Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Estudo e análise experimental do funcionamento de um
retificador monofásico totalmente tiristorizado
Ariana Ofélia Figueiredo Moreira Martins Diogo Miguel Costa Pereira
Relatório do Trabalho Prático realizado no âmbito da Unidade Curricular “Eletrónica Industrial” do 3º ano do Ramo de Energia do
Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores
1. Resumo
Este trabalho assenta na análise e compreensão de um retificador monofásico totalmente tiristorizado. Deste modo, será estudado o princípio de funcionamento de circuitos de controlo por fase por ser o modo de controlo aplicado a estes conversores.
Para uma compreensão mais aprofundada acerca desta temática, o trabalho terá uma parte de simulação (recorrendo ao software PSIM) e uma parte experimental.
Será ainda analisada a interface para a rede elétrica de conversores electrónicos de potência bem como os aspectos normativos relacionados com a qualidade da energia eléctrica.
2. Índice
1 – Resumo ...1
2 – Índice ...2
3 – Introdução ...3
4 – Conversor CA/CC controlado ...4
4.1 – Estrutura e funcionamento ...4
4.2 – Circuito de comando ...5
4.3 – Simulação e análise ...7
4.4 – Funcionamento contínuo e descontínuo ...8
4.5 – Comparação entre simulação e resultados experimentais....9
4.6 – Análise da FFT, da THD e do Fator Potência ...11
5 – Conclusão ...13
6 – Referências ...14
7 – Anexos ...15
3. Introdução
Para transformação da corrente proveniente da rede (corrente alternada) tendo em vista o funcionamento de máquinas de corrente contínua são utilizados conversores CA/CC. Esta transformação é feita por conversores designados retificadores que podem ser controlados ou não controlados, conforme apresentem, ou não, capacidade de controlar a tensão no lado CC.
No âmbito da unidade curricular de Electrónica Industrial, foram já analisados e estudados, anteriormente, os retificadores não controlados, sendo que este trabalho incidirá sobre os retificadores controlados, que representam a maior aplicação dos tirístores em conversores.
O estudo em causa, debruçar-se-á sobre um retificador monofásico totalmente tiristorizado, cujas principais aplicações são motores CC (que também podem funcionar como geradores) e baterias.
4. Conversor CA/CC controlado
No estudo de conversores CA/CC controlados surgem-nos duas questões primordiais acerca do seu controlo: como se procede ao envio do sinal de comando e em que momento devemos inserir o sinal de controlo. O seguinte diagrama de blocos representa de forma sucinta a constituição de um conversor CA/CC controlado que será melhor compreendida através da simulação.
4.1. Estrutura e funcionamento
Figura 1 – Diagrama de blocos representativo de um conversor CA/CC controlado
Assumindo a nomenclatura correspondente à ponte de tirístores presente na figura 3 (à esquerda), procedemos à medição dos seguintes sinais:
- Tensão no lado CA (Vs);
- Corrente no lado CA (Is);
- Tensão no lado CC (Vdc);
- Corrente no lado CC (Idc);
- Tensão aos terminais do Tirístor 1 (Vt1) [arcada positiva];
- Tensão aos terminais do Tirístor 2 (Vt2) [arcada negativa].
Note-se que a tensão aos terminais do tirístor 1 é igual à tensão aos terminais do tirístor 3, sendo que o mesmo acontece para os tirístores 2 e 4, pois na arcada positiva a corrente flui pelos tirístores 1 e 3 e na arcada negativa pelos tirístores 2 em 4. Ao longo do relatório, iremos referir apenas a tensão em T1 e em T2, representando o grupo de semicondutores da arcada positiva e negativa, respectivamente, estando implícita a relação supracitada.
4.2. Circuito de comando
Nos conversores CA/CC comandados com pontes de tirístores, o funcionamento baseia-se no controlo por fase, que é o factor que determina o momento, e por sua vez, o valor de tensão para o qual os tirístores entram em condução. Para tal, é necessário recorrer a um circuito de interface para impor o valor de fase: α (alfa).
Para efeitos de simulação, o circuito que tem essa função é o presente na figura 3 (à direita).
No caso experimental, utilizou-se uma placa com vários elementos electrónicos, sendo um deles o circuito integrado TCA785, cujos terminais utilizados na interface de controlo estão indicados na figura 4. Os sinais adquiridos em alguns pinos da placa de relevância para análise do circuito podem ser consultados no capítulo 7 (anexos).
