Conversor Dual Monofasico Controlado-Funcionamento e Aplicações

Prof Dr Marcos Rosa UNIDADE III Eletrônica Industrial Conversor dual monofásico Como é sabido os conversores monofásicos completos com cargas indutivas permitem apenas uma operação em dois quadrantes Conversor dual monofásico controlado Fig 26 Conversor dual monofásico a Circuito b Quadrante c Tensão de alimentação de entrada d Tensão de saída para o conversor 1 e Tensão de saída para o conversor 2 f Tensão no indutor de circulação Fonte Rashid 2014 a b c VCC Vo VCC ICC ICC io 0 Conversor dual monofásico No caso dos conversores duais que podem ser construídos com a conexão de dois conversores monofásicos completos na configuração backtoback oferecem tanto a tensão de saída como o fluxo de corrente na carga invertidos Essa configuração opera em quatro quadrantes conhecida como conversor dual Esses conversores são utilizados para os acionamentos de equipamentos de potência com a velocidade variável Os ângulos de disparos α1 e α2 estão relacionados com o aparecimento das tensões de saída Vcc1 e Vcc2 Os ângulos de disparos são controlados de forma que um conversor opere como retificador e o outro como inversor ambos produzindo a mesma tensão média de saída As figuras b até f mostram as formas de ondas de saída para dois conversores note que as duas formas de ondas das tensões de saída são as mesmas A figura b mostra as características de tensão e corrente do conversor dual Conversor dual monofásico controlado Conversor dual monofásico As equações para um conversor dual podem ser deduzidas a partir do conceito dos retificados de meia onda e onda completa já discutidas no curso de Eletrônica de Potência Tensões médias de saída Como um conversor está como retificador e outro como inversor vem Logo Como as tensões instantâneas de saída estão defasadas ocorre uma diferença de tensão instantânea podendo resultar uma circulação de corrente entre os dois conversores Essa corrente não flui pela carga ela normalmente é limitada por um reator de circulação denominado de Lr como verificado na figura 26 Supondo v01 e v02 como as tensões instantâneas de saída dos conversores 1 e 2 podese encontrar as correntes de circulação pela integração da diferença de tensão instantânea iniciando por ωtπα1 Como as duas tensões médias de saída para o intervalo ωtπα1 à 2π α1 são iguais e opostas elas contribuem igualmente para a corrente instantânea de circulação ir Conversor dual monofásico controlado Conversor dual monofásico Como citado a corrente fica Para α1 0 Só o conversor 1 operando Para α1 π Só o conversor 2 operando Para 0 α1 π2 Conversor 1 fornece a corrente de carga i0 corrente de circulação positiva Para π2 α1 π Conversor 2 fornece a corrente de carga i0 corrente de circulação negativa Para α1 π2 Só o conversor 1 fornece a circulação positiva durante 1 semiciclo e o conversor 2 a circulação negativa durante o 2 semiciclo Conversor dual monofásico controlado Conversor dual monofásico Já a corrente de circulação instantânea depende do ângulo de disparo Para α1 0 a magnitude da corrente tornase mínima quando ωt n π n1 3 5 Se a corrente de carga de pico for Ip um dos conversores que controla o fluxo de potência pode conduzir uma corrente de pico de Ip 4VmωL Os conversores duais podem operar com ou sem a corrente de circulação Nessa condição apenas um conversor opera de cada vez e conduz a corrente de carga ficando o outro bloqueado devido aos pulsos de acionamento Conversor dual monofásico controlado O conversor operando com corrente de circulação possui as seguintes vantagens A corrente de circulação mantém a condução contínua de ambos os conversores ao longo de todo os intervalo de controle independente da carga Como um conversor funciona como retificador e outro como inversor é possível que haja um fluxo de potência em um dos dois sentidos em qualquer instante de tempo Como os conversores ambos estão em condução contínua o tempo de resposta para a mudança de operação de um quadrante a outro é menor Sequência de acionamentos para os comando dos conversores Comandar o conversor positivo com um ângulo de disparo de α1 α Comandar o conversor negativo com um ângulo de disparo de α2 π α através dos circuitos de isolação da porta Conversor dual monofásico controlado Exemplo Considerando que o conversor da figura 27 com a tensão de alimentação de 120 V 60 Hz com uma carga de R 10 Ω e indutância de circulação Lr 40 mH e ângulos de disparo