Eletrônica Industrial - Alin do Amaral Martins

Alin do Amaral Martins Eletrônica industrial 2013 by Universidade de Uberaba Todos os direitos reservados Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio eletrônico ou mecânico incluindo fotocópia gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de informação sem prévia autorização por escrito da Universidade de Uberaba Universidade de Uberaba Reitor Marcelo Palmério PróReitora de Ensino Superior Inara Barbosa Pena Elias PróReitor de Logística para Educação a Distância Fernando César Marra e Silva Assessoria Técnica Ymiracy N Sousa Polak Produção de Material Didático Comissão Central de Produção Subcomissão de Produção Editoração Supervisão de Editoração Equipe de Diagramação e Arte Capa Toninho Cartoon Edição Universidade de Uberaba Av Nenê Sabino 1801 Bairro Universitário Catalogação elaborada pelo Setor de Referência da Biblioteca Central UNIUBE Martins Alin do Amaral M366e Eletrônica industrial Alin do Amaral Martins Uberaba Universidade de Uberaba 2012 156 p il ISBN 9788577774944 1 Eletrônica industrial 2 Retificador I Martins Alin do Amaral II Universidade de Uberaba III Título CDD 62138 Alin do Amaral Martins Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia UFU Graduada em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia UFU Engenheira eletricista da empresa Furnas Centrais Elétricas SA Sobre a autora Sumário Apresentação VII Capítulo 1 Dispositivos semicondutores e retificadores não controlados 1 11 O diodo de potência 3 111 Introdução 3 112 Construção do diodo de junção PN 3 113 Polarização do diodo de junção PN 4 114 Diodo ideal 4 115 Curva característica tensãocorrente do diodo 4 116 Valores nominais de diodos 6 12 Tiristor 10 121 Introdução 10 122 Construção do tiristor SCR 10 123 Polarização do tiristor de junção PNPN SCR 11 124 Curva característica tensãocorrente do tiristor SCR 11 125 Valores nominais de tiristores SCR 13 126 Circuitos de disparo e desligamento de tiristores SCR 18 127 Outros tiristores 19 13 Retificadores não controlados 23 131 Introdução 23 132 Retificador monofásico de meia onda 23 133 Retificador monofásico de onda completa com TAP central 32 134 Retificador monofásico de onda completa em ponte 39 135 Retificador trifásico de meia onda 44 136 Retificador trifásico de onda completa em ponte 49 Capítulo 2 Retificadores controlados e circuitos Chopper 57 21 Retificadores controlados 58 211 Retificador monofásico de meia onda 59 212 Retificador monofásico de onda completa com TAP central 68 213 Retificador monofásico de onda completa em ponte 73 214 Retificador trifásico de meia onda três pulsos82 215 Retificador trifásico de onda completa seis pulsos 89 22 Retificadores semicontrolados 95 221 Retificador monofásico em ponte 95 222 Retificador trifásico em ponte 96 23 Circuitos Chopper 97 231 Princípios básicos de Choppers DC 97 232 Choppers Buck step down 100 233 Choppers Boost step up 107 234 Choppers BuckBoost 112 Capítulo 3 Controladores AC e inversores 119 31 Controle de Potência AC 121 311 Introdução 121 312 Controle de tempo integral 122 313 Controle de fase 125 32 Inversor 131 321 Inversor em Hponte 131 322 Inversor de fonte de tensão 133 Caroa alunoa Você está recebendo um livro da Universidade de Uberaba que versa sobre a Eletrônica Industrial organizado com três capítulos que são enumerados a seguir 1 Dispositivos semicondutores e retificadores não controlados 2 Retificadores controlados e circuitos Chopper 3 Controlador AC e inversores No primeiro capítulo abordaremos o diodo de potência os transistores de potência e os tiristores SCRs e a diferença dos dois primeiros para um diodo de junção Enfocaremos ainda um transistor bipolar de junção No segundo capítulo estudaremos o princípio de retificadores não contro lados a diodo Nesse capítulo veremos os retificadores controlados que utilizam tiristores em sua construção e os semicontrolados que utilizam diodos e tiristores Além disso abordaremos o princípio de operação dos circuitos chopper um conversor DC DC que transforma uma tensão DC contínua em uma tensão DC variável No terceiro e último capítulo estudaremos o controle feito por uma chave que pode ser qualquer um dos dispositivos estudados no primeiro capítulo como TRIAC SCRs diodos entre outros Mas como o circuito será chavea do em vários instantes em geral utilizamse chaves que permitem o controle do momento do chaveamento o que exclui por exemplo os diodos Desejamos que continue com a dedicação e empenho demonstrados até agora Apresentação Introdução Dispositivos semicondutores e retifi cadores não controlados Capítulo 1 Em eletrônica de potência existem basicamente três dispositivos semicondutores o diodo de potência os transistores de potência e os tiristores SCRs A diferença dos dois primeiros para um diodo de junção e um transistor bipolar de junção está apenas na capacidade de maior potência que eles possuem suportando portanto altas tensões e altas correntes Os tiristores são semelhantes aos diodos em termos de funcionamento com a diferença que para entrarem em condução necessitam do disparo de um sinal de controle São os dispositivos mais utilizados na eletrônica de potência para chaveamento justamente porque esse controle pode ser feito a partir do momento que o dispositivo entra em condução Neste capítulo veremos as características dos tiristores e estudaremos os diodos e sua aplicação em retifi cadores não controlados Ao fi nal dos estudos deste capítulo você deverá ser capaz de explicar o funcionamento e características de um diodo e de um tiristor Objetivos 2 UNIUBE 11 O diodo de potência 111 Introdução 112 Construção do diodo de junção PN 113 Polarização do diodo de junção PN 114 Diodo ideal 115 Curva característica tensãocorrente do diodo 116 Valores nominais de diodos 12 Tiristor 121 Introdução 122 Construção do tiristor SCR 123 Polarização do tiristor de junção PNPN SCR 124 Curva característica tensãocorrente do tiristor SCR 125 Valores nominais de tiristores SCR 126 Circuitos de disparo e desligamento de tiristores SCR 127 Outros tiristores 13 Retificadores não controlados 131 Introdução 132 Retificador monofásico de meia onda 133 Retificador monofásico de onda completa com TAP cen tral Esquema analisar circuitos com diodos e tiristores descrever a operação de retificadores não controlados explicar o funcionamento de diodos como roda livre discutir as vantagens de um retificador de onda completa em relação ao de meia onda explicar o funcionamento de retificadores alimentando cargas de diferentes tipos resistiva e indutiva representar as formas de onda de um retificador não controlado UNIUBE 3 O diodo de potência 11 134 Retificador monofásico de onda completa em ponte 135 Retificador trifásico de meia onda 136 Retificador trifásico de onda completa em ponte 111 Introdução Diodos de potência têm um largo emprego dentro da eletrônica de potência Sabese da teoria de circuitos elétricos que um circuito indutivo quando chaveado sofre um surto de tensão já que a corrente neles não varia de forma instantânea Para solucionar esse problema utilizam se diodos para fornecer um caminho à passagem dessa corrente os chamados diodos de roda livre Diodos de potência são utilizados também em retificadores não controlados dispositivo que converte sinais alternados em contínuos 112 Construção do diodo de junção PN A construção do diodo de potência é semelhante à do diodo de junção Os materiais utilizados podem ser o germânio e o silício sendo porém o último mais utilizado pois suporta correntes e temperaturas mais altas e possui maior resistência reversa O diodo é formado por uma junção PN Sendo um dos terminais o ânodo junção P e o outro o catodo junção N As Figuras 1 e 2 mostram o símbolo do diodo e a representação esquemática da junção PN respectivamente Figura 1 Símbolo do diodo de potência Figura 2 Junção PN 4 UNIUBE 113 Polarização do diodo de junção PN Quando o ânodo tem potencial positivo em relação ao cátodo o diodo está diretamente polarizado e entra em condução com uma queda de tensão de 03 V para o diodo de germânio e 07 V para o de silício Já se o potencial do ânodo for negativo em relação ao cátodo o diodo está reversamente polarizado e entra em corte As Figuras 3 e 4 mostram as duas polarizações possíveis para o diodo Figura 3 Diodo diretamente polarizado Figura 4 Diodo reversamente polarizado 114 Diodo ideal Em eletrônica de potência frequentemente podese usar o conceito de diodo ideal e considerar a queda de tensão do diodo nula visto que os circuitos apresentarão altas correntes e tensões bem superiores à queda dos diodos que podem então ser desprezadas 115 Curva característica tensãocorrente do diodo Diodo real A Figura 5 mostra a curva tensão x corrente para um diodo real Observa se que a curva possui um joelho a partir do qual a corrente aumenta exponencialmente Isso ocorre para uma tensão em torno de 07 V para o diodo de silício e 03 V para o de germânio Já na região de polarização reversa temse um valor pequeno de corrente corrente de fuga reversa até certo valor de tensão denominado UNIUBE 5 tensão de ruptura ou tensão zener a partir da qual a corrente passa a crescer muito para variações mínimas de tensão Os diodos têm um limite de dissipação de potência portanto devese limitar a corrente de ruptura reversa para que este valor não seja ultrapassado e o diodo danificado Figura 5 Curva tensão x corrente do diodo real Diodo ideal A Figura 6 apresenta a curva tensão x corrente para o diodo ideal Neste caso quando o diodo está em condução a tensão sobre ele será nula enquanto que no corte sua corrente será nula Figura 6 Curva tensão x corrente do diodo ideal 6 UNIUBE 116 Valores nominais de diodos 1161 Tempo de recuperação reverso Trr Quando um diodo está em condução devido ao fluxo de portadores majoritários e minoritários e é aplicada tensão reversa sua corrente direta cessa vai a zero porém ele continua conduzindo uma corrente reversa devido ao fluxo dos portadores minoritários que estão armazenados no material semicondutor e na junção PN Esse fluxo demanda um tempo para ser neutralizado este tempo é chamado de tempo de recuperação reversa A Figura 7 mostra as curvas características do tempo de recuperação reversa Figura 7 Características de recuperação reversa Fonte Adaptado de Rashid 1999 1162 Tensão de pico reversa PRV Também chamada de tensão de ruptura é o máximo valor de tensão que pode ser aplicada em um diodo sem que ele entre na região de ruptura ver Figura 5 Se esse valor for ultrapassado o diodo pode ser permanentemente danificado sendo que seu valor depende do tipo de diodo UNIUBE 7 1163 Corrente direta máxima IDmax Corrente máxima que um diodo suporta quando em condução diretamente polarizado Seu valor varia de acordo com o diodo podendo chegar a valores de centenas de ampères 1164 Temperatura máxima da junção Tjmax É a temperatura máxima que pode apresentar a junção do diodo sem que este se danifique Para os diodos de silício a faixa de valores vai de 40ºC a 200ºC 1165 Corrente máxima de surto É a corrente máxima de um transitório que o diodo pode suportar sem se danificar Exemplo 1 Desenhe as formas de onda da tensão na carga e no diodo e da corrente para o circuito da figura a seguir Dados Vf 100V f 60Hz RL 25kΩ Diodo de silício 8 UNIUBE Resolução O circuito é alimentado por uma fonte de tensão alternada Devido a isto ora o diodo será polarizado diretamente positivo da fonte e ora reversamente negativo da fonte sendo que de acordo com o circuito será adotado que no instante inicial t 0 a fonte passa pelo ciclo positivo Formas de onda Diodo durante o ciclo positivo da fonte o diodo está diretamente polarizado e conduz portanto sua tensão será de 07V e a corrente por se tratar de um circuito série será a corrente de carga No ciclo negativo está reversamente polarizado e sua tensão é igual à tensão da fonte Carga durante o ciclo positivo da fonte estará submetida a tensão de VR 100 07 993V com uma corrente de IR 993 25k 3972mA No ciclo negativo com o circuito aberto não tem corrente e sua tensão é nula Vr 10 UNIUBE 121 Introdução