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ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
AULA2- Dispositivos de potência:
características e funcionamento.
2.5 .Retificador controlado de meia onda e onda
completa.
1
Adaptado por: Eng.André L.Ricardo
A POLITÉCNICA
Universidade Politécnica
INSTITUTO SUPERIOR UNIVERSITÁRIO DE TETE – ISUTE
Sumário
1.Introdução
2.Retificadores Monofásicos Controlados com
Comutação na Frequênciada Rede
- Meia onda
- Onda completa
2
1.Introdução
• Retificadores com diodos não permitem o controle
da potência DC de saída.
• Os retificadores controlados podem operar com:
 chaveamento em baixa frequência(fsou 2fs, sendo
fsa frequênciada rede elétrica);
 chaveamento em alta frequência.
3
Diagrama de blocos de um retificador
controlado.
1.Introdução
• Um conversor AC-DC pode operar nos dois sentidos:
• Convertendo potência AC em DC(com amplitude variável).
• Convertendo potência DC em AC(com características
ajustáveis). Neste caso o conversor se comporta como um
inversor e para isso é necessário uma fonte de potência DC
conectada em Vd, de modo que a corrente Id se torne
negativa.
4
2. Retificadores Monofásicos Controlados com
Comutação em Baixa Frequência
5
2.Retificadores com Comutação em Baixa
Frequência
• Tipo mais simples de retificadores controlados
monofásicos onde a frequênciade comutação das
chaves semicondutoras de potência é próxima da
frequênciada rede elétrica.
• Utilizam controle de fase para os dispositivos
semicondutores de potência.
• São classificados em:
 Retificador controlado monofásico de meia onda;
 Retificador controlado monofásico de onda
completa.
6
2.1. Retificador Monofásico Controlado de
Meia Onda
7
2.1.Retificador Controlado Monofásico de Meia Onda
• Circuito pouco utilizado na prática pois produz alta
ondulação na tensão de saída.
• O SCR pode entrar em condução(“disparar”) apenas
nos ciclos positivos (VAK>0), caso receba um pulso
de corrente positiva no terminal degate(IG>0).
• Ângulo dedisparo(α) é definido como a diferença
entre o instante de cruzamento pelo zero e o
instante de disparo do tiristor.
• A corrente da fonte não está o tempo todo em fase
com atensão da fonte (mesmo no caso puramente
resistivo) → FP<1.
8
Cont.
9
Sendo 0 ≤ α≤ π, o ângulo de disparo do SCR.
A partir do controle do ângulo de disparo é possível
variar a potência fornecida à carga.
Cont.
• A tensão média pode ser estimada a partir de:
Sendo Vmax o valor máximo da tensão de
alimentação CA.
• O valor eficaz da tensão na saída é:
Observa-se que, quando α → 0, as expressões acima tendem
para os valores obtidos no retificador de meia onda não
controlado:
10
Cont.
• Considerando carga indutiva (R-L):
11
Quando o SCR estiver ligado:
Cont.
12
Circuito para o disparo do tiristor Utilizando Resistores e Capacitor:
Cont.
• Um sinal alternado desfasado de Vs, é produzido pelo circuito
de disparo.
• O ajuste de R2 regula a defasagem e consequentemente o
ângulo de disparo.
• Embora de simples construção esse circuito tem algumas
limitações:
 Não consegue uma variação de αde 0 a 180o;
 Influencia no comportamento da corrente da carga.
13
2.2. Retificador Monofásico Controlado de
Onda Completa
14
Retificador Controlado Monofásico de Onda
Completa
• Circuito com transformador de derivação central:
Os tiristoresT1e T2estão polarizados diretamente em ciclos
opostos da tensão VS.
15
Cont.
• O disparo dos tiristores, está condicionado ao pulso de
corrente de gate.
• Condução com Vs>0 e Condução com Vs< 0
• Cada tiristor é disparado uma vez por ciclo da linha CA.
• A corrente da fonte não está o tempo todo em fase com a
tensão da fonte (mesmo no caso puramente resistivo) → FP <
1.
16
Cont.
17
Cont.
• A partir do controle do ângulo de disparo é possível variar a
potência fornecida à carga.
• A tensão média pode ser estimada a partir de:
• O Valor eficaz da tensão é:
18
Cont.
Efeito de uma carga indutiva:
A ondulação da corrente tende a ser reduzida com o aumento
da indutância da carga.
19
Cont.
• Quando L >> R (L →∞):
Para α= 0
20
Cont.
• Quando L >> R (L →∞):
21
Para α= 45º Para α= 90º Para α= 135º
Cont. (Quando L >> R (L →∞):
• A tensão média na carga é dada por:
• A tensão eficaz na carga é igual à da fonte (e independente de
α):
• A tensão média normalizada é definida por:
22
Cont.
Quando L >> R (L →∞):
Operação no modo de inversão:
• Quando α > 90oa tensão média de saída é negativa e
o conversor como um inversor.
• A transferência de potência do lado CC para o CA
somente é possível com a conexão de uma fonte de
tensão no lado CC.
• Um exemplo de aplicação é um motor de corrente
contínua que opera em condições regenerativas.
23
Cont.
• Circuito em ponte:
• Uma ponte de tiristores, é utilizada para produzir um sinal
retificado em onda completa.
• As formas de onda são semelhantes às do retificador de onda
completa com transformador de derivação central.
• A principal diferença está na máxima tensão reversaque
precisa ser suportada por cada tiristor.
• Os tiristoresdevem ser disparados aos pares:
 T1e T2devem ser disparados durante os ciclos positivos de Vs.
 T3e T4devem ser disparados durante os ciclos negativos de
Vs.
24
Cont.
25
Totalmente controlado
Cont.
26
Para garantir o disparo simultâneo, utiliza-se
o mesmo sinal de disparo para os tiristores T1
e T2/ T3 e T4.
Os sinais de cada ramo da ponte são
semelhantes aos de retificadores controlados
de meia onda.
A ondulação da tensão de saída é reduzida
em comparação ao retificador controlado de
meia onda.
Cont.
• Considerando que a indutância de carga é muito maior que a
resistência(L >> R):
27
Cont.
• A corrente na carga tende a um valor constante.
• A corrente exigida da fonte é uma onda quadrada
com a mesma frequênciada tensão de alimentação
CA, porém defasada em α.
• A operação pode ser ajustada para os modos de
retificação ou inversão a partir da variação do ângulo
de disparo (α ).
28
EXERCICIOS
1)Um retificador controlado de onda completa utiliza
um transformador de derivação central (1:3) e é
conectado numa fonte de 220 V. Considerando que a
carga é uma resistência de 100 Ω, encontre os valores
do ângulo de disparo de modo que:
a.O valor médio da tensão na carga é 250 V.
b.A corrente eficaz na carga é ≈ 30 A.
c.O fator de potência do conversor é ≈ 0,85.
2)Num retificador de onda completa controlado em
ponte com carga predominantemente indutiva
alimentado por uma fonte de 330 V,encontre:
a.O ângulo de disparo necessário para que o valor
médio da tensão na carga seja 100 V.
b.O fator de potência para α= 25o. Considere R = 150 Ω.
29
Cont.
3)Para o retificador da questão 02, encontre os valores
RMS e médio da corrente sobre cada tiristor.
4)Calcule as perdas associadas aos tiristoresno circuito
da questão 05. Considere que foram utilizados
tiristoresdo modelo TIC 106 conforme datasheetem
anexo.
5)Explique o funcionamento do retificador elevador
monofásico e indique suas vantagens em relação aos
retificadores com comutação na frequênciada rede.
30
Bibliografia
• ALMEIDA, José Luis Antunes de. Estude e Use – Dispositivos
Semicondutores – Tiristores. Editora Érica.
• Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices,
Circuits and Applications, SegundaEdição, 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.
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  • 1. ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA AULA2- Dispositivos de potência: características e funcionamento. 2.5 .Retificador controlado de meia onda e onda completa. 1 Adaptado por: Eng.André L.Ricardo A POLITÉCNICA Universidade Politécnica INSTITUTO SUPERIOR UNIVERSITÁRIO DE TETE – ISUTE
  • 2. Sumário 1.Introdução 2.Retificadores Monofásicos Controlados com Comutação na Frequênciada Rede - Meia onda - Onda completa 2
  • 3. 1.Introdução • Retificadores com diodos não permitem o controle da potência DC de saída. • Os retificadores controlados podem operar com:  chaveamento em baixa frequência(fsou 2fs, sendo fsa frequênciada rede elétrica);  chaveamento em alta frequência. 3 Diagrama de blocos de um retificador controlado.
  • 4. 1.Introdução • Um conversor AC-DC pode operar nos dois sentidos: • Convertendo potência AC em DC(com amplitude variável). • Convertendo potência DC em AC(com características ajustáveis). Neste caso o conversor se comporta como um inversor e para isso é necessário uma fonte de potência DC conectada em Vd, de modo que a corrente Id se torne negativa. 4
  • 5. 2. Retificadores Monofásicos Controlados com Comutação em Baixa Frequência 5
  • 6. 2.Retificadores com Comutação em Baixa Frequência • Tipo mais simples de retificadores controlados monofásicos onde a frequênciade comutação das chaves semicondutoras de potência é próxima da frequênciada rede elétrica. • Utilizam controle de fase para os dispositivos semicondutores de potência. • São classificados em:  Retificador controlado monofásico de meia onda;  Retificador controlado monofásico de onda completa. 6
  • 7. 2.1. Retificador Monofásico Controlado de Meia Onda 7
  • 8. 2.1.Retificador Controlado Monofásico de Meia Onda • Circuito pouco utilizado na prática pois produz alta ondulação na tensão de saída. • O SCR pode entrar em condução(“disparar”) apenas nos ciclos positivos (VAK>0), caso receba um pulso de corrente positiva no terminal degate(IG>0). • Ângulo dedisparo(α) é definido como a diferença entre o instante de cruzamento pelo zero e o instante de disparo do tiristor. • A corrente da fonte não está o tempo todo em fase com atensão da fonte (mesmo no caso puramente resistivo) → FP<1. 8
  • 9. Cont. 9 Sendo 0 ≤ α≤ π, o ângulo de disparo do SCR. A partir do controle do ângulo de disparo é possível variar a potência fornecida à carga.
  • 10. Cont. • A tensão média pode ser estimada a partir de: Sendo Vmax o valor máximo da tensão de alimentação CA. • O valor eficaz da tensão na saída é: Observa-se que, quando α → 0, as expressões acima tendem para os valores obtidos no retificador de meia onda não controlado: 10
  • 11. Cont. • Considerando carga indutiva (R-L): 11 Quando o SCR estiver ligado:
  • 12. Cont. 12 Circuito para o disparo do tiristor Utilizando Resistores e Capacitor:
  • 13. Cont. • Um sinal alternado desfasado de Vs, é produzido pelo circuito de disparo. • O ajuste de R2 regula a defasagem e consequentemente o ângulo de disparo. • Embora de simples construção esse circuito tem algumas limitações:  Não consegue uma variação de αde 0 a 180o;  Influencia no comportamento da corrente da carga. 13
  • 14. 2.2. Retificador Monofásico Controlado de Onda Completa 14
  • 15. Retificador Controlado Monofásico de Onda Completa • Circuito com transformador de derivação central: Os tiristoresT1e T2estão polarizados diretamente em ciclos opostos da tensão VS. 15
  • 16. Cont. • O disparo dos tiristores, está condicionado ao pulso de corrente de gate. • Condução com Vs>0 e Condução com Vs< 0 • Cada tiristor é disparado uma vez por ciclo da linha CA. • A corrente da fonte não está o tempo todo em fase com a tensão da fonte (mesmo no caso puramente resistivo) → FP < 1. 16
  • 18. Cont. • A partir do controle do ângulo de disparo é possível variar a potência fornecida à carga. • A tensão média pode ser estimada a partir de: • O Valor eficaz da tensão é: 18
  • 19. Cont. Efeito de uma carga indutiva: A ondulação da corrente tende a ser reduzida com o aumento da indutância da carga. 19
  • 20. Cont. • Quando L >> R (L →∞): Para α= 0 20
  • 21. Cont. • Quando L >> R (L →∞): 21 Para α= 45º Para α= 90º Para α= 135º
  • 22. Cont. (Quando L >> R (L →∞): • A tensão média na carga é dada por: • A tensão eficaz na carga é igual à da fonte (e independente de α): • A tensão média normalizada é definida por: 22
  • 23. Cont. Quando L >> R (L →∞): Operação no modo de inversão: • Quando α > 90oa tensão média de saída é negativa e o conversor como um inversor. • A transferência de potência do lado CC para o CA somente é possível com a conexão de uma fonte de tensão no lado CC. • Um exemplo de aplicação é um motor de corrente contínua que opera em condições regenerativas. 23
  • 24. Cont. • Circuito em ponte: • Uma ponte de tiristores, é utilizada para produzir um sinal retificado em onda completa. • As formas de onda são semelhantes às do retificador de onda completa com transformador de derivação central. • A principal diferença está na máxima tensão reversaque precisa ser suportada por cada tiristor. • Os tiristoresdevem ser disparados aos pares:  T1e T2devem ser disparados durante os ciclos positivos de Vs.  T3e T4devem ser disparados durante os ciclos negativos de Vs. 24
  • 26. Cont. 26 Para garantir o disparo simultâneo, utiliza-se o mesmo sinal de disparo para os tiristores T1 e T2/ T3 e T4. Os sinais de cada ramo da ponte são semelhantes aos de retificadores controlados de meia onda. A ondulação da tensão de saída é reduzida em comparação ao retificador controlado de meia onda.
  • 27. Cont. • Considerando que a indutância de carga é muito maior que a resistência(L >> R): 27
  • 28. Cont. • A corrente na carga tende a um valor constante. • A corrente exigida da fonte é uma onda quadrada com a mesma frequênciada tensão de alimentação CA, porém defasada em α. • A operação pode ser ajustada para os modos de retificação ou inversão a partir da variação do ângulo de disparo (α ). 28
  • 29. EXERCICIOS 1)Um retificador controlado de onda completa utiliza um transformador de derivação central (1:3) e é conectado numa fonte de 220 V. Considerando que a carga é uma resistência de 100 Ω, encontre os valores do ângulo de disparo de modo que: a.O valor médio da tensão na carga é 250 V. b.A corrente eficaz na carga é ≈ 30 A. c.O fator de potência do conversor é ≈ 0,85. 2)Num retificador de onda completa controlado em ponte com carga predominantemente indutiva alimentado por uma fonte de 330 V,encontre: a.O ângulo de disparo necessário para que o valor médio da tensão na carga seja 100 V. b.O fator de potência para α= 25o. Considere R = 150 Ω. 29
  • 30. Cont. 3)Para o retificador da questão 02, encontre os valores RMS e médio da corrente sobre cada tiristor. 4)Calcule as perdas associadas aos tiristoresno circuito da questão 05. Considere que foram utilizados tiristoresdo modelo TIC 106 conforme datasheetem anexo. 5)Explique o funcionamento do retificador elevador monofásico e indique suas vantagens em relação aos retificadores com comutação na frequênciada rede. 30
  • 31. Bibliografia • ALMEIDA, José Luis Antunes de. Estude e Use – Dispositivos Semicondutores – Tiristores. Editora Érica. • Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and Applications, SegundaEdição, 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. 31