α1 60 e α2 120 pedese a circulação de pico e a corrente de pico do conversor 1 Conversor monofásico controlado Fig 27 Conversor trifásico completo a Circuito b Quadrante c Tensões de alimentação de entrada d Tensão de saída Conversor 1 e Tensão de saída Conversor 2 f Tensão no indutor de circulação Fonte Rashid 2014 a Exemplo Resolução Considerando que o conversor da figura 27 com a tensão de alimentação de 120 V 60 Hz com uma carga de R 10 Ω e indutância de circulação Lr 40 mH e ângulos de disparo α1 60 e α2 120 pedese a circulação de pico e a corrente de pico do conversor 1 Conversor monofásico controlado Conversor trifásico controlado Utilizados para as cargas e aplicações industriais até 10 kW sendo necessária a operação em dois quadrantes Conhecido como a ponte de retificação trifásica Os tiristores são ligados em um intervalo de 60 com a frequência de ondulação da tensão de saída em 6xfs Para ωt π6 α T6 já está conduzindo T1 é ligado Para π6 α ωt π2 α T1 e T6 conduzindo a tensão de linha Vab Van Vbn é aplicada na carga Para ωt π2 α T2 está ligado T6 é imediatamente polarizado reversamente Para ωt π2 α T2 está ligado T6 é imediatamente polarizado reversamente T6 é desligado por conta da comutação natural Para π2 α ωt 5π6 α T1 e T2 conduzindo a tensão de linha Vac é aplicada na carga Conversor trifásico controlado completo Fig 28 Conversor trifásico completo a Circuito b Seq de disparo c Tensões de fase d Tensão de saída tensão de linha e Corrente no tiristor 1 f Corrente no tiristor 2 g Corrente de entrada h Corrente de carga constante Fonte Rashid 2014 Conversor trifásico controlado Os tiristores numerados que traduzem uma sequência de disparo são 12 23 34 45 56 61 As tensões de fase e linha podem ser escritas como Conversor trifásico controlado completo Fig 29 Conversor trifásico completo b Seq de disparo c Tensões de fase d Tensão de saída tensão de linha e Corrente no tiristor 1 f Corrente no tiristor 2 g Corrente de entrada h Corrente de carga constante Fonte Rashid 2014 Conversor trifásico controlado Portanto a tensão média de saída pode ser encontrada através da equação a seguir sendo A máxima tensão média de saída e a média normalizada são E o valor RMS pode ser encontrado com a seguinte equação A figura mostra a forma de para α π3 Para α π3 a tensão instantânea de saída v0 terá uma parte negativa Como a corrente nos tiristores não pode ser negativa a corrente na carga sempre será positiva Conversor trifásico controlado completo Conversor trifásico controlado Exemplo Para o conversor trifásico de onda completa apresentado é operado a partir de uma fonte de alimentação trifásica de 208 V 60 Hz ligado em estrela Y A resistência de carga é de R 10 Ω Para se obter uma tensão média de saída de 50 do valor da máxima possível pedese a O ângulo de disparo α b As correntes rms e média de saída c As correntes média e rms do tiristor d A eficiência de retificação e O Fator de Utilização do Transformador FUT f O fator de potência de entrada Conversor trifásico controlado completo Conversor trifásico controlado Resolução Para o conversor trifásico de onda completa apresentado é operado a partir de uma fonte de alimentação trifásica de 208 V 60 Hz ligado em estrela Y A resistência de carga é de R 10 Ω Para se obter uma tensão média de saída de 50 do valor da máxima possível pedese a O ângulo de disparo α b As correntes rms e média de saída Conversor trifásico controlado completo Conversor trifásico controlado Resolução Para o conversor trifásico de onda completa apresentado é operado a partir de uma fonte de alimentação trifásica de 208 V 60 Hz ligado em estrela Y A resistência de carga é de R 10 Ω Para se obter uma tensão média de saída de 50 do valor da máxima possível pedese c As correntes média e rms do tiristor d A eficiência de retificação e O Fator de Utilização do Transformador FUT Conversor trifásico controlado completo Conversor trifásico controlado Resolução Para o conversor trifásico de onda completa apresentado é operado a partir de uma fonte de alimentação trifásica de 208 V 60 Hz ligado em estrela Y A resistência de carga é de R 10 Ω Para se obter uma tensão média de saída de 50 do valor da máxima possível pedese f O fator de potência de entrada Conversor trifásico controlado completo Para o mesmo conversor monofásico controlado em estudo considere uma carga RL sendo R 05 Ω L 65 mH E 10 V Considere a tensão de entrada de 120 V na frequência de 60 Hz Pedese