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UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO
Trabalho de Eletrônica Potência 
 Retificadores Contolados
Recife, 07 de Junho de 2011
UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO
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Trabalho de Eletrônica Potência 
 Retificadores Contolados
Trabalho apresentado, pelos alunos Helder Feitosa, Guilherme Monteiro, Raul Muller, Héber Ribeiro, Renato Luís, George Reis, Raissa Lima e Micky Steve, ao curso de Engenharia Elétrica da Universidade de Pernambuco, entregue ao avaliador e professor Antônio Samuel Neto como parte da nota do 2ºEE da disciplina Eletrônica de Potência.
Recife, 7 de Junho de 2011
Objetivo
	Este trabalho aborda o princípio de funcionamento e as aplicações para os diversos tipos de retificadores controlados também conhecidos como retificadores a tiristor. Os citados neste trabalho são: os retificadores monofásicos de meia onda e onda completa, os retificadores trifásicos, a ponte de Graete à tiristor, a ponte trifásica mista e o Ábaco de Puschlowski.
 
Sumário
Introdução........................................................................................ 05
Tiristores………………………………....................................................06
Pontes Retificadoras………………………………………………………….10
Conclusão.........................................................................................14
Bibliografia………………………………………………………....................15
Introdução
Os retificadores não controlados nos fornecem apenas um tensão de saída e fixa. Substituiremos os diodos por tiristores para obtermos tensões de saída controladas. Esta tensão controlada é obtida variando-se o ângulo de disparo ou de retardo dos tiristores. Um tiristor em controle de fase é disparado através da aplicação de um pulso de pequena duração ao seu gatilho e desligado devido à comutação natural da rede; e no caso de uma carga altamente indutiva, ele é desligado pelo disparo de outro tiristor do retificador, durante o semiciclo negativo da tensão de entrada.
Os retificadores controlados podem ser classificados em dois tipos, dependendo da alimentação de entrada:
Conversores Monofásicos:
 
Semicontrolado - é um conversor de um quadrante e tem polaridade da tensão e corrente de saída;
Controlado - é um conversor de dois quadrantes e polaridade de sua tensão de saída pode ser tanto positiva quanto negativa. Contudo, a corrente de saída do conversor controlado tem apenas uma polaridade.;
Conversor dual - pode operar nos quatro quadrantes; e ambas, tensão e corrente de saída, podem ser tanto positivas quanto negativas. Em algumas aplicações os conversores são conectados em série para operar tensões elevadas e melhorar o fator de potência.l;
Conversores Trifásicos:
Semicontrolado – um quadrante;
 Controlado – dois quadrantes;
 Conversor dual – quarto quadrantes;
Figura 1
A figura acima apresenta um conversor controlado. O qual para uma certa tensão ac o valor médio da tensão de lado dc pode ser controlado de maneira contínua a partir dos valores máximos positivos e mínimos negativos. A corrente do conversor Id não pode mudar de direção. Conseqüentemente, esse conversor só pode trabalhar em apenas dois quadrantes do plano Vd – Id. Os valores positivos de Vd e Id implicam em uma retificação quando o fluxo de potência é do lado ac para o lado dc. Em um modo inversor, Vd torna-se negativo (Id permanece positiva) e a potência é transferida do lado dc para o lado ac.
Antes de estudarmos os conversores controlados vamos revisar de maneira rápida o principal componente deste conversor, o tiristor.
Tiristores
Os tiristores estão presentes na família de dispositivos semicodutores que fucionam em regime de chaveamento, possuindo 4 camadas semicodutoras do tipo p-n-p-n, apresentando um funcionamento biestável.
Figura 2
O tiristor mais usado é o SCR (Retificador Controlado de Silício), chamado simplesmente de tiristor. Outros componentes, no entanto, possuem basicamente a mesma estrutura: LASCR (SCR ativado por luz), TRIAC (tiristor triodo bidirecional), DIAC (tiristor diodo bidirecional), GTO (tiristor comutável pela porta), MCT (Tiristor controlado por MOS).
Princípio de funcionamento
Como já citado anteriomente os tiristores são formado por quatro camadas semicondutoras, possuindo três terminais: anodo e catodo, por onde passa a corrente, e a porta (ou gate) que, a uma injeção de corrente, faz com que se estabeleça a corrente ou não. A figura 3 ilustra uma estrutura simplificada do dispositivo.
Figura 3 
Existindo uma tensão positiva entre o anodo e o catodo as junções J1 e J3 estarão diretamente polarizadas, caso contrário a junção J2 estará reversamente polarizada. Abrindo desta forma o circuito e consequêntemente não irá haver condução de corrente, até que a tensão Vak (tensão anodo-catodo) aumente até atingir um valor capaz de romper a barreira de potencial emJ2. 
