Exercício 13)

Chopper de 2 Quadrantes :

Os elementos T1 e D2 constituem um chopper de 1 quadrante, permitindo a operação no quadrante I. Os elementos T2 e D1 permitem a operação no quadrante II, onde a polaridade da tensão é mantida mas corrente média se inverte.

A Figura 2 mostra as principais formas de onda do chopper de 2 quadrantes (EQUIVALENTE AO DE 4 QUADRANTES)

Operação no modo RLE ( COMO MOTOR):

Para a operação no modo motor(Rle) (quadrante I), somente o transistor T1 é comandado, e o ciclo de trabalho deve ser tal que produza a velocidade desejada. Desta forma, T1 e D2 operam em conjunto: quando T1 conduz, a tensão da fonte é aplicada no circuito de armadura e a corrente cresce. Quando T1 corta, D2 entra em condução mantendo a continuidade da corrente na indutância

de armadura (etapa de roda livre). Variando-se o ciclo de trabalho pode-se variar o torque e consequentemente a velocidade angular do motor.

Operação no modo (GERADOR):

Para a operação no modo gerador (quadrante II), somente o transistor T2 é comandado, e o ciclo de trabalho deve ser tal que produza o torque de frenagem desejado e sem que a máxima corrente de armadura seja excedida. Estando o motor numa velocidade maior que zero, T2 é disparado, fazendo com que a corrente cresça negativamente, forçada pela força eletromotriz interna E do motor e consequentemente armazenando energia na indutância do circuito de armadura. Quando T2 é bloqueado, D1 conduz para a fonte Vs a corrente forçada pela força contra–eletromotriz da indutância da armadura.

Chopper 4 Quadrantes:

O chopper de 4 quadrantes, como o próprio nome indica, permite que o motor opere em todos os quadrantes, ou seja, acionamento e frenagem em ambas as direções de rotação, pois é capaz de aplicar tensões e correntes positivas e negativas ao motor. O diagrama esquemático do circuito de potência do chopper de 4 quadrantes está mostrado na Figura 3.

Este chopper pode ser visualizado como a ligação de dois choppers de 2 quadrantes, um de cada lado da armadura. Assim, o funcionamento é semelhante ao do chopper de 2 quadrantes.

Para operação nos quadrantes I e II, mantém-se T4 em condução e comandam-se os transistores T1 e T2, respectivamente. O transistor T4 então conduzirá quando a corrente no motor for positiva (quadrante I), e o diodo D4 conduzirá quando a corrente no motor for negativa (quadrante II).

Para o funcionamento nos quadrantes III e IV, mantém-se T2 em condução e comandam-se os transistores T3 e T4, respectivamente. O transistor T2 então conduzirá quando a corrente no motor for negativa (quadrante III), e o diodo D2 conduzirá quando a corrente no motor for positiva (quadrante IV).

Questão 14)

Circuito 1 : Conversor abaixador-elevador de tensão ( Famoso BUCK-BOOST ) (não isolado)

-Neste conversor, a tensão de saída tem polaridade oposta à da tensão de entrada.

Quando T é ligado, transfere-se energia da fonte para o indutor.

O diodo não conduz e o capacitor alimenta a carga.

Quando T desliga, a continuidade da corrente do indutor se faz pela condução do diodo.

A energia armazenada em L é entregue ao capacitor e à carga.

Tanto a corrente de entrada quanto a de saída são descontínuas.

A tensão a ser suportada pelo diodo e pelo transistor é a soma das tensões de entrada e de saída, Vo+E.

Abaixo, as formas de onda nos modos de condução contínua:

(Formas de onda no indutor, diodo, corrente e tensão no Transistor).

Circuito 2: CONVERSOR FORWARD (isolado)

O conversor Forward é um conversor CC-CC com isolamento derivado do conversor Buck. A diferença básica é a presença do transformador de isolamento. A Figura 6 mostra o diagrama do circuito.

- CICLO DE TRABALHO:

Quando a chave está fechada, o diodo D1 fica diretamente polarizado e D2 reversamente polarizado. Assim a energia é transferida para a carga.

Quando a chave está aberta, o diodo D1 fica inversamente polarizado e D2 entra em condução devido à f.c.e.m. induzida pelo indutor.

Nota-se que o estágio de saída é idêntico ao do conversor Buck. A tensão de saída é dada por (modo contínuo):

O conversor Forward, assim como os demais conversores derivados do conversor Buck, possui corrente não pulsada na saída (modo contínuo), o que torna-o mais adequado a aplicações de elevada corrente de saída, em potências de até aproximadamente 250W. Além disso, seu transformador não necessita de tap central.

Circuito 3: CONVERSOR PUSH-PULL (isolado)

O conversor Push-Pull é também derivado do conversor Buck. Sua característica mais marcante é a utilização de um transformador com tap central no primário, onde o terminal positivo da fonte de

entrada é ligado. O diagrama do conversor está mostrado na Figura 8, acima.

