Livro Cabine Primaria

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  • CAPTULO III - RETIFICADORES CONTROLADOS A TIRISTOR

    51

    CAPTULO III - RETIFICADORES CONTROLADOS A TIRISTOR

    Os retificadores no controlados apresentados so usados na converso da tenso

    alternada em uma tenso contnua onde os valores de sada depender da tenso ca na entrada do conversor.

    Entretanto em algumas aplicaes em corrente contnua como em acionamentos ou transmisso em corrente contnua em alta tenso faz-se necessrio o controle da tenso de sada do retificador. A converso controlada ca-cc feita comumente atravs do uso de tiristores. No passado os tiristores eram usados em quase todas as aplicaes de controle de fluxo de potncia. Atualmente outras chaves tm sido usadas em lugar dos tiristores, principalmente em mdia e baixa potncia. Em geral, conversores monofsicos so usados at 1 ou 2kW e os trifsicos para potncias maiores. Aqui tambm harmnicos so introduzidos na fonte e precisam, portanto, ser determinados.

    Nos conversores controlados os instantes em que o tiristor inicia a conduo e deixa de conduzir dependem do circuito de controle e da frequncia da tenso de entrada respectivamente.

    Estruturas que contm uma ou mais chaves controladas, comumente, tiristores. Estas estruturas permitem o controle da tenso de sada. Podem ser projetadas para permitir o fluxo de energia do lado de corrente contnua para

    o lado de corrente alternada, numa operao chamada de inverso. Os retificadores controlados tm larga aplicao nos processos industriais, fontes de

    corrente contnua e na transmisso em corrente contnua, onde esto presentes as operaes de retificao e inverso.

    3.1 Principio de Operao

    Para uma certa tenso de entrada o valor mdio da tenso de sada num conversor a tiristor pode ser controlado atravs do retardo do instante em que o tiristor passa a conduzir. 3.1.1 Analise Com Carga Resistiva

    Pela Fig.3.1 pode-se observar que durante o ciclo positivo de vs a corrente de carga zero at t = quando um pulso de pequena durao aplicado ao gatilho do tiristor. Para o resto do ciclo positivo da tenso a forma da corrente segue a forma da tenso de entrada at tornar-se zero em t = quando a conduo no tiristor bloqueada devido a tenso inversa em seus terminais. A corrente permanece zero at t=2+ quando um novo pulso aplicado ao gatilho.

  • CAPTULO III - RETIFICADORES CONTROLADOS A TIRISTOR

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    V R

    T

    V+

    -

    +

    -

    i

    g

    V

    i

    t0

    2w0

    Fig.3.1 Circuito Retificador Controlado Com Carga Resistiva

    Para o circuito da Fig.3.1 a tenso mdia na carga dada por:

    V V wt d wt

    V

    0

    12

    2

    0 225 1

    =

    +

    ( ) sen( ) ( ), ( cos )

    Ao se variar o ngulo de disparo do tiristor varia-se a tenso mdia na carga V0. As

    duas tenses extremas ocorrem quando:

    =0 ento V0=0,45V = ento V0=0V

    = =

    = =

    0 0 450

    0

    0

    V VV V

    ,

    Vo/V

    0,45

    0,225

    0 /2

    Fig.3.2 Caracterstica do Retificador Controlado de Meia Onda

    A corrente mdia na carga dada por:

    IVR0

    0=

    Corrente eficaz na carga ser

  • CAPTULO III - RETIFICADORES CONTROLADOS A TIRISTOR

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    IV

    Rwt d wtef0

    22

    121

    22

    =

    ( ) sen ( ) ( )

    Como:

    [ ]sen ( ) cos( )2 12 1 2wt wt= ento

    IV

    Ref0

    122 1

    2 22

    4= +

    sen

    A tenso eficaz na carga dada por

    V V0ef

    12

    0 7071 2

    2= +

    ,

    sen

    3.1.2 Anlise Com Carga Indutiva Na Fig.3.3 tem-se uma carga RL. Inicialmente a corrente zero. A conduo inicia-se apenas em t = extingue-se em >. A tenso mdia na carga dada por:

    ( )V V wt d wt

    V

    01

    22

    0 225

    =

    ( ) sen( ) ( ), cos( ) cos( )

    =

    Onde

  • CAPTULO III - RETIFICADORES CONTROLADOS A TIRISTOR

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    ( )

    v t Ri Ldidt

    V wt Ldidt

    Ri

    iV

    R Xwt K ee

    t

    ( )

    sen

    sen( )

    = +

    = +

    =

    +

    +

    2

    22 2

    12

    Ke pode ser determinada fazendo-se i=0 para wt=

    ( )i

    V

    R Xwt e

    t

    =

    +

    2

    2 212

    sen( ) sen( )

    Veja que a corrente pode ser decomposta em dois termos um em regime permanente

    e outro transitrio.

    g L

    Rv(t)

    i

    +

    -

    Vo

    Vo

    i

    2 t0

    v

    Fig.3.3 Circuito Retificador Controlado Com Carga Indutiva 3.1.3 Estrutura com Diodo de Roda Livre

    A estrutura com diodo de roda livre mostrada na Fig.3.4a e as formas de onda na Fig.3.4b.

