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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA - RETIFICADORES – MONOFÁSICO CONTROLADO Professor Lucas Tenório de Souza Silva 1 – RETIFICADORES CONTROLADOS 1 – RETIFICADORES CONTROLADOS Retificadores Controlados são circuitos que retificam (convertem) tensão e corrente utilizando o SCR (Retificador Controlado de Silício), com objetivo de obter Tensão Média (CC) controlável, através do disparo do gate (controle de fase). Retificadores Controlados possuem várias aplicações, dentre elas: controle de motores DC, carregadores de bateria e transmissão DC de alta tensão. Aplicações com controle de fase são usadas para frequência abaixo de 400Hz, mas comumente utilizado para 60Hz. 1 – RETIFICADORES CONTROLADOS A principal desvantagem de aplicações com controle de fase é a interferência em radiofrequência (RFI), pois onda semi-senoidal cortada produz harmônicos de peso, interferindo em equipamentos de comunicação (rádio e televisão) Os retificadores controlados podem ser tipo: Completamente Controlado (conversores de dois quadrantes): a Corrente Média (Icc) é unidirecional, mas a tensão Média (Vcc) pode ser positiva (retificador) ou negativa (inversor). Semicontrolado (conversores de um quadrantes): tanto a Corrente Média (Icc) quanto a Tensão Média são unidirecionais, positiva (retificador) 1 – RETIFICADORES CONTROLADOS Nos retificadores controlados em situação de inversão o Fluxo de Potência ocorre da fonte DC para a alimentação AC. Os retificadores controlados podem ser analisados através da tensão média normalizada (Vn), conhecida como característica de controle do retificador (relação entre Vcc()/Vcc(=0)): #OBS: As análises a seguir serão feitas considerando modelo “ideal” do SCR, ou seja VT=0V, devido aos valores de tensão e corrente elevados, e alimentação senoidal. Característica de controle de um RC Meia Onda )0( )( )( )( CCo CCo n V V V 1 – RETIFICADORES CONTROLADOS Antes de iniciar a análise dos retificadores é preciso definir alguns parâmetros Entrada (Vi e Ii): Valor de Pico (Vp e Ip) Valor RMS (Vi-rms e Ii-rms) Potência disponível na Entrada (Si(rms)) Saída (Vo e Io): Valor de Pico na Carga (Vpcarga = Vp) Valor médio (Vo-cc ou Io-cc) Valor RMS da Saída ( Vo-rms e Io-rms) Potencia CC de Saída (Po(cc)) Potencia Aparente de Saída (So(rms)) P. Média de Saída Po(rms) . )()()( CCoCCoCCo IVP Disponível rmsi aC rmsirmsi VIS )( arg )()( )()()( rmsormsormso VIS 1 )()()()()( cos n invnrmsnrmsnccccrmso IVIVP 1 2 )( 2 )( n rmsnccrms VVV 2)(rmsip VV 2 – R. CONTROLADO DE MEIA ONDA 2 – R. CONTROLADO DE MEIA ONDA Este circuito retificador controlado mais simples, mas raramente usado em aplicações. Este consegue aproveitar no máximo um semi-ciclo da tensão de entrada, dependendo do momento de disparo do SCR. A análise pode ser feita também em três situações: Carga Resistiva; Carga Resistiva e Indutiva (RL) Carga Resistiva e Indutiva com diodo de retorno. (RL - FWD) 2 – RETIFICADORES CONTROLADOS 2.1 – R.C de Meia Onda com Carga Resistiva: Funcionamento: É semelhando ao funcionamento do retificador não controlado tipo meia onda, mas difere pois necessita do pulso de disparo para fornecer meio ciclo ou parte deste. Parâmetros e Fórmulas: Ângulo de disparo: Ângulo de Condução:= 180- Máximo ângulo de condução: 180º Tensão de pico de Entrada: Vp Tensão RMS de entrada: Vi(rms) Tensão Média de Saída: Vo(cc) Tensão RMS de Saída: Vo(rms) Corrente Média de Saída: Icc Corrente RMS de Saída: Io(rms) Corrente Média de Entrada: Ii(cc) Corrente RMS de Entrada: Ii(rms) R V I CCo CCo )( )( R V I rmso rmso )( )( RVI PP 2 – RETIFICADORES CONTROLADOS R V I CCCCi )( R V II rmso rmsormsi )( )()( CCCCi II )( )()( rmsormsi II 2 )( p rmsi V V 2 )cos(1 )( PCCo VV 2 )2( 1 2 )( senV V Prmso Corrente Média do SCR:Iscr(cc) Corrente RMS do SCR:Iscr(rms) Tensão de Pico Inversa: PIVmax “Depende do disparo” Potência CC de Saída: Po (cc) Potência Aparente de Saída: So(rms) Circuito Resistivo: So(rms)=Po(rms) Potência disponível na Entrada: Si (rms) Característica de controle: Vn )(max .2 rmsip VVPIV )()()( CCoCCoCCo IVP 2 – RETIFICADORES CONTROLADOS R V II rmso rmsormsSCR )( )()( R V II CCo CCoCCSCR )( )()( )()()( rmsormsormso IVS )()()( rmsirmsirmsi IVS 2 )cos(1 nV )0( )( )( )( CCo CCo n V V V 2 – RETIFICADORES CONTROLADOS 2.2 – R.C de Meia Onda com Carga RL: Funcionamento: Funcionamento similar ao R.N.C. de Meia Onda, mas agora depende do disparo. OBS: Ângulos importantes: Uma vez disparado, a corrente no indutor não cessa quando Vi=0, fazendo o SCR ainda conduzir até o ângulo Betta(): Ângulo de disparo (retardo): Ângulo de Bloqueio (avanço): Ângulo de Condução:= - RL L Tensão de pico de Entrada: Vp Tensão Média de Saída: Vo(cc) Tensão RMS de Saída: O valor de é dado em função de e . A solução analítica é impossível ( segundo IVO Barbi - Eletrônica de Potência, 6ª edição) . Pode ser encontrado com ábaco de Puschlowski. Sendo E uma fonte contínua anexada a carga. 2 – RETIFICADORES CONTROLADOS )(2 rmsip VV 2 )cos()cos( )( PCCo VV 2 )2()2( 2 )( sensenV V Prmso PV E a Sendo E uma fonte contínua anexada a carga. PV E a R L arctg Corrente Média de Saída e Entrada: Io(cc)= Ii(cc) Obtida pela equação matemática: Obtida de forma gráfica: 2 – RETIFICADORES CONTROLADOS R L arctg R V I CCo CCo )( )( )cos()cos( mdI md p CCo I R V I 2)( Corrente RMS de Saída e Entrada: Io(rms)= Ii(rms) Obtê-la pela equação diferencial é bem complicada, assim o uso do gráfico abaixo facilita e entrega um valor aproximado: 2 – RETIFICADORES CONTROLADOS ef p rmso I Z V I )( R L arctg 22 XRZ Tensão de Pico Inversa: PIV Depende do disparo. Potência DC de Saída: Po (cc) Potência Aparente de Saída: So(rms) Potência disponível na Entrada: Característica de controle: Vn )(.2 rmsip VVPIV )()()( CCoCCoCCo IVP 2 – RETIFICADORES NÃO CONTROLADOS )()()( rmsormsormso IVS )()()( rmsirmsirmsi IVS )cos(1 )cos()cos( nV 2 )cos()cos( )( PCCo VV 2 )2()2( 1 2 )( sensenV V Prmso )0( )( )( )( CCo CCo n V V V 2 – RETIFICADORES CONTROLADOS 2.3 – R.C.M.O. com Carga RL e Diodo de retorno: Funcionamento: Funcionamento similar ao R.N.C. de Meia Onda, mas agora depende do disparo. OBS: Ângulosimportantes: Uma vez disparado, a corrente no indutor não cessa quando Vi=0, e para SCR bloquear, o diodo de retorno conduz até o ângulo Betta(): Ângulo de disparo (retardo): Ângulo de Bloqueio (avanço): Ângulo de Condução:= - RL L Considerando que o valor de Indutância é grande suficiente para que Io seja constante, então; Tensão RMS de entrada: Vi(rms) Tensão Média de Saída: Vo(cc) Tensão RMS de Saída: Vo(rms) Corrente Média de Saída: Io(cc) Corrente RMS de Saída é igual a corrente média, porque esta é constante: Io(rms) Corrente Média de Entrada: Ii(cc) Corrente do SCR Corrente RMS de Entrada: Ii(rms) R V I CCo CCo )( )( )()( CCormso II 2 – RETIFICADORES CONTROLADOS 2 )( CCCCi I I 2 )( CCrmsi II2)( prmsi VV 2 )cos(1 )( PCCo VV 2 )2( 1 2 )( senV V Prmso Corrente Média do SCR:ID(cc) Corrente RMS do SCR:ID(rms) Tensão de Pico Inversa: PIV PIV<VRRM Potência DC de Saída: Po (CC) Potência média Po=Po(cc) Potência Aparente de Saída: So(rms) Potência disponível na Entrada O que é disponível: Característica de controle: Vn pVPIV )()()( CCoCCoCCo IVP 2 – RETIFICADORES CONTROLADOS 2 )()( CCormsSCR II 2 )( )( CCo CCSCR I I )()()( rmsormsormso IVS )()()( rmsirmsirmsi IVS 2 )0cos(1 2 )cos(1 )( )( P P MAXCCo CCo n V V V V V 2 )cos(1 nV 2 )()( CCormsi II 2 – RETIFICADORES NÃO CONTROLADOS Exemplo de RNC - Meia Onda com Carga R: Retificador ligado a fonte de 120V(RMS) e Carga R igual a R= 10. Qual deve ser o ângulo de disparo para o resistor dissipar 150W de potência. Tensão de pico de entrada: Vp Potência dissipada no Resistor é dada pela Potência Média Po(rms) que é igual a potência aparente So(rms). Pode ser calculada pelas formulas: Assim, é possível encontrar o ângulo de disparo resolvendo: VVp 71,1692120 2)(rmsip VV 2 )2( 1 2 )( senV V Prmso )()()( rmsormsormso IVP R V I rmso rmso )( )( R V P rmso rmso 2 )( )( 2 )()( rmsormso VRP 2 )2( 1 4 2 )( senV RP p rmso 2 )2( 1 4 2 )( sen V RP p rmso 1 71,169 101504 22)2( 2 sen 974,42)2( sen 52,118068,2 ourad Com o ângulo de disparo de 118,52°, o circuito apresentará: Tensão Média de Saída: Vo(cc) Tensão RMS de Saída: Vo(rms) Corrente Média de Saída: Io(cc) Corrente RMS de Saída: Io(rms) Potencias DC e Médias da saída: 10 11,14 )( CCoI2 – RETIFICADORES CONTROLADOS 2 )52,118cos(1 71,169)(CCoV 2 )068,22(068,2 1 2 71,169 )( sen V rmso VV CCo 11,14)( VV rmso 73,38)( AI CCo 411,1)( 10 73,38 )( rmsoI AI CCo 873,3)( 873,373,38)( rmsoP 411,111,14)( CCoP WP CCo 91,19)( WP rmso 00,150)( 3 – R. C. DE ONDA COMPLETA 3 – R. C. DE ONDA COMPLETA São retificadores dispõem para a carga no máximo dois semi-ciclo, podendo variar a potência de saída de acordo o ângulo de disparo A análise também pode ser feita para três situações: Carga Resistiva; Carga Resistiva e Indutiva (RL) Carga Resistiva e Indutiva com diodo de retorno. (RL - FWD) 3 – RETIFICADORES CONTROLADOS 3.1 – R.C.O.C. com derivação e Carga Resistiva: Funcionamento: Sem disparo, SCR sempre bloqueado: SCR(Vac1=Vac2=Vi e Ia=0A) Io=0A; Vo=0V; Ângulos: Ângulo de disparo: Ângulo de Condução: O PIV depende do disparo Considerando que o disparo sempre ocorrerá em , para SCR1, e +, para SCR2, então: Tensão de pico de Entrada: Vp Tensão Média de Saída: Vo(cc) Tensão RMS de Saída: Vo(rms) Corrente Média de Saída: Io(cc) Corrente RMS de Saída: Io(rms) Corrente Média de Entrada: Ii(cc) Metade do Transformador Corrente RMS de Entrada: Ii(rms) Metade do Transformador R V I CCo CCo )( )( R V I rmso rmso )( )( RVI PP 3 – RETIFICADORES CONTROLADOS R V I CCCCi 2 )( 2 )( )( R V I rmso rmsi 2)( prmsi VV )cos(1 )( PCCo VV 2 )2( 1 2 )( senV V Prmso Corrente Média do SCR:Iscr(cc) Corrente RMS do SCR:Iscr(rms) Tensão de Pico Inversa: PIV PIV<VRRM Potência DC de Saída: Po (cc) Potência Aparente de Saída: So(rms) So(rms)=Potência Média Potência disponível na Entrada: Trafo = Duas fontes Característica de controle: Vn )_(2 disparocomVPIV p )()()( CCoCCoCCo IVP 3 – RETIFICADORES CONTROLADOS 2 )( )()( R V II rmso rmsirmsSCR R V II CCo CCiCCSCR 2 )( )()( )()()( rmsormsormso IVS )()()( 2 rmsirmsirmsi IVS )cos(1 )( PCCo VV 2 )cos(1 nV 3 – RETIFICADORES CONTROLADOS 3.2 – R.C.O.C. com derivação e Carga RL: Funcionamento: O funcionamento é similar ao retificador de R.C.O.C. com derivação e carga resistiva, mas por conta das características do Indutor, a corrente tende a fluir impedindo o bloqueio do SRC