- CICLO DE TRABALHO:

As chaves T1 e T2 são controladas uma de cada vez, existindo um intervalo de tempo ∆ no qual nenhuma das duas conduz.

Os diodos D1 e D2 retificam a tensão induzida no enrolamento secundário.

A configuração tipo tap central tem como vantagem a presença de somente um semicondutor em série com a corrente de cada vez, reduzindo as perdas por condução, tanto no primário quanto no secundário (na configuração em ponte dois semicondutores conduzem simultaneamente a corrente).

Quando T1 conduz, D1 fica diretamente polarizado, e a corrente no indutor de filtro cresce.

T1 é bloqueado e antes de T2 ser acionado decorre um intervalo de tempo ∆. Durante esse intervalo onde ambas as chaves ficam desligadas, ocorre a etapa de roda livre da corrente iL do indutor através do enrolamento secundário e dos diodos D1 e D2. Cada diodo conduz portanto aproximadamente metade da corrente de carga. Essa etapa é interrompida pela entrada em condução de T2, levando D1 ao bloqueio. No modo contínuo, a tensão de saída é dada por:

A Figura 9, abaixo, ilustra as principais formas de onda do circuito.

(tensão na carga – Transferência)

Circuito 4: CONVERSOR BUCK (não isolado)

Neste conversor a tensão de saída é sempre inferior à tensão de entrada.

- CICLO DE TRABALHO:

A função do indutor e do capacitor do circuito é constituir um filtro passa baixas para atenuar as oscilações de alta frequência resultantes do chaveamento.

O diodo estabelece um caminho de retorno da corrente do indutor quando a chave está aberta (como o indutor funciona como uma "inércia" para a corrente, deve sempre haver um caminho para o escoamento de seu corrente, caso contrário, elevados picos de tensão seriam por ele gerados, o que danificaria os demais componentes do circuito).

- A seguir são mostradas as etapas e a equação de saída do conversor para o regime contínuo:

ETAPA ON – Chave FECHADA: O diodo fica inversamente polarizado, e a corrente no indutor cresce linearmente com inclinação (Vd-Vo)/L. O capacitor, o indutor e a carga recebem energia da fonte de entrada Vd.

ETAPA OFF – Chave ABERTA: A corrente do indutor é mantida através do diodo. O indutor se descarrega auxiliando o capacitor a manter a tensão na carga.

Circuito 5: CONVERSOR BOOST (Step-Up)

Neste conversor, a tensão de saída é sempre maior do que a tensão de entrada. Como pode ser observado nas etapas de funcionamento(CICLO DE TRABALHO), o indutor fica em série com a fonte de entrada, e sua tensão induzida soma-se à tensão da fonte de entrada quando a chave se abre.

A seguir são mostradas as etapas e a equação de transferência do conversor para o regime contínuo de funcionamento.

- CICLO DE TRABALHO:

ETAPA ON: Chave FECHADA: O diodo fica inversamente polarizado, e a corrente no indutor cresce linearmente com inclinação Vd/L. O capacitor mantém a tensão na carga.

ETAPA OFF: Chave ABERTA: Quando a chave abre, para manter a continuidade da corrente, o indutor gera uma f.c.e.m. que polariza diretamente o diodo. A energia do indutor é transferida para a carga. A tensão no indutor fica em série com a tensão da fonte Vd, e a tensão Vo fica maior do que

Vd.

Circuito 6: CONVERSOR HALF BRIDGE ( meia ponte)

Os capacitores C1 e C2 formam um divisor de tensão, fixando o potencial no ponto comum a ambos em Vd /2. Nesse conversor, que também é derivado do conversor Buck, as chaves ficam submetidas a um valor de tensão igual a Vd:

Vsw = Vd

Entretanto, apenas Vd /2 é aplicado ao primário do transformador. A presença dos capacitores evita a saturação do transformador, pois um possível nível CC na tensão aplicada ao primário é por eles bloqueado. O transformador opera nos quadrantes I e III da curva de magnetização, sendo aplicadas tensões positivas e negativas em seu enrolamento primário.

- CICLO DE TRABALHO:

O funcionamento é similar ao do conversor Push-Pull: somente uma chave é acionada de cada vez, existindo um intervalo de tempo ∆ onde ambas as chaves ficam desligadas.

Quando T1 conduz, +Vd /2 é aplicado ao primário do transformador, D1 conduz e a corrente no indutor cresce. Quando T1 bloqueia, os diodos D1 e D2 conduzem a corrente de carga (forçada pelo indutor) que decresce através do enrolamento secundário, durante o intervalo ∆. Quando T2 é ligado, fazendo com que -Vd /2 seja aplicado ao primário, D1 bloqueia e a corrente no indutor cresce através de D1.