Os tiristores são os dispositivos mais empregados dentro da eletrônica de potência e são um dos responsáveis pela atual evolução que se tem dentro deste ramo Tiristores são semicondutores de quatro camadas PNPN utilizados principalmente como chaves eletrônicas controladas A quarta camada é justamente a responsável pelo controle sendo que este componente permite o controle de grandes potências com um sinal de pequena amplitude Neste capítulo será dada maior ênfase ao SCR Silicon Controlled Rectifier que tratase do tiristor mais importante e difundido Serão abordados também alguns aspectos de outros tipos de tiristores GTO gate turnoff thyristor triac diac SCS Silicon Controlled Switch e o tiristor controlado MOS 122 Construção do tiristor SCR O tiristor é um dispositivo de quatro camadas PNPN e três terminais cátodo ânodo e gatilho A Figura 8 mostra a junção PNPN e a Figura 9 o símbolo do dispositivo Tiristor 12 Figura 8 Construção do tiristor Figura 9 Símbolo do tiristor UNIUBE 11 123 Polarização do tiristor de junção PNPN SCR Neste caso para que o componente entre em condução não basta apenas a tensão do ânodo ser positiva em relação ao cátodo primeira e terceira junção diretamente polarizadas é necessário também que se polarize a segunda junção diretamente ou seja o gatilho Esta polarização é conseguida com um disparo de uma tensão positiva entre o gatilho e o cátodo Uma vez o tiristor ligado ele passa a funcionar como diodo e não se tem mais controle sobre ele e para que ele continue no estado ligado basta que sua corrente de circulação esteja acima do nível conhecido como corrente de manutenção pois isto impede a formação de uma região de depleção em torno da segunda junção SINTETIZANDO Para que um tiristor entre em condução é necessário que ele seja diretamente polarizado através da aplicação de tensão positiva entre ânodo e cátodo e uma tensão de disparo seja aplicada no gatilho Devese ressaltar que esta tensão de disparo em geral é um pulso pois não é necessária a manutenção da tensão para que o dispositivo continue em condução pelos motivos já explicitados 124 Curva característica tensãocorrente do tiristor SCR A Figura 10 mostra a curva característica de tensãocorrente de um tiristor Existem três regiões distintas na curva da Figura 10 A região de bloqueio reverso é igual a do diodo sendo que o tiristor reversamente polarizado terá uma pequena corrente de fuga até determinado valor de tensão de 12 UNIUBE ruptura reversa em que a corrente passa a aumentar significativamente para pequenas variações na tensão e o dispositivo pode ser danificado permanentemente Outra região é a de bloqueio direto onde se tem uma tensão elevada ânodocátodo e um pequeno valor de IT A terceira região é a de condução onde se tem um pequeno valor de tensão ânodocátodo e valores altos de corrente Existem duas formas de se passar da região de bloqueio direto para a de condução aumentandose a tensão positiva entre ânodocátodo até a tensão de disparo direta ou aplicandose um pulso entre o gatilho e o cátodo segunda opção é a mais utilizada pois a primeira pode danificar o tiristor Para tal a tensão ânodocátodo é mantida abaixo de VBO e uma tensão positiva é aplicada entre o gatilho e o cátodo disparando o dispositivo Uma vez disparado o tiristor continua no estado de condução desde que sua corrente seja maior que o valor da corrente de manutenção IH mesmo que o sinal do gatilho seja removido Nessa condição ele passa o operar como um diodo e não se tem mais controle sobre o dispositivo Figura 10 Curva tensão x corrente tiristor Fonte Adaptado de Rashid 1999 Zona inestable UNIUBE 13 Na sua forma ideal a curva tensão x corrente do tiristor é mostrada na Figura 11 Figura 11 Curva característica do tiristor ideal 125 Valores nominais de tiristores SCR 1251 Máxima corrente RMS de modo repetitivo A corrente RMS de modo repetitivo é usada para se estimar a temperatura do dispositivo sendo que seu valor não deve exceder um limite para que a temperatura não seja maior que a máxima suportada pelo tiristor Entretanto os fabricantes fornecem geralmente o valor da corrente média fornecida à carga e como o valor RMS de formas de onda não senoidais é de difícil cálculo recorrese à uma aproximação que resulta em uma corrente um pouco acima do valor real Como o erro é no sentido de uma margem de segurança esse aproximação pode ser utilizada para a estimativa da corrente A equação 1 mostra como esse cálculo é feito 2 m 0 RMS I t I T 1 14 UNIUBE Em que t0 é a duração do pulso T é o tempo de repetição do pulso período Im é a corrente máxima Outra forma de se obter a corrente RMS é por meio do fator de forma f0 pela equação 2 RMS 0 avg I f I 2 O valor de f0 é tabelado de acordo com o tempo em que o tiristor permanece ligado ângulo de condução A Tabela 1 é mostrada a seguir Ângulo de condução Fator de forma 20º 50 40º 35 60º 27 80º 23 100º 20 120º 18 140º 16 160º 14 180º 13 Tabela 1 Fator de forma em função do ângulo de condução Fonte Ahmed 2000 UNIUBE 15 Exemplo 2 Calcule a corrente RMS e o fator de forma de um circuito tiristorizado para o funcionamento mostrado na figura a seguir Resolução 2 m 0 RMS I t I T 2 RMS 10 3 I 7 IRMS 6 54A avg 10 3 I 4 29A 7 RMS 0 avg I f I 0 6 54 f 4 29 0f 1 52 16 UNIUBE 1252 Valor nominal de corrente de surto ITSM É o máximo valor de corrente de surto que o tiristor pode suportar durante um pequeno intervalo de tempo sendo que seu valor é de 5 a 20 vezes maior que a corrente máxima RMS O número máximo de surtos que um tiristor pode ter durante sua vida útil sem se danificar é 100 1253 Corrente de travamento IL Mínima corrente que deve fluir pelo tiristor quando o sinal de disparo é aplicado para que ele se mantenha em condução quando o sinal é retirado 1254 Corrente de manutenção IH Valor mínimo de corrente para o tiristor se manter em condução depois de recebida a corrente de disparo Exemplo 3 Calcule o valor máximo da carga para que o tiristor se mantenha em condução para o circuito mostrado a seguir Considere a corrente de manutenção do tiristor igual a 300mA UNIUBE 17 Resolução max s L H V 300 R 1k I 0 3 Ω 1255 Tensão de pico não repetitiva reversa VRSM Máximo valor de tensão transitória que o tiristor suporta 1256 Tensão de pico repetitiva reversa VRRM Análoga à tensão de pico reversa dos diodos sendo portanto o máximo valor de tensão que pode ser aplicada ao tiristor sem que ele entre na região de ruptura reversa 1257 Tensão de bloqueio direto VDRM Máxima tensão instantânea que o tiristor pode bloquear na região de polarização direta IMPORTANTE Existem circuitos chamados de circuitos de auxílio à comutação cuja função é evitar que variações bruscas na tensão dvdt e corrente didt dos tiristores causem danos a estes e também evitar disparos indesejados Estes circuitos são chamados de circuitos snubbers e podem conter resistências indutores capacitores e diodos dependendo se o que se deseja limitar é corrente ou tensão 18 UNIUBE 126 Circuitos de disparo e desligamento de tiristores SCR 1261 Disparo Existem três tipos de sinais utilizados para disparo de tiristores sinais contínuos pulsados ou alternados Para que o disparo seja realizado basicamente é necessário que a amplitude do sinal seja adequada e que o tempo de sua aplicação seja suficiente para que a corrente de travamento seja atingida É importante também que se garanta que ruídos ou sinais falsos não disparem o tiristor 1262 Desligamento O desligamento do tiristor é mais complicado de ser efetuado do que o disparo já que não há como fazêlo pelo terminal de controle Sendo assim é necessário um arranjo que desligue o tiristor As formas de desligar um tiristor são i Comutação natural ii Comutação por ressonância de carga iii Comutação forçada a Comutação natural Em sistemas cuja tensão é alternada durante o ciclo negativo da forma de onda a comutação ocorrerá de forma natural devido à aplicação de tensão negativa entre ânodo e cátodo b Comutação por ressonância de carga Quando a carga é constituída de capacitores e indutores estes podem entrar em ressonância A ressonância da carga faz com que a corrente se inverta podendo ficar menor que IH desligando neste caso o tiristor UNIUBE 19 c Comutação forçada Utilizado em circuitos com alimentação cc tem um circuito de comutação auxiliar que oferece um caminho alternativo à corrente de carga enquanto se aplica uma tensão reversa sobre ele que desliga o dispositivo Atualmente com o advento dos GTOs gate turnoff thyristor utilizam se em geral os SCR com comutação natural ou pela carga sendo a comutação forçada de pouca aplicação 127 Outros tiristores 1271 Tiristor de desligamento por porta GTO O disparo do GTO é semelhante ao do SCR ou seja aplicandose tensão positiva na porta Sua diferença no entanto está no desligamento já que nesse caso conseguese desligar o dispositivo com a aplicação de uma corrente negativa na porta em geral devem ser maiores que as correntes responsáveis por ligálo Além disso ele possui a vantagem adicional de ter um tempo de desligamento reduzido em relação ao SCR Possuem no entanto a desvantagem de operarem com correntes e tensões mais baixas que os SCRs São utilizados em UPSs fontes de alimentação ininterrupta VARs compensadores estáticos choppers inversores acionamentos de motores O símbolo do GTO é mostrado na Figura 12 20 UNIUBE Para algumas aplicações circuitos que contêm um GTO devem conter um circuito snubber para evitar que haja grandes perdas de potência quando a tensão aumenta acentuadamente e também limitar o dvdt no desligamento Além disso um diodo reverso pode ser usado em paralelo pois o GTO possui capacidade reduzida de bloqueio da tensão reversa 1272 Chave controlada de Silício SCS A diferença deste dispositivo é que ele possui duas portas a do ânodo AG e a do cátodo KG Ele passa para o estado ligado através da aplicação de um pulso positivo na porta cátodo ou negativo na porta ânodo Para passar ao estado desligado pulsos contrários devem ser aplicados positivo na porta ânodo ou negativo na porta cátodo A Figura 13 a seguir mostra o símbolo do dispositivo Figura 12 Símbolo do GTO Figura 13 Símbolo SCS UNIUBE 21 1273 Diac Diode for Alternating Current O Diac possui três camadas e dois terminais normalmente chamados de A1 ou MT1 e A2 ou MT2 Ele funciona como dois diodos ligados de forma inversa em série Este dispositivo passa para o estado ligado quando um valor de tensão de disparo é atingido e para de conduzir quando a corrente fica abaixo de um valor mínimo Normalmente ele é utilizado para acionar dispositivos maiores como Triacs e SCRs A Figura 14 a seguir mostra o símbolo desse dispositivo Figura 14 Símbolo Diac 1274 Triac Triode for Alternating Current Possui construção semelhante à do Diac porém com a presença de um terceiro terminal que funciona como gate controlando o instante que o dispositivo passa para o estado ligado PONTOCHAVE Sua diferença em relação aos outros tiristores é que ele conduz corrente nos dois sentidos ora sendo acionado com sinal positivo ora por um sinal negativo Com isso ele consegue fazer o controle de sinais AC com eficiência 22 UNIUBE A Figura 15 mostra o símbolo do dispositivo e a Tabela 2 mostra os modos de operação do mesmo Figura 15 Símbolo do Triac Tensão entre A1 e A2 Tensão entre a porta e A1 Positivo Positivo Positivo Negativo Negativo Positivo Negativo Negativo Tabela 2 Modos de operação do Triac São usados geralmente em sistemas AC de 60Hz como controles de velocidade de motores e de aquecimento em relés e ou de iluminação 1275 Tiristor controlado MOS MCT É uma mistura das características do MOSFET e SCR A Figura 16 mostra o símbolo desse dispositivo Figura 16 Símbolo MCT UNIUBE 23 Possui baixa queda de tensão direta no estado ligado baixo tempo de desligamento e alta capacidade de suportar didt e dvdt Seu funcionamento é semelhante ao do GTO porém a corrente de desligamento é menor Possui no entanto a desvantagem de apresentar baixa tensão de bloqueio inversa 131 Introdução A transmissão e distribuição de energia elétrica são feitas em corrente alternada mas muitas cargas trabalham com corrente contínua