Capítulo 6:
Capítulo 6:
Retificadores monofásicos controlados
Retificadores monofásicos controlados
Profa.
Profa.
Dr
Dr
.
.
–
–
Ing. Vera Lúcia D. S. Franco
Ing. Vera Lúcia D. S. Franco
Engenharia Mecatrônica
-Para se construir um retificador controlado é
-Para se construir um retificador controlado é necessário utilizar um semicondutor necessário utilizar um semicondutor
controlado, como por ex: SCR,
controlado, como por ex: SCR, IGBT etc.IGBT etc.
Este circuito produz uma saída de tensão DC variável, cujo a amplitude é obtida
Este circuito produz uma saída de tensão DC variável, cujo a amplitude é obtida
por
por meio meio de de controle controle de de fase, fase, isto isto é, é, com com o o domínio domínio do do período período de de condução,condução,
variando o ponto no qual um sinal na
-Para se construir um retificador controlado é
-Para se construir um retificador controlado é necessário utilizar um semicondutor necessário utilizar um semicondutor
controlado, como por ex: SCR,
controlado, como por ex: SCR, IGBT etc.IGBT etc.
Este circuito produz uma saída de tensão DC variável, cujo a amplitude é obtida
Este circuito produz uma saída de tensão DC variável, cujo a amplitude é obtida
por
por meio meio de de controle controle de de fase, fase, isto isto é, é, com com o o domínio domínio do do período período de de condução,condução,
variando o ponto no qual um sinal na
-Os SCRs para conduzir é necessário uma tensão positiva ânodo-cátodo e um
-Os SCRs para conduzir é necessário uma tensão positiva ânodo-cátodo e um
sinal de porta. Se o tempo de
sinal de porta. Se o tempo de retardo do pulso na porta for ajustado, e se retardo do pulso na porta for ajustado, e se processoprocesso
fo
for r exexececututadado o rerepepetitidadamementnte, e, enentãtão o as as sasaídídas as dodos s reretitifificacadodoreres s popodederãrão o seser r
controlados. Essa técnica é denominada controle de fase.
controlados. Essa técnica é denominada controle de fase.
-Os retificadores controlados, ou conversores são classificados em dois tipos :
-Os retificadores controlados, ou conversores são classificados em dois tipos :
-C
-Comomplpletetamamenente te cocontntrorolaladodos s ou ou do do titipo po de de dodois is ququadadrarantnte; e; - - ututililiziza a apapenenasas
elementos semicondutores controlados; a corrente é unidirecional, mas a tensão
elementos semicondutores controlados; a corrente é unidirecional, mas a tensão
pode
pode ter ter qualquer qualquer uma uma das das polaridades. polaridades. Com Com uma uma delas delas (positiva) (positiva) o o fluxo fluxo dede
potência vai da f
potência vai da fonte AC para a DC, em onte AC para a DC, em um processo chamum processo chamado retificaçãado retificação. Com ao. Com a
inversão da tensão DC pela carga, o fluxo de potência vai da fonte DC para a
inversão da tensão DC pela carga, o fluxo de potência vai da fonte DC para a
alimentação
alimentaçãoAC, num AC, num método chamétodo chamado inversão.mado inversão.
-Semicontrolados- utiliza semicondutores controlados (SCR) e não controlados
-Semicontrolados- utiliza semicondutores controlados (SCR) e não controlados
(diodos). Neste caso possível a variação da tensão média, porém não é possível a
(diodos). Neste caso possível a variação da tensão média, porém não é possível a
inversão. A transferência de potência sempre é da fonte AC para carga DC. Estes
inversão. A transferência de potência sempre é da fonte AC para carga DC. Estes
são os denominados conversores de um
Os
Os rretetifificicadadororeses DCDC fofornrnececemem popotêtêncnciaia DCDC paparara váváririasas apaplilicacaçõçõeses::
-Controle de velocidade de motor DC;
-Controle de velocidade de motor DC;
-Carregador de bateria;
-Carregador de bateria;
-T
-Transmissão DC em ransmissão DC em alta tensão;alta tensão;
--O O ccononttrrolole e dde e fafase se é é uusasado do papara ra ffrereququêênncicia a ababaiaixxo o dde e 4400 00 Hz Hz oou, u, mmaiaiss
co
commumumenente te eem m 60 60 HzHz. . A A prpriincnciipapal l dedessvavanntataggem em do do cocontntrrolole e de de fafase se é é aa
interferência em radio frequência (radio
interferência em radio frequência (radio frequency interference-RFI)frequency interference-RFI)
-A on
-A onda semi-sda semi-senoidenoidal cortada prodal cortada produz uz harmharmônico de baixa ordem que interfônico de baixa ordem que interfereere
no funcionamento de diversos equipamentos, tais como: rádio televisão etc.
A onda semi-senoidal cortada produz harmônicos de peso que interferem em sinais com frequência de rádio, TV e em outros equipamentos de comunicação (analógicos).
Formas de onda de tensão e de corrente de um retificador de meia onda c/ carga resistiva.
O SCR passa a conduzir no t0, uma corrente fluirá na carga e a tensão de saída V0 será igual a tensão de entrada, em a corrente cai naturalmente para zero, uma vez que o SCR estará reversamente polarizado. O SCR fica bloqueado até que um sinal de porta seja aplicado (t0 + 2). O período de 0 a t0 representa o tempo que o SCR está desligado. Esse ângulo ( - medido em graus) é denominado de ângulo de disparo ou ângulo de retardo (). De t0a é o ângulo de condução ().
O valor médio da tensão de saída depende do ângulo de retardo () como mostrado na equação abaixo.
; sendo Vm o valor de pico.
A corrente média é representada pela equação abaixo:
O valor RMS da corrente na carga é dado por:
2
cos
1
) ( 0
m avgV
V
R
V
I
avg m 2
cos
1
) ( 0 2 1 2 2 1 2
sen I I m RMSCaracterística de controle de um retificador de meia-onda
Por essas equações nota-se que a amplitude da tensão de saída é controlada pelo ângulo de disparo. O aumento de provoca uma redução na amplitude de tensão de saída e vice-versa.
-Máxima tensão de saída V0avg ; = 0 – diodo
-Mínima tensão V0avg = 0 - = 180º A tensão média normalizada é:
2 cos 1 2 ) cos 1 ( 0 ) ( 0 m m d avg n V V V V
V Vn é função de , conhecida como
característica de controle do retificador de meia onda.
Exercício:
Um retificador controlado de meia-onda é alimentado por uma fonte de 220V.
Se a resistência de carga for de 10 Ohms, determine a tensão na carga e a potência média na carga para os seguintes ângulos de retardo:
a) = 0º b) = 45º
c) = 135º d) =180º
Equação a ser utilizada:
2
cos
1
) ( 0
m avgV
V
R
V
P
L avg 2 ) ( 0
a) circuito; b) formas de onda de tensão e de corrente
Retificador de meia onda totalmente controlado com carga
indutiva
Quando o SCR for acionado com um ângulo , a corrente na carga aumentará devagar, uma vez que a indutância forçará a corrente a se atrasar com relação à tensão. A tensão na carga V0 será positiva e o indutor estará armazenando energia em seu campo magnético. Entretanto, a energia armazenada no campo magnético do indutor retornará e manterá uma corrente direta através da carga. A corrente continuará a fluir até (ângulo de avanço) quando então o SCR passará para o estado desligado. A tensão no indutor mudará de polaridade e a tensão na carga ficará negativa. Em conseqüência disso, a tensão média na saída vai se tornar menos do que se a carga fosse só resistiva.
A tensão média na carga é dada por:
2
cos
cos
) ( 0 m avgV
V
Para cortar a porção negativa da tensão de saída e amenizar a ondulação da corrente de saída utiliza-se um diodo de retorno.
Quando a tensão da carga tender a inversão o diodo de retorno ficará diretamente polarizado e passará para o estado ligado, o SCR ficará inversamente polarizado e passará para o estado desligado. A corrente que fluía da fonte para a carga, pelo
a) diagrama do circuito;
A corrente continua a fluir na carga após o SCR ter passado para o estado desligado, isto se deve a energia armazenada no indutor.
Para cortar a porção negativa da tensão de saída e amenizar a ondulação da corrente de saída utiliza-se um diodo de retorno.
Quando a tensão da carga tender a inversão o diodo de retorno ficará diretamente polarizado e passará para o estado ligado, o SCR ficará inversamente polarizado e passará para o estado desligado. A corrente que fluía da fonte para a carga, pelo
SCR fica agora entre a carga e o diodo de retorno.
Retificador de meia onda totalmente controlado com diodo de
retorno
Retificador de onda completa com terminal central: diagrama do circuito
Retificador controlado de onda completa com terminal central
–Resistivo
Durante o semiciclo positivo da tensão de entrada, o SCR 1 fica diretamente polarizado. Se aplicar um sinal na porta em , o SCR 1 passará para o estado ligado. Em quando a corrente se torna nula, o SCR 1 passará de maneira natural para o estado desligado. Durante o semiciclo negativo o SCR 2 passará para o estado ligado ( + ). Quando a corrente cai a zero (2) em SCR 2 o dispositivo passa para o estado desligado. O valor médio da tensão na carga é o dobro daquele
apresentado anteriormente (retificação de meia onda).
)
cos
1
(
) ( 0
m avgV
V
2 12
2
1
sen
I
I
rms mRetificador controlado de onda completa com terminal central com
carga indutiva
Supondo uma carga indutiva alta a corrente na carga se torna contínua.
O SCR 1 conduz durante 180º de a ( + ), e a tensão na carga segue a tensão de entrada. Em ( + ), o SCR 2 é disparado e o SCR 1 passa para o estado desligado, uma vez que a tensão de alimentação aparece de imediato e aplica uma polarização inversa. O SCR 2 conduz durante 180º de ( + ) a (2 + ) e fornece potência a carga.
O valor médio da tensão na carga é dado por:
A tensão de saída é máxima quando = 0º A tensão de saída é zero quando = 90º
A tensão atinge o seu máximo negativo quando = 180º.
cos
2
) ( 0 avgV
mV
Formas de onda para de um retificador de onda completa com
terminal central e carga RL
A tensão média de saída normatizada é:
A curva característica de controle (plotagem de Vn em função de ) de um retificador com terminal central é mostrada na figura abaixo:
cos
) ( 0
do avg nV
V
V
A tensão de saída RMS é dado por: V0(RMS) = Vs(RMS)
a) circuito; b) formas de onda de tensão e de corrente Retificador controlado de onda completa
com terminal central com carga indutiva e diodo de retorno.
Um diodo de retorno ligado em paralelo com a carga indutiva modifica a forma de onda da tensão e corrente do circuito. O diodo de retorno oferece um caminho para corrente e a tensão fica grampeada em zero. A corrente quase constante na carga é mantida assim pela corrente de retorno que passa pelo diodo.
A tensão média é dada por:
O diodo de retorno conduz a corrente na carga durante o período do retardo , quando os SCRs estão desligados. Portanto, a corrente que passa através de (D) é dada por:
)
cos
1
(
) ( 0
m avgV
V
R
V
R
V
I
I
D 0(avg ) m(
1
cos
)
m(
1
cos
2)
Retificador de onda completa em ponte com carga resistiva
A figura abaixo mostra um retificador controlado de onda completa em ponte com carga resistiva.
Nesse circuito, pares de SCRs opostos na diagonal passam juntos para o estado ligado ou para o desligado.
A tensão média de saída DC controlada vai de zero a um valor máximo positivo, dependendo da variação do ângulo de disparo.
O valor médio da tensão DC é:
A corrente média é dada por:
; ou
A corrente RMS é dada por:
) cos 1 ( ) ( 0
m avg V V
2
2
1
2
sen
I
I
RMS
m
)
cos
1
(
) ( 0
m avgI
I
R
V
I
avg m
)
cos
1
(
) ( 0
formas de onda de tensão e de corrente
Um retificador de onda completa em ponte é alimentado por uma fonte de 127Volts com resistência de 20 . Se o ângulo de disparo for de 15º, determine:
a) A tensão média na carga; b) A corrente média na carga;
c) A potência fornecida à carga; d) A frequência de ondulação;
Retificadores de onda completa em ponte com carga indutiva
A corrente na carga tende a manter-se fluindo, uma vez que o indutor induz uma tensão que se opõe ao aumento ou à diminuição da corrente. Portanto, os SCRs continuam conduzindo, embora a tensão possa ter caído a zero. A corrente mantém a condução do SCR mesmo após a tensão ter sido invertida.
Quando a indutância for pequena ou o ângulo de retardo for mantido alto, a corrente de saída DC atingirá o valor zero a cada semiciclo em ( + ), como mostra a figura a seguir. Nesse período, nenhum dos pares de SCRs fica ligado; portanto diz-se que a corrente é não contínua.