I A corrente de carga IL0 em ωt α 60 II A corrente média do tiristor IM III A corrente rms do tiristor IR IV A corrente rms de saída Irms V A corrente média de saída ICC Assinale a alternativa correta a IL04935A Imed4805A Irms6817A Irms9613A ICC8331A b IL04935A Imed4328A Irms5812A Irms1093A ICC861A c IL04563A Imed4405A Irms6371A Irms9613A ICC881A d IL04935A Imed4405A Irms6371A Irms901A ICC881A e IL04753A Imed3455A Irms6337A Irms9231A ICC8516A Interatividade Resolução Para o mesmo conversor monofásico controlado em estudo considere uma carga RL sendo R 05 Ω L 65 mH E 10 V Considere a tensão de entrada de 120 V na frequência de 60 Hz Pedese I A corrente de carga IL0 em ωt α 60 Dados Resposta Resolução Para o mesmo conversor monofásico controlado em estudo considere uma carga RL sendo R 05 Ω L 65 mH E 10 V Considere a tensão de entrada de 120 V na frequência de 60 Hz Pedese II A corrente média do tiristor IM Dados Utilizando as técnicas de integração numérica para a equação a seguir vem Resposta Resolução Para o mesmo conversor monofásico controlado em estudo considere uma carga RL sendo R 05 Ω L 65 mH E 10 V Considere a tensão de entrada de 120 V na frequência de 60 Hz Pedese III A corrente rms do tiristor IR Considerando a equação E elevandoa ao quadrado vem Utilizando as técnicas de integração numérica para a equação anterior considerando os limites ω α à πα vem IR6371A Resposta Resolução Para o mesmo conversor monofásico controlado em estudo considere uma carga RL sendo R 05 Ω L 65 mH E 10 V Considere a tensão de entrada de 120 V na frequência de 60 Hz Pedese IV A corrente rms de saída Irms V A corrente média de saída ICC Resposta d IL04935A Imed4405A Irms6371A Irms901A ICC881A Resposta Conversores duais trifásicos Similar ao dual monofásico também opera em quatro quadrantes Utilizados em aplicação para o suprimento de demanda com até 2000 kW Conversores duais trifásicos Fig 30 Circuito dual trifásico a Circuito b Sequências de disparo c Tensões de alimentação d Tensão de saída para o conversor 1 e Tensão de saída para o conversor 2 f Tensão no indutor de circulação Fonte Rashid 2014 a Conversores duais trifásicos O conjunto possui dois conversores duais trifásicos conectados backtoback A diferença entre as tensões instantâneas de saída dos conversores provoca uma corrente de circulação que flui em cada um dos conversores Essa corrente é limitada pelo indutor de circulação Lr Os conversores são controlados da seguinte forma α1 ângulo de disparo do controlador 1 α2 π α1 ângulo de disparo do controlador 2 A operação de cada um dos conversores é semelhante à do conversor trifásico completo Para o intervalo π6 α1 ωt π2 α1 A tensão de linha vab aparece na saída do conversor 1 e vbc no 2 Considerando v 01 e v 02 como as tensões de saída dos conversores 1 e 2 a tensão instantânea sobre o indutor durante o intervalo π6 α1 ωt π2 α1 é Conversores duais trifásicos Conversores duais trifásicos No caso da necessidade de se encontrar a corrente de circulação a equação a seguir pode ser utilizada ou seja A corrente de circulação depende do ângulo α1 e da indutância Lr A corrente é máxima quando ωt 2π3 e α1 0 Mesmo no caso do conversor não estar conectado à nenhuma carga os conversores operam continuamente por conta da corrente de circulação devido à ondulação da tensão no indutor Esse fato permite uma reversão suave da corrente de carga durante a transição da operação de um quadrante para o outro além de proporcionar as respostas dinâmicas rápidas em especial para o acionamento de motores A sequência de acionamento é semelhante ao conversor dual monofásico Comandar o conversor positivo com um ângulo de disparo de α1 α Comandar o conversor negativo com um ângulo de disparo de α2 π α através dos circuitos de isolação da porta Conversores duais trifásicos UJT Transistor de unijunção Transistor de unijunção unijunction transistor Dispositivo semicondutor de três terminais e um junção dispositivo de disparo Utilizado para a geração de sinais de comando de SCRs silicone controlled rectifier O circuito da figura 24 mostra um circuito básico de comando com UJT com os terminais emissor E base um B1 e base dois B2 Entre as bases a unijunção possui a característica de uma resistência comum denominada de resistência entre bases RBB que depende da dopagem e das dimensões com os valores característicos entre 47 a 91 kΩ Quando o circuito é alimentado por tensão Vs em CC o capacitor C é carregado