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Electrónica de Potência (PT)

 

Resumo Parcial dos Conteúdos da Disciplina de Electrónica de Potência rftg.development.googlepages.com Data de criação: 7 de Janeiro de 2006 Versão: v0.00 – 11/MAI/2008 Autor: Ricardo Filipe Teixeira Gomes AVISO LEGAL Este documento foi elaborado por Ricardo Filipe Teixeira Gomes, a quem se reservam todos os direitos. © 2008 Ricardo Filipe Teixeira Gomes Este documento encontra-se disponível para consulta e utilização desde que sejam respeitados todos os direitos de autor e/ou propriedade intelectual. A cópia parcial ou integral, através de qualquer tipo de meio, dos textos e imagens disponíveis neste documento encontra-se expressamente proíbida a menos que o utilizador respeite os direitos de autoria e/ou propriedade intelectual, citando para isso convenientemente o documento, e incluindo imperterivelmente uma referência clara à página web do autor: “rftg.development.googlepages.com”. 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Tópicos Sobre Componentes De acordo com o seu grau de controlabilidade, os dispositivos semicondutores podem ser divididos em três grupos: - Não controlados: Não existe possibilidade de controlo sobre a entrada e saída de condução do controlados semicondutor. A entrada/saída de condução depende do circuito de potência. Ex.: Díodo; - Semi-controlados Possibilidade de controlo do momento de entrada em condução do Semi-controlados: semicondutor através de sinais de controlo, mas saída de condução dependente do circuito de potência. Ex.: Tirístor; - Controlados Existe a possibilidade de controlo da entrada e saída de condução do Controlados: semicondutor através de sinais de controlo. Ex.: BJTs, MOSFETs, GTOs, MCTs. 1.1. – Díodo É um dispositivo controlado por corrente. Uma vez em condução mantém-se nesse estado até que a sua corrente ânodo-cátodo se anule. Este componente é constituído por uma só junção PN. Característica Estática: 2º e 4º quadrantes sem característica, ou seja, não admite correntes inversas. Idealização da característica: Obtida à custa do desprezo das reduzidas correntes de fuga, bem como dos baixos valores de tensão directa de polarização. Em condução: - a corrente iD é positiva, o seu valor médio não deve ultrapassar a corrente nominal média do díodo; - a tensão vD aos seus terminais é da ordem de 1V (desprezável). Em bloqueio: - a tensão negativa, ou inversa, vD é imposta pelo resto do circuito; não deve ultrapassar a tensão inversa nominal do díodo. - a corrente inversa (iD<0) é da ordem das dezenas de mA (desprezável); IPP-ISEP – DEE-EC 4/40 Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 Em comutação: - a necessidade de carregar a junção com portadores leva a que a entrada em condução não seja instantânea. - no entanto, como o tempo de entrada em condução é muito baixo quando comparado com os transitórios no circuito de potência, na sua entrada em condução o díodo pode ser equiparado a um interruptor ideal. -> Como é a indutância do circuito que impõe o gradiente de subida e descida da corrente directa, e estas variações são relativamente lentas, é inútil a utilização de díodos rápidos. Saída de condução: - antes de se anular, a corrente no díodo inverte-se durante o intervalo de tempo trr(1). Este fenómeno ocorre devido à necessidade de eliminação do excesso de portadores no díodo, por forma a ser possível o bloqueio da tensão inversa aplicada ao componente, podendo originar sobretensões em circuitos indutivos. 1.2. – Tirístor É um dispositivo semicondutor semi-controlado(2). Característica Estática: 2º e 4º quadrantes sem característica, ou seja, não admite correntes inversas. Modos de funcionamento do tirístor: - vAK negativa -> tirístor bloqueado; corrente de fugas iA<0 não deve ser ultrapassada a <0; máxima tensão inversa; - vAK torna-se positiva -> tirístor permanece bloqueado; corrente de fugas iA>0 não deve >0; ser ultrapassada a máxima tensão directa de bloqueio; 1 2 Tempo de restabelecimento reverso semi-controlado porque só permite o controlo da entrada em condução e não do corte. IPP-ISEP – DEE-EC 5/40 Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 - vAK positiva + impulso positivo de corrente entre a gate e o cátodo (impulso de disparo IG) -> tirístor torna-se condutor; iA>0 de amplitude dependente da carga; a duração do impulso de disparo deve ser suficientemente longa por forma a que a corrente iA atinja o valor da corrente mínima de arranque (iA>IL(3)); - se iA tirístor bolqueia. CONCLUSÕES: O ângulo de disparo α, a evolução da tensão de entrada e as características da carga influenciam a evolução da corrente no circuito, portanto também determinam se o tirístor se vai manter ou não à condução após o impulso de disparo. O tempo de duração do impulso de disparo deve ser, no mínimo, igual ao tempo necessário até que se atinja a IL. Para que o tirístor se mantenha à condução é necessário que exista sempre, no mínimo, uma corrente igual ou superior a IH. Idealização da característica: Obtida à custa do desprezo dos pequenos valores da tensão directa de polarização e da corrente de fugas nas regiões de bloqueio directo e inverso, face aos elevados valores de tensão e corrente nos circuitos onde são utilizados os tirístores. O tirístor em comutação: - se VA – VK > 0 e iG > 0 -> o tirístor entra à condução; Se iA > IH -> manutenção em condução. - se iA < IH -> Saída de condução. - na saída de condução, à semelhança do que acontece no díodo, a corrente no tirístor inverte-se antes de se anular - um parâmetro importante é o tempo de saída de condução, tq; durante este intervalo uma tensão inversa deve ser mantida aos terminais do tirístor, sendo que, só após este tempo ele poderá bloquear uma tensão directa sem entrar de novo à condução. Valores elevados de di/dt e dvAK/dt: - o tirístor demora um determinado tempo a entrar em condução, sendo que a taxa de expansão dos portadores maioritários na junção é finita, e como inicialmente a corrente é concentrada numa área em torno da gate, se o aumento dessa corrente for demasiado elevado essa área (inferior à obtida quando termina a expansão dos portadores maioritários) será sobreaquecida e consequentemente poderá danificar-se. Este fenómeno dá origem a perdas significativas em funcionamento impulsional e a alta frequência. 3 IL – corrente mínima de arranque: valor mínimo da corrente directa no final do impulso de gate para que o tirístor IH – corrente mínima de manutenção: valor mínimo necessário da corrente directa para que o tirístor permaneça à IPP-ISEP – DEE-EC 6/40 fique à condução. (pode ser equiparada ao “atrito estático”) 4 condução. (pode ser equiparada ao “atrito dinâmico”) Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 - valores elevados de dvAK/dt, quando o tirístor está bloqueado, podem causar o seu autodisparo, isto devido a uma corrente capacitiva que flui para as junções, que no caso de ultrapassar IL provoca do disparo do tirístor.(5) Circuitos de protecção (malha de Snubber): - correntes e tensões transitórias são suprimidas da mesma forma em qualquer comutador; - as bobines limitam a taxa de variação da corrente directa no arranque e na saída de condução e são colocadas em série no circuito;(6) - os condensadores limitam a taxa de variação da tensão aos terminais dos dispositivos semicondutores, devendo, como tal, ser colocados em paralelo.(7) EXEMPLO (cálculo de uma malha de Snubber): Para o seguinte circuito calcular LS, CS e RS 1º- a bobine irá limitar di/dt, logo é necessário consultar a folha de características do componente e tomar o valor que surge no campo di/dt; no pior caso, para t=0+ => i=0 => vS = vLs; Desta forma: di v Ls = LS ⇒ 100 = LS .200 × 10 6 ⇔ LS = 0,5µH dt 2º- a malha que contém o condensador e resistência protege o tirístor contra valores elevados de dv/dt na sua entrada em condução; novamente consultamos a folha de características do componente e tomamos o valor mais baixo de IL (pois alguns disparam logo com esse valor mínimo) e também o valor mais baixo de dv/dt (pois alguns podem não aguentar mais do que o valor mínimo). ITH deverá ser menor que IL para que o tirístor não dispare, isto implica que inicialmente (sendo o condensador um curto-circuito para a rede) V i L +  = S ; desta forma o condensador deverá absorver inicialmente da 0  RC   rede a corrente iC = IL - ITH; a variação de tensão aos terminais de CS é igual à variação aos terminais do tirístor, então, para o pior caso (t=0+): iC CS = ; este valor de C impede o tirístor de entrar à condução se a dv dt máx fonte se comportar como um degrau de tensão; na prática escolhido um valor maior. () 5 não esquecer que a corrente num condensador é dada por i = C. dv dt 6 nas montagens rectificadoras raramente é necessária a colocação da bobine, visto que, a indutância da o díodo curto-circuita a resistência de carga do condensador e esta limita a corrente de descarga deste IPP-ISEP – DEE-EC 7/40 fonte assegura a limitação de di/dt 7 Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 1.3. – Transístor Bipolar de Junção (BJTs) e Darlingtons É um dispositivo semicondutor totalmente controlado(8). Não é usado na zona activa, mas sim ao corte ou à saturação. Característica Estática: Só opera no 1º quadrante, ou seja, não admite tensões ou correntes inversas. Idealização da característica: VCEsat. de um transístor de potência situa-se entre 1 e 2V, o que implica uma baixa dissipação de potência em condução. A sua característica pode ser idealizada quando funciona como interruptor. A idealização da característica de funcionamento deve-se ao facto de, se iB for elevado implicar que o vCE seja muito baixo. No entanto, para que tal seja possível IB > (IC/hFE), onde hFE é o ganho DC do componente. Os BJTs são controlados por corrente, por isso uma corrente de base deve ser fornecida de forma permanente para os manter à condução. Devido ao hFE dos transístores de potência se situar normalmente entre 5-10 são utilizadas associações de transístores em par Darlington. Darlington e triplo Darlington Estas configurações possuem a grande desvantagem de possuírem um vCE elevado (maiores perdas!!) e velocidades de comutação mais baixas (o 1º entra à condução, só depois é injectada corrente no 2º; o 2º entra à condução e só depois é injectada corrente no 3º; finalmente o 3º é colocado à condução alimentando a carga.) Característica Corrente-Tensão: - região de corte: VBE < 0, IB=0 (junção base-emissor contrapolarizada), apenas existe uma pequena corrente de fugas IC; a tensão no colector ultrapassar um determinado valor, especificado, o componente destrói-se. - região de saturação: VCE < VBE (junção colector-base polarizada directamente). 8 é controlada a entrada e saída de condução IPP-ISEP – DEE-EC 8/40 Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 - região de quasi-saturação: zona da curva onde o grau de saturação pode variar com a corrente IB. CONCLUSÕES: Maiores valores de VCE implicam maiores perdas, no entanto permitem maiores frequências de trabalho. Os BJTs em comutação: Para que a junção B-E fique polarizada directamente é necessário injectar-lhe carga; após o tempo de atraso introduzido (td – time delay), se VCE > 0, os portadores passam do emissor para a base e depois para o colector; IC sobe num tempo tr (time rise) a uma taxa determina pelo valor de Ib, e VCE cai para um valor igualmente dependente de Ib. CONCLUSÕES: Este processo é relativamente lento devido ao transporte de portadores! O tempo de armazenamento tS (storage time), durante a passagem à não condução é elevado, sendo que decorre desde que a corrente Ib desce abaixo de 90% do seu valor, até IC atingir 90% do seu valor nominal. Uma solução para este problema é aplicação de uma corrente negativa à base, de forma a ser retirada mais rapidamente a carga da mesma, resultando numa redução efectiva de toff (turn off time).(9) Principais Características dos BJTs: Os BJTs estão disponíveis para tensões directas até 1400 V e correntes da ordem das centenas de Ampere (incluindo os Darlington monolíticos). No entanto o seu grande problema prende-se com a baixa tensão inversa que podem bloquear; se a tensão de polarização inversa C-B exceder um determinado limite, os portadores minoritários impulsionados pelo campo eléctrico da junção aceleram colidindo com átomos de impurezas, dando origem à libertação de mais portadores que consequentemente produzem uma corrente inversa elevada sem que a tensão decresça, conduzindo à necessidade de uma elevada dissipação de potência que não é suportada pelo componente (resultando na sua destruição). A utilização de BJTs em paralelo é desaconselhada, visto que, a sua resistência em condução apresenta um coeficiente de temperatura negativo, o que resulta num desequilíbrio de corrente nos paralelos. A colocação de BJTs em série, de forma a permitir o uso de tensões mais elevadas, não deve ser de todo utilizada. Isto porque os tempos de comutação e as correntes de base não sendo exactamente iguais de transístor para transístor (facto intrínseco relacionado com os aspectos construtivos; inerente a qualquer componente), aumentam a probabilidade de o BJT trabalhar durante um tempo elevado na zona activa, conduzindo à sua destruição por excesso de potência dissipada. 9 a corrente negativa na base funciona como um aspirador de portadores de carga da junção, dando-se IPP-ISEP – DEE-EC 9/40 por isso o corte mais rápido. Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 Deve ser tomada especial atenção ao facto de os BJTs não tolerarem sobreintensidades de corrente e serem altamente sensíveis a sobretensões. 1.4. – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) É um dispositivo semicondutor totalmente controlado. Característica Estática: Só opera no 1º quadrante, ou seja, não admite tensões ou correntes inversas. Funcionamento dos MOSFETs: O MOSFET é um componente controlado por tensão, logo necessita de uma tensão gatesource continuamente aplicada, de amplitude adequada, de modo a se manter em condução; A gate é isolada, logo só existe corrente de gate no momento da comutação, isto é, quando a capacidade da gate é carregada ou descarregada; O MOSFET não possui tensão limiar drain-source mas sim uma resistência pura de valor muito baixo (aprox. 0,5 ). Para ocorrer a plena condução é necessário que vGS seja superior ao seu limiar VGS(th). CONCLUSÕES: A comutação é rápida, pois é estabelecida quando a capacidade da gate é carregada, o que acontece com uma pequena quantidade de cargas. A queda de tensão VDS depende da corrente que atravessa o canal. Principais Características dos MOSFETs: Tempos de comutação extremamente baixos (visto não ser um componente de carga) – na ordem das dezenas a centenas de ns; Baixa capacidade intrínseca da gate – na ordem de poucos nF; Máxima tensão gate-source de ±20 V, existindo no entanto MOSFETs que operam com tensões de controlo de níveis TTL. Possibilidade de colocação em paralelo – devido ao seu coeficiente de temperatura positivo – visto que os MOSFETs vão-se equilibrando mutuamente, forçando a uma distribuição equitativa das correntes pelos vários componentes em paralelo; IPP-ISEP – DEE-EC 10/40 Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 Existem para tensões de cerca de 1000 V e pequenas correntes, ou para correntes de cerca de 100 A e pequenas tensões; Embora seja a tensão aplicada à gate que controla o estado do MOSFET (ON ou OFF), é no fundo a corrente no circuito de gate que controla a velocidade de comutação, visto que é a carga da capacidade intrínseca da gate que cria o canal n que torno o dispositivo condutor. Sendo a resistência em condução bastante baixa (RDS aprox. 0,5 ), se esta for desprezada, durante a comutação é a única altura em que existe dissipação de potência significativa. CONCLUSÕES: Na prática, a principal limitação da frequência de trabalho é, o facto de durante a comutação a corrente e a tensão no MOSFET poderem atingir valores elevados, implicando uma elevada dissipação de potência. 1.5. – GTOs (Gate-Turn-Off thyristors) É um dispositivo semicondutor totalmente controlado. Possui um funcionamento similar a um tirístor, no entanto, pode ser “desligado”. Característica Estática: Funcionamento dos GTOs: Como já foi referido o seu funcionamento é similar ao de um tirístor, no entanto, por aplicação de um impulso adicional de corrente negativa à gate este é retirado do estado de condução; Da mesma forma que num tirístor, para se verificar o estado de condução é necessário que seja aplicado um impulso de disparo à gate e que a corrente iA atinja um valor superior a IL. Para que o GTO saia de condução é necessária a aplicação de uma tensão negativa gatecátodo, de modo a provocar uma corrente suficientemente elevada (tipicamente 1/5 de iA), ou então, tal como num tirístor, que iA seja menor que IH. CONCLUSÕES: O principal problema destes componentes prende-se com o circuito de controlo, o qual além de ter que produzir um impulso de disparo positivo, tem também que produzir um impulso de corrente negativa tipicamente igual a 1/5 de iA!!! IPP-ISEP – DEE-EC 11/40 Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 Saída de condução: Os GTOs actualmente disponíveis no mercado não toleram valores de dv/dt elevados, pelo que a sua utilização com cargas indutivas carece de uma malha de Snubber.(10) Principais Características dos GTOs: Possui uma IL bastante maior que os tirístores, como tal necessita da aplicação de impulsos de disparo de maior duração; O impulso de corrente para retirada de condução é mais curto mas a sua amplitude de ser no mínimo de 1/5 de iA; Queda de tensão em condução (cerca de 2 a 3 V) ligeiramente superior à dos tirístores; Velocidades de comutação na gama dos poucos µs a 25 µs; Correntes elevadas (alguns kA); Tensões elevadas (até 4,5 kV); Frequência de comutação de algumas centenas de Hz a 10 kHz 1.6. – IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) É um dispositivo semicondutor totalmente controlado. Possui um funcionamento que adopta características dos MOSFETs e dos BJTs, e bloqueia tensões inversas. O seu controlo é feito por tensão. Característica Estática: Funcionamento dos IGBTs: O IGBT combina as características de comutação do MOSFET com a capacidade de manipulação de altas potências do BJT; Em teoria pode bloquear tensões inversas e directas de igual amplitude, embora na prática se verifique que a tensão inversa máxima possível de bloquear seja inferior à directa; Para se colocar o IGBT à condução o terminal D (drain) deve estar polarizado positivamente em relação a S (source), e concomitantemente deve ser aplicado a G (gate) um patamar de tensão de amplitude de cerca de 15 V, sendo quer após 1 µs se dará a entrada em condução; 10 Recorde-se que valores dv/dt elevados conduzem a reentradas em condução por carga de capacidades IPP-ISEP – DEE-EC 12/40 parasistas que originam uma corrente iA > IL Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 A condução mantém-se enquanto se mantiver aplicado o impulso à gate, no entanto, o facto de esta se encontrar isolada implica uma muito baixa dissipação de potência; A retirada de condução é efectuada pelo fim da aplicação da tensão à gate; A comutação entre condução -> não condução pode demorar tão somente 2 µs, o que proporciona frequências de comutação da ordem das dezenas de KHz. CONCLUSÕES: É um dispositivo rápido, controlado por tensão e de baixa dissipação de potência durante a comutação – características do MOSFET de potência. Apresenta baixa queda de tensão directa em condução e pequenas perdas em condução – características do BJT. O IGBT em Comutação: A resposta em comutação de um IBGT difere da de um MOSFET devido à sua, chamada, corrente residual residual. Contrariamente ao MOSFET em que não existe a necessidade, devido aos seus aspectos construtivos, de se dar a recombinação de cargas para que o dispositivo bloqueie, no IGBT existe uma recombinação de cargas internas antes de se dar o bloqueio. CONCLUSÕES: A recombinação de cargas, acima referida, provoca a existência da corrente residual. Este fenómeno origina um aumento no tempo de comutação do estado de condução para não condução. Em termos práticos, as perdas com origem na corrente residual quando o IGBT opera a altas frequências podem assumir proporções consideráveis. Tensão de saturação substancialmente mais baixa quando comparada com a de um MOSFET (VGE e cerca de metade de VGS na saturação); Valor da tensão de limiar entre a condução e não condução (VGS(TH)) é de cerca de 4 V. IPP-ISEP – DEE-EC 13/40 Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 1.7. – MCTs (MOS-Controlled Thyristor) Espécie de “GTO de gate isolada”. É já uma associação de componentes. Característica Estática: Só opera no 1º quadrante, não bloqueia, por isso, tensões inversas ou conduz correntes igualmente inversas. Funcionamento dos MCTs: O MCT é um tirístor ou GTO integrado com dois MOSFETs, sendo que um é utilizado para colocar o tirístor (ou GTO) à condução e o outro para a retirada de condução. A aplicação de uma tensão negativa na gate (relativamente ao ânodo) coloca o dispositivo à condução, sendo que o seu valor limiar (VGA(TH))é de cerca de -5 V. Após o arranque do MCT o impulso de disparo pode ser retirado da gate. Para retirar o MCT de condução é suficiente a aplicação de um impulso de tensão VGA de 15 V. Este processo de retirada de condução é cerca de 4 vezes mais lento que o processo de entrada em condução. Baixa queda de tensão em condução – cerca de 1,1 V. IPP-ISEP – DEE-EC 14/40 Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 Considerações Finais: Os componentes descritos possuem diversas vantagens uns relativamente aos outros, sendo que a sua escolha dependerá sempre do tipo de aplicação e o seu fim. No entanto para melhor se perceber alguns aspectos comparativos pode-se ter como referência o seguinte gráfico: Para além dos componentes descritos existe ainda um grande número de variantes destes componentes, bem como diversos componentes integrados (por ex. o referido MCT) desenvolvidos por diversos fabricantes e com mais ou menos (por ex. SIT, SITH, ASCR, GATT, RCT). Existem também os designados “smart power”(11), os quais podem confinar num único integrado um ou mais componentes de potência com respectivos circuito de protecção, circuito de comando, lógica de controlo, etc... 11 o termo “smart” não é um acrónimo. Foi originalmente pensado como marca registada para denominar CIs de potência que proporcionavam soluções simples e inteligentes. O termo no entanto nunca foi registado, tendo-se generalizado o seu uso. IPP-ISEP – DEE-EC 15/40 Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 2. Conversores CA-CC 2.1. – Rectificadores 2.1.1. – A díodos ou não controlados: Possuem uma relação fixa entre a tensão alternada e a tensão contínua de saída. São irreversíveis (trânsito de potência apenas no sentido AC->DC). 2.1.2. – A tirístores ou controlados: Permitem a variação da tensão contínua de saída São reversíveis (possibilidade de trânsito de potência nos dois sentidos AC<->DC). São naturalmente comutados, isto é, a frequência de comutação é igual à frequência da rede. A variação cíclica da tensão facilita a comutação. 2.2. – Classificação dos vários tipos de rectificadores A classificação de um rectificador baseia-se no seu esquema de montagem, tendo em conta dois aspectos fundamentais: 2.2.1. – A forma como os díodos estão dispostos: 2.2.1.1. – Comutador mais positivo positivo: - q díodos associados em cátodo comum; - em cada instante a tensão na saída ud é igual à mais positiva das tensões de entrada; - a “mais positiva” das tensões do circuito pode ser positiva ou negativa, mas para que o díodo correspondente conduza é necessário que seja percorrido por uma v −e corrente no seu sentido directo, isto implica que: i1 = id = 1 > 0 (12), pelo que o R díodo conduzirá desde que v1 > e. - caso existam intervalos em que a “mais positiva” das tensões seja < e, então nenhum díodo conduz e ud=e; este é designado por modo de funcionamento descontínuo, descontínuo contrário ao funcionamento contínuo, em que existe sempre um contínuo díodo a conduzir e ud é igual à “mais positiva” das tensões de entrada. 2.2.1.2. – Comutador mais negativo negativo: - q díodos associados em ânodo comum; - em cada instante a tensão na saída ud é igual à mais negativa das tensões de entrada; - a “mais negativa” das tensões do circuito pode ser positiva ou negativa, mas para que o díodo correspondente conduza é necessário que seja percorrido por uma e − v2 corrente no seu sentido directo, isto implica que: i1 ' = −i d = > 0 , pelo que o R díodo conduzirá desde que v2 < e. - caso existam intervalos em que a “mais negativa” das tensões seja > e, então nenhum díodo conduz e ud=e; este é designado por modo de funcionamento descontínuo, descontínuo contrário ao funcionamento contínuo, em que existe sempre um contínuo díodo a conduzir e ud é igual à “mais negativa” das tensões de entrada. 12 e – a força contra electromotriz da carga. IPP-ISEP – DEE-EC 16/40 Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 2.2.2. – O acoplamento entre a fonte de tensão alternada e o comutador: 2.2.2.1. – Montagens tipo P (paralelo simples): - montagens com a fonte em estrela e um único grupo comutador ou rectificador; 2.2.2.2. – Montagens tipo PD (paralelo duplo): - montagens com a fonte em estrela e dois grupos comutadores ou rectificadores em ponte; 2.2.2.3. – Montagens tipo S (série)(13): - montagens com a fonte em polígono e dois grupos comutadores ou rectificadores em ponte; A indicação do tipo (P, PD ou S) seguido do número de fases q é suficiente para caracterizar um rectificador. 