Cap. 5. Controladores de Tensão AC. Conversores ac-ac

Transcrição

1 Cap. 5 Livro do Hart: pag Controladores de Tensão AC Conversores ac-ac

2 Cap. 5 - Controladores de Tensão AC Conversores ac-ac 5.1 Introdução 5.2 Controlador de Tensão CA Monofásico - Funcionamento básico - Controlador monofásico com carga resistiva - Controlador monofásico com carga RL - Simulação com o Pspice para o controlador de tensão CA monofásico 5.3 Controladores de Tensão Trifásicos - Conexão de carga resistiva em Y - Carga RL conectada em Y - Carga resistiva conectada em triângulo 5.4 Controle de Rotação de Motor de Indução 5.5 Controle Estático Var

3 Controladores de Tensão AC Conversores Ac-Ac Tipos de controle AC-AC Controle do ângulo de condução em cada cíclo Controle do número de ciclos completos Conversão AC-AC Entrada AC: senoidal Saída AC: não-senoidal

4 Controladores de Tensão AC Conversores Ac-Ac Controladores monofásicos Controladores trifásicos Controle de velocidade de motores de indução Controle de VAR (volt-ampere reativo) estático

5 Utiliza: - 2 SCRs ou 1 TRIAC Controlador Monofásico

6 Tensão de saída RMS 1 2 Vm Vo,rms Vm sin t d t 1 sin Devido a simetria, o cálculo pode ser feito apenas para metade do ciclo. - A segunda metade possui o mesmo valor. - Para, a tensão na carga é uma senoide. Corrente de saída RMS

7 Tensão RMS de saída (normalizada) vs Ângulo de disparo Para um ângulo de disparo de zero graus a tensão RMS é igual a da fonte. Para um ângulo de disparo de 90 graus observa-se que a tensão RMS é maior do que 50% da tensão da fonte. (função não linear)

8 Fator de Potência Tensão RMS de saída Tensão RMS de entrada para Corrente média em cada SCR Corrente RMS em cada SCR Cada SCR conduz metade do ciclo de corrente da carga Corrente RMS em cada SCR é de:

9 Amplitude dos harmônicos VS. ângulo de disparo Corrente da fonte e da carga não são senoidais. Distorção harmônica Quanto maior o ângulo de disparo menor a amplitude da componente fundamental e maior a quantidade de harmônicos.

10 Exemplo 5-1 Um controlador AC monofásico possui uma fonte de 60Hz com 120V rms. A resistência da carga é de 15 ohm. Determine: (a) Ângulo de disparo (espera) necessário para enviar 500W para a carga. (b) Corrente RMS da fonte (c) Corrente RMS e média em cada SCR (d) Fator de potência (e) Distorção harmônica total (THD) da corrente na fonte Fórmulas

11 Exemplo 5-1 (a) Ângulo de disparo (espera) necessário para enviar 500W para a carga. Numericamente:

12 Exemplo 5-1 (b) Corrente RMS da fonte (c) Corrente RMS e média em cada SCR

13 Exemplo 5-1 (d) Fator de potência ou

14 Exemplo 5-1 (e) Distorção harmônica total (THD) da corrente na fonte Precisamos calcular I 1,rms Métodos de cálculo - Série de Fourier - Método gráfico: Calcular a corrente de base RMS e depois o primeiro harmônico através do gráfico.

15 Exemplo 5-1 (e) Distorção harmônica total (THD) da corrente na fonte Corrente de base RMS Valor da corrente se a tensão fosse senoidal Valor da corrente rms x

16 Controlador monofásico com carga R-L

17 Controlador monofásico com carga R-L Análise das curvas: Ponto 1 - Parte do ciclo negativo chega até a carga pois ainda há corrente passando e o SCR não entra em corte. 1

18 Controlador monofásico com carga R-L Análise das curvas: Ponto 2 Ponto 1 - Parte do ciclo positivo chega até a carga pois ainda há corrente passando e o SCR não entra em corte. 2

19 Controlador monofásico com carga R-L Análise das curvas: 3 Ponto 3 - Um SCR não pode disparar enquanto o outro não interromper seu disparo. - Um SCR fica polarizado reversamente enquanto o outro conduz

20 Controlador monofásico com carga R-L 4 Análise das curvas: Ponto 4 - Atraso de corrente devido ao indutor.

21 Ângulo de disparo = α Ângulo de extinção = β Ângulo de condução =β α Controlador monofásico com carga R-L

22 A corrente na carga em cada semi-ciclo é igual ao do retificador controlado de meia-onda i o t Vm t/ sin t sin e for t Z 0 otherwise L where Z R L, and tan R 1 2 Io,rms i o ( t)d( t)

23 Controlador Trifásico Carga resistiva conectada em Y

24 Funcionamento dos 6 SCRs Ligam na sequência: em intervalos de 60 graus. Tensão na carga determinada pelos SCRs ligados naquele instante. Situações possíveis: 3 SCRs ligados ao mesmo tempo - Tensão linha-neutro 2 SCRs ligados ao mesmo tempo - Metade da tensão linha-linha Nenhum SCR ligado Controlador Trifásico Carga resistiva conectada em Y

25 v an para ângulo de disparo 0 < α < 60 Exemplo abaixo para α = 30

26 v an para 0 < α < 60 Exemplo abaixo para α = 30 Em wt=0 - S5 e S6 conduzem - Não há corrente em Ra Logo, Van = 0

27 v an para 0 < α < 60 Exemplo abaixo para α = 30 Em wt=30 - S1 recebe sinal no gate e dispara - S5 e S6 continuam ligados Van = V AN

28 v an para 0 < α < 60 Exemplo abaixo para α = 30 Em wt=60 - Corrente em S5 chega em zero (desliga) - S1 e S6 conduzem - Van = V AB /2

29 v an para 0 < α < 60 Exemplo abaixo para α = 30 Em wt=90 - S2 liga - S1, S2 e S6 conduzem - Van = V AN

30 v an para 0 < α < 60 Exemplo abaixo para α = 30 Em wt=120 - S6 desliga - S1, S2 conduzem - Van = V AC /2

31 v an para 0 < α < 60 Exemplo abaixo para α = 30 *Os SCRs variam entre 2 ou 3 em disparo ** Para existir intervalos com os 3 SCRs ligados o ângulo de disparo deve ser menor que 60 graus.

32 v an para 0 < α < 60 (ângulo de disparo) (α = 30 ) Tensões em cada fase Observe o alto nível de distorção Correntes em cada SCR

33 v an para 60 < α < 90 Apenas 2 SCRs conduzem ao mesmo tempo. 1 SCR sempre está desligado Tensões na carga são metade da tensão linha-linha ou são zero. (α = 75 abaixo)

34 v an para 90 < α < 150 (α = 120 abaixo) Apenas 2 SCRs conduzem ao mesmo tempo. Existem intervalos em que nenhum SCR esta ligado.

35 v an para 150 < α Não há intervalos de tempo em que o SCR está polarizado diretamente enquanto um sinal é aplicado no gate. Tensão na carga é zero.

36 Tensão de saída (normalizada) VS. ângulo de disparo

37 Tensão RMS e potência transferida para a carga Formulação analítica muito complexa! Cálculo deve ser feito através de simulações

38 Carga RL conectada em Y no controlador trifásico Formulação analítica muito complexa! Cálculo deve ser feito através de simulações Corrente simulada em uma fase Circuito com ângulo de disparo de 75 graus, resistência 10 ohm, indutância 30mH, tensão trifásica linha-linha de 480V Exercício de simulação 5-4

39 Carga resistiva conectada em delta (triângulo)

40 Carga resistiva conectada em delta (triângulo) Tensão no resistor Tensão linha-linha quando o SCR da fase está ligado Ângulo de disparo em relação ao cruzamento com o zero da tensão linha-linha SCRs ligados na sequência Correntes de linha determinadas pela soma de duas correntes do delta:

41 Correntes para pequenos ângulos de condução Correntes para grandes ângulos de condução

42 Carga resistiva conectada em delta (triângulo) Ângulo de condução e as correntes Pequenos ângulos de condução Grandes ângulos de disparo Correntes no delta não se sobrepoem Corrente de linha RMS:

43 Carga resistiva conectada em delta (triângulo) Ângulo de condução e as correntes Grandes ângulos de condução Pequenos ângulos de disparo Correntes no delta se sobrepoem Corrente de linha RMS: Depende do ângulo de disparo

44 Carga resistiva conectada em delta (triângulo) Inserção de tiristores em cada fase. Em diversos casos não é possível. Arranjo pouco utilizado

45 Controle de Velocidade de Motor de Indução Motor de indução com rotor tipo gaiola de esquilo Controle de velocidade - Tensão - Frequência Controlador AC é adequado para: Motores e cargas de baixa potência. Pequeno tempo de operação em baixa velocidade - Baixa eficiência em baixas velocidades

46 Controle de Velocidade de Motor de Indução Para o motor monofásico Para o motor trifásico - Grande variação de torque e tensão para pequenas variações de velocidade

47 Controle de VAR (volt-ampere reativo) estático - O controle do fator de potência de algumas cargas estáticas pode ser feito com um capacitor em paralelo. - Se a carga não for estática, é possível controlar o fator de potência de forma dinâmica com o circuito abaixo. Controlador AC de volt-ampere reativo