em condução. O SCR em condução só bloqueará, se: A corrente sessar, ou Se o SCR bloqueado iniciar a condução Ângulos: Ângulo de disparo (retardo): Ângulo de Bloqueio (avanço): Ângulo de Condução:= - O PIV depende do disparo Considerando que o disparo sempre ocorrerá em , para SCR1, e +, para SCR2, fazendo com que cada SCR conduza por 180°, e a corrente Io flui praticamente continua, assim: Tensão de pico de Entrada: Vp Tensão Média de Saída: Vo(cc) Vcc pode ser positiva ou negativa Tensão RMS de Saída: Vo(rms) Corrente Média de Saída: Icc Corrente RMS de Saída: Io(rms) R V I CCo CCo )( )( )()( CCormso II 3 – RETIFICADORES CONTROLADOS 2 )( p rmsi V V )cos( 2 )( PCCo VV )()( 2 rmsi P rmso V V V Analisando o circuito R.C.O.C. com derivação e carga Indutiva suficiente para a corrente Icc ser constante, para os ângulos de 0°, 45°, 90°, 135° e 180°, e levando em consideração que o disparo sempre ocorrerá em , para SCR1, e +, para SCR2, fazendo com que cada SCR conduza por 180°, observa- se o seguinte detalhe: A Característica de Controle do Retificador (Vn) indica que o retificador opera em duas situações, a depender do disparo: Retificação Inversão. 3 – RETIFICADORES CONTROLADOS )cos(nV)cos(2)( PCCo VV Observe as Curvas: 3 – RETIFICADORES CONTROLADOS Disparo em =0° Disparo em =45° Disparo em =90° Disparo em =135° Pode-se evitar a inversão da tensão Vcc colocando um diodo de retorno antiparalelo com a carga. Ao colocar o diodo de retorno,as características do circuito passam a ser iguais a de um R.C.O.C. com derivação e carga Resistiva: Tensão Média de Saída: Vo(cc) Tensão RMS de Saída: Vo(rms) Corrente Média de Saída: Icc Corrente RMS de Saída: Io(rms) Corrente Média do SCR: Corrente Média do Diodo: 3 – RETIFICADORES CONTROLADOS )cos(1 )( PCCo VV 2 )2( 1 2 )( senV V Prmso R V I CCo CCo )( )( )()( CCormso II )( )( CCo CCD I I 2 )()( )( CCo CCSCR I I 3 – RETIFICADORES CONTROLADOS 3.3 – R.C.O.C. Ponte de Diodo Carga Resistiva: Funcionamento: Este retificador funciona similar ao retificador não controlado, mas é necessário disparar dois a dois SCRs (em diagonal) para que haja corrente passando pela carga: Ângulos: Ângulo de disparo: Ângulo de Condução: O PIV depende do disparo Considerando que o disparo sempre ocorrerá em , para um Par de SCR, e +, para o outro, então: Tensão de pico de Entrada: Vp Tensão Média de Saída: Vo(cc) Tensão RMS de Saída: Vo(rms) Corrente Média de Saída: Icc Corrente RMS de Saída: Io(rms) Corrente Média de Entrada: Ii(cc) Corrente RMS de Entrada: Ii(rms) R V I CCo CCo )( )( R V I rmso rmso )( )( RVI PP 3 – RETIFICADORES CONTROLADOS R V I CCCCi )( R V II rmso rmsormsi )( )()( CCCCi II )( )()( rmsormsi II 2 )( p rmsi V V )cos(1 )( PCCo VV 2 )2( 1 2 )( senV V Prmso Corrente Média do SCR:Iscr(cc) Corrente RMS do SCR:Iscr(rms) Tensão de Pico Inversa: PIV PIV<VRRM Potência DC de Saída: Po (cc) Potência Aparente de Saída: So(rms) So(rms)=potência média Potência disponível na Entrada: Característica de controle: Vn )_( disparocomVPIV p )()()( CCoCCoCCo IVP 3 – RETIFICADORES CONTROLADOS 2 )( )( R V I rmso rmsSCR R V I CCo CCSCR 2 )( )( )()()( rmsormsormso IVS )()()( rmsirmsirmsi IVS )cos(1 )( PCCo VV 2 )cos(1 nV 3 – RETIFICADORES CONTROLADOS 3.4 – R.C.O.C. Ponte de SRC e Carga R e L: Funcionamento: Este retificador funciona similar ao retificador não controlado, mas é necessário disparar dois a dois SCRs (em diagonal) para que haja corrente passando pela carga; Por conta das características do Indutor, a corrente tende a fluir impedindo o bloqueio do SRC em condução. Os SCRs em condução só bloquearão, se: A corrente sessar, ou Se o SCR bloqueado iniciar a condução Ângulos: Ângulo de disparo (retardo): Ângulo de Bloqueio (avanço): Ângulo de Condução:= - 3 – RETIFICADORES CONTROLADOS Considerando que o disparo sempre ocorrerá em , para um Par de SCRs, e +, para o outro par, fazendo assim com que cada SCR conduza por 180°, e possuindo uma carga Indutiva grande suficiente para a corrente Io flui praticamente continua, então: Tensão de pico de Entrada: Vp Tensão Média de Saída: Vo(cc) Vcc pode ser positiva ou negativa Tensão RMS de Saída: Vo(rms) Corrente Média de Saída: Icc Corrente RMS de Saída: Io(rms) R V I CCo CCo )( )( )()( CCormso II 2 )( p rmsi V V )cos( 2 )( PCCo VV )()( 2 rmsi P rmso V V V Assim como feito para o retificador com derivação, analisando o circuito R.C.O.C. tipo Ponte de SCRs e carga Indutiva suficiente para a corrente Icc ser constante, para os ângulos de 0°, 45°, 90°, 135° e 180°, e levando em consideração que o disparo sempre ocorrerá em , para um Par de SCR, e +, para o outro, fazendo assim com que cada SCR conduza por 180°, observa-se o seguinte detalhe: A Característica de Controle do Retificador (Vn) indica que o retificador opera em duas situações, a depender do disparo: Retificação Inversão. 3 – RETIFICADORES CONTROLADOS )cos( 2 )( PCCo VV )cos(nV 3 – RETIFICADORES CONTROLADOS O situação de Inversão de Vcc pode ser evitada colocando um diodo de retorno antiparalelo com a carga. Ao colocar o diodo de retorno, as características do circuito passam a ser similares a de um R.C.O.C. tipo Ponte de Diodo e carga Resistiva: Tensão Média de Saída: Vo(cc) Tensão RMS de Saída: Vo(rms) Corrente Média de Saída: Icc Corrente RMS de Saída: Io(rms) Corrente do diodo de retorno: )cos(1 )( PCCo VV 2 )2( 1 2 )( senV V Prmso R V I CCo CCo )( )( )()( CCormso II )( )( CCo CCo I I 4 – R. SEMICONTROLADOS EM PONTE 4 – R. Semicontrolados em Ponte Retificadores Semicontrolados em Ponte são retificadores constituídos por diodos e SCRs, com objetivo de funcionar apenas como retificadores, evitando a situação de inversão de Vcc. São denominados de semicontrolados ou de um quadrante. O funcionamento do R.Sem. em Ponte é igual ao R.O.C.C. tipo Ponte de Diodo com carga Resistiva. Mas sempre que houver corrente na carga, será por conta de condução do par SCR+Diodo, dependendo ainda do disparo do SCR. 4 – R. SEMICONTROLADO EM PONTE Funcionamento: Funciona similar ao R.O.C. Controlado com carga R e L e diodo de retorno. Por conta das características do Indutor, a corrente tende a fluir impedindo o bloqueio do SRC em condução. A inversão de Vi favorece a condução do diodo que antes não conduzia. O SCR em condução só bloqueará, se: A corrente sessar, ou Se o SCR bloqueado iniciar a condução )cos(1 )( PCCo VV 2 )2( 1 2 )( senV V Prmso R V I CCo CCo )( )( )()( CCormso II 4 – R. SEMICONTROLADO EM PONTE Funcionamento com diodo de retorno: Por conta do diodo de retorno, o SCR bloqueia com a inversão da tensão )cos(1 )( PCCo VV 2 )2( 1 2 )( senV V Prmso R V I CCo CCo )( )( )()( CCormso II 4 – R. SEMICONTROLADO EM PONTE Configurações alternativas: Conversor dual: Alimenta a carga com tensão positiva ou negativa (retificação ou inversão) e com corrente em ambos sentidos: 3 – EXERCÍCIOS AHMED, Ahsfaq. Eletrônica De Potência. Pearson Education do Brasil Ltda, 2002. Capitulo 6: Estão aptos a fazer todos exercícios
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