Slide Thyristor Converters-2022 2

6-1 Chapter 6 Thyristor Converters 6-2 Chapter 6 Thyristor Converters 6-3 Os conversores ainda são classificados de acordo com a forma como os mesmos são chaveados: • Comutação natural: A mudança de estado das chaves é feita na frequência da rede elétrica. • Comutação forçada: A mudança de estado de uma chave é determinada pelo pulso de gatilho que o controla • Comutação suave: A tensão e/ou corrente no momento da comutação são zero diminuindo as perdas associadas ao processo de comutação das chaves Introduction 6-4 Baseado nas frequências de sua entrada e saída, os conversores podem ser classificados como: • CA-CC; • CC-CA; • CC-CC; • CA-CA. Os conversores de potência geralmente consistem em mais de um estágio de conversão que é realizado por um único conversor O que definirá a classificação do conversor é o sentido do fluxo médio de potência, que algumas vezes é controlável. Introduction Introduction 1- or 3-phase (50/60 Hz) (a) Figure 6-1 Line-frequency controlled converter. (b) Rectification 0 Inversion Limited by circuit configuration and the input voltage Limited by the components' current rating 6-6 Os dispositivos semicondutores podem ser classificados em 3 grupos de acordo com o seu grau de controlabilidade: • Diodos: A mudança de estado nas chaves (on e off) é imposta pelo circuito de potência ao qual a chave está conectada. • Thyristores (chaves semicontroladas): o estado on é acionado por um sinal de controle apenas quando o dispositivo está polarizado diretamente enquanto que o desligamento é completamente determinado pelo circuito de potência que o mesmo está conectado • Chaves controladas: estados on e off controlados por sinais de gatilho (controle). Introduction Introduction (a) G K Figure 2-3 Thyristor: (a) symbol, (b) i-v characteristics, (c) idealized characteristics. (b) Reverse breakdown Reverse blocking region Reverse breakdown voltage 0 (c) On-state Reverse blocking Off-state Off-to-on if i_G pulse is applied Forward breakdown voltage Forward blocking On-state Off-to-on Forward blocking 6-8 Thyristor Converters Retificador de meia-onda com carga resistiva • O dispositivo está polarizado diretamente apenas no semiciclo positivo; • O dispositivo então é acionado no semiciclo positivo através de um pulso de corrente no terminal do gatilho; • Variando o ângulo de disparo, varia-se o valor médio de tensão Vd. • No semiciclo negativo a tensão na saída é zero porque o dispositivo está inversamente polarizado e, assim, a queda de tensão no resistor é zero; • Alto fator de ondulação; 6-9 Thyristor Converters Retificador de meia-onda com carga indutiva Considerando que o tiristor está conduzindo e seguindo a malha temos: R S R S L R L S v v dt di L v v v v v v        0 derivadanegativa v v quando derivadapositiva v v quando R S R S     6-10 Thyristor Converters Retificador de meia-onda com carga indutiva • O tiristor começa a conduzir em α. Em ωt = , a tensão passa por zero e o dispositivo continua a conduzir. Isso se dá pela energia acumulada na indutância durante o ciclo de carregamento; • Em ωt = 2 a corrente passa pelo zero e o dispositivo deixa de conduzir; • As áreas A1 e A2 equivalem as áreas sob vL e são iguais. 6-11 Thyristor Converters Retificador de meia-onda com carga capacitiva • Observe que a carga realmente tem característica capacitiva. A corrente na carga não é cte; • No bloqueio Vd=Ed (queda zero na indutância); • Existem 2 condições para o tiristor conduzir: vs>Ed e pulso de gatilho; • Em ωt = 2 acontece o disparo logo: d S E v dt L di   6-12 Single-phase Thyristor Converters Retificador de meia-onda com carga capacitiva • Em ωt = 4 , a corrente vai para zero e novamente temos vd=Ed • No bloqueio temos: d s d S th d th S E v v v v v v v        0 Thyristor Triggering ac line voltage v_synchronization Gate-trigger signal Figure 6-3 Gate trigger control circuit. v_synchronization v_set v_control Gate-trigger signal 0 0 0 t t t Comparator and Logic Saw-tooth Generator v_set v_control 6-14 Copyright © 2003 by John Wiley & Sons, Inc. Chapter 6 Thyristor Converters Full-Bridge Thyristor Converters • Single-phase and three-phase 6-15 • O retificador de forma geral produz um caminho de circulação de corrente entre a fonte e a carga, ou seja, a corrente que circula na carga é a mesma que circula na fonte; Single-phase Thyristor Converters 6-16 Retificador de onda completa com carga indutiva Single-phase Thyristor Converters • De forma semelhante ao retificador à diodos, os tiristores conduzem aos pares (T1-T2) e (T3-T4); • Os tiristores (T1-T3) tem os catodos no mesmo potencial, então o anodo com maior tensão habilita o tiristor correspondente a conduzir (depende ainda do gatilho) • Da mesma forma os tiristores (T2-T4) tem o anodo no mesmo potencial, então o catodo com menor potencial habilita o tiristor correspondente a conduzir 6-17 Retificador de onda completa com carga indutiva Single-phase Thyristor Converters De forma semelhante ao retificador à diodos, os tiristores conduzem aos pares (T1-T2) e (T3-T4) 6-18 Retificador de onda completa com carga indutiva Single-phase Thyristor Converters De forma semelhante ao retificador à diodos, os tiristores conduzem aos pares (T1-T2) e (T3-T4) Com α = 0, temos: 6-19 Retificador de onda completa com carga indutiva Single-phase Thyristor Converters A corrente se desloca à direita porque os pares de tiristores (T1-T2) e (T3-T4) retardam o seu disparo de α. Com α > 0, temos: 6-20 Retificador de onda completa com carga indutiva Single-phase Thyristor Converters A tensão vs sendo positiva e o par (T3-T4) conduzindo, resulta em tensão vd negativa Em 0<t< α 6-21 Retificador de onda completa com carga indutiva Single-phase Thyristor Converters A tensão vs sendo positiva e o par (T1-T2) conduzindo, resulta em tensão vd positiva Em α <t<  6-22 Retificador de onda completa com carga indutiva Single-phase Thyristor Converters A tensão vs sendo negativa e o par (T1-T2) conduzindo, resulta em tensão vd negativa Em  <t< α +  6-23 Retificador de onda completa com carga indutiva Single-phase Thyristor Converters A tensão vs sendo negativa e o par (T3-T4) conduzindo, resulta em tensão vd positiva Em α +  <t< 2 6-24 Single-phase Thyristor Converters Retificador de onda completa com carga indutiva α =9° α =36° α =90° α =144° α =171° Average DC Output Voltage V_d V_do 1.0 Rectifier mode 0 -1.0 0° 90° 180° inverter mode α Figure 6-7 Normalized V_d as a function of α. 6-25 6-26 Retificador de onda completa com carga indutiva Single-phase Thyristor Converters Valor médio da tensão de saída         2 2 cos ) ) ( ( 2 1     t t d V sen V S d 6-27 Retificador de onda completa com carga indutiva Single-phase Thyristor Converters Perda de Valor médio em relação ao caso α=0 ) ) ( ( 2 2 1 ) ) ( ( 2 1 ) ) ( ( 2 1 0 0 0 t t d V sen V t t d V sen t t d V sen V V V V S d S S d d d d                            6-28 Retificador de onda completa com carga indutiva Single-phase Thyristor Converters Série de Fourier Simetria ímpar e meia onda [f(-t)=-f(t) e f(t)=-f(t+T/2)] h I b d h   4 6-29 Retificador de onda completa com carga indutiva Single-phase Thyristor Converters Série de Fourier h I b d h   4 6-30 Retificador de onda completa com carga indutiva Single-phase Thyristor Converters Distorção Harmônica Total 48.43% 100 ) 9.0 ( ) 9.0 ( 100 % 2 2 1 21 2        d d d S S S I I I I I I THD d S S I t i d I       2 0 2 ) ( 2 1 6-31 Retificador de onda completa com carga indutiva Single-phase Thyristor Converters Fator de potência    cos 9.0 cos 9.0 1 cos    d d S S I I I I PF 6-32 Retificador de onda completa com carga indutiva Single-phase Thyristor Converters Efeito de Ls na comutação Os 4 tiristores conduzem ao mesmo tempo vd = 0 vs = vL 6-33 Retificador de onda completa com carga indutiva Single-phase Thyristor Converters Efeito de Ls na comutação    u d S S L I t t d sen V      2 ) ) ( ( 2 S s d V L I u 2 2 cos ) cos(       6-34 Retificador de onda completa com carga indutiva Single-phase Thyristor Converters Efeito de Ls na comutação    u d S S L I t t d sen V      2 ) ) ( ( 2    S d S d L I V V 2 cos 9.0   6-35 Thyristor Converter Waveforms d S u L I A  2 6-36 Thyristor Converter: Continuous Mode • O modo de operação é contínuo (Ld é suficientemente grande), logo existe efeito da comutação; • A corrente na carga embora seja contínua não é cte; • Devido a corrente na carga não ser cte, temos uma queda de tensão na indutância Ls ,portanto a tensão vd difere de vs; Retificador “prático” de onda completa. Aplicações: • Carregadores de bateria; • Motores C.C. 6-37 Thyristor Converter: Continuous Mode Aplicações: • Carregadores de bateria; • Motores C.C. • Apesar da queda de tensão na indutância, podemos dizer que: min , 2 cos 9.0 d S S d L I V V      6-38 Thyristor Converter: Continuous Mode Aplicações: • Carregadores de bateria; • Motores C.C. Idmin Thyristor Converter: Continuous Mode Aplicações: • Carregadores de bateria; • Motores C.C. Variação de corrente na comutação: de –Idmin a Idmin -Idmin Idmin 6-39 Aplicações: • Carregadores de bateria; • Motores C.C. Olhando para a carga (lado CC), temos, seguindo a malha: Thyristor Converter: Continuous Mode d d d d d d E dt L di R i v    Integrando ambos os lados no período T e dividindo por T, temos:        T d T T i i d d T d d d E dt T di T L i dt T R v dt T d d 0 0 ) ( (0) 0 1 1 d d d d E R I V   A corrente Id é controlada através de Vd que por sua vez depende de α 6-40 Thyristor Converter: Discontinuous Mode • Dependendo da carga utilizada o conversor pode funcionar no modo de operação descontínuo. • Nesse modo de operação a corrente possui níveis muito baixos, e durante a comutação a corrente é zero, portanto não existe efeito da comutação; • Nesse caso, como a corrente é zero durante a comutação, temos que vd=Ed 6-41 DC Voltage versus Load Current • A figura mostra que para um α cte, se a corrente Id cai abaixo de um valor limiar (que depende de α), Vd começa a variar bruscamente. • Para manter Vd cte aumenta-se o valor de α. Valor limiar para α=0 6-42 Thyristor Converters: Inverter Mode • O ângulo de disparo α está entre 90° e 180°; • A tensão Vd na saída do retificador é negativa assim a potência flui do lado CC para o CA • Em um retificador de onda completa com uma fonte de corrente do lado CC é possível estudar esse modo de operação; • Pd=VdId é negativo. Do lado CA, Pac=VsIs1cosφ1 também é negativo porque φ1 >90° 6-43 Thyristor Converters: Inverter Mode • O modo inversor só é possível se tivermos uma fonte de energia do lado CC. Em um retificador de onda completa com uma fonte de corrente do lado CC é possível estudar esse modo de operação; • O ângulo de disparo α está entre 90° e 180°; • A tensão Vd na saída do conversor é negativa assim a potência flui do lado CC para o CA • Pd=VdId é negativo. Do lado CA, Pac=VsIs1cosφ1 também é negativo porque φ1 >90° 6-44 Retificador de onda completa com carga indutiva α =9° α =36° α =90° α =144° α =171° Thyristor Converters: Inverter Mode 6-45 Thyristor Converters: Inverter Mode O caso mais encontrado na prática é o apresentado abaixo onde a fonte CC representa uma bateria, fonte fotovoltaica, etc. Se Ld é muito grande, a