CAPÍTULO - 9 ESTRUTURAS NÃO-CONVENCIONAIS PARA RETIFICADORES E INVERSORES NÃO-AUTÔNOMOS

Transcrição

1 CAPÍULO 9 ESRUURAS NÃOCONENCONAS PARA REFCADORES E NERSORES NÃOAUÔNOMOS 9.1 NRODUÇÃO As estruturas apresentadas e estudadas nos capítulos anteriores, destinadas a operar como retificadores e inversores nãoautônomos, são muito importantes e de uso generalizado na indústria. Apesar de sua importância, apresentam alguns problemas, tais como: Consumo de potência reativa, como conseqüência do atraso introduzido pelo ângulo de disparo dos tiristores. Presença de harmônicas na tensão de carga e na corrente da fonte de alimentação. Para reduzir estas dificuldades, sobretudo para aumentar o fator de potência, serão apresentadas neste capítulo, novas estruturas de conversores estáticos, algumas ainda desconhecidas (1985). Com o desenvolvimento de componentes com capacidade de bloqueio comandado, como transistores de potência, GB s e GO s, essas estruturas haverão de tornarse competitivas em relação às estruturas clássicas. Outras configurações deverão surgir, com propriedades semelhantes ou melhores, a preços aceitáveis. energia elétrica: 9.2 SMBOLOGA ADOADA PARA AS FONES DE ENERGA ELÉRCA Neste capítulo serão adotados os seguintes símbolos e convenções para as fontes de

2 224 fonte de tensão contínua. fonte de tensão alternada fonte de corrente contínua. fonte de corrente alternada. fonte de tensão contínua reversível em corrente. fonte de corrente contínua reversível em tensão. 1,. tensão e corrente de entrada 2, 2 tensão e corrente de saída. 9.3 O CONERSOR GENÉRCO Seja a estrutura representada na figura 9.1.

3 Fig. 9.1 Configuração do Conversor Genérico. A estrutura apresenta as seguintes características a. Possui quatro interruptores,,,, e bidirecionais em tensão e corrente. Cada um deles pode conduzir corrente nos dois sentidos quando o transistor estiver conduzindo, ou bloquear tensão nos dois sentidos quando o transistor estiver bloqueado. b. A fonte de tensão 1 é reversível em tensão e corrente. A sua tensão pode ser positiva ou negativa e pode conduzir corrente nos dois sentidos. No caso mais genérico é uma fonte de tensão alternada. c. A fonte de corrente 2 é reversível em tensão e corrente. anto a tensão quanto a corrente podem assumir valores positivos ou negativos. Pode ser a título de exemplo, um motor de corrente contínua operando em quatro quadrantes. d. A estrutura possui reversibilidade plena. Pode controlar o fluxo de potência entre as duas fontes nos dois sentidos. e. Os interruptores são comandados nas duas comutações. Dito de outro modo, as mudanças do estado aberto para o estado fechado ou viceversa são definidas por um sinal de comando. Para efeito de simplificação de representação, será adotada a equivalência representada na figura 9.2 a a b b Fig Símbolo do interruptor bidirecional em correntes e tensão comandado na abertura e no fechamento.

4 226 Na seqüência deste capítulo serão apresentados os modos possíveis de funcionamento da estrutura genérica e será mostrado como as estruturas particulares convencionais podem ser obtidas a partir dela. A fonte de tensão 1 será tratada como fonte do conversor e a fonte de corrente 2 será tratada como a sua carga. 9.4 CONERSOR À MODULAÇÃO PARA OPERAÇÃO EM DOS QUADRANES A operação em dois quadrantes deve satisfazer as seguintes condições: a. A tensão 1 é alternada. b. A corrente de carga é positiva c. A tensão de carga é positiva para o primeiro quadrante e negativa para o quarto quadrante, como está definido na figura o o 1 3o 4 o Fig. 9.3 Definição dos quadrantes. Consideremos a figura 9.4 na qual estão representadas as formas de onda fundamentais. Seja D f (9.1) fonte 1. onde D é definido como razãocíclica. 18, ( D 0, 5) (9.2) Lmed o Lmed representa a tensão média de carga e o representa o valor eficaz da tensão da Para 1 > D > 0,5 a tensão 2 é positiva e a estrutura opera no primeiro quadrante. Para 0,5 > D > 0, a tensão 2 é negativa e a estrutura opera no quarto quadrante. Nesse caso particular em que a corrente de carga é unidirecional, os interruptores não necessitam da bidirecionalidade em corrente. Por isto a estrutura pode ser simplificada, como está representada na figura 9.5.

