Conversão de Energia Elétrica

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ESCOLA DE MINAS
UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
DECAT – DEP. DE ENG. DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Prof. Rúben C. Barbosa
(rubencbarbosa@gmail.com)
(rubencbarbosa@outlook.com)
Parte 02:
CONVERSORES CA-CC
(retificadores)
CAT169 – Acionamentos Elétricos
RETIFICADORES 
DE MEIA ONDA
2setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
• Possuem somente um dispositivo 
semicondutor de comutação para cada 
fase da alimentação CA.
• Todas as chaves são conectadas ao 
terminal de carga em catodo ou anodo 
comum.
• Controle:
• Sem controle: somente por diodos.
• Com controle: tiristores.
3setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
RETIFICADOR MONOFÁSICO NÃO CONTROLADO:
• Carga puramente resistiva – R:
• Corrente média• Tensão média:
4setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
RETIFICADOR MONOFÁSICO NÃO CONTROLADO:
• Carga resistiva e indutiva – RL:
 Efeito da indutância na carga: 
Uma vez que o bloqueio do diodo ocorre somente 
quando 𝑖 = 0 A (esgotar toda energia armazenada em 
L), parte do semiciclo negativo é aplicado a carga.
5setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
RETIFICADOR MONOFÁSICO NÃO CONTROLADO:
• Carga resistiva e indutiva – RL (continuação):
• Corrente média• Tensão média:
6setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
RETIFICADOR MONOFÁSICO NÃO CONTROLADO:
Carga resistiva e indutiva – RL (continuação):
 O ângulo em que a corrente se 
extingue (𝑖 = 0) é chamado 
ângulo de extinção 𝛽
(ou ângulo de condução).
 É dado por:
 Onde 𝜙 é o ângulo de fase entre a 
corrente e tensão.
7setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
CÁLCULO DO ÂNGULO DE EXTINÇÃO
Em geral o cálculo do ângulo de 
extinção pode ser feito de 
duas formas:
1. Por métodos numéricos (uso 
de computador);
2. Métodos gráficos (ábaco de 
Puschlowski)
8setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
RETIFICADOR MONOFÁSICO NÃO CONTROLADO:
Carga RL com diodo de roda livre (de retorno)
 Função do diodo de roda livre:
 Evitar tensão negativa na carga;
 Esgotar a energia armazenada em L.
 Propicia um caminho alternativo para corrente na carga.
 Ajuda a impedir que a corrente na carga chegue a 0 reduzindo a 
ondulação.
9setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
RETIFICADOR MONOFÁSICO NÃO CONTROLADO:
Carga RL com diodo de roda livre (de retorno)
 A tensão média é a mesma do circuito de ½ onda com carga R.
 Quanto mais alta a indutância mais plana se torna a corrente na 
carga.
10setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
EXEMPLO: 
RETIFICADOR MONOFÁSICO DE ½ ONDA NÃO CONTROLADO
• Exemplo:
• Seja o circuito ao lado, onde uma 
carga RL é acionada por um 
retificador monofásico não 
controlado de ½ onda.
• Sendo: 
• V1 = 127 V, f= 60 Hz, R = 100 
Ohms, L = 200 mH, pede-se:
• Calcular a tensão média na carga.
11setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
RETIFICADOR MONOFÁSICO CONTROLADO:
• Carga R:
𝐼 =
𝑉
𝑅
12setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
 Tensão e corrente médias:• O instante em que se começa a 
conduzir é controlado através de 
uma chave controlada (em geral 
SCR).
• Este momento é dado pelo ângulo 
de disparo 𝛼 (ou âng. de retardo)
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
RETIFICADOR MONOFÁSICO CONTROLADO:
• Carga indutiva e regenerativa (RLE):
 Considere um motor CC: Quando 
acionado o motor produz uma FCEM (E).
 Quando a tensão de alimentação é 
cortada, o motor passa a funcionar 
como gerador, e a tensão na carga passa 
a ser a FCEM (E).
13setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
 Este tipo de carga é chamado de carga regenerativa.
 Pode-se tratar a FCEM como uma fonte de tensão E constante 
desde que o motor permaneça desligado por um curto 
período.
 Note que com o tempo, se desligado, o motor se desacelera e 
a FCEM vai diminuindo.
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
RETIFICADOR MONOFÁSICO CONTROLADO:
• Carga RLE:
 Tensão e corrente médias:
14setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
• Ângulo de disparo mínimo: 𝛼1
• Ângulo de disparo máximo:
𝛼2 = 𝜋 − 𝛼1
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
ÂNGULO DE EXTINÇÃO PARA RETIFICADORES CONTROLADOS:
• Ângulo de extinção para retificadores controlados.
• Para o caso do retificador controlado, o ângulo de extinção 
(condução) passa a depender do ângulo de disparo (de 
retardo) 𝛼.
