Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica Disciplina: Eletrônica de Potência (ENGC48) Tema: Conversores CA-CC Trifásicos Controlados Prof.: Eduardo Simas eduardo.simas@ufba.br Aula 8
Sumário Introdução Retificadores Trifásicos Controlados com Comutação da Frequência da Rede Retificadores Trifásicos Controlados com Comutação em Alta Frequência Exercícios de Fixação 2/47
1. Introdução 3/47
Introdução Os retificadores trifásicos controlados são utilizados principalmente em aplicações onde são necessários baixa flutuação de tensão e maior potência DC. Aplicações: Processos eletroquímicos Circuitos (drivers) de acionamento de motores Fontes DC ajustáveis Sistemas HVDC Classificação: Retificadores comutados na frequência da linha Retificadores comutados em alta frequência (por PWM) 4/47
2. Retificadores Comutados na Frequência da Linha 5/47
Retificadores Comutados na Frequência da Linha São o tipo mais comum de retificador controlado trifásico. Utilizam tiristores que são acionados na frequência da rede elétrica. Entre os tipos mais comuns pode-se mencionar: Retificador Controlado de Três Pulsos Retificador Controlado de Seis Pulsos Retificador Controlado de Doze Pulsos 6/47
2.1. Retificador Controlado de Três Pulsos 7/47
Ret. Controlado de 3 Pulsos Carga Resistiva: Para pequenos valores do ângulo de disparo (0 o α 30 o ): Vo 3 3 V 2 cos Vo 0,827V ( AVG ) m ( AVG ) m Sendo Vm o valor máximo da tensão de fase. cos 8/47
Ret. Controlado de 3 Pulsos Carga Resistiva: Com o aumento do ângulo de disparo (30 o α 150 o ) existem intervalos nos quais a tensão instantânea na saída é nula. A tensão média na carga é dada por: Vo ( AVG ) 3 3 V 2 m 1 cos 6 Sendo Vm o valor máximo da tensão de fase. Para 150 o α 180 º o valor médio da tensão na carga é igual a zero. 9/47
Ret. Controlado de 3 Pulsos Efeito do aumento da indutância: Para L = 0, quando o tiristor está conduzindo I e V estão em fase. Com L > 0 há um atraso de I em relação a V. Com o aumento de L a ondulação de I diminui. Para L a corrente tende a ficar constante (DC). 10/47
Ret. Controlado de 3 Pulsos Carga Indutiva: Considerando que o conversor opera no modo de corrente contínua (L >> R). Para 0 o α 180 o a tensão média na carga é dada por: Vo 3 3 V 2 cos Vo 0,827V ( AVG ) m ( AVG ) m cos Sendo Vm o valor máximo da tensão de fase. A tensão média máxima ocorre para α = 0 o : Vo 827 ( AVG ) 0, V m 11/47
Ret. Controlado de 3 Pulsos (Carga Indutiva) α = 90 o Tensão na carga α = 0 o α = 135 o α = 45 o α = 180 o 12/47
Ret. Controlado de 3 Pulsos (Carga Indutiva) α = 45 o 13/47
Retificador Controlado de 3 Pulsos Carga Indutiva: A corrente média em cada SCR é: I( SCR ) Io 3 Característica de controle do conversor: Vo 0,827V ( AVG ) m cos É necessário uma tensão DC (força contra-eletromotriz) para a operação como inversor. 14/47
2.2. Retificador Controlado de Seis Pulsos 15/47
Retificador Controlado de Seis Pulsos É o tipo de retificador trifásico mais utilizado em aplicações de alta potência por apresentar alta eficiência e baixa ondulação na tensão de saída. Dois tiristores precisam estar conduzindo simultaneamente para haver tensão na carga. 16/47
Retificador de 6 Pulsos com carga resistiva α = 0 o Comportamento semelhante ao do retificador não controlado. 17/47
α = 30 o α = 60 o 18/47
Retificador de 6 Pulsos Sequência de acionamento dos tiristores: Um modo de acionar os SCRs é fornecer ao mesmo tempo pulsos a 2 dispositivos. Os pulsos devem ser executados a cada 60 o. Deste modo garante-se que sempre dois SCRs estarão sendo ativados. 19/47
