CONVERSOR CA/CC TRIFÁSICO COMANDADO

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1 Área Científica de Energia Departamento de De Engenharia Electrotécnica e de Computadores CONVERSOR CA/CC TRIFÁSICO COMANDADO (Carácter não ideal) TRABALHO Nº 2 GUIAS DE LABORATÓRIO DE ELECTRÓNICA DE ENERGIA II

2 Electrónica de Energia I Trabalho de laboratório nº 2 CONVERSOR CA/CC TRIFÁSICO COMANDADO I. Introdução Os conversores CA/CC trifásicos comandados, geralmente designados por rectificadores, são os conversores normalmente utilizados quando há necessidade de alimentar, com tensões ou correntes ajustáveis, cargas consumindo uma elevada potência em tensão e corrente contínua, a partir da rede de tensões alternadas trifásicas de distribuição de energia eléctrica. Os conversores CA/CC trifásicos de onda completa são, sem dúvida, os conversores electrónicos de potência mais difundidos. As topologias em ponte totalmente comandadas são utilizadas principalmente em aplicações de grande potência (centenas de kva), nomeadamente no comando de grandes máquinas industriais, em processos de carga de bancos de baterias, em instalações de electrólise, em aplicações electroquímicas e, associados em série, no transporte de energia em corrente contínua a alta tensão. Os conversores CA/CC trifásicos de meia onda são utilizados apenas em montagens alimentadas por transformadores com enrolamentos adequados, que permitem um valor médio nulo da corrente que circula nas fases do primário. Nestas condições, o seu domínio de aplicação reside nas aplicações de baixa tensão, dado que, para correntes elevadas, o seu rendimento é relativamente superior ao das montagens em ponte. II. Objectivo do trabalho O objectivo deste trabalho consiste na análise das características dos conversores CA/CC trifásicos de onda completa e de meia onda comandados, quando ligados a uma carga do tipo RLE, alimentados por um gerador quase ideal. Verifica-se a influência do carácter não ideal do gerador. Visualizar-se-ão as formas de onda de tensão aos terminais de saída do conversor, das tensões alternadas, das correntes de carga e no transformador, bem como da tensão e corrente aos terminais dos tiristores do conversor. Compara-se a montagem em ponte com a montagem de retorno pelo neutro. 2

3 Electrónica de Energia I Trabalho de laboratório nº 2 III. Lista de material O material disponível na bancada de trabalho pode não ter as mesmas características da lista apresentada. Caso seja necessário, rectifique a lista de material utilizado indicando as suas características na tabela 1. Ri, Si, Ti- Saídas do disjuntor geral de protecção de bancada AT Tr C3φ Vac Vdc Adc R L - Autotransformador trifásico - Transformador trifásico V/2x66V; 2kVA 50/60Hz (primário: V; secundário: 2x66V) - Conversor trifásico de 6 tiristores e circuitos de disparo - Módulo trifásico de sincronismo e de disparo de tiristores - Fonte de tensão contínua +15V/-15V - Voltímetro de bancada do tipo electromagnético (0-250V) - Voltímetro de bancada de quadro móvel ( V) - Amperímetro de bancada de quadro móvel (0-6-12A) - Osciloscópio - Analisador espectral - Sonda de corrente - Pontas de prova - Reóstato de carga 0-56Ω; 3A - Bobine L=13mH; 5A Tabela 1: Lista de material. IV. Realização do trabalho 1. Simulação do Conversor O esquema de ligações do circuito encontra-se descrito na figura 1. Utilizando o programa Matlab/Simulink ou outro à escolha, realize a simulação deste conversor para todas as condições de carga apresentadas no capítulo seguinte. Compare com os resultados experimentais e com os teóricos. 2. Condução do trabalho experimental Efectue as ligações de acordo com a figura 1. 3

4 Electrónica de Energia I Trabalho de laboratório nº 2 Antes de efectuar qualquer alteração topológica ao circuito ou mudar a posição dos canais de medida ou de visualização, use sempre o seguinte procedimento de segurança: 1) Reduza as tensões de entrada a zero com o autotransformador (não desligue o disjuntor); 2) Faça as alterações necessárias nas ligações, tomando cuidado para evitar curtocircuitos, especialmente com os terminais de massa do osciloscópio (nunca deverá ligar simultaneamente os terminais de massa de dois ou mais canais). Seleccione, nos aparelhos de medida e no osciloscópio, as escalas de medida adequadas; 3) Reponha, lentamente, as tensões de alimentação nos valores anteriores ou nos valores indicados, observando, cuidadosamente, as indicações dos aparelhos de medida e de visualização. Caso note qualquer anomalia desligue imediatamente o disjuntor ou reduza rapidamente as tensões de entrada. Conversor 3φ i 2 A A dc K 1 G 1 AT - Autotransformador Tr - Transformador trifásico 380//66V Fusível Reactância X T 1 T 3 T 5 L R i v RS V dc S i Fusível u 2 R Fusível T i V ac T 4 T 6 T 2 G 1 K 1 G 4 K M G 3 K 3 G 6 K 6 T 1 T 4 G 5 K 5 G 2 K 2 R S T +15V T 3 T 6 Circuitos de disparo Fonte de alimentação +15V -15V +15V -15V P1 Módulo trifásico de sincronismo e determinação do instante de disparo T 11 T 12 T 21 T 22 T 31 T 32 T 11 T 12 T 21 T 22 T 31 T 32 T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 5 T 2 Fig. 1. Esquema de ligações do rectificador trifásico comandado. 4