• Neste caso, o ângulo de extinção pode ser calculado por:
• Esta equação é de difícil solução algébrica, mas pode ser
facilmente resolvida por métodos numéricos ou pelo ábaco de 
Pushlowski.
15setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Onde E é a tensão da fonte regenerativa, Vp o valor máximo
da tensão CA, 𝛽 o ângulo de extinção e 𝛼 o ângulo de disparo.
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
RETIFICADOR CONTROLADO BIFÁSICO:
• Retificador bifásico controlado:
 SEQUÊNCIA DE DISPARO:
• Semiciclo positivo  𝐷1 → 𝛼
• Semiciclo negativo  𝐷2 → 𝜋 + 𝛼
16setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
RETIFICADOR CONTROLADO BIFÁSICO:
Retificador bifásico controlado:
• Corrente de carga 
nula durante parte 
do ciclo de operação.
• L pequeno.
• 𝛽 < 𝜋 + 𝛼
 Tensão e corrente médias:
 Regime de condução DESCONTÍNUO:
17setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
RETIFICADOR CONTROLADO BIFÁSICO:
Retificador bifásico controlado:
• Há circulação de corrente 
na carga durante todo ciclo 
de operação. 
• L grande
• 𝛽 > 𝜋 + 𝛼
 Tensão e corrente médias:
 Regime de condução CONTÍNUO:
18setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
RETIFICADOR TRIFÁSICO DE MEIA ONDA :
• Retificador trifásico de meia onda:
• Também conhecido como retificador de 3 pulsos, uma vez que
produz uma pulsação da entrada DC igual a 3 vezes a 
frequência de entrada.
Retificador trifásico de meia onda
controlado.
19setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Retificador trifásico de meia onda
não controlado.
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
RETIFICADOR CONTROLADO TRIFÁSICO:
• Retificador trifásico controlado:
• 𝛼 determinado a partir do cruzamento das tensões de 
fase (30∘).
• Com referência em 0∘ → 𝛼′ = 𝛼 + 30∘.
• Ângulo de disparo 𝜶:
20setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
RETIFICADOR CONTROLADO TRIFÁSICO:
• Retificador trifásico controlado:
• Não há circulação de 
corrente na carga durante 
parte do ciclo de operação. 
• L pequeno.
• 𝛽 < 𝛼′ + 120∘
• Tensão e corrente médias:
• Regime de condução DESCONTÍNUO (𝜷 < 𝒂′ + 𝟏𝟐𝟎∘):
21setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
𝑉 = 𝐸 +
3𝑉𝑝
2𝜋
cos 𝛼′ − cos 𝛽 +
𝐸
𝑉𝑝
𝛼′ − 𝛽
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
RETIFICADOR CONTROLADO TRIFÁSICO :
• Retificador trifásico controlado:
• Há circulação de corrente 
na carga durante todo ciclo 
de operação. 
• L grande
• 𝜷 > 𝜶′ + 𝟏𝟐𝟎∘
• Tensão e corrente médias:
• Regime de condução CONTÍNUO:
22setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ½ ONDA
RETIFICADOR CONTROLADO TRIFÁSICO :
• Carga indutiva RL e diodo de retorno:
• Quando a tensão de saída 
tendea se tornar negativa o 
diodo de retorno conduz e 
impede que a tensão fique 
negativa.
23setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
RETIFICADORES 
DE ONDA COMPLETA
24setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA
• Correspondem a 2 retificadores de ½ onda associados em 
série, formando uma ponte (ponte de Graetz).
• Um leva a corrente até a carga e o outro promove o retorno.
• Vantagens:
• Elimina a necessidade do neutro na alimentação CA.
• Corrente média nula do lado CA.
• Classificação quanto ao modo de controle:
setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
R
E
T
IF
IC
A
D
O
R
E
S
 
D
E
 O
N
D
A
 C
O
M
P
L
E
T
A
NÃO CONTROLADOS Somente diodos
CONTROLADOS
TOTALMENTE 
CONTROLADOS
Somente tiristores
SEMICONTROLADOS
Misto de diodo e 
tiristores
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA
RETIFICADOR MONOFÁSICO TOTALMENTE CONTROLADO:
• Regime de condução descontínuo (𝜷 < 𝝅 + 𝜶):
• Semiciclo positivo:
• T1/T3  𝛼
• Semiciclo negativo:
• T2/T4  𝛼+π
• Tensão e corrente médias:• Sequência de disparo:
26setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA
RETIFICADOR MONOFÁSICO TOTALMENTE CONTROLADO:
• Regime de condução contínuo (𝜷 > 𝝅 + 𝜶):
• Há circulação de corrente 
na carga durante todo ciclo 
de operação. 
• L grande
• 𝛽 > 180∘ + 𝛼
• Tensão e corrente médias:
• Regime de condução CONTÍNUO:
27setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA
RETIFICADOR MONOFÁSICO SEMICONTROLADO:
• Retificadores semicontrolados são compostos por associação 
de chaves não controladas (diodos) e controladas (em geral 
SCR/tiristor).
• São classificados em 2 tipos:
1. Ponte simétrica:
• Os SCRs são ligados em anodo
comum (ou cadoto comum) 
entre si.
• O mesmo ocorre com os diodos.
28setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
2. Ponte assimétrica:
Cada SCR é ligado em catodo comum
(ou anodo comum) com um diodo.
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA
RETIFICADOR MONOFÁSICO SEMICONTROLADO:
• PONTE SIMÉTRICA:
• Os ângulos de condução 
dos SCRs e dos diodos 
possuem o mesmo valor 
(180∘ em regime contínuo)
29setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
• Devido a roda livre, a tensão 
não fica negativa e seu valor 
médio (em regime contínuo) é:
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA
RETIFICADOR MONOFÁSICO SEMICONTROLADO:
• PONTE SIMÉTRICA EFEITO MEIA ONDA:
• Efeito meia-onda: Quando há energia suficiente armazenada no 
indutor para manter a condução por mais de ½ ciclo, o circuito 
fica preso em roda livre. 
30setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA
RETIFICADOR MONOFÁSICO SEMICONTROLADO:
• PONTE ASSIMÉTRICA:
 Ângulos de condução:
 Diodos 𝜋 + 𝛼
 Tiristores 𝜋 − 𝛼
31setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
 Elimina o efeito ½ onda, uma vez que a 
roda livre é executada exclusivamente 
pelos diodos, permitindo o bloqueio dos 
tiristores.
 O sinal de comando de T1 deve ser isolado 
do sinal de comando de T2, uma vez que 
não há um terminal comum entre eles.
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA
FAIXAS DE OPERAÇÃO:
• Conversores podem ser classificados quanto à sua faixa (ou
quadrantes) de operação como se segue:
32setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
1º QUADRANTE2º QUADRANTE
3º QUADRANTE 4º QUADRANTE
SEM CONTROLE
CONTROLADO: 𝟎 ≤ 𝜶 ≤ 𝟗𝟎∘
SEMI-CONTROLADO: 𝟎 ≤ 𝜶 ≤ 𝟏𝟖𝟎∘
CONTROLADO DUAL: 𝟗𝟎∘ ≤ 𝜶 ≤ 𝟏𝟖𝟎∘
CONTROLADO DUAL: 𝟎∘ ≤ 𝜶 ≤ 𝟗𝟎∘ CONTROLADO: 𝟗𝟎∘ ≤ 𝜶 ≤ 𝟏𝟖𝟎∘
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA
CONVERSORES DUAIS:
• CONVERSOES DUAIS:
 O conversor dual pode operar 
como um retificador ou inversor 
com fluxo de corrente em ambas 
direções.
33setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
 É construído conectando-se dois 
conversores de onda completa 
em contraposição.
 Este conversor opera nos 4 
quadrantes.
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA
RETIFICADOR TRIFÁSICO TOTALMENTE CONTROLADO:
• Seqüência de disparo: os 
tiristores devem ser 
disparados em pares, na 
seguinte seqüência:
T1-T2  T2-T3  T3-T4 
T4-T5  T5-T6 T6-T1 
…
• Cada tiristor conduz por 
120∘;
• Para assegurar uma 
operação correta do 
retificador, cada tiristor
deve receber 2 pulsos 
sucessivos num intervalo 
de 60∘ .
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA
RETIFICADOR TRIFÁSICO TOTALMENTE CONTROLADO:
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA
RETIFICADOR TRIFÁSICO CONTROLADO (6 PULSOS):
• SEQUÊNCIA DE ACIONAMENTO DOS SCRs
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA
RETIFICADOR TRIFÁSICO TOTALMENTE CONTROLADO:
• Tensão média na carga:
• Regime de condução descontínuo (𝛽 < 𝛼′′ + 60∘):
• Regime de condução contínuo (𝛽 > 𝛼′′ + 60∘): 
𝑉 =
3
𝜋
𝑈𝑝(cos 𝛼
′′ + cos 𝛽 +
𝐸
𝑈𝑝
𝛼′′ − 𝛽 + 𝐸)
Obs.: 𝛼 ′′ = 𝛼 + 60∘
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA
RETIFICADOR TRIFÁSICO SEMICONTROLADO:
• Ângulo de disparo < 60o:
• não há etapa de roda livre, uma vez que 
o diodo da fase correspondente entra 
espontaneamente em condução no 
cruzamento das tensões.