corrente id será cte e as formas de onda acima se aplicam também aqui 6-46 Thyristor Converters: Inverter Mode Como a tensão média em cima da indutância Ld é zero, temos: d s d d d L I V V E    2 0 cos    A eq. é exata se a corrente id é cte 6-47 Thyristor Converters: Inverter Mode A corrente na carga Id1 (e consequentemente a potência Pd1) é unicamente determinada pela interseção dos parâmetros α, por exemplo α1, com a tensão Ed=Ed1 6-48 Thyristor Converters: Inverter Mode Tq é o tempo mínimo em que o tiristor deve ficar reversamente polarizado após o bloqueio Definição 1: Definição 2: ) ( 180 u      Ângulo de extinção 6-49 Thyristor Converters: Inverter Mode Operação com um grande α (modo descontínuo) • Quando id é igual a zero temos que vd=Ed; • Quando id é diferente de zero a sua derivada é determinada pela expressão abaixo: d d d d E v dt L di   6-50 Thyristor Converters: Inverter Mode Operação com um grande α (modo descontínuo) d d d d E v dt L di   0 0    dt di se v d d 0 0     dt di E e v se v d d d d 1- 2- 6-51 Thyristor Converters: Inverter Mode Operação com um grande α (modo descontínuo) d d d d E v dt L di   0 0     dt di E e v se v d d d d 3- 4- 0 0     dt di E e v se v d d d d 6-52 3-Phase Thyristor Converters • De forma semelhante ao retificador à diodos, os tiristores conduzem aos pares • Os tiristores (T1-T3-T5) tem os catodos no mesmo potencial, então o anodo com maior tensão habilita o tiristor correspondente a conduzir (depende ainda do gatilho) • Da mesma forma os tiristores (T2-T4-T6) tem o anodo no mesmo potencial, então o catodo com menor potencial habilita o tiristor correspondente a conduzir Conversor com carga indutiva 6-53 3-Phase Thyristor Converters vPN=vPn-vNn • As tensões de fase van, vbn e vcn decidem quais dos tiristores podem conduzir • Temos sempre conduzindo um tiristor do grupo superior e um do grupo inferior • Portanto vPn e vNn são tensões de fase e vPN=vd é uma tensão de linha Conversor com carga indutiva 6-54 3-Phase Thyristor Converters O conversor trifásico à tiristor de forma geral também produz um caminho de circulação de corrente entre a fonte e a carga, ou seja, a corrente que circula na carga é a mesma que circula na fonte; Conversor com carga indutiva 6-55 3-Phase Thyristor Converters O conversor trifásico à tiristor de forma geral também produz um caminho de circulação de corrente entre a fonte e a carga, ou seja, a corrente que circula na carga é a mesma que circula na fonte; Exemplo 1- Como a corrente circula no lado em alternada Ia=-Id Ib=0; Ic=Id Nesse caso 6-56 3-Phase Thyristor Converters O conversor trifásico à tiristor de forma geral também produz um caminho de circulação de corrente entre a fonte e a carga, ou seja, a corrente que circula na carga é a mesma que circula na fonte; Exemplo 2- Como a corrente circula no lado em alternada Ia=0 Ib=Id Ic=-Id Nesse caso 6-57 3-Phase Thyristor Converters Com α igual a zero o conversor funciona como retificador e as formas de onda são as mesmas presentes no retificador à diodo As correntes ia, ib e ic podem apresentar 3 valores: zero, Id e -Id 6-58 3-Phase Thyristor Converters Com α igual a zero o conversor funciona como retificador e as formas de onda são as mesmas presentes no retificador à diodo Int. A Int. B Int. C Int. D 6-59 3-Phase Thyristor Converters Com α igual a zero o conversor funciona como retificador e as formas de onda são as mesmas presentes no retificador à diodo Int. A Int. B Int. C Int. D Intervalo A 6-60 3-Phase Thyristor Converters Com α igual a zero o conversor funciona como retificador e as formas de onda são as mesmas presentes no retificador à diodo Int. A Int. B Int. C Int. D Intervalo B 6-61 3-Phase Thyristor Converters Com α igual a zero