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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CENTRO TECNOLÓGICO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
LAMARTINI MARTINS DE FARIA
ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UMA CARGA ELETRÔNICA
REGENERATIVA, BASEADA EM INVERSOR NÃO−AUTÔNOMO,
APLICADA A EQUIPAMENTO CA
VITÓRIA
2006
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LAMARTINI MARTINS DE FARIA
ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UMA CARGA ELETRÔNICA
REGENERATIVA, BASEADA EM INVERSOR NÃO−AUTÔNOMO,
APLICADA A EQUIPAMENTO CA
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Elétrica do Centro
Tecnológico da Universidade Federal do Espírito
Santo, como requisito parcial para obtenção do
Grau de Mestre em Engenharia Elétrica, na área
de concentração em Automação.
Orientador: Prof. Dr. Wilson Corrêa Pinto de A-
ragão Filho.
VITÓRIA
2006
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Dados Internacionais de Catalogação-na-publicação (CIP)
(Biblioteca Central da Universidade Federal do Espírito Santo, ES, Brasil)
Faria, Lamartini Martins de, 1979-
F224e Estudo e desenvolvimento de uma carga eletrônica regenerativa, ba-
seada em inversor não-autônomo, aplicada a equipamento CA / Lamartini
Martins de Faria. – 2006.
88 f. : il.
Orientador: Wilson Corrêa Pinto de Aragão Filho.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Espírito Santo,
Centro Tecnológico.
1. Eletrônica de potência. 2. Energia elétrica –Transmissão – Corrente
contínua. 3. Conversores a tiristor. 4. Conversores de corrente elétrica. 5.
Engenharia elétrica. I. Aragão Filho, Wilson Corrêa Pinto de. II.
Universidade Federal do Espírito Santo. Centro Tecnológico. III. Título.
CDU: 621.3
LAMARTINI MARTINS DE FARIA
ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UMA CARGA ELETRÔNICA
REGENERATIVA, BASEADA EM INVERSOR NÃO−AUTÔNOMO,
APLICADA A EQUIPAMENTO CA
Dissertação submetida ao programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica do Centro
Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, como requisição parcial para a ob-
tenção do Grau de Mestre em Engenharia Elétrica - Automação.
Aprovada em 20 de dezembro de 2006.
COMISSÃO EXAMINADORA
Prof. Dr. Wilson Corrêa Pinto de Aragão Filho
Universidade Federal do Espírito Santo
Orientador
Prof. Dr. Domingos Sávio Lyrio Simonetti
Universidade Federal do Espírito Santo
Prof. Dr. Márcio de Almeida Có
Centro Federal de Ensino Tecnológico do Espírito Santo
DEDICATÓRIA
Em primeiro lugar, a Deus, que tudo isso criou e nos deu a sabedoria necessária para
entender parte de sua criação.
À minha esposa Leila, pela paciência, amor, incentivo, confiança, tranquilidade e
carinho que sempre dedicou a mim, especialmente nos momentos mais difíceis.
Por último, mas não menos importante, à minha família, que sempre me apoiou em
minhas decisões e me fez acreditar que era capaz de realizar meus sonhos.
AGRADECIMENTOS
Aos meus amigos e companheiros, especialmente aqueles que partilharam comigo
minhas experiências no Laboratório de Eletrônica de Potência e Acionamentos – LEPAC, em
especial, Renato Orletti e Carlos Alberto Sarcinelli.
Aos professor Wilson Correia Pinto de Aragão Filho, pela orientação deste trabalho e
pela paciência e compreensão durante toda a minha pós-graduação.
