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Capítulo 6: Retificadores monofásicos controlados

Profa. Dr Dr..  – Ing. Vera Lúcia D. S. Franco Engenharia Mecatrônica

-Para se construir um retificador controlado é necessário utilizar um semicondutor  controlado, como por ex: SCR, IGBT etc.

Este circuito produz uma saída de tensão DC variável, cujo a amplitude é obtida  por meio de controle de fase, isto é, com o domínio do período de condução, variando o ponto no qual um sinal na porta é aplicado ao SCR.

-Para se construir um retificador controlado é necessário utilizar um semicondutor  controlado, como por ex: SCR, IGBT etc.

Este circuito produz uma saída de tensão DC variável, cujo a amplitude é obtida  por meio de controle de fase, isto é, com o domínio do período de condução, variando o ponto no qual um sinal na porta é aplicado ao SCR.

-Os SCRs para conduzir é necessário uma tensão positiva ânodo-cátodo e um sinal de porta. Se o tempo de retardo do pulso na porta for ajustado, e se processo forr ex fo exec ecut utad ado o re repe peti tida dame ment nte, e, en entã tão o as sa saíd ídas as do doss re reti tifi fica cado dore ress po pode derã rão o se ser  r  controlados. Essa técnica é denominada controle de fase. -Os retificadores controlados, ou conversores são classificados em dois tipos : -Compl -Com plet etam amen ente te co cont ntro rola lado doss ou do ti tipo po de do dois is qu quad adra rant nte; e; - ut util iliz izaa ap apen enas as elementos semicondutores controlados; a corrente é unidirecional, mas a tensão  pode ter qualquer uma das polaridades. Com uma delas (positiva) o fluxo de  potência vai da fonte fonte AC para a DC, em um processo chamado chamado retificação. retificação. Com a inversão da tensão DC pela carga, o fluxo de potência vai da fonte DC para a alimentação AC, num método chamado chamado inversão. -Semicontrolados- utiliza semicondutores controlados (SCR) e não controlados (diodos). Neste caso possível a variação da tensão média, porém não é possível a inversão. A transferência de potência sempre é da fonte AC para carga DC. Estes são os denominados conversores de um quadrante.

Os ret etif ific icad ador ores es DC fo forn rnec ecem em po potê tênc ncia ia DC pa para ra vá vári rias as ap apli lica caçõ ções es:: -Controle de velocidade de motor DC; -Carregador de bateria; -Transmissão -T ransmissão DC em alta tensão;

-O con onttrol olee de fa fase se é usa sado do pa para ra fre requ quêênci ciaa ab abai aix xo de 400 Hz ou, mai aiss com co mum umen ente te em 60 Hz Hz.. A pr priinc nciipa pall de dessva van nta tag gem do co cont ntrrol olee de fa fase se é a interferência em radio frequência (radio frequency interference-RFI) -A onda onda semi-senoid semi-senoidal al cortada produz produz harm harmônico ônico de baixa ordem que interfere interfere no funcionamento de diversos equipamentos, tais como: rádio televisão etc.

A onda semi-senoidal cortada produz harmônicos de peso que interferem em sinais com frequência de rádio, TV e em outros equipamentos de comunicação (analógicos).

Formas de onda de tensão e de corrente de um retificador de meia onda c/ carga resistiva.

O SCR passa a conduzir no t 0,  uma corrente fluirá na carga e a tensão de saída V 0 será igual a tensão de entrada, em  a corrente cai naturalmente para zero, uma vez que o SCR estará reversamente polarizado. O SCR fica bloqueado até que um sinal de porta seja aplicado (t 0 + 2). O período de 0 a t 0 representa o tempo que o SCR está desligado. Esse ângulo ( - medido em graus) é denominado de ângulo de disparo ou ângulo de retardo (). De t0 a  é o ângulo de condução (). O valor médio da tensão de saída depende do ângulo de retardo () como mostrado na equação abaixo.