2.3. – Estudo das montagens O estudo das montagens rectificadoras deve ser metódico e pode ser dividido em 4 etapas: - estudo das tensões; - estudo das correntes; - estudo das quedas de tensão; - estudo do funcionamento em curto-circuito. É suposto que a impedância da fonte e dos elementos semicondutores da montagem seja desprezável, logo também a queda de tensão nos semicondutores. É assumido que a corrente no circuito é constante. 2.3.1. – Notação: v1, v2, ..., vq – q tensões sinusoidais aos terminais dos enrolamentos secundários em vazio T – seu período w – sua velocidade angular V – seu valor eficaz VM – seu valor máximo (=V.√2) ud – tensão rectificada Ud0 – seu valor médio em vazio vD1, vD2, ..., vDq – tensão aos terminais dos díodos Id – corrente debitada pelo rectificador (suposta constante) i1, i2, ..., iq – corrente nos díodos iS1, iS2, ..., iSq – corrente nos enrolamentos secundários iP1, iP2, ..., iPq – corrente nos enrolamentos primários iL1, iL2, ..., iLq – corrente nas linhas de alimentação 13 Nas montagens do tipo S conduz em cada instante o díodo que no ramo superior se encontrar ligado à última fase a tornar-se positiva, e no ramo inferior, aquele que se encontrar ligado à última fase a tornarse negativa. IPP-ISEP – DEE-EC 17/40 Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 2.3.2. – Definições: 2.3.2.1. – Valor médio: - o valor normalmente utilizado para caracterizar uma tensão rectificada é o seu valor médio Ud0; - definição teórica: Valor médio de uma onda de tensão periódica de período T é o valor de uma tensão contínua que no mesmo tempo T, quando aplicada a um mesmo circuito, conduz à transferência de uma mesma quantidade de carga. - matematicamente: 1T v.dt , T ∫0 ou seja, o valor médio é proporcional à área ocupada pela gráfica da tensão ao longo de um período. V0 = representação 2.3.2.2. – Valor eficaz: - definição teórica: valor eficaz de uma onda de tensão periódica de período T é o valor de uma tensão contínua que, aplicada a uma mesma resistência, conduz, no mesmo tempo T, à libertação sobre a forma de calor de uma mesma quantidade de carga. - matematicamente: V2 = 1 T ∫ T 0 v 2 .dt , 2.3.2.3. – Factor de ondulação: - a ondulação da tensão rectificada é a diferença entre o seu valor instantâneo máximo UdMAX e o seu valor instantâneo mínimo UdMIN. - o factor de ondulação fornece uma medida da importância relativa da ondulação: u d − ud MIN KU d 0 = MAX 2.U do 2.3.3. – Sobreposição de condução – Efeito da indutância da fonte na corrente comutação: Quando um díodo se torna condutor a corrente que o atravessa não pode passar, instantaneamente, de 0 para Id, nem de forma inversa, quando o díodo deixa de conduzir a corrente que o atravessa passa instantaneamente de Id para 0. Isto porque, tais acontecimentos suporiam a ocorrência de descontinuidades de corrente nos enrolamentos secundários, primários e na linha de alimentação, o que nunca pode acontecer devido à indutância de fugas do transformador e ao facto das redes de distribuição de energia apresentarem um factor de potência indutivo(14). Essa indutância característica da rede influência o comportamento em comutação dos circuitos rectificadores A sobreposição de condução não é portanto influenciada pelo tipo de carga. Durante o intervalo de comutação conduzem em simultâneo 2 semicondutores, isto por o intervalo que vai passar ao estado de corte contínua a conduzir (devido ao facto de estar a ser vL = L ⋅ di , o que implica que só exista queda de tensão numa bobine quando dt 18/40 14 Não esquecer que ocorrem variações de corrente. IPP-ISEP – DEE-EC Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 percorrido por uma corrente no seu sentido directo, apesar de ter uma tensão inversa aos seus terminais) enquanto que o que vai passar a estar à condução se encontra directamente polarizado e já iniciou a condução de corrente. Durante este tempo toda a tensão da rede (ou fonte) é aplicada a esta indutância, pelo que após alguma dedução matemática se conclui que o intervalo de comutação tem uma duração:  w.LS .I C  w.LS .I C  (rad .) cos(u ) = 1 − ⇒ u = cos −1 1 −  2 .VS 2 .VS    A sobreposição de condução conduz a uma diminuição do valor médio da tensão na carga, bem como também prejudica a qualidade da rectificação e contribui para o aumento da distorção harmónica da tensão de entrada e saída do circuito. Essa diminuição será proporcional à reactância de fugas do transformador, à indutância característica da rede, à corrente de carga e ao nº de fases da montagem. 2.3.4. – Funcionamento em curto-circuito – Efeito da indutância da fonte na corrente de curtocircuito: Devido à ocorrência da sobreposição de condução, é originado um curto-circuito entre duas fases aquando da comutação. Os factores que limitam essa corrente de curto-circuito as impedâncias características da fonte e do rectificador. Nas montagens PD a corrente de curto-circuito é π vezes inferior à das montagens P – uma das vantagens das montagens PD. 2.3.5. – Comportamento das montagens com cargas resistivas: A corrente surge em fase com a tensão. Valor médio da tensão e da corrente aos terminais da carga é diferente de zero, ou seja, existe uma componente DC. 2.3.6. – Comportamento das montagens com cargas indutivas: A corrente surge em atraso relativamente à tensão. As bobines armazenam energia sob a forma de campo magnético. di Note-se que se vd=0 => vS = Ri + L dt As formas de onda das tensões representadas e da corrente serão: Entre 0 e t1, a tensão de entrada é maior que a tensão aplicada à resistência, portanto a tensão na bobine é maior que zero, o que resulta no armazenamento de energia por parte da bobine e a corrente no circuito aumenta. Entre t1 e t3, a tensão na bobine é menor que zero e a corrente no circuito é maior que zero, o que resulta numa libertação de energia por parte da bobine e a corrente no circuito diminui. IPP-ISEP – DEE-EC 19/40 Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 Entre t2 e t3, a tensão de entrada é menor que zero, no entanto, a corrente no circuito é maior que zero. Isto significa que o díodo contínua a conduzir devido à energia armazenada na bobine. A tensão na carga (bobine+resistência) é menor que zero, no entanto, a tensão na resistência é maior que zero. Em t3, deixa de existir corrente no circuito, portanto o díodo entra ao corte. Após t3, a tensão de entrada é negativa e a corrente no circuito é nula, sendo que a tensão na carga é também nula assim como na resistência. O funcionamento em regime estável (ou permanente) implica que as formas de onda de tensão e corrente num circuito se repitam dentro de um determinado período de tempo. Tal implica que o valor médio da tensão na bobine seja nulo, isto porque, sendo o integral da tensão a bobine igual à variação do fluxo induzido no circuito magnético, tal implica que a variação do fluxo no circuito magnético no final de um período seja zero, caso contrário, a acumulação de energia magnética conduziria à saturação do circuito magnético e consequentemente à não repetição do ciclo (nem faria sentido falar-se em “ciclo” pois este não existiria). 