De acordo com o item 5, o surgimento de harmônicas na rede se faz quando, em algum(s) ponto(s) do sistema elétrico existir um foco de “deformação” na forma de onda da tensão e/ou corrente deste ponto.
Tais deformações podem ser causadas principalmente por : a) Transformador saturado
b) Cargas não lineares b.1) Retificadores CA – CC
b.1.1) controlados (através de tiristores) b.1.2) não controlados (através de diodos)
b.2) Inversores CC – CC b.3) Fornos a arco
b.4) Compensadores estáticos
IMPORTANTE :
i) Esta norma tratará especificamente das cargas que se utilizam de retificadores, devido à enorme predominância das mesmas na rede de distribuição primária. ii) Com relação aos fornos a arco e às cargas que utilizam somente inversores, no
que diz respeito à geração de correntes harmônicas, no momento, estas terão tratamentos específicos e serão estudadas como casos especiais pelo
Departamento de Engenharia de Distribuição.
10.1 – Cargas que se Utilizam de Tais Equipamentos
São várias as cargas que se utilizam dos retificadores, dentre as principais estão:
a) fornos elétricos de indução b) motores de corrente contínua
b.1) motores de uso geral – com controle de velocidade b.2) tração elétrica
b.3) laminadores utilizados em siderúrgicas c) No-breaks
d) CPD’ s
De forma enganosa, costuma-se denominar como cargas geradoras de
harmônicos os fornos de indução, motores de corrente contínua, laminadores, etc., sendo sim especiais os retificadores que as alimentam. Estes serão tratados aqui de forma mais abrangente.
Encontrados em uma gama variada de potências, em indústrias ligadas na rede de distribuição, os retificadores (também conhecidos como conversores) são classificados em :
• meia onda • onda completa
Os circuitos de meia onda, possuem um retificador (diodo ou tiristor) em cada fase da fonte de alimentação, sendo o neutro da fonte CA, por onde se dá o retorno da corrente da carga. Desta forma a corrente de cada fase se dá de forma unidirecional.
Os circuitos de onda completa tem como analogia, a associação série de dois circuitos meia-onda, um para conectar a linha à carga e outro para retornar a corrente de carga a outra linha da fonte CA, diminuindo a necessidade do neutro. Tais circuitos retificadores são também denominados de “ponte”. Com relação às características de controle, os conversores podem ser classificados em :
• circuito retificador não controlado • circuito retificador controlado • circuito retificador semi-controlado
Os circuitos não controlados, são aqueles que possuem somente diodos, fornecendo um valor fixo de tensão à carga.
Os conversores controlados, são aqueles que possuem somente tiristores, onde é possível controlar de maneira eficaz o valor médio da tensão fornecida à carga. Neste tipo de conversor, a tensão na carga pode assumir valores negativos, o que permite o fluxo bidirecional de potência.
Os circuitos semi-controlados, são associações de diodos e tiristores que impedem que a tensão na carga tenha valores negativos, resultando também num fluxo de potência unidirecional.
Quanto à faixa de operação nos terminais CC, é comum a classificação dos conversores em função do número de quadrantes em que a operação é permitida.
A figura 14 ilustra esta classificação.
Em “a)” , a existência de diodos no circuito impede que a tensão seja negativa, uma vez que a corrente na carga só flui em um sentido, devido à presença dos retificadores. A operação só é possível no 1º quadrante do par de eixos Id, Vd,
representando respectivamente os valores médios de corrente e tensão na carga.
Em “b)” , como só existem tiristores no circuito, a tensão na carga pode assumir valores negativos sendo então possível a operação no 1º e no 4º quadrantes. Em “c)” , é ilustrada a operação de quatro quadrantes, tornando possível a associação de dois grupos conversores de 2 quadrantes, permitindo o fluxo bidirecional de potência.