Para adequar a tensão são então utilizados conversores chamados de retificadores Retificadores são dispositivos utilizados para transformar tensões e correntes alternadas em contínuas Os retificadores não controlados utilizam apenas diodos em sua construção e não permitem o controle do instante inicial da retificação já que esta ocorrerá sempre que o diodo estiver diretamente polarizado o que não pode ser controlado Neste capítulo estudaremos os retificadores não controlados monofásicos de meia onda de onda completa com transformador com TAP central de onda completa em ponte trifásico de meia onda e de onda completa 132 Retificador monofásico de meia onda Os retificadores monofásicos de meia onda conduzem apenas um ciclo da senoide quando o diodo está diretamente polarizado Sua construção é mostrada na Figura 17 a seguir 13 Retificadores não controlados 24 UNIUBE Figura 17 Retificador monofásico de meia onda Em seguida será feita a análise da retificação para cargas resistivas indutivas e indutivas com diodo de roda livre Carga resistiva A Figura 18 mostra um retificador com carga resistiva Figura 18 Retificador de meia onda com carga resistiva O diodo estará diretamente polarizado no semiciclo positivo da senoide Com o diodo diretamente polarizado uma corrente irá circular na carga resistiva e a tensão V0 será diferente de zero Durante o semiciclo negativo o diodo estará reversamente polarizado e não haverá corrente no circuito e V0 será zero A Figura 19 mostra as formas de onda de saída do circuito anterior UNIUBE 25 Figura 19 Formas de onda do retificador monofásico meia onda com carga resistiva 26 UNIUBE A tensão média na carga será p 0m V V π 0m p V 0 318V Em que Vp é a tensão de pico de entrada Como o circuito é puramente resistivo a corrente está em fase com a tensão e seu valor será dado pela mesma relação de V0 0m p I 0 318I p p V I R Em que Ip é a corrente de pico de entrada A potência entregue à carga será dada por 0m 0m 0m P V I 0m p p P 0 318V 0 318I p 2 0m p V P 0 318 V R 2 p 2 0m V P 0 318 R A potência fornecida pela fonte é 2 p ent V 2 P 2R UNIUBE 27 2 p ent V P 4R A eficiência deste tipo de retificador é baixa e é dada pela fórmula a seguir 0m ent P P η Em que η é o rendimento do retificador Exemplo 4 Para o retificador da Figura 18 considere a carga de 200 Ω e a tensão 100V eficaz e faça o que se pede a calcule a tensão de pico na carga b calcule a tensão média na carga c calcule a corrente de pico na carga d calcule a corrente média na carga e calcule a potência de entrada f calcule a potência média na carga g determine a eficiência do retificador h desenhe as formas de onda da tensão de entrada tensão e corrente na carga e tensão no diodo Resolução a Vp 2 100 141 42V b 0m p V 0 318V 44 97V c p p V 141 42 I 0 7071A R 200 28 UNIUBE d 0m p I 0 318 I 0 22A e 2 2 p ent V 141 42 P 25W 4R 800 f 2 2 0m 141 42 P 0 318 10W 200 g 0m ent P 10 0 4 40 P 50 η h Vr UNIUBE 29 Carga indutiva RL A Figura 20 mostra um retificador com carga indutiva Figura 20 Retificador de meia onda com carga indutiva O diodo estará diretamente polarizado no semiciclo positivo da senoide Com o diodo diretamente polarizado uma corrente irá circular na carga resistiva e a tensão V0 será diferente de zero Durante o semiciclo negativo o diodo estará reversamente polarizado e não haverá corrente no circuito e V0 será zero Quando o diodo está diretamente polarizado a tensão da carga será a mesma da fonte mas a corrente se comportará de forma diferente do que para a carga apenas resistiva A seguir será feito uma análise desse ritificador A corrente em um indutor não varia de forma instantânea logo a corrente na carga irá aumentar gradualmente até o máximo E esta não ocorrerá 30 UNIUBE no mesmo instante que o máximo da tensão e sim depois Fato que comprova a teoria do atraso da corrente em relação à tensão em um indutor Quando a tensão passa para o ciclo negativo o indutor não deixa que a corrente caia a zero instantaneamente o que força o diodo continuar conduzindo até que a corrente chegue a zero Nesse período a tensão na carga será a tensão negativa da fonte Quando a corrente chega a zero o diodo fica reversamente polarizado A Figura 21 mostra as formas de onda do circuito mostrado na Figura 20 Figura 21 Formas de onda do retificador monofásico de meia onda com carga indutiva j UNIUBE 31 A tensão média na carga será Nesse caso o ângulo φ depende de R e L A corrente média é dada por Carga indutiva com diodo de roda livre A Figura 22 a seguir mostra o circuito para esta configuração Neste caso o diodo de roda livre servirá como caminho à circulação de corrente quando a fonte passar para o ciclo negativo o que evita que o diodo continue em condução e a carga tenha tensão negativa Figura 22 Retificador de meia onda com carga indutiva e diodo de roda livre A Figura 23 mostra as formas de onda para esta configuração 32 UNIUBE Figura 23 Formas de onda do retificador de meia onda com carga indutiva com diodo de roda livre 133 Retificador monofásico de onda completa com transformador com TAP central Os retificadores de meia onda não são muito utilizados na prática pois apresentam baixa eficiência e tensão média Entretanto o retificador de onda completa vem solucionar esse problema Os retificadores de onda completa retificam todo o ciclo da senoide apresentando tensão e corrente média mais altos assim como sua eficiência O circuito deste retificador utilizando transformador com TAP central é mostrado na Figura 24 a seguir UNIUBE 33 Figura 24 Retificador de onda completa com com TAP central Carga resistiva A Figura 25 mostra o circuito para carga resistiva Figura 25 Retificador de onda completa com TAP central e carga resistiva No semiciclo positivo da fonte o diodo D1 estará diretamente polarizado enquanto que D2 estará reversamente polarizado Através de D1 e da carga irá circular uma corrente provocando uma queda de tensão na carga No semiciclo negativo da fonte o diodo D1 estará reversamente polarizado enquanto que D2 estará diretamente polarizado Através de D2 e da carga irá circular uma corrente provocando uma queda de tensão na carga A seguir será feita a análise desse circuito com carga resistiva indutiva e indutiva com o diodo de roda livre 34 UNIUBE A corrente e a tensão na carga terão a mesma polaridade nos dois semiciclos já que o sentido de circulação de corrente na carga não se inverte com a alternância do semiciclo como mostra a Figura 26 Figura 26 a Corrente no semiciclo positivo b Corrente no semiciclo negativo A tensão e corrente médias são dadas por 0m p V 0 636V p 0m 0 636V I R A corrente eficaz de saída é dada por p 0 I I 2 Em que Ip corrente de pico no secundário do transformador A corrente eficaz nos diodos será p D I I 2 A potência média entregue à carga é dada por 2 m 0m 2 4V P π R UNIUBE 35 Figura 27 Formas de onda do retificador de onda completa com TAP central e carga resistiva Exemplo 5 Considere o circuito da Figura 25 para uma carga de 100Ω V1 50V 60Hz relação de transformação 14 Determine a as correntes de pico e média da carga b as tensões de pico e média da carga c a corrente eficaz nos diodos d a corrente e tensão RMS na carga e a potência entregue à carga f desenhe as formas de onda da saída para a corrente e tensão na carga e corrente e tensão nos diodos A Figura 27 mostra as formas de onda do circuito estudado 36 UNIUBE Resolução a p RMS V 2 V 2 200 282 84V p p V 282 84 I 2 83A R 100 0m p I 0 636I 0 636 2 83 1 8A b Vp 282 84V m p V V 0 0 636 0 636 282 84 V m V 0 179 9 c p D I 2 83 I 1 42 A 2 2 d p RMS I 2 83 I 2 2 e IRMS 2 A p RMS V 282 84 V 2 2 VRMS 200V f 2 2 m 0 2 2 4V 4 282 84 P 324 2W R 100 π π UNIUBE 37 Carga indutiva RL A Figura 28 mostra o circuito para carga indutiva 38 UNIUBE Figura 28 Retificador de onda completa com TAP central e carga indutiva Como a carga agora é indutiva quando a tensão muda de ciclo o diodo que estava conduzindo fica reversamente polarizado mas continua a conduzir corrente por determinado período de tempo já que o indutor não deixa a corrente variar instantaneamente Devido a isto a amplitude da tensão média será menor As expressões para cálculo dos parâmetros são as mesmas que as do caso resistivo A Figura 29 mostra as formas de onda de saída para esta configuração Figura 29 Formas de onda do retificador de onda completa com TAP central e carga indutiva UNIUBE 39 A corrente na carga passa pelo valor máximo quando a tensão passa pelo mínimo e passa pelo mínimo quando a tensão passa pelo máximo Isso ocorre porque quando a tensão da fonte aumenta a corrente no circuito tende a aumentar então a tensão no indutor se opõe a esse processo o que causa diminuição na corrente deste Quando a tensão diminui o processo é inverso A corrente da carga nunca será zero e se a indutância da carga for grande a corrente será praticamente constante como mostra a Figura 30 a seguir Figura 30 Corrente na carga para indutância alta 134 Retificador monofásico de onda completa em ponte Tratase de outro tipo de retificador de onda completa que utiliza quatro diodos em sua configuração mas dispensa o uso de transformador com TAP central Carga resistiva A Figura 31 mostra o retificador de onda completa em ponte Figura 31 Retificador de onda completa em ponte com carga resistiva 40 UNIUBE Considerando a polarização mostrada na Figura 31 quando a fonte passa pelo semiciclo positivo os diodos D2 e D3 estão diretamente polarizados enquanto que D1 e D4 estão reversamente polarizados Através de D2 D3 e da carga irá circular corrente Já no semiciclo negativo os diodos D1 e D4 estão diretamente polarizados enquanto que D2 e D3 estão reversamente polarizados Através de D1 D4 e da carga irá circular corrente Observe que nos dois semiciclos o sentido da corrente na carga é o mesmo Os valores de tensão e corrente são os mesmos do retificador com TAP central porém neste caso a tensão máxima nos diodos será o valor de pico da fonte e não mais duas vezes este valor A Figura 32 mostra as formas de onda de saída do circuito a seguir Figura 32 Formas de onda do retificador de onda completa em ponte com carga resistiva p p p UNIUBE 41 Carga indutiva RL Similarmente aos outros casos quando a carga possui uma indutância a forma de onda da corrente e da tensão irá variar O circuito para este caso é mostrado na Figura 33 e as formas de onda na Figura 34 Figura 33 Retificador de onda completa em ponte com carga indutiva Figura 34 Formas de onda com retificador de onda completa em ponte com carga indutiva p p p 42 UNIUBE Como pode ser observado na Figura 34 a corrente agora é uma onda quadrada e não mais uma senoide Isto acontece porque supõemse que a indutância é muito maior que a resistência infinita porém na verdade a corrente vai ser uma forma de onda que se aproxima de uma onda quadrada pois na prática não existe indutância infinita A Figura 35 mostra a forma de onda real da corrente Quanto maior a indutância da carga mais a corrente se aproxima de um valor constante Figura 35 Forma de onda real da corrente Como a corrente de carga nesse caso é constante seus valores máximo médio e eficaz serão os mesmos Já a corrente nos diodos será metade da corrente total já que os diodos da ponte conduzem em semiciclos alternados A corrente RMS é dada por UNIUBE 43 Exemplo 6 Para o circuito dado na Figura 33 determine a a tensão média na carga b a corrente média na carga c a corrente máxima na carga d o valor RMS da corrente na carga e a corrente média em cada diodo f a corrente RMS em cada diodo g a potência fornecida à carga Dados Vf 150 V R 15 Ω L R Resolução 44 UNIUBE 135 Retificador trifásico de meia onda Retificadores trifásicos apresentam várias vantagens em relação aos monofásicos entre elas maior tensão de saída para uma mesma entrada que resulta em uma maior eficiência ondulação na onda de saída menor e de maior frequência o que facilita a filtragem Carga resistiva O circuito do retificador é mostrado na Figura 36 Figura 36 Retificador trifásico de meia onda com carga resistiva Como o sistema é trifásico a alimentação será composta de três ondas defasadas entre si de 120º como mostra a Figura 37 Figura 37 Alimentação trifásica UNIUBE 45 Considerando as formas de onda da Figura 37 aplicadas no circuito da Figura 36 segue a análise da condução dos diodos de 30º a 150º como a fase A é mais positiva que as outras duas o diodo D1 estará diretamente polarizado e D2 e D3 estarão inversamente polarizados A tensão da carga será a da fase A neste intervalo de 150º a 270º a fase B é mais positiva que as outras duas logo o diodo D2 estará diretamente polarizado e D1 e D3 estarão inversamente polarizados A tensão da carga será a da fase B neste intervalo já de 270º a 390º a fase C é mais positiva que as outras duas logo o diodo D3 estará diretamente polarizado e D1 e D2 estarão inversamente polarizados A tensão da carga será a da fase C neste intervalo depois de 390º os ciclos se repetem A tensão de saída é mostrada na Figura 38 Figura 38 Tensão de saída Fonte Adaptado de MSPC Informações Técnicas 2011 Esse retificador é chamado de retificador de três pulsos devido aos três pulsos que se alternam em sua saída Va Vb e Vc A frequência da ondulação de saída é dada por 46 UNIUBE Em que n é o número de pulsos fs é a frequência da tensão de alimentação Para o retificador de meia onda essa frequência será portanto 180 Hz A tensão média na carga é dada por sin 0 avg p n V V n π π Para o retificador de três pulsos 0 avg p V 0 827V A corrente é dada por 0 avg p I 0 827 I Em que m p V I R Como cada diodo conduz durante 13 do ciclo sua corrente é dada por 0 avg D avg I I 3 Já a corrente eficaz na carga é dada por 0 RMS p I 0 408 I UNIUBE 47 Exemplo 7 Considere o circuito da Figura 36 para R 100 Ω Van 2000º Vbn 200120º e Vcn 200120º Determine a a tensão máxima na carga b a tensão média na carga c a corrente média na carga d a corrente máxima na carga e a corrente máxima no diodo f a corrente média no diodo Resolução a Tensão de linha Tensão de fase b c d e A corrente máxima no diodo é igual à corrente máxima da carga portanto f 48 UNIUBE Carga indutiva RL Quando a carga for composta de um indutor e um resistor analogamente aos casos estudados anteriormente a corrente terá uma ondulação menor inversamente proporcional ao valor da indutância ou seja quanto maior o indutor menor a ondulação Vamos considerar que o indutor possui impedância infinita o que faz com que a corrente de carga seja constante O circuito para este caso é mostrado na Figura 39 e as formas de onda na Figura 40 Figura 39 Retificador trifásico meia onda com carga indutiva UNIUBE 49 Figura 40 Formas de onda do retificador trifásico de meia onda com carga indutiva 136 Retificador trifásico de onda completa em ponte É um dos mais utilizados em aplicações de alta potência Possui menos ondulação que o retificador de três pulsos O circuito deste retificador de seis pulsos é mostrado na Figura 41 Figura 41 Retificador trifásico de onda completa em ponte com carga resistiva 50 UNIUBE De acordo com o valor das tensões trifásicas de alimentação haverá no circuito sempre dois diodos diretamente polarizados e os outros quatro bloqueados Segue a análise da polarização dos diodos para o circuito retificador mostrado na Figura 41 Diodo D1 conduz de 60º a 180º Va mais positivo Diodo D2 conduz de 180º a 300º Vb mais positivo Diodo D3 conduz de 0º a 60º e 300º a 360º Vc mais positivo Diodo D4 conduz de 240º a 360º Va mais negativo Diodo D5 conduz de 0º a 120º Vb mais negativo Diodo D6 conduz de 120º a 240º Vc mais negativo Resumindo a condução no circuito ficará da seguinte forma De 0º a 60º diodos D3 e D5 conduzindo De 60º a 120º diodos D1 e D5 conduzindo De 120º a 180º diodos D1 e D6 conduzindo De 180º a 240º diodos D2 e D6 conduzindo De 240º a 300º diodos D2 e D4 conduzindo De 300º a 360º diodos D3 e D4 conduzindo As formas de onda de saída para carga resistiva e indutiva são mostradas nas Figuras 42 e 43 respectivamente UNIUBE 51 Figura 42 Formas de onda do retificador trifásico de onda completa em pone com carga resistiva Fonte Adaptado de Ahmed 2000 52 UNIUBE Figura 43 Formas de onda do retificador trifásico de onda completa em ponte com carga indutiva Fonte Adaptado de Ahmed 2000 UNIUBE 53 Resumo Neste capítulo foram enfocados três importantes elementos da eletrônica de potência o diodo de potência os transistores de potência e tiristores SCRs Foi discutida a construção e polarização de um diodo de junção PN as características de um diodo ideal e sua curva real bem como os principais valores nominais envolvidos Além disso foram estudadas as formas de onda em um circuito que contém um diodo Já com relação aos tiristores foram apresentados sua construção e polarização a curva característica tensãocorrente os principais valores nominais envolvidos Além do mais foi discutido sobre os circuitos de disparo e desligamento de tiristores enfocando o tiristor do tipo SCR que é o mais utilizado Foram apresentadas também as características básicas de outros tipos de tiristores Por fim foram estudados os retificadores não controlados que são aqueles que utilizam apenas diodos em sua construção Atividades Atividade 1 Explique o problema que ocorrerá com o circuito a seguir e especifique em qual ciclo isto vai ocorrer 54 UNIUBE Atividade 2 Calcule o valor máximo da carga para que o tiristor se mantenha em condução para o circuito mostrado a seguir Considere a corrente de manutenção do tiristor igual a 250mA Atividade 3 Considere o circuito da Figura 20 e faça o que se pede a calcule a tensão de pico na carga b calcule a tensão média na carga c calcule a corrente média na carga d calcule a potência média na carga Dados V 127 V R 10 Ω Φ 10º UNIUBE 55 Atividade 4 Um transformador 41 alimenta um retificador de onda completa com terminal central a partir de uma fonte de 200V Sendo a resistência da carga R 300Ω e L 05H determine a a tensão de saída DC b a corrente média na carga c a corrente máxima no diodo d a potência entregue à carga Atividade 5 Uma fonte ac trifásica de 380 V alimenta uma carga resistiva de 50 Ω por meio de um retificador não controlado de três pulsos Determine a a tensão máxima na carga b a tensão média na carga c a corrente média na carga d a corrente máxima na carga e a corrente máxima no diodo f a corrente média no diodo Referências AHMED Ashfaq Eletrônica de potência São Paulo Pearson Education do Brasil 2000 479 p ALMEIDA José Luiz Antunes de Eletrônica de potência São Paulo Érica 1986 297 p BARBI Ivo Eletrônica de potência 3 ed Florianópolis Do Autor 2000 408 p LANDER Cyril W Eletrônica industrial teoria e aplicações São Paulo Makron Books do Brasil 1988 56 UNIUBE MSPC Informações Técnicas Correntes alternadas VII10 Disponível em httpwwwmspcengbrelemagac0710shtml Acesso em 9 ago 2011 RASHID Muhammad H Eletrônica de potência circuitos dispositivos e aplicações São Paulo Makron Books do Brasil 1999 828 p SUBRAHMANYAM Vedam Power electronics New York New Age International Publishers 1996 Introdução Retifi cadores controlados e circuitos Chopper Capítulo 2 Foi visto anteriormente o princípio de retifi cadores não contro lados a diodo Neste capítulo serão estudados os retifi cado res controlados que utilizam tiristores em sua construção e os semicontrolados que utilizam diodos e tiristores Além disso será visto o princípio de operação dos circuitos chopper um conversor DC DC que transforma uma tensão DC contínua em uma tensão DC variável Ao fi nal dos estudos deste capítulo você deverá ser capaz de descrever a operação de retifi cadores controlados explicar o funcionamento de retifi cadores controlados alimentando cargas de diferentes tipos resistiva e indutiva discutir as vantagens de um retifi cador controlado em relação ao não controlado representar as formas de onda de um retifi cador controlado discutir o funcionamento do Chopper básico descrever a operação dos Choppers abaixadores elevadores e abaixadores elevadores Objetivo 58 UNIUBE Esquema 21 Retificadores controlados 211 Retificador monofásico de meia onda 212 Retificador monofásico de onda completa com TAP central 213 Retificador monofásico de onda completa em ponte 214 Retificador trifásico de meia onda três pulsos 215 Retificador trifásico de onda completa seis pulsos 22 Retificadores semicontrolados 221 Retificador monofásico em ponte 222 Retificador trifásico em ponte 23 Circuitos Chopper 231 Princípios básicos de Choppers DC 232 Choppers Buck step down 233 Choppers Boost step up 234 Choppers BuckBoost Nos retificadores não controlados que utilizam apenas diodos em sua construção não é possível o controle do momento em que o dispositivo entra em condução bastando apenas que o diodo seja diretamente polarizado O retificador controlado a tiristor vem suprir essa carência Como o tiristor é um dispositivo que permite o controle da entrada em condução já que não basta apenas a polarização direta Adicionalmente o gate receber um sinal de controle permitindo que nesse tipo de retificador seja possível controlar o momento do início da retificação Retificadores controlados 21 UNIUBE 59 Existem retificadores constituídos apenas de tiristores esses são controlados já os compostos de tiristores e diodos são semicontrolados Serão estudados os retificadores monofásicos controlados de meia onda de onda completa com TAP central e de onda completa em ponte monofásicos semicontrolados em ponte trifásicos controlados de meia onda de onda completa em ponte e trifásicos semicontrolados de onda completa em ponte com diodo de retorno 211 Retificador monofásico de meia onda Os retificadores monofásicos de meia onda conseguem retificar apenas um ciclo da senoide quando o tiristor está diretamente polarizado seu início sendo dado pela aplicação do sinal de controle no gate Sua construção é mostrada na Figura 1 Figura 1 Retificador monofásico de meia onda Será feita a análise da retificação para cargas resistivas indutivas indutivas com diodo de roda livre 60 UNIUBE Figura 2 Retificador monofásico de meia onda com carga resistiva Carga resistiva A Figura 2 mostra um retificador com carga resistiva Este retificador possibilita a retificação de apenas meio ciclo da senoide sendo o tempo de condução durante esse meio ciclo estabelecido pelo pulso de controle aplicado ao gate O tiristor estará diretamente polarizado no semiciclo positivo da senoide Neste período quando for disparado o pulso no gate o dispositivo entra em condução e fornece corrente à carga Quando a alimentação passa para o semiciclo negativo o tiristor fica reversamente polarizado entrando em corte deixando de fornecer corrente à carga As formas de onda para o circuito em questão são mostradas na Figura 3 O pulso é aplicado no gate por um intervalo αº após a polarização direta do tiristor UNIUBE 61 Figura 3 Formas de onda do retificador monofásico de meia onda com carga resistiva Fonte Adaptado de Ahmed 2000 O valor médio da tensão na carga é dado por cos m 0 avg V 1 V 2 α π A corrente média é dada por cos m 0 avg V 1 I 2 R α π Já o valor RMS é dado por sin 1 2 m RMS I 2 I 1 2 2 α α π π 62 UNIUBE Como esperado a tensão média de saída será função do ângulo de disparo α sendo que quanto maior esse ângulo disparo efetuado mais tarde menor será a tensão média de saída A tensão máxima será obtida quando α 0º caso em que o tiristor conduzirá durante todo o semiciclo positivo da senoide funcionando o circuito como um diodo retificador Exemplo 1 O circuito da Figura 2 é alimentado por uma fonte de tensão alternada de 200V Sendo a resistência da carga de 20Ω e α 30º determine a a tensão média na carga b a potência entregue à carga c a corrente média na carga d a corrente eficaz na carga e desenhe as formas de onda da tensão de saída corrente na carga e tensão no tiristor Resolução a cos m 0 avg V 1 V 2 α π cos º 0 avg 200 2 1 30 V 2 π V0 avg 84V b 2 2 0 avg L V 84 P 352 8W R 20 c cos cos º m 0 avg V 1 200 2 1 30 I 4 2A 2 R 2 20 α π π UNIUBE 63 d sin 1 2 m RMS I 2 I 1 2 2 α α π π sin º 1 2 RMS 200 2 20 30 2 30 I 1 5 89 A 2 180 2 π e 64 UNIUBE Exemplo 2 Um retificador controlado de meia onda ligado a uma fonte de 150V alimenta uma carga resistiva de 25Ω Determine a tensão média e a potência fornecida à carga nas seguintes situações a α 0º b α 45º c α 90º d α 135º e α 180º Resolução a cos m 0 avg V 1 V 2 α π cos º 0 avg 150 2 1 0 V 2 π V0 avg 67 52V 2 2 0 avg L V 67 52 P 182 36W R 25 b cos m 0 avg V 1 V 2 α π cos º 0 avg 150 2 1 45 V 2 π V0 avg 57 63V 2 2 0 avg L V 57 63 P 132 85W R 25 UNIUBE 65 c cos m 0 avg V 1 V 2 α π cos º 0 avg 150 2 1 90 V 2 π V0 avg 33 76V 2 2 0 avg L V 33 76 P 45 6W R 25 d cos m 0 avg V 1 V 2 α π cos º 0 avg 150 2 1 135 V 2 π V0 avg 9 89V 2 2 0 avg L V 9 89 P 3 91W R 25 e cos m 0 avg V 1 V 2 α π cos º 0 avg 150 2 1 180 V 2 π V0 avg 0V LP 0W Observe que quanto maior o ângulo menor a tensão média e a potência conforme esperado Para α 0º temse a maior potência e tensão média já que o tiristor irá conduzir durante todo o semiciclo sendo que para α 90º a tensão e potência serão 0 pois o dispositivo não estará diretamente polarizado para este valor de ângulo de disparo 66 UNIUBE Carga indutiva RL De forma análoga ao que ocorre em retificadores não controlados quando a carga que o retificador controlado alimenta é indutiva a corrente do circuito não cairá a zero no momento em que a tensão da fonte passa a ser negativa devido à não variação instantânea da corrente Com isso o tiristor é forçado a continuar conduzindo durante breve intervalo de tempo e a tensão na carga assume o valor negativo da tensão da fonte O circuito e as formas de onda para este caso são mostrados nas Figuras 4 e 5 respectivamente Figura 4 Retificador monofásico de meia onda carga indutiva Figura 5 Formas onda do retificador monofásico de meia onda com carga indutiva Fonte Adaptado de Ahmed 2000 UNIUBE 67 A tensão média na carga neste caso é dada por cos cos m 0 avg V V 2 α β π Carga indutiva com diodo de roda livre O diodo de roda livre é inserido no sistema em paralelo com a carga de forma que quando a fonte estiver no semiciclo negativo ele estará diretamente polarizado e assumirá a corrente da carga ficando deste modo o tiristor reversamente polarizado e não aparecendo tensão negativa na carga Se o indutor for um valor bem grande a corrente na carga será praticamente constante Os parâmetros são calculados do mesmo modo que para o caso da carga resistiva O circuito e as formas de onda para este caso são mostrados nas Figuras 6 e 7 respectivamente Figura 6 Retificador monofásico de meia onda com carga indutiva e diodo de roda livre 68 UNIUBE Figura 7 Formas onda para retificador monofásico de meia onda com carga indutiva e diodo de roda livre Fonte Adaptado de Ahmed 2000 212 Retificador monofásico de onda completa com TAP central Neste caso serão retificadas tanto a parte positiva da onda de tensão como a negativa O circuito com carga genérica deste retificador é mostrado na Figura 8 Figura 8 Retificador monofásico de onda completa com TAP central UNIUBE 69 Carga resistiva No semiciclo positivo D1 estará diretamente polarizado se um pulso for aplicado no gate este conduzirá e D2 estará bloqueado Já no negativo ocorre o inverso D2 está diretamente polarizado e D1 está bloqueado Observe que nos dois casos o sentido da circulação de corrente na carga será o mesmo O valor médio da tensão na carga é dado por cos m 0 avg V 1 V α π A corrente eficaz é dada por sin 1 2 RMS m 2 I I 1 2 α α π π As formas de onda para este caso são mostradas na Figura 9 Figura 9 Formas onda do retificador monofásico de onda completa com TAP central Fonte Adaptado de Ahmed 2000 70 UNIUBE Carga indutiva RL Supondo grande a indutância do circuito a corrente que circulará na carga será constante Assim as formas de onda são mostradas na Figura 10 Figura 10 Formas onda carga indutiva Fonte Adaptado de Ahmed 2000 A tensão negativa que surge na carga é devido à indutância do circuito sendo assim desnecessária sua explicação aqui novamente O valor médio da tensão na carga é dado por Carga indutiva com diodo de roda livre UNIUBE 71 A inserção do diodo de roda livre soluciona o problema da tensão negativa na carga Se o indutor for grande a corrente na carga será praticamente constante circulando pelo diodo de roda livre no semiciclo negativo da fonte O circuito e as formas de onda são mostrados nas Figuras 11 e 12 respectivamente Figura 11 Retificador monofásico de onda completa com TAP central e carga indutiva com diodo de roda livre Fonte Adaptado de Ahmed 2000 72 UNIUBE Figura 12 Formas onda do retificador monofásico de onde completa e TAP central com carga indutiva e diodo de roda livre Fonte Adaptado de Ahmed 2000 O valor médio da tensão na carga é dado por cos m 0 avg V 1 V α π A corrente no diodo é dada por cos m D 2 V 1 I R α α π UNIUBE 73 213 Retificador monofásico de onda completa em ponte Carga resistiva O circuito desta configuração é mostrado na Figura 13 Figura 13 Retificador monofásico onda completa em ponte com carga resistiva No semiciclo positivo os tiristores 1 e 4 estarão diretamente polarizados e caso sejam acionados pelo gate conduzirão corrente que circulará pela carga sendo que 2 e 3 estarão reversamente polarizados Já no semiciclo negativo os tiristores 2 e 3 estarão diretamente polarizados e caso sejam acionados pelo gate conduzirão corrente que circulará pela carga já 1 e 4 estarão reversamente polarizados Observe que os tiristores que conduzem simultaneamente devem ser controlados para dispararem ao mesmo tempo A Figura 14 mostra as formas de onda de saída do circuito 74 UNIUBE Figura 14 Formas onda do retificador monofásico de onda completa em ponte com carga resistiva Fonte Adaptado de Ahmed 2000 UNIUBE 75 O valor médio da tensão na carga é dado por cos m 0 avg V 1 V α π A corrente eficaz é dada por sin m RMS I 2 I 1 2 2 α α π π Exemplo 3 Um retificador monofásico controlado de onda completa em ponte ligado à uma fonte de 200V alimenta uma carga resistiva de 30Ω Sendo α 20º determine a a tensão média na carga b a corrente média na carga c a corrente máxima na carga d a corrente eficaz na carga e a potência fornecida à carga f o fator de potência Resolução a cos m 0 avg V 1 V α π cos º 0 avg 200 2 1 20 V 174 63V π b 0 avg 0 avg V 174 63 I 5 82 A R 30 76 UNIUBE Carga indutiva RL Se a indutância for pequena ou o ângulo de disparo α for alto a corrente chegará a zero no ciclo negativo e será não contínua Já se a indutância for grande ou α pequeno a corrente não chega a zero e será contínua As Figuras 15 e 16 mostram as formas de onda para os dois casos respectivamente c 0m 0m V 200 2 I 9 43 A R 30 d sin m RMS I 2 I 1 2 2 α α π π sin RMS 9 43 20 40 I 1 6 63 A 180 2 2 π e 2 2 0 RMS P RI 30 6 63 1320 56W f s RMS S V I 200 6 63 1326W P 1320 56 fp 0 99 S 1326 UNIUBE 77 Figura 15 Formas onda do retificador monofásico de onda completa em ponte com carga indutiva e corrente não contínua Fonte Adaptado de Ahmed 2000 Para a corrente não contínua o valor médio da tensão de saída é dado por cos cos m 0 avg V V α β π 78 UNIUBE Figura 16 Formas onda do retificador monofásico de onda completa em ponte com carga indutiva e corrente contínua Fonte Adaptado de Ahmed 2000 Para a corrente contínua o valor médio da tensão de saída é dado por cos 0 avg m 2 V V α π UNIUBE 79 Como a corrente é contínua a tensão eficaz de saída será constante e igual à de entrada p 0 RMS V V 2 Exemplo 4 Um retificador monofásico controlado de onda completa ligado a uma fonte de 350 V alimenta uma carga indutiva Sendo a indutância da carga alta e R075Ω determine o ângulo de disparo α se a tensão média na carga for 300 V Resolução cos 0 avg m 2 V V α π cos 2 300 350 2 α π 17 81º α Exemplo 5 Um retificador monofásico controlado de onda completa ligado a uma fonte de 250 V alimenta uma carga indutiva Sendo a indutância da carga grande R15Ω e α 30º determine a a tensão média na carga b a corrente média na carga c a corrente máxima na carga d a corrente eficaz na carga e a corrente média em cada tiristor f a potência fornecida à carga g a eficiência do retificador h o fator de potência 80 UNIUBE Resolução a m cos 0 avg 2V V α π b 0 avg 0 avg V 195 14 I 13 A R 15 c p p V 250 2 I 23 57 A R 15 d 0 RMS 0 avg I I 13 A e Como cada tiristor conduz em um semiciclo sua corrente será metade da média na carga D avg 0 avg 1 I I 6 5 A 2 f 2 2 0 RMS P I R 13 15 2535W g 0 ent P 2535 0 78 A P 250 13 η h P 2535 fp 0 78 S 250 13 Carga indutiva com diodo de roda livre A inserção do diodo de roda livre soluciona o problema da tensão negativa na carga Se o indutor for grande a corrente na carga será praticamente constante circulando pelo diodo de roda livre e pela carga no semiciclo negativo da fonte UNIUBE 81 O circuito para esta configuração e as formas de onda são mostrados nas Figuras 17 e 18 respectivamente Figura 17 Retificador monofásico de onda completa em ponte com carga indutiva e diodo de roda livre Figura 18 Formas onda do retificador monofásico de onda completa em ponte com carga indutiva e diodo roda livre Fonte Adaptado de Ahmed 2000 82 UNIUBE 214 Retificador trifásico de meia onda três pulsos Os retificadores trifásicos possuem uma tensão média de saída dc maior que a dos monofásicos e com menor ondulação Além disso por serem trifásicos apresentam maior capacidade de fornecer potência à carga Carga resistiva O circuito deste retificador é mostrado na Figura 19 Figura 19 Retificador trifásico de meia onda Como o sistema é trifásico a alimentação será composta de três ondas defasadas entre si de 120º como mostra a Figura 20 Figura 20 Alimentação trifásica UNIUBE 83 Considerando as formas de onda da Figura 20 aplicadas no circuito da Figura 19 segue a análise da polarização direta dos tiristores de 30º a 150º como a fase A é mais positiva que as outras duas o tiristor SCR1 estará diretamente polarizado e SCR2 e SCR3 estarão inversamente polarizados A tensão da carga será a da fase A neste intervalo de 150º a 270º a fase B é mais positiva que as outras duas logo o diodo SCR2 estará diretamente polarizado e SCR1 e SCR3 estarão inversamente polarizados A tensão da carga será a da fase B neste intervalo já de 270º a 390º a fase C é mais positiva que as outras duas logo o diodo SCR3 estará diretamente polarizado e SCR1 e SCR2 estarão inversamente polarizados A tensão da carga será a da fase C neste intervalo depois de 390º os ciclos se repetem IMPORTANTE Se o tiristor diretamente polarizado for acionado por um pulso de gate ele entrará em condução e ficará neste estado até ser reversamente polarizado por comutação natural já que a alimentação é alternada O ângulo de disparo α será dado com relação ao cruzamento das tensões de fases Por exemplo considerando o acionamento de SCR1 se α 10º significa que o disparo ocorrerá 10º depois de 30º que é o ponto de cruzamento no qual o tiristor fica diretamente polarizado ou seja 40º em relação ao ângulo 0º 84 UNIUBE A Figura 21 mostra as formas de onda de saída para um pequeno ângulo de disparo α Figura 21 Formas onda do retificador trifásico de meia onda com carga resistiva Fonte Adaptado de Ahmed 2000 O valor médio da tensão na carga é dado por cos 0 avg m 3 3 V V α cos 0 avg m V 0 827V α UNIUBE 85 Como cada tiristor conduz durante 13 do tempo sua corrente média será dada por 0 avg SCR avg I I 3 A corrente eficaz nos tiristores é dada por SCR avg SCR RMS I I 3 A tensão máxima reversa nos tiristores será a tensão máxima de linha SCR m m V 3V Exemplo 6 Um retificador trifásico controlado de meia onda com tensão de alimentação 380V 60 Hz alimenta uma carga resistiva de 20 Ω Sendo α 15º determine a a tensão média na carga b a corrente média na carga c a corrente máxima na carga d a corrente média nos tiristores e a corrente eficaz nos tiristores f a corrente máxima nos tiristores Resolução a cos cos º 0 avg m 380 V 0 827V 0 827 2 15 247 13V 3 α b 0 avg 0 avg V 247 13 I 12 36 A R 20 c m m V 220 2 I 15 56 A R 20 86 UNIUBE Figura 22 Formas de onda do retificador trifásico de meia onda com carga indutiva Fonte Adaptado de Ahmed 2000 d 0 avg SCR avg I 12 36 I 4 12A 3 3 e SCR avg SCR RMS I 4 12 I 2 37 A 3 3 f a 1 556 A Carga indutiva RL A Figura 22 mostra as formas de onda de saída para um ângulo maior que 30º UNIUBE 87 Considerando uma carga indutiva grande a corrente na carga será constante e a tensão assumirá valores negativos caso o ângulo de disparo seja maior que 30º