2.3.7. – Montagens P (paralelo simples) a díodos díodos: Possuem um só comutador do tipo mais positivo ou mais negativo constituído por q díodos, um por cada fase. O seguinte gráfico ilustra a evolução da tensão rectificada para uma montagem do tipo P3, em função da evolução da tensão de entrada: A tensão rectificada é formada por q arcadas de sinusóide, de amplitude √2.V por período T, sendo que o período da tensão rectificada será T/q. π  p U d 0 = ⋅ 2 ⋅V ⋅ sen  , onde p(15) é o número de  p π  arcadas da tensão rectificada por período T. Vd = 2 ⋅ V ⋅  2π  1p + sen  p  2 4π   A tensão vDn aos terminais do díodo Dn será sempre ud-vn. A tensão inversa máxima é sempre igual à amplitude máxima da tensão composta. No caso de q par: vimáx = 2 ⋅ 2 ⋅ V ; no caso de q ímpar π  vimáx = 2 ⋅ 2 ⋅ V ⋅ cos  .  2q   15 No caso das montagens tipo P esse número corresponde ao número de fases (p=q) IPP-ISEP – DEE-EC 20/40 Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 Assumindo que a corrente debita pelo comutador é constante, cada díodo é atravessado por corrente contínua Id durante um intervalo T/q, onde ele é condutor, do período T. Para cada semicondutor teremos: iMÁX = I d I0 = I= Id q Id q Sendo a corrente em cada enrolamento secundário do transformador igual à corrente que o díodo do comutador, a ele conectado, debita podemos concluir que o valores médios e eficazes serão iguais aos referidos anteriormente. Desta forma teremos um factor de potência secundário (FS) baixo, sendo que o mesmo diminuíra com o aumento de q: 2q π  P FS = s = ⋅ sen  q Ss π  Sabendo-se que quanto menor FS maiores são os custos e as perdas do transformador, para a mesma potência pretendida, o interesse pelo emprego de rectificadores paralelos simples é muito baixo, levando a que este tipo de soluções não seja usada para valores de q elevados. 2.3.8. – Montagens P (paralelo simples) a tirístores tirístores: Possuem um só comutador do tipo mais positivo ou mais negativo constituído por q tirístores, um por cada fase. O seguinte gráfico ilustra a evolução da tensão rectificada para uma montagem do tipo P3, em função da evolução da tensão de entrada: O seu funcionamento é em tudo similar ao das montagens tipo P a díodos, no entanto, o intervalo de condução surge deslocado de um ângulo α. Esse ângulo α é então contado a partir do momento em que ocorreria a comutação numa montagem a díodos, ou seja, neste caso, a partir do momento em que o tirístor está correctamente polarizado. Existe uma relação entre o valor médio da tensão de saída, U ' d 0 = U d 0 ⋅ cos(α ) , no entanto o mesmo já não acontece com o valor da tensão eficaz V 'd = 2 ⋅V ⋅  2π  1p (16) + sen  p  ⋅ cos(α ) .  2 4π   -Ud0 U’d0 Ud0 90º 180º α 16 Note-se que V ' d ≠ Vd ⋅ cos(α ) , por isso se diz que não existe relação entre a tensão rectificada 21/40 controlada e a não controlada IPP-ISEP – DEE-EC Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 Como é evidente o factor de ondulação irá aumentar com o aumento do |cos(α)|. O conteúdo harmónico irá variar com o ângulo de disparo, sendo que, o valor máximo dos diversos harmónicos ocorre para α=90º. Podemos dizer que a amplitude dos harmónicos cresce à medida que |cos(α)| diminui. Tal como acontece nos díodos, a tensão vTn aos terminais do tirístor Tn será sempre dada pelo soma da tensão ud-vn. Observe-se o exemplo (à esquerda) para uma montagem P3 a tirístores. Para Id constante, todas as correntes têm o mesmo valor que na montagem P a díodos, no entanto são deslocadas de α. As várias potências envolvidas possuem uma mesmo valor que nas montagens a díodos. O factor de potência é reduzido na mesma proporção da potência activa. Verificam-se as seguintes relações: F ' S = FS cos(α ) F ' P = FP cos(α ) F ' L = FL cos(α ) (17) Note-se que o factor de potência diminui com o diminuição do |cos(α)|. Este facto deve-se ao deslocamento das ondas de corrente em relação às correspondentes tensões. Desta forma o rendimento do transformador também diminui com a diminuição do |cos(α)|. Sempre que se verifique que α>(π/2) o rectificador funcionará como ondulador (rectificador >(π/2) negativo) não-autónomo isto é, o valor médio da tensão rectificada U’d0 é negativo. Como não-autónomo, resultado temos a inversão da tensão aplicada à carga, decrescendo à medida que α se aproxima de π. A corrente id mantém obrigatoriamente o seu sentido, sendo a potência entregue à carga negativa, isto é, a carga não funciona como receptor mas sim como gerador, fornecendo potência activa à rede. A rede continua a fornecer potência reactiva à carga, e sobretudo, continua a impor a forma de onda e frequência das tensões alternadas(18). Como é evidente, este tipo de funcionamento pressupõe a existência de um gerador do lado da carga. Caso um tirístor falhe a sua entrada em condução perde-se o controlo do ondulador, invertendo-se a tensão u’d e resultando num crescimento de id para valores elevados. 2.3.9. – Montagens PD (paralelo duplo) a díodos díodos: Possuem dois comutadores, um do tipo mais positivo e outro do tipo mais negativo, não sendo (do ponto da vista da carga) importante qual dos dois comutadores ocupa a posição superior e inferior. Necessitam então de 2q díodos para rectificar q tensões alternadas. Também são designadas de pontes de Graëtz. No comutador positivo conduz, em cada instante, o díodo associado à fase cuja tensão seja a mais positiva das tensões. No comutador negativo conduz, em cada mesmo instante, o díodo associado à fase cuja tensão seja a mais negativa das tensões. 