5 227 O interruptor composto por um transistor em série com um diodo é unidirecional em corrente e bidirecional em tensão. Sem a presença dos diodos, os transistores seriam destruídos devido a tensão reversa a que ficariam submetidos. O conversor de dois quadrantes à modulação tem como característica fundamental a operação com fator de potência unitário. 1 2 f Fig. 9.4 Formas de onda para o conversor de dois quadrantes com modulação Fig. 9.5 Estrutura do conversor para dois quadrantes, com modulação.

6 228 A estrutura representada na figura 9.5 possui apenas duas etapas de funcionamento, que estão representadas na figura 9.6, válidas para qualquer valor instantâneo assumido pela tensão da fonte ou da carga a. 1 a etapa de funcionamento. b. 2 a etapa de funcionamento. Fig. 9.6 Etapas de funcionamento para o conversor com modulação para dois quadrantes. 9.5 CONERSOR SEM MODULAÇÃO PARA DOS QUADRANES COM CORRENE ARASADA. Consideremos as formas de ondas representadas na figura , 4, 3, 4, Fig. 9.7 Formas de onda para o conversor de dois quadrantes com corrente atrasada.

7 229 No intervalo (, ), os interruptores e conduzem. No instante eles devem se bloqueados para que e entrem em condução. Convém observar que neste momento a tensão da fonte é negativa. Assim, ao se colocar em condução os interruptores e, e ficam submetidos a uma tensão reversa da própria fonte de alimentação. Por isto, nesta estrutura, podem ser empregados interruptores com entrada em condução comandada e bloqueio natural. Neste caso os interruptores podem então ser tiristores e a estrutura obtida é a ponte retificadora clássica, estudada em detalhes no capítulo 3 e que se encontra representada na figura Fig. 9.8 Conversor para operação em dois quadrantes, sem modulação, para corrente atrasada. O tiristor é bidirecional em tensão e unidirecional em corrente. Deste ponto de vista é idêntico ao interruptor da figura 9.5, composto por um transistor em série com um diodo. Este último porém é comandado nas duas comutações enquanto tiristor é comandado somente na entrada em condução. Evidentemente o conversor da figura 9.5 pode ser empregado como o da figura 9.7. Em contrapartida, estaria sendo utilizada uma estrutura mais complexa e dispendiosa sem necessidade CONERSOR SEM MODULAÇÃO PARA DOS QUADRANES COM CORRENE ADANADA. Ao se analisar as duas estruturas anteriores, verificouse que uma operava com fator de potência unitária enquanto a outra operava com fator de potência indutivo. Por isso podemos acreditar na existência de um retificador que opere com o fator de potência capacitivo. Consideremos as formas de onda representadas na figura 9.9. No intervalo ( 1, 2 ), os interruptores e conduzem. No ângulo 2 eles devem ser bloqueados. Como a tensão sobre eles é positiva, não há possibilidade de bloqueio natural e por isto ele deve ser comandado.

8 230 1, 4, 4 2, 3 1 3, 3 2 Fig. 9.9 Formas de onda para o conversor de dois quadrantes com o fator de potência capacitivo. Ao se bloquear e, eles assumem a tensão da fonte. Conseqüentemente os interruptores e, que no intervalo ( 1, 2 ) estão submetidos a tensão reversa, entram em condução no momento em que sua tensão tornase nula. Seja um interruptor com as seguintes características: Bidirecional em tensão. Unidirecional em corrente. Bloqueio comandado. Entrada em condução natural quando a sua tensão se anula. Este componente, do ponto de vista da comutação, possui características duais do tiristor, que entra em condução quando comandado e se bloqueia quando a sua corrente se anula. Não é componente físico. No entanto, pode ser obtido a partir de um transistor de potência associado a um circuito auxiliar, em série com um diodo, cujo símbolo está representado na figura 9.10.