Retificador em ponte com carga RL
Formas de onda de um retificador em ponte com baixa carga indutiva
O valor médio da tensão de saída é:
Se a indutância da carga for grande, ou se se tornar pequeno, a corrente na carga não poderá atingir o valor zero; fluirá de modo contínuo, dois pares de SCR estão sempre conduzindo, neste caso diz – se que a corrente é contínua.
cos
cos
) ( 0
m avgV
V
Durante o semiciclo positivo, SCR 1 e SCR 4 conduzem; considerando is 0 – entre
e (+ ) – resulta em: V
s = VSCR1 - VSCR2
VSCR1 = 0 SCR 1 conduzindo ; então Vs = - VSCR2 ; o que significa que SCR 2 está inversamente polarizado. Aplicando KVL na malha contém: Vs , SCR 1, carga e SCR 4 resulta em:
Vs = VSCR1 + V0 + VSCR4 ; como SCR 1 e SCR 4 estão conduzindo e tem uma tensão sobre eles igual a 0 (zero) considerando que sejam ideais então: Vs = V0 no intervalo de a .
No semiciclo negativo Vs 0; as equações anteriores não mudam a forma porém algumas mudam de sinal. Como Vs é negativa SCR 2 e SCR 3 estão diretamente polarizados e ao receber o sinal de gate conduzem. A corrente flui no mesmo sentido que anteriormente. Portanto, de a (+ ), a tensão de carga é negativa, uma vez que Vs 0. Em (+ ), SCR 2 e SCR 3 são acionados o que provoca a alimentação de uma tensão V0 = -VS na carga.
O valor médio dessa tensão de saída varia com :
cos
2
) ( 0 avgV
mV
A tensão RMS é constante, independente do ângulo de disparo,é igual ao RMS da tensão de alimentação.
A corrente média é ainda dada por V0(avg) /R. Portanto,
Para = 0 (sem controle de fase) = com diodo:
) ( max ) ( 0 2 S RMS RMS V V V
cos 2 ) ( 0
R V I avg mR
V
I
SCR avg m
) ( 2 ) ( ) ( avg SCR RMS SCR I I A tensão normalizada Vn = V0(avg) / Vdo = cos, Vn em função de é mostrada na figura abaixo.
Exercício:
Um retificador controlado de onda completa com carga indutiva e diodo de retorno é ligado a uma tensão de 127 Volt. A porção resistiva é de 12 . Se o ângulo de retardo for de 30º, determine:
a) A tensão média na carga; b) A corrente média na carga;
c) A corrente máxima na carga; d) A corrente RMS na carga;
e) A corrente média em cada SCR; f) A potência fornecida à carga; g) O fator de forma;
h) O fator de ondulação;
Circuito retificador controlado de onda completa em ponte com diodo de retorno Retificadores de onda completa em ponte com carga indutiva com diodo de retorno.
Como o diodo de retorno oferece um caminho para a corrente ao tensão negativa é cortada , sendo que a forma de onda da tensão na carga é a mesma da carga resistiva:
A tensão média na carga é a mesma da carga resistiva:
)
cos
1
(
) ( 0
m avgV
V
A corrente média no diodo de retorno é:
) ( 0 ) ( avg avg DI
I
Retificadores semicontrolados em ponte
Os conversores completos ou de dois quadrantes podem operar com tensões médias DC na carga tanto positiva como negativa. No modo retificação, eles fornecem potência a partir da fonte AC para carga DC. No modo de inversão, removem potência DC da carga e devolvem à fonte AC.
Os conversores semicontrolados ou mixtos ou ainda de um quadrante fornecem um fluxo da fonte AC para a carga DC e portanto são operados apenas na retificação.
Circuito retificador semicontrolado de onda completa em ponte
Formas de onda de tensão e de corrente
A tensão média é a mesma do conversor com diodo de retorno:
)
cos
1
(
) ( 0
m avgV
V
Conversor semicontrolado em ponte, uma configuração de circuito alternativa
Conversor semicontrolado em ponte, um arranjo alternativo
Conversores duais
Um conversor dual ou quatro quadrantes, pode operar como um retificador ou como inversor com fluxo de corrente em ambas direções. Dois conversores completos podem ser ligados em contraposição como mostra a figura abaixo, para formar um conversor dual, que fornece uma reversão virtualmente instantânea da corrente na carga. Ele faz com que essa corrente flua em uma direção, enquanto o outro conversor obriga a corrente a fluir na direção inversa.