A tensão média na carga é calculada pela mesma fórmula do caso resistivo Carga indutiva com diodo de roda livre Como o diodo oferece passagem à corrente de carga quando os tiristores são reversamente polarizados a tensão da carga não assume mais valores negativos A Figura 23 mostra o circuito deste retificador e a 24 mostra as formas de onda de saída Figura 23 Retificador trifásico de meia onda com carga indutiva e diodo de roda livre 88 UNIUBE Figura 24 Formas de onda do retificador trifásico de meia onda com carga indutiva e diodo de roda livre Fonte Adaptado de Ahmed 2000 UNIUBE 89 215 Retificador trifásico de onda completa seis pulsos O circuito deste retificador de seis pulsos é mostrado na Figura 25 Figura 25 Retificador trifásico de onda completa em ponte De acordo com o valor das tensões trifásicas de alimentação haverá no circuito sempre dois tiristores diretamente polarizados e os outros quatro bloqueados Segue a análise da polarização dos tiristores para o circuito retificador mostrado na Figura 25 Tiristor SCR1 conduz de 0º a 120º Va mais positivo Tiristor SCR2 conduz de 120º a 240º Vb mais positivo Tiristor SCR3 conduz de 240º a 360º Vc mais positivo Tiristor SCR4 conduz de 120º a 240º Va mais negativo Tiristor SCR5 conduz de 0º a 60º e 300º a 360º Vb mais negativo Tiristor SCR6 conduz de 60º a 180º Vc mais negativo Resumindo a condução no circuito ficará da seguinte forma de 0º a 60º tiristores SCR1 e SCR5 diretamente polarizados de 60º a 120º tiristores SCR1 e SCR6 diretamente polarizados de 120º a 180º tiristores SCR2 e SCR6 diretamente polarizados de 180º a 240º tiristores SCR2 e SCR4 diretamente polarizados de 240º a 300º tiristores SCR3 e SCR4 diretamente polarizados de 300º a 360º tiristores SCR3 e SCR5 diretamente polarizados 90 UNIUBE Depois de 360º o ciclo se repete Os tiristores devem ser corretamente acionados conforme o tempo de polarização descrito anteriormente para entrarem em condução aos pares As formas de onda de saída para carga resistiva ou indutiva com diodo de roda livre são mostradas nas Figuras 26 e 27 e para carga indutiva na Figura 28 Figura 26 Formas de onda para as tensões do retificador trifásico de onda completa em ponte com carga resistiva ou indutiva com diodo de roda livre Fonte Adaptado de Ahmed 2000 UNIUBE 91 Figura 27 Formas de onda para as correntes do retificador trifásico de onda completa em ponte com carga resistiva ou indutiva com diodo de roda livre Fonte Adaptado de Ahmed 2000 92 UNIUBE Figura 28 Formas de onda para as tensões e correntes do retificador trifásico de onda completa em ponte com carga indutiva Fonte Adaptado de Ahmed 2000 Para que o sistema opere com tensão e corrente contínua de saída o ângulo de acionamento não deve ser maior que 60º que é o ponto de comutação da tensão UNIUBE 93 Para a tensão média de saída será dada por Caso o disparo ocorra entre se a carga indutiva for grande a corrente não cairá a zero instantaneamente e o tiristor será forçado a continuar conduzindo e a carga assumirá o valor de tensão negativa da fonte Para carga resistiva ou com diodo de roda livre isso não ocorre Para a tensão média de saída será dada por A partir de 120º a tensão média passa a ser zero A corrente eficaz na carga é dada por Para Para O valor eficaz da corrente da fonte é dado por 94 UNIUBE Para carga indutiva quando o ângulo de disparo for 90º a tensão média de saída será zero Na faixa de 0º a 90º o circuito atua como retificador Caso o ângulo seja maior que 90º ele passa a atuar como inversor já que a tensão de saída na carga assume o valor da tensão negativa da fonte Portanto para o circuito opera como inversor Cabe ressaltar aqui que esse processo só ocorre quando a indutância possui um alto valor Exemplo 7 Um retificador controlado trifásico de seis pulsos alimenta uma carga resistiva de 15Ω a partir de uma fonte de 380 V Determine a tensão e corrente média na carga e a potência fornecida à carga se a α 45º b α 60º c α 90º Resolução a b UNIUBE 95 c tiristor reversamente polarizado Retificadores semicontrolados 22 Os retificadores semicontrolados utilizam diodos e tiristores em sua construção Esta construção evita que surjam na carga tensões negativas como ocorre algumas vezes nos retificadores controlados Este retificador é utilizado justamente em cargas em que a parcela negativa da tensão não é desejada 221 Retificador monofásico em ponte O circuito deste retificador é mostrado na Figura 29 Figura 29 Retificador semicontrolado monofásico em ponte No semiciclo positivo o tiristor SCR1 e o diodo D4 estarão diretamente polarizados Se SCR1 for disparado ele passa a conduzir o circuito se fecha e a potência será fornecida à carga Já SCR2 e D3 estarão reversamente polarizados Quando a fonte passa para o semiciclo 96 UNIUBE negativo SCR1 e D4 ficam reversamente polarizados porém se a carga for indutiva a corrente não irá variar de forma instantânea e forçará SCR1 a continuar conduzindo Porém neste caso como se tem outro diodo no circuito D3 a circulação de corrente se dará por SCR1 D3 e a carga roda livre pois este é um ramo de menor impedância para a corrente do que passar por D4 e pela fonte Quando a corrente chegar a zero SCR1 finalmente fica reversamente polarizado e SCR2 e D3 entrarão em condução quando o tiristor for disparado A tensão média na carga é dada por 0 1 cos m avg V V a p 222 Retificador trifásico em ponte Os diodos da metade inferior da ponte impedem o surgimento de tensão negativa na carga pois atuarão como roda livre quando a fonte estiver no semiciclo negativo O esquema de condução é semelhante ao do controlado com a diferença que apenas um tiristor deve ser disparado pois o outro elemento é um diodo Veja na Figura 30 um esquema do circuito deste retificador Figura 30 Retificador trifásico semicontrolado em ponte UNIUBE 97 Chopper é um conversor DC DC capaz de transformar uma tensão DC contínua em uma DC variável Essa conversão é obtida através de um circuito que utiliza um indutor eou um capacitor e um dispositivo de estado sólido que liga e desliga a carga à fonte em alta frequência A tensão média de saída depende do tempo que a carga fica ligada à entrada O chaveamento em alta frequência pode ser obtido utilizandose um SCR BJTs MOSFETs ou GTOs Como a alimentação é DC e o circuito será ligado e desligado é interessante que se utilize um dos três últimos já que nestes dispositivo eletrônico o desligamento também é facilmente controlado pela porta Já se um SCR for utilizado é necessária a comutação forçada para desligar o circuito Para controle do chaveamento geralmente utilizase a técnica denominada PWM Modulação por largura de pulso Existem três tipos de choppers DC buck step down boost step up abaixador e elevador de tensão respectivamente e buckboost que combina as duas características 231 Princípios básicos de Choppers DC Um circuito Chopper basicamente é constituído de uma chave ligada em série com uma fonte de tensão e a carga A chave como dito anteriormente pode ser um SCR BJT MOSFET ou GTO A Figura 31 ilustra o circuito 23 Circuitos Chopper 98 UNIUBE Figura 31 Circuito chopper básico Considerando a chave ideal ou seja sem perdas a potência de saída será igual à potência de entrada do circuito Em que Vi Ii é a tensão e corrente de entrada Vo Io é a tensão e corrente de saída Controlando a chave de modo que ela trabalhe ora aberta e ora fechada a tensão de saída média da carga pode ser controlada O tempo que a chave permanece fechada em um período ciclo T será chamado de Ton e o tempo que ela permanece aberta Toff A forma de onda da tensão de saída é mostrada na Figura 32 Figura 32 Forma de onda saída do Chopper básico Fonte Adaptado de Ahmed 2000 UNIUBE 99 A tensão média de saída é dada por A relação entre o tempo que a chave fica fechada e o período total é chamada ciclo de trabalho Em que d é o ciclo de trabalho Logo Geralmente o controle da chave é feita através da técnica denominada PWM Modulação por largura de pulso Neste tipo de controle o período de chaveamento é constante sendo que Ton é variado variando a tensão média de saída A Figura 33 mostra como se dá essa variação Figura 33 Controle PWM Fonte Adaptado de Ahmed 2000 100 UNIUBE Pode ser usada também a técnica PFM Modulação por frequência de pulso Neste caso Ton é que não varia enquanto que o período T é variado A Figura 34 ilustra o controle Figura 34 Controle PFM Fonte Adaptado de Ahmed 2000 232 Choppers Buck step down O circuito apresentado anteriormente não é utilizado na prática visto que sua corrente de saída apresentaria muita oscilação Para diminuir essas oscilações são acrescidos no circuito um indutor e um diodo como mostra a Figura 35 Figura 35 Chopper Buck UNIUBE 101 Quando a chave S é fechada o diodo ficará reversamente polarizado comportandose como um circuito aberto A tensão na carga será a tensão da fonte e a corrente aumentará de zero ao valor máximo durante determinado intervalo de tempo já que o indutor não deixa que ela varie instantaneamente O tempo que a chave permanece ligada é Ton Quando a chave S é aberta como o indutor não deixa a corrente cair a zero de forma instantânea surge nele uma tensão contrária à anterior para impedir essa variação Essa tensão polariza o diodo diretamente e a corrente passa a fluir pela carga e pelo diodo que estará funcionando neste caso como roda livre O tempo que a chave permanece desligada é Toff Se o valor da indutância for grande e d não for muito pequeno a corrente na carga não chegará a zero durante Toff e o chopper estará operando no modo de corrente contínua As formas de onda para este tipo de operação são mostradas na Figura 36 Figura 36 Formas de operação para o modo de operação de corrente contínua Fonte Adaptado de Ahmed 2000 102 UNIUBE O chopper buck fornece uma tensão de saída menor que a tensão de entrada A corrente média no indutor será dada por Mas Logo A tensão no indutor é dada por Quando a chave estiver aberta Toff Combinando esta com a equação das correntes máxima e mínima temse UNIUBE 103 A corrente de ondulação pico a pico é dada por A corrente média no diodo será dada por A tensão média na carga é dada por A potência na carga é E a potência de entrada é Como se considerou a chave ideal sem perdas temse Pelas equações anteriores observase que variando o ciclo de trabalho a tensão e corrente na carga são variadas 104 UNIUBE Agora se o ciclo de trabalho ou a indutância forem pequenos a corrente chegará a zero quando a chave estiver desligada e o circuito funcionará no modo de corrente não contínua A Figura 37 ilustra este tipo de operação Figura 37 Formas de operação para o modo de operação de corrente não contínua Fonte Adaptado de Ahmed 2000 Neste caso o valor mínimo de corrente será zero Esse modo de operação é indesejado portanto no projeto de um chopper buck devese escolher a frequência de chaveamento e a indutância adequadamente para que se garanta um modo de operação com corrente contínua UNIUBE 105 Exemplo 8 Um buck DC alimenta uma carga com R 20Ω e L 25mH operando a 2kHz alimentado por uma fonte contínua de 120V Sendo a tensão média de saída de 80V determine a o ciclo de trabalho b Ton c a tensão eficaz na carga d corrente máxima e mínima e potência de entrada f corrente de ondulação pico a pico g corrente de ondulação pico a pico se a frequência for aumentada para 4kHz h corrente de ondulação pico a pico se a indutância for aumentada para 50 mH Resolução a b c d e 106 UNIUBE f g h Exemplo 9 Um chopper buck opera uma tensão de entrada de 150 V alimentando uma carga com R 5 Ω e L 50 mH Sendo a frequência de chaveamento 15 kHz e Toff 037 ms e Iiavg 15 A determine a a tensão média na carga b a corrente de saída c a potência de saída d o valor mínimo necessário de L e o modo de operação UNIUBE 107 Resolução a b c d e Como o valor mínimo de L é 0925 mH e o valor da indutância do circuito é 50 mH o chopper opera no modo de corrente contínua 233 Choppers Boost step up Os choppers boost fornecem uma tensão de saída maior que a tensão de entrada Seu circuito é mostrado na Figura 38 Figura 38 Chopper Boost Quando a chave é fechada o indutor é energizado e