O RETIFICADOR NÃO CONTROLADO MONOFÁSICO DE MEIA ONDA

RETIFICADOR NÃO CONTROLADO MONOFÁSICO DE MEIA ONDA

Paulo Eduardo Coelho de Castro / 2016000598

Clodualdo Venicio de Sousa / Frederico Ferreira Viana Matos

1. Introdução

Um circuito retificador converte tensão alternada em tensão contínua com o objetivo de compatibilizar uma fonte c.a com uma determinada carga c.c. Utiliza-se para esse processo de conversão elementos semicondutores de potência, tais como os diodos e tiristores. Em outras palavras, trata-se de um dispositivo que permite que uma tensão, ou corrente alternada (c.a) seja transformada em contínua pulsada (c.c).

A Figura 1 apresenta o diagrama em bloco de um retificador não controlado monofásico de meia onda. O presente relatório tem como objetivo avaliar através de resultados simulados e experimentais o comportamento deste retificador alimentando uma carga R ou uma carga RL.

Quando a carga é puramente resistiva durante o semiciclo positivo da tensão da rede o diodo vai estar diretamente polarizado e vai conduzir, entregando tensão à carga. Durante o semiciclo negativo o diodo vai estar reversamente polarizado e não vai conduzir não entregando tensão a carga. A corrente está em fase com a tensão e terá comportamento similar. A tensão média entregue a carga é dada pela integral apresentada na equação 1 e a corrente média é calculada em função da tensão média entregue a carga e o valor da resistência conforme equação 2.

[pic 1]

Figura 1 - Diagrama em bloco do retificador não controlado monofásico de meia onda alimentando uma carga R.

                                                        (1[pic 2]

                                                                                (2[pic 3]

 Quando a carga possui uma parcela indutiva, a corrente cresce atrasada em relação à tensão de maneira que, quando a tensão da fonte c.a passa por zero (ωt=180º), ainda há corrente no circuito. Verifica-se que a força contra eletromotriz gerada pelo indutor mantém o diodo polarizado mesmo após a tensão da rede ter ficado negativa.

Como a corrente se extingue após a tensão da fonte c.a ter ficado negativa, surge na saída do retificador uma parcela de tensão negativa. O diodo vai cortar quando a energia armazenada no indutor se esgotar, ou seja, quando a corrente no mesmo chega à zero em ωt=β onde β e ângulo de esticão e pode ser encontrado através do Ábaco de Puschlowski. A tensão média entregue a carga é dada pela integral apresentada na equação 3 e a corrente média é calculada em função da tensão média entregue a carga e o valor da resistência conforme equação 4.

                                                        (3[pic 4]

                                                                                (4[pic 5]

Para cancelar a tensão de saída negativa entregue a carga RL instala-se em antiparalelo com a mesma um diodo de roda livre como apresentado na Figura 2. O funcionamento do circuito passa a ser descrito como:

• ωt  entre 0 e π – o diodo principal conduz a corrente de carga. A tensão da fonte CA é positiva;
• ωt  entre π e β -  o diodo de roda livre entra em condução no instante em que a tensão na carga tende a ficar negativa, isto é, em ωt = π.

Em resumo em ωt = π, o diodo principal entra em corte, e o diodo de roda livre promove um caminho para que o indutor se descarregue. A corrente de carga passa a ser a somatório da corrente no diodo principal mais a corrente no diodo de roda livre. A tensão e a corrente média na carga voltam a ser calculadas através das equações 1 e 2. A duração da descarga do indutor através do diodo de roda livre depende da constante de tempo τ do circuito RL, dada pela expressão τ = L/R. Após cinco constantes de tempo, aproximadamente, a corrente se anula e o diodo de roda livre se bloqueia.

[pic 6]

Figura 2 - Diagrama em bloco do retificador não controlado monofásico de meia onda com diodo de roda livre alimentando uma carga RL.

1. Análise operacional do conversor

1. Operação com carga R

A Figura 3 apresenta a tensão na rede de alimentação do conversor e a tensão e corrente na carga resistiva obtida durante os testes experimentais. Durante o semiciclo positivo da tensão da rede o diodo está diretamente polarizado e o mesmo é entregue a carga. Durante o semiciclo negativo o diodo está reversamente polarizado não tendo tensão na carga. A carga é puramente resistiva desta forma a tensão e a corrente estão em fase. Utilizando o osciloscópio foi verificado que a tensão média na carga é 61,7V e a corrente média aproximadamente 520mA.

[pic 7]

Figura 3 – a) Tensão na rede, tensão e corrente retificada na carga puramente resistiva b) tensão e corrente retificada na carga puramente resistiva.

A Figura 4 apresenta os mesmos resultados, entretanto obtidos através de ferramentas computacionais.  Observa-se que os resultados são similares aos apresentados anteriormente. Na Figura 5 são apresentados os valores médios da tensão e da corrente. Observa-se que o valor medido da tensão é de aproximadamente 60V e a corrente 420mA. As diferenças nas medições estão associadas à calibração das pontas de corrente e tensão e a precisão do equipamento utilizado na medição. Informa-se que na figura a corrente está sendo multiplicada por um fator de 20 para fins de visualização.

[pic 8]

Figura 4 - a) Tensão na rede, tensão e corrente retificada na carga resistiva b) tensão e corrente retificada na carga resistiva.

[pic 9]

Figura 5 - Tensão e corrente média entregue a carga.

Através das equações 5 e 6 é possível calcular o valor médio da tensão e da corrente na carga para validar os valores anteriormente apresentados. O valor da tensão média na carga é de 57,32V e a corrente de 410mA. Observa-se que os valores calculados estão muito próximos dos valores obtidos através da ferramenta computacional.

                                                                (5[pic 10]

                                                                (6[pic 11]

Na Figura 6 são apresentadas a tensão e corrente no diodo principal e a tensão e corrente na rede de alimentação. Observa-se que o diodo opera como chave, ou seja, hora tem tensão hora tem corrente. A tensão monitorada no diodo é sempre negativa e a corrente de anodo para catodo é sempre positiva. A rede está alimentando o retificador com uma tensão senoidal fase neutro de 132Vrms. Entretanto, a carga está impondo uma corrente diferente de uma senoide. Na Figura 7 são apresentados os resultados obtidos através de ferramentas computacionais. Verifica-se comportamento similar aos comentados anteriormente.