17 18 É considerado o valor de|cós(α)| pois o factor de potência é sempre positivo Daqui resulta a designação de ondulador não-autónomo IPP-ISEP – DEE-EC 22/40 Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 Sendo p o número de arcadas da tensão de saída por período, se q for par p=q, se q for ímpar p=2q. Se o número de fases, q, for par juntamente com o díodo (por conduz o díodo D’(q/2)+1 sendo exemplo) D1 u d = v1 − v q = 2 2 ⋅ sen(wt ) . Visto serem tensões em oposição 2 +1 de fase teremos q arcadas por período. π  q Ud0 = 2 2 ⋅ V ⋅ sen  q π  A tensão aos terminais (por exemplo) do díodo D1 será v D 1 = v 1 − (v M − v 0 ) , ou seja, teremos: vD1=v1-v1, quando D1 conduz; vD1=v1-v2, quando D2 conduz; vD1=v1-vq, quando Dq conduz. Para as tensões dos díodos do comutador negativo, tomando como exemplo D’1 teremos v D '1 = (v N − v0 ) − v1 , o que resulta em: vD’1=v1-v1, quando D1 conduz; vD1=v2-v1, quando D2 conduz; vD1=vq-v1, quando Dq conduz. A máxima tensão inversa aos terminais de qualquer um dos díodos será dada por: v DMAX = 2 2 ⋅ V Se o número de fases, q, for ímpar juntamente com o díodo (por exemplo) D1 conduz o díodo D’(q+1)/2 até t=T/4 e t=T/4, D’(q+3)/2 até t=(T/4)+(T/2q). Teremos então: π  q U d 0 = (VM − V0 ) − (V N − V0 ) = 2 2 ⋅ V ⋅ sen  q π  Neste caso o número de arcadas por período será igual a 2q (p=2q). A tensão aos terminais dos díodos é exactamente igual à tensão aos terminais dos díodos para o caso do número de fases par. No entanto a expressão do valor máximo da tensão inversa aos terminais dos semicondutores será: π  v DMAX = 2 2 ⋅ V ⋅ cos   2q   Em cada período T cada um dos díodos do comutador positivo conduz durante o tempo T/q a corrente Id. Isto implica que cada um dos díodos do comutador negativo conduza durante o tempo T/q, para que dessa forma possa ocorrer o retorno da corrente. Os valores máximo, médio e eficaz da corrente em cada um dos 2q díodos serão: I I DAV = d q I I DRMS = d q I DMAX = I d Cada enrolamento do secundário é conduzido pela corrente +Id durante o intervalo de condução T/q do díodo do comutador positivo, e por –Id durante igual período de tempo de condução do díodo do comutador negativo. Daqui resulta uma corrente secundária de IPP-ISEP – DEE-EC 23/40 Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 2 , ou seja, √2 vezes superior ao presente nas montagens q paralelas simples. Desta forma o factor de potência secundário será também √2 vezes superior ao verificado nas montagens P, deteriorando-se da também com o aumento do π  2 número de fases (q): FS = ⋅ q ⋅ sen  q π  Note-se ainda que em todas as montagens PD o valor médio das correntes secundárias é nulo. valor eficaz igual a I S = I d ⋅ 2.3.10. – Montagens PD (paralelo duplo) a totalmente tirístorizadas tirístorizadas: Os dois grupos de díodos rectificadores são substituídos por tirístores. A análise do circuito é efectuada da mesma forma que nas montagens a díodos, sendo apenas levado em conta o ângulo de disparo. Todos os tirístores são colocados à condução com o mesmo ângulo de disparo α. Os tirístores conduzem pelo mesmo tempo T/q, passando durante esse tempo toda a corrente da carga pelo tirístor, no entanto, ocorre um deslocamento de +α. O valor médio da tensão rectificada será igual ao valor médio da tensão rectificada equivalente de um comutador a díodos, no entanto afectada do ângulo α: U ' d 0 = U d 0 ⋅ cos(α ) Facto comum a todos rectificadores tiristorizados. Sendo p o número de arcadas da tensão de saída por período, se q for par p=q, se q for ímpar p=2q. Tal como seria de esperar a ondulação da tensão rectificada cresce à medida que |cos(α)| diminui. Tal como no caso da montagem tipo P a tirístores, no caso de α>90º, o rectificador passa a funcionar como ondulador não-autónomo. A forma de onda da tensão aos terminais de um tirístor numa montagem PD será igual à verificada numa montagem P para uma mesma tensão alternada. A sua máxima tensão inversa será por isso igual ao valor máximo da tensão composta aplicada ao circuito. Todas as correntes são similares às suas homologas nos comutadores PD a díodos, simplesmente desfasadas de α. Os harmónicos das correntes na linha de alimentação são independentes do valor de α. Tal como seria de esperar os factores de potência são iguais às montagens similares a díodos, sendo apenas afectados pelo facto |cos(α)|. A queda de tensão devida ao efeito de sobreposição é exactamente igual à existente nas montagens a díodos equiparáveis. As comutações efectuadas pelos tirístores alteram significativamente as tensões à entrada do comutador, conduzindo a uma elevada injecção de harmónicos na rede. Dependendo do tipo de carga, a condução numa ponte totalmente tiristorizada pode ser contínua ou descontínua, isto é, id>0 ao longo de T ou id=0 durante uma parte de T. Como seria de esperar a descontinuidade de condução provoca uma diminuição de U’d0, dependendo essa diminuição de α e do factor de qualidade Q (Q=(wL)/R).(19) 19 Também se encontra estudado o efeito de uma carga R-L-E, ou seja, constituída por uma Resistência, IPP-ISEP – DEE-EC 24/40 uma Bobine e uma força Electromotriz Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 2.3.11. – Montagens PD (paralelo duplo) mistas: mistas Nas montagens mistas um dos comutadores composto por tirístores (por norma o negativo) é substituído por díodos(20). Desta forma é possível o controlo da comutação do comutador mais positivo em função de α, dando-se a comutação do comutador mais negativo de forma natural. A análise do circuito é efectuada da mesma forma que nas montagens a díodos, sendo apenas levado em conta o ângulo de disparo. Todos os tirístores são colocados à condução com o mesmo ângulo de disparo α. Os tirístores conduzem pelo mesmo tempo T/q, passando durante esse tempo toda a corrente da carga pelo tirístor, no entanto, ocorre um deslocamento de +α. Independentemente do número de fases ser par ou ímpar o número de arcadas p será sempre igual a q. O valor médio da tensão vM-v0, dado pelo comutador a π  q tirístores, será: 2 ⋅ V ⋅ sen  cos(α ) ; No entanto, q π  U’d0 como seria de esperar, o valor médio da tensão vN-v0, dado pelo Ud0 π  q 2 ⋅ V ⋅ sen  . Isto implica que comutador a díodos, será: − q π  1 + cos(α ) U U 'd 0 = U d 0 ⋅ , ou seja U’d0 nunca é negativa. 2 2 Desta forma, através da variação de α de 0º até um valor próximo de π, U’d0 variará de um valor máximo (igual a Ud0) até a 90º um valor mínimo próximo de zero. As pontes mistas não são reversíveis. A forma de onda da tensão rectificada pode apresentar dois tipos de evolução: d0 180º α - com α<(π -2π/q) os intervalos de condução dos dois <(π 2π/q) semicondutores da mesma fase não se sobrepõem, sendo a tensão u’d formada, durante cada um dos períodos T/q, por duas porções de sinusóide. 20 O comportamento da montagem é o mesmo, quer seja substituído o comutador positivo, quer o IPP-ISEP – DEE-EC 25/40 negativo. Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 - com α>(π -2π/q) existe sobreposição de condução dos dois >(π semicondutores da mesma fase, sendo a tensão u’d formada por intervalo em que o seu valor é nulo, e um outro intervalo em que o seu valor é um arco de sinusóide por cada período T/q. Note-se que se α>π u’d é nula. De facto tal acontece porque a >π, >π carga fica com os seus terminais curto-circuitados, resultando numa diferença de potencial nula aos seus terminais. A tensão aos terminais dos tirístores é a mesma que para um rectificador tipo P, a tirístores, que rectifique as mesmas tensões. A tensão aos terminais dos díodos é a mesma que para um rectificador do tipo P a díodos. A tensão inversa máxima é a mesma para ambos os semicondutores. 2.3.12. – Montagens S (série) a díodos díodos: A substituição de uma fonte em estrela por uma fonte em polígono, que possui as mesmas tensões alternadas não modifica nem o funcionamento dos semicondutores nem a tensão rectificada. Não existe recurso ao neutro. As montagens S permitem, para valores de q>3, a obtenção de tensões elevadas com baixa ondulação e uma melhor utilização dos enrolamentos secundários (21), conduzindo por isso a um mais elevado factor de potência.(22) Algumas vantagens das pontes mistas que eram perdidas, com o aumento do número de fases nas montagens com fontes em estrela, são praticamente independentes de q nas montagens com fonte em polígono. A tensão rectificada é formada por q arcadas de sinusóide, de amplitude √2.V por período T, sendo que o período da tensão rectificada será T/q. π  p U d 0 = ⋅ 2 ⋅V ⋅ sen  , onde p(é o número de arcadas da tensão rectificada por período T.  p π  Vd = 2 ⋅ V ⋅  2π  1p + sen  p  2 4π   Resumidamente podemos descrever o funcionamento deste tipo de montagens dizendo que conduz no terminal positivo o díodo ligado à última fase a tornar-se positiva, enquanto que conduz no terminal positivo o díodo ligado à última fase a tornar-se negativa. 21 22 Cada enrolamento é sempre percorrido (apenas) por metade da corrente de carga. Esta propriedade mantém-se quando se passa de montagens rectificadores tipo S a díodos para IPP-ISEP – DEE-EC 26/40 montagens mistas ou totalmente tiristorizadas. Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 Na análise é importante: - atribuir um número a cada nó no sentido indirecto (ou horário) - (depois) a tensão que aponta para o nó 1 é v1, a que aponta para o nó 2 é v2, … a tensão que aponta para o nó q é vq. - note-se que é a última tensão a tornar-se positiva (a cruzar o zero) que determina a tornarnoteassociado, entrada em condução do semicondutor associado e não a tensão a tornar-se mais positiva. Estas montagens assumem algumas diferenças quando o número de fases é par ou ímpar: 2.3.12.1 – Número de fases par par: - tensão composta na saída; - nº de arcadas da tensão de saída igual a q; - tensão inversa máxima nos díodos: 2 ⋅V v DMAX = ; π  sen  q  - FS = 0.9 => Não é afectado por q; - a ordem da tensão rectificada é igual a q, isto porque a comutação dos díodos acontece simultaneamente nos dois comutadores. 2.3.12.1 – Número de fases ímpar ímpar: - tensão simples na saída; - nº de arcadas da tensão de saída igual a 2q; - tensão inversa máxima nos díodos: 2 ⋅ V (23) v DMAX = ; π  2 sen   2q   q - FS = 0.9 ⋅ ; q 2 −1 - a ordem da tensão rectificada é 2q, visto que a comutação dos díodos não acontece simultaneamente nos dois comutadores. 2.3.13. – Montagens S (série) a tirístores tirístores: U’d0 Como acontece até agora os díodos são substituídos por tirístores. O funcionamento é igual à montagem homologa a Ud0 díodos, apenas a entrada em condução é afectada pelo ângulo de disparo α. O valor médio da tensão rectificada é, como em todos os 90º 180º α rectificadores controlados, afecta pelo factor |cos(α)|, ou seja, U ' d 0 = U do ⋅ cos(α ) . Neste tipo de montagem é pressuposta também a possibilidade de inversão do sentido -Ud0 de trânsito da potência, isto é, da carga para a fonte. As correntes continuam a ser independentes de α, apenas surgem atrasadas do seu valor. Os factores de potência secundário e primário são, obviamente, afectados pelo valor do ângulo de disparo: F’=F.|cos(α)| A máxima tensão inversa aos terminais dos tirístores será igual à máxima tensão inversa aos terminais dos díodos da montagem homóloga. 23 Inferior à verificada com q par IPP-ISEP – DEE-EC 27/40 Electrónica de Potência Preparação para o Exame de 13-01-2006 07-01-2006 2.3.14. – Montagens S (série) mistas: Neste tipo de montagens uma série de tirístores, por norma do comutador negativo, são substituídos por díodos(24). Tal como acontece em todas as pontes mistas: 1 + cos(α ) U 'd 0 = U d 0 ⋅ 2 Quanto maior for o ângulo de disparo, maior é o desequilíbrio entre o número de fases de cada via do transformador por onde circula a corrente Id, o que se traduz numa diminuição de I’S, e consequentemente numa degradação do factor de potência secundário. U’d0 Ud0 Ud0 2 90º 180º α 2.3.15. – Agrupamento de rectificadores: 2.3.15.1. – Em série: - a ligação em série de rectificadores destina-se a aumentar o índice de pulsação, o que só é possível caso as tensões rectificadas estejam desfasadas (E.: PD3+S3); - ambos devem suportar a mesma intensidade rectificada; - as tensões rectificadas devem ter o mesmo valor médio. – Paralelo: 2.3.15.2. - destina-se a aumentar a corrente debitada pelo rectificador; - o agrupamento de dois tirístores que forneçam a mesma onda mas desfasada entre si, permite igualmente uma diminuição da ondulação da tensão de saída; - os rectificadores colocados em paralelo têm que em vazio ter a mesma tensão rectificada, e à plena carga a mesma queda de tensão de modo a não existir circulação de corrente entre eles. - uma montagem em “dupla estrela” corresponde à ligação em paralelo e através de uma bobine interfases de dois rectificadores P3 com tensões secundárias desfasadas (transformador trifásico-hexafásico); esta bobine actua como um divisor de tensão quando percorrida por uma corrente variável, esta corrente que surge da diferença de ud1 e ud2 é aditiva num dos rectificadores e subtractiva no outro. O valor desta corrente é bastante baixo quando comparado com Id/2, portanto usualmente desprezamos o seu valor. 24 O comportamento da montagem é o mesmo, quer seja substituído o comutador positivo, quer o IPP-ISEP – DEE-EC 28/40 negativo. Electrónica de Potência Preparação