ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI ELETRÔNICA DE POTÊNCIA RETIFICADORES TRIFÁSICOS NÃO-CONTROLADOS Professor Eduardo Moreira Vicente

2 Sumário 1. Introdução 2. Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos) 3. Retificadores trifásicos de onda completa em ponte (seis-pulsos) 4. Exemplos 2

3 Introdução Os retificadores monofásicos são de confecção relativamente simples, mas têm uma capacidade de potência limitada e geram uma ondulação significativa natensão de saída CC. Os retificadores trifásicos, por outro lado, propiciam uma saída CC com menos ondulação, o que facilita a filtragem na saída. Como os componentes do filtro para retificadores de alta potência são grandes e caros, a redução ou a eliminação desses filtros é importante. Assim, para aplicações de alta potência, é desejável o uso de retificadores trifásicos. 3

4 Introdução Os retificadores trifásicos têm as seguintes vantagens, quando comparados aos monofásicos: Tensão de saída mais alta para uma determinada tensão de entrada; Amplitude mais baixa da ondulação (embora nunca chegue a zero), isto é, a tensão de saída é mais limpa; Frequência de ondulação mais alta, o que simplifica a filtragem; Eficiência total mais alta. Os retificadores trifásicos usam três, seis ou doze diodos. O uso de mais diodos reduz o custo, distribui a carga e permite o uso de dispositivos com valores nominais mais baixos. 4

5 Introdução As tensões trifásicas são produzidas por geradores trifásicos que possuem bobinas de fase dispostas simetricamente no gerador, com defasagem de 120º entre elas. 5

6 Introdução Corrente de Linha (I L ) = Corrente de Fase (I F ) Tensão de Linha (V L ) = 3 Tensão de Fase (V F ) Corrente de Linha (I L ) = 3 Corrente de Fase (I F ) Tensão de Linha (V L ) = Tensão de Fase (V F ) 6

7 - Com carga resistiva Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos) A Figura 7.1 mostra um retificador trifásico de meia-onda com três diodos e uma carga resistiva. Fig. 7.1 Diagrama do circuito retificador trifásico de meia-onda. 7

8 Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos) Para analisar o circuito é preciso, em primeiro lugar, determinar os períodos nos quais cada diodo está ligado e, em seguida, aplicar a fonte de tensão apropriada sobre o resistor de carga R. Cada diodo conduz em intervalos de 120 na sequência D 1, D 2, D 3... para produzir a tensão de saída combinada v o, como mostra a Figura 7.2. Fig. 7.2 Formas de onda da tensão na carga. 8

9 Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos) A forma de onda da tensão de entrada v S na Figura 7.2 é usada para determinar os períodos em que cada diodo fica ligado. Considere o intervalo entre 0 e 30. Nesse período, a tensão de fase v CN é mais alta do que v AN e v BN. Em consequência disso, o diodo D 3 fica diretamente polarizado e a tensão de saída (v o ) se torna igual a v CN. Nesse intervalo, a tensão em D 1 é v AC e a tensão em D 2, v BC. Os diodos D 1 e D 2 ficam, portanto, inversamente polarizados. De 30 a 150, a tensão mais positiva é v AN ; ela passa o diodo D 1 para o estado ligado e aparece nos terminais de R como v o. Em 150, a tensão instantânea v BN se torna maior do que v AN. O diodo D 1 fica inversamente polarizado e passa para o estado desligado quando o diodo D 2 fica diretamente polarizado e começa a conduzir. Isso faz com que seja aplicado v BN em R de 150 a 270. Em 270, v CN torna-se de novo o mais positivo e D 3 passa para o estado ligado. O diodo D 3 liga v CN em R a partir de 270. O ciclo é então repetido. 9

10 Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos) A tensão de saída na carga v o segue os picos da tensão de entrada de alimentação e varia pulsando entre V max e 0,5 V max. Esse circuito é denominado retificador de três-pulsos, uma vez que a saída se repete três vezes em cada ciclo de v S. pulsos): A expressão geral para a tensão média na carga é (n = número de Para o caso doretificador de três-pulsos, por: Em relação à tensão de linha (V L(m) ), a tensão média na carga é dada V f(m) = V L(m) 3 10