Existindo uma tensão Vgk (tensão gate-catodo) positiva, irá circular uma corrente por J3, com portadores negativos indo do catodo para o gate. Por construção, a camada P ligada ao gate é bastante estreita para que elétrons cruzem J3, pois irá possuir energia suficiente para ultrapassar a barreira de potêncial que exite em J2 e consequentemente atraidos pelo anodo. Assim sendo, a junção reversamente polarizada tem sua d.d.p. (diferença de potencial) atenuada e provocando uma corrente entre anodo e catodo, que poderá existir mesmo na ausência de corrente no gate.
Quando a tensão Vak for negativa, J1 e J3 estarão reversamente polarizadas, logo J2 estará diretamente polarizada. Desta forma, o tiristor bloqueia o fluxo de portadores enquanto não for superada a tensão de ruptura das junções,J1 e J3. Uma comparação bastente comum é entre o tiristor e dois transistores, como mostra a figura 4.
Figura 4
Ao aplicar-se uma corrente Ig positiva, Ic2 e Ik aumentarão. Como Ic2 = Ib1, T1 estará saturado e assim sendo conduzirá dái teremos Ib2 = Ic1 + Ig, que aumentará Ic2 e desta forma o sistema evoluirá até a saturação, mesmo que Ig seja retirada. Este efeito acumulativo ocorrá se os ganhos dos transistores forem maior que 1. O sistema continuará conduzindo se, após o processo dinâmico de entrada em condução, a corrente anodíca tiver atingido um valor superior ao limite IL, chamado de corrente de "latching".
Se a corrente Ia cair abaixo do valor mínimo o tiristor deixa de conduzir e permite que se restaure a barreira de potencial em J2. A aplicação de uma tensão negativa Vak não é suficiente para a comutação do dispositivo. Esta tensão negativa acelera o desligamento pois desloca nos sentidos adequados os portadores na estrutura cristalina, mas não garante, sozinha, o desligamento.
Figura 5
Em detrimento a esta características do dispositivo, a aplicação de uma polarização reversa do terminal de gate não permite a comutação do SCR. Vale apena ressaltar que os tiristores podem ser disparado de diversas maneiras distintas, ou seja, estes dispositivos podem conduzir conrrente quando disparados. Os disparos podem ser devido:a tensão, quando polarizada diretamente, taxa de crescimento da tensão direta, quando polarizada inversamente, temperatura, em altas temperaturas, ação da corrente positiva do gate, quando aplica-se uma corrente miníma no gate e é o mais usado e energia radiante, energia dentro da banda espectral do silício, incidindo e penetrando no cristal.
Iremos descrever, agora, a principal forma de como devemos gatilhar um tiristor. Quando o controle do instante em que o tiristor é acionado, a corrente média do circuito pode ser controlada de maneira contínua do intervalo de zero até o valor máximo. De maneira similar podemos suprir a potência pela fonte ac.
Figura 6
Os circuitos integrados versáteis são avaliados para prover um atraso no disparode sinais para o tiristor. Um simples diagrama de blocos é apresentado na figura 6. Onde, uma forma de onda dente de serra (sincronizada com a tensão de entrada ac) é comparada com o sinal de controle Vcontrol, e o ângulo de retardo a com relação a passagem pelo zero do ciclo positivo da tensão da rede ac é obtida em termos de Vcontrol e o valor de pico da onda dente de serra :
PONTES RETIFICADORAS
Como já sabemos os circuitos retificadores controlados constituem a principal aplicação dos tiristores em conversores estáticos. E por sua vez, possuem vasta aplicação industrial, no acionamento de motores de corrente contínua, em estações retificadoras para alimentação de redes de transmissão CC, no acionamento de locomotivas, etc.
Analisaremos aqui pontes retificadoras monofásicas, embora para potência superior a 10 kW geralmente se usam pontes trifásicas (ou mesmo hexafásicas). A Figura 7 mostra 3 estruturas de pontes retificadoras monofásicas.
Figura 7
a) Semi-controlada simétrica; b) Semi-controlada assimétrica; c) totalmente controlada
O uso de apenas 2 tiristores é a principal vantagem das pontes semi-controladas, sendo indicadas quando o fluxo de energia será apenas da fonte para a carga. Neste circuito a tensão de saída, vo(t) pode assumir apenas valores (instantâneos e médios) positivos. Sempre que a tensão de saída tender a se inverter (se torna negativa) haverá um caminho interno que manterá esta tensão em zero, desconectando a carga da rede.