sua tensão será a tensão da fonte Como no indutor a corrente não varia de forma instantânea ela aumentará de forma linear até o valor máximo 108 UNIUBE Quando a chave é desligada aberta a tensão do indutor muda de polaridade para impedir variação na corrente Com a mudança a tensão fica com polaridade igual à da fonte A soma dessas duas tensões será aplicada na carga já que o diodo D ficará diretamente polarizado A energia armazenada no indutor será transferida para o capacitor e a carga Quando a chave for novamente fechada a corrente da fonte passa a circular por ela e pelo indutor já que o diodo D ficará reversamente polarizado A energia armazenada no capacitor fornece tensão à carga A partir daqui os ciclos se repetem As formas de onda de saída são mostradas na Figura 39 Figura 39 Formas de onda saída do Chopper Boost Fonte Adaptado de Ahmed 2000 UNIUBE 109 As equações para cálculo dos parâmetros serão Em que Won é a energia armazena no indutor no período em que a chave está ligada Woff é a energia transferida do indutor para a carga no período em que a chave está desligada Como se está trabalhando com circuitos ideais a energia transferida do indutor para a carga em Toff deve ser igual à armazenada em Ton 110 UNIUBE Como as perdas foram desprezadas temse Um chopper boost funciona como um transformador elevador DC em que a relação de transformação pode ser modificada de acordo com o chaveamento variação de d As correntes máxima e mínima serão dadas por O valor mínimo da indutância para que o circuito opere no modo de corrente contínua será Exemplo 10 Um boost alimenta uma carga de 5Ω e L 3mH com tensão DC de 100V Considere Ton 2ms e a tensão de saída de 130V determine a o ciclo de trabalho b a frequência de chaveamento UNIUBE 111 c IIon e I0on d plote as formas de onda das correntes na chave na carga e no diodo Resolução a b c d 112 UNIUBE 234 Choppers BuckBoost Este circuito pode fornecer na saída tensão igual maior ou menor que a tensão de entrada Ou seja ele é uma combinação dos dois choppers estudados anteriormente O circuito é mostrado na Figura 40 Figura 40 Chopper buckboost Fonte Adaptado de Ahmed 2000 Quando a chave S é fechada o indutor fica ligado à fonte e vai armazenar energia no campo magnético Nesta condição o diodo D estará reversamente polarizado e a carga desacoplada da fonte Quando a chave S é aberta a polaridade da tensão no indutor se inverte para impedir a variação da corrente e o diodo é diretamente polarizado ligando o indutor à carga A energia armazenada no indutor será então transferida para a carga e o capacitor UNIUBE 113 A tensão de saída é controlada com a variação do ciclo de trabalho A energia transferida para o indutor durante Ton será Já com a chave desligada a energia transferida pelo indutor será Considerando o circuito ideal temse A corrente máxima é dada por E a mínima é dada por Para que o circuito opere no modo de corrente contínua o valor de L deverá ser no mínimo 114 UNIUBE Exemplo 11 Para o circuito a seguir determine Dados R 35Ω L 05 mH Vi 30V V0 50V Ton 2ms a a frequência de chaveamento do chopper b as correntes máxima e mínima c a corrente de entrada média d a corrente média no diodo e a ondulação pico a pico da corrente de entrada f a indutância mínima necessária para operação em corrente contínua Resolução a UNIUBE 115 b c d e f Resumo Neste capítulo foram estudados os retificadores controlados e semicon trolados que são aqueles que utilizam apenas tiristores em sua constru ção e tiristores e diodos respectivamente Como foi visto esses dispositivos são muito importantes dentro da eletrônica de potência pois muitos equipamentos eletrônicos utilizam corrente contínua para seu funcionamento e o sistema de transmissão é feito em corrente alternada 116 UNIUBE Além disso foram estudados também os circuitos chopper conversores dcdc que de acordo com seu tipo podem ser abaixadores ou elevadores de tensão ou os dois ao mesmo tempo Atividade 1 Um retificador controlado de meia onda ligado a uma fonte de 100V 60 Hz alimenta uma carga resistiva de 20Ω Se α 15º determine a a corrente máxima na carga b a tensão média na carga c a corrente média na carga d a corrente RMS na carga e a potência fornecida à carga d o fator de potência Atividade 2 Um retificador monofásico controlado de meia onda é alimentado por uma fonte de 150 V 60 Hz Determine o ângulo de disparo necessário para fornecer 300W de potência a uma carga de 15Ω Atividade 3 Um retificador controlado de seis pulsos em ponte é ligado a uma alimentação trifásica AC de 380 V Se a resistência de carga for de 25 Ω e indutância grande determine para um ângulo de disparo de 45º a a tensão média na carga b a corrente média na carga c a corrente eficaz na carga d a corrente média nos tiristores Atividades UNIUBE 117 e a corrente eficaz nos tiristores f tensão nominal nos tiristores g a potência entregue à carga Atividade 4 Um chopper stepup opera em uma frequência de 2 kHz A fonte de tensão dc é de 120 V e a carga resistiva é 5 Ω Sendo a corrente média de 150 A determine a a potência dissipada pela carga resistiva b o ciclo de trabalho c o valor médio da corrente da fonte d o valor médio da corrente na chave Atividade 5 Um chopper buckboost fornece potência para uma carga com resistência de 2 Ω e indutância de 1 mH A fonte de tensão DC é 70 V e a tensão na carga 100 V Sendo Ton 2 ms determine a a frequência de chaveamento do chopper b corrente máxima c corrente mínima d o valor médio da corrente de entrada e o valor médio da corrente no diodo f a ondulação pico a pico da corrente de entrada g a indutância mínima requerida para operação em corrente contínua 118 UNIUBE Referências AHMED Ashfaq Eletrônica de potência São Paulo Pearson Education do Brasil 2000 479 p ALMEIDA José Luiz Antunes de Eletrônica de potência São Paulo Érica 1986 297 p BARBI Ivo Eletrônica de potência 3 ed Florianópolis Editora do Autor 2000 408 p LANDER Cyril W Eletrônica industrial teoria e aplicações São Paulo Makron Books do Brasil 1988 RASHID Muhammad H Eletrônica de potência circuitos dispositivos e aplicações Carlos Alberto Favaro trad São Paulo Makron Books do Brasil 1999 828 p SUBRAHMANYAM Vedam Power electronics New York New Age International Publishers 1996 Introdução Controladores AC e inversores Capítulo 3 No capítulo anterior foram estudados os choppers DC que convertem uma tensão DC fi xa em uma tensão DC variável No presente capítulo será estudado o controlador AC que faz o mesmo trabalho porém para tensão alternada Os controladores AC portanto são conversores AC AC que transformam uma tensão alternada fi xa em uma tensão alternada variável Esse controle será feito em geral por uma chave que pode ser qualquer um dos dispositivos estudados no 1º capítulo como TRIAC SCRs diodos entre outros Mas como o circuito será chaveado em vários instantes em geral utilizamse chaves que permitem o controle do momento do chaveamento o que exclui por exemplo os diodos Para aplicações de potência elevada é recomendado que se utilizem SCRs visto que estes suportam valores nominais mais altos dar grandeza tensão corrente e potência 120 UNIUBE Vale ressaltar que como a tensão a ser convertida é AC deve ser usada uma chave bidirecional que pode ser um dispositivo que já o seja ou dois SCRs em antiparalelo por exemplo Os controladores de tensão AC são utilizados para controle de aquecimento de iluminação resistência de TAP de transformadores controle de velocidade de motores entre outras Além disso será estudada a teoria acerca dos inversores circuitos que transformam potências DC em potências AC em dada frequência desejada Embora a saída de tensão de um inversor não seja senoidal em alguns casos ela será bastante aproximada e pode ser considerada como tal Serão vistas também algumas técnicas de controle para os inversores sendo dada ênfase à modulação por largura de pulso senoidal que é uma das mais utilizadas Objetivos Ao final dos estudos deste capítulo você deverá ser capaz de reconhecer o funcionamento do controlador AC descrever os métodos de se controlar a tensão AC reconhecer as diferenças entre o método de controle integral e de fase reconhecer as diferenças do controle de fase AC para cargas resistivas e indutivas explicar a operação do controlador monofásico explicar a operação de inversores descrever a técnica de modulação por largura de pulso senoidal UNIUBE 121 Esquema 31 Controle de Potência AC 311 Introdução 312 Controle de tempo integral 313 Controle de fase 32 Inversor 321 Inversor em Hponte 322 Inversor de fonte de tensão 311 Introdução Para o controle da potência entregue à carga podem ser usados dois métodos o de ciclo integral e o de fase No método de ciclo integral ligase a fonte à carga durante um ou mais ciclos completos e desligase a carga da fonte também por um ou mais ciclos completos Esse tipo de controle só deve ser utilizado para cargas com alta constante de tempo De acordo com o número de ciclos que a carga recebe ou não tensão da fonte sua potência é controlada A Figura 1 ilustra o controle por ciclo integral Controle de Potência AC 31 Figura 1 Controle de ciclo integral Fonte Adaptado de Ahmed 2000 122 UNIUBE Já no método de fase a carga será ligada à fonte durante determinado intervalo de tempo a cada ciclo sendo esse tempo determinado pela variação do ângulo de disparo do dispositivo utilizado no chaveamento Por esse motivo é recomendada a utilização de dispositivos que entram em condução após um pulso de disparo A Figura 2 ilustra o controle de fase Figura 2 Controle de fase Fonte Adaptado de Ahmed 2000 312 Controle de tempo integral Nesse tipo de controle como um ou mais ciclos completos de tensão devem ser aplicados à carga e posteriormente a tensão deve ficar extinta também durante um ou mais ciclos completos devese disparar a chave em α 0º nos ciclos que se deseja manter a carga ligada e não se dispara o dispositivo no ciclo que se deseja manter a carga desligada A potência média na carga é controlada pelo número de ciclos que a carga permanece ligada ou não à fonte O tempo que a carga permanece ligada à fonte é denominado Ton o tempo que permanece desligada Toff e período total T UNIUBE 123 O ciclo de trabalho d é dado por A tensão eficaz e a potência média na carga serão dadas por Vi tensão de entrada eficaz O fator de potência será dado por A vantagem deste método é que exige um número menor de chaveamentos Exemplo 1 Uma fonte monofásica AC de 150 V fornece potência a uma carga resistiva de 10 Ω através de um controlador AC que utiliza controle de ciclo integral Determine a a corrente média na carga b a corrente máxima na chave c a potência máxima fornecida d o ciclo de trabalho e Ton para fornecer 1575 kW de potência e o fator de potência para a operação descrita em d 124 UNIUBE Resolução a Como os ciclos de condução são completos o valor da corrente média será zero b c A potência máxima é fornecida durante o ciclo ligado d Devese então escolher o valor de T Fazendo T 10 ciclos e Exemplo 2 Uma fonte monofásica AC de 180 V fornece potência a uma carga resistiva de 12 Ω através de um controlador AC que utiliza controle de ciclo integral Sendo d 04 determine a a tensão média na carga b a corrente média na carga c a corrente eficaz na carga d a potência média fornecida à carga e o fator de potência UNIUBE 125 Resolução a b Zero c d e 313 Controle de fase 3131 Carga resistiva O circuito da Figura 3 pode ser usado para fazer esse tipo de controle Figura 3 Circuito do controlador AC com controle de fase Fonte Adaptado de Ahmed 2000 Durante o semiciclo positivo 0º à 180º o tiristor 1 estará diretamente polarizado e receberá um pulso no ângulo α entrando em condução e permanecerá neste estado até 180º Em 180º a tensão da fonte estará no semiciclo negativo polarizando o tiristor 2 diretamente Esse receberá um pulso em α π e entrará em condução ficando neste estado até 2π 126 UNIUBE A potência fornecida à carga é controlada variandose o ângulo de disparo α de 0º potência fornecida máxima à 180º zero de potência fornecida A tensão eficaz de saída será dada por E a corrente por A corrente eficaz nos