Aos demais professores do LEPAC, que direta ou indiretamente contribuíram para o
desenvolvimento do meu trabalho.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Cargas eletrônicas comerciais.................................................................................18
Figura 1.2 Vista do painel frontal da carga eletrônica Sorensen modelo SLM........................19
Figura 1.3 Ligação entre a carga eletrônica Sorensen e o equipamento sob teste....................20
Figura 1.4 Curva tensão versus corrente da carga eletrônica Sorensen....................................20
Figura 1.5 Vista frontal da carga eletrônica Chroma modelo 63800........................................21
Figura 1.6 Formas de onda obtidas na entrada da carga eletrônica Chroma............................21
Figura 1.7 Curva tensão versus corrente da carga eletrônica Chroma. ....................................22
Figura 1.8 Carga eletrônica regenerativa baseada em conversor Cúk......................................23
Figura 1.9 Carga eletrônica baseada em carga ativa. ...............................................................24
Figura 1.10 Carga eletrônica CC regenerativa baseada em inversor não-autônomo................24
Figura 2.1 Arranjo geral da carga eletrônica proposta. ............................................................26
Figura 2.2 Circuito utilizado para estudo do retificador...........................................................27
Figura 2.3 Tensão e corrente em fase.......................................................................................28
Figura 2.4 Corrente atrasada em relação à tensão. ...................................................................29
Figura 2.5 Corrente adiantada em relação à tensão..................................................................30
Figura 2.6 Conversor em ponte completa, tiristorizado; (a) operando como retificador; (b)
operando como inversor não-autônomo. ..........................................................................31
Figura 2.7 CERE-CC................................................................................................................32
Figura 2.8 CERE-CA................................................................................................................33
Figura 2.9 Fluxo de potência na CERE-CA. ............................................................................37
Figura 2.10 Diagrama fasorial de tensão e corrente no módulo retificador. ............................38
Figura 2.11 Diagrama fasorial de tensão e corrente no módulo inversor.................................39
Figura 3.1 Esquema do circuito do módulo retificador............................................................43
Figura 3.2 Esquema do circuito do módulo inversor. ..............................................................44
Figura 3.3 Esquema do circuito de comando dos conversores.................................................46
Figura 3.4 Curto circuito na falta de isolamento entre as fontes..............................................47
Figura 3.5 Funcionamento em regime com transformadores de isolamento............................47
Figura 3.6 Circuito de força da CERE-CA...............................................................................49
Figura 3.7 Circuito de comando dos conversores. ...................................................................50
Figura 3.8 Circuito equivalente considerando ao efeito da indutância de comutação .............51
Figura 3.9 Formas de onda para α = 52° e β = 52°, V
CA,I
= 49V. ............................................53
Figura 3.10 Formas de onda para α = 52° e β = 52°, V
CA,I
= 47,5V. .......................................53
Figura 3.11 Formas de onda para α = 0° e β = 69°; V
CA,I
= 49V. ............................................54
Figura 3.12 Formas de onda para α = 0° e β = 69°; V
CA,I
= 47,5V. .........................................54
Figura 4.1 Etapas de funcionamento da CERE-CC..................................................................57
Figura 4.2 Etapas de funcionamento da CERE-CA. ................................................................57
Figura 4.3 Tensão e corrente CA no retificador.......................................................................61
Figura 4.4 Tensão e corrente CC no retificador. ......................................................................61
Figura 4.5 Tensão instantânea e corrente CC no indutor. ........................................................62
Figura 4.6 Tensão e corrente CC no inversor...........................................................................62
Figura 4.7 Tensão e corrente CA no inversor...........................................................................63
Figura 4.8 Tensão e corrente CA no retificador.......................................................................64
Figura 4.9 Tensão e corrente CA no inversor...........................................................................65
Figura 4.10 Tensão e corrente CA no retificador.....................................................................66
Figura 4.11 Tensões real e ideal (tracejada), e corrente CA no retificador..............................67
Figura 4.12 Tensão e corrente CA no inversor.........................................................................67
Figura 4.13 Tensão e corrente CA no retificador.....................................................................68
Figura 4.14 Tensões real e ideal (tracejada), e corrente CA no retificador..............................69
Figura 4.15 Tensão e corrente CA no inversor.........................................................................69
A 1 Tensão e corrente CA no retificador..................................................................................78
A 2 Tensão e corrente CC no retificador..................................................................................78
