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Cap. 6 - Cicloconversores Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência 99 CAPÍTULO - 6 CICLOCONVERSORES 6.1 - INTRODUÇÃO ? OBJETIVO: CONVERSÃO ESTÁTICA DIRETA CA/CA DE UMA DADA FREQÜÊNCIA PARA OUTRA FREQÜÊNCIA INFERIOR. (NÃO HÁ ESTÁGIO INTERMEDIÁRIO DE CORRENTE CONTÍNUA) ? APLICAÇÕES: A) ACIONAMENTO DE MOTORES CA (SÍNCRONOS e INDUÇÃO) FREQÜÊNCIA FIXA DA REDE ⇒ FREQÜÊNCIA VARIÁVEL (CONTROLE VELOCIDADE MOTOR DE INDUÇÃO OU SÍNCRONO) b) AERONAVES OBTENÇÃO DE FREQÜÊNCIA CONSTANTE A PARTIR DE UM ALTERNADOR DE VELOCIDADE VARIÁVEL (FREQÜÊNCIA VARIÁVEL). 6.2 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ? SEJA A ESTRUTURA DA FIGURA 6.1 (CONVERSOR DUAL 3 PULSOS) ? CONSIDERA-SE CARGA INDUTIVA (CONDUÇÃO CONTÍNUA) 1T 4T 5T2T 3T 6T 1v (ωt) 2v (ωt) 3v (ωt) v P N LiL Fig. 6.1 - Cicloconversor monofásico de 3 pulsos. ? TENSÃO MÉDIA PARA O RETIFICADOR 3 PULSOS: V VLmed o= 1 17, cos α ? FUNÇÃO DE CONTROLE DO CICLOCONVERSOR 3 PULSOS cos ( )α = F t (6.1) ? PORTANTO: V V F tLmed o= 1 17, ( ) (6.2) ? TENSÃO MÉDIA NA CARGA É PROPORCIONAL À FUNÇÃO F(t) Cap. 6 - Cicloconversores Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência 100 ? EXEMPLO DE CONTROLE - FORMAS DE ONDA (FIG. 6.2) (b) (a) T/2 T/2F(t) +1 -1 v1 v2 v3 v1 v2 v3v1 v2 v3 v1 v2 v3 v1 v2 v3v L tω tω α =0 ο α =180 οp p α =0οp α =180 οn α =0 οn α =180 οp Fig. 6.2 - Formas de onda num cicloconversor: (a)Função de controle e (b)Tensão na carga. ? CONCLUSÃO: ESTRUTURA CONVERSOR DUAL ⇒ CICLOCONVERSOR (COM COMANDO ADEQUADO) ? FUNÇÃO: CONVERTER UMA TENSÃO ALTERNADA EM OUTRA COM FREQÜÊNCIA DIFERENTE. ? SEJA F(t) VARIANDO SENOIDALMENTE (Fig. 6.3) (b) (a) T/2 F(t) (c) φ T/2 Corrente no Grupo Positivo Corrente no Grupo Negativo InversãoRetificação v L iL tω tω tω Fig. 6.3 - Formas de onda cicloconversor 3 pulsos monofásico: (a)Função de controle, (b)Tensão na carga e (c)Corrente fundamental na carga. ? φ= ÂNGULO ATRASO DA FUNDAMENTAL DA CORRENTE EM RELAÇÃO À FUNDAMENTAL DA TENSÃO NA CARGA ⇒ CARGA INDUTIVA. Cap. 6 - Cicloconversores Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência 101 ? CICLO DE FUNCIONAMENTO: vL iL Grupo P Grupo N + + Retificador - - + Inversor - - - - Retificador + - - Inversor ? REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA - CICLOCONVERSOR (FIG. 6.4) 6T4 5T T3T1 2T T GRUPO P L/2 v L + Z L/2 GRUPO N - N i L 1v t( )ω 2v t( )ω 3v t( )ω Z N (a) (b) Fig. 6.4 - Cicloconversor monofásico de 3 pulsos, (a)Topologia e (b)Representação. 