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Engenharia de Controle e Automação ·
Eletrônica de Potência
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Circuito retificadores a diodo ou a tiristor introduzem harmônicas de corrente no sistema de alimentação Essas harmônicas são indesejadas uma vez que 1 indicam a existência de potência reativa no sistema podendo provocar um funcionamento incorreto em dispositivos ou equipamentos alimentados pelo mesma fonte ou instalados próximo delas e 2 provocam distorção na tensão da fonte ocasionando perdas adicionais nas demais cargas alimentadas pela mesma fonte Existem algumas soluções utilizadas para reduzir as harmônicas de corrente de linha nos retificadores sendo uma delas o uso de Retificadores Multipulsos 12 18 ou 24 pulsos Pesquise o funcionamento de um retificador trifásico de 12 pulsos Explique seu funcionamento apresenta as configurações de circuito utilizadas as formas de onda observadas e as relações matemáticas em especial da corrente na carga e explique qual a vantagem da utilização desse retificador quanto à introdução de harmônicas no sistema Utilize um exemplo numérico para demonstrar essas características e indique uma aplicação para esse tipo de retificador Apresente ainda um breve comparativo sobre a vantagem ou desvantagem de se utilizar um retificador de 18 ou 24 pulsos Retificadores Multipulsos a importância desses circuitos para redução de harmônicas no sistema de potência Nomes dos autores1 Resumo O presente artigo apresenta o funcionamento de um retificador trifásico de 12 pulsos Seu funcionamento suas configurações de circuito utilizadas as formas de onda observadas e as relações matemáticas em especial da corrente na carga e a vantagem da utilização desse retificador quanto à introdução de harmônicas no sistema Apresenta ainda um comparativo sobre a vantagem ou desvantagem de se utilizar um retificador de 18 ou 24 pulsos Palavraschave retificador 12 pulsos 18 pulsos 24 pulsos Abstract This article presents the operation of a 12pulse threephase rectifier its operation the circuit configurations used the observed waveforms and the mathematical relationships especially the current in the load as well as the advantage of using this rectifier in terms of harmonic introduction into the system It also presents a comparison regarding the advantages and disadvantages of using an 18pulse or 24 pulse rectifier Keywords 12pulse rectifier 18pulse rectifier 24pulse rectifier Introdução O o retificador trifásico de seis pulsos é vantajoso comercialmente por ser um conversor de baixo custo e bastante robusto entretanto introduz correntes harmônicas significativas na rede e possui baixo fator de potência Para minimizar esses efeitos diversas técnicas são empregadas como a utilização de filtros passivos ativos e até mesmo híbridos No entanto em muitas situações quando há um rigoroso controle de qualidade da energia elétrica esses filtros são consideravelmente dispendiosos volumosos e com perdas 1 Graduando em Engenharia de Materiais pela UTFPRLD Email xxxxxxxutfpredubr 2 significativas SINGH et al 2004 Nessa perspectiva a utilização de conversores CACC de multipulsos é uma solução conveniente para aprimorar a distorção harmônica total e o fator de potência do sistema Com a elevação do número de pulsos as formas de onda na saída do retificador terão suas ondulações reduzidas aperfeiçoando a conversão Isso é alcançado ao agrupar unidades conversoras de seis pulsos e transformadores com deslocamentos de fase adequados entre si para cancelamento de certas harmônicas características ANTUNES et al 2014 Uma solução para reduzir a distorção da forma de onda da corrente é aumentar o número de pulsos do retificador Um retificador de 12 pulsos é composto por 2 retificadores de 6 pulsos defasados em 30 Já um retificador de 18 pulsos possui 3 retificadores de 6 pulsos defasados em 20 Um retificador de 24 pulsos possui 4 retificadores de 6 pulsos defasados em 15 Portanto quanto mais pulsos menor a distância entre os picos das senoides e menor a distorção harmônica Porém devese levar em conta que quanto maior o número de pulsos mais complexo e mais caro se torna o sistema Retificador Trifásico de 12 pulsos controlado Um