Para carga resistiva, a forma de onda da corrente de linha será a mesma da tensão sobre a carga (sem a retificação). Com carga indutiva, a corrente irá se alisando à medida que aumenta a constante de tempo elétrica da carga, tendo, no limite, uma forma plana. Vista da entrada, a corrente assume uma forma retangular.
Ponte semi-controlada assimétrica
Na ponte assimétrica existe um caminho de livre-circulação formado pelos diodos D1 e D2. Supondo a polaridade da tensão da entrada como indicada, o disparo de T1 conecta a entrada à carga (indutiva) através do tiristor e D2. Quando a tensão de entrada se inverter, D1 entrará em condução e T1 cortará (Enquanto, devido ao tempo de desligamento do tiristor, T1, D1 e D2 conduzirem, a fonte estará curto-circuitada, com sua corrente sendo limitada pela impedância da fonte). Quando T2 for disparado, D1 cortará.
O intervalo de condução de cada SCR é de (π−α). Cada diodo conduz por (2π−α). A figura 2.14 mostra formas de onda para este conversor.
Figura 2.14 Formas de onda de ponte retificadora semi-controlada assimétrica, com carga altamente indutiva.
Ponte semi-controlada simétrica
Neste circuito não existe um caminho natural de livre-circulação, a qual deve ocorrer sempre através de um SCR e um diodo.
Supondo vi(t) com a polaridade indicada, quando T1 for disparado, a corrente circulará por T1 e D2. Quando a tensão da fonte inverter a polaridade, D1 entrará em condução e D2 bloqueará. A tensão na carga será nula pois T1 e D1 conduzirão, supondo que a corrente não se interrompa (carga indutiva). Quando T2 for disparado, T1 bloqueará. Diodos e tiristores conduzem, cada um por 180º.
Observe que se T2 não for disparado, e supondo que T1 continue a conduzir, em função da elevada constante de tempo elétrica da carga, no próximo semiciclo positivo a fonte será novamente acoplada à carga fornecendo-lhe mais corrente. Ou seja, a simples retirada dos pulsos de disparo não garante o desacoplamento entre carga e fonte. Para que isso ocorra é necessário diminuir o ângulo de disparo para que a corrente se torne descontínua e assim T1 corte. Obviamente o mesmo comportamento pode ocorrer com respeito ao outro par de componentes. Formas de onda típicas estão mostradas na figura 8.
Isto pode ser evitado pela inclusão do diodo de livre-circulação D3, o qual entrará em condução quando a tensão se inverter, desligando T1 e D1. A vantagem da montagem assimétrica é que os catodos estão num mesmo potencial, de modo que os sinais de acionamento podem estar num mesmo potencial.
Figura 8
Ponte totalmente controlada
Seu principal uso é no acionamento de motor de corrente contínua quando é necessária uma operação em dois quadrantes do plano tensão x corrente, sendo possível devolver energia da carga para a fonte.Nestes circuitos não pode haver inversão de polaridade na corrente, mas a tensão sobre a carga pode se tornar negativa, desde que exista um elemento indutivo que mantenha a circulação de corrente pelos tiristores, mesmo quando reversamente polarizados.
Os pares de componentes T1 e T4, T2 e T3 devem ser disparados simultaneamente, a fim de garantir um caminho para a corrente através da fonte.
No caso de corrente descontínua (corrente da carga vai a zero dentro de cada semi-ciclo da rede), os tiristores desligarão quando a corrente cair abaixo da corrente de manutenção. No caso de condução contínua, o par de tiristores desligará quando a polaridade da fonte se inverter e for disparado outro par de tiristores.
Assim, se houver inversão na polaridade da tensão de entrada mas não for acionado o outro par de SCRs, a tensão nos terminais do retificador será negativa. A figura 9 mostra formas de onda para o circuito.
Figura 9
A corrente de entrada apresenta-se como uma onda quadrada, com sua componente fundamenta defasada de um ângulo em relação à tensão.
Ao acionar um motor CC, a carga comporta-se como um circuito RL ao qual se adiciona uma fonte de tensão CC, que representa a força contra-eletro-motriz de armadura, como mostrado na figura 10. Em situações em que a constante de tempo é pequena, ou então a tensão Ea é elevada, é possível que a corrente se anule, fazendo com que os tiristores comutem dentro de um semiciclo da rede. Em tal situação, como não há corrente, a tensão vista nos terminais da máquina, vo(t), será a própria tensão de armadura. A tensão vo(t) será igual à tensão de entrada (retificada) apenas enquanto os tiristores conduzirem.