9 231 A C Fig nterruptor com bloqueio comandado e entrada em condução natural quando AB 0. B Este componente, uma vez bloqueado, permanece neste estado até que a tensão AB se anule. Uma vez em condução, permanece nesse estado até que receba no terminal C uma ordem de bloqueio. As etapas de funcionamento estão representadas nas figuras Na primeira etapa, entre zero e 1, os interruptores e conduzem a corrente de carga. Os interruptores e encontramse bloqueados porque os seus diodos estão polarizados inversamente, enquanto os seus transistores encontramse fechados. Quando e são bloqueados, e assumem a corrente de carga. No intervalo 2 até, e são polarizados positivamente e permanecem bloqueados. A partir do instante, a fonte 1 inverte a sua polaridade. e tornamse polarizados negativamente, por ação dos diodos, enquanto os transistores internos são fechados, tornandose aptos a assumir a corrente no ângulo 3. ambém nesse caso particular poderia ser empregada a estrutura da figura 9.1 ou 9.5 com as duas comutações forçadas. A estrutura 9.1 em particular, por ser a mais genérica, pode substituir qualquer uma das outras. 1 2 Fig a (0, 1 ) 1 a etapa.

10 Fig b ( 1, ) 2 a etapa. Fig Etapas de funcionamento para o conversor de dois quadrantes com fator de potência capacitivo. 9.7 CONERSORES PARA OPERAÇÃO EM UM QUADRANE Para operação em apenas um quadrante, a tensão de saída é sempre positiva de acordo com as convenções adotadas nesse texto. Nesses casos as estruturas sofrem modificações, de acordo com as características desejadas. Na figura 9.12 está representado o conversor à modulação para o primeiro quadrante. Os diodos D 3 e D 4 sofrem comutação natural nas duas mudanças de estado. Os interruptores e são comutados quando comandados. As formas de onda estão representadas na figura = D 3 3 = D 4 4 Fig Conversor à modulação para operação no primeiro quadrante.

11 D3 D4 f 1 2 Fig Formas de onda para o conversor representado na figura o tempo. O controle da tensão de saída é realizado através do tempo f, sendo mantido constante D f (9.3) Assim: 2 0, 9 o D (9.4) A exemplo do conversor à modulação de dois quadrantes, nesse caso a corrente de entrada fica em fase com a tensão da entrada, na medida em que a freqüência das comutações aumenta.

12 234 É possível também a realização de um conversor de um quadrante com fator de potência unitário sem modulação, cuja estrutura está representada na figura Fig Conversor para um quadrante com fator de potência unitário. As formas de onda relativas à figura 9.14 estão representadas na figura Neste conversor particular, os interruptores e são tiristores comuns, nos quais a entrada em condução é comandada e o bloqueio é natural. Os interruptores e são duais de e. Entram em condução naturalmente e têm o bloqueio comandado. As etapas de funcionamento estão representadas na figura Fig Formas de onda para a estrutura representada na figura 9.14.

13 235 1 a etapa: no intervalo (0, 1 ) conduzem e, colocandose a carga em rodalivre, como está representado na figura 9.16.a. 2 a etapa: Em 1, é disparado e se bloqueia naturalmente. O intervalo ( 1, 2 ) está representado na figura 9.16.b. 3 a etapa: Em 2, é bloqueado. encontravase fechado e assume a corrente de carga. O intervalo ( 2, 3 ) encontrase representado na figura 9.16.c. Nesse intervalo, e conduzem, colocando a carga em rodalivre. Nessa etapa a polaridade da fonte se inverte. 4 a etapa: Em 3, é disparado e se bloqueia naturalmente. O intervalo ( 3, 4 ) está representado na figura 9.16.d. 1 2 Fig a (0, 1 ). 1 2 Fig b ( 1, 2 ). 1 2 Fig c ( 2, 3 ).