retificador de doze pulsos como mostrado na Fig 01 funciona da seguinte forma O transformador utilizado tem a conexão do primário em delta e o secundário com dois enrolamentos sendo um também em delta e o outro em estrela Y Com esse arranjo o deslocamento de fase de 30 é obtido eliminando certas componentes harmônicas do sistema Ademais os agrupamentos de seis pulsos operam independentemente tal que o primário está em fase com o secundário em delta Em virtude disso a topologia de doze pulsos pode ser descrita a partir da superposição das contribuições individuais de cada agrupamento Nesse sentido para um ângulo de disparo α 0º a tensão de saída de um retificador de doze pulsos é representada na Fig 02 Observase que sua forma de onda possui um maior número de pulsos por ciclo da fonte e que seu valor é máximo nos pontos de cruzamento das tensões CC dos agrupamentos A partir disso como há doze tensões de linha em cada ciclo o pulso terá um intervalo de 360º12 30º Como resultado a conversão é aprimorada e a frequência da tensão de saída é 12 60 720 Hz 3 Fig 01 Fig 02 Dado que cada agrupamento opera independentemente a tensão resultante CC será a soma das tensões de saída Vot dos dois módulos de 6pulsos em série e defasados 30 entre si 4 A partir dessas informações calculamse os valores da tensão média Como não há defasagem entre conexões e a relação de transformação é unitária a corrente ia é idêntica vista pelo primário do transformador Desse modo com o intuito de calcular a pertubação causada pelo retificador na corrente do primário iaR é preciso relacionálo com as correntes de fase e linha dos enrolamentos como esquematizado na Fig 03 Fig 03 5 Pela relação de transformação a corrente de fase iaFP do primário é dado pela soma das correntes de fase dos enrolamentos do secundário tal que O que implica em Fig 04 6 Com isso para um retificador de doze pulsos ideal ou seja em que todas as correntes harmônicas na entrada do sistema tenham ordens na forma n 12k 1 a equação da corrente é simplificada para Retificador trifásico de 12 pulsos não controlado Um retificador de dozepulsos pode ser montado com dois retificadores de seispulsos ligados em série como mostra a Figura 05 As fontes trifásicas AC que alimentam essas duas pontes são defasadas em 30 uma em relação à outra Para conseguir isso basta deslocar as fases das fontes AC com o uso de dois transformadores trifásicos um dos quais ligado em Y e outro em no lado secundário No lado primário ambos são ligados em Y à mesma fonte trifásica Desse modo as tensões de fase do lado secundário do transformador são defasadas em 30 portanto todas as tensões de fase do lado secundário do transformador serão defasadas dos mesmos 30 em relação às fases correspondentes no outro Haverá também uma diferença em amplitude na tensão de fase do secundário A tensão secundária do transformador será menor por um fator três vezes menor em relação à do transformador Y Entretanto isso pode ser resolvido com uma relação de espiras diferente para um transformador Y 7 Fig 05 Dessa maneira as tensões secundárias podem ser idênticas em amplitude As tensões de linha resultantes no secundário vab e vab estão defasadas em 30 como conseqüência da ligação do transformador Uma vez que cada uma das pontes de seispulsos opera de modo independente a tensão de saída vo é a soma de vo1 e vo2 A 06 mostra a forma de onda da tensão de saída Como pode ser observado vo é a saída de dozepulsos com a freqüência de ondulação igual a doze vezes a freqüência da fonte Fig 06 8 A tensão média para esse caso é Exemplo número para DHT Como já discutido é de se esperar que a distorção harmônica total tenha uma melhoria expressiva devido à eliminação das harmônicas de quinta e sétima ordem presentes no retificador de seis pulsos Dessa maneira para esta configuração a distorção harmônica total é dada por e como a defasagem na frequência fundamental entre iaR e a tensão na fonte é o próprio ângulo α então o fator de potência de deslocamento é igual a cosα enquanto que o fator de potência do conjunto visto pela rede é Dessa maneira a distorção harmônica total teve uma redução de quase 51 em relação ao conversor de seis pulsos apresentando um surpreendente aperfeiçoamento da qualidade da energia elétrica ao utilizar a técnica de deslocamento de fase entre os enrolamentos do secundário do transformador garantindo uma elevação do fator de potência No entanto o ângulo de disparo α ao ser incrementado reduz consideravelmente esse fator o que justifica a utilização de diodos invés de tiristores na ponte retificadora quando a maior preocupação reside na qualidade da energia em comparação à controlabilidade do processo 9 Aplicação para retificador de 12 pulsos A maior parte dos equipamentos que processam energia eletronicamente atuam através de uma fonte de alimentação CA mas sempre requer um estágio intermediário de conversão CACC através de retificadores ou conversores CACC Visto a isto devido a sua grande aplicabilidade industrial o retificador trifásico na configuração Graetz é a fonte mais comum de problemas relacionados com a injeção de componentes harmônicos de corrente no sistema CA de alimentação Desta maneira a alimentação da carga é feita a partir da tensão contínua obtida na saída da ponte retificadora barramento CC Em sistemas retificadores de elevadas potências onde se utilizam estruturas trifásicas clássicas para se promover a redução da distorção harmônica da corrente de entrada e consequentemente obter se elevado fator de potência os retificadores de 12 pulsos e seus múltiplos têm se apresentado como sendo ótimas opções técnicas visto que eles garantem um bom desempenho do conjunto retificador assim como robustez Comparação com Retificador Trifásico de 18 pulsos e 24 pulsos Um conversor de 18 pulsos apresenta apenas os componentes harmônicos de ordens k181 Muitos conversores de 18 pulsos utilizam três pontes trifásicas de seis pulsos análogos aos conversores de 12 pulsos Neste caso três sistemas de tensão trifásicos defasados de 20º entre si devem alimentar as pontes retificadoras Como exemplo de conversores isolados de 18 pulsos duas conexões são mostradas na Fig 07 A conexão ZYZ apresenta o secundário conectado em Y adiantado de 30º que é típico da conexão Y e os dois secundários conectados em ziguezague um é adiantado de 50o 30º 20º e o outro adiantado de 10º 30º 20º em relação ao primário A conexão PP apresenta um secundário conectado em em fase com o primário e os outros dois conectados em polígono com ângulos de 20º e 20º em relação ao primário 10 Fig 07 Apesar da grande robustez destes conversores e pelo isolamento galvânico entre a carga e a rede de alimentação suas aplicações ficam prejudicadas pelo elevado peso e volume finais do conversor visto que o transformador processa toda a potência da carga na frequência da tensão da rede Para estes conversores a tensão retificada não é regulada porém este fato não é de significativa importância não se caracterizando como um problema Através do uso das conexões ziguezague e polígono é possível agrupar os conjuntos de conversores de seis pulsos das mais diversas formas O conversor de 18 pulsos é gerado pelo agrupamento de três conversores de seis pulsos e se duas das conexões do secundário forem ziguezague eou polígono podese gerar um conversor de 18 pulsos com todas combinações possíveis de conexões ZYZ ZZ ZPZ PYZ etc Analogamente um retificador trifásico de 24 pulsos é uma configuração ainda mais avançada do que as citadas anteriormente Esse tipo de retificador é frequentemente utilizado em aplicações industriais como em sistemas de tração elétrica motores de grande porte e outras cargas que demandam corrente contínua de alta potência e baixa ondulação A principal característica de um retificador de 24 pulsos é sua capacidade de reduzir significativamente as harmônicas na corrente de entrada e na tensão de saída Isso é conseguido através da combinação de múltiplos estágios de retificação que operam em diferentes fases A configuração típica envolve dois retificadores de 12 pulsos deslocados por 15 graus elétricos conectados em paralelo ou em série Esse deslocamento de fase é obtido utilizando transformadores especiais conhecidos como transformadores de deslocamento de fase 11 Referências ANTUNES F LEÃO R SAMPAIO R Harmônicos em sistemas elétricos Sl Elsevier Brasil 2014 SINGH B SINGH B N CHANDRA A ALHADDAD K PANDEY A KOTHARI D P A review of threephase improved power quality acdc converters IEEE Transactions on industrial electronics IEEE v 51 n 3 p 641660 2004
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Circuito retificadores a diodo ou a tiristor introduzem harmônicas de corrente no sistema de alimentação Essas harmônicas são indesejadas uma vez que 1 indicam a existência de potência reativa no sistema podendo provocar um funcionamento incorreto em dispositivos ou equipamentos alimentados pelo mesma fonte ou instalados próximo delas e 2 provocam distorção na tensão da fonte ocasionando perdas adicionais nas demais cargas alimentadas pela mesma fonte Existem algumas soluções utilizadas para reduzir as harmônicas de corrente de linha nos retificadores sendo uma delas o uso de Retificadores Multipulsos 12 18 ou 24 pulsos Pesquise o funcionamento de um retificador trifásico de 12 pulsos Explique seu funcionamento apresenta as configurações de circuito utilizadas as formas de onda observadas e as relações matemáticas em especial da corrente na carga e explique qual a vantagem da utilização desse retificador quanto à introdução de harmônicas no sistema Utilize um exemplo numérico para demonstrar essas características e indique uma aplicação para esse tipo de retificador Apresente ainda um breve comparativo sobre a vantagem ou desvantagem de se utilizar um retificador de 18 ou 24 pulsos Retificadores Multipulsos a importância desses circuitos para redução de harmônicas no sistema de potência Nomes dos autores1 Resumo O presente artigo apresenta o funcionamento de um retificador trifásico de 12 pulsos Seu funcionamento suas configurações de circuito utilizadas as formas de onda observadas e as relações matemáticas em especial da corrente na carga e a vantagem da utilização desse retificador quanto à introdução de harmônicas no sistema Apresenta ainda um comparativo sobre a vantagem ou desvantagem de se utilizar um retificador de 18 ou 24 pulsos Palavraschave retificador 12 pulsos 18 pulsos 24 pulsos Abstract This article presents the operation of a 12pulse threephase rectifier its operation the circuit configurations used the observed waveforms and the mathematical relationships especially the current in the load as well as the advantage of using this rectifier in terms of harmonic introduction into the system It also presents a comparison regarding the advantages and disadvantages of using an 18pulse or 24 pulse rectifier Keywords 12pulse rectifier 18pulse rectifier 24pulse rectifier Introdução O o retificador trifásico de seis pulsos é vantajoso comercialmente por ser um conversor de baixo custo e bastante robusto entretanto introduz correntes harmônicas significativas na rede e possui baixo fator de potência Para minimizar esses efeitos diversas técnicas são empregadas como a utilização de filtros passivos ativos e até mesmo híbridos No entanto em muitas situações quando há um rigoroso controle de qualidade da energia elétrica esses filtros são consideravelmente dispendiosos volumosos e com perdas 1 Graduando em Engenharia de Materiais pela UTFPRLD Email xxxxxxxutfpredubr 2 significativas SINGH et al 2004 Nessa perspectiva a utilização de conversores CACC de multipulsos é uma solução conveniente para aprimorar a distorção harmônica total e o fator de potência do sistema Com a elevação do número de pulsos as formas de onda na saída do retificador terão suas ondulações reduzidas aperfeiçoando a conversão Isso é alcançado ao agrupar unidades conversoras de seis pulsos e transformadores com deslocamentos de fase adequados entre si para cancelamento de certas harmônicas características ANTUNES et al 2014 Uma solução para reduzir a distorção da forma de onda da corrente é aumentar o número de pulsos do retificador Um retificador de 12 pulsos é composto por 2 retificadores de 6 pulsos defasados em 30 Já um retificador de 18 pulsos possui 3 retificadores de 6 pulsos defasados em 20 Um retificador de 24 pulsos possui 4 retificadores de 6 pulsos defasados em 15 Portanto quanto mais pulsos menor a distância entre os picos das senoides e menor a distorção harmônica Porém devese levar em conta que quanto maior o número de pulsos mais complexo e mais caro se torna o sistema Retificador Trifásico de 12 pulsos controlado Um retificador de doze pulsos como mostrado na Fig 01 funciona da seguinte forma O transformador utilizado tem a conexão do primário em delta e o secundário com dois enrolamentos sendo um também em delta e o outro em estrela Y Com esse arranjo o deslocamento de fase de 30 é obtido eliminando certas componentes harmônicas do sistema Ademais os agrupamentos de seis pulsos operam independentemente tal que o primário está em fase com o secundário em delta Em virtude disso a topologia de doze pulsos pode ser descrita a partir da superposição das contribuições individuais de cada agrupamento Nesse sentido para um ângulo de disparo α 0º a tensão de saída de um retificador de doze pulsos é representada na Fig 02 Observase que sua forma de onda possui um maior número de pulsos por ciclo da fonte e que seu valor é máximo nos pontos de cruzamento das tensões CC dos agrupamentos A partir disso como há doze tensões de linha em cada ciclo o pulso terá um intervalo de 360º12 30º Como resultado a conversão é aprimorada e a frequência da tensão de saída é 12 60 720 Hz 3 Fig 01 Fig 02 Dado que cada agrupamento opera independentemente a tensão resultante CC será a soma das tensões de saída Vot dos dois módulos de 6pulsos em série e defasados 30 entre si 4 A partir dessas informações calculamse os valores da tensão média Como não há defasagem entre conexões e a relação de transformação é unitária a corrente ia é idêntica vista pelo primário do transformador Desse modo com o intuito de calcular a pertubação causada pelo retificador na corrente do primário iaR é preciso relacionálo com as correntes de fase e linha dos enrolamentos como esquematizado na Fig 03 Fig 03 5 Pela relação de transformação a corrente de fase iaFP do primário é dado pela soma das correntes de fase dos enrolamentos do secundário tal que O que implica em Fig 04 6 Com isso para um retificador de doze pulsos ideal ou seja em que todas as correntes harmônicas na entrada do sistema tenham ordens na forma n 12k 1 a equação da corrente é simplificada para Retificador trifásico de 12 pulsos não controlado Um retificador de dozepulsos pode ser montado com dois retificadores de seispulsos ligados em série como mostra a Figura 05 As fontes trifásicas AC que alimentam essas duas pontes são defasadas em 30 uma em relação à outra Para conseguir isso basta deslocar as fases das fontes AC com o uso de dois transformadores trifásicos um dos quais ligado em Y e outro em no lado secundário No lado primário ambos são ligados em Y à mesma fonte trifásica Desse modo as tensões de fase do lado secundário do transformador são defasadas em 30 portanto todas as tensões de fase do lado secundário do transformador serão defasadas dos mesmos 30 em relação às fases correspondentes no outro Haverá também uma diferença em amplitude na tensão de fase do secundário A tensão secundária do transformador será menor por um fator três vezes menor em relação à do transformador Y Entretanto isso pode ser resolvido com uma relação de espiras diferente para um transformador Y 7 Fig 05 Dessa maneira as tensões secundárias podem ser idênticas em amplitude As tensões de linha resultantes no secundário vab e vab estão defasadas em 30 como conseqüência da ligação do transformador Uma vez que cada uma das pontes de seispulsos opera de modo independente a tensão de saída vo é a soma de vo1 e vo2 A 06 mostra a forma de onda da tensão de saída Como pode ser observado vo é a saída de dozepulsos com a freqüência de ondulação igual a doze vezes a freqüência da fonte Fig 06 8 A tensão média para esse caso é Exemplo número para DHT Como já discutido é de se esperar que a distorção harmônica total tenha uma melhoria expressiva devido à eliminação das harmônicas de quinta e sétima ordem presentes no retificador de seis pulsos Dessa maneira para esta configuração a distorção harmônica total é dada por e como a defasagem na frequência fundamental entre iaR e a tensão na fonte é o próprio ângulo α então o fator de potência de deslocamento é igual a cosα enquanto que o fator de potência do conjunto visto pela rede é Dessa maneira a distorção harmônica total teve uma redução de quase 51 em relação ao conversor de seis pulsos apresentando um surpreendente aperfeiçoamento da qualidade da energia elétrica ao utilizar a técnica de deslocamento de fase entre os enrolamentos do secundário do transformador garantindo uma elevação do fator de potência No entanto o ângulo de disparo α ao ser incrementado reduz consideravelmente esse fator o que justifica a utilização de diodos invés de tiristores na ponte retificadora quando a maior preocupação reside na qualidade da energia em comparação à controlabilidade do processo 9 Aplicação para retificador de 12 pulsos A maior parte dos equipamentos que processam energia eletronicamente atuam através de uma fonte de alimentação CA mas sempre requer um estágio intermediário de conversão CACC através de retificadores ou conversores CACC Visto a isto devido a sua grande aplicabilidade industrial o retificador trifásico na configuração Graetz é a fonte mais comum de problemas relacionados com a injeção de componentes harmônicos de corrente no sistema CA de alimentação Desta maneira a alimentação da carga é feita a partir da tensão contínua obtida na saída da ponte retificadora barramento CC Em sistemas retificadores de elevadas potências onde se utilizam estruturas trifásicas clássicas para se promover a redução da distorção harmônica da corrente de entrada e consequentemente obter se elevado fator de potência os retificadores de 12 pulsos e seus múltiplos têm se apresentado como sendo ótimas opções técnicas visto que eles garantem um bom desempenho do conjunto retificador assim como robustez Comparação com Retificador Trifásico de 18 pulsos e 24 pulsos Um conversor de 18 pulsos apresenta apenas os componentes harmônicos de ordens k181 Muitos conversores de 18 pulsos utilizam três pontes trifásicas de seis pulsos análogos aos conversores de 12 pulsos Neste caso três sistemas de tensão trifásicos defasados de 20º entre si devem alimentar as pontes retificadoras Como exemplo de conversores isolados de 18 pulsos duas conexões são mostradas na Fig 07 A conexão ZYZ apresenta o secundário conectado em Y adiantado de 30º que é típico da conexão Y e os dois secundários conectados em ziguezague um é adiantado de 50o 30º 20º e o outro adiantado de 10º 30º 20º em relação ao primário A conexão PP apresenta um secundário conectado em em fase com o primário e os outros dois conectados em polígono com ângulos de 20º e 20º em relação ao primário 10 Fig 07 Apesar da grande robustez destes conversores e pelo isolamento galvânico entre a carga e a rede de alimentação suas aplicações ficam prejudicadas pelo elevado peso e volume finais do conversor visto que o transformador processa toda a potência da carga na frequência da tensão da rede Para estes conversores a tensão retificada não é regulada porém este fato não é de significativa importância não se caracterizando como um problema Através do uso das conexões ziguezague e polígono é possível agrupar os conjuntos de conversores de seis pulsos das mais diversas formas O conversor de 18 pulsos é gerado pelo agrupamento de três conversores de seis pulsos e se duas das conexões do secundário forem ziguezague eou polígono podese gerar um conversor de 18 pulsos com todas combinações possíveis de conexões ZYZ ZZ ZPZ PYZ etc Analogamente um retificador trifásico de 24 pulsos é uma configuração ainda mais avançada do que as citadas anteriormente Esse tipo de retificador é frequentemente utilizado em aplicações industriais como em sistemas de tração elétrica motores de grande porte e outras cargas que demandam corrente contínua de alta potência e baixa ondulação A principal característica de um retificador de 24 pulsos é sua capacidade de reduzir significativamente as harmônicas na corrente de entrada e na tensão de saída Isso é conseguido através da combinação de múltiplos estágios de retificação que operam em diferentes fases A configuração típica envolve dois retificadores de 12 pulsos deslocados por 15 graus elétricos conectados em paralelo ou em série Esse deslocamento de fase é obtido utilizando transformadores especiais conhecidos como transformadores de deslocamento de fase 11 Referências ANTUNES F LEÃO R SAMPAIO R Harmônicos em sistemas elétricos Sl Elsevier Brasil 2014 SINGH B SINGH B N CHANDRA A ALHADDAD K PANDEY A KOTHARI D P A review of threephase improved power quality acdc converters IEEE Transactions on industrial electronics IEEE v 51 n 3 p 641660 2004