Atividade

Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará Instituto de Geociências e Engenharias Graduação em Engenharia Elétrica Eletrônica de Potência 20244 Professora Yonatha Melo Alunoa Observação Considere para a resolução dos cálculos e para a elaboração das curvas de tensão e corrente que os diodos e tiristores são ideais Lista de Exercícios 1ª Parte da 1ª Avaliação Questão 01 Explique em detalhes a região de operação de a polarização direta dos diodos b polarização reversa dos diodos e c a região de operação de ruptura reversa dos diodos Questão 02 Explique em detalhes as regiões de operação de um tiristor Questão 03 O retificador abaixo tem uma carga puramente resistiva de R 1 kΩ e a alimentação do circuito é fornecida por meio de um transformador com uma frequência de 50 Hz e 𝑉𝑆 220 cos 𝜔𝑡 V Obtenha a o esboço da curva de corrente na carga b a tensão média na carga e c a tensão eficaz na carga Figura 01 Questão 04 Explique em detalhes as principais diferenças na composição e na forma de operação entre diodos e tiristores Questão 05 O retificador abaixo tem uma carga puramente resistiva de R 10 kΩ e uma tensão de entrada Vs 220cosωt90 V Determine a a curva de tensão no diodo D1 e D2 b o valor médio da tensão no diodo D2 e c a curva de corrente na carga Figura 02 Questão 06 O retificador da Figura 02 tem uma carga puramente resistiva de R 10 Ω e uma tensão de entrada Vs 127cosωt V Determine a a curva de tensão na carga b o valor médio da tensão na carga e c a corrente média na carga Questão 07 Sendo a alimentação do circuito retificador dada por Vs 1796sen 120𝜋𝑡 V e os quatro diodos com um comportamento ideal esboce as formas de onda da tensão para a a entrada fonte de alimentação do circuito b diodos e c da saída carga Figura 03 Questão 08 Explique as diferenças entre circuitos retificadores com diodos e com tiristores Questão 09 O retificador abaixo tem uma carga puramente resistiva de R 10 kΩ e a alimentação do circuito é fornecida por meio de um transformador com uma frequência angular de 120π 𝑉𝑆 127 sen 𝜔𝑡 o gatilho tem o ângulo de disparo igual a 60⁰ Obtenha a o valor do período na entrada e na saída do circuito retificador b a forma de onda de tensão do tiristor c o valor da tensão média na saída e d o esboço da forma de onda da corrente Figura 04 Questão 10 O retificador da Figura 04 tem uma carga puramente resistiva de R 9 kΩ e a alimentação do circuito é fornecida por 𝑉𝑆 380 cos 𝜔𝑡 V o gatilho tem o ângulo de disparo igual a 𝜋 6 rad Obtenha a o esboço da corrente na carga b a forma de onda de tensão do tiristor c o valor da tensão média na saída e d a tensão eficaz na saída Questão 11 O circuito abaixo é composto de diodos e tiristores Sabendose que Vs 120 sen 𝜔𝑡 V R 10 kΩ o ângulo de disparo do tiristor T1 é igual a 90⁰ e que T2 tem o disparo análogo no semiciclo negativo de Vs esboce as curvas da tensão para o tiristor T1 e para a carga puramente resistiva Figura 05 Questão 12 O circuito abaixo Figura 06 é composto por quatro diodos e uma carga RE Sabendose que Vi 220 sen𝜔𝑡 V R 5 kΩ e E 100 V a determine a partir de que ângulo os diodos D1 e D4 irão permitir a circulação de corrente b esboce a curva da tensão na carga e c a tensão média na carga Figura 06 Questão 13 Observando o circuito da Figura 06 e sabendose que Vi 120sen𝜔𝑡 V R 5 kΩ e E 80 V a determine a partir de que ângulo os diodos D2 e D3 irão permitir a circulação de corrente b esboce a curva da tensão na carga e c esboce a curva da corrente na carga Questão 14 Dado o circuito da Figura 07 e definindose que Vs Vm sen 𝜔𝑡 V e o ângulo de disparo dos tiristores T1e T2 é igual a 45⁰ e que T3 e T4 têm disparos análogos no semi ciclo negativo de Vs a Esboce a forma de onda da tensão na saída para uma carga altamente indutiva b Esboce a forma de onda da tensão na saída substituindo a carga altamente indutiva por uma carga puramente resistiva Figura 07 Questão 15 Explique o comportamento da frequência neste circuito da Figura 08 Para isto compare a frequência na tensão de alimentação Figura 09 e a frequência da tensão na carga que é