Retificadores Controlados 5ta1h

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA - CAMPUS VITÓRIA DA CONQUISTA DIRETORIA DE ENSINO COORDENAÇÃO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

RETIFICADORES CONTROLADOS

LUAN DIEGO DE LIMA PEREIRA MIGUEL FELIPE NERY VIEIRA RODRIGO SANTOS LEONELLO

Vitória da Conquista 2014 LUAN DIEGO DE LIMA PEREIRA

MIGUEL FELIPE NERY VIEIRA RODRIGO SANTOS LEONELLO

RETIFICADORES CONTROLADOS

Relatório referente a aplicação prática dos retificadores controlados, com simulações realizadas no software MULTISIM, apresentado como requisito parcial para aprovação na disciplina Eletrônica de Potência, ministrada pelo professor Leonardo Souza Caires.

Vitória da Conquista 2

2014

SUMÁRIO 1. OBJETIVOS................................................................................................................. 1 2. INTRODUÇÃO GERAL............................................................................................. 1 2.1 Introdução............................................................................................................... 1 2.2 O tiristor.................................................................................................................. 2 2.3 Pontes retificadoras................................................................................................. 3 3. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO................................................................... 5 4. SIMULAÇÃO............................................................................................................... 9 5. CONCLUSÃO............................................................................................................ 13 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................... 14

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1. OBJETIVOS O Objetivo principal deste trabalho é realizar uma simulação de uma aplicação prática dos retificadores controláveis, utilizando o software NI Multisim 3.0, onde será acionado um motor de corrente continua utilizando uma ponte totalmente controlada por tiristores, de forma a retificar a onda de entrada. 2. INTRODUÇÃO GERAL 2.1 Introdução O fornecimento de energia elétrica é feito, essencialmente, a partir de uma rede de distribuição em corrente alternada, devido, principalmente, à facilidade de adaptação do nível de tensão por meio de transformadores. Em muitas aplicações, no entanto, a carga alimentada exige uma tensão contínua. A conversão CA-CC é realizada por conversores chamados retificadores. Os retificadores podem ser classificados segundo a sua capacidade de ajustar o valor da tensão de saída (controlados x não controlados); de acordo com o número de fases da tensão alternada de entrada (monofásico, trifásico, hexafásico, etc.); em função do tipo de conexão dos elementos retificadores (meia ponte x ponte completa). Um conversor controlado completo é mostrado na figura 1 a) na forma de diagrama de bloco. Para uma dada voltagem de linha ac, a voltagem média no lado dc pode ser controlada de uma voltagem máxima positiva até uma voltagem mínima negativa. A corrente dc Id não pode mudar de direção. Portanto, um conversor deste tipo só pode operar em dois quadrantes (no plano Vd – Id). A figura 2.1 b) mostra que Vd e Id positivo implica em retificação onde o fluxo de potência é do lado ac para o lado dc. No modo inversor, Vd torna-se negativa (Id ainda é positiva) e a potência é transferida do lado dc para o lado ac.

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Figura 1. a) Conversor controlado b) Operação em dois quadrantes 2.2 O tiristor O tiristor é formado por quatro camadas semicondutoras, alternadamente p-n-p-n, possuindo 3 terminais: anodo e catodo, pelos quais flui a corrente, e a porta (ou gate) que, a uma injeção de corrente, faz com que se estabeleça a corrente anódica. A figura 2 ilustra uma estrutura simplificada do dispositivo. Se entre anodo e catodo tivermos uma tensão positiva, as junções J1 e J3 estarão diretamente polarizadas, enquanto a junção J2 estará reversamente polarizada. Não haverá condução de corrente até que a tensão Vak se eleve a um valor que provoque a ruptura da barreira de potencial em J2.

Figura 2. Funcionamento básico do tiristor. Se houver uma tensão Vgk positiva, circulará uma corrente através de J3, com portadores negativos indo do catodo para a porta. Por construção, a camada P ligada à porta é suficientemente estreita para que parte dos elétrons que cruza J3 possua energia cinética suficiente para vencer a barreira de potencial existente em J2, sendo então atraídos pelo anodo. Desta forma, a junção reversamente polarizada tem sua diferença de potencial diminuída e estabelece-se uma corrente entre anodo e catodo, que poderá persistir mesmo na ausência da corrente de porta. Quando a tensão Vak for negativa, J1 e J3 estarão reversamente polarizadas, enquanto J2 estará diretamente polarizada. Assim, o tiristor bloqueará o fluxo de portadores enquanto não for superada a tensão de ruptura das duas junções. Os tiristores convertem e controlam grandes quantidades de potencias em sistemas AC ou DC, utilizando uma pequena potência para controle. Suas principais características são: ação de

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chaveamento rápido, pequeno porte e altos valores nominais de corrente e tensão. A figura 3 mostra sua curva característica de I x V.

Figura 3. Curva característica I x V do tiristor. 2.3 Pontes retificadoras

Figura 4. a) Semi-controlada simétrica; b) Semi-controlada assimétrica; c) totalmente controlada. 

Ponte semi-controlada assimétrica Na ponte assimétrica (figura 4. a) existe um caminho de livre-circulação formado pelos

diodos D1 e D2. Supondo a polaridade da tensão da entrada como indicada, o disparo de T1conecta a entrada à carga (indutiva) através do tiristor e D2. Quando a tensão de entrada se inverter, D1 entrará em condução e T1 cortará (Enquanto, devido ao tempo de desligamento do tiristor, T1, D1 e D2 conduzirem, a fonte estará curto-circuitada, com sua corrente sendo limitada pela impedância da fonte). Quando T2 for disparado, D1 cortará. O intervalo de

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condução de cada SCR é de (π−α). Cada diodo conduz por (2π−α). A figura 5 mostra formas de onda para este conversor.

Figura 5. Formas de onda de ponte retificadora semi-controlada assimétrica. 

Ponte semi-controlada simétrica Neste circuito (figura 4. b) não existe um caminho natural de livre-circulação, a qual deve

ocorrer sempre através de um SCR e um diodo. Supondo vi(t) com a polaridade indicada, quando T1 for disparado, a corrente circulará por T1 e D2. Quando a tensão da fonte inverter a polaridade, D1 entrará em condução e D2 bloqueará. A tensão na carga será nula pois T1 e D1 conduzirão, supondo que a corrente não se interrompa (carga indutiva). Quando T2 for disparado, T1 bloqueará. Diodos e tiristores conduzem, cada um por 180º. Formas de onda típicas estão mostradas na figura 6.

Figura 6. Formas de onda de ponte retificadora semi-controlada simétrica. 

Ponte totalmente controlada O arranjo de um conversor monofásico controlado é mostrado na figura 4.c. Consideramos

com uma carga altamente indutiva de tal forma que a corrente de carga seja livre de ondulações. Durante o semiciclo positivo, os tiristores T1 e T4 estão diretamente polarizados; e quando 7

esses dois tiristores são disparados simultaneamente em ωt = α a carga é conectada à rede de alimentação de entrada através de T1 e T4. Devido à carga indutiva, os tiristores T1 e T4 continuarão a conduzir até de ωt = α, mesmo se a tensão de entrada já estiver negativa. Durante o semiciclo negativo da tensão de entrada, os tiristores T2 e T3 estão diretamente polarizados; e o disparo de T2 e T3 aplicará a tensão da rede sobre T1 e T4 como tensão reversa de bloqueio. T1 e T4 serão desligados devido à comutação natural ou pela rede e a corrente de carga será transferida de T1 e T4 para T2 e T3. Durante o intervalo compreendido entre α < ωt < π , a tensão de entrada Vs e a corrente de entrada Is são positivas; e a potência flui da rede de alimentação para a carga. Diz-se que o conversor opera como retificador. Durante o período compreendido entre π < ωt < α+π , a tensão de entrada Vs é negativa e a corrente de entrada Is é positiva; e haverá fluxo inverso de potência, da carga para rede de alimentação. Diz-se que o conversor está operando como inversor. A figura 7 mostra formas de onda para o circuito.

Figura 7. Formas de onda para ponte totalmente controlada. . 3. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO Os circuitos retificadores controlados constituem a principal aplicação dos tiristores em conversores estáticos. Possuem vasta aplicação industrial, no acionamento de motores de corrente contínua, em estações retificadoras para alimentação de redes de transmissão CC, no acionamento de locomotivas, etc. O projeto em questão utiliza a ponte totalmente controlada por tiristores, de forma a retificar a onda de entrada, que por sua vez acionará o motor de corrente contínua (Ea), como visto na Figura 9.

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Figura 9. Retificador monofásico de onda completa à Tiristor. Essa montagem é usada em grande escala no acionamento deste tipo de motor, pois há uma necessidade de operar em dois quadrantes, no plano Tensão x Corrente, possibilitando fornecer a energia necessária ao motor CC. Neste circuito não pode haver inversão de polaridade na corrente, mas a tensão sobre a carga pode se tornar negativa, desde que exista um elemento indutivo que mantenha a circulação de corrente pelos tiristores, mesmo quando reversamente polarizados. Os pares de componentes T1 e T4, T2 e T3 devem ser disparados simultaneamente, a fim de garantir um caminho para a corrente através da fonte. Para casos em que a corrente é descontínua (corrente da carga vai à zero dentro de cada semiciclo da rede), os tiristores desligarão quando a corrente cair abaixo da corrente de manutenção. Em casos de condução contínua, o par de tiristores desligará quando a polaridade da fonte se inverter e for disparado outro par de tiristores. Assim, se houver inversão na polaridade da tensão de entrada, mas não for acionado o outro par de SCRs, a tensão nos terminais do retificador será negativa. A figura a seguir mostra formas de onda para o circuito.

