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Retificadores Monofásicos de Meia Onda com Carga · PDF filealternada em contínua e a inversão, ... de saída, a corrente no circuito, os esforços no diodo, fator de potência

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    Retificadores Monofsicos de Meia Onda com Carga Resistiva

    Meta deste captulo Captulo Introduzir ao estudo dos conversores ca-cc, iniciando

    com o retificador de meia onda com carga resistiva.

    objetivos

    Entender o funcionamento de circuitos retificadores;

    Realizar clculos com conversores ca-cc;

    Simular conversores ca-cc;

    Implementar retificadores monofsicos.

    Pr-requisitos Ter estudado os captulos referentes aos Semicondutores de Potncia.

    Continuidade O curso continuar com o estudo de circuitos retificadores de meia onda com

    carga mista (RL).

    Prof. Clvis Antnio Petry.

    Florianpolis, agosto de 2013.

  • Captulo 5 Retificadores Monofsicos de Meia Onda com Carga Resistiva

    Eletrnica de Potncia

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    1 Introduo A eletrnica de potncia surgiu da necessidade de se fazer a converso de tenso

    alternada em contnua e a inverso, que a converso da tenso contnua em alternada. Assim, a

    retificao sempre foi uma preocupao dos profissionais da rea, realizada inicialmente com

    mquinas giratrias (conversores no estticos) e com as vlvulas. Com a inveno dos diodos

    semicondutores, iniciou-se nova fase na converso de tenso alternada em contnua. Na Figura 1

    mostram-se os quatro grupos de conversores estudados em eletrnica de potncia, onde fica

    evidente que os retificadores tratam da converso de uma tenso alternada com amplitude e

    frequncia definidos (v1, f1) para uma tenso contnua (E1).

    Alm disso, o uso de transistores bipolares de juno e de efeito de campo permite

    construir retificadores bidirecionais em corrente e que operam em alta frequncia, que no sero

    alvo de estudo neste curso bsico de eletrnica de potncia.

    As aplicaes dos retificadores ocorrem nos mais diversos circuitos eletrnicos, tanto em

    nvel de sinais como em nvel de potncia. Todo equipamento eletrnico conectado na rede de

    energia eltrica possui uma fonte de alimentao, que necessariamente ter circuitos retificadores

    em seu estgio de potncia. Dentre algumas aplicaes se tem:

    Processos eletroqumicos, tais como: anodizao, produo de gases, refinamento

    de metais, eletrodeposio, etc.;

    Soldagem eltrica;

    Acionamentos a velocidade ajustvel;

    Sistemas HVDC;

    Fontes de uso geral e ininterruptas;

    Interfaceamento de sistemas de energia alternativa com a rede de energia eltrica;

    Reatores eletrnicos e todos os outros circuitos que utilizam processamento

    indireto de energia.

    Apesar do aluno j ter estudado circuitos retificadores em disciplinas bsicas do curso de

    eletrnica, diversos aspectos novos sero abordados aqui, como ocorreu com os semicondutores de

    potncia. Assim, inicialmente se utilizar carga resistiva, seguida da carga resistiva-indutiva (mista)

    e posteriormente ser adicionado ao retificador um filtro capacitivo.

    De modo geral, em relao aos conversores ca-cc pode-se afirmar que:

    Denominados de retificadores: convertem a tenso alternada da rede de energia

    eltrica em uma tenso contnua;

    Podem ser monofsicos, trifsicos ou n-fsicos dependendo da aplicao e da

    rede de energia eltrica podem ser para uma fase ou vrias;

  • Captulo 5 Retificadores Monofsicos de Meia Onda com Carga Resistiva

    Eletrnica de Potncia

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    Unidirecionais ou bidirecionais quando empregam diodos so unidirecionais em

    corrente, mas podem ser bidirecionais, permitindo o fluxo de energia da rede para

    a carga ou da carga para a rede (regenerao);

    Controlados ou no-controlados podem empregar diodos, tiristores ou

    transistores, permitindo assim o controle da tenso de sada;

    Com ou sem correo de fator de potncia podem ter filtros passivos ou ativos

    para melhorar o fator de potncia do conjunto;

    Podem ser isolados ou no-isolados quando empregam transformadores, sejam de

    baixa ou alta frequncia, apresentam isolamento, para fins de proteo ou

    adaptao da tenso;

    Um pulso ou mltiplos pulsos dependendo da retificao (meia onda, onda

    completa, monofsico ou n-fsico) podem disponibilizar na sada um ou mais

    semiperodos da tenso da rede, caracterizando-os como de um ou mais pulsos.

    Assim, neste captulo se iniciar o estudo dos retificadores, abordando aspectos bsicos

    de seu funcionamento com carga resistiva. Sero apresentadas as principais formas de onda para o

    retificador em estudo, uma anlise terica e posteriormente exerccios resolvidos e propostos. Por

    fim, um roteiro de laboratrio com foco na simulao do circuito estudado tambm ser

    apresentado. Alm disso, simulaes sero realizadas visando comprovar aspectos importantes do

    assunto estudado ao longo deste captulo.

    1E ( )1 1v ,f

    2E ( )2 2v ,f

    ConversorCC-CC

    Retificador

    Inversor

    Conversorindireto de

    tenso

    Conversorindireto defreqncia

    Figura 1 Conversores estudados na eletrnica de potncia.

    Fonte: (Barbi, 2005).

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    Eletrnica de Potncia

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    2 Retificador Monofsico de Meia Onda Carga Resistiva O conversor ca-cc (retificador) monofsico de meia onda com carga resistiva um

    circuito simples, conforme pode ser observado na Figura 2. A tenso de entrada representada pela

    fonte de tenso alternada (vi), o diodo retificador D1 e a carga o resistor Ro. O ndice o

    significa sada em ingls (out). A tenso de sada vo.

    vo

    D1

    Ro

    +

    -

    vi

    +

    -

    io

    Figura 2 Retificador monofsico de meia onda com carga resistiva.

    Este conversor tem duas etapas de funcionamento, quais sejam:

    1a Etapa Semiciclo positivo da tenso de entrada, vi > 0, o diodo conduz e a

    tenso de entrada aplicada na carga;

    2a Etapa Semiciclo negativo da tenso de entrada, vi < 0, o diodo est bloqueado

    e a tenso na carga zero.

    Assim, verifica-se que a tenso de entrada apenas alimenta a carga no semiciclo positivo,

    sendo que o semiciclo negativo no utilizado neste retificador. As formas de onda da tenso de

    entrada, na carga, corrente na carga e tenso sobre o diodo so mostradas na Figura 3.

    A tenso de sada apresenta o mesmo valor de pico do que a tenso de entrada, visto que

    est se considerando que o diodo ideal. A corrente na carga uma imagem da tenso, pois a carga

    resistiva e apresenta valor de pico dado por Ipk.

    Por sua vez, a tenso reversa no diodo possui o mesmo valor de pico da tenso de entrada

    e aparece no semiciclo negativo, quando o mesmo est bloqueado.

    Aps o perodo de 2 radianos, as formas de onda se repetiro indefinidamente, pois a

    tenso alternada de entrada peridica. A escala horizontal tomada em radianos para facilitar a

    representao independente da frequncia da rede.

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    Eletrnica de Potncia

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    t

    vi

    0 2

    Vpk

    t

    vo

    0 2

    Vpk

    t

    io

    0 2

    Ipk

    t

    vD

    0 2

    Vpk

    Figura 3 Principais formas de onda do retificador monofsico de meia onda com carga resistiva.

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    3 Anlise do Retificador em Estudo A seguir ser realizada a anlise do retificador em estudo, visando determinar sua tenso

    de sada, a corrente no circuito, os esforos no diodo, fator de potncia da estrutura e sua eficincia

    do ponto de vista da converso de energia eltrica.

    3.1 Tenses na Sada A tenso de entrada (vi) est representada na Figura 3 pelo seu valor de pico (Vpk). Seus

    valores mdio e eficaz (RMS) so:

    Vi(med ) = 0 ;

    Vi(ef ) =

    Vi( pk )2

    =Vpk

    2.

    A tenso de pico na sada igual a tenso de pico na entrada:

    Vo( pk ) =Vi( pk ) =Vpk .

    A tenso mdia na sada obtida por:

    Vo(med ) =

    12

    Vo( pk ) sen t( ) dt0

    =1

    2Vpk sen t( ) dt

    0

    ;

    Vo(med ) =

    Vo( pk )

    =Vpk

    .

    Alguns autores tambm apresentam o resultado acima como:

    Vo(med ) =

    Vpk

    = 0,318 Vpk .

    J a tenso eficaz na sada determinada por:

    Vo(ef ) =

    12

    Vo( pk ) sen t( )( )2 dt0

    =1

    2Vpk sen t( )( )2 dt

    0

    ;

    Vo(ef ) =

    Vo( pk )2

    =Vpk2

    .

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    3.2 Correntes na Sada As correntes na carga so obtidas diretamente a partir das tenses na carga:

    Io( pk ) =

    Vo( pk )Ro

    =VpkRo

    .

    Io(med ) =

    Vo(med )Ro

    .

    Io(ef ) =

    Vo(ef )Ro

    .

    3.3 Esforos de Corrente e Tenso no Diodo A tenso reversa mxima no diodo D1 igual ao pico da tenso de entrada:

    VD1( RRM ) =Vpk .

    J as correntes no diodo so iguais s da carga:

    ID1( pk ) = Io( pk ) .

    ID1(med ) = Io(med ) .

    ID1(ef ) = Io(ef ) .

    3.4 Fator de Potncia da Estrutura O fator de potncia definido como a relao entre a potncia ativa e a potncia aparente

    de um circuito. O circuito considerado ideal, ou seja, sem perdas, portanto:

    =

    PoPi

    = 1;

    FP =

    PiSi

    =PoSi

    .

    A potncia ativa na carga (resistiva) deve ser calculada como:

    Po = Ro Io(ef )

    2 =Vo(ef )

    2

    Ro.

    J a p