11 Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos) Uma vez que a carga é resistiva, a corrente tem a mesma forma de onda da tensão. A corrente de cada diodo é igual à corrente na carga durante o período em que um diodo conduz em seu intervalo de 120. Cada corrente, no diodo, é então igual a zero no intervalo de 240 (ver Figura 7.3). O valor nominal da PIV V L(m). O valor RMS da corrente na carga é: onde 11

12 Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos) Fig. 7.3 Formas de onda de corrente. 12

13 Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos) Em geral, o fator de ondulação é dado por: e o fator de forma, por: A Tabela 7.1 mostra a tensão nos diodos em intervalos de

14 Exemplo Ex. 7.1) Um retificador não-controlado de três-pulsos está ligado a uma fonte CA 3ɸ, 4 fios, de 220 V. Se a resistência de carga for de 20 Ω, determine: a) a tensão máxima na carga; b) a tensão média nacarga; c) a corrente média nacarga; d) a corrente máxima nacarga; e) a corrente máxima nodiodo; f) o valor nominal da PIV dodiodo; g) a corrente média nodiodo. 14

15 - Com carga indutiva (RL) Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos) No caso prático em que a carga contém uma indutância em série com a resistência (ver Figura 7.4), a corrente na carga é mais constante e tem uma ondulação que pode ser desprezada. Quanto mais alta a indutância, mais a corrente tende a ficar constante. Em condições ideais, se L for infinito, a ondulação será nula. Fig. 7.4 Retificador de três-pulsos com uma carga RL. 15

16 Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos) 16

17 Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos) Não há nenhuma mudança na forma de onda da tensão de saída, e a tensão média de saída permanece a mesma. A corrente média no diodo é: Se supusermos a corrente na carga quase constante, 17

18 Exemplo Ex. 7.2) Se à carga do Exemplo 7.1 for acrescentada uma indutância alta, determine: a) a tensão máxima na carga; b) a tensão média nacarga; c) a corrente média nacarga; d) a corrente máxima nacarga; e) a corrente RMS nacarga; f) a corrente máxima nodiodo; g) o valor nominal da PIV dodiodo; h) a corrente média nodiodo. 18

19 - Com carga resistiva Retificadores trifásicos de onda completa em ponte (seis-pulsos) O retificador trifásico de onda completa em ponte (seis-pulsos) é um dos circuitos mais importantes em aplicações de alta potência. Pode ser ligado diretamente a uma fonte trifásica ou usar um transformador trifásico. Um retificador de seis-pulsos fornece uma saída que tem menos ondulação do que a do retificador de três-pulsos. A Figura 7.5 mostra o diagrama do circuito; os diodos são numerados na ordem em que conduzem. O retificador em ponte usa ambas as metades, positiva e negativa, da tensão de entrada. Os picos negativos são passados para o resistor de carga R. Portanto, a frequência de ondulação é seis vezes a frequência da fonte CA. 19

20 Retificadores trifásicos de onda completa em ponte (seis-pulsos) Fig. 7.5 Diagrama do circuito retificador de onda completa em ponte. 1. Dois diodos em sequência estão sempre conduzindo, enquanto os outros quatro permanecem bloqueados. 2. Um dos diodos que conduz tem subscrito ímpar (D 1, D 3 ou D 5 ), enquanto o outro é par (D 2, D 4 ou D 6 ). 3. Cada diodo conduz por 120, ou seja, um terço de cada ciclo. 4. A corrente flui do terminal mais positivo da fonte através de um diodo ímpar, da carga, de um diodo par e então volta para o terminal mais negativo da fonte. 20

21 Retificadores trifásicos de onda completa em ponte (seis-pulsos) O fluxo de corrente em qualquer instante de tempo pode, portanto, ser calculado quando se determinam os terminais mais positivos e mais negativos da fonte. O terminal mais positivo polarizará diretamente seu respectivo diodo ímpar e o fará passar para o estado ligado. O terminal mais negativo polarizará diretamente seu respectivo diodo par e o fará passar para o estado ligado. Fig. 7.6 Formas de onda da fonte de tensão trifásica CA. 21

