Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina Departamento Acadêmico de Eletrônica Pós-Graduação em Desen. de Produtos Eletrônicos Conversores Estáticos e Fontes Chaveadas Retificadores e Filtros Capacitivos Prof. Clóvis Antônio Petry. Florianópolis, março de 2010.
Bibliografia para esta aula
Conteúdo desta aula Conversores CA-CC: 1. Características gerais e aplicações; 2. Retificadores Monofásicos; 3. Retificadores Trifásicos; 4. Retificadores Controlados; 5. Retificadores de múltiplos pulsos; 6. Retificadores com filtro capacitivo puro; 7. Retificador monofásico de onda completa com filtro; 8. Dobrador de tensão monofásico; 9. Retificador trifásico com filtro capacitivo.
Conversores CA-CC E 1 Retificador v,f 1 1 Conversor CC-CC Conversor indireto de tensão Conversor indireto de freqüência E v,f 2 Inversor 2 2
Conversores CA-CC Princípio geral convertem a tensão alternada da rede de energia elétrica em uma tensão contínua v f V out 0 t 0 t v f V out
Conversores CA-CC Podem ser: Monofásicos, trifásicos ou n-fásicos; Unidirecionais ou bidirecionais; Controlados ou não-controlados; Com ou sem correção de fator de potência; Isolados ou não-isolados; Um pulso ou múltiplos pulsos.
Conversores CA-CC Número de fases Monofásico Trifásico
Conversores CA-CC Direcionalidade Unidirecional vds T 1 S 1 Re tificador S 3 S 5 L o S 7 C o i o Bidirecional v i S 2 S 4 v r S 6 a S 8 b i Lo v o Inversor
Conversores CA-CC Controle Não-controlado Controlado
Conversores CA-CC Fator de potência Sem correção Com correção
Conversores CA-CC Isolamento Isolado Não-isolado
Conversores CA-CC Número de pulsos 2 pulsos 12 pulsos
Conversores CA-CC Aplicações dos retificadores Processos eletroquímicos, tais como: anodização, produção de gases, refinamento de metais, eletrodeposição, etc.; Soldagem elétrica; Acionamentos a velocidade ajustável; Sistemas HVDC; Fontes de uso geral e ininterruptas; Interfaceamento de sistemas de energia alternativa com a rede de energia elétrica; Reatores eletrônicos e todos os outros circuitos que utilizam processamento indireto de energia. v ri Retificador Inversor L o C o v dp d, v r vri vr vdp
Conversores CA-CC Aplicações dos retificadores Acionamento de motores CA
Conversores CA-CC Aplicações dos retificadores Fontes chaveadas
Retificador monofásico de meia onda Carga resistiva pura:
Retificador monofásico de meia onda Carga resistiva pura: Tensão média na carga: v t V sen t 2 o 1 VLmed 2 Vo sen t d t 2 0 V Lmed 2 Vo 0,45 V o
Retificador monofásico de meia onda Carga resistiva pura: Esforços no diodo: V Dp 2 V o Tensão de pico reversa; Corrente de pico; Corrente média; Corrente eficaz. I Dp 2 V o R 1 2 V o ILef sen t d t 2 R 0 2 I Dmed 2 Vo R I Def Vo ILef 2 R Vo 0,707 R
Retificador monofásico de meia onda Carga resistiva pura: Fator de potência: FP P S Fator de potência Potência ativa Potência aparente S V I ef ef P R I ef 2 P V I cos ef ef Demonstrar que: Fator de deslocamento FP 1 2 0,707
Retificador monofásico de meia onda Carga RL:
Retificador monofásico de meia onda Carga RL: Tensão média na carga: 1 VLmed 2 Vo sen t d t 2 0 V Lmed 2 V 2 o 1cos
Retificador monofásico de meia onda Carga RL: Corrente na carga 2 di t dt L Vo sen t L R il t
Retificador monofásico de meia onda Carga RL com diodo de roda-livre: Etapas de funcionamento
Retificador monofásico de meia onda Carga RL com diodo de roda-livre: Condução descontínua 1 VLmed 2 Vo sen t d t 2 V Tensão média na carga: Lmed 0 2 Vo 0,45 V o