6.3 - EQUAÇÃO DA TENSÃO DE SAÍDA ⇒ F(t) variando senoidalmente ? α = 0 ⇒ TENSÃO MÉDIA PRODUZIDA POR UM GRUPO (Equação 6.3). V V m mLo o= 2 π πsen (6.3) ? ONDE: Vo - VALOR EFICAZ TENSÃO DE ENTRADA m - NÚMERO DE PULSOS. VLo - TENSÃO MÉDIA MÁXIMA NA CARGA (α = 0). ? α = 0 ⇒ TENSÃO EFICAZ PRODUZIDA POR UM GRUPO (Equação 6.4). V V m mLM o= π πsen (6.4) ? ONDE: 2 2V V m mLM o= π πsen VLM - TENSÃO EFICAZ MÁXIMA NA CARGA (α = 0). ? OBS: (a)SÃO IGNORADAS AS QUEDAS DE TENSÃO INTERNAS. (COMPONENTES E SOBRETUDO AQUELAS DEVIDO À COMUTAÇÃO; (b)ÂNGULO αP NÃO PODE SER NULO NA PRÁTICA (αN = 180o). A COMUTAÇÃO NÃO É INSTANTÂNEA ⇒ ÂNGULO αN DEVE SER SEMPRE INFERIOR A 180O. ? αPmin > 0 ⇒ TENSÃO EFICAZ NA CARGA (POR GRUPO) (Equação 6.5). V V m mLM o min= ⋅ ⋅π π αsen cos (6.5) Cap. 6 - Cicloconversores Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência 102 6.4 - ESTRUTURAS DOS CICLOCONVERSORES ? EM GERAL AS TENSÕES DE ENTRADA SÃO TRIFÁSICAS E BALANCEADAS. ? TENSÕES DE SAÍDA PODEM SER MONOFÁSICAS OU TRIFÁSICAS. ? UM AUMENTO DO NÚMERO DE PULSOS REDUZ O CONTEÚDO HARMÔNICO DAS TENSÕES DE SAÍDA. ? MAIOR NÚMERO DE PULSOS IMPLICA EM MAIOR NÚMERO DE TIRISTORES, O QUE AUMENTA O CUSTO DA MONTAGEM. (a)CICLOCONVERSOR TRIFÁSICO DE 3 PULSOS (FIGURA 6.5). Rede Vo +- + IoTIoSIoVLM - R Io 2 V VLM o=3 32π Circuito A Fig. 6.5 - Cicloconversor de 3 pulsos com ponto médio. (b)CICLOCONVERSOR TRIFÁSICO DE 6 PULSOS (FIGURAS 6.6 e 6.7). (NECESSIDADE DE ISOLAMENTO NA ENTRADA OU NA SAÍDA) Rede Vo +- + - R Io S Io T IoVo=3 3π Io 2 Circuito B VLM VLM Fig. 6.6 - Cicloconversor de 6 pulsos, em ponte, paras cargas isoladas. Cap. 6 - Cicloconversores Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência 103 Vo +- Rede Vo +- Vo +- + I T oI S o - I R o Vo= 3 3π Io 2 Circuito C VLM V LM Fig. 6.7 - Cicloconversor de 6 pulsos, em ponte, paras cargas não isoladas. ? SOLUÇÃO MAIS ECONÔMICA (FIGURA 6.6) ? ENTRADA É COMUM AOS 3 GRUPOS E A SAÍDA É ISOLADA. ? RECOMENDADO PARA A ALIMENTAÇÃO DE MÁQUINAS TRIFÁSICAS DE CORRENTE ALTERNADA (ENROLAMENTOS ESTATÓRICOS ISOLADOS). ? TRANSFORMADOR PODE SER EXCLUÍDO (NECESSÁRIO SOMENTE PARA ADAPTAÇÃO DA TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO. ? CASO EM QUE AS TRÊS FASES DA CARGA NÃO POSSAM SER ISOLADAS ENTRE SI (FIGURA 6.7): ? NECESSÁRIO O EMPREGO DE UM TRANSFORMADOR COM 3 SAÍDAS ISOLADAS. ? CAPACIDADE TOTAL EM VA DO SECUNDÁRIO DEVE SER 22% MAIOR QUE A DO PRIMÁRIO. ? RELAÇÕES QUANTITATIVAS (TABELA 1) ? Dimensionamento dos transformadores. ? Cálculo das correntes, potência ativa e reativa. Tabela 1 - Relações Quantitativas Básicas dos Cicloconversores (*) Circuito r cos φi Ni NP NS A 1,0 0,843 1 32 3, ( )V ILM o 1 32 3, ( )V ILM o 1 32 3, ( )V ILM o 0,1 0,078 1 32 3, ( )V ILM o 1 32 3, ( )V ILM o 1 32 3, ( )V ILM o B 1,0 0,843 1 21 3, ( )V ILM o 1 21 3, ( )V ILM o 1 21 3, ( )V ILM o 0,1 0,078 1 32 3, ( )V ILM o 1 32 3, ( )V ILM o 1 32 3, ( )V ILM o C 1,0 0,843 1 21 3, ( )V ILM o 1 21 3, ( )V ILM o 1 48 3, ( )V ILM o 0,1 0,078 1 32 3, ( )V ILM o 1 32 3, ( )V ILM o 1 48 3, ( )V ILM o (*) cos φi válido para cos φi = 1 Cap. 6 - Cicloconversores Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência 104 ? ONDE: ? r = cos α (IMPÕE A AMPLITUDE DA FUNDAMENTAL DA TENSÃO NA SAÍDA). ? Ni = POTÊNCIA APARENTE TOTAL NA ENTRADA DO CIRCUITO. ? NP = POTÊNCIA APARENTE TOTAL NO PRIMÁRIO DO TRAFO. ? NS = POTÊNCIA APARENTE TOTAL NO SECUNDÁRIO DO TRAFO. ? Io = CORRENTE EFICAZ NA CARGA. ? cos φi = FATOR DE DESLOCAMENTO DA ENTRADA. ? cos φo = FATOR DE DESLOCAMENTO DA CARGA. ? V VLM o= 3 32π (Estrutura A) ? V V LM o= 3 3π (Estruturas B E C) ? Vo = VALOR EFICAZ DA TENSÃO FASE-NEUTRO NO SECUNDÁRIO DO TRAFO. ? VLM = VALOR EFICAZ MÁXIMO DA TENSÃO FASE-NEUTRO NA CARGA. 6.5 - HARMÔNICAS DA TENSÃO DE SAÍDA 6.5.1 - Freqüências das Harmônicas ? CICLOCONVERSORES COM CORRENTE DE CIRCULAÇÃO. a) CONVERSOR DE 3 PULSOS f p f n fH i o= − ±3 2 1 2( ) (6.6) ? Com: n p≤ − +3 2 1 1( ) (6.7) ? Onde: p - NÚMERO INTEIRO DE 1 a ∞. n - NÚMERO INTEIRO DE 0 a ∞ (no Harmônico) fH - FREQÜÊNCIA DAS HARMÔNICAS. fi - FREQÜÊNCIA DE ALIMENTAÇÃO. fo- FREQÜÊNCIA DE SAÍDA DO CICLOCONVERSOR. b) CONVERSOR DE 6 PULSOS f pf n fH i o= ± +6 2 1( ) (6.8) ? Onde: ( ) ( )2 1 6 1n p+ ≤ + (6.9) c) CONVERSOR DE 12 PULSOS f pf n fH i o= ± +12 2 1( ) (6.10) ? Onde: ( ) ( )2 1 12 1n p+ ≤ + (6.11) ? FREQÜÊNCIAS DAS HARMÔNICAS DA TENSÃO DE SAÍDA DEPENDEM: ? NÚMERO DE PULSOS (ESTRUTURA DE BASE) DO CICLOCONVERSOR; ? FREQÜÊNCIA DAS TENSÕES DE ENTRADA, ? FREQÜÊNCIA DAS TENSÕES DE SAÍDA. Cap. 6 - Cicloconversores Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência 105 ? PRESENÇA DE SUBHARMÔNICAS (Equação 6.12 e Figura 6.8) f f p f f n H o i o = − ±3 2 1 2( ) (6.12) ? COM: p = 1 e n = 3 ⇒ ff f f H i o i = ±3 6 (6.13) ? SUBHARMÔNICAS ⇒ 1/3 < fo/fi < 2/3 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00 1 2 3 4 5 3 i 6f f o− 1 2 1 2 2 f f H i f f o i 0,333 Curva Desejada 3 i 6f f o+ SubHar mônicos Fig. 6.8 - Freqüências das harmônicas da tensão de saída, cicloconversor de3 pulsos. ? RESTRIÇÕES: A) CORRENTE DE CIRCULAÇÃO; B) MODULAÇÃO DO ÂNGULO DISPARO (α) DEVE SER COSSENOIDAL, c) CORRENTE NA CARGA DEVE SER EM CONDUÇÃO CONTÍNUA (não deve haver descontinuidade na corrente de carga). 6.5.2 - AMPLITUDES DAS HARMÔNICAS DA TENSÃO DE CARGA ? NÃO DEPENDEM DO FATOR DE POTÊNCIA DA CARGA. ? DEPENDEM DO VALOR DA TENSÃO DE SAÍDA EM RELAÇÃO AO SEU PRÓPRIO VALOR MÁXIMO ⇒ DEPENDEM DE r = cos α (Fator de Modulação). ? AMPLITUDES PREDOMINANTES OCORREM PARA p = 1, (Equações 6.14, 6.15 e 6.16). (a) 3 PULSOS: f f nfH i o= ±3 2 , Para n ≤ 4 (6.14) (b) 6 PULSOS: f f n fH i o= ± +6 2 1( ) , Para n ≤ 3 (6.15) (c) 12 PULSOS: f f n fH i o= ± +12 2 1( ) ,Para n ≤ 6 (6.16) Cap. 6 - Cicloconversores Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência 106 ? AMPLITUDES HARMÔNICAS (TABLEAS 2 e 3) ? VALORES EM (PU) ⇒ V Vbase LM= 2 Tabela 2 - Amplitudes das Harmônicas da Tensão de Carga para os Cicloconversores de 3 Pulsos f f n fH i o= ±3 2 n r 0 1 2 1,0 0,000 0,250 0,125 0,9 0,027 0,279 0,082 0,8 0,097 0,275 0,051 0,7 0,195 0,247 0,030 0,6 0,307 0,205 0,016 0,5 0,422 0,156 0,008 0,4 0,529 0,107 0,003 0,3 0,621 0,063 0,001 0,2 0,691 0,029 0,000 0,1 0,735 0,007 0,000 Tabela 3 - Amplitudes das Harmônicas da Tensão de Carga para os Cicloconversores de 6 Pulsos f f n fH i o= ± +6 2 1( ) n r 0 1 2 3 1,0 0,000 0,000 0,100 0,071 0,9 0,033 0,039 0,115 0,034 0,8 0,062 0,100 0,092 0,015 0,7 0,041 0,134 0,060 0,006 0,6 0,025 0,133 0,033 0,002 0,5 0,105 0,105 0,015 0,001 0,4 0,169 0,068 0,005 0,000 0,3 0,193 0,034 0,001 0,000 0,2 0,166 0,011 0,000 0,000 0,1 0,096 0,001 0,000 0,000 ? PARA: fo = 0 ⇒ Freqüências fundamentais (cicloconversores de 3 e 6 pulsos) são, respectivamente: f fH i= 3 (6.17) f fH i= 6 (6.18) (QUE SÃO AS HARMÔNICAS FUNDAMENTAIS DOS RETIFICADORES SIMPLES). 