V 0( avg )

V m 1  cos   ; sendo V  o valor de pico.  m 2 

A corrente média é representada pela equação abaixo:

 I 

0 ( avg ) 

V m 1  cos   

2   R

O valor RMS da corrente na carga é dado por:  I  RMS 

    I m       1       2   

1

sen2   2 2  

 

Por essas equações nota-se que a amplitude da tensão de saída é controlada pelo ângulo de disparo. O aumento de  provoca uma redução na amplitude de tensão de saída e vice-versa. -Máxima tensão de saída V0avg ;  = 0  –  diodo -Mínima tensão V0avg = 0 -  = 180º A tensão média normalizada é:

V n 

V 0 ( avg ) V d 0

V m (1  cos )



2  V m  



1  cos   2

Vn é função de , conhecida como característica de controle do retificador  de meia onda.

Característica de controle de um retificador de meia-onda

Exercício: Um retificador controlado de meia-onda é alimentado por uma fonte de 220V. Se a resistência de carga for de 10 Ohms, determine a tensão na carga e a potência média na carga para os seguintes ângulos de retardo: a)  b) c) d)

 = 0º  = 45º  = 135º  =180º

Equação a ser utilizada:

V 0( avg ) 

 P  L 

V m 1  cos   2 

V 



2

0 ( avg )

 R

Retificador de meia onda totalmente controlado com carga indutiva - A corrente fica atrasada em relação à tensão devido ao efeito indutivo.

a) circuito;

b) formas de onda de tensão e de corrente

Quando o SCR for acionado com um ângulo , a corrente na carga aumentará devagar, uma vez que a indutância forçará a corrente a se atrasar com relação à tensão. A tensão na carga V0 será positiva e o indutor estará armazenando energia em seu campo magnético. Entretanto, a energia armazenada no campo magnético do indutor retornará e manterá uma corrente direta através da carga. A corrente continuará a fluir até  (ângulo de avanço) quando então o SCR passará para o estado desligado. A tensão no indutor mudará de polaridade e a tensão na carga ficará negativa. Em conseqüência disso, a tensão média na saída vai se tornar  menos do que se a carga fosse só resistiva. A tensão média na carga é dada por:

V 0( avg )



V m cos    cos  

2 

Para cortar a porção negativa da tensão de saída e amenizar a ondulação da corrente de saída utiliza-se um diodo de retorno. Quando a tensão da carga tender a inversão o diodo de retorno ficará diretamente  polarizado e passará para o estado ligado, o SCR ficará inversamente polarizado e  passará para o estado desligado. A corrente que fluía da fonte para a carga, pelo SCR fica agora entre a carga e o diodo de retorno.

Retificador de meia onda totalmente controlado com diodo de retorno Para cortar a porção negativa da tensão de saída e amenizar a ondulação da corrente de saída utiliza-se um diodo de retorno. Quando a tensão da carga tender a inversão o diodo de retorno ficará diretamente  polarizado e passará para o estado ligado, o SCR ficará inversamente polarizado e  passará para o estado desligado. A corrente que fluía da fonte para a carga, pelo SCR fica agora entre a carga e o diodo de retorno. A corrente continua a fluir na carga após o SCR ter passado para o estado desligado, isto se deve a energia armazenada no indutor.

a) diagrama do circuito;

 b) formas de onda

Retificador controlado de onda completa com terminal central  –  Resistivo Durante o semiciclo positivo da tensão de entrada, o SCR 1   fica diretamente  polarizado. Se aplicar um sinal na porta em , o SCR 1   passará para o estado ligado. Em  quando a corrente se torna nula, o SCR 1  passará de maneira natural  para o estado desligado. Durante o semiciclo negativo o SCR 2   passará para o estado ligado ( + ). Quando a corrente cai a zero (2) em SCR 2 o dispositivo  passa para o estado desligado. O valor médio da tensão na carga é o dobro daquele apresentado anteriormente (retificação de meia onda).

V 0( avg ) 

V m (1  cos  )   1

 I rms

   sen2  2   I m 1   2     

Retificador de onda completa com terminal central: diagrama do circuito

formas de onda

Retificador controlado de onda completa com terminal central com carga indutiva Supondo uma carga indutiva alta a corrente na carga se torna contínua. O SCR 1 conduz durante 180º de  a ( +  ), e a tensão na carga segue a tensão de entrada. Em ( +  ), o SCR 2 é disparado e o SCR 1  passa para o estado desligado, uma vez que a tensão de alimentação aparece de imediato e aplica uma  polarização inversa. O SCR 2 conduz durante 180º de ( +  ) a (2 +  ) e fornece  potência a carga. O valor médio da tensão na carga é dado por:

V 0( avg ) 

2  

V m cos  

A tensão de saída é máxima quando  = 0º A tensão de saída é zero quando  = 90º A tensão atinge o seu máximo negativo quando  = 180º.

Formas de onda para de um retificador de onda completa com terminal central e carga RL

A tensão média de saída normatizada é:

V n 

V 0( avg ) V do

 cos  

A curva característica de controle (plotagem de V n em função de ) de um retificador com terminal central é mostrada na figura abaixo:

A tensão de saída RMS é dado por: V0(RMS) = Vs(RMS)

Formas de onda de tensão e de corrente para α = 45º

Formas de onda de tensão e de corrente para α = 90º

Formas de onda de tensão e de corrente para α = 135º

Formas de onda de tensão e de corrente para α = 180º

Retificador controlado de onda completa com terminal central com carga indutiva e diodo de retorno.

a) circuito; b) formas de onda de tensão e de corrente

Um diodo de retorno ligado em paralelo com a carga indutiva modifica a forma de onda da tensão e corrente do circuito. O diodo de retorno oferece um caminho para corrente e a tensão fica grampeada em zero. A corrente quase constante na carga é mantida assim pela corrente de retorno que passa pelo diodo. A tensão média é dada por:

V 0( avg ) 

V m (1  cos  )  

O diodo de retorno conduz a corrente na carga durante o período do retardo , quando os SCRs estão desligados. Portanto, a corrente que passa através de (D) é dada por:

 I  D   I 0( avg )

   



V m (1  cos  )     R

 



V m (1  cos  )   2 R

Retificador de onda completa em ponte com carga resistiva A figura abaixo mostra um retificador controlado de onda completa em ponte com carga resistiva.  Nesse circuito, pares de SCRs opostos na diagonal passam juntos para o estado ligado ou para o desligado. A tensão média de saída DC controlada vai de zero a um valor máximo positivo, dependendo da variação do ângulo de disparo.

O valor médio da tensão DC é:

V 0( avg ) 

V m (1  cos  )  

A corrente média é dada por:

 I 0( avg ) 

 I m (1  cos  )  

; ou  I 0( avg ) 

A corrente RMS é dada por:

 I  RMS  

 I m 2

1

   sen2   



2 

V m (1  cos  )   R

formas de onda de tensão e de corrente

Um retificador de onda completa em ponte é alimentado por uma fonte de 127Volts com resistência de 20 . Se o ângulo de disparo for de 15º, determine: a)

A tensão média na carga;

 b)

A corrente média na carga;

c)

A potência fornecida à carga;

d)

A frequência de ondulação;

Retificadores de onda completa em ponte com carga indutiva A corrente na carga tende a manter-se fluindo, uma vez que o indutor induz uma tensão que se opõe ao aumento ou à diminuição da corrente. Portanto, os SCRs continuam conduzindo, embora a tensão possa ter caído a zero. A corrente mantém a condução do SCR mesmo após a tensão ter sido invertida. Quando a indutância for pequena ou o ângulo de retardo  for mantido alto, a corrente de saída DC atingirá o valor zero a cada semiciclo em (  + ), como mostra a figura a seguir. Nesse período, nenhum dos pares de SCRs fica ligado;  portanto diz-se que a corrente é não contínua.