puramente resistiva O disparo do tiristor T1 ocorre em 60⁰ T2 em sequência e por último o disparo de T3 é realizado O disparo de cada tiristor ocorre espaçado de 120⁰ Observação A explicação pode ser feita a partir das formas de onda da tensão na saída Figura 08 Figura 09 Questão 16 O retificador da Figura 10 tem uma carga puramente resistiva de R 5Ω e a alimentação do circuito é fornecida por meio de um transformador com uma frequência de 60 Hz e 𝑉𝑆 127 cos 𝜔𝑡 Calcule a eficiência do retificador Figura 10 Questão 17 O chopper da Figura 11 tem uma carga resistiva R 1 kΩ e a tensão de entrada é Vs 380 V Quando a chave do chopper permanece ligada sua queda de tensão é Vch 5 V e a frequência de operação é fs 1 kHz Se o ciclo de trabalho duty cicle for de 80 determinar a a tensão média da saída Vo b a tensão eficaz de saída Vo c a eficiência do chopper d a resistência efetiva de entrada do chopper R Figura 11 Questão 18 O regulador Buck da Figura 12 tem uma tensão de entrada de Vs 15 V A tensão média requerida de saída é Va 75 V e a ondulação da tensão de saída de pico a pico é 20 mV A frequência de chaveamento é 25 kHz Se a ondulação da corrente do indutor for limitada a 08 A de pico a pico determinar a os circuitos equivalentes do modo de operação b o ciclo de trabalho c a indutância de filtro L e d o capacitor de filtro C Figura 12 Conversor Buck Questão 19 ENADE 2019 O retificador trifásico conhecido como Ponte de Graetz é um conversor de potência utilizado em aplicações de média e alta tensão É empregado em sistemas de transmissão de alta tensão em corrente contínua carregamento de baterias processos de eletrólise operação de motores de corrente contínua fontes de potência 𝑉𝑠 CH controlada sistemas de iluminação controlada e equipamentos de tração A Figura 13 mostra a topologia de um retificador trifásico controlado em ponte Figura 13 Na Figura 14 são mostrados os resultados gráficos das principais formas de onda de tensão do referido retificador trifásico considerandose carga resistiva tiristores ideais e uma tensão eficaz de alimentação de linha igual a 220 V Figura 14 Na Tabela 01 a seguir são listados os intervalos e as respectivas tensões geradas pelo circuito Intervalo Grupo Positivo Grupo Negativo Tensão na Carga VL 30 a 90 VA VB VAB 90 a 150 VA VC VAC 150 a 210 VB VC VBC 210 a 270 VB VA VBA 270 a 330 VC VA VCA 330 a 390 VC VB VCB 390 a 450 VA VB VAB Com base nessas informações avalie as afirmações a seguir I A carga é submetida a uma tensão de fase e na saída do circuito acontece uma condução contínua II Os tiristores do grupo positivo são T1 T2 e T3 já os tiristores do grupo negativo são T4 T5 e T6 III A tensão de saída apresenta uma variação de tensão ripple de 1314801 V IV Os tiristores são disparados no ângulo α de 60º 3 a Vs 220V graph VR 220V graph If 220A graph b Vmedia Vsπ 220π 70102V c Vrm Vr2 2202 110V 5 a circuit diagrams Vs 220V Vs 220V 2Vs graphs with Vs Va Vr b VDrmed 2Vsπ 2220π 14004V c graphs 2Vs 440V VR 220V IR 022A graphs IR VRR IR 2201K 022A pico VR 2Vs2 Vs 6 a graphs 254V VR 127V VR 2Vr2 127V b VDrmed 2Vsπ 2127π 8089V c I Rmed VrmedR 8089V10Ω 8089A 10 a graph 380V IRp graph α b graph c IRp 380VR 380V9K 0042A pico c Vm Vs2π 1 cosα Vm 3802π 1 cosπ6 Vm 3802π 1 32 11286 d Vrms Vs 12 12 α sen2α2π Vrms 380 12 12 π6 senπ62π 380 x 0637 242V 11 graph VS VK1 α180 α VR 12 a D1 e D4 permitem o fluxo de corrente quando Vi E ou seja 220 senwt 100 senwt 100220 senwt 04545 α1 27 α2 153 b graph 220V 100V VR Vi E 120V pico 16 circuitos retificadores de meiaonda η PccPca x 100 Pcc pot em corr continua entregue Pca pot total fornecida Pcc Vcc2R Vcc Vmaxπ 127π 4043V Pcc 404325 32746W Pca Vrms2R Vrms Vmax2 1272 8981V Pca 898125 161214W portanto η PccPca x 100 32746W161214W x 100 203 17 a Vo DVs Vo 08 380 304V b Vrms VsD 38008 33911V c η VoVs x 100 304380 x 100 80 d R RD2 1000082 1000064 15625Ω 18 modo ON modo OFF a circuit diagrams b D VaVs 7515 05 01 Regiões de Operação dos Diodos a Polarização direta Quando o ânodo de um diodo está em potencial positivo em relação ao cátodo ele entra em condução permitindo