14 Fig d ( 3, 4 ). Fig Etapas de operação. Os instantes de comando são escolhidos de modo que 2 = 1. Desse modo a tensão média na carga pode ser representada em função de 1, pela expressão (9.5). Lmed 0, 9 cos (9.5) o para 0 < < /2 O circuito representado na figura 9.17 funciona no primeiro quadrante, com fator de potência capacitivo. Os interruptores e são diodos enquanto os interruptores e são tiristores duais na comutação. 1 2 Fig Retificador para operação no primeiro quadrante, com fator de potência capacitivo. O circuito representado na figura 9.18 funciona no primeiro quadrante, com fator de potência indutivo na entrada. Nele reencontramos a ponte mista monofásica clássica. Mais uma vez constatase que as estruturas clássicas são casos particulares de circuitos mais genéricos. 1 2 Fig Retificador para operação no primeiro quadrante, com fator de potência indutivo.

15 ESRUURA DO PO Nas estruturas até aqui apresentadas neste capítulo, a entrada foi considerada como fonte de tensão, enquanto que a carga foi considerada como uma fonte de corrente. As estruturas todas tinham a mesma topologia mas o componentes variavam em função do tipo de reversibilidade na carga e do defasamento desejado na entrada. Naturalmente podemos ser levados a acreditar na possibilidade da existência de estruturas em que a entrada seja uma fonte de corrente alternada e a saída seja uma fonte de tensão contínua. Do ponto de vista da reversibilidade seriam estruturas duais daquelas até aqui apresentadas. A estrutura genérica, capaz de realizar essa função está representada na figura A estrutura 9.19 é a mesma representada na figura 9.1, desenhada de outro modo. Nos parágrafos seguintes serão apresentados alguns casos particulares do conversor genérico representado na figura a b Fig Conversor genérico do tipo. 9.9 CONERSOR PARA OPERAÇÃO EM DOS QUADRANES, ENSÃO DE ENRADA ADANADA EM RELAÇÃO À CORRENE Sejam as formas de onda representadas na figura No intervalo (0, 1 ) os interruptores e conduzem a corrente da fonte. Nos intervalos ( 1, ) e (, 2 ) são os interruptores e que conduzem.

16 238 Observandose o intervalo ( 1, ), constatase que nele os interruptores e conduzem a corrente num sentido enquanto que no intervalo (, 2 ) conduzem no sentido oposto. Podese afirmar então que os interruptores devem ser bidirecionais em corrente. Consideremos uma fonte de tensão como carga, com potencial a positivo e b negativo. Desse modo os interruptores devem ser unidirecionais em tensão pois não existe tensão no sentido contrário. A estrutura capaz de realizar a função prevista está representada na figura 9.21, juntamente com as etapas de funcionamento. 1, 3 1, 2 4, 3, Fig Formas de onda para o conversor, operando em dois quadrantes, com tensão de entrada adiantada. As demais etapas de funcionamento são semelhantes. Para 0 < <, a corrente média na carga é positiva e a estrutura funciona como retificador. Para < < 2, a corrente média na carga é negativa e a estrutura funciona como inversor.

17 239 5 D 33 3 D a D 44 4 D 22 2 b Fig a (0, 1 ). D 33 e D 22 conduzem a corrente de carga. No instante = 1, 1 e 4 são disparados. D 33 e D 22 bloqueiamse naturalmente. D 33 3 D a D 44 4 D 22 2 b Fig b ( 1, ). 1 e 4 conduzem a corrente de carga. Quando =, a corrente na fonte se inverte. Os diodos D 11 e D 44 entram em condução naturalmente e 1 e 4 bloqueiamse naturalmente. D 33 3 D a 2 2 D 44 4 D 22 2 b Fig c (, 2 ). D 11 e D 44 conduzem a corrente da fonte. No ângulo 2, 3 e 2 são disparados. D 11 e D 44 bloqueiamse naturalmente.