O funcionamento do circuito de interface de controlo baseia-se no seguinte procedimento: - Comparação da tensão na rede (lado CA), com o valor de referência zero;
- Geração de um sinal de sincronismo com a rede, à saída do comparador para detecção da passagem por zero;
- Entrada do sinal de sincronismo num gerador de sinal “dente de serra”;
- Geração de uma tensão contínua de controlo, cuja amplitude vai determinar o valor de alfa;
- Comparação do “dente de serra” com a tensão de controlo para identificar a sua intersecção (determinação do valor de α);
- Entrada do sinal de sincronismo, do sinal saído do comparador do “dente de serra” com a tensão de controlo e de um sinal de enable numa porta lógica AND;
- Saída do bloco de lógica para controlo dos tirístores.
Na figura 5 estão representados os modelos de sinais correspondentes ao processo de geração do valor de controlo (α), com alusão aos terminais do TCA785.
Os impulsos indicados por V15 e V14 correspondem aos impulsos que comandam a
entrada em condução dos tirístores da arcada positiva e negativa, respectivamente. Figura 4 – Esquematização dos pinos do circuito integrado TCA785
Figura 5 – Representação gráfica dos sinais dos circuito de controlo de disparo da gate
4.3. Simulação e análise
A imposição de alfa tem como consequência modificações nas ondas de tensão do lado CC e aos terminais dos semicondutores, bem como nas próprias ondas de corrente (CA e CC). Estas modificações variam consoante a combinação entre os valores do alfa, da resistência e da indutância da carga.
Para simplificar uma primeira análise, vamos admitir uma carga puramente resistiva.
Nota 1: Para todas as figuras de análise dos sinais de simulação, a correspondência entre cores e grandezas é a seguinte:
- cima: Vs (——), Vt1 (——), Vt2(——); - meio: Vs (——), Vdc (——);
- baixo: Is (——), Idc (——);
Para α=0, obtemos as ondas que teríamos para uma ponte de díodos com carga resistiva. Quando aumentamos o seu valor, a tensão Vs chega a zero antes de ser dada nova
ordem de condução aos tirístores. Consequentemente, a corrente e a tensão CC mantêm-se a zero até passarem alfa graus desde esse momento.
Após esse intervalo (de 0º a αº), a tensão e a corrente do lado CC adquirem os valores respectivos do lado CA rectificados.
Nos terminais dos semicondutores, no período de condução, a tensão é nula, sendo que, quando não estão em condução, adquirem o valor de Vs (no caso de T1) e de –Vs (no caso
de T2). Exceptua-se o intervalo em que a corrente é zero, imposto pelo valor de alfa. Neste
caso, como nenhum dos tirístores está em condução, os dois grupos dividem a tensão aos seus terminais.
Contudo, ao introduzir-se uma indutância na carga, os sinais acima estudados vão sofrer algumas alterações.
Figura 6 – Formas de onda provenientes da análise da tensão e corrente em vários pontos do circuito para α=0 (à esquerda) e para α=60º (à direita) com carga resistiva
4.4. Funcionamento contínuo e descontínuo
Com os mesmos valores na carga, variando α, passamos a ter dois modos de funcionamento: contínuo e descontínuo.
A diferença entre os dois assenta no facto da corrente ter ou não um intervalo em que o seu valor é zero.
Neste caso, estamos perante funcionamento contínuo, pois verifica-se que a corrente nunca atinge o valor zero.
Analisando a tensão CC nos tirístores, constatamos também uma diferença face aos gráficos anteriores. Como temos uma carga indutiva, a corrente vem atrasada face à tensão, o que mantém os tirístores em condução mesmo após a passagem de Vs por zero, dado que
ainda há corrente a circular. Isto faz com que a tensão CC atinja valores negativos e, por sua vez, cada grupo de tirístores mantenha a tensão nula durante alfa graus após a passagem de Vs
por zero, na arcada oposta à que entram em condução.
A diferença entre o funcionamento contínuo e descontínuo debruça-se exatamente sobre esta análise. Assim sendo, quando o valor de alfa é tal que permite que a corrente seja totalmente descarregada da bobine antes de uma nova ordem de condução para os tirístores ser dada, estamos perante o funcionamento descontínuo.
Figura 7 – Análise dos sinais para R=33Ω, L=0,2H e α=30º (correspondência cor-grandeza: consultar nota 1, pág.7)
Para estes valores de carga, o funcionamento descontínuo começa a evidenciar-se pouco depois de α=60º, pelo que com α=70º se consegue ter uma boa percepção do fenómeno. Neste modo, durante o intervalo em que a corrente é anulada e o novo impulso para condução é dado, o facto da corrente ir a zero torna a tensão CC nula e a tensão aos terminais dos semicondutores é partilhada pelos dois grupos (arcada positiva e arcada negativa), sendo que possuem valores idênticos mas simétricos, de forma a se anularem.
4.5. Comparação entre a simulação e os resultados experimentais
Para medições experimentais, com o equipamento real, utilizou-se um medidor isolado de tensão LEM LV 25P, equivalente ao utilizado em simulação, e uma ponta de prova de corrente, com um factor de conversão de 100mV/A.
