Retificador Controlado De Onda Completa Em Ponte 6614y

Retificador controlado de onda completa em ponte P. Oliveira1, S. Paiva1, Y. Maia1 1

Departamento de Engenharia Elétrica Universidade Federal Rural do Semiárido Campus de Caraúbas – RN 233, KM 01, Estrada Caraúbas – Apodi, Rio Grande do Norte (Brasil) E-mails: [email protected]

Resumo.

Neste trabalho será realizado um estudo sobre os retificadores controlados de onda completa em ponte. Estes podem ser de dois tipos: com carga resistiva ou com carga indutiva. A diferença entre este circuito em relação aos retificadores não-controlados está no fato que ao invés de se utilizar diodos usa-se tiristores. Ao longo deste artigo será feita uma abordagem geral de ambos, através de simulações serão vistas a forma de onda de tensão e corrente de cada um deles para diversos ângulos de disparos diferentes e os resultados serão comentados.

Palavras-chave (b)

Retificador. Disparo. Carga. Tensão. Corrente.

Figura 1 - Retificador controlado de onda completa em ponte. Em (a) a carga é resistiva e em (b) a carga é indutiva (RL).

1. Introdução Retificar é o processo de converter tensão e corrente alternadas em tensão e corrente contínuas. Um dos dispositivos utilizados para obter-se a retificação é o tiristor. Este elemento, ao contrário do diodo, não conduzirá automaticamente quando a tensão ânodo-cátodo ficar positiva, porque um pulso deve ser aplicado a porta para o disparo. Se o pulso de gatilho no tiristor for ajustado e este procedimento for repetido várias vezes, então a saída dos retificadores será controlada. Isto é chamado de controle de fase [1]. Como já escrito no resumo, os retificadores controlados de onda completa em ponte podem ser analisados de duas formas, são elas: com carga resistiva e com carga indutiva (RL). Como o próprio nome diz, o primeiro possui uma carga com uma determinada resistência, enquanto que o segundo possui uma carga indutiva em série com a carga resistiva. Veja a Figura 1, onde são mostrados ambos os retificadores citados.

Para os experimentos serem realizados pode-se utilizar nos circuitos como carga resistiva uma lâmpada incandescente e como carga indutiva (RL) uma lâmpada incandescente; no entanto, houve problemas com os experimentos que não puderam ser realizados. Nas letras (a) e (b) da Figura 1 são mostrados os dois circuitos citados, respectivamente. O valor médio da tensão na carga resistiva é dado por:

Vo ( avg ) 

Vm (1  cos  ) 

(1)

Onde, Vm é o valor da de pico e  ângulo de disparo do tiristor. Nas simulações realizadas o valor da tensão de pico foi de 311 V. Também foi calculada a corrente média na carga resistiva, que é dada por:

I o ( avg ) 

I m (1  cos  ) 

(2)

Em que I m é o valor de pico da corrente. O valor efetivo da corrente ou valor quadrático médio que é o RMS (do inglês root mean square) é calculado através da equação: I RMS 

(a)

Im 2

 sen 2   1     2  

(3)

A frequência utilizada nas simulações foi a da rede elétrica que é 60 Hz. A tensão reversa repetitiva máxima, VRRM , foi de 311 V. No próximo tópico serão abordados os resultados das simulações e no laboratório.

No tipo de retificador estudado neste trabalho deve-se tomar cuidado para não ocorrer um curto de braço; assim, entre os tiristores T1e T3 ou T2 e T4 deve existir um ângulo de disparo de 180º entre eles, respectivamente. Portanto, se T1 dispara com um ângulo de 15º, T4 deve possuir o mesmo ângulo dele, no entanto, T3 e T2 precisam disparar em 195° para não haver o curto de braço. No caso de o ângulo de disparo ser 0º o retificador funcionará como no caso não-controlado.

2.

Desenvolvimento

As simulações ocorreram conforme esperado e são mostrados na Figura 2 os resultados obtidos: em a) é apresentado o gráfico da tensão de entrada, já em (b), (c) e (d), pode-se observar, respectivamente, os gráficos das formas das tensões na carga, das tensões nos tiristores (serão mostrados apenas as tensões em T1 e T2, já que os demais são iguais) e das correntes para os ângulos de, 45° e 90° na carga e nos tiristores T1 e T2. O corrente de pico na simulação foi de 3,1 A, visto que a tensão de pico na saída foi de 311 V, o que consequentemente faz com que a tensão de pico nos tiristores também seja de 311 V, e a resistência foi de 100  . c) Figura 2 - Simulações no circuito retificador controlado de meia-onda com carga resistiva. Em a) é mostrada a tensão de entrada no circuito, já em (b), (c), (d), (e) e (f) são apresentadas respectivamente as tensões na carga, as tensões nos tiristores T1 e T2 e as correntes nestes respectivos tiristores para os ângulos de disparo de 45° e 90°.

a)

Agora serão apresentadas as formas da onda de tensão e de corrente na mesma sequência do caso anterior da carga resistiva, mas com a diferença que agora a carga é indutiva (RL): a forma de onda da tensão de entrada é análoga a apresentada em a) na Figura 2. No entanto, a forma de onda da tensão nos tiristores, da tensão de saída e das correntes irão ser diferentes em relação ao circuito mostrado no parágrafo anterior, e são mostradas na Figura 3, para os mesmos ângulos de disparo da Figura 2. O valor da indutância utilizada nas simulações foi de 0,5 mH nas partes (a) e (b) e de 5 H nas partes (c) e (d). Em cada figura, assim como no caso da carga resistiva, é apresentada a tensão de saída, a tensão no indutor e a corrente no circuito, respectivamente, de cima para baixo. A tensão de saída na carga indutiva (RL) é dada pela equação (5).