Retificador de 6 Pulsos com carga resistiva Tensão média na carga: 0 o α 60 º Vo 3 3 V ( AVG ) m cos 60 o α 120 º Vo 3 3 ( AVG ) V m 1 cos 3 120 o α 180 º Vo ( AVG ) 0 Corrente média nos SCRs: I SCR( AVG ) Io ( AVG ) 3 20/47
Retificador de 6 Pulsos com carga resistiva Corrente RMS na saída: 0 o α 60 º Io ( RMS ) 3V 2R m 2 3 3 cos 2 60 o α 120 º Io ( RMS ) 3V 2R m 4 6 3sin(2 / 3) Corrente de linha: I A 2 3Io ( RMS ) ( AVG ) 21/47
Retificador de 6 Pulsos com carga resistiva Característica de controle 22/47
Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R) Neste caso a corrente na carga é aproximadamente constante. As correntes nos SCRs têm a mesma forma das obtidas para a versão não controlada, porém com defasagem α. Cada SCR conduz por 120 o. 23/47
Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R) Correntes de Linha: As correntes de linha também são semelhantes às do caso não controlado. Apresentam uma defasagem α em relação às tensões de linha. 24/47
Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R) Tensão média na carga: Vo 3 3 V ( AVG ) m cos Tensão eficaz na saída: 1 Vo( RMS ) 2 3V m 4 3 3 8 cos Corrente média na carga: Io ( AVG ) Vo ( AVG ) R Corrente média nos SCRs: I SCR( AVG ) Io ( AVG ) 3 25/47
Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R) Característica de controle É necessário uma tensão DC (força contra-eletromotriz) para a operação como inversor. 26/47
Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R) Efeito da Indutância da Fonte: Num caso real, as comutações das correntes de linha não podem ser realizadas de modo instantâneo devido à indutância Ls (não nula) da fonte AC. 27/47
Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R) Efeito da Indutância da Fonte: O intervalo de comutação depende do valor de Ls, sendo definido a partir do ângulo de sobreposição μ. 28/47
Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R) Efeito da Indutância da Fonte: O efeito do intervalo de comutação é uma queda na tensão média na saída: A tensão média pode ser calculada através de: 29/47
Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R) Fator de Potência: Sendo rms 6 I a 1 Io ( AVG ) O fator de potência é influenciado pelo ângulo de disparo e pela distorção harmônica do sinal de corrente. 30/47
2.3. Aplicações 31/47
Acionamento de Motor DC Um retificador controlado pode ser conectado diretamente a um motor DC. Torque e velocidade podem ser controlados pela corrente de armadura I D. 32/47
Controle de Velocidade de Motor de Indução Em conjunto com um inversor, pode ser utilizado para o controle de uma máquina síncrona num acionamento através de tensão e frequência variáveis. 33/47
Sistemas de Transmissão HVDC Sistemas HVDC são mais econômicos que sistemas AC em linhas de longo comprimento. Podem conectar dois sistemas AC de diferentes frequências nominais. Em geral são utilizados conversores de 12 pulsos: 34/47
3. Retificadores Trifásicos com Comutação em Alta Frequência 35/47
Introdução Os retificadores com comutação em alta frequência (ou comutação forçada) são indicados para reduzir distorções da corrente de linha inerentes a retificadores comutados na frequência da linha. Em geral são utilizados dispositivos semicondutores que podem ser ligados e desligados em alta frequência a partir do terminal de gate (Ex: GTO, IGBT ou MOSFET). Na maioria dos casos o acionamento é feito por sinais modulados em PWM. A corrente de linha está (aproximadamente) em fase com a tensão e os componentes harmônicos são de alta frequência e baixa amplitude. Os tipos mais comuns são: Retificador de Fonte de Tensão e Retificador de Fonte de Corrente. 36/47
3.1 Retificador de Fonte de Tensão 37/47
