CAPÍTULO - 6 CICLOCONVERSORES INTRODUÇÃO

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1 99 CAPÍTULO 6 CICLOCONVERSORES 6.1 INTRODUÇÃO OBJETIVO: CONVERSÃO ESTÁTICA DIRETA CA/CA DE UMA DADA FREQÜÊNCIA PARA OUTRA FREQÜÊNCIA INFERIOR. (NÃO HÁ ESTÁGIO INTERMEDIÁRIO DE CORRENTE CONTÍNUA APLICAÇÕES: A ACIONAMENTO DE MOTORES CA (SÍNCRONOS e INDUÇÃO FREQÜÊNCIA FIXA DA REDE FREQÜÊNCIA VARIÁVEL (CONTROLE VELOCIDADE MOTOR DE INDUÇÃO OU SÍNCRONO b AERONAVES OBTENÇÃO DE FREQÜÊNCIA CONSTANTE A PARTIR DE UM ALTERNADOR DE VELOCIDADE VARIÁVEL (FREQÜÊNCIA VARIÁVEL. 6.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO SEJA A ESTRUTURA DA FIGURA 6.1 (CONVERSOR DUAL 3 PULSOS CONSIDERASE CARGA INDUTIVA (CONDUÇÃO CONTÍNUA v 1(ωt T1 P N T4 v 2(ωt T 2 T 5 v 3(ωt T3 L v L T6 Fg. 6.1 Ccloconversor monoásco de 3 pulsos. TENSÃO MÉDIA PARA O RETIFICADOR 3 PULSOS: V Lmed = 117, V cosα o FUNÇÃO DE CONTROLE DO CICLOCONVERSOR 3 PULSOS cos α=f( t (6.1 PORTANTO: V = 117, V F( t (6.2 Lmed TENSÃO MÉDIA NA CARGA É PROPORCIONAL À FUNÇÃO F(t o

2 100 EXEMPLO DE CONTROLE FORMAS DE ONDA (FIG. 6.2 F(t +1 1 v L T/2 T/2 α =0 ο p α =0 ο p α =180 ο p α =180 ο p α =0 ο n α =180 ο n v 1 v 2 v 3 v 1 v 2 v 3 v 1 v 2 v 3 v 1 v 2 v 3 v 1 v 2 v 3 (a ωt (b ωt Fg. 6.2 Formas de onda num ccloconversor: (afunção de controle e (btensão na carga. CONCLUSÃO: ESTRUTURA CONVERSOR DUAL CICLOCONVERSOR (COM COMANDO ADEQUADO FUNÇÃO: CONVERTER UMA TENSÃO ALTERNADA EM OUTRA COM FREQÜÊNCIA DIFERENTE. SEJA F(t VARIANDO SENOIDALMENTE (Fg. 6.3 F(t T/2 T/2 (a ωt v L (b ωt L φ Retcação Corrente no Grupo Postvo Inversão (c ωt Corrente no Grupo Negatvo Fg. 6.3 Formas de onda ccloconversor 3 pulsos monoásco: (afunção de controle, (btensão na carga e (ccorrente undamental na carga. φ= ÂNGULO ATRASO DA FUNDAMENTAL DA CORRENTE EM RELAÇÃO À FUNDAMENTAL DA TENSÃO NA CARGA CARGA INDUTIVA.

3 101 v1( ωt v2( ωt v3( ωt CICLO DE FUNCIONAMENTO: v L L Grupo P Grupo N + + Retcador + Inversor Retcador + Inversor REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA CICLOCONVERSOR (FIG. 6.4 T1 T2 T 3 T4 T5 T 6 GRUPO P L/2 L/2 GRUPO N N + v L Z L (a (b Fg. 6.4 Ccloconversor monoásco de 3 pulsos, (atopologa e (brepresentação. 6.3 EQUAÇÃO DA TENSÃO DE SAÍDA F(t varando senodalmente α = 0 TENSÃO MÉDIA PRODUZIDA POR UM GRUPO (Equação 6.3. N V V m π Lo = 2 o sen (6.3 π m ONDE: V o VALOR EFICAZ TENSÃO DE ENTRADA m NÚMERO DE PULSOS. V Lo TENSÃO MÉDIA MÁXIMA NA CARGA (α = 0. α = 0 TENSÃO EFICAZ PRODUZIDA POR UM GRUPO (Equação 6.4. V V m π LM = o sen (6.4 π m ONDE: 2V 2V m π LM = o sen π m V LM TENSÃO EFICAZ MÁXIMA NA CARGA (α = 0. OBS: (asão IGNORADAS AS QUEDAS DE TENSÃO INTERNAS. (COMPONENTES E SOBRETUDO AQUELAS DEVIDO À COMUTAÇÃO; (bângulo α P NÃO PODE SER NULO NA PRÁTICA (α N = 180 o. A COMUTAÇÃO NÃO É INSTANTÂNEA ÂNGULO α N DEVE SER SEMPRE INFERIOR A 180 O. α Pmn > 0 TENSÃO EFICAZ NA CARGA (POR GRUPO (Equação 6.5. V V m π LM = o sen cos α mn (6.5 π m Z