Finalmente, existe a classificação dos conversores quanto ao número de pulsos, ou seja, a taxa de repetição da forma de onda de tensão CC fornecida à carga, durante um ciclo da tensão CA. Por exemplo, um conversor de 3 pulsos possui tensão CC cuja modulação possui uma freqüência de repetição de 180Hz, ou seja, há 3 repetições da forma de onda da tensão CC durante um ciclo da fonte CA (60Hz).
a) Retificador Monofásico em Ponte a.1) Caso não Controlado
A forma mais usual de se desenhar um circuito retificador em ponte, é aquele mostrado na Figura 15, onde também são fornecidas as formas de onda de interesse. Será considerada, para melhor interpretação, uma carga de indutância elevada.
No semi ciclo positivo, D1 e D2 estão polarizados diretamente enquanto D3 e D4 estão em corte. No semi ciclo negativo a situação se inverte.
a.2) Caso Controlado
Agora, os diodos da Figura 15 serão substituídos por tiristores.
A figura 16, mostra que no semi ciclo positivo a tensão sobre os tiristores Q1 e Q2 é positiva, e uma vez disparados em ωt = α, como a corrente de carga é contínua, só haverá comutação das mesmas quando Q3 e Q4 forem disparados em ωt = α + π. Neste instante, o disparo de Q3 e Q4 faz com que seja aplicada uma tensão reversa em Q1 e Q4,
bloqueando-os. É possível então, que a tensão na carga tenha valores negativos de tensão.
a.3) Caso Semi-Controlado
Existe a possibilidade de substituir dois tiristores do circuito da figura 16 por dois diodos, resultando num circuito semi-controlado.
A figura 17 mostra o circuito elétrico, bem como as formas de onda de interesse:
O funcionamento do retificador semi-controlado é semelhante ao do controlado. Em ωt = + α , Q1 e D2 estão diretamente polarizados, e com o disparo de Q1, passaram a conduzir a corrente de carga. A diferença principal em relação ao retificador controlado é justamente na comutação dos tiristores.
Observa-se que na Figura 16, quando 0 <ωt < α , a tensão aplicada no tiristor Q1 é positiva e entretanto o mesmo não conduz porque ainda não foi aplicado pulso no gatilho. Assim como a corrente de Q2 e Q4 não se anulou, nem foi aplicada aos mesmos uma tensão reversa, estes
No retificador semi-controlado, quando D4 fica polarizado diretamente em ωt = π, este aplica uma tensão reversa em D2, que bloqueia. Assim, a corrente passa a circular por Q1e D4 que desta forma, passam a atuar como diodos de retorno.
b) Retificadores Trifásicos
b.1) Retificador Trifásico Meia-Onda b.1.1) Não Controlado
A Figura 18 a seguir, mostra o circuito de um retificador trifásico não controlado. Como existe um só caminho, os diodos de cada fase estão conectados ao mesmo ponto. Como a carga é ligada ao neutro do transformador, conduzirá aquele diodo que estiver ligado à fase que instantaneamente possuir maior potencial.
Desta forma, fica clara a interpretação das formas de onda, da Figura 19.
b.1.2) Controlado
O circuito de um retificador trifásico meia-onda controlado, é apresentado na Figura 20.
Considerando um ângulo de disparo para os tiristores de 30º ( α = 30º ), seu funcionamento será da seguinte forma :
De acordo com a Figura 21, Q1 é disparado em ωt = π/6 (ou seja α = 30º) passando a conduzir a corrente da carga. Em ωt = 5 π/6, VA = VB, Q1 continua a conduzir pois Q2 ainda não foi disparado.
Em ωt = π, Q2 é disparado (exatamente π/3 + 2 π/3, ou seja, os sinais de disparo, dos tiristores tem defasagem idêntica à das tensões de fase). Como VB > VA, Q1 comuta e Q2 passa a conduzir a corrente de carga.