6.6 - LIMITES DA FREQÜÊNCIA DE SAÍDA ? FREQÜÊNCIAS DAS HARMÔNICAS DAS TENSÕES DE SAÍDA (fH) DEPENDEM DA FREQÜÊNCIA DE SAÍDA fO. ? CERTOS VALORES DE fH DIMINUEM COM O AUMENTO DE fO. (DIFICULDADES DE FILTRAGEM). ? LIMITAÇÃO (CICLOCONVERSORES 3 PULSOS) RECOMENDA-SE: f f o i≤ 3 (6.19) Cap. 6 - Cicloconversores Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência 107 6.7 - CORRENTES DE ENTRADA DOS CICLOCONVERSORES ? COMPONENTES DA CORRENTE EM UMA FASE DO CICLOCONVERSOR: a) Id - COMPONENTE ATIVA, RESPONSÁVEL PELA TRANSFERÊNCIA DE POTÊNCIA DA FONTE PARA A CARGA. b) Iq - COMPONENTE EM QUADRATURA OU REATIVA (DEPENDE DO FATOR DE POTÊNCIA DA CARGA E DE cos α). c) ΣIh - COMPONENTE QUE REÚNE O CONJUNTO DE HARMÔNICAS. ? VALOR EFICAZ DA CORRENTE DE ENTRADA (Equação 6.20) I I I Ief d q h= + +2 2 2Σ (6.20) ? OBS: MESMO COM FATOR DE POTÊNCIA NA CARGA UNITÁRIO ⇒ Iq ≠ 0, ? HARMÔNICAS REDUZEM FATOR DE POTÊNCIA (PORTANTO, FATOR DE POTÊNCIA DA ENTRADA < 1 - SEMPRE) ? FATOR DE DESLOCAMENTO ENTRADA (cos φi) cosφ i d d q I I I = +2 2 (6.21) (DEPENDE DO FATOR DE POTÊNCIA DA CARGA e de r= cos α) ? VALOR EFICAZ DA FUNDAMENTAL DE CORRENTE NA ENTRADA: I I Id q1 2 2= + (6.22) ? PORTANTO: cosφ i dII= 1 (6.23) ? FATOR DE POTÊNCIA APRESENTADO À REDE (Equação 6.24) FP P N o i = (6.24) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 cos φ i cos φ o 0,843 r = 1 0, r = 0 9, r = 0 8, r = 0 7, r = 0 6, r = 0 5, r = 0 4, r = 0 3, r = 0 2, r = 0 1, Fig. 6.9 - Fator de deslocamento entrada em função do fator de deslocamento da carga, tomando r como parâmetro, para todos os cicloconversores estáticos. Cap. 6 - Cicloconversores Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência 108 6.8 - FREQÜÊNCIAS DAS HARMÔNICAS DA CORRENTE DE ENTRADA A) HARMÔNICAS CARACTERÍSTICAS ?(INDEPENDEM DA CONFIGURAÇÃO OU DO NÚMERO DE PULSOS) A.1) PARA SAÍDA MONOFÁSICA f f nfH i o= ± 2 (6.25) A.2) PARA SAÍDA TRIFÁSICA f f n fH i o= ± 2 (6.26) ? Onde: n - 1, 2, 3, 4, ...., ∞ fi - FREQÜÊNCIA DE ENTRADA. fo- FREQÜÊNCIA DE SAÍDA (CARGA). fH - FREQÜÊNCIA DAS HARMÔNICAS NA CARGA. B) HARMÔNICAS DEPENDENTES DA CONFIGURAÇÃO B.1) CICLOCONVERSOR DE 3 PULSOS B.1.1) SAÍDA MONOFÁSICA f p f n fH i o= − ± ± +[ ( ) ] ( )3 2 1 1 2 1 (6.27) f p f n fH i o= ± ±( )6 1 2 (6.28) B.1.2) SAÍDA TRIFÁSICA BALANCEADA f p f n fH i o= − ± ± +[ ( ) ] ( )3 2 1 1 3 2 1 (6.29) f p f n fH i o= ± ±( )6 1 6 (6.30) ? Onde: p - 1, 2, 3, 4, ...., ∞ n - 0, 1, 2, 3, ...., ∞ B.2) CICLOCONVERSOR DE 6 PULSOS B.2.1) SAÍDA MONOFÁSICA f p f n fH i o= ± ±( )6 1 2 (6.31) B.2.2) SAÍDA TRIFÁSICA BALANCEADA f p f n fH i o= ± ±( )6 1 6 (6.32)
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