Aula16

(1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DE

SÃO JOÃO DEL-REI

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

RETIFICADORES TRIFÁSICOS

NÃO-CONTROLADOS

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Sumário

1. Introdução

2. Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos)

3. Retificadores trifásicos de onda completa em ponte

(seis-pulsos)

4. Exemplos

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Introdução

Os

retificadores

monofásicos

são

de

confecção

relativamente simples, mas têm uma

capacidade de potência

limitada

e geram uma

ondulação significativa

na tensão de

saída CC.

Os

retificadores trifásicos

, por outro lado, propiciam uma

saída CC com menos ondulação

, o que facilita a filtragem na

saída. Como os componentes do filtro para retificadores de alta

potência são grandes e caros, a

redução ou a eliminação

desses

filtros

é importante. Assim,

para aplicações de alta potência

, é

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Introdução

Os

retificadores trifásicos

têm as seguintes

vantagens, quando

comparados aos

monofásicos:



Tensão de saída mais alta

para uma determinada tensão de

entrada;



Amplitude mais baixa da ondulação

(embora nunca chegue a

zero), isto é, a tensão de saída é mais limpa;



Frequência

de ondulação

mais alta, o que simplifica a filtragem;



Eficiência

total

mais alta.

Os

retificadores trifásicos

usam

três,

seis

ou

doze diodos. O

uso de mais diodos reduz o custo, distribui a carga e permite o uso de

dispositivos com valores nominais mais baixos.

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Introdução

As tensões trifásicas são produzidas por geradores

trifásicos

que

possuem

bobinas

de

fase

dispostas

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Introdução

Corrente de Linha (I_L) = Corrente de Fase (I_F) Tensão de Linha (V_L) = 𝟑 Tensão de Fase (V_F)

Corrente de Linha (I_L) = 𝟑 Corrente de Fase (I_F) Tensão de Linha (V_L) = Tensão de Fase (V_F)

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Retificadores trifásicos de meia-onda

(três-pulsos)

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Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos)

- Com carga resistiva

A Figura 7.1 mostra um

retificador trifásico de meia-onda

com

três diodos e uma carga resistiva.

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Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos)

Para analisar o circuito é preciso, em primeiro lugar, determinar os períodos nos quais cada diodo está ligado e, em seguida, aplicar a fonte de tensão apropriada sobre o resistor de carga R. Cada diodo conduz em intervalos de 120° na sequência D₁, D₂, D₃, para produzir a tensão de saída combinada v_o, como mostra a Figura 7.2.

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Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos)

A forma de onda da tensão de entrada v_S na Figura 7.2 é usada para determinar os períodos em que cada diodo fica ligado. Considere o intervalo

entre 0° e 30°. Nesse período, a tensão de fase v_CN é mais alta do que v_AN e v_BN. Em consequência disso, o diodo D₃ fica diretamente polarizado e a tensão de saída (v_o) se torna igual a v_CN. Nesse intervalo, a tensão em D₁ é v_AC e a tensão em D₂, v_BC. Os diodos D₁ e D₂ ficam, portanto, inversamente polarizados.

De 30° a 150°, a tensão mais positiva é v_AN; ela passa o diodo D₁ para o estado ligado e aparece nos terminais de R como v_o. Em 150°, a tensão instantânea v_BN se torna maior do que v_AN. O diodo D₁ fica inversamente polarizado e passa para o estado desligado quando o diodo D₂ fica diretamente polarizado e começa a conduzir. Isso faz com que seja aplicado v_BN em R, de 150° a 270°.

Em 270°, v_CN torna-se de novo a mais positiva e D₃ passa para o estado ligado. O diodo D₃ liga v_CN em R a partir de 270°. O ciclo é então reiniciado.

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Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos)

A tensão de saída na carga v_o segue os picos da tensão de entrada de alimentação e varia pulsando entre V_max e 0,5 V_max. Esse circuito é denominado retificador de três-pulsos, uma vez que a saída se repete três vezes em cada ciclo de v_S.

A expressão geral para a tensão média na carga é (n = número de

pulsos):

Para o caso do retificador de três-pulsos,

Em relação à tensão de linha (V_L(m)), a tensão média na carga é dada por:

𝑉_𝑓(𝑚) = 𝑉𝐿(𝑚) 3

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Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos)

Uma vez que a carga é resistiva, a corrente tem a mesma forma de onda da tensão. A corrente de cada diodo é igual à corrente na carga durante o período em que um diodo conduz em seu intervalo de 120°. Cada corrente, no diodo, é então igual a zero no intervalo de 240° (ver Figura 7.3). O valor nominal da V_PIV ≥ V_L(m).

O valor RMS da corrente na carga é:

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Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos)

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Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos)

Em geral, o fator de ondulação é dado por:

e o fator de forma, por:

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Exemplo

Ex. 7.1) Um retificador não-controlado de três-pulsos está ligado a uma fonte CA 3ɸ, 4 fios, de V_L(RMS) = 220 V. Se a resistência de carga for de 20 Ω, determine:

a) a tensão máxima na carga;

b) a tensão média na carga;

c) a corrente média na carga;

d) a corrente máxima na carga;

e) a corrente máxima no diodo;

f) o valor nominal da PIV do diodo;

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Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos)

- Com carga indutiva (RL)

No caso prático, em que a carga contém uma indutância em série com a resistência (ver Figura 7.4), a corrente na carga é mais constante e tem uma ondulação que pode ser desprezada. Quanto mais alta a indutância, mais a corrente tende a ficar constante. Em condições ideais, se L for infinito, a ondulação será nula.

