Simulação em PSPICE de Conversor CA/CC, Conversor CC/CC, Conversor CC/CA e Conversor CA/CA

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC 
 
 
CENTRO DE ENGENHARIA, MODELAGEM E 
CIENCIAS SOCIAIS APLICADAS 
 
 
Eletrônica de Potência I 
 
Simulação de 
Conversor CA/CC, Conversor CC/CC, Conversor 
CC/CA e Conversor CA/CA 
 
 
 
Valdecir Soares Pimenta RA: 11107312 
Professor Ademir Pelizari 
 
 
 
 
 
SANTO ANDRÉ - SP 2Q.2021 
 
 
1) Retificador monofásico não controlado meia onda carga resistiva – Potência 
eficaz na carga: 100 W 
 
 
 
Figura 1.1: retificador meia onda no software PSPICE 
 
Tensão, corrente e potência médias: 
 
max 2 97 2 137,18 VsV V= × = × = (1.1) 
 
max 137,18 43,67 Vcc
V
V
π π
= = = (1.2) 
 
max
137,18
0,93 A
47
cc
cc
V
I
V
R R ππ
=
×
= = =
×
 (1.3) 
 
2 2
max
2 2
137,18
40,57 W
47
média
V
P
Rπ π
= = =
× ×
 
 
 
Tensão, corrente e potência eficazes: 
 
max 137,18 68,59 V
2 2
EF
V
V = = = 
 
68,59
1,46 A
47
EF
EFI
V
R
= = = 
 
2 2
max 137,18 100 W
4 4 47
EF
V
P
R
= = =
× ×
 
 
 
Para verificar os resultados médios, substituí a fonte alternada por uma fonte DC de 
igual valor da tensão média calculada (Vcc = 43,57 Volts). A simulação confirmou os 
dados teóricos da corrente e potência médias, conforme figura 1.2 abaixo: 
 
 
Figura 1.2: medidas de corrente e potência médias 
 
Procedendo-se da mesma forma com a tensão eficaz, a simulação também 
correspondeu aos cálculos de corrente e potência eficazes: 
 
 
Figura 1.3: medidas de corrente e potência eficazes 
 
As formas de onda da fonte de tensão, do diodo e sobre a carga obtidas através da 
simulação foram as seguintes: 
 
 
Figura 1.4: Fonte de tensão 
 
 
 
Figura 1.5: Tensão sobre o diodo 
 
 
Figura 1.6: Tensão sobre a carga resistiva 
 
Seleção da chave retificadora 
A chave escolhida deve operar com uma tensão de pico reversa (PIV) com uma 
margem de pelo menos 20% acima das condições nominais de operação e abaixo do 
valor de corrente direta média máxima: 
 
max1,20 1,20 137,18 164,12PIV V≥ × → × ≥ 
 (AVG) max (AVG) max
0,93cc OF OFI I I→ ≤≤ 
 
O diodo 1N4003 com PIV de 200 V e 
 (AVG) maxOFI de 1.0 A satisfaz os requisitos acima: 
 
Figura 1.7: Principais características do Diodo 1N4003 escolhido como chave retificadora 
 
2) Conversor trifásico não controlado ½ onda carga resistiva 
 
 
 
Figura 2.1: Conversor trifásico meia onda no PSPICE 
 
Para o cálculo do valor nominal da resistência para satisfazer a potência eficaz na carga 
de 100 Watts em uma fonte 3 φ trifásica de 220 Vs (valor cujo fixei), as seguintes 
relações foram utilizadas: 
 
2
EF
EF
V
P
R
= (2.1) 
 
1/2
max max
1 1 2
sin 0,485 
2 3 2 3
EF V VV
π π
π
  = + =  
  
 (2.2) 
 
max
2 2 220
179,6 V
3 3
s
V
V
× ×= = = (2.3) 
 
max
0,485 0,485 179,6 87,1 EF V VV = = × = (2.4) 
 
De (2.1): 
 
2
EF
EF
V
P
R = (2.5) 
 
Elevando ao quadrado a equação (2.4) e substituindo em (2.5) com 
EF
P =100 W, 
obtemos o valor da resistência R: 
 
2
87,1
75,9 
100
R = = Ω (2.6) 
 
Usando as relações anteriores determina-se a corrente máxima e eficaz na carga: 
 
max
max
179,6
2,37 A
75,9
V
I
R
= = = (2.7) 
 
max
0,485 I 0,485 2,37 1,15 AEFI = = × = (2.8) 
 
Cálculo da tensão, corrente e potência média na carga: 
 
maxm
3 3 3 3
 197,6 = 148,53 V
2 2
édiaV Vπ π
= = (2.9) 
 
m
m
148,53
1,96 A
75,9
édia
édia
V
I
R
= = = (2.10) 
 
m m 148,53 1,96 291,12 Wmédia édia édiaP IV= × = × = (2.11) 
 
