CONVERSOR CA/CC TRIFÁSICO COMANDADO

Área Científica de Energia

Departamento de De Engenharia Electrotécnica e de Computadores

CONVERSOR CA/CC TRIFÁSICO

COMANDADO

(Carácter não ideal)

TRABALHO Nº 2

CONVERSOR CA/CC TRIFÁSICO COMANDADO

I. Introdução

Os conversores CA/CC trifásicos comandados, geralmente designados por rectificadores, são os conversores normalmente utilizados quando há necessidade de alimentar, com tensões ou correntes ajustáveis, cargas consumindo uma elevada potência em tensão e corrente contínua, a partir da rede de tensões alternadas trifásicas de distribuição de energia eléctrica.

Os conversores CA/CC trifásicos de onda completa são, sem dúvida, os conversores electrónicos de potência mais difundidos. As topologias em ponte totalmente comandadas são utilizadas principalmente em aplicações de grande potência (centenas de kVA), nomeadamente no comando de grandes máquinas industriais, em processos de carga de bancos de baterias, em instalações de electrólise, em aplicações electroquímicas e, associados em série, no transporte de energia em corrente contínua a alta tensão. Os conversores CA/CC trifásicos de meia onda são utilizados apenas em montagens alimentadas por transformadores com enrolamentos adequados, que permitem um valor médio nulo da corrente que circula nas fases do primário. Nestas condições, o seu domínio de aplicação reside nas aplicações de baixa tensão, dado que, para correntes elevadas, o seu rendimento é relativamente superior ao das montagens em ponte.

II. Objectivo do trabalho

O objectivo deste trabalho consiste na análise das características dos conversores CA/CC trifásicos de onda completa e de meia onda comandados, quando ligados a uma carga do tipo RLE, alimentados por um gerador quase ideal. Verifica-se a influência do carácter não ideal do gerador.

Visualizar-se-ão as formas de onda de tensão aos terminais de saída do conversor, das tensões alternadas, das correntes de carga e no transformador, bem como da tensão e corrente aos terminais dos tiristores do conversor. Compara-se a montagem em ponte com a montagem de retorno pelo neutro.

III. Lista de material

O material disponível na bancada de trabalho pode não ter as mesmas características da lista apresentada. Caso seja necessário, rectifique a lista de material utilizado indicando as suas características na tabela 1.

Ri, Si, Ti- Saídas do disjuntor geral de protecção de bancada

AT - Autotransformador trifásico

Tr - Transformador trifásico 380-220V/2x66V; 2kVA

50/60Hz (primário: 380-220V; secundário: 2x66V) C3φ - Conversor trifásico de 6 tiristores e circuitos de disparo

- Módulo trifásico de sincronismo e de disparo de tiristores - Fonte de tensão contínua +15V/-15V

Vac - Voltímetro de bancada do tipo electromagnético (0-250V)

Vdc - Voltímetro de bancada de quadro móvel (0-30-150-300V)

Adc - Amperímetro de bancada de quadro móvel (0-6-12A)

- Osciloscópio - Analisador espectral - Sonda de corrente - Pontas de prova R - Reóstato de carga 0-56Ω; 3A L - Bobine L=13mH; 5A

Tabela 1: Lista de material.

IV. Realização do trabalho

1. Simulação do Conversor

O esquema de ligações do circuito encontra-se descrito na figura 1. Utilizando o programa Matlab/Simulink ou outro à escolha, realize a simulação deste conversor para todas as condições de carga apresentadas no capítulo seguinte. Compare com os resultados experimentais e com os teóricos.

2. Condução do trabalho experimental

Antes de efectuar qualquer alteração topológica ao circuito ou mudar a posição dos canais de medida ou de visualização, use sempre o seguinte procedimento de segurança:

1) Reduza as tensões de entrada a zero com o autotransformador (não desligue o disjuntor);

2) Faça as alterações necessárias nas ligações, tomando cuidado para evitar curto-circuitos, especialmente com os terminais de massa do osciloscópio (nunca deverá ligar simultaneamente os terminais de massa de dois ou mais canais). Seleccione, nos aparelhos de medida e no osciloscópio, as escalas de medida adequadas;

3) Reponha, lentamente, as tensões de alimentação nos valores anteriores ou nos valores indicados, observando, cuidadosamente, as indicações dos aparelhos de medida e de visualização. Caso note qualquer anomalia desligue imediatamente o disjuntor ou reduza rapidamente as tensões de entrada.

T₁ T₃ T₅ u₂ L R_i S_i T_i T₄ T₆ T₂ Adc i₂ AT - Autotransformador Tr - Transformador trifásico 380//66V 1 2 M Vdc Conversor 3φ v_RS A G1 K1 R G1K1 G4K4 T1T4 G3K3 G6K6 T3T6 G5K5 G2K2 T5T2 P1 Módulo trifásico de sincronismo e determinação do instante de disparo T11 T12 T21 T22 T31 T32 T11 T12 T21 T22 T31 T32 T1 T2 T3 T4 T5 T6 R S T +15V -15V Fonte de alimentação +15V -15V +15V Vac Circuitos de disparo Fusível Fusível Fusível Reactância X

2.1. Conversor CA/CC trifásico de onda completa, comandado: influência não

ideal do gerador

2.1.1. Tensão rectificada, corrente de carga e característica de comando u2m=f(ε)

a) - Monte o circuito da figura 1, ligando o ponto M ao ponto 1.