(17)

(18)

Retificadores trifásicos de meia-onda (três-pulsos)

Não há nenhuma mudança na forma de onda da tensão

de saída, e a

tensão média de saída permanece a mesma

.

A

corrente média no diodo

é:

(19)

Exemplo

Ex. 7.2) Se à carga do Exemplo 7.1 for acrescentada uma indutância alta, determine:

a) a tensão máxima na carga;

b) a tensão média na carga;

c) a corrente média na carga;

d) a corrente máxima na carga;

e) a corrente RMS na carga;

f) a corrente máxima no diodo;

g) o valor nominal da PIV do diodo;

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Retificadores trifásicos de onda completa em

ponte (seis-pulsos)

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Retificadores trifásicos de onda completa em ponte (seis-pulsos)

- Com carga resistiva

O retificador trifásico de onda completa em ponte (seis-pulsos)

é

um dos circuitos mais importantes em aplicações de alta potência.

Pode ser ligado diretamente a uma fonte trifásica ou usar um

transformador trifásico.

Um retificador de seis-pulsos fornece uma saída que tem

menos ondulação do que a do retificador de três-pulsos. A Figura 7.5

mostra o diagrama do circuito; os

diodos são numerados na ordem

em que conduzem.

O retificador em ponte

usa ambas as metades, positiva e

negativa, da tensão de entrada. Os picos negativos são passados para

o resistor de carga R. Portanto, a

frequência de ondulação é seis vezes

a frequência da fonte CA.

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1. Dois diodos em sequência estão sempre conduzindo, enquanto os outros quatro permanecem bloqueados.

2. Um dos diodos que conduz tem subscrito ímpar (D₁, D₃ ou D₅), enquanto o outro é par (D₂, D₄ ou D₆).

3. Cada diodo conduz por 120°, ou seja, um terço de cada ciclo.

4. A corrente flui do terminal mais positivo da fonte através de um diodo ímpar, da

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Retificadores trifásicos de onda completa em ponte (seis-pulsos) O fluxo de corrente em qualquer instante de tempo pode, portanto, ser calculado quando se determinam os terminais mais positivos e mais negativos da fonte. O terminal mais positivo polarizará diretamente seu respectivo diodo ímpar e o fará passar para o estado ligado. O terminal mais negativo polarizará diretamente seu respectivo diodo par e o fará passar para o estado ligado.

(24)

A Figura 7.7a mostra as três tensões de linha e suas tensões inversas; para cada intervalo de 60°, a porção da tensão na

Figura 7.7a é

redesenhada como v_o na Figura 7.7b, de modo que se obtenha

a forma de onda

completa da tensão de saída.

(25)

(26)

Podemos usar a Tabela 7.2 para desenhar os circuitos equivalentes simplificados do retificador de seis-pulsos, mostrado na Figura 7.8. A partir desses circuitos, é possível determinar com facilidade a tensão de saída para cada período de 60°.

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(28)

Retificadores trifásicos de onda completa em ponte (seis-pulsos) A tensão de saída varia entre 1,414 V_s e 1,225 V_s, onde V_s é o valor RMS da tensão de linha. A tensão média CC na carga é o dobro que no retificador de meia onda, e seu valor é dado por:

onde V_m é o valor máximo da tensão de fase. Em relação à tensão de linha, a tensão média na carga é dada por:

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(30)

Retificadores trifásicos de onda completa em ponte (seis-pulsos) A corrente máxima na carga é obtida de forma diferente em relação ao conversor de 3 pulsos, tendo em vista que a máxima tensão que aparece na carga é a tensão de linha, consequentemente, dada por:

A corrente média em um dos diodos é somente um terço da corrente na carga:

O valor RMS da corrente no diodo é:

A tensão máxima de bloqueio para o diodo é: 𝐼_𝑚 = 𝑉𝑙(𝑚)

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Exemplo

Ex. 7.3) Um retificador não-controlado de seis-pulsos é ligado a uma fonte 3ɸ, V_L(RMS)= 208 V, 60 Hz. Se a resistência de carga for de 5 Ω, determine:

a) a tensão média na carga;

b) a corrente média na carga;

c) a corrente média no diodo;

d) a corrente máxima no diodo;

e) o valor nominal da PIV do diodo;

𝐼_𝑚 = 𝑉𝑙(𝑚) 𝑅

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- Com carga indutiva (RL)

Se a carga for indutiva, a forma de onda da tensão de saída permanecerá como no caso da carga resistiva e a corrente na carga terá a ondulação reduzida, como na Figura 7.10 (L>>R).

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A

tensão média na carga

é dada por:

A

corrente média na carga

é:

(34)

O

valor RMS da corrente na carga

é dado pela mesma

equação para o valor médio:

Isso ocorre porque a forma de onda da corrente tem uma

ondulação muito pequena.

O

retificador de seis-pulsos

representa uma grande melhoria

quando comparado ao de três-pulsos e

forma a base principal para a

maioria das instalações de retificadores de grande porte.

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Exemplo

Ex. 7.4) Um retificador não-controlado de seis-pulsos ligado a uma fonte de V_L(RMS)= 220 V, 3 ɸ, alimenta uma carga RL. Se a indutância for muito grande e a resistência de carga for de 50 Ω, determine: