OrCad. 0 Como a corrente de carga é sempre positiva, o sentido do fluxo de potência da fonte para a carga é dado pela valor da tensão média. Quando Vmd é positivo, para α compreendido entre 0 e 90º, o conversor funciona como retificador. Quando Vmd é negativo, para α compreendido entre 90º e 180º, ele funciona como inversor. a) CAGA ESISTIVA: As formas de onda de tensão e da corrente de carga são iguais, variando apenas seus valores, conforme a resistência da carga. Figura 8.3 Formas de onda para cargas resistivas. Laboratório de Eletrônica de Potência 2

3 Consideremos o intervalo (0, π). Durante o intervalo (0, α) os tiristores encontram-se bloqueados e a tensão na carga é nula. Quando ωt = α os tiristores são disparados e a tensão da carga torna-se igual à tensão da rede. Os valores médios de tensão e corrente na carga são dados pelas seguintes expressões: VLmed = 0,45 V 2 (1 + cos α) (8.1) ILmed = 0,45 V 2 (1 + cos α) (8.2) onde: V 2 = Tensão eficaz no secundário do transformador = esistência de carga α = Ângulo de disparo dos tiristores b) CAGA INDUTIVA: Figura 8.4 Tensão média em função de α para carga resistiva. A tensão média sobre a carga, para este caso, varia em função do ângulo de extinção β. O ângulo de extinção por sua vez varia com a corrente de carga (controlada pela resistência) e com a indutância. Figura 8.5 Formas de onda para cargas L. O ângulo β pode ser limitado e fixo (α+180 ο ) quando a carga apresenta a forma de onda do tipo condução contínua. No caso apresentado na figura 8.6 tem-se uma condução descontínua. Os valores médios de tensão e corrente são dados pelas seguintes expressões: Laboratório de Eletrônica de Potência 3

4 CONDUÇÃO CONTÍNUA: VLmed = 0,9 V 2 cos α (8.5) ILmed = 0,9 V 2 cos α (8.6) Figura 8.6 Tensão média para a estrutura da figura 8.1 com carga L e condução contínua. CONDUÇÃO DESCONTÍNUA: Para α, ω, vo e L dados, o ângulo de extinção β depende apenas da resistência de carga. Consequentemente a tensão da carga passa a depender também apenas da resistência. A curva representada na figura 8.8 traduz este fenômeno. Para condução descontínua, a tensão de carga depende da corrente de carga. V Lmed = 0,45 V 2 ( cos α - cos β ) (8.3) I Lmed = 0,45 V 2 ( cos α - cos β ) (8.4) Figura 8.7 Características de carga para a estrutura da figura 8.1 com carga L. Laboratório de Eletrônica de Potência 4

5 Procedimento experimental: a) ALIMENTAÇÃO DE UMA CAGA ESISTIVA. Utilizando a configuração básica apresentada na fig. 8.1 e o esquema de ligação 8.A, alimentar uma carga resistiva. a.1) Material a ser utilizado: um kit Transformador abaixador 220 V / V dois kits de tiristores 400 V / 10 A. um kit circuito de comando Banco de cargas a.2) Instrumentos necessários: Um osciloscópio com duas ponteiras atenuadas (10:1); Um multiteste. a.3) oteiro: 1 Montagem da experiência (conforme esquema prático 8.A). 2 - Variando o ângulo de disparo (α), medir a tensão e corrente de entrada eficazes e as tensão e a corrente média na carga. Observar as formas de onda de tensão e corrente na carga com o osciloscópio. 3 - Observar com o osciloscópio a forma de onda da tensão terminais do tiristor T 1, variando o ângulo de disparo (α). 4 - Com os dados obtidos, traçar a curva da tensão média de carga em função do ângulo de disparo (α). 5 - Comparar os valores obtidos experimentalmente com os valores teóricos. b) ALIMENTANDO UMA CAGA INDUTIVA Utilizando a configuração básica apresentada na fig. 8.1 e o esquema de ligação 8.B, alimentar uma carga L. b.1) Material a ser utilizado: O mesmo do caso anterior. b.2) Instrumentos necessários: Os mesmos do caso anterior. b.3) oteiro: 1 Montagem da experiência (conforme esquema prático 8.B). 2 - Variando o ângulo de disparo (α), medir a tensão e corrente de entrada eficazes e as tensão e a corrente média na carga. Observar as formas de onda de tensão e corrente na carga com o osciloscópio. 3 - Observar com o osciloscópio a forma da tensão nos terminais do tiristor T 1, variando o ângulo de disparo. Observar também a passagem da condução descontínua para contínua, verificando se β = α o. 4 - Com os dados obtidos, traçar a curva da tensão média de carga em função do ângulo de disparo (α). 5 - Comparar os valores obtidos experimentalmente com os valores teóricos. 6 Variar a resistência e observar a influência no ângulo β. Laboratório de Eletrônica de Potência 5