Retificador de Fonte de Tensão É a topologia de retificador de comutação forçada mais utilizada. A tensão no barramento DC é mantida constante a partir de uma malha de controle. O conversor pode operar nos modos de retificação e inversão (caso exista uma fonte de energia no lado DC). Essa topologia de conversor pode também ser utilizado para correção do fator de potência da linha na qual está conectado. 38/47
Retificador de Fonte de Tensão - Operação Quando a corrente I D é positiva (operação como retificador) o capacitor se descarrega e o sinal de erro indica para o sistema de controle que é necessário mais potência do lado AC. Quando a corrente I D é negativa (operação com inversor) o capacitor é carregado com valor maior que a referência e o sinal de erro indica para o controlador que é necessário descarregar o capacitor retornando a energia para o lado AC. 39/47
Retificador de Fonte de Tensão Um padrão PWM produz na frequência fundamental um sinal V MOD com a mesma frequência da tensão da rede. Modificando a amplitude e a defasagem δ entre V Linha e V MOD é possível operar o conversor nos quatro quadrantes: Retificador com fator de potência em atraso Retificador com fator de potência em avanço Inversor com fator de potência em atraso Inversor com fator de potência em avanço 40/47
Retificador de Fonte de Tensão... Retificador com FP = 1 Inversor com FP = 1 Operação Capacitiva com FP = 0 Operação Indutiva com FP = 0 41/47
3.2 Aplicações 42/47
Retificador de Fonte de Tensão com Capacidade para Eliminação de Harmônicos O retificador pode ser aproveitado para operar eliminando distorções harmônicas na linha AC. Além da conversão AC-DC, tem função semelhante à de um filtro ativo de potência. 43/47
Sistema de Geração em Velocidade Variável e Frequência Constante Em algumas aplicações o uso de frequência variável contribui para melhor aproveitamento da fonte de energia (Ex: Pequenas usinas hidroelétricas e sistemas de geração de energia eólica). Com o uso de um sistema composto por um retificador controlado e um inversor é possível gerar energia para o sistema elétrico em frequência fixa a partir de um gerador operando em frequência variável. 44/47
4. Exercícios de Fixação 45/47
Exercícios de Fixação 1) Um retificador trifásico controlado de meia onda (três pulsos) está ligado a uma fonte de 220 V e uma carga de 10Ω. Considerando que o ângulo de disparo é 20 o determine: a. Valores médio e RMS na saída b. Esboço do gráfico da tensão na carga c. Corrente máxima na saída d. Potência dissipada na carga. e. Valores médio, eficaz e máximo da corrente no SCR f. Tensão de pico reversa no SCR g. Dissipação de potência no SCR caso seja utilizado o TIC106D 2) Repita a Questão 01 para α = 45 o e α = 100 o. 3) Para o circuito da Questão 01 encontre o valor do ângulo de disparo que produz uma tensão média igual 150 V na carga. 4) Repita as Questões 01, 02 e 03 considerando que uma grande indutância foi adicionada em série com a carga. 5) Repita as Questôes de 01 a 04 substituindo o retificador trifásico controlado de meia onda (três pulsos) pelo retificador trifásico de onda completa (seis pulsos). 6) Explique o funcionamento do retificador trifásico de fonte de tensão e comente a respeito das suas vantagens em relação aos retificadores comutados na frequência da rede. 46/47
Referências Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and Applications, Segunda Edição, Elsevier, 2007. Ahmed, Ashfak. Eletrônica de Potência, Wiley, Pomilio, José Antenor. Eletrônica de Potência, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, UNICAMP, 1998, Revisado em 2002. Algumas figuras utilizadas nesta apresentação foram retiradas das referências listadas acima. 47/47