O valor nominal da PIV do diodo tem que ser maior ou igual ao valor máximo da 
tensão de linha Vs: 
s max
220 2 311,13 VPIV V ≥ × ≥≥ 
 
Os resultados de corrente e potência média obtidos com a simulação foram os 
seguintes: 
 
 
Figura 2.2: corrente e potência média simulada 
 
As formas de onda das tensões e correntes obtidas pela simulação foram as seguintes: 
 
 
Figura 2.3: Tensões de fase 
 
Figura 2.4: Forma de onda da tensão na carga e tensão média 
 
 
Figura 2.5: Forma de onda da corrente na carga e corrente média 
 
Seleção da chave retificadora 
A chave escolhida deve operar com uma tensão de pico reversa (PIV) com uma 
margem de pelo menos 20% acima das condições nominais de operação e abaixo do 
valor de corrente direta média máxima: 
s max 220 2 311,13 VPIV V ≥ × ≥≥ 
max1,20 1,20 311,13 373,36sPIV V≥ × → × ≥ 
 (AVG) max (AVG) max
 1,96cc OF OFI I I≤ → ≤ 
 
 
O diodo RL204 com PIV de 400 Volts e 
 (AVG) maxOFI de 2 A atende os requisitos acima: 
 
 
Figura 2.6: Principais características do Diodo RL204 escolhido como chave retificadora 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3) Chopper step-down (buck) 
 
 
 
Figura 3.1: Chopper buck no PSPICE 
 
Para o cálculo do valor nominal da resistência para satisfazer a potência eficaz na carga 
de 100 Watts, as seguintes relações foram utilizadas: 
 
2
EF
EF
V
P
R
= (3.1) 
 
Assumindo que a resistência é 10 Ω a equação acima resulta em: 
 
2 100 10 1000
EFEF PV R= × = × = 
 
Impondo a tensão de entrada Vi em 40 Volts Dc e substituindo o resultado acima na 
seguinte equação: 
EF iV V d= (3.2) 
 
Encontramos o ciclo de trabalho d: 
2
2 2
2 2 1000
0,625
40
EF
i
EF i
V
d d
V
V V= → = = = 
 
Assumindo que frequência de chaveamento (
CHAV
f ) seja 1 KHz e utilizando a seguinte 
equação: 
ON CHAV
d T f= × (3.3) 
obtemos o tempo em que a chave permanece fechada (
ON
T ): 
 
0,625
0,625 ms
1000
ON CHAV ON
CHAV
d
d T f T
f
= × → = = = 
e consequentemente o tempo em que ela permanece aberta (
OFF
T ) através da seguinte 
relação: 
 
1 0,625 0,375 ms
ON OFF OFF ON
T T T T TT + → = − = − == 
 
Os valores médios da tensão de saída, potência de saída e potência de entrada são 
dados por: 
 
o iV dV= (3.4) 
o o oP V I= (3.5) 
i i iP V I= (3.6) 
Uma vez que estamos assumindo elementos ideias sem perdas, a potência de entrada 
Pi deve ser igual a potência absorvida pela carga Po: 
o i
P P= (3.7) 
 
E rearranjando as últimas equações chegamos em: 
 
d = o i
i o
V I
V I
= (3.8) 
Agora calculamos os valores da tensão de saída, corrente de saída e de entrada bem 
como a potência: 
 
0,625 40 25 V
o i
V dV= = × = 
 
25
2,5 A
10
o
oI
V
R
= == 
 
0,625 2,5 1,56 A
i o
I dI= = × = 
 
40 1,56 62,4 W
o i i iP P V I= = = × = 
 
No modo de corrente contínua Io max e Io min são dadas respectivamente pelas 
seguintes relações, considerando uma indutância de 10 mH: 
 
 max
2
o o
OFFo
V V
I T
R L
 = + 
 
 (3.9) 
 
 min
2
o o
OFFo
V V
I T
R L
 = − 
 
 (3.10) 
 
Substituindo-se os valores nas equações acima resulta em: 
3
3 max
25 25
0,375 10 2,97 A
10 2 10 10 
oI
−
−
 = + × × = × × 
 
 
3
3 min
25 25
0,375 10 2,03 A
10 2 10 10 
oI
−
−
 = − × × = × × 
 
 
As formas de onda obtidas através de simulação foram as seguintes: 
 
 
Figura 3.2: Tensão de saída 
 
 
Figura 3.2: Corrente no diodo de retorno 
 
 
Figura 3.3: fonte de corrente 
 
Figura 3.4: Corrente na carga 
 
 
 
 
 
Figura 3.5: Tensão no indutor 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4) Inversor de fonte de tensão (VSI) em meia ponte 
 