a passagem de corrente A tensão de condução típica para diodos de silício é de aproximadamente 07 V b Polarização reversa Quando o cátodo está em potencial positivo em relação ao ânodo o diodo não conduz e apenas uma corrente de fuga extremamente pequena passa geralmente negligenciável c Ruptura reversa O diodo entra em ruptura quando a tensão reversa excede seu valor de ruptura especificado levando a um aumento abrupto da corrente reversa Essa condição pode danificar o diodo a menos que seja um diodo Zener projetado para operar nesta região de forma controlada 02 Regiões de Operação de um Tiristor Um tiristor como o SCR possui três modos principais de operação Bloqueio direto Quando a tensão no anodo é maior que no cátodo mas a corrente no terminal de gatilho gate não é aplicada o tiristor se comporta como um circuito aberto Condução Quando a corrente de gatilho é aplicada o tiristor entra em condução permitindo a passagem de corrente do anodo para o cátodo Bloqueio reverso Quando a tensão no cátodo é maior que no anodo o tiristor bloqueia a passagem de corrente comportandose como um diodo reversamente polarizado 04 Diferenças entre Diodos e Tiristores Estrutura Os diodos são componentes de dois terminais ânodo e cátodo e têm uma única junção PN enquanto os tiristores têm três junções e três terminais ânodo cátodo e gate Forma de operação O diodo começa a conduzir automaticamente quando polarizado diretamente sem a necessidade de controle externo enquanto o tiristor precisa de um sinal de gatilho no terminal gate para iniciar a condução Além disso o tiristor permanece conduzindo até que a corrente caia abaixo de um valor crítico diferente do diodo que interrompe a condução assim que a polarização direta é removida 08 Diferenças entre Retificadores com Diodos e com Tiristores Comportamento de condução Os diodos conduzem automaticamente quando polarizados diretamente enquanto os tiristores necessitam de um sinal de gatilho para iniciar a condução Isso torna os tiristores controláveis permitindo a ativação em momentos específicos do ciclo de tensão Tiristores são amplamente utilizados em controle de potência como dimmers e controle de motores devido à sua capacidade de manter a condução até que a corrente caia abaixo de um valor crítico diferente dos diodos que interrompem a condução assim que a polarização direta é removida 15 O circuito da Figura 08 é um conversor controlado trifásico que utiliza três tiristores T1 T2 e T3 para retificar os sinais de alimentação trifásica de um transformador de 3 fases van vbn e vcn e fornecer uma tensão de saída contínua vo à carga resistiva Frequência da tensão de alimentação As tensões de fase van vbn e vcn têm a mesma frequência da fonte de alimentação que em um sistema típico pode ser 50 ou 60 Hz Frequência da tensão na carga A frequência da tensão na carga será o dobro da frequência da fonte de alimentação Isso ocorre devido à comutação dos tiristores em cada ciclo da tensão trifásica gerando uma frequência de 100 ou 120 Hz dependendo da frequência da tensão de entrada 7 Vs 1796 sen120πt f w2π 120π2π 60 Hz a Vs 1796V T T160 1667ms b Vd1 Vd2 c Vd3 Vd4 VR 1796 1796 1796V 9 Vs127 senwt w120π f60 Hz Vs 127V c Vm Vs2π1cosα α60π180π3 Vm 1272π1cosπ3 Vm 1272π112 3035 IR VRR 12710K 00127 A pico 14 c Vmed Vmax Eπ 220 100π 382 V 13 a D2 e D3 permitem a circulação quando Vi E 120 senwt 80 senwt 80120 senwt 0667 α1 sen10667 α2 180 α1 α1 4183 α2 1382 Vr 120V 80V VE 40V VR 120 80 40V IR R 405K 8 mA 14 Vs Vm t Vm t t Carga attemante indutva t Vm t carga puremente resistiva 15 c L Vs D 1D fs ΔIL L 15 05105 25103018 00001875 H L 1875 µH d C IL D fs ΔV C 08 05 2510320103 04500 00008 F C 800 µF 19 I é correto A configuração Graetz garante a condução de 2 tiristores ao mesmo tempo um do grupo positivo T1T2T3 e outro do grupo negativo T4T5T6 II é correto T1T2T3 controlam tensões de fase positiva e T4T5T6 de fase negativa III é correto Da figura 14 Vrppk 311085 17960 13148 V IV é incorreto a comutação acontece a cada 60 mas os tiristores são disparados de forma individual a 30 do cruzamento da tensão