5π
Quando Q3 é disparado em ωt --- , Q2 comuta da mesma maneira e a 3
partir do próximo disparo de Q1 em ωt = π/6 + 2π, o regime se estabelece como mostrado na Figura 21.
b.2) Retificador Trifásico em Ponte
Os retificadores trifásicos em ponte são os mais utilizados nas
instalações elétricas industriais. Seu circuito elétrico é apresentado na Figura 22 a seguir.
b.2.1) Não Controlado
O funcionamento deste retificador pode ser entendido da seguinte forma:
Consideremos inicialmente que a fase A possui a maior tensão em relação ao neutro. Pode-se supor que neste caso D1 esteja em condução. Se isto ocorrer, teremos em X, relativamente ao neutro do secundário do transformador a tensão da fase A. As tensões aplicadas aos ânodos dos diodos D3 e D5 são respectivamente as das fases B e C. Como estas tensões são menores, por hipótese, que a tensão dos cátodos, D3 e D5 estão reversamente polarizados. (observe que a suposição foi : VAN > VBN e VAN > VCN).
Para percebermos qual entre os diodos D2, D4 ou D6 conduzirá,
faremos agora hipótese de que VCN > VBN, ou seja, a fase B é menos positiva. Nesta condição D6 estará conduzindo, fazendo com que o ponto Y, em relação ao neutro, tenha o mesmo potencial da fase B. Teremos então D2 e D4 cortados.
A seguir será montada uma tabela, resumindo a condução dos diodos.
TABELA 2
TEMPO TENSÃO MAIS
POSITIVA CONDUZINDO 0<ωt < π /3 VCB D5 e D6 π /3<ωt < 2 π /3 VAB D1 e D6 2 π /3<ωt <π VAC D1 e D2 π<ωt < 4 π / 3 VBC D2 e D3 4 π / 3 <ωt < 5 π / 3 VBA D3 e D4 5 π / 3 <ωt < 2 π VCA D4 e D5
Com base nas explicações acima, a Figura 23 apresenta as curvas do retificador.
b.2.2) Controlado:
O circuito elétrico deste retificador consta na Figura 24 a seguir :
Seu funcionamento é semelhante aos não-controlados sendo a diferença, o fato do mesmo permitir o controle do valor médio da tensão de saída mediante o controle do ângulo de disparo. As suas formas de onda estão contidas na Figura 25, a seguir :
b.2.3) Semi-controlado :
Neste retificador também pode-se controlar o valor médio da tensão na carga apenas com três tiristores e três diodos em ponte, como no circuito da Figura 26.
A figura 27 mostra formas de ondas resultantes de sua operação para um ângulo baixo de disparo dos tiristores. Observa-se que agora temos três pulsos de tensão na carga, ou seja, o período desta tensão é um terço do período da tensão de linha (consequentemente com freqüência 3 vezes a freqüência da rede).
Existem também os sistemas retificadores de 12 pulsos, sendo equivalentes a dois retificadores de 6 pulsos em paralelo através de dois transformadores (YY e Y∆) defasados de 30º um do outro, como mostra a Figura 28.
10.2.2 – O Efeito da Reatância “CA” nos Retificadores
Nos casos reais de uso de retificadores, existe uma reatância do sistema CA que interfere nas formas de onda dos retificadores.
Suponhamos um circuito retificador, onde está considerada a existência da reatância CA, como mostra a Figura 29.
O efeito da reatância da rede, se traduz na condução simultânea de diodos, acarretando uma diminuição do valor médio da tensão, modificando as formas de onda.
Como exemplo, suponhamos que a comutação do retificador acima
(consideraremos um retificador trifásico de meia onda não controlado) dar-se- á da fase A para a fase B, de acordo com a Figura 30, a seguir.
Observa-se que existe um “delay” (atraso) na condição de corte do diodo, tal atraso é denominado de ângulo de comutação, devido à presença da
reatância CA, acarretando numa modificação das formas de onda.
A seguir é mostrada a forma de onda do retificador, considerando a reatância CA, ou seja, com ângulo de comutação # 0.