22 A Figura 7.7a mostra as três tensões de linha e suas tensões inversas; para cada intervalo de 60, a porção da tensão na Figura 7.7a é redesenhada como v o na Figura 7.7b, de modo que se obtenha a forma de onda completa da tensão de saída. Retificadores trifásicos de onda completa em ponte (seis-pulsos) Fig. 7.7 a) Tensões da fonte, incluindo as três tensões invertidas; b) formas de onda da tensão de saída do retificador em ponte. 22

23 Retificadores trifásicos de onda completa em ponte (seis-pulsos) 23

24 Retificadores trifásicos de onda completa em ponte (seis-pulsos) Podemos usar a Tabela 7.2 para desenhar os circuitos equivalentes simplificados do retificador de seis-pulsos mostrado na Figura 7.8. A partir desses circuitos, é possível determinar com facilidade a tensão de saída para cada período de60. 24

25 Retificadores trifásicos de onda completa em ponte (seis-pulsos) Fig. 7.8 Circuitos equivalentes de um retificador de seis-pulsos. 25

26 Retificadores trifásicos de onda completa em ponte (seis-pulsos) A tensão de saída varia entre 1,414 V s e 1,225 V s, onde V s é o valor RMS da tensão de linha. A tensão média CC na carga é o dobro da do retificador de meia onda, e seu valor é dado por: onde V m é o valor máximo da tensão de fase. Em relação à tensão de linha, a tensão média na carga é dada por: A corrente média na carga é dada por: 26

27 Retificadores trifásicos de onda completa em ponte (seis-pulsos) Fig. 7.9 Formas de onda da corrente de linha e nos diodos. 27

28 Retificadores trifásicos de onda completa em ponte (seis-pulsos) A corrente máxima na carga é obtida de forma diferente em relação ao conversor de 3 pulsos, tendo em vista que a máxima tensão que aparece na carga é a tensão de linha, consequentemente, dada por: I m = V l(m) R A corrente média em um dos diodos é somente um terço da corrente nacarga: O valor RMS dacorrente nodiodo é: A tensão máxima de bloqueio para o diodo é: 28

29 Exemplo Ex. 7.3) Um retificador não-controlado de seis-pulsos é ligado a uma fonte 3ɸ, 208V, 60 Hz. Se a resistência de carga for de 5 Ω, determine: a) a tensão média nacarga; b) a corrente média nacarga; c) a corrente média nodiodo; d) a corrente máxima nodiodo; e) o valor nominal da PIV dodiodo; 29

30 - Com carga indutiva (RL) Retificadores trifásicos de onda completa em ponte (seis-pulsos) Se a carga for indutiva, a forma de onda da tensão de saída permanecerá como no caso da carga resistiva e a corrente na carga terá a ondulação reduzida, como na Figura 7.10 (L>>R). Fig Formas de onda de um retificador em ponte com carga indutiva. 30

31 Retificadores trifásicos de onda completa em ponte (seis-pulsos) A tensão média na carga é dada por: A corrente média na carga é: O valor RMS dacorrente nodiodo é: 31

32 Retificadores trifásicos de onda completa em ponte (seis-pulsos) O valor RMS da corrente na carga é dado pela mesma equação para o valor médio: Isso ocorre porque a forma de onda da corrente tem uma ondulação muito pequena. O retificador de seis-pulsos representa uma grande melhoria quando comparado ao de três-pulsos e forma a base principal para a maioria das instalações de retificadores de grande porte. 32

33 Exemplo Ex. 7.4) Um retificador não-controlado de seis-pulsos ligado a uma fonte de 220 V, 3 ɸ, alimenta uma carga RL. Se a indutância for muito grande e a resistência de carga for de 50 Ω, determine: a) a tensão média nacarga; b) a corrente média nacarga; c) o valor nominal da PIV dodiodo; d) a corrente média nodiodo; e) a corrente RMS nacarga; f) a corrente RMS nodiodo; g) a potência na carga. 33

34 Bibliografia 1. Ashfaq Ahmed, Eletrônica de Potência, Prentice Hall, 1ª edição, Capítulo 7 2. Sistemas Trifásicos Conceitos básicos Clodoaldo Silva Fev

35 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI ELETRÔNICA DE POTÊNCIA RETIFICADORES TRIFÁSICOS NÃO-CONTROLADOS Professor Eduardo Moreira Vicente