Aula. Retificadores trifásicos. Prof. Alexandre Akira Kida, Msc., Eng. Eletrônica de Potência

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1 Aula Retificadores trifásicos Prof. Alexandre Akira Kida, Msc., Eng. Eletrônica de Potência 1

2 Plano de aula Retificadores trifásicos não controlados de meia onda Retificadores trifásicos controlados de meia onda Retificadores trifásicos não controlados de onda completa Retificadores trifásicos controlados de onda completa Retificadores trifásicos semicontrolados de onda completa Retificadores hexafásicos 2

3 Introdução O fornecimento de energia elétrica é realizado, essencialmente, por meio de uma rede de distribuição em AC Facilidade em adaptar os níveis de tensão por meio de transformadores Entretanto, em muitas aplicações a carga precisa ser alimentada por uma tensão DC A conversão AC-DC é chamada de retificação Os retificadores monofásicos são utilizados em aplicações de baixa potência (menores que 15 kw) A potência de saída é limitada pela potência de uma fase 3

4 Introdução Número de fases: 1 fase - monofásico ou 3 fases - trifásico Tipo de controle: Não controlado: composto por diodo(s) Controlado: composto por SCR(s) Semicontrolado: composto por diodos e SCRs. Aproveitamento: meia onda ou onda completa 4

5 Introdução Os mais utilizados usam três, seis ou doze semicondutores Quando os retificadores possuem apenas diodos, estes são chamados de não controlados A tensão média de saída depende exclusivamente do circuito 5

6 Introdução 6

7 Introdução 7

8 Introdução 8

9 Introdução Tensão nominal DC: ±600 kv (cada bipolo) Corrente nominal DC: 2610 A (cada bipolo) Potência: 3132 GW (cada bipolo) Potência Total transmitida em CC: 6300 GW nominal Distância Foz do Iguaçu Ibiúna: aprox. 800km 9

10 Introdução Tiristores de 3KV / 2,6 KA 1152 tiristores/conversor Total 9216 tiristores 10

11 Introdução 11

12 Introdução 3 gargantas - China 12

13 Introdução 13

14 Introdução 14

15 Retificador trifásico de meia onda não controlado O mais simples dos retificadores trifásicos Possui maior ripple na tensão de saída Necessita do neutro acessível (ligação Y) Ligação estrela 15

16 Retificador trifásico de meia onda não controlado Cada diodo conduz em intervalos de 120º Quando a tensão instantânea de fase for a mais positiva, seu respectivo diodo conduz f out = 3 f in Ponto de comutação natural e fica localizado a 30 do eixo de referência 16

17 Retificador trifásico de meia onda não controlado PIV peak inverse voltage Tensão de linha (fase a fase) 17

18 Retificador trifásico de meia onda não controlado A tensão de saída repete-se três vezes a cada ciclo Por isso é chamado de retificador de três pulsos! A frequência de saída é de três vezes a frequência de entrada, ou seja, 180 Hz para uma rede de 60 Hz! Facilita a filtragem A tensão de saída varia entre Vpico e Vpico/2 A tensão na carga é a de fase (fase-neutro) 18

19 Retificador trifásico de meia onda não controlado Formulário Vo I 3 6 V 2 med Io V med rms rms f f med D 19

20 Retificador de Trifásico de Meia Onda Controlado Conhecido também como retificador controlado de 3 pulsos ou de ponto médio 20

21 Ponto de comutação natural (30º) α 30º 30º α 150º 21

22 Retificador de Trifásico de Meia Onda Controlado Para α 30º, o regime da tensão na carga não apresenta descontinuidade tensão não nula na carga med F N Vo 0,827 Vp cos 0º 30º Para 30º α 150º, a corrente na carga assumirá o valor de zero em alguns instantes Vo med F N 3 Vp 1 cos 2 6 Para α 150º, a tensão média de saída se anula 22

23 Retificador de Trifásico de Meia Onda Controlado Corrente média no SCR: med SCR Corrente RMS no SCR: I med Io Vo 3 3R med I RMS SCR Vp 2 R F N cos 23