Retificador em ponte com carga RL

Formas de onda de um retificador em  ponte com baixa carga indutiva

O valor médio da tensão de saída é:

V 0( avg ) 

V m  

cos    cos  

Se a indutância da carga for grande, ou se  se tornar pequeno, a corrente na carga não poderá atingir o valor zero; fluirá de modo contínuo, dois pares de SCR estão sempre conduzindo, neste caso diz  – se que a corrente é contínua.

d) Formas de onda de um retificador em ponte com L >>> R 

Durante o semiciclo positivo, SCR 1 e SCR 4 conduzem; considerando is 0 –  entre  e (+ ) –  resulta em: Vs = VSCR1 - VSCR2 VSCR1 = 0 SCR1  conduzindo   ; então Vs  = - VSCR2  ; o que significa que SCR 2 está inversamente polarizado. Aplicando KVL na malha contém: V s , SCR 1, carga e SCR 4 resulta em: Vs = VSCR1 + V0 + VSCR4 ; como SCR 1 e SCR 4 estão conduzindo e tem uma tensão sobre eles igual a 0 (zero) considerando que sejam ideais então: V s = V0 no intervalo de  a .  No semiciclo negativo Vs  0; as equações anteriores não mudam a forma porém algumas mudam de sinal. Como Vs  é negativa SCR 2  e SCR 3  estão diretamente  polarizados e ao receber o sinal de gate conduzem. A corrente flui no mesmo sentido que anteriormente. Portanto, de  a (+ ), a tensão de carga é negativa, uma vez que Vs  0. Em (+ ), SCR 2  e SCR 3 são acionados o que provoca a alimentação de uma tensão V 0 = -VS na carga. O valor médio dessa tensão de saída varia com  :

V 0( avg ) 

2

 

V m cos  

A tensão RMS é constante, independente do ângulo de disparo,é igual ao RMS da tensão de alimentação.

V 0( RMS ) 

V max 2

 V S ( RMS )

A corrente média é ainda dada por V 0(avg) /R. Portanto,

  2  V m     cos        R  

 I 0( avg )  

Para  = 0 (sem controle de fase) = com diodo:

 I SCR( avg )   I SCR( RMS ) 

V m   R

 I SCR( avg ) 2

A tensão normalizada Vn = V0(avg) / Vdo = cos, Vn em função de  é mostrada na figura abaixo.

Característica de controle de um retificador em ponte

Exercício: Um retificador controlado de onda completa com carga indutiva e diodo de retorno é ligado a uma tensão de 127 Volt. A porção resistiva é de 12 . Se o ângulo de retardo  for de 30º, determine: a)  b) c) d) e) f) g) h) i)

A tensão média na carga; A corrente média na carga; A corrente máxima na carga; A corrente RMS na carga; A corrente média em cada SCR; A potência fornecida à carga; O fator de forma; O fator de ondulação; A eficiência do retificador.

Retificadores de onda completa em ponte com carga indutiva com diodo de retorno. Como o diodo de retorno oferece um caminho para a corrente ao tensão negativa é cortada , sendo que a forma de onda da tensão na carga é a mesma da carga resistiva: A tensão média na carga é a mesma da carga resistiva:

V 0( avg ) 

V m (1  cos  )  

A corrente média no diodo de retorno é:

 I  D ( avg ) 

 I 0 ( avg )    

Circuito retificador controlado de onda completa em ponte com diodo de retorno

Retificadores semicontrolados em ponte Os conversores completos ou de dois quadrantes podem operar com tensões médias DC na carga tanto positiva como negativa. No modo retificação, eles fornecem  potência a partir da fonte AC para carga DC. No modo de inversão, removem  potência DC da carga e devolvem à fonte AC. Os conversores semicontrolados ou mixtos ou ainda de um quadrante fornecem um fluxo da fonte AC para a carga DC e portanto são operados apenas na retificação.

Circuito retificador semicontrolado de onda completa em ponte Formas de onda de tensão e de corrente

A tensão média é a mesma do conversor com diodo de retorno:

V 0( avg ) 

V m (1  cos  )  

Formas da onda da tensão de saída: a) α = 0º; b) α = 45º c) α = 90º

Conversor semicontrolado em ponte, uma configuração de circuito alternativa

Conversor semicontrolado em ponte, um arranjo alternativo

Conversores duais

Conversores duais Um conversor dual ou quatro quadrantes, pode operar como um retificador ou como inversor com fluxo de corrente em ambas direções. Dois conversores completos podem ser ligados em contraposição como mostra a figura abaixo, para formar um conversor dual, que fornece uma reversão virtualmente instantânea da corrente na carga. Ele faz com que essa corrente flua em uma direção, enquanto o outro conversor obriga a corrente a fluir na direção inversa.