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CONVERSORES DUAIS ENG.º EDERSON ZANCHET

CONVERSORES DUAIS - CONCEITO Trata-se de uma estrutura composta por dois conversores de dois quadrantes, associados afim de permitir operação em quatro quadrantes.

Operação na carga com tensão positiva e negativa. O principal emprego é no controle

de posição de servomotores de corrente

contínua. Sobretudo em controle numérico de máquinas operatrizes (Aceleração e frenagem com controle de sentido de giro).

CONVERSORES DUAIS - CONCEITO Figura 5.1. Exemplo de aplicações dos conversores duais

Fonte: [8]

3

OPERAÇÃO 1º E 4º QUADRANTE.

4

Circuito de retificador controlado e circuito equivalente para operação no primeiro e quarto quadrante, operação com corrente positiva e tensão positiva ou negativa. Figura 5.2. Arranjo do conversor dual para operação no 1° e 4° Quadrante

Fonte: [8]

OPERAÇÃO 1º E 4º QUADRANTE. Figura 5.3. Característica de comando do conversor dual para operação no 1° e 4° Quadrante

Fonte: [8]

5

OPERAÇÃO 2º E 3º QUADRANTE

6

Circuito de retificador controlado e circuito equivalente para operação no segundo e terceiro quadrante, operação com corrente negativa e tensão positiva ou negativa. Figura 5.4. Arranjo do conversor dual para operação no 2° e 3° Quadrante

Fonte: [8]

OPERAÇÃO 2º E 3º QUADRANTE Figura 5.5. Característica de comando do conversor dual para operação no 2° e 3° Quadrante

Fonte: [8]

7

CONVERSORES DUAIS

8

Conversor dual trata-se de dois conversores de 1º e 4º Quadrantes e 2º e 3º Quadrantes associados de forma a permitir operação nos 4 quadrantes. Permitindo controle de corrente/tensão tanto positivo quanto negativo. Figura 5.6. Arranjo para conversor dual de 3 pulsos

Fonte: [8]

CIRCUITO EQUIVALENTE Figura 5.7. Circuito equivalente para conversor dual de 3 pulsos

Fonte: [8]

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REGIÃO DE OPERAÇÃO Com esse arranjo o conversor opera nos quatro quadrantes. Figura 5.8. Região de operação para conversor dual

Fonte: [8]

10

CONVERSORES DUAIS

11

Os níveis de tensão de VP e VN devem ser iguais para o correto funcionamento do conversor, assim temos que a soma dos ângulos será igual a 180º. Figura 5.9. Característica de comando do conversor dual

Fonte: [8]

PROBLEMA DE CIRCULAÇÃO DE CORRENTE

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O conversor dual apresenta valores médios de tensão iguais para ambos os conversores, porém os valores instantâneos de tensão são diferentes.

Como os valores de tensão instantâneos são diferentes surgem harmônicas que geram correntes que podem levar a queima dos componentes. Figura 5.10. Conversor dual com reatores de circulação

Fonte: [8]

Funcionamento com circulação de corrente A tensão de saída do conversor será dada pela relação das tensões Vp e Vn;

a. Conversor P ativo e N passivo tem-se 0º   < 90º b. Conversor P passivo e N passivo tem-se =90º c. Conversor P passivo e N ativo tem-se 90º <   180º

13

Funcionamento com circulação de Corrente Figura 5.11. Funcionamento sem carga p=90º e n=90º

Fonte: [8]

14

Funcionamento com circulação de Corrente Figura 5.12. Funcionamento sem carga p=90º e n=90º

Fonte: [8]

15

Funcionamento com circulação de Corrente Figura 5.13. Funcionamento sem carga p=90º e n=90º

Fonte: [8]

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Funcionamento com corrente de circulação

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Quando a corrente de Carga Nula, ou seja IL= 0, a corrente de Circulação é em um único sentido, dessa forma pode-se expressar como:

𝐼𝑝 = 𝐼𝑛 = 𝐼𝑐 ≠ 0 Figura 5.14. Funcionamento com corrente de carga nula

Ic

Fonte: [8]

Ic

Funcionamento com corrente de circulação

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Quando a corrente de Carga Positiva, ou seja IL> 0 a corrente de Circulação é em um único sentido, dessa forma pode-se expressar como:

𝐼𝑝 = 𝐼𝐿 + 𝐼𝑐 ⋯ 𝐼𝑐 = 𝐼𝑛 Figura 5.15. Funcionamento com corrente de carga >0

Ic

Ic

IL IL Fonte: [8]

Funcionamento com corrente de circulação

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Quando a corrente de Carga Negativa, ou seja IL< 0 a Corrente de Circulação é em um único sentido, dessa forma pode-se expressar como:

𝐼𝑛 = 𝐼𝐿 + 𝐼𝑐 ⋯ 𝐼𝑐 = 𝐼𝑝 Figura 5.16. Funcionamento com corrente de carga < 0

Ic

Ic

IL IL Fonte: [8]

Cálculo da Corrente de Circulação Para ângulos 0 < αp < π/3. A corrente no reator de circulação e descontinua. Figura 5.17. Formas de onda para αp = 30°

Fonte: [8]

20

Cálculo da Corrente de Circulação Para ângulos 0 < αp < π/3. A corrente no reator de circulação e descontinua. Figura 5.18. Formas de onda para αp = 30° para corrente Ic

Fonte: [8]

21

Cálculo da Corrente de Circulação Para ângulos 0 < αp < π/3. A equação é da corrente de circulação é definida por:

Fonte: [8]

22

Cálculo da Corrente de Circulação Para ângulos π/3 < αp < π/2. A corrente no reator de circulação e continua. Figura 5.19. Formas de onda para αp = 75° referentes as tensões VP e VN

Fonte: [8]

2323

Cálculo da Corrente de Circulação Para ângulos π/3 < αp < π/2. A corrente no reator de circulação e continua. Figura 5.20. Formas de onda para αp = 75° referentes as tensões VL e IC

Fonte: [8]

24

Cálculo da Corrente de Circulação

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Para ângulos π/3 < αp < π/2. A equação é da corrente de circulação é definida por:

Os valores máximos são obtidos para α=60° e α=120°, confome curva do comportamento da corrente IC, dessa forma pode-se expressar:

Fonte: [8]

Figura 8.20. Resposta da corrente de circulação pelo ângulo de disparo α

Fonte: [8]

HARMONICAS DA TENSAO DE CARGA A tensão que o conversor dual aplica a carga, quando ha circulação de corrente, e gerada pelas tensões produzidas pelos grupos positivo e negativo.

Por isto a sua forma e diferente daquela tensão produzida por um único grupo em funcionamento. Como consequência disso, o conteúdo harmônico da tensão de carga e diferente do conteudo harmônico da tensao de um conversor simples.

HARMONICAS DA TENSAO DE CARGA

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Demonstra-se que o valor de pico da harmônica de ordem n, Vn, da tensao de carga e dado pela expressao:

Onde:

V0 = valor eficaz da tensão de fase. n = numero de pulsos de um dos grupos.

HARMONICAS DA TENSAO DE CARGA

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As harmonicas de ordem 3 e 6 estao representadas na Figura. 5.22 para um conversor dual de 3 pulsos. Figura 5.22. Harmônicas de tensão de saída no conversor dual de 3 pulsos

Fonte: [8]

CONVERSORES DUAIS: ESTRUTURAS Figura 5.23. Conversor dual monofásico de ponto médio

Fonte: [8]

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CONVERSORES DUAIS: ESTRUTURAS Figura 5.24. Conversor dual monofásico de em ponte

Fonte: [8]

31

CONVERSORES DUAIS: ESTRUTURAS Figura 5.25. Conversor dual trifásico de ponto médio (3 Pulsos)

Fonte: [8]

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CONVERSORES DUAIS: ESTRUTURAS Figura 5.26. Conversor dual trifásico em ponte (6 Pulsos)

Fonte: [8]

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OPERAÇÃO: COM & SEM CIRCULAÇÃO DE CORRENTE

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COM CORRENTE: Passagem de um quadrante para outro ocorre suave e automaticamente (sem

necessidadede circuitos de comando para transferência); Bom comportamento dinâmico (facilita projeto reguladores); Desvantagem: Presença do reator (volume e peso) SEM CORRENTE: Elimina-se a corrente de circulação suprimindo-se os pulsos do grupo “vazio” (Apenas

recebe pulsos o grupo destinado a conduzir a corrente de carga e somente um se mantém ativado) Desvantagem: Circuitos de comando complexos(diminui o desempenho do sistema do ponto de vista de controle)

OPERAÇÃO: COM & SEM CIRCULAÇÃO DE CORRENTE a.

Com o emprego de um comando adequado dos tiristores que compõem o conversor dual, é possível eliminar a corrente de circulação e os reatores.

b.

Há sempre um grupo que conduz a corrente de carga, enquanto o outro grupo mantem-se "vazio".

c.

Para eliminar a corrente de circulacao basta, suprimir os pulsos do grupo "vazio". Assim, em cada instante só recebe pulsos de gatilho o grupo destinado a conduzir a corrente de carga e somente um se mantem ativado.

d.

Há que se ter em vista, porém, o fato de que a operação sem circulacao de corrente exige circuitos de comando complexos e que geralmente diminui o desempenho do sistema do ponto de vista de controle.

OPERAÇÃO: COM & SEM CIRCULAÇÃO DE CORRENTE a.

E também importante ressaltar que e muito comum em aplicacoes industriais existir acoplamento magnético entre os dois indutores destinados a limitar a corrente de circulação.

b.

Com acoplamento, os dois indutores passam a formar um transformador, conhecido como transformador de interfase.

c.

O

acoplamento

tem

como

vantagens

a

redução

do

volume,

do

peso

e

consequentemente do custo dos indutores, alem de melhorar o desempenho dinâmico.

Considerando um conversor dual de 3 pulsos com reator para corrente de circuilação onde a fonte é definida pela função V1(ωt) =√2.220.sen(ωt) onde f=60Hz e a corrende de 40ª, Calcular o valor da indutância de circulação para, no pior caso, limitar a corrence de circulação em 20% da corrente de carga. Figura 5.27. Conversor dual de 3 Pulsos :

Fonte: [8]

SOLUÇÃO: Como αP= 60° e αP= 120° são os ângulos para o qual a corrente de circulação é máxima. Com base na curva da corrente de circulação, para αP= 60° têm-se a expressão:

Assim IC é obtido por:

E,

Fonte: [8]

SOLUÇÃO: Assim:

Portanto:

Este é o valor total da indutância de circulação não acoplada necessária para limitar o

valor máximo da corrente média de circulação em 8A, ou seja 20% da corrente de carga. Fonte: [8]

EXERCÍCIO

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[5.1] Projetar um conversor dual trifásico de três pulsos com tiristores que irá alimentar uma carga RLE, sabe-se que a fonte é definida pela função V1(ωt) = 311,08. sen(ωt) com f=60Hz e esse conversor irá alimentar uma carga RLE, onde a parcela resistiva é de 5Ω e a parcela indutiva é de 80mH e a fonte (E) com 120V, sabe-se que ângulo de disparo é de 50⁰. Determinar: a. Ângulo de extinção β; b. Modo de Operação; c.

Tensão Média na carga;

d. Corrente Média na carga; e. No circuito existe indutores para resolver problema de circulação de corrente, Calcular o valor da indutância de circulação para o pior caso (60º e 120º) e limitar o nível de

corrente de circulação em 20% da corrente de carga, as tensões estão defasadas 120º.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR

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[1] ARRABAÇA, DEVAIR APARECIDO. Eletrônica de Potência - Conversores de Energia CA/CC - Teoria, Prática e Simulação Editora: Erica, 2011. [2] MARTINHO, Edson. Distúrbios da Energia Elétrica. Editora: Erica, 2009. [3] BARBI, Ivo. Projeto de Fontes chaveadas. Editora UFSC, série didática, 2º ed, Edição do Autor, Florianópolis, 2012. [4] BARBI, Ivo. Conversores CC-CC Básicos Não-Isolados. Editora UFSC, série didática, 4º ed, Edição do Autor, Florianópolis 2013. [5] MARTINS. Denizar Cruz. Introdução ao Estudo dos Conversores CC-CA. Edição do Autor, Florianópolis 2013. [6] POMILIO, José Antenor. Eletrônica de Potência. UNICAMP, Campinas 2002. [8] BARBI, Ivo. Eletrônica de Potência. Editora UFSC, série didática, 7º ed, Edição do Autor, Florianópolis 2012.

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EDERSON ZANCHET Mestrando em Engenharia Elétrica e Informática Industrial - UTFPR Engenheiro de Controle e Automação - FAG Departamento de Engenharia – FAG Docente disciplina de Eletrônica Industrial e de Potência [email protected] [email protected]