24 Retificador de Trifásico de Meia Onda Controlado Cargas resistivas vs indutivas (circuito R-L) R RL 24

25 Retificador de Trifásico de Meia Onda Controlado Cargas resistivas vs indutivas (circuito R-L) R RL 25

26 Retificador de Trifásico de Meia Onda Controlado Freq. da tensão de saída é 3 vezes maior que a de entrada Para = 0, os SCRs se comportam igual aos diodos Cada SCR deverá disparar com o mesmo Disparos defasados de 120º entre si Devem ser disparados a partir do ponto de comutação natural, localizado a 30 do eixo de referência Ex: para = 30 os disparos acontecem a 60 no eixo de referência 26

27 Retificador trifásico de onda completa n controlado Conhecido como retificador de seis pulsos, ponte de Graetz 27

28 Retificador trifásico de onda completa n controlado Retificador amplamente utilizado em aplicações de potência Não necessita do neutro acessível ligações possíveis Possui menor ripple que o de três pulsos (f out = 6 f in ) Utiliza as partes positivas (+) e negativas (-) da forma de onda Sempre dois diodos em série estão conduzindo Cada diodo conduz por 120º A fase mais positiva polarizará diretamente o respectivo diodo ímpar e a mais negativa o respectivo diodo par 28

29 Retificador trifásico de onda completa n controlado 29

30 Retificador trifásico de onda completa n controlado 30

31 Cada diodo conduz por 2 ciclos de 60º 120º 31

32 Retificador trifásico de onda completa n controlado Formulário Vo I 3 6 rm Vf 2.34 V med s rms f med D I med o 3 32

33 Retificador de Trifásico de Onda Completa Controlado Também conhecido como ponte retificadora trifásica controlada ou retificador de seis pulsos 33

34 Retificador de Trifásico de Onda Completa Controlado Duração do pulso: 60º 0º 60º 34

35 Retificador de Trifásico de Onda Completa Controlado 60º 120º 35

36 Retificador de Trifásico de Onda Completa Controlado 120º 180º 36

37 Retificador de Trifásico de Onda Completa Controlado 180º 240º 37

38 Retificador de Trifásico de Onda Completa Controlado 240º 300º 38

39 Retificador de Trifásico de Onda Completa Controlado 300º 360º 39

40 Retificador de Trifásico de Onda Completa Controlado 40

41 Retificador de Trifásico de Onda Completa Controlado Tensão de saída para diferentes 41

42 Retificador de Trifásico de Onda Completa Controlado Tensão de saída para diferentes 42

43 Retificador de Trifásico de Onda Completa Controlado Tensão de saída para diferentes 43

44 Retificador de Trifásico de Onda Completa Controlado O ângulo máximo de disparo desses retificadores é de 120º, visto que para valores maiores que este, os SCRs estarão reversamente polarizados, não entrando em condução 44

45 Retificador de Trifásico de Onda Completa Controlado Dois modos de operação: 1 - Tensão e corrente contínuos (0º 60º) med 3 3 F N Vo Vpico cos F N 3 V RMS pico cos(2 ) Io 2R 2 - Tensão e corrente descontínuos (60º 120º) 3 3 Vo V pico med F N 1 cos 3 Io RMS V pico F N sen(2 60º) 2R 46

46 Retificador de Trifásico de Onda Completa Controlado Mais utilizado que o meia onda Todos os diodos são substituídos por SCRs A tensão de saída é dada pela diferença entre duas fases: Uma que se conecta à carga através de um SCR do grupo positivo (SCR1, SCR3 e SCR5) Outra através de um SCR do grupo negativo (SCR4, SCR6 e SCR2) Cada SCR conduz por 120º, logo: med I SCR Io med 3 f saida = 6 f entrada 47

47 Retificador de Trifásico de Onda Completa Semicontrolado 48

48 Retificador de Trifásico de Onda Completa Semicontrolado Para α < 60º, a tensão na carga é contínua 49

49 Retificador de Trifásico de Onda Completa Semicontrolado α > que 60º, a tensão na carga é descontínua porém não negativa 50

50 Retificador de Trifásico de Onda Completa Semicontrolado Tensão média de saída: med 3 3 F N Vo Vpico 1 cos 2 para 0º 180º 51