- Coloque o cursor do reóstato de modo a obter o valor máximo de resistência.

b) - Ligue o osciloscópio e coloque a sua massa no ponto M;

- Ligue a tensão u2 de saída do conversor no canal 1 e, no canal 2, a corrente i2 na

carga, com o auxílio da sonda de corrente. Visualize o sinal de disparo da base de tempo do osciloscópio (no osciloscópio, seleccione o disparo/”trigger” no modo “line”).

c) - Ligue o disjuntor geral de protecção de bancada;

- De acordo com o procedimento de segurança, com o autotransformador, aumente lentamente a tensão aplicada ao circuito e actue simultaneamente no potenciómetro P1 até obter ε=0º para ângulo de disparo dos tiristores, sem exceder 120V de tensão composta ou o valor máximo admissível da corrente na carga (ver o valor máximo de corrente que os

reóstatos suportam). Nestas condições, os tiristores comportam-se aproximadamente

como díodos, obtendo-se o funcionamento de um conversor CA/CC não comandado.

- Registe as formas de onda obtidas no osciloscópio e, na tabela 1, os valores indicados nos aparelhos de medida. Meça o valor do ângulo de recobrimento. Com base nos valores lidos, determine o valor da reactância X. Compare o valor obtido no voltímetro

u2m com o valor teórico. Compare com os resultados obtidos com os resultados que obteria

com um conversor CA/CC trifásico de onda completa comandado com gerador quase ideal e teça comentários. CH 1-………->………V/div CH 2-………->………V/div CH 3-………->………V/div CH 4-………->………V/div Tempo/div ->…………/div

Comentários:

d) - Actuando no potenciómetro P1, altere apenas o ângulo de disparo do rectificador

para ε=30º;

- Registe as novas formas de onda obtidas no osciloscópio e os valores indicados nos aparelhos de medida na tabela 1;

- Meça o ângulo de condução simultânea (ou de recobrimento) e calcule o valor da reactância X.

- Usando um analisador espectral obtenha o espectro harmónico da tensão u2 e o da

corrente de linha do gerador no secundário do transformador;

- Compare os valores obtidos nos espectros com os valores esperados.

CH 1-………->………V/div CH 2-………->………V/div CH 3-………->………V/div CH 4-………->………V/div Tempo/div ->…………/div CH 1-………->………V/div CH 2-………->………V/div CH 3-………->………V/div CH 4-………->………V/div Tempo/div ->…………/div

CH 1-………->………V/div CH 2-………->………V/div Tempo/div ->…………/div CH 1-………->………V/div CH 2-………->………V/div Tempo/div ->…………/div

Fig. 4. Resultados experimentais: Espectro harmónico da tensão u2 e da corrente de linha no secundário do transformador. Ângulo disparo (º) Vac (V) i2m (A) u2m u2m (teórico) Ângulo de recobrimento X 0 30

Tabela 1: Conversor CA/CC trifásico de onda completa u2m=f(ε).

e) - Use os valores já obtidos para ε=0º e para ε=30º, complementados com outros

valores de ε, para traçar a característica de comando do conversor [u2m=f(ε)]. Registe as

formas de onda obtidas no osciloscópio para os novos valores de ε e, na tabela 1, os valores indicados nos aparelhos de medida.

- Trace a característica de comando do conversor [u2m=f(ε)]. Compare com a

característica de comando teórica.

CH 1-………->………V/div CH 2-………->………V/div CH 3-………->………V/div CH 4-………->………V/div Tempo/div ->…………/div CH 1-………->………V/div CH 2-………->………V/div CH 3-………->………V/div CH 4-………->………V/div Tempo/div ->…………/div

Fig. 5. Resultados experimentais: Formas de onda obtidas para vários valores de ε.

2.1.2. Tensões e correntes no gerador e aos terminais dos tiristores

De acordo com o procedimento de segurança:

a) - Para ε=30º refaça as ligações dos canais do osciloscópio para visualizar, no modo

diferencial com massa no ponto 2, a tensão composta VRS e a sua relação de fase com a

tensão de disparo da base de tempo;

- Registe a forma de onda obtida e justifique-a.

CH 1-………->………V/div CH 2-………->………V/div CH 3-………->………V/div CH 4-………->………V/div Tempo/div ->…………/div

Fig. 7. Resultado experimental:……….

Comentários:

b) - Visualize uma das tensões simples do lado do secundário do transformador (massa

no ponto 2) e a corrente de linha do gerador no secundário e no primário do transformador.

CH 1-………->………V/div CH 2-………->………V/div CH 3-………->………V/div CH 4-………->………V/div Tempo/div ->…………/div CH 1-………->………V/div CH 2-………->………V/div CH 3-………->………V/div CH 4-………->………V/div Tempo/div ->…………/div

Fig. 8. Resultados experimentais: Formas de onda da tensão simples do lado do secundário do

transformador e da corrente de linha do gerador, no secundário e no primário do transformador.

c) - Visualize a tensão ânodo-cátodo (massa do osciloscópio no cátodo) de um dos

tiristores do conversor (canal 1) e a corrente que circula nesse dispositivo (canal 2). - Registe as formas de onda obtidas e justifique o que observa.

CH 1-………->………V/div CH 2-………->………V/div CH 3-………->………V/div CH 4-………->………V/div

Tempo/div ->…………/div

Fig. 9. Resultados experimentais: Tensão ânodo-cátodo de um dos tiristores e corrente que nele

Comentários:

d) – Reconfirme, para este caso, o valor do ângulo de condução simultânea e recalcule

o valor da reactância X.

Comentários: