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CONVERSORES DUAIS ENG.º EDERSON ZANCHET CONVERSORES DUAIS - CONCEITO Trata-se de uma estrutura composta por dois conversores de dois quadrantes, associados afim de permitir operação em quatro quadrantes. Operação na carga com tensão positiva e negativa. O principal emprego é no controle de posição de servomotores de corrente contínua. Sobretudo em controle numérico de máquinas operatrizes (Aceleração e frenagem com controle de sentido de giro). 3CONVERSORES DUAIS - CONCEITO Figura 5.1. Exemplo de aplicações dos conversores duais Fonte: [8] 4OPERAÇÃO 1º E 4º QUADRANTE. Circuito de retificador controlado e circuito equivalente para operação no primeiro e quarto quadrante, operação com corrente positiva e tensão positiva ou negativa. Figura 5.2. Arranjo do conversor dual para operação no 1° e 4° Quadrante Fonte: [8] 5 Figura 5.3. Característica de comando do conversor dual para operação no 1° e 4° Quadrante Fonte: [8] OPERAÇÃO 1º E 4º QUADRANTE. 6OPERAÇÃO 2º E 3º QUADRANTE Circuito de retificador controlado e circuito equivalente para operação no segundo e terceiro quadrante, operação com corrente negativa e tensão positiva ou negativa. Figura 5.4. Arranjo do conversor dual para operação no 2° e 3° Quadrante Fonte: [8] 7OPERAÇÃO 2º E 3º QUADRANTE Figura 5.5. Característica de comando do conversor dual para operação no 2° e 3° Quadrante Fonte: [8] 8CONVERSORES DUAIS Conversor dual trata-se de dois conversores de 1º e 4º Quadrantes e 2º e 3º Quadrantes associados de forma a permitir operação nos 4 quadrantes. Permitindo controle de corrente/tensão tanto positivo quanto negativo. Figura 5.6. Arranjo para conversor dual de 3 pulsos Fonte: [8] 9CIRCUITO EQUIVALENTE Figura 5.7. Circuito equivalente para conversor dual de 3 pulsos Fonte: [8] 10REGIÃO DE OPERAÇÃO Com esse arranjo o conversor opera nos quatro quadrantes. Figura 5.8. Região de operação para conversor dual Fonte: [8] 11CONVERSORES DUAIS Os níveis de tensão de VP e VN devem ser iguais para o correto funcionamento do conversor, assim temos que a soma dos ângulos será igual a 180º. Figura 5.9. Característica de comando do conversor dual Fonte: [8] 12PROBLEMA DE CIRCULAÇÃO DE CORRENTE O conversor dual apresenta valores médios de tensão iguais para ambos os conversores, porém os valores instantâneos de tensão são diferentes. Como os valores de tensão instantâneos são diferentes surgem harmônicas que geram correntes que podem levar a queima dos componentes. Figura 5.10. Conversor dual com reatores de circulação Fonte: [8] 13Funcionamento com circulação de corrente A tensão de saída do conversor será dada pela relação das tensões Vp e Vn; a. Conversor P ativo e N passivo tem-se 0º < 90º b. Conversor P passivo e N passivo tem-se =90º c. Conversor P passivo e N ativo tem-se 90º < 180º 14Funcionamento com circulação de Corrente Figura 5.11. Funcionamento sem carga p=90º e n=90º Fonte: [8] 15Funcionamento com circulação de Corrente Figura 5.12. Funcionamento sem carga p=90º e n=90º Fonte: [8] 16Funcionamento com circulação de Corrente Figura 5.13. Funcionamento sem carga p=90º e n=90º Fonte: [8] 17Funcionamento com corrente de circulação Quando a corrente de Carga Nula, ou seja IL= 0, a corrente de Circulação é em um único sentido, dessa forma pode-se expressar como: Ic Ic 𝐼𝑝 = 𝐼𝑛 = 𝐼𝑐 ≠ 0 Figura 5.14. Funcionamento com corrente de carga nula Fonte: [8] 18Funcionamento com corrente de circulação Quando a corrente de Carga Positiva, ou seja IL> 0 a corrente de Circulação é em um único sentido, dessa forma pode-se expressar como: Ic Ic IL IL 𝐼𝑝 = 𝐼𝐿 + 𝐼𝑐 ⋯𝐼𝑐 = 𝐼𝑛 Figura 5.15. Funcionamento com corrente de carga >0 Fonte: [8] 19Funcionamento com corrente de circulação Quando a corrente de Carga Negativa, ou seja IL< 0 a Corrente de Circulação é em um único sentido, dessa forma pode-se expressar como: Ic Ic IL IL 𝐼𝑛 = 𝐼𝐿 + 𝐼𝑐 ⋯𝐼𝑐 = 𝐼𝑝 Figura 5.16. Funcionamento com corrente de carga < 0 Fonte: [8] 20Cálculo da Corrente de Circulação Para ângulos 0 < αp < π/3. A corrente no reator de circulação e descontinua. Figura 5.17. Formas de onda para αp = 30° Fonte: [8] 21Cálculo da Corrente de Circulação Para ângulos 0 < αp < π/3. A corrente no reator de circulação e descontinua. Figura 5.18. Formas de onda para αp = 30° para corrente Ic Fonte: [8] Cálculo da Corrente de Circulação Para ângulos 0 < αp < π/3. A equação é da corrente de circulação é definida por: 22 Fonte: [8] 23Cálculo da Corrente de Circulação Para ângulos π/3 < αp < π/2. A corrente no reator de circulação e continua. 23 Figura 5.19. Formas de onda para αp = 75° referentes as tensões VP e VN Fonte: [8] 24Cálculo da Corrente de Circulação Para ângulos π/3 < αp < π/2. A corrente no reator de circulação e continua. Figura 5.20. Formas de onda para αp = 75° referentes as tensões VL e IC Fonte: [8] 25Cálculo da Corrente de Circulação Para ângulos π/3 < αp < π/2. A equação é da corrente de circulação é definida por: Os valores máximos são obtidos para α=60° e α=120°, confome curva do comportamento da corrente IC, dessa forma pode-se expressar: Fonte: [8] Figura 8.20. Resposta da corrente de circulação pelo ângulo de disparo α Fonte: [8] HARMONICAS DA TENSAO DE CARGA A tensão que o conversor dual aplica a carga, quando ha circulação de corrente, e gerada pelas tensões produzidas pelos grupos positivo e negativo. Por isto a sua forma e diferente daquela tensão produzida por um único grupo em funcionamento. Como consequência disso, o conteúdo harmônico da tensão de carga e diferente do conteudo harmônico da tensao de um conversor simples. 28HARMONICAS DA TENSAO DE CARGA Demonstra-se que o valor de pico da harmônica de ordem n, Vn, da tensao de carga e dado pela expressao: Onde: V0 = valor eficaz da tensão de fase. n = numero de pulsos de um dos grupos. 29HARMONICAS DA TENSAO DE CARGA As harmonicas de ordem 3 e 6 estao representadas na Figura. 5.22 para um conversor dual de 3 pulsos. Figura 5.22. Harmônicas de tensão de saída no conversor dual de 3 pulsos Fonte: [8] 30CONVERSORES DUAIS: ESTRUTURAS Figura 5.23. Conversor dual monofásico de ponto médio Fonte: [8] 31CONVERSORES DUAIS: ESTRUTURAS Figura 5.24. Conversor dual monofásico de em ponte Fonte: [8] 32CONVERSORES DUAIS: ESTRUTURAS Figura 5.25. Conversor dual trifásico de ponto médio (3 Pulsos) Fonte: [8] 33CONVERSORES DUAIS: ESTRUTURAS Figura 5.26. Conversor dual trifásico em ponte (6 Pulsos) Fonte: [8] 34OPERAÇÃO: COM & SEM CIRCULAÇÃO DE CORRENTE COM CORRENTE: Passagem de um quadrante para outro ocorre suave e automaticamente (sem necessidadede circuitos de comando para transferência); Bom comportamento dinâmico (facilita projeto reguladores); Desvantagem: Presença do reator (volume e peso) SEM CORRENTE: Elimina-se a corrente de circulação suprimindo-se os pulsos do grupo “vazio” (Apenas recebe pulsos o grupo destinado a conduzir a corrente de carga e somente um se mantém ativado) Desvantagem: Circuitos de comando complexos(diminui o desempenho do sistema do ponto de vista de controle) OPERAÇÃO: COM & SEM CIRCULAÇÃO DE CORRENTE a. Com o emprego de um comando adequado dos tiristores que compõem o conversor dual, é possível eliminar a corrente de circulação e os reatores. b. Há sempre um grupo que conduz a corrente de carga, enquanto o outro grupo mantem-se "vazio". c. Para eliminar a corrente de circulacao basta, suprimir os pulsos do grupo "vazio". Assim, em cada instante só recebe pulsos de gatilho o grupo destinado a conduzira corrente de carga e somente um se mantem ativado. d. Há que se ter em vista, porém, o fato de que a operação sem circulacao de corrente exige circuitos de comando complexos e que geralmente diminui o desempenho do sistema do ponto de vista de controle. OPERAÇÃO: COM & SEM CIRCULAÇÃO DE CORRENTE a. E também importante ressaltar que e muito comum em aplicacoes industriais existir acoplamento magnético entre os dois indutores destinados a limitar a corrente de circulação. b. Com acoplamento, os dois indutores passam a formar um transformador, conhecido como transformador de interfase. c. O acoplamento tem como vantagens a redução do volume, do peso e consequentemente do custo dos indutores, alem de melhorar o desempenho dinâmico. Considerando um conversor dual de 3 pulsos com reator para corrente de circuilação onde a fonte é definida pela função V1(ωt) =√2.220.sen(ωt) onde f=60Hz e a corrende de 40ª, Calcular o valor da indutância de circulação para, no pior caso, limitar a corrence de circulação em 20% da corrente de carga. : Fonte: [8] Figura 5.27. Conversor dual de 3 Pulsos SOLUÇÃO: Como αP= 60° e αP= 120° são os ângulos para o qual a corrente de circulação é máxima. Com base na curva da corrente de circulação, para αP= 60° têm-se a expressão: Assim IC é obtido por: E, Fonte: [8] SOLUÇÃO: Assim: Portanto: Este é o valor total da indutância de circulação não acoplada necessária para limitar o valor máximo da corrente média de circulação em 8A, ou seja 20% da corrente de carga. Fonte: [8] 40EXERCÍCIO [5.1] Projetar um conversor dual trifásico de três pulsos com tiristores que irá alimentar uma carga RLE, sabe-se que a fonte é definida pela função V1(ωt) = 311,08. sen(ωt) com f=60Hz e esse conversor irá alimentar uma carga RLE, onde a parcela resistiva é de 5Ω e a parcela indutiva é de 80mH e a fonte (E) com 120V, sabe-se que ângulo de disparo é de 50⁰. Determinar: a. Ângulo de extinção β; b. Modo de Operação; c. Tensão Média na carga; d. Corrente Média na carga; e. No circuito existe indutores para resolver problema de circulação de corrente, Calcular o valor da indutância de circulação para o pior caso (60º e 120º) e limitar o nível de corrente de circulação em 20% da corrente de carga, as tensões estão defasadas 120º. 41BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR [1] ARRABAÇA, DEVAIR APARECIDO. Eletrônica de Potência - Conversores de Energia CA/CC - Teoria, Prática e Simulação Editora: Erica, 2011. [2] MARTINHO, Edson. Distúrbios da Energia Elétrica. Editora: Erica, 2009. [3] BARBI, Ivo. Projeto de Fontes chaveadas. Editora UFSC, série didática, 2º ed, Edição do Autor, Florianópolis, 2012. [4] BARBI, Ivo. Conversores CC-CC Básicos Não-Isolados. Editora UFSC, série didática, 4º ed, Edição do Autor, Florianópolis 2013. [5] MARTINS. Denizar Cruz. Introdução ao Estudo dos Conversores CC-CA. Edição do Autor, Florianópolis 2013. [6] POMILIO, José Antenor. Eletrônica de Potência. UNICAMP, Campinas 2002. [8] BARBI, Ivo. Eletrônica de Potência. Editora UFSC, série didática, 7º ed, Edição do Autor, Florianópolis 2012. 42 EDERSON ZANCHET Mestrando em Engenharia Elétrica e Informática Industrial - UTFPR Engenheiro de Controle e Automação - FAG Departamento de Engenharia – FAG Docente disciplina de Eletrônica Industrial e de Potência ederson.zt@gmail.com ederson.zt@outlook.com