Vo ( avg ) 

Vm (cos   cos  ) 

(5)

Em que,  é o denominado ângulo de avanço e pode ser encontrado em tabelas e livros.

b)

(a)

(c)

(b)

(d) Figura 3 – Devido à indutância há uma diferença nas formas de onda do caso com carga resistiva para o com carga indutiva (RL). Nesta figura são mostradas as formas das ondas de tensão e corrente na carga e nos tiristores T1 e T2, respectivamente, para os ângulos de disparo de 45° em (a), 90° em (b), ambos com indutância de 0,5 mH e 45° em (c), e 90° em (d) com uma indutância de 5 mH.

Reparando nas nas formas de onda da Figura 3 pode-se ver que há algumas diferenças em relação ao caso da

carga resistiva, pois com o indutor tanto a corrente quanto a tensão ficam mais “contínuas”. Além disso, constatou-se que quanto maior o valor da indutância mais a corrente de saída e nos retificadores controlados de silício tendem a se tornarem mais quadradas. A parte negativa das ondas que aparecem nas imagens podem ser eliminadas com o uso do diodo de retorno ou freewheeling diode.

Resposta: No retificador monofásico controlado de onda completa com terminal central com diodo de retorno, quando a tensão na carga tende a ser negativa, o FWD (freewheeling diode) fica diretamente polarizado e começa a conduzir. Assim, a tensão na carga fica grampeada em 0V. O FWD conduz a corrente na carga durante o período de retardo.

3. Conclusão

Questão 3: Como acontece a comutação dos SCRs em um retificador controlado de onda completa em ponte monofásica?

Em virtude do que foi mostrado neste trabalho, observa-se que os tiristores são utilizados em muitas aplicações e uma delas é a retificação controlada. Primeiro foi mostrado o equacionamento deste tipo de circuito, para o caso com carga resistiva, após isso para o caso com carga indutiva, e apresentados seus respectivos circuitos. Daí, foram feitas as simulações no programa psim para maior clareza. Os experimentos não puderam ser realizados devido a problemas com a bancada, no entanto, o aprendizado foi bastante proveitoso.

Referências [1] AHMED, ASHFAQ. Eletrônica de Potência. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2000.

Respostas do questionário Questão 1: Como funciona o retificador controlado de onda completa com terminal central? Resposta: No retificador monofásico controlado de onda completa com terminal central é possível controlar a fase, tanto na parte positiva como na negativa da alimentação AC, aumentando a tensão DC e reduzindo a ondulação. Na primeira etapa os tiristores não conduzem e a tensão na carga é zero. Na segunda etapa, no semiciclo positivo, o tiristor T1 conduz e a tensão de entrada é aplicada na saída. Na terceira etapa, no semiciclo negativo da tensão de entrada e sem corrente de gatilho nos tiristores, estes não conduzem e a tensão na carga é zero. Na quarta etapa, no semiciclo negativo da tensão de entrada e com corrente de gatilho, o tiristor T2 a a conduzir e a tensão de entrada é aplicada à saída. O circuito desse retificador é representado abaixo:

Questão 2: O que acontece se colocarmos um diodo de retorno ligado em paralelo com uma carga indutiva em um retificador controlado de onda completa com terminal central?

Resposta: Para carga puramente resistiva, na primeira etapa os tiristores não conduzem e a tensão na carga é zero. Na segunda etapa, no semiciclo positivo, os tiristores T1 e T4 conduzem e a tensão de entrada é aplicada na saída. Na terceira etapa, no semiciclo negativo da tensão de entrada e sem corrente de gatilho nos tiristores, estes não conduzem e a tensão na carga é zero. Na quarta etapa, no semiciclo negativo da tensão de entrada e com corrente de gatilho, os tiristores T2 e T3 am a conduzir e a tensão de entrada é aplicada à saída. No semiciclo negativo da tensão de entrada é aplicado o mesmo sinal de gatilho, diga-se, com o mesmo ângulo de disparo que no semiciclo positivo, apenas deslocado de 180º. Para carga mista, a primeira e a segunda etapa são semelhantes ao caso anterior. Na terceira etapa, no semiciclo negativo da tensão de entrada e com corrente circulando pela carga, antes do instante β, os tiristores T1 e T4 permanecem conduzindo e a tensão na carga será negativa. Na quarta, ainda no semiciclo negativo da tensão de entrada, após a corrente da carga se anular no instante β, os tiristores T1 e T4 param de conduzir e a tensão na carga é nula. Na quinta, no semiciclo negativo da tensão de entrada e com corrente de gatilho nos tiristores, os tiristores T2 e T3 conduzem e a tensão de entrada é aplicada na saída. Na sexta etapa, já no semiciclo positivo da tensão de entrada e com corrente circulando pela carga, antes do instante β+180º, os tiristores T2 e T3 permanecem conduzindo, visto a carga ser mista, a tensão na carga será positiva.