tiristores é dada por A potência de saída será dada por Note que a potência varia com o quadrado da variação da tensão ou da corrente ou seja se a tensão diminuir 30 70 do nominal a potência irá diminuir 50 072 Embora a carga seja resistiva como a forma de onda de saída não é senoidal o fator de potência será menor que 1 e dado por As formas de onda de saída para o circuito considerando um ângulo de disparo de 60º são mostradas na Figura 4 UNIUBE 127 Figura 4 Formas onda do controlador AC com controle de fase e carga resistiva Fonte Adaptado de Ahmed 2000 Exemplo 3 Um controlador monofásico de potência alimentado com 150 V alimenta uma carga resistiva de 15 Ω Determine a tensão e corrente eficazes de saída e a potência fornecida à carga se o ângulo de disparo for de a 0 b 60º c 120º d 180º Resolução a 128 UNIUBE b c d Exemplo 4 Para o exemplo anterior calcule o fator de potência para cada α dado Resolução a α 0º UNIUBE 129 b α 60º c α 120º d α 180º 3132 Carga indutiva O circuito deste controlador é mostrado na Figura 5 Figura 5 Controlador AC carga indutiva Fonte Adaptado de Ahmed 2000 Devido à indutância da carga quando a fonte mudar de semiciclo o tiristor que estiver em condução será forçado a continuar conduzindo mesmo reversamente polarizado já que a corrente não irá variar de forma instantânea 130 UNIUBE Com isso a tensão negativa da fonte será transferida para a carga As formas de onda para carga indutiva são mostradas na Figura 6 Figura 6 Formas de onda do controlador AC com controle de fase e carga indutiva Fonte Adaptado de Ahmed 2000 A corrente eficaz na carga é dada por Exemplo 5 Um controlador monofásico de tensão AC alimenta uma carga indutiva a partir de uma fonte de 220 V Sendo R 22 Ω e L 10 mH e o ângulo de disparo igual a 50º determine UNIUBE 131 a a corrente eficaz na carga b a corrente eficaz nos tiristores c a potência entregue à carga d o fator de potência Resolução a b c d 321 Inversor em Hponte O circuito mostrado na Figura 7 é um inversor básico que gera na saída uma tensão alternada a partir de uma entrada de tensão DC Este circuito é o meia ponte Hponte Inversor 32 Figura 7 Inversor em meia ponte Fonte Adaptado de Ahmed 2000 As duas chaves S1 e S2 podem ficar ligadas ao potencial positivo ou negativo Dependendo da combinação da ligação a carga fica ou não ligada à fonte Quando uma chave está ligada ao positivo da fonte e a 132 UNIUBE outra ao negativo haverá tensão na carga Quando as duas estiverem ligadas ao mesmo potencial a tensão na carga será zero A Tabela 1 mostra as ligações possíveis Estado S1 S2 Tensão de saída 1 E 2 0 3 E 4 0 Tabela 1 Estados possíveis inversor Hponte Se as chaves forem operadas entre os estados 1 e 3 alternadamente uma tensão alternada será gerada na saída visto que ora ela será positiva e ora negativa na carga Neste caso a onda de saída é quadrada como mostra a Figura 8 Figura 8 Forma de onda de saída quadrada Fonte Adaptado de Ahmed 2000 No entanto se os estados 2 e 4 também forem utilizados no chaveamento a forma de onda fica como a mostrada na Figura 9 em que se tem uma tensão em degrau Figura 9 Forma de onda de saída em degrau Fonte Adaptado de Ahmed 2000 UNIUBE 133 A frequência da tensão de saída depende do período T do chaveamento O circuito apresentado fornece uma tensão de saída alternada porém quadrada e o que se deseja obter é uma onda aproximação de uma senoide Para que uma onda senoidal seja obtida na saída utilizase a técnica de chaveamento denominada PWM modulação por largura de pulso que será discutida adiante 322 Inversor de fonte de tensão Nesse tipo de inversor a tensão de entrada dc é mantida constante independentimente do valor da carga Para tal utilizase como alimentação uma bateria ou qualquer fonte dc independente e um capacitor de alto valor em paralelo com a linha de entrada a fim de impedir variações rápidas na tensão e mantêla o mais constante possível Esse tipo de inversor é um mais utilizado 3221 Inversor de fonte de tensão em meia ponte A Figura 10 mostra um esquema deste inversor Figura 10 Inversor de fonte de tensão em meia ponte Fonte Adaptado de Ahmed 2000 134 UNIUBE Este circuito é composto por duas chaves S1 e S2 alimentadas por duas fontes de tensão dc independentes Os diodos D1 e D2 são de retorno As chaves podem ser qualquer dos dispositivos de estado sólido estudados SCR GTO MOSFET BJT etc As duas chaves irão operar de forma alternada sendo que durante a primeira metade do ciclo S1 fica ligada e a tensão na carga é positiva e na outra metade S2 fica ligada e a tensão na carga é negativa A Figura 11 mostra a tensão de saída Figura 11 Forma de onda de saída do inversor de fonte de tensão em meia ponte com carga resistiva Fonte Adaptado de Ahmed 2000 A tensão média de saída é dada por Em que Ton é o intervalo que cada chave está fechada T é o período de chaveamento d Ton T é o ciclo de trabalho Já a tensão RMS de saída é dada por UNIUBE 135 A potência média absorvida pela carga é Caso a carga seja indutiva os diodos fornecem caminho à circulação de corrente A forma de onda de saída para carga indutiva é mostrada na Figura 12 Figura 12 Forma de onda de saída do inversor de fonte de tensão em meia ponte com carga indutiva Fonte Adaptado de Ahmed 2000 Exemplo 6 Considere o inversor monofásico da Figura 10 sendo as chaves SCRs produzindo uma onda de saída em degrau alimentando uma carga resistiva Determine a a tensão direta máxima que a chave deve suportar b corrente média na carga c corrente média na chave d potência entregue à carga e plote as formas de onda para a tensão de saída as tensões na chave e as fontes de corrente 136 UNIUBE Dados E 150 V d 75 R 5 Ω Resolução a A tensão quando a chave está aberta é duas vezes a tensão de alimentação b c Como cada chave conduz durante metade do ciclo sua corrente média é metade da média na carga d e UNIUBE 137 3222 Inversor de fonte de tensão em ponte completa A Figura 13 mostra o esquema deste inversor Figura 13 Inversor de fonte de tensão em ponte completa Fonte Adaptado de Ahmed 2000 A potência de saída deste circuito será o dobro da tensão do circuito em meia ponte Em cada semiciclo duas das quatro chaves estarão ligadas sendo que S1 e S4 operam no mesmo ciclo e analogamente S2 e S3 Controlando o tempo de chaveamento controlase a tensão de saída A Tabela 2 mostra a sequência de chaveamento que deve ser empregada Estado S1 S2 S3 S4 Tensão de saída 1 Ligada Desligada Desligada Ligada E 2 Desligada Ligada Ligada Desligada E 3 Ligada Desligada Desligada Ligada E 4 Desligada Ligada Ligada Desligada E Tabela 2 Sequência de chaveamento 138 UNIUBE Figura 14 Formas de onda de saída do inverso de tensão em ponte completa Fonte Adaptado de Ahmed 2000 O valor médio da tensão de saída é dado por Já o valor eficaz é dado por Exemplo 7 Um inversor monofásico em ponte completa alimentando uma carga resistiva produz uma saída em degrau Sendo E 150V d 35 R 5Ω determine a a tensão direta máxima que a chave deve suportar b a corrente média na carga c a corrente média na chave d a potência entregue à carga As possíveis formas de onda de saída são mostradas na Figura 14 UNIUBE 139 Resolução a A tensão máxima que a chave deve suportar é a própria tensão da fonte portanto 150V b c d e 3223 Controle de inversores de tensão Em geral a utilização de inversores de tensão requer o controle de sua tensão de saída Existem algumas técnicas para realizar esse controle Neste capítulo serão estudadas três técnicas controle da tensão dc de entrada controle da tensão AC de saída e controle da tensão no inversor A Controle da tensão dc de entrada Para dado funcionamento chaveamento específico a tensão de saída do inversor será proporcional à sua tensão de entrada Portanto para variar a tensão de saída basta variar a tensão de entrada de acordo com o desejado A variação da tensão de entrada pode ser feita de duas formas utilizando um chopper dc na entrada se a fonte de alimentação for contínua ou utilizando um retificador se a fonte de alimentação for alternada No segundo caso é mais fácil a obtenção da tensão variável por motivos óbvios 140 UNIUBE B Controle da tensão ac de saída Acoplase à saída do inversor um regulador AC que será responsável por variar a tensão a ser fornecida à carga C Controle da tensão no inversor Neste caso utilizase modulação por largura de pulso 3224 Modulação por largura de pulso PWM Existem algumas técnicas de modulação por largura de pulso Neste estudo trataremos da modulação por largura de pulso senoidal que é a mais utilizada Neste tipo de modulação uma onda senoidal referência é comparada com uma portadora triangular gerando os pulsos de saída cuja frequência dependerá da frequência do sinal de referência Um pulso será gerado sempre que o sinal de referência for mais positivo semiciclo positivo ou mais negativo semiciclo negativo que a portadora A Figura 13 exemplifica isso Figura 13 Modulação PWM senoidal UNIUBE 141 No presente capítulo foram estudados os controladores AC capazes de transformar uma tensão alternada fixa em uma tensão alternada variável Esse dispositivo é implementado geralmente por uma chave TRIAC SCRs diodos etc sendo que em geral utilizamse chaves que permitem o controle do momento do chaveamento visto que isso será feito constantemente Foram vistos os dois métodos de controle de ciclo integral e de fase sendo que no primeiro ciclos completos de tensão são aplicados à carga e no segundo apenas parte do ciclo de tensão é aplicada de acordo com um ângulo de retardo Os controladores de tensão AC são utilizados para controle de aquecimento de iluminação resistência de TAP de transformadores controle de velocidade de motores entre outras Foram estudados também os inversores circuitos que transformam potências DC em potências AC numa dada frequência desejada produzindo ondas de saída bem próximas de uma senoide Além disso também foram vistas algumas técnicas de controle para os inversores sendo dada ênfase à modulação por largura de pulso senoidal que é uma das técnicas mais utilizadas Resumo 142 UNIUBE Atividades Atividade 1 Uma fonte monofásica AC de 100 V fornece potência a uma carga resistiva de 2 Ω através de um controlador AC que utiliza controle de ciclo integral Sendo d 05 determine a a tensão média na carga b a corrente média na carga c a corrente eficaz na carga d a potência média fornecida à carga e o fator de potência f número de ciclos que a carga deve permanecer ligada sendo que o período é 30 ciclos Atividade 2 Para o controlador do exemplo 3 determine a potência fornecida à carga e o fator de potência para a α 30º b α 150º Atividade 3 Uma fonte monofásica AC de 120 V fornece potência a uma carga resistiva de 1 Ω através de um controlador AC que utiliza controle de ciclo integral Sendo d 07 determine a a tensão média na carga b a corrente média na carga c a corrente eficaz na carga UNIUBE 143 d a potência média fornecida à carga e o fator de potência Atividade 4 Considere um inversor monofásico em ponte completa alimentando uma carga resistiva Sendo E 250V d 50 R 25Ω e a saída em degrau determine a a tensão direta máxima que a chave deve suportar b a corrente média na carga c a corrente média na chave d a potência entregue à carga Atividade 5 Considere um inversor monofásico em ponte completa alimentando uma carga resistiva Sendo E 100V d 90 R 1 Ω e a saída em degrau determine a a tensão direta máxima que a chave deve suportar b a corrente média na carga c a corrente média na chave d a potência entregue à carga 144 UNIUBE Referências AHMED Ashfaq Eletrônica de potência São Paulo Pearson Education do Brasil 2000 479 p ALMEIDA José Luiz Antunes de Eletrônica de potência São Paulo Érica 1986 297 p BARBI Ivo Eletrônica de potência 3 ed Florianópolis Do Autor 2000 408 p LANDER Cyril W Eletrônica industrial teoria e aplicações São Paulo Makron Books do Brasil 1988 RASHID Muhammad H Eletrônica de potência circuitos dispositivos e aplicações São Paulo Makron Books do Brasil 1999 828 p SUBRAHMANYAM Vedam Power Electronics New York New Age International Publishers 1996 Anotações Anotações UNIUBE Educação e Responsabilidade Social