através do resistor R devido ao circuito do emissor do UJT estar no estado aberto Transistor de unijunção Fig 31 Circuito de disparo com UJT Fonte Rashid 2014 UJT Transistor de unijunção Transistor de unijunção unijunction transistor Na figura 32 a É possível encontrar uma barra tipo N levemente dopada com material tipo P soldado emissor Na figura 32 b A flecha indica o sentido de condução da junção PN do UJT A barra é dividida em duas partes rB2 Resistência da parte superior rs Resistência fixa rn Resistência variável A resistência da barra um é rB1 rs rn e a soma das resistências RB1 e RB2 que pode ser entendida como a resistência equivalente entre as barras 1 e 2 pode ser declarada como rBB rB1 rB2 Transistor de unijunção Fig 32 Transistor de unijunção a Estrutura física b Simbologia c Circuito equivalente a B2 E P N B1 b B2 E B1 c B2 E B1 rB1 rs rn rB2 x Fonte Almeida 2007 Recapitulando a análise de circuitos com os transistores bipolares de junção Exemplo 1 Vamos reanimar a memória com as análises de correntes e tensões em um TBJ Suponha o circuito da figura a seguir encontre as correntes quiescentes e a tensão VCEQ Transistor bipolar de junção a Malha de entrada b Malha de saída VCC 12 V RC 22 kΩ RB 240 kΩ C2 C1 IC IB entrada CA saída CA 10 μF 10 μF VCE β 50 Fig 33 Circuito polarizado CC fixa Fonte Boylestad e Nashel 2013 Recapitulando a análise de circuitos com os transistores bipolares de junção Exemplo 2 Análises de correntes e tensões em um TBJ Suponha o circuito da figura a seguir encontre a corrente de saturação Ic Como é igual a zero devido Ic de saturação da equação anterior vem Transistor bipolar de junção a Malha de saída VCC 12 V RC 22 kΩ RB 240 kΩ C2 C1 IC IB entrada CA saída CA 10 μF 10 μF VCE β 50 Fonte Boylestad e Nashel 2013 Fig 34 Circuito polarizado CC fixa Recapitulando a análise de circuitos com os transistores bipolares de junção Exemplo 3 Análises de correntes e tensões em um TBJ Suponha a configuração no modo estável utilizando R1 R2 Rc e Re É necessário redesenhar a malha de entrada adquirindose um caso de divisor de tensão Transistor bipolar de junção Fig 35 Circuito com TBJ Fonte Boylestad e Nashel 2013 a Malha de saída Relações importantes Para o circuito a seguir sem considerar a polarização por CA encontre as tensões nodais e as correntes nos nós a VBB47V IE192 mA IB193μA VB427V IC191mA VC81V b VBB5V IE129 mA IB128μA VB457V IC128mA VC86V c VBB45V IE132 mA IB133μA VB427V IC131mA VC78V d VBB46V IE125 mA IB126μA VB417V IC124mA VC39V e VBB5V IE119 mA IB120μA VB438V IC118mA VC76V Interatividade Fonte Boylestad e Nashel 2013 Fig 36 Circuito com TBJ Resolução Para o circuito a seguir sem considerar a polarização por CA encontre as tensões nodais e as correntes nos nós 1 Simplificar o circuito utilizando Thévenin Resposta Resolução Para o circuito a seguir sem considerar a polarização por CA encontre as tensões nodais e as correntes nos nós 2 Para encontrar IB ou IE utilizase a malha L Notar que a corrente I em RBB é diferente de I em RE Resposta Resolução Para o circuito a seguir sem considerar a polarização por CA encontre as tensões nodais e as correntes nos nós A tensão na base é dado por Suponha a operação no modo ativo A corrente no coletor será Logo a tensão no coletor pode ser determinada por E no emissor como OBS 1 O potencial do coletor está muito mais alto do que o da base em 403 V 2 Podese concluir que o transistor está no modo ativo como suposto Resposta b VBB5V IE129 mA IB128μA VB457V IC128mA VC86V Resposta AHMED A Eletrônica de Potência São Paulo Pearson 1998 ALMEIDA J L A Dispositivos semicondutores Tiristores São Paulo Érica 2007 BOYLESTAD R L NASHELSKY L Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos São Paulo Pearson 2013 BRAGA N Como funciona o diodo de selênio ART1466 Instituto Newton Braga 20 fev 2014 Disponível em httpswwwnewtoncbragacombrindexphpcomofunciona8567 comofuncionaodiododeselenioart1466html Acesso em 08 jan 2022 MORAIS C Dissipador de calor O guia completo Eletrônica de Potência 10 fev 2021 Disponível em httpseletronicadepotenciacomdissipadordecaloroguiacompleto Acesso em 08 jun 2022 Referências RASHID M H Eletrônica de Potência 4 ed São Paulo Pearson 2014 SEDRA A S SMITH K C Microeletrônica 4 ed São Paulo Makron Book 2000 httpseletronicadepotenciacomdissipadordecaloroguiacompleto Acesso em 08 jun 2022 SOUZA W C Suprimento de Energia em Telecomunicações Dissertação de mestrado 2002 Referências ATÉ A PRÓXIMA