 
Figura 4.1: Inversor VSI no PSPICE 
 
Para uma potência de 100 Watts requerida pela carga ( (EF)oP ), fixando a fonte DC em 
10 Volts (E) e considerando que cada umas das chaves vai permanecer ligada por 
metade do tempo (d=0.5) o valor da resistência (R) foi determinado pelas seguintes 
relações: 
 
 média
2 
o
V E d= (4.1) 
 
 (EF)
2 EoV d= (4.2) 
 
2 2
 (EF)
 (EF)
E
2 
o
o
V
P d
R R
= = (4.3) 
 
2 2
 (EF)
E 10
2 2 0.5 1100
o
R d
P
= = × × = Ω 
 
 
 
 
Assumindo que frequência de chaveamento de cada chave (
CHAV
f ) seja 1 KHz e 
utilizando a seguinte equação: 
ON CHAV
d T f= × (4.4) 
 
obtemos o tempo em que cada chave permanece fechada (
ON
T ): 
 
0,5
0,5 ms
1000
ON CHAV ON
CHAV
d
d T f T
f
= × → = = = 
 
Da equação 4.3 obtemos a tensão eficaz de saída: 
 (EF)
2 E = 2 0.5 10 = 10 VoV d= × × 
 
A corrente média de saída de meia onda é dada por: 
 
 (média)
 (média) 
o
o
V
I
R
= (4.5) 
 
E da equação (4.1): 
 média
2 2 10 0,5 10 V
o
V E d= = × × = 
 
Então (4.5) resulta em: 
 (média)
 (média) 
10
10 A
1
o
o
V
I
R
== = 
 
E a corrente média em cada chave resulta em: 
 (média) 
CHAV (média) 
10
5 A
2 2
oI
I = = = 
 
 
 
As formas de onda obtidas através da simulação foram as seguintes: 
 
 
 
Figura 4.2: Tensão na carga resistiva 
 
 
 
Figura 4.3: Forma de onda sobre a chave S1 
 
 
Figura 4.4: Forma de onda sobre a chave S2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5) Controlador de Tensão AC por controle de fase 
 
 
Figura 5.1: Controlador de tensão AC no PSPICE 
 
 
Para uma potência eficaz requerida na carga de 100 Watts, utilizando um ângulo de 
retardo α = 90� e assumindo uma fonte de tensão de Vi de 120 Volts utilizou-se as 
seguintes relações para a determinação da resistência R: 
 
1/2
 ( )
sin 2
1
2
io EF
VV
α α
π π
 
 
 
= − + (5.1) 
 
Para α =90� em radianos 
2
π 
 
 
 a equação acima resulta em: 
 ( )
120
 60 V
2 2
i
o EF
V
V → == 
 
E utilizando a relação para potência eficaz na carga, encontramos a resistência R: 
 
2 2 2
 ( ) ( )
 ( )
 ( )
60
 R = 36 
100
o EF o EF
o EF
o EF
V V
P
R P
→ = = Ω= 
 
A equação da corrente de saída eficaz é dada por: 
 
 ( )
 ( )
60
1,67 A
36
o EF
o EF
I
V
R
= = = 
 
O valor nominal eficaz da corrente dos SCRs é dada por: 
 
 ( )
SCR ( )
1,67
1,18 A
22
o EF
EF
I
I = == 
 
A capacidade de tensão mínima da chave é dada por: 
 
PIV ≥
i ( )
2 120 2 169,7 ViMAX VV = = × = 
 
 
As formas de onda obtidas foram as seguintes: 
 
 
Figura 5.2: Forma de onda da fonte de tensão 
 
 
Figura 5.3: Forma de onda da tensão de saída na carga resistiva 
 
 
 
 
 
Figura 5.4: Forma de onda da corrente de saída na carga resistiva 
 
Figura 5.5: Forma de onda da tensão sobre o SCR1 acima e sobre o SCR2 abaixo 
 
 
Figura 5.6: Forma de onda da corrente sobre SCR1 
 
 
Figura 5.7: Forma de onda da corrente sobre o SCR2 
Seleção da chave SCR 
A chave escolhida deve operar com uma tensão de pico da rede máxima com uma 
margem de pelo menos 50% abaixo da tensão de pico reversa do SCR 
RRM
V e abaixo do 
valor de corrente média em estado ligado ( )T AVI : 
Escolhendo o SCR BT151 500 (
RRM
V = 500V ) e ( )T AVI = 7.5 A 
 
max max
500
1,5 333,33 V
1,5
RRM i i
V V V= × → = = 
 
max
333,33
235,7 V
2 2
i
EF
V
V = = = 
 
Como a tensão de pico máxima da rede é 169,6 V e a corrente média na carga 
 EF 1,67oI A= < ( )T AVI = 7.5 A, a chave selecionada satisfaz os requisitos acima: 
 
 
Figura 5.8: Principais características da chave SCR selecionada