    Tenso mdia na carga (neste caso =) ser V0=0,225V(1+cos)

    Corrente na carga ser : Para o intervalo (0 , )

  • CAPTULO III - RETIFICADORES CONTROLADOS A TIRISTOR

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    ( )i t V

    R Xwt e

    t

    ( ) sen( ) sen( )=+

    22 2

    12

    onde

    t= t - /w e =L/R t= incio de conduo de corrente. Para o intervalo ( , )

    i t K edt

    ( ) =

    onde

    ( )i V

    R Xe ew

    t ww

    =

    +

    22 2

    12

    sen( ) sen( )( ) ( / )

    g L

    Rv(t)

    i

    +

    -

    Vo

    v(t)= 2 V sen(wt)

    v(t)

    v

    Di

    wt

    wt

    wt

    wt

    o

    (a)

    (b) 2

    io

    io

    Fig.3.4 Retificador Controlado com Diodo de Roda Livre

    3.2 ANLISE TENDO UMA FORCA ELETROMOTRIZ COMO CARGA

    muito comum que a tenso retificada seja aplicada a uma fora contra eletromotriz que o caso, por exemplo, de uma carga de baterias ou mesmo um motor de corrente contnua. Na Fig.3.5 a carga consiste de um indutor e uma fonte de corrente

  • CAPTULO III - RETIFICADORES CONTROLADOS A TIRISTOR

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    contnua E. Para v(t)< E o tiristor estar inversamente polarizado. Logo, mesmo que haja pulso no gatilho o tiristor no conduzir enquanto v(t)< E . Observe que para um ngulo de disparo

  • CAPTULO III - RETIFICADORES CONTROLADOS A TIRISTOR

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    cos cos ( ) + =wt EV2

    0

    Com a equao transcedental acima pode-se determinar o valor de e com este resultado possvel se determinar a tenso mdia ou o valor eficaz da tenso para uma determinada carga. 3.3 RETIFICADOR CONTROLADO MONOFSICO EM PONTE

    Seja o modo de conduo contnua, isto , haver circulao de corrente na carga independentemente do estado dos tiristores. Porque conduo contnua?

    Quando a conduo contnua, =+, ento os valores de tenso mdia e eficaz

    na carga podem ser diretamente determinados independentemente do tipo e valor da carga. O arranjo para o circuito mostrado na Fig.3.6(a). Durante o ciclo positivo T1 e T4 ,

    que esto diretamente polarizados, passam a conduzir quando um pulso aplicado simultaneamente a seus gatilhos e continuaro conduzindo aps wt=. Durante o ciclo negativo da tenso T2 e T3 so polarizados diretamente. O gatilhamento de T3 e T4 aplicar a tenso de entrada em T1 e T4 como tenso reversa e, portanto deixaro de conduzir. A corrente de carga ser transferida de T1 e T2 para T2 e T3. A Fig.3.6(b) mostra as regies de operao do retificador, e as Fig.3.6(c) mostram formas de onda para tenses e correntes.

    Durante o intervalo de a a tenso e a corrente de entrada so positivas e a corrente circula da fonte para a carga. O conversor dito operar no primeiro quadrante ou retificando. Durante o perodo de a = a tenso de entrada negativa e a corrente continua positiva, a potncia ser negativa, o fluxo de potncia, ento, ser da carga para a fonte. Neste caso o conversor dito operar como inversor, isto operando no quarto quadrante na Fig.3.6(b). Dependendo do valor de a tenso mdia na sada do conversor poder ser negativa ou positiva podendo, portanto operar em dois quadrantes.

    T1

    T2 T4

    T3L

    Rv(t)

    io

    v 0

    +

    -

    v o

    Io

    i

    i

    tiristores emconduo

    T1T4 T2 T3 T1 T4

    vo

    ioIo

    Vo

    wt

    wt

    wtI

    IV

    II

    III

    +

    Fig.3.6 Retificador Monofsico Controlado Em Ponte

    A tenso mdia dada por:

  • CAPTULO III - RETIFICADORES CONTROLADOS A TIRISTOR

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    V V wt d wt V01

    22 2

    = =

    +

    sen( ) ( ) cos

    V0 pode variar de 2 2V / a - 2 2V / para variando de 0 a , como mostra a Fig.3.7 O valor eficaz da tenso de sada :

    V V wt d wt V0ef2 2

    121

    22 2

    = =

    =

    +

    ( ) sen ( ) ( ) cos

    Vo/V

    0,9

    0

    -0,9

    /2

    Fig. 3.7 Caracterstica do Retificador Monofsico de Onda Completa

    3.3.1 Fator de Potncia da Estrutura Para conduo contnua e corrente I0 sem ripple na carga, a corrente i(t) no secundrio do transformador ser quadrada, como mostra a Fig.3.6(c) que, quando desenvolvida em srie de Fourier ser :

    i tI

    ( ) sen sen sen ...= +

    4 13

    315

    50

    Portanto a fundamental (que importa no fator de potncia) ser

    I ef1 412

    0 91= =

    ,

    Considerando-se que cos = ao fator de deslocamento (veja que a conduo se inicia em wt=)

    P V I V IQ V I

    ef

    = =

    =

    . cos , cos, sen1 0 9

    0 9

  • CAPTULO III - RETIFICADORES CONTROLADOS A TIRISTOR

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    Veja que Q mxima para =/2. Para grandes cargas estes reativos jogados no sistema devem ser compensados. 3.4 PONTE MISTA

    O circuito retificador monofsico em ponte mista com diodo de roda livre

    mostrado na Fig.3.8 e alimenta uma carga indutiva que garante assim o modo de conduo contnua, e sem ripple. Quando tiristor T1 gatilhado em wt= a carga conectada tenso de entrada at