Figura 10
Retificadores trifásicos
Assim como mostrado na figura abaixo os retificados trifásicos de onda completa são formados por 6 tiristores, podendo ou não possuir indutores, tanto na entrada como na saida da tensão.
Quando Va for mais positiva, conduzirá o tiristor T1 a partir do instante em que for injetado um pulso de corrente no seu terminal de gate.
Durante este intervalo, inicialmente Vb será mais negativa, levando T6 a conduzir e em seguida, Vc será mais negativa, levando T2 a conduzir.
 Para que isto ocorra, é sempre necessária a injeção de um sinal de corrente nos respectivos gates dos tiristores.
Existem intervalos onde os tiristores encontram-se diretamente polarizados, mas pela ausência de sinais de corrente nos seus gates, os mesmos permanecerão bloqueados (bloqueio direto).
Isto permite um controle efetivo do valor médio da tensão DC, que é feito através de um sistema de controle de malha fechada, o qual baseado na medição da grandeza selecionada para controle produz os pulsos de corrente de gate nos instantes desejados.
O valor médio da tensão DC aplicada à carga pode ser expresso como:
Onde é o ângulo de disparo dos tiristores, medido a partir do cruzamento pelo zero das tensões AC de mesma polaridade.
Para = 0°, o valor médio da tensão retificada é máximo, enquanto que para a = 90°, o referido valor médio é nulo.
A partir deste valor, tem-se tensões negativas aplicadas à carga e como a corrente direta através dos tiristores circula sempre de anodo para catodo (corrente positiva), surgem valores negativos de potência.
Isto representa uma inversão no sentido do fluxo de potência e o conversor passa a operar como inversor.
Para °, o valor médio da tensão retificada atinge o seu valor máximo negativo, completando o ciclo de operação do conversor.
Para que o conversor opere como inversor, é necessário que exista no lado DC uma fonte de potência, tal como um motor DC (frenagem eletromagnética) ou um sistema de transmissãoem corrente contínua.
Para 0° ≤ α ≤ 90° → PDC ≥ 0 → Operação com retificador → Fluxo de potência do sistema AC para o sistema DC.
Para 90° ≤ α ≤ 180° → PDC≤ 0 → Operação com inversor→ Fluxo de potencia do sistema DC para o sistema AC.
Desprezando-se os efeitos da comutação, cosα = cosφ, onde φ e o ângulo entre a tensão e a componente fundamental da corrente injetada pelo conversor no sistema AC.
Para 0° ≤ α ≤ 180°, a função cosseno é univocamente definida: 
α = φ → cos α = cos φ
No lado AC, tem-se:
 P = Potência Ativa = 3VI.cosφ
Q = Potência Reativa = 3VI.sen φ
0° ≤ φ ≤ 90° → cos φ ≥ 0 e sen φ ≥ 0 → P ≥ 0 e Q ≥ 0.
Nesta situação, o conversor opera como retificador, transferindo potencia ativa do lado AC para o lado DC e comporta-se como um elemento indutivo, consumindo potência reativa, a ser fornecida pela rede AC.
90° ≤ φ ≤ 180° → cos φ ≤ 0 e sen φ ≥ 0 → P ≤ 0 e Q ≥ 0.
Nesta situação, o conversor opera como inversor, transferindo potência ativa do lado DC para o lado AC e comporta-se como um elemento indutivo, consumindo potência reativa, a ser fornecida pela rede AC.
O conversor AC / DC multipulsos comporta-se sempre como um elemento indutivo, consumindo potência reativa, que deve ser fornecida pela rede AC.
O processo de disparo introduz um atraso no processo de condução dos tiristores. Isto faz com que a componente fundamental da corrente injetada pelo conversor no sistema AC seja atrasada da tensão. Um elemento cuja corrente e atrasada da tensão é visto pela rede AC como um elemento indutivo.
Apenas para α = 0° e α = 180°, tem-se o conversor operando como um elemento de fator de potência unitário.
Referências bibliográficas
[1] 	SCR Manual Grafham, D.R. e Golden, F.b., editors General Electric, 6o ed., 1979, USA.
[2] 	SCR Designers Handbook - Rice, L.R., editor Westinghouse Electric Co., 1970, USA
[3] 	Firing System and Overvoltage Protection for Thyristor Valves in Static
VAR Compensators – editor Hausles, M.Brown Boveri Review, 4-1987, pp.
206-212
[4]	Livro de Eletrônica de Potência – editor Ivo Barbi – 6ª edição