4 ESTRUTURAS DOS CICLOCONVERSORES EM GERAL AS TENSÕES DE ENTRADA SÃO TRIFÁSICAS E BALANCEADAS. TENSÕES DE SAÍDA PODEM SER MONOFÁSICAS OU TRIFÁSICAS. UM AUMENTO DO NÚMERO DE PULSOS REDUZ O CONTEÚDO HARMÔNICO DAS TENSÕES DE SAÍDA. MAIOR NÚMERO DE PULSOS IMPLICA EM MAIOR NÚMERO DE TIRISTORES, O QUE AUMENTA O CUSTO DA MONTAGEM. (acicloconversor TRIFÁSICO DE 3 PULSOS (FIGURA Rede V V o + LM V = 33 o 2π + VLM R I o S I o T I o Crcuto A Fg. 6.5 Ccloconversor de 3 pulsos com ponto médo. (bcicloconversor TRIFÁSICO DE 6 PULSOS (FIGURAS 6.6 e 6.7. (NECESSIDADE DE ISOLAMENTO NA ENTRADA OU NA SAÍDA I o 2 Rede V o + V = 33 o LM πv + V LM R I o S I o T I o Crcuto B Fg. 6.6 Ccloconversor de 6 pulsos, em ponte, paras cargas soladas.

5 103 2 Vo + Rede Vo + Vo + V = 3 3 LM πvo + V LM R S Crcuto C Fg. 6.7 Ccloconversor de 6 pulsos, em ponte, paras cargas não soladas. SOLUÇÃO MAIS ECONÔMICA (FIGURA 6.6 ENTRADA É COMUM AOS 3 GRUPOS E A SAÍDA É ISOLADA. RECOMENDADO PARA A ALIMENTAÇÃO DE MÁQUINAS TRIFÁSICAS DE CORRENTE ALTERNADA (ENROLAMENTOS ESTATÓRICOS ISOLADOS. TRANSFORMADOR PODE SER EXCLUÍDO (NECESSÁRIO SOMENTE PARA ADAPTAÇÃO DA TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO. CASO EM QUE AS TRÊS FASES DA CARGA NÃO POSSAM SER ISOLADAS ENTRE SI (FIGURA 6.7: NECESSÁRIO O EMPREGO DE UM TRANSFORMADOR COM 3 SAÍDAS ISOLADAS. CAPACIDADE TOTAL EM VA DO SECUNDÁRIO DEVE SER 22% MAIOR QUE A DO PRIMÁRIO. RELAÇÕES QUANTITATIVAS (TABELA 1 Dmensonamento dos transormadores. Cálculo das correntes, potênca atva e reatva. Tabela 1 Relações Quanttatvas Báscas dos Ccloconversores (* Crcuto r cos φ N N P N S A 1,0 0, , ( 3VLM 132, ( 3VLM 132, ( 3VLM 0,1 0, , ( 3VLM 132, ( 3VLM 132, ( 3VLM B 1,0 0, , ( 3VLM 121, ( 3VLM 121, ( 3VLM 0,1 0, , ( 3VLM 132, ( 3VLM 132, ( 3VLM C 1,0 0, , ( 3VLM 121, ( 3VLM 148, ( 3VLM 0,1 0, , ( 3VLM 132, ( 3VLM 148, ( 3VLM (* cos φ váldo para cos φ = 1 T

6 104 ONDE: r = cos α (IMPÕE A AMPLITUDE DA FUNDAMENTAL DA TENSÃO NA SAÍDA. N = POTÊNCIA APARENTE TOTAL NA ENTRADA DO CIRCUITO. N P = POTÊNCIA APARENTE TOTAL NO PRIMÁRIO DO TRAFO. N S = POTÊNCIA APARENTE TOTAL NO SECUNDÁRIO DO TRAFO. I o = CORRENTE EFICAZ NA CARGA. cos φ = FATOR DE DESLOCAMENTO DA ENTRADA. cos φ o = FATOR DE DESLOCAMENTO DA CARGA. Vo VLM = 3 3 Vo (Estrutura A VLM = 3 3 (Estruturas B E C 2π π V o = VALOR EFICAZ DA TENSÃO FASENEUTRO NO SECUNDÁRIO DO TRAFO. V LM = VALOR EFICAZ MÁXIMO DA TENSÃO FASENEUTRO NA CARGA. 6.5 HARMÔNICAS DA TENSÃO DE SAÍDA Freqüêncas das Harmôncas CICLOCONVERSORES COM CORRENTE DE CIRCULAÇÃO. a CONVERSOR DE 3 PULSOS = 32 ( p 1 ± 2n (6.6 Com: n 32 ( p (6.7 Onde: p NÚMERO INTEIRO DE 1 a. n NÚMERO INTEIRO DE 0 a (n o Harmônco H FREQÜÊNCIA DAS HARMÔNICAS. FREQÜÊNCIA DE ALIMENTAÇÃO. o FREQÜÊNCIA DE SAÍDA DO CICLOCONVERSOR. b CONVERSOR DE 6 PULSOS H = 6p± ( 2n+ 1 o (6.8 Onde: ( 2n+ 1 ( 6p+ 1 (6.9 c CONVERSOR DE 12 PULSOS H = 12p± ( 2n+ 1 o (6.10 Onde: ( 2n+ 1 ( 12p+ 1 (6.11 FREQÜÊNCIAS DAS HARMÔNICAS DA TENSÃO DE SAÍDA DEPENDEM: NÚMERO DE PULSOS (ESTRUTURA DE BASE DO CICLOCONVERSOR; FREQÜÊNCIA DAS TENSÕES DE ENTRADA, FREQÜÊNCIA DAS TENSÕES DE SAÍDA.

7 105 PRESENÇA DE SUBHARMÔNICAS (Equação 6.12 e Fgura 6.8 H o = 32 ( p 1 ± 2n (6.12 o COM: p = 1 e n = 3 SUBHARMÔNICAS 1/3 < o / < 2/3 H H o = 3 ± 6 ( o 3 6 o Curva Desejada 1 SubHar môncos 0 0 0,2 0,3330,4 0,6 0,8 1,0 o Fg. 6.8 Freqüêncas das harmôncas da tensão de saída, ccloconversor de 3 pulsos. RESTRIÇÕES: A CORRENTE DE CIRCULAÇÃO; B MODULAÇÃO DO ÂNGULO DISPARO (α DEVE SER COSSENOIDAL, c CORRENTE NA CARGA DEVE SER EM CONDUÇÃO CONTÍNUA (não deve haver descontnudade na corrente de carga AMPLITUDES DAS HARMÔNICAS DA TENSÃO DE CARGA NÃO DEPENDEM DO FATOR DE POTÊNCIA DA CARGA. DEPENDEM DO VALOR DA TENSÃO DE SAÍDA EM RELAÇÃO AO SEU PRÓPRIO VALOR MÁXIMO DEPENDEM DE r = cos α (Fator de Modulação AMPLITUDES PREDOMINANTES OCORREM PARA p = 1, (Equações 6.14, 6.15 e (a 3 PULSOS: = 3 ± 2 n, Para n 4 (6.14 (b 6 PULSOS: = 6 ± ( 2n+ 1, Para n 3 (6.15 (c 12 PULSOS: = 12 ± ( 2n+ 1,Para n 6 (6.16

8 106 AMPLITUDES HARMÔNICAS (TABLEAS 2 e 3 VALORES EM (PU V base = 2 V LM Tabela 2 Ampltudes das Harmôncas da Tensão de Carga para os Ccloconversores de 3 Pulsos H = 3 ± 2no n r 1,0 0,000 0,250 0,125 0,9 0,027 0,279 0,082 0,8 0,097 0,275 0,051 0,7 0,195 0,247 0,030 0,6 0,307 0,205 0,016 0,5 0,422 0,156 0,008 0,4 0,529 0,107 0,003 0,3 0,621 0,063 0,001 0,2 0,691 0,029 0,000 0,1 0,735 0,007 0,000 Tabela 3 Ampltudes das Harmôncas da Tensão de Carga para os Ccloconversores de 6 Pulsos = 6 ± ( 2n+ 1 r n ,0 0,000 0,000 0,100 0,071 0,9 0,033 0,039 0,115 0,034 0,8 0,062 0,100 0,092 0,015 0,7 0,041 0,134 0,060 0,006 0,6 0,025 0,133 0,033 0,002 0,5 0,105 0,105 0,015 0,001 0,4 0,169 0,068 0,005 0,000 0,3 0,193 0,034 0,001 0,000 0,2 0,166 0,011 0,000 0,000 0,1 0,096 0,001 0,000 0,000 PARA: o = 0 Freqüêncas undamentas (ccloconversores de 3 e 6 pulsos são, respectvamente: H = 3 (6.17 H = 6 (6.18 (QUE SÃO AS HARMÔNICAS FUNDAMENTAIS DOS RETIFICADORES SIMPLES. 6.6 LIMITES DA FREQÜÊNCIA DE SAÍDA FREQÜÊNCIAS DAS HARMÔNICAS DAS TENSÕES DE SAÍDA ( H DEPENDEM DA FREQÜÊNCIA DE SAÍDA O. CERTOS VALORES DE H DIMINUEM COM O AUMENTO DE O. (DIFICULDADES DE FILTRAGEM. LIMITAÇÃO (CICLOCONVERSORES 3 PULSOS RECOMENDASE: 3 (6.19 o

9 CORRENTES DE ENTRADA DOS CICLOCONVERSORES COMPONENTES DA CORRENTE EM UMA FASE DO CICLOCONVERSOR: a I d COMPONENTE ATIVA, RESPONSÁVEL PELA TRANSFERÊNCIA DE POTÊNCIA DA FONTE PARA A CARGA. b I q COMPONENTE EM QUADRATURA OU REATIVA (DEPENDE DO FATOR DE POTÊNCIA DA CARGA E DE cos α. c ΣI h COMPONENTE QUE REÚNE O CONJUNTO DE HARMÔNICAS. VALOR EFICAZ DA CORRENTE DE ENTRADA (Equação I = I + I + Σ I (6.20 e d q h OBS: MESMO COM FATOR DE POTÊNCIA NA CARGA UNITÁRIO I q 0, HARMÔNICAS REDUZEM FATOR DE POTÊNCIA (PORTANTO, FATOR DE POTÊNCIA DA ENTRADA < 1 SEMPRE FATOR DE DESLOCAMENTO ENTRADA (cos φ Id cosφ = ( Id + Iq (DEPENDE DO FATOR DE POTÊNCIA DA CARGA e de r= cos α VALOR EFICAZ DA FUNDAMENTAL DE CORRENTE NA ENTRADA: 2 2 I = I + I ( d q Id PORTANTO: cosφ = I1 FATOR DE POTÊNCIA APRESENTADO À REDE (Equação 6.24 (6.23 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 FP P o = (6.24 N 1,0 cos φ 0,9 0,843 r = 10, 0,8 r = 09, 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 cos φ o r = 08, r = 07, r = 06, r = 05, r = 04, r = 03, r = 02, r = 01, Fg. 6.9 Fator de deslocamento entrada em unção do ator de deslocamento da carga, tomando r como parâmetro, para todos os ccloconversores estátcos.

10 FREQÜÊNCIAS DAS HARMÔNICAS DA CORRENTE DE ENTRADA A HARMÔNICAS CARACTERÍSTICAS (INDEPENDEM DA CONFIGURAÇÃO OU DO NÚMERO DE PULSOS A.1 PARA SAÍDA MONOFÁSICA H = ±2 no (6.25 A.2 PARA SAÍDA TRIFÁSICA H = ±2 no (6.26 Onde: n 1, 2, 3, 4,..., FREQÜÊNCIA DE ENTRADA. o FREQÜÊNCIA DE SAÍDA (CARGA. H FREQÜÊNCIA DAS HARMÔNICAS NA CARGA. B HARMÔNICAS DEPENDENTES DA CONFIGURAÇÃO B.1 CICLOCONVERSOR DE 3 PULSOS B.1.1 SAÍDA MONOFÁSICA = [ 32 ( p 1 ± 1] ± ( 2n+ 1 (6.27 = ( 6p± 1 ± 2 n (6.28 B.1.2 SAÍDA TRIFÁSICA BALANCEADA = [ 32 ( p 1 ± 1] ± 32 ( n+ 1 (6.29 H = ( 6p± 1 ± 6 no (6.30 Onde: p 1, 2, 3, 4,..., n 0, 1, 2, 3,..., B.2 CICLOCONVERSOR DE 6 PULSOS B.2.1 SAÍDA MONOFÁSICA = ( 6p± 1 ± 2 n (6.31 B.2.2 SAÍDA TRIFÁSICA BALANCEADA = ( 6p± 1 ± 6 n (6.32