Os valores da carga utilizados na experiência foram L=75 mH e R=33Ω. Para uma comparação mais fidedigna, utilizou-se na simulação os mesmos valores.
Como podemos verificar na figura 9 (à direita) estamos perante funcionamento contínuo e, pela ondulação da corrente vista do lado CC, podemos concluir que α≈30º.
Figura 9 – Resultados experimentais da medição de tensão e corrente para L=75mH e R=33Ω do lado CA (à esquerda) e do lado CC (à direita)
Figura 10 – Simulação da tensão e corrente para R=33Ω, L=75mH e α=30º (correspondência cor-grandeza: consultar nota 1, pág.7)
Valores de ondulação da corrente do lado CC relativos a α=30º: ∆i ≈ 3,6 A (experimental);
∆i ≈ 3,67 A (simulação);
Valores de ondulação da corrente do lado CC relativos a α=80º: ∆i ≈ 2,8 A (experimental);
∆i ≈ 3,16 A (simulação);
Neste caso, estamos perante o modo de funcionamento descontínuo. Foi usado um α=80º na simulação, pois medindo o intervalo de tempo em que temos a corrente igual a zero, obtemos o mesmo valor (aproximadamente de 2,5ms tanto para o experimental como para a Figura 11 - Resultados experimentais da medição de tensão e corrente para L=75mH e R=33Ω do lado CA (à esquerda) e do lado CC (à direita)
Figura 12 – Simulação da tensão e corrente para R=33Ω, L=75mH e α=80º (correspondência cor-grandeza: consultar nota 1, pág7)
Analisando as duas situações anteriores é de notar que mantendo os mesmos parâmetros de carga, o aumento do valor de α teve consequências nos valores de ripple de corrente.
4.6. Análise do FFT, da TDH e do Fator Potência
Tendo em conta um dos objetivos deste trabalho, que assenta na interface com a rede elétrica e no estudo da qualidade energia, foi necessária a análise da FFT, da taxa de distorção harmónica e do fator potência.
Primando pela coerência na comparação e análise de valores, foram usados na fase de simulação os mesmos valores de alfa que foram usados na fase experimental tendo em vista o cálculo dos parâmetros relacionados com a qualidade do sinal no lado CA.
Em relação aos gráficos da figura 13, podemos tirar conclusões acerca dos harmónicos. Deste modo, é relevante efetuar o cálculo da taxa de distorção harmónica pois, através dela, conseguimos inferir o nível de distorção que o sinal da corrente pode ter em relação ao seu valor eficaz e o valor eficaz do primeiro harmónico (tal como representado na equação 1) e, deste modo, concluir a sua qualidade.
(1)
Posto isto, vem que:
Taxa de distorção harmónica do Is para:
- α=30º à THD= 5,365% - α=80º à THD= 27,08%
Figura 13 – Medição da FFT da corrente Is no modo contínuo para α≈30º (à esquerda) e no modo descontínuo para α≈80º (à direita) para R=33Ω e L=75mH
Vem ainda que, é de interesse calcular o fator potência, dado por: (2)
Posto isto, vem que:
Fator potência do Vs vs Is para:
- α=30º à FP= 0,85 - α=80º à FP= 0,58
Foi possível verificar que, à medida que alfa aumenta, a taxa de distorção harmónica aumenta e o fator potência diminui. Para além da simples conclusão que se tira acerca do facto de uma THD mais alta conduzir a um sinal mais distorcido, logo com menos qualidade, a diminuição do fator potência indica também um aumento do consumo de energia reativa, o que é prejudicial ao consumidor (pois a energia reativa não intervém de forma útil nos processos energéticos e contudo, é paga). Daqui pode surgir a necessidade de utilizar mecanismos para correção do factor de potência.
5. Conclusão
É possível fazer uma comparação entre retificadores controlados e não controlados no que concerne aos parâmetros que influenciam o comportamento e a qualidade do sinal. Tal como fora abordado anteriormente, no caso do retificador de ponte de díodos (não controlado), podemos, por exemplo, constatar que os únicos valores que influenciavam o ripple da corrente eram os associados à carga. Contudo, nos retificados de ponte de tirístores (controlados) verifica-se que o parâmetro alfa intervém ativamente no comportamento do sistema, dado que impõe um aumento de desfasamento entre tensão e corrente, podendo também impor períodos de anulação da corrente que vão originar deformações no sinal do lado CA. Posto isto, é necessário encontrar uma boa relação entre alfa e os parâmetros da carga de maneira a que haja benefício para o consumidor sem que haja prejuízo para a rede.
6. Referências
- Mohan, Ned, Power Electronics; - Datasheet do CI TCA785;
7. Anexos
Figura 14 – Tensões nos pinos 5 e na rede
Figura 16 – Largura