Os diodos em anti-paralelo com as chaves servem para conduzir a corrente das indutâncias de dispersão do transformador, não consideradas na análise. No modo contínuo, a tensão de saída é dada por:

(Tensão de Transferência pra CARGA; onde 0 < D < 0.5)

Circuito 6: CONVERSOR FULL-BRIDGE (PONTE COMPLETA)

O conversor Full-Bridge (Figura 17) é o que é capaz de trabalhar nos níveis mais altos de potência (acima de 1kW), mas também é o mais complicado, utilizando quatro chaves controladas (transistores). As chaves ficam submetidas no máximo à tensão de entrada Vd (caso ideal)

Vsw = Vd

O mesmo problema do conversor Push-Pull ocorre: a possibilidade da saturação do núcleo do transformador devido a pequenas diferenças entre as quedas de tensão nas chaves e tempos de

condução. Por isso, é necessário utilizar um método de evitar a saturação: normalmente utiliza-se um capacitor de alto valor em série com o primário para bloquear o nível CC, ou utiliza-se o controle

no modo corrente, onde a amplitude da corrente no primário é monitorada.

A Figura 18 mostra as formas de onda nos principais pontos do circuito. O funcionamento do conversor é similar ao dos conversores PushPull e Half-Bridge.

-CICLO DE TRABALHO:

As chaves são acionadas em grupo de duas: T1/T2 e T3/T4, existindo um intervalo de tempo ∆ onde nenhuma chave é acionada.

Quando T1/T4 conduzem, +Vd é aplicado ao primário do transformador, D1 conduz e a corrente no indutor cresce.

Quando T1/T2 bloqueiam, os diodos D1 e D2 conduzem a corrente de carga (forçada pelo indutor) que decresce através do enrolamento secundário, durante o intervalo ∆.

T3/T4 são ligadas, fazendo com que -Vd seja aplicado ao primário, D1 bloqueia e a corrente no indutor cresce através de D1.

Os diodos em anti-paralelo com as chaves servem para conduzir a corrente das indutâncias de dispersão do transformador, não consideradas na análise.

Questão 15)

(Gradador Monofásico com Tiristores em Antiparalelo)

Os gradadores são conversores estáticos destinados a variar o valor eficaz de uma tensão alternada. Caracterizam-se por colocarem a carga em contato direto com a fonte, sem tratamento intermediário de energia. São utilizados em controle de: intensidade luminosa, temperatura, velocidade e limitação de corrente de partida de motores de indução.

Na figura abaixo é apresentado a forma de onda de saída quando o gradador monofásico é submetido a uma carga resistiva-pura de 75, simulado no PSPICE.

Questão 17) Variadores de tensão trifásicos em Y

A figura a seguir mostra diferentes possibilidades de conexões de variadores de tensão e cargas trifásicas:

Nos casos em que a conexão é em Y, se o neutro (N) estiver conectado, cada fase comporta-se como no caso monofásico apresentado anteriormente. Em situações em que o neutro não estiver ligado, podem ocorrer 2 casos:

a) Conduzem todas as 3 fases A corrente em cada fase é dada pela relação entre a tensão de cada fase e a respectiva resistência da carga.

b) Conduzem apenas 2 fasesA corrente presente nas fases em condução é dada pela relação entre a tensão de linha e a associação em série das cargas das respectivas fases. Para um ângulo de disparo entre 0º e 60o , medidos, em cada fase, em relação ao início do semiciclo da tensão fase-neutro, tem-se a situação indicada na figura 20 (para um ângulo de disparo de 42° ), ou seja, condução simultânea de 2 ou 3 tiristores. Para um ângulo entre 60° e 90° , apenas 2 tiristores conduzem, cada um deles por um intervalo contínuo de 120° . Para ângulos entre 90° e 150°, conduzem 2 tiristores, mas existe um intervalo em que a corrente se anula, como mostra a figura 21 para um ângulo de 108°

Para tensões de linha com amplitude Vi, as tensões eficazes em cada fase da carga, para cada intervalo são:

Questão 18) Variadores de tensão trifásicos em Δ

Questão 19) CICLO-Conversores: Mono e Trifásico com carga R:

O que são CicloConversores

O cicloconversor é destinado a converter uma determinada frequência numa frequência inferior, sem passagem por estágio intermediário de corrente contínua. A conversão de uma frequência em outra é, portanto direta. Os empregos mais difundidos dos cicloconversores são os seguintes:

a) Acionamento de motores de corrente alternada. A partir da frequência fixa da rede, obtém-se uma frequência variável que ao ser aplicada a um motor de indução ou síncrono permite a variação da velocidade.

b) Produção de frequência constante a partir de um alternador de velocidade variável. Nessa função o cicloconversor é muito difundido em aeronaves

Questão 23)

Os tiristores permanecem fechados durante 0,4s e abertos durante 0,6s. Considera-se:Vac = 220V, ω = 377 rad/s e R = 10Ω. Determinar:

a) a corrente eficaz no resistor R;b) a corrente eficaz em um tiristor;c) a corrente media em um tiristor;d) a potencia dissipada no resistor R.