Obs.: 𝛼 ′′ = 𝛼 + 60∘
• Condução descontínua:
(𝜷 > 𝜶′′ + 𝝅/𝟑):
• Condução contínua
(𝜷 < 𝜶′′ + 𝝅/𝟑):
• Ângulo de disparo > 60o:
• Ocorre a etapa de roda livre, e o diodo conduz juntamente com o tiristor
do mesmo braço.
• TENSÃO MÉDIA:
𝑉 =
3𝑈
2𝜋
(cos 𝛼 ′′ + 1 +
𝐸
𝑈
𝛼′′ − 𝛽 ) + 𝐸
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA
RETIFICADOR TRIFÁSICO SEMICONTROLADO:
• Funcionamento:
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA
RETIFICADOR TRIFÁSICO 12 PULSOS:
• Obtido com duas pontes de 6 pulsos em série ou paralelo
• Em geral usa-se transformadores com um deslocamento de 
fase de 30o entre as 2 tensões dos enrolamentos secondários
em Y e Δ.
• A saída resultante é a soma das tensões de saída de cada
conversor.
• A tensão resultante é uma saída de 12 pulsos
• Reduz consideravelmente a ondulação na saída.
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES DE ONDA COMPLETA
RETIFICADOR TRIFÁSICO 12 PULSOS:
Conexão em 12 pulsos com 2 pontes de 
6 pulsos:
(a) Em série; (b) em paralelo;
(c) formas de onda da tensão de saída
para a ponte ligada em série.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
42setembro de 14 CAT169 – ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
DECAT/EM/UFOPRETIFICADORES
TIPOS DE RETIFICADORES
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES
CONSIDERAÇÕES FINAIS
• COMUTAÇÃO
• Caso ideal: comutação 
instantânea entre chaves (diodos e 
/ ou tiristores).
• Caso real: ambas chaves 
conduzem simultaneamente por 
intervalo de tempo 𝛾 imposto pela 
indutância da rede.
• Durante 𝛾 fonte CA “enxerga” um 
curto-circuito entre duas fases.
• Quanto maior o tempo de 
comutação, menor a tensão média 
aplicada na carga.
DECAT/EM/UFOPRETIFICADORES
CONSIDERAÇÕES FINAIS
• O fato da corrente do lado CA do retificador não ser senoidal implica em
um grande impacto na qualidade de energia.
• Fator de potência:
• Definição: 
𝐹𝑃 =
Potência média na carga
Potência aparente na entrada
 
• Formas de onda senoidais:
𝐹𝑃 = cos 𝜙
• Formas de onda não senoidais:
• Considerando senoidala tensão de entrada:
𝐹𝑃 =
𝑉𝐼1 cos 𝜙1
𝑉𝐼𝑟𝑚𝑠
=
𝐼1
𝐼𝑟𝑚𝑠
cos 𝜙1
• Para o retificadorde onda completa trifásico em regime de condução
contínua:
𝐹𝑃 =
3
𝜋
cos 𝛼
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES
CONSIDERAÇÕES FINAIS
• RETIFICADORES CHAVEADOS
• A ponte retificadora pode ser formada por interruptorescontrolados (transistor, MOSFET, IGBT).
• Neste caso, o comando destes interruptores deve ser 
adequado para absorver da rede uma corrente senoidal. O 
comando por modulação por largura de pulsos (PWM) é a 
melhor opção.
• A ideia básica: comandar os interruptores de modo que a 
corrente média instantânea no lado CA tenha a mesma forma 
da tensão e esteja em fase com a respectiva fase.
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES
CONSIDERAÇÕES FINAIS
• RETIFICADORES CHAVEADOS
• Tipos:
• VFR (voltage-fed rectifier): Lado CC comporta-se como 
fonte de tensão.
• CFR (current-fed rectifier). Lado CC comporta-se como 
fonte de corrente.
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES
CONSIDERAÇÕES FINAIS (INVERSOR NÃO AUTÔNOMO)
• INVERSOR NÃO AUTÔNOMO
• Inversão: fluxo de potência no circuito vai da carga CC para a 
fonte CA de entrada.
• Tal fenômeno pode acontecer em retificadores totalmente 
controlados alimentando cargas regenerativas (com fonte de 
tensão E).
• Exemplos de aplicações:
• Interconexão de sistemas de energia com a rede (sistemas 
fotovoltaicos e eólicos).
• Frenagem dinâmica de motores.
DECAT/EM/UFOP
RETIFICADORES
CONSIDERAÇÕES FINAIS (... INVERSOR NÃO AUTÔNOMO)
• Situações:
• 𝐸 positivo e 0∘ < 𝛼 < 90∘:
• Tensão positiva na carga.
• Conversor opera como retificador.
• 𝐸 negativo e 90∘ < 𝛼 < 180∘:
• Tensão negativa na carga.
• Conversor opera como inversor.