18 CONERSOR, PARA OPERAÇÃO EM UM QUADRANE, COM ENSÃO DE ENRADA ADANADA EM RELAÇÃO À CORRENE Neste caso particular em que não há necessidade de reversibilidade, pode ser empregada a estrutura representada na figura D 33 3 D D 33 e conduzem a corrente da fonte. Fig a (0, 1 ). D 33 3 D Fig b ( 1, ). Quando 1 é disparado, tornase polarizado reversamente e se bloqueia. A fonte é curtocircuitada por D 33 e 1. D 33 3 D Fig c (, 2 ). Quando i se inverte, o diodo D 33 se bloqueia. 1 se bloqueia e D 11 entra em condução.

19 241 D 33 3 D Fig d ( 2, 2). Quando 3 é disparado, se bloqueia e a fonte é curtocircuitada por 3 e D D 33 D 33 1 D 11 D 11 3 Fig Formas de onda para a estrutura representada na figura MODULAÇÃO CONERSOR, PARA OPERAÇÃO EM UM QUADRANE, À O conversor à modulação está representado na figura Os tiristores foram substituídos por transistores porque são necessárias duas comutações forçadas. Seja o intervalo (0, ). Quando 1 conduz, a fonte encontrase em curtocircuito. Quando 1 está bloqueado, conduz. Duas etapas típicas são apresentadas na figura O deslocamento entre a corrente e a tensão de entrada é praticamente nulo.

20 242 D 33 3 D Fig a encontrase bloqueado. D 33 e conduzem a corrente. D 33 3 D Fig b 1 encontrase conduzindo. A fonte de corrente encontrase curtocircuitada por D 33 e Fig Formas de onda para o conversor representado na figura 9.24.

21 CONERSOR PARA OPERAÇÃO EM DOS QUADRANES E ENSÃO DE ENRADA ARASADA EM RELAÇÃO À CORRENE Seja a estrutura representada na figura D 33 D 44 1 D 11 D Fig Estrutura do conversor para operação em dois quadrantes com tensão de entrada atrasada. Cada interruptor é composto por um diodo em antiparalelo com um tiristor dual. As formas de onda mais importantes estão representadas na figura D 11 2 D 11 1 D D 44 3 D 44 4 D Fig Formas de onda para a estrutura representada na figura No intervalo (0, 1 ) a corrente da fonte é positiva; os transistores 4 e 1 conduzem a corrente. Em 1, 4 e 1 são bloqueados. A corrente passa a circular pelos diodos D 33 e D 22, que permanecem em condução no intervalo ( 1, ). Neste intervalo as tensões nos terminais de 3 e 2 se anulam e eles são fechados. Quando =, a corrente da fonte se inverte. D 33 e D 22 se bloqueiam enquanto que 3 e 2 entram em condução naturalmente.

22 244 Desse modo fica constatado que nesta configuração os interruptores são bloqueados por um comando e entram em condução naturalmente, o que caracteriza um comportamento dual em relação ao tiristor CARACERÍSCAS DOS NERRUPORES Na figura 9.28 estão representados os símbolos e as características dos interruptores empregados neste capítulo. 1 e e 2 e c 3 e c 4 e c

23 245 5 e e c 6 e c 7 e c 8 c c Fig Símbolos e características dos interruptores. Constatase que do ponto de vista das características estáticas, qualquer interruptor constitui um caso particular do interruptor número 8. Do ponto de vista da comutação, qualquer dos interruptores apresentados pode ser classificado do seguinte modo: a) Entrada em condução e bloqueio espontâneo, tendose como exemplo o diodo.

24 246 b) Entrada em condução comandada e bloqueio espontâneo. Como exemplo temse o tiristor. c) Entrada em condução espontânea e bloqueio comandado. Como exemplo citamos o tiristor dual. d) Entrada em condução e bloqueio comandados. Como exemplo citamos o transistor de potência ou interruptor número 8.