51 Retificador de Trifásico de Onda Completa Semicontrolado Tensão RMS de saída: RMS F N 3 1 Vo 3 Vpic o sen(2 ) 4 2 para 0º 180º Corrente média em cada SCR (cada um conduz por 120º) MED I SCR Io MED 3 52

52 Retificador de Trifásico de Onda Completa Semicontrolado Alternativa mais simples ao retificador trifásico controlado No retificador trifásico semicontrolado ou híbrido, temos na sua constituição SCRs e diodos Em muitas aplicações é recomendável o emprego da ponte mista em substituição à ponte completa Apenas o semiciclo conduzido pelo SCR pode ser controlado Durante o semiciclo conduzido pelo diodo o disparo acontece apenas no ponto de comutação natura 53

53 Retificador de Hexafásico Também conhecido como retificador de 12 pulsos Acréscimo de um retificador de 6 pulsos defasado de 30 ao primeiro retificador Duas configurações Série ( tensão DC de saída) Paralelo ( capacidade de corrente) Vantagens Vo med Frequência de saída é 12 vezes a de entrada Menor conteúdo harmônico 54

54 Retificador de Hexafásico Série 55

55 Retificador de Hexafásico Vo Vo med F N 6 3 Vpico cos( ) 3.3 V cos( ) med F N pico Série 56

56 Retificador de Hexafásico Paralelo 57

57 Vo Vo Retificador de Hexafásico med F N 2 3 Vpico cos( ) 1.65 V cos( ) med F N pico Paralelo 59

58 Vantagens dos retificadores trifásicos 1. tensão de média 2. tensão de ripple 3. frequência de ondulação (ripple) 4. eficiente 60

59 Exercícios 1) Seja um circuito retificador trifásico não controlado, a 4 fios, cuja tensão de linha é de 220V. Se a resistência da carga for de 20 Ohms, determine: a) Tensão máxima na carga b) Tensão média na carga c) Corrente média na carga d) Corrente máxima na carga e) Corrente máxima no diodo f) Corrente média no diodo g) Ângulo de condução dos diodos h) Tensão de pico a pico do Ripple 61

60 Exercícios 2) Um retificador trifásico não controlado em ponte é alimentado por um sistema de tensões de 220 V. A carga é formada por uma resistência de 12 Ω. a) Especifique os diodos quanto à PIV e quanto a corrente média 62

61 Exercícios 3) Seja um circuito retificador trifásico de seis pulsos não controlado com tensão de linha é de 208V. Se a resistência da carga for de 5 Ohms, determine: a) Tensão máxima na carga b) Tensão média na carga c) Corrente média na carga d) Corrente máxima na carga e) Corrente máxima no diodo f) Corrente média no diodo g) Ângulo de condução dos diodos 63

62 Exercícios 4) Um retificador trifásico controlado de meia-onda ligado a uma fonte trifásica, 208 V, 60 Hz, fornece potência para uma carga resistiva de 10 Ohms. Se o ângulo de retardo for de 20, determine: a) Corrente máxima de saída b) Tensão média de saída c) Corrente média de saída d) Corrente máxima no SCR e) Corrente média no SCR f) Corrente RMS no SCR g) Valor nominal da tensão inversa máxima nos SCRs h) Frequência de ondulação 64

63 Exercícios 5) Repita o exemplo anterior para um ângulo de disparo de 100º 65

64 Exercícios 6) Um retificador semicontrolado de seis-pulsos em ponte é ligado a uma fonte trifásica AC de 220 V. Calcule o ângulo de disparo se a tensão no terminal do retificador for de 240 V. Qual é o valor máximo da tensão de saída DC? 66

65 Exercícios 7) Faça um esboço das formas de onda para a tensão de saída e calcule a frequência da ondulação da tensão de saída para cada caso, considerando um retificador semicontrolado com ângulo de retardo de a) 0º b) 60º c) 120º 67

66 Referências 1. Eletrônica Industrial, Análise de dispositivos e suas aplicações - Edna A. Andrade - CEFET-BA 2. Eletrônica de Potência Ashfaq Ahmed Editora Prentice Hall 3. Eletrônica Industrial de Potência-José Luiz Antunes - Livros Érica Editora 4. Eletrônica de Potência Circuitos, dispositivos e aplicações Muhammad H. Rashid. Editora Makron Books 68