5 Electrónica de Energia I Trabalho de laboratório nº Conversor CA/CC trifásico de onda completa, comandado: influência não ideal do gerador Tensão rectificada, corrente de carga e característica de comando u 2m =f(ε) a) - Monte o circuito da figura 1, ligando o ponto M ao ponto 1. - Coloque o cursor do reóstato de modo a obter o valor máximo de resistência. b) - Ligue o osciloscópio e coloque a sua massa no ponto M; - Ligue a tensão u 2 de saída do conversor no canal 1 e, no canal 2, a corrente i 2 na carga, com o auxílio da sonda de corrente. Visualize o sinal de disparo da base de tempo do osciloscópio (no osciloscópio, seleccione o disparo/ trigger no modo line ). c) - Ligue o disjuntor geral de protecção de bancada; - De acordo com o procedimento de segurança, com o autotransformador, aumente lentamente a tensão aplicada ao circuito e actue simultaneamente no potenciómetro P1 até obter ε=0º para ângulo de disparo dos tiristores, sem exceder 120V de tensão composta ou o valor máximo admissível da corrente na carga (ver o valor máximo de corrente que os reóstatos suportam). Nestas condições, os tiristores comportam-se aproximadamente como díodos, obtendo-se o funcionamento de um conversor CA/CC não comandado. - Registe as formas de onda obtidas no osciloscópio e, na tabela 1, os valores indicados nos aparelhos de medida. Meça o valor do ângulo de recobrimento. Com base nos valores lidos, determine o valor da reactância X. Compare o valor obtido no voltímetro u 2m com o valor teórico. Compare com os resultados obtidos com os resultados que obteria com um conversor CA/CC trifásico de onda completa comandado com gerador quase ideal e teça comentários. Fig. 2. Resultados experimentais: evolução temporal da tensão u 2 e da corrente i 2, para ε=0º. 5

6 Electrónica de Energia I Trabalho de laboratório nº 2 Comentários: d) - Actuando no potenciómetro P1, altere apenas o ângulo de disparo do rectificador para ε=30º; - Registe as novas formas de onda obtidas no osciloscópio e os valores indicados nos aparelhos de medida na tabela 1; - Meça o ângulo de condução simultânea (ou de recobrimento) e calcule o valor da reactância X. - Usando um analisador espectral obtenha o espectro harmónico da tensão u 2 e o da corrente de linha do gerador no secundário do transformador; - Compare os valores obtidos nos espectros com os valores esperados. Fig. 3. Resultados experimentais: evolução temporal da tensão u 2 e da corrente i 2, para ε=30º. 6

7 Electrónica de Energia I Trabalho de laboratório nº 3 Fig. 4. Resultados experimentais: Espectro harmónico da tensão u 2 e da corrente de linha no secundário do transformador. Ângulo disparo V ac (V) i 2m (A) u 2m u 2m Ângulo de X (º) (teórico) recobrimento 0 30 Comentários: Tabela 1: Conversor CA/CC trifásico de onda completa u 2m =f(ε). 7

8 Electrónica de Energia I Trabalho de laboratório nº 3 e) - Use os valores já obtidos para ε=0º e para ε=30º, complementados com outros valores de ε, para traçar a característica de comando do conversor [u 2m =f(ε)]. Registe as formas de onda obtidas no osciloscópio para os novos valores de ε e, na tabela 1, os valores indicados nos aparelhos de medida. - Trace a característica de comando do conversor [u 2m =f(ε)]. Compare com a característica de comando teórica. Fig. 5. Resultados experimentais: Formas de onda obtidas para vários valores de ε. Característica de comando do conversor u 2m =f(ε). Comentários: 8

9 Electrónica de Energia I Trabalho de laboratório nº Tensões e correntes no gerador e aos terminais dos tiristores De acordo com o procedimento de segurança: a) - Para ε=30º refaça as ligações dos canais do osciloscópio para visualizar, no modo diferencial com massa no ponto 2, a tensão composta V RS e a sua relação de fase com a tensão de disparo da base de tempo; - Registe a forma de onda obtida e justifique-a. Fig. 7. Resultado experimental:. Comentários: b) - Visualize uma das tensões simples do lado do secundário do transformador (massa no ponto 2) e a corrente de linha do gerador no secundário e no primário do transformador. - Registe as formas de onda obtidas. 9

10 Electrónica de Energia I Trabalho de laboratório nº 3 Fig. 8. Resultados experimentais: Formas de onda da tensão simples do lado do secundário do transformador e da corrente de linha do gerador, no secundário e no primário do transformador. c) - Visualize a tensão ânodo-cátodo (massa do osciloscópio no cátodo) de um dos tiristores do conversor (canal 1) e a corrente que circula nesse dispositivo (canal 2). - Registe as formas de onda obtidas e justifique o que observa. Fig. 9. Resultados experimentais: Tensão ânodo-cátodo de um dos tiristores e corrente que nele circula. 10

11 Electrónica de Energia I Trabalho de laboratório nº 3 Comentários: d) Reconfirme, para este caso, o valor do ângulo de condução simultânea e recalcule o valor da reactância X. Comentários: Conclusões: 11