06 elet pot-convac-dc-trifasicos-contr

Disciplina: Eletrônica de Potência (ENGC48)
Tema: Conversores CA-CC Trifásicos Controlados
Prof.: Eduardo Simas
eduardo.simas@ufba.br
Aula 8
Universidade Federal da Bahia
Escola Politécnica
Departamento de Engenharia Elétrica

DEE
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Sumário
 Introdução
 Retificadores Trifásicos Controlados com Comutação da Frequência da Rede
 Retificadores Trifásicos Controlados com Comutação em Alta Frequência
 Exercícios de Fixação

DEE
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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)

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2. Retificadores Comutados na
Frequência da Linha

DEE
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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

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2.1. Retificador Controlado de Três Pulsos

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Ret. Controlado de 3 Pulsos
Carga Resistiva:
 Para pequenos valores do ângulo de disparo
(0o ≤ α ≤ 30o):
Sendo Vm o valor máximo da tensão de fase.


cos827,0cos
2
33
)()( mAVGmAVG VVoVVo 

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Carga Resistiva:
 Com o aumento do ângulo de disparo
(30o ≤ α ≤ 150o) existem intervalos nos quais a
tensão instantânea na saída é nula.
 A tensão média na carga é dada por:
 Para 150o ≤ α ≤ 180º o valor médio da tensão na
carga é igual a zero.
  6
cos1
2
33
)(


 mAVG VVo

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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).

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Carga Indutiva:
 Considerando que o conversor opera no modo de
corrente contínua (L >> R).
 Para 0o ≤ α ≤ 180o a tensão média na carga é dada
por:
 A tensão média máxima ocorre para α = 0o:


cos827,0cos
2
33
)()( mAVGmAVG VVoVVo 
mAVG VVo 827,0)( 

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Ret. Controlado de 3
Pulsos (Carga Indutiva)
α = 0o
α = 45o
α = 90o
α = 135o
α = 180o
Tensão na carga

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Ret. Controlado de 3 Pulsos (Carga Indutiva)
α = 45o

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Retificador Controlado de 3 Pulsos
Carga Indutiva:
 A corrente média em cada SCR é:
 Característica de controle do conversor:
3
)(
Io
I SCR 
É necessário uma
tensão DC (força
contra-eletromotriz)
para a operação
como inversor.
cos827,0)( mAVG VVo 

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2.2. Retificador Controlado de Seis Pulsos

DEE
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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.

DEE
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Retificador de 6 Pulsos
com carga resistiva
α = 0o
Comportamento semelhante ao
do retificador não controlado .

DEE
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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
60o.
 Deste modo garante-se que sempre dois
SCRs estarão sendo ativados.

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Retificador de 6 Pulsos com carga resistiva
 Tensão média na carga:
 0o ≤ α ≤ 60º
 60o ≤ α ≤ 120º
 120o ≤ α ≤ 180º
 Corrente média nos SCRs:


cos
33
)( mAVG VVo 













3
cos1
33
)(



mAVG VVo
0)( AVGVo
3
)(
)(
AVG
AVGSCR
Io
I 

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 Corrente RMS na saída:
 0o ≤ α ≤ 60º
 60o ≤ α ≤ 120º
 Corrente de linha:

 2cos332
2
3
)(


R
V
Io m
RMS
)()(
32 AVGRMSA IoI 

 )3/2sin(364
2
3
)(


R
V
Io m
RMS
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Característica de controle

DEE
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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 120o.

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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.

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Retificador de 6 Pulsos com Carga Indutiva (L >> R)
 Tensão média na carga:
 Tensão eficaz na saída:
 Corrente média na carga:
 Corrente média nos SCRs:


cos
33
)( mAVG VVo 
3
)(
)(
AVG
AVGSCR
Io
I 
R
Vo
Io
AVG
AVG
)(
)( 


cos
8
33
4
1
32)(  mRMS VVo

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Característica
de controle
É necessário uma
tensão DC (força
contra-eletromotriz)
para a operação
como inversor.

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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.

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 O intervalo de comutação depende do valor de Ls, sendo definido a partir do
ângulo de sobreposição μ.

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 O efeito do intervalo de comutação é uma queda na tensão média na saída:
 A tensão média pode ser calculada através de:

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 Fator de Potência:
 Sendo
 O fator de potência é influenciado pelo ângulo de disparo e pela distorção harmônica
do sinal de corrente.
)(1
6
AVG
rms
a IoI



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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 ID.

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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.

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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:

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3. Retificadores Trifásicos com
Comutação em Alta Frequência

DEE
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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.

DEE
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3.1 Retificador de Fonte de Tensão

DEE
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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.

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Retificador de Fonte de Tensão - Operação
 Quando a corrente ID 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 ID 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.

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 Um padrão PWM produz na frequência fundamental um sinal VMOD com a mesma
frequência da tensão da rede.
 Modificando a amplitude e a defasagem δ entre VLinha e VMOD 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

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 ...
Retificador
com FP = 1
Inversor
com FP = 1
Operação
Capacitiva
com FP = 0
Operação
Indutiva
com FP = 0

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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.

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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.

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4. Exercícios de Fixação

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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 20o 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 = 45o e α = 100o.
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.

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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.

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