Figura 10. Formas de onda resultante da fonte monofásica. 9

Como visto na Figura 10, o resultado da retificação do sinal Vi(t) é um sinal que conserva o sinal original até um ângulo α , sendo posteriormente retificado até se encerrar o próximo semicírculo. O ajuste desse ângulo é importante para entender o estado de funcionamento, anteriormente citado. Há duas situações possíveis, a depender dessa escolha. Sendo a primeira um estado de funcionamento contínuo, e a segunda um estado de funcionamento descontínuo. O excede o ângulo α, denominado ângulo de extinção β, e sua influência na retificação do sinal pode ser visto melhor nas figuras a seguir.

Figura 11. Formas de onda de tensão e corrente sem a influência do β.

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Figura 12. Formas de onda de tensão e corrente com influência do β. Dessa forma, é possível perceber sob qual condição exigiria uma nova ativação nos gatilhos dos tiristores do segundo semicírculo, já que sua corrente cortaria em certo momento pelo ângulo de extinção. O ângulo de extinção pode ser calculado analisando os seguintes parâmetros: 

Relação entre as fontes a



=

E √2V

(Equação 1)

Onde V é a tensão de pico. Relação entre a resistência(Ra) e a reatância(La) cos θ

=

R √( R 2+ X 2)

(Equação 2)

Onde X= ω L 

Ângulo de disparo α

A partir desses parâmetros é possível mensurar, através Ábaco de Puschlowski, o ângulo de extinção β. A figura a seguir exemplifica uma leitura do ábaco, considerando α =30º, cos( θ ¿ =0,87 e a=0.

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Figura 13. Ábaco de Puschlowski. É possível calcular a tensão média de saída em cada semiciclo da seguinte forma:

1 Vo = π

π +α

∫ Vsenθ dθ = α

2V π

cos

(α )

(Equação 3)

Onde V é a tensão de pico. Considerando a condição contínua de operação, a tensão eficaz de saída é igual ao valor eficaz da tensão de entrada. Sendo uma aplicação em motores, é interessante analisar também o fator de potência visto pela rede, que pode ser calculado da seguinte forma:

FP=

P S

=

2 √ 2cos α π

(Equação 4)

4. SIMULAÇÃO Para simulação do acionamento do motor dc utilizando retificador controlado foi utilizado o software NI Multisim 3.0. Neste foi implementado o seguinte circuito. 12

Figura 14. Implementação no Software NI Simulink 3.0 É importante salientar que S1 e S4 são alimentados no ciclo positivo de tensão e S2 e S3 no ciclo negativo, garantindo que funcionem com 180º de defasagem. O bloco M1 representa o motor de corrente contínua. O software estabelece alguns parâmetros ajustáveis para o mesmo, tais como velocidade e torque constantes.

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Figura 15. Parâmetros do Multisim para o motor dc A partir da simulação os seguintes gráficos foram plotados:

Figura 16. Tensão da Fonte (V(source)/15) X Corrente do Resistor (I(R1)) Observa-se que a corrente que entra no resistor R1 e, consequentemente no motor, possui valores não-nulos a cada semiciclo de tensão da Fonte, consequência da maneira que os tiristores foram ligados. 14

Figura 17. Tensão da fonte X Tensão Resistor R1 (motor desconectado). Sem a conexão do motor, percebe-se que a tensão sobre o Resistor R1 comporta-se de maneira esperada conforme à literatura, porém ao conectar o motor, percebe-se a presença de ruído devido ao componente, o que pode ser visto no gráfico abaixo. Percebe-se também que a tensão de entrada do motor possui pequenas oscilações, quase assemelhando-se à uma fonte contínua.

Figura 18. Tensão da fonte X Tensão Resistor R1 (motor conectado).

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Pode-se medir também a tensão Ea, de saída do motor.

Figura 19. Tensão de saída do Motor (Ea) Observa-se que a tensão Ea apresenta crescimento exponencial e após um determinado instante estabiliza-se (pequenas oscilações são observadas), constatando o fato de que o motor opera de maneira constante durante o tempo. Os medidores de velocidade e torque asseguram a constância do motor.

Figura 20. Indicadores de Velocidade e Torque do motor dc. É importante ressaltar que os valores indicados são obtidos após o motor entrar em regime permanente e não são alterados a menos que a fonte seja desligada.

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5. CONCLUSÃO Diante dos resultados obtidos e das referências consultadas foi possível comprovar a eficiência da ponte totalmente controlada para acionamento de um motor dc e controle de tensão de entrada do mesmo. Fica evidente que a ponte é capaz de retificar a tensão alternada, possibilitando o uso em máquinas de corrente contínua, o que justifica seu crescente uso em diversas aplicações industriais.

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6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1]. Ahmed, Ashfak. Eletrônica de Potência, Prentice Hall, São Paulo, 2000. [2]. Caires, Leonardo Souza. Notas de aula: Retificadores controlados; O tiristor. IFBA, 2014. [3]. Ponte Retificadora Monofásica a Tiristor. LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA. PUC – RS. Disponível em . o em 20/11/2014. [4]. Pomilio, José Antenor. Eletrônica de Potência , Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, UNICAMP, 1998, Revisado em 2002. [5]. Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and Applications, Segunda Edição, Elsevier, 2007.

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