Retificador monofásico de meia onda Carga RL com diodo de roda-livre: Condução contínua 1 VLmed 2 Vo sen t d t 2 V Tensão média na carga: Lmed 0 2 Vo 0,45 V o
Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Carga resistiva pura: Primeira etapa de funcionamento Segunda etapa de funcionamento
Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Carga resistiva pura:
Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Carga resistiva pura: Tensão média na carga: 1 VLmed 2 V2 sen t d t 0 V Lmed 2 2V 2 0,9 V 2
Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Carga resistiva pura: Esforços nos diodos (em cada um): VDp 2 2V 2 Tensão de pico reversa; Corrente de pico; Corrente média; Corrente eficaz. I Dp 2 V R 2 I Dmed 2 2V R 2 I Def V 2 2 2 R V 0,707 R
Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Carga RL: Tensão e corrente na carga Corrente no diodo D1 V Lmed 2 2V 2 0,9 V 2 I Dmed 0,45 V R 2 IDef 0,707 I Lmed
Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Estudo do comportamento do transformador:
Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Estudo do comportamento do transformador: 1 I I I d t S 1 ef S 2 ef 2 Lmed 0 I 1 I 2 0,707 I S ef S ef Lmed S V I s1 2ef s1ef VLmed V2ef 0,9 VLmed Ss 1 0,707 I 0,9 S 1 0,785 V I 2 Lmed s Lmed Lmed S2 S 1 S 2 1,57 V I P V I s s Lmed Lmed L Lmed Lmed S2 1,57 P L Significa o uso de um transformador 1,57 vezes maior que a carga.
Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Carga resistiva pura: V Lmed 2 2V 2 0,9 V 2 VDp 2 V 2 Primeira etapa Segunda etapa
Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Estudo do comportamento do transformador (carga RL):
Retificador 1ϕ de onda completa com ponto médio Estudo do comportamento do transformador (carga RL): 2 1 I2ef ILmed d t 2 I V 2ef 2ef I V Lmed Lmed 0,9 S V I 0 2 2ef s2ef 2 V Lmed S2 1,11 V Lmed I Lmed I 0,9 Lmed P V I L Lmed Lmed S2 1,11 P L Significa o uso de um transformador 1,11 vezes maior que a carga.
Retificador trifásico de ponto médio Carga resistiva pura:
Retificador trifásico de ponto médio Carga resistiva pura:
Retificador trifásico de ponto médio Carga resistiva pura: Tensão média na carga: 5 6 3 VLmed 2 Vo sen t d t 2 6 V Lmed 3 3 2 Vo 1,17 V 2 o
Retificador trifásico de ponto médio Carga resistiva pura: Corrente média nos diodos: I I Dmed Dmed ILmed 3 1,17 V 3R o Corrente de pico; Corrente média; Corrente eficaz. Corrente de pico nos diodos: I I Dp Def 2 Vo R Corrente eficaz nos diodos: 0,59 I Lmed
Retificador trifásico de ponto médio Tensão de pico inversa nos diodos: V V V 1 D1 2 V V V D1 2 1 V V V 1 3 2 V 2,45 V 1 2 o D p o o
Retificador trifásico de ponto médio Estudo do comportamento do transformador:
Retificador trifásico de ponto médio Estudo do comportamento do transformador:
Retificador trifásico de ponto médio Estudo do comportamento do transformador: I sef I Lmed 3 S V I 2ef o sef VLmed Vo 1,17 VLmed ILmed S2 0,493V I 1,17 3 ef Lmed Lmed S 3 S 1,48 V I 2 2f Lmed Lmed P V I L Lmed Lmed S2 1,48 P L
Retificador trifásico de ponto médio Estudo do comportamento do transformador: 2 I I pef 3 S V I S 1 f o pef 1 f Lmed VLmed 2 I 1,17 3 Lmed S1 0,402 V I f Lmed Lmed S 1 3S1f S1 1,21 P L FP P L FP 0,83 S 1
Retificador trifásico de onda completa Ponte de Graetz
Retificador trifásico de onda completa Tensão de linha
Retificador trifásico de onda completa Tensão média na carga: L 3 2 cos v t V t 6 6 o 3 V 3 2 V cos t d t Lmed o V Lmed 2,34 V o
Retificador trifásico de onda completa Corrente média nos diodos: 2 3 1 IDmed ILmed d t 2 I Dmed I 3 0 Lmed Tensão de pico reversa; Corrente de pico; Corrente média; Corrente eficaz. Corrente eficaz nos diodos: I Def I Lmed 3 Tensão de pico reversa nos diodos: V 3 2 V 2,45 V Dp o o
Retificador trifásico de onda completa Estudo do comportamento do transformador:
Retificador trifásico de onda completa Estudo do comportamento do transformador: S2 1,05 P L S S 1 2 FP 0,95
Retificador monofásico de meia onda - controlado Carga resistiva pura:
Retificador monofásico de meia onda - controlado Carga resistiva pura: Tensão média na carga: v t V sen t 2 o 0V 0,45 V Lmed o 180 V 0 Lmed o 1 VLmed 2 Vo sen t d t 2 V Lmed 2 V 2 o 1 cos VLmed 0,225 Vo 1 cos
Retificador monofásico de meia onda - controlado Carga resistiva pura: Característica de saída
Retificador monofásico de meia onda - controlado Carga RL
Retificador monofásico de meia onda - controlado Carga RL Tensão média na carga: v t V sen t 2 o 1 VLmed 2 Vo sen t d t 2 VLmed 0,225 Vo cos cos
Retificador monofásico de meia onda - controlado Carga RL com diodo de roda-livre: Etapas de funcionamento
Retificador monofásico de onda completa - controlado Ponte completa:
Retificador monofásico de onda completa - controlado Ponte mista:
Retificador monofásico de onda completa - controlado Ponto médio:
Retificador monofásico de onda completa - controlado Carga resistiva pura (para todas as estruturas): Tensão média na carga: 1 VLmed 2 Vo sen t d t VLmed 0,45 Vo 1 cos 0V 0,9 V Lmed o 180 V 0 Lmed o
Retificador monofásico de onda completa - controlado Carga resistiva pura: VLmed 0,45 Vo 1 cos Característica de saída
Retificador monofásico de onda completa - controlado Carga RL (ponte completa): Tensão média na carga: 1 VLmed 2 Vo sen t d t VLmed 0,45 Vo cos cos
Retificador monofásico de onda completa - controlado Carga RL (ponte completa): VLmed 0,45 Vo cos cos Característica de saída
Retificador monofásico de onda completa - controlado Carga RL (ponte mista):
Retificador monofásico de onda completa - controlado Carga RL (ponte mista): Tensão média na carga: 1 VLmed 2 Vo sen t d t VLmed 0,45 Vo 1 cos
Retificador trifásico de ponto médio - controlado 0 o 60 o
Retificador trifásico de ponto médio - controlado Característica de saída carga R
Retificador trifásico de ponto médio - controlado Característica de saída carga RL
Retificador trifásico em ponte - controlado
Retificador trifásico em ponte - controlado Característica de saída carga R
Estudo da comutação O problema: Lc > 0 Lc = 0
Estudo da comutação Queda na tensão de saída:
Retificadores de múltiplos pulsos Retificador de 12 pulsos Fonte: http://www.inep.ufsc.br/teses/falcondes_tese_dr.pdf
Retificadores de múltiplos pulsos Retificador de 12 pulsos
Retificadores de múltiplos pulsos Retificador de 18 pulsos
Retificadores de múltiplos pulsos Retificador de 18 pulsos
Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Carga Descarga
Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Carga Descarga
Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Carga Descarga
Retificador monofásico de onda completa c/ filtro 1 tensão de entrada 2 tensões de entrada - bivolt C out C C C C 1 2 1 2
Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Análise simplificada com carga Resistiva: Energia W in P in f Win 1 C V V 2 2 2 2 pk C min Capacitância Tempo de condução Corrente C V V 2 2 pk C min P C f V V in 2 2 pk C min P in f V min V cos 2 f t C pk c t c cos 1 VC min 2 f V pk I p CV t c Q I t C V p C V V t c 2 2 pk C min c
Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Análise simplificada: Corrente nos diodos I Dmed P 2 V in C min I Def I p t c T
Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Análise simplificada: I I I ef med C1ef valor eficaz de i; valor médio de i; valor eficaz da componente alternada de i, circula por C. I I I 2 2 2 ef med C1ef I I I 2 2 C1ef ef med I I med ef I I p p 2t c T 2t c T 2 IC1 ef I p 2tc f 2tc f
Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Análise simplificada:
Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Análise simplificada para retificador alimentando um conversor: Pin I pk VC min D D I pk T on T V P in C min D P I in 2ef P out Para D=0,5 V P in C min I I I 2 2 Cef 2ef C1ef Corrente total no capacitor
Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Retificador de entrada de uma fonte chaveada: VAC 117V V min 99V V max 135V AC AC a) f P in 60Hz V min 100V 0,7 Pout 70W Pout 70 100W 0,7 C b) V 2 V 2 99 140V pk AC min V Vpk VC min 135 100 35V Considerando queda nos diodos. C Pin 100 f V V 2 2 2 2 pk C min 60 135 100 203F C1 C2 406F
Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Retificador de entrada de uma fonte chaveada: VAC 117V V min 99V V max 135V AC AC f 60Hz V min 100V 0,7 Pout 70W C V pk 135 1,954 ms 2 f 2 60 cos 1 C min 1 c) V cos 100 t c d) I p C V 203 35 t 1,954m c 3,64 A
Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Retificador de entrada de uma fonte chaveada: VAC 117V V min 99V V max 135V AC AC f 60Hz V min 100V 0,7 Pout 70W C e) 2t f 21,954 m60 0,2345 c 2 2 I I 2t f 2t f 3,64 0,2345 0,2345 1,54 A ef p c c I f) 2 ef Pin 100 1 A V 100 C min I I2 I 1 1,54 1,84 A 2 2 2 2 g) Cef ef ef
Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Retificador de entrada de uma fonte chaveada: VAC 117V V min 99V V max 135V AC AC f 60Hz V min 100V 0,7 Pout 70W C h) tc 1,954m IDef I p 3,64 1,25 A T 16,67m i) I Dmed Pin 100 2V 2100 C min 0,5 A j) V V 2 V 2 135 191V Dmax pk max AC max k) I I 3,64 A Dp p
Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Análise detalhada da forma da corrente VC V C D1 V AC D 2 i 1 i C C i R R V 1 V Cmín V pk D3 D 4 3 2 1 i C t VC VC D1 V AC D 2 i 1 i C C i R R D1 V AC D 2 i C C i R R D3 D 4 D3 D 4
Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Representação da função RC versus V Cmin /V pk
Retificador monofásico de onda completa c/ filtro Valor eficaz parametrizado da corrente no capacitor
Dobrador de tensão Chave fechada
Dobrador de tensão
Dobrador de tensão Descrição do funcionamento:
Dobrador de tensão Descrição do funcionamento:
Retificador trifásico de onda completa Descrição do funcionamento:
Retificador trifásico de onda completa Descrição do funcionamento:
Retificador trifásico de onda completa Descrição do funcionamento:
Resultados Experimentais V1 ef = 220V f = 60Hz C = 220F R = 2,05k
Resultados Experimentais Transitório de partida sem limitação da corrente Vc Vc Iac Iac Transitório de partida com limitação da corrente
Ajustes na metodologia de projeto A partir dos resultados de simulação pode-se concluir que: I V V t I c p corrente de pico é praticamente o dobro da calculada; cmin pk med correta; = correta; = correto; = correto.
Próxima aula Aplicativos: Simuladores; Softwares matemáticos. http://florianopolis.ifsc.edu.br/~petry