o conversor funciona como retificador e as formas de onda são as mesmas presentes no retificador à diodo Int. A Int. B Int. C Int. D Intervalo C 6-62 3-Phase Thyristor Converters Com α igual a zero o conversor funciona como retificador e as formas de onda são as mesmas presentes no retificador à diodo Int. A Int. B Int. C Int. D Intervalo D 6-63 3-Phase Thyristor Converters Ângulo de disparo α diferente de zero • A corrente da fase A atrasa em relação a tensão de fase van da mesma forma que acontece para o caso monofásico; 6-64 3-Phase Thyristor Converters Ângulo de disparo α diferente de zero vPN=vPn-vNn 6-65 3-Phase Thyristor Converters Comparação da situações com ângulos de disparos igual e diferente de zero 6-66 A área sob a curva dá uma ideia do valor médio 6-67 3-Phase Thyristor Converters Cálculo da tensão média na saída do conversor α=0 e Ls=0 LL LL LL d V V t t d V V ,135 3 2 ) ) ( cos( 2 /3 1 6 / 6 / 0            α diferente de zero resulta um uma diminuição do valor médio de vd, logo: /3 0    A V V d d   6-68 3-Phase Thyristor Converters Cálculo da tensão média na saída do conversor cos ) 1( 2 ) ) ( ( 2 ) ) ( ( 0 0               LL LL cn an V t t d sen V t d v v A Portanto:        cos 3 2 cos 3 2 3 2 2 3 LL LL LL LL d V V V V V     6-69 Análise no lado em alternada (série de Fourier) 3-Phase Thyristor Converters Simetria ímpar e meia onda [f(-t)=-f(t) e f(t)=-f(t+T/2)] ) cos( 6 4 h h I b d h    origem /6 ... 3,2,1 1 6    n n h 6-70 Análise no lado em alternada (Série de Fourier) 3-Phase Thyristor Converters ) cos( 6 4 h h I b d h    ... 3,2,1 1 6    n n h d s I I 1  .0 78 6-71 Análise no lado em alternada (Valor eficaz corrente rede) 3-Phase Thyristor Converters origem /6 Usa-se a definição de valor eficaz:   T s s i dt T I 0 2 1 d d s I I I .0 816 3 2   6-72 Análise no lado em alternada (THD corrente rede) 3-Phase Thyristor Converters origem /6 Pela definição de distorção harmônica total: 31.08% 100 78 .0 ) ( .0 78 ) ( .0 816 100 % 2 2 1 2 1 2        d d d s s s I I I I I I THD 6-73 Análise no lado em alternada (Fator de potência) 3-Phase Thyristor Converters origem /6 Usando a definição de fator de potência se chega a: cos 1 s s I PF  I    cos PF  3 6-74 O aumento de α resulta em uma diminuição do fator de potência 6-75 3-Phase Thyristor Converters Efeito da comutação • As indutâncias impedem a variação abrupta de corrente que ocorreria no lado em alternada durante a comutação; • Durante a comutação 3 tiristores conduzem simultaneamente; • O caso a ser estudado será a situação em que os tiristores 5 e 6 estão conduzindo e ocorre a comutação do tiristor 5 para o 1; 6-76 3-Phase Thyristor Converters c b Efeito da comutação (α=0) T5 T6 T6 T1 Primeiro Intervalo 6-77 3-Phase Thyristor Converters c b Efeito da comutação (α=0) T5 T6 T6 T1 Segundo Intervalo 6-78 c b 3-Phase Thyristor Converters Efeito da comutação (α≠0) 6-79 c b Durante a comutação, temos entre as fases envolvidas a seguinte relação (T1 e T5 cond.): 3-Phase Thyristor Converters Efeito da comutação (α≠0)  0    cn Lsc Lsa an v v v v dt L di v u s Lsa  dt i L d I v u d s Lsc ) (   dt L di v u s ac  2 6-80 c b Integrando os dois lados chegamos a: 3-Phase Thyristor Converters Efeito da comutação (α≠0) d s u LL L I t t d V sen         ) ) ( ( 2 2 Área perdida durante comutação Intervalo de comutação: LL s d V L I u 2 2 cos ) cos(       6-81 c b Valor médio perdido: 3-Phase Thyristor Converters Efeito da comutação (α≠0)        u ac u pn an u t d v t d v v A          ) ( 2 3 ) ) ( ( 3 3 / Durante a comutação: Lsa an pn v v v   2 ac u s Lsa v dt L di v   2 2 cn an pn v v v   Já calculado! 6-82 c b 3-Phase Thyristor Converters Efeito da comutação (α≠0) /3 cos 2 3     d s LL d L I V V   Valor médio: 6-83 3-Phase Thyristor Converters Efeito da comutação (α≠0) A corrente da rede tem uma forma aproximadamente trapezoidal devido ao intervalo da forma de onda integrada ser senoidal (no entanto bem curto, daí a aproximação): 2 ) 1 cos( u DPF    6-84 3-Phase Thyristor Converters A indutância reduz as componentes harmônicas 6-85 Three-Phase Thyristor Converter Carga realística O modo de operação é contínuo (Ld é suficientemente grande), logo existe efeito da comutação; 6-86 Three-Phase Thyristor Converter Carga realística • Dependendo da carga utilizada a corrente pode ser descontínua. • Nesse modo de operação a corrente durante a comutação é zero, portanto não existe efeito da comutação; • Nesse caso temos que vd=Ed 6-87 Thyristor Converters: Inverter Mode • O ângulo de disparo α está entre 90° e 180°; • A tensão Vd na saída do retificador é negativa assim a potência flui do lado CC para o CA 6-88 Thyristor Inverter • Em um retificador de onda completa com uma fonte de corrente do lado CC é possível estudar esse modo de operação; 6-89 Thyristor Inverter Formas de onda para um conversor monofásico: Thyristor Inverter v_an v_bn v_cn id 0 (i_a1) v_d a 1 0 V_d V_d (a) 0 ωt φ_1 i_a ωt 6-90 6-91 Thyristor Inverter Instante de comutação de T1 se α=0 6-92 Thyristor Inverter Instante de comutação de T1 se α=0 Ângulo de disparo α Comutação de T1 6-93 vPN=vPn-vNn vPn Thyristor Inverter vNn 6-94 Thyristor Inverter • O caso mais encontrado na prática é o apresentado ao lado onde a fonte CC representa uma bateria, fonte fotovoltaica, etc. • Se Ld é muito grande, a corrente id será cte e as formas de onda do caso anterior também se aplicam aqui 6-95 Thyristor Inverter A corrente na carga (e a potência) é determinada pelos parâmetros α, e a tensão Vd 6-96 Tq é o tempo mínimo em que o tiristor deve ficar reversamente polarizado durante o bloqueio antes de entrar novamente em condução. Definição 1: Definição 2: ) ( 180 u      Âng. de extinção Thyristor Inverter Operation 6-97 Thyristor Inverter Operation Início cond. de T5 Transição de T5 para T1 6-98 Thyristor Inverter Operation Início cond. de T5 Transição de T5 para T1 Âng. disparo de T1 Disparo de T1 6-99 Thyristor Inverter Operation Transição de T5 para T1 Tensão de polarização de T5 ) ( 180 u      6-100 Line Notching and Distortion • Se quisermos conectar uma outra carga ao esquema acima isso será feito usando os pontos A, B e C. • No entanto a tensão nesses ponto é bastante afetada pelo conversor a tiristor; A B C 6-101 Sim 6_35 Line Notching and Distortion c b • No conversor 3Ø, existem 6 comutações por ciclo; • Durante cada comutação duas das três fases estão curto-circuitadas através das indutâncias Ls • No exemplo acima, na fase b a corrente é sempre Id, logo a queda na indutância é zero; • As fases a e c estão curto-circuitadas durante a comutação; Exemplo durante comutação Ambos cond. A B C 6-102 Line Notching and Distortion • Observe as tensões nos pontos A, B e C do conversor; Exemplo durante comutação Ambos cond. A B C Das 6 comutações, duas envolvem diretamente as fases a e b Notch severo c a b 6-103 Sim 6_35 Line Notching and Distortion • Observe as tensões nos pontos A, B e C do conversor; Ambos cond. A B C Das 6 comutações, 4 envolvem ou a fase a ou a fase b Notch rasos c a b C B queda Sem queda: corr. Id cte 6-104 Sim 6_35 Line Notching and Distortion • Observe as tensões nos pontos A, B e C do conversor; Ambos cond. A B C Notch rasos c a b C B queda Sem queda: corr. Id cte A área para um indutor já foi calculada e vale: s d u L I A  6-105 Line Notching and Distortion Comutação envolvendo as fases a e b 6-106 Line Notching and Distortion As áreas dos notches são reduzidas por um fator r Sim 6_35 2 1 1 s s s L L L  r 