A 3 Tensão instantânea e corrente CC no indutor....................................................................79
A 4 Tensão e corrente CC no inversor. ....................................................................................79
A 5 Tensão e corrente CA no inversor. ....................................................................................80
A 6 Tensão e corrente CA no retificador..................................................................................80
A 7 Tensão e corrente CC no retificador..................................................................................81
A 8 Tensão instantânea e corrente CC no indutor....................................................................81
A 9 Tensão e corrente CC no inversor. ....................................................................................82
A 10 Tensão e corrente CA no inversor. ..................................................................................82
A 11 Tensão e corrente CA no retificador................................................................................83
A 12 Tensão e corrente CC no retificador................................................................................83
A 13 Tensão instantânea e corrente CC no indutor..................................................................84
A 14 Tensão e corrente CC no inversor. ..................................................................................84
A 15 Tensão e corrente CA no inversor. ..................................................................................85
A 16 Tensão e corrente CA no retificador................................................................................85
A 17 Tensão e corrente CC no retificador................................................................................86
A 18 Tensão e corrente CC no indutor.....................................................................................86
A 19 Tensão e corrente CC no inversor. ..................................................................................87
A 20 Tensão e corrente CA no inversor. ..................................................................................87
LISTA DE SÍMBOLOS
π
π≅3,14 (dimensão em radiano)
θ
θ=ωt (dimensão em radiano)
α
Ângulo de atraso no disparo dos tiristores − 0≤α≤180º (dimensão em grau ou
radiano)
β
Ângulo de avanço no disparo dos tiristores β=180°−α (dimensão em grau ou
radiano)
φ
Ângulo de defasagem entre a tensão e corrente fundamental (dimensão em
grau ou radiano)
ω
Freqüência angular do sistema elétrico − ω=2πf (dimensão em radiano por
segundo)
Δi Variação de corrente sobre o indutor (dimensão em Ampère)
Δi
d
Diferença entre o valor máximo (pico) e mínimo (vale) da corrente sobre o
indutor de filtro CC (dimensão em Ampère)
Δt Variação de tempo (dimensão em segundo)
C Capacitância (dimensão em Farad)
C
D
Capacitância de carga e descarga do circuito astável (dimensão em Farad)
C
f
Capacitância de filtro CA (dimensão em Farad)
cosφ
1
Fator de deslocamento entre tensão e corrente fundamental (adimensional)
C
s
Capacitância do snubber (dimensão em Farad)
di/dt Variação de corrente em um intervalo de tempo (dimensão em Ampère por
segundo)
D
aux
Disjuntor auxiliar
D
RB
Diodo do circuito astável
dv/dt Variação de tensão e um intervalo de tempo (dimensão em Volt por segundo)
f Freqüência (dimensão em Hertz)
f
osc
Freqüência de oscilação do circuito astável (dimensão em Hertz)
i
CA,I
Corrente CA instantânea no inversor (dimensão em Ampère)
i
CA,R
Corrente CA instantânea no retificador (dimensão em Ampère)
I
CA,R
Fundamental da corrente CA no retificador (dimensão em Ampère)
I
at
, I
re
Correntes rms ativa e reativa (dimensão em Ampère)
i
d,
I
d
Correntes rms e média, respectivamente, na linha CC (dimensão em Ampère)
I
REF
Corrente de referência na linha CC (dimensão em Ampère)
L Indutor de filtro CC da carga eletrônica regenerativa (dimensão em Henrie)
L
C
Indutância de comutação (dimensão em Henrie)
MCC Modo corrente constante
MCP Modo potência constante
MCR Modo carga constante
P Potência ativa
P
R
Potência ativa drenada da fonte CA ou fornecida pelo equipamento sob teste
(dimensão em Watt)
P
I
Potência ativa devolvida à da fonte CA (dimensão em Watt)
Q
R
, Q
I
Potências reativas devido à corrente fundamental drenadas pelo retificador e
inversor, respectivamente (dimensão em Volt-Ampère reativo)
R
aux
Reostato auxiliar
R
A
, R
B
Resistências ôhmicas do circuito astável (dimensão em ôhm)
R
C
Potenciômetro de controle
R
L
Resistência interna do indutor (dimensão em ôhm)
R
s
Resistência ôhmica do snubber (dimensão em ôhm)
S
R
, S
I
Potências aparente do retificador e inversor, respectivamente (dimensão em
Volt-Ampère)
T Período (dimensão em segundo)
t Tempo (dimensão em segundo)
v
CA
Tensão instantânea da rede de alimentação CA
v
CA, I
Tensão instantânea CA no inversor (dimensão em Volt)
v
CA, I, rms
Tensão RMS CA no inversor (dimensão em Volt)
V
CA,I
Tensão média CA no inversor (dimensão em Volt)
v
CA, R
Tensão instantânea CA no retificador (dimensão em Volt)
v
CA, R, rms
Tensão RMS CA no retificador (dimensão em Volt)
V
CA,R
Tensão média CA no retificador (dimensão em Volt)
v
d,
V
d
Tensões rms e média, respectivamente, na saída do conversor (dimensão em
Volt)
V
R
, V
I
Tensões médias de saída do retificador e inversor, respectivamente (dimensão
em Volt)
v
L
Tensão rms sobre o indutor de filtro da linha CC (dimensão em Volt)
V
thy
Queda de tensão sobre um tiristor durante a condução (dimensão em Volt)
LISTA DE ABREVIATURAS
CA Corrente Alternada
CC Corrente Contínua
CCAT Sistema de transmissão em Corrente Contínua em Alta Tensão
CERE Carga Eletrônica Regenerativa
fp Fator de Potência
G Gate do tiristor
HVDC “High Voltage, Direct Current”
IGBT “Isolated Gate Bipolar Transistor”
Kt Catodo do tiristor
pu Por Unidade
RMS
Root Mean Square −
[]
∫
−
=
T
T
2
rms
dt)t(
T
1
)t( ff
T
1
, T
2
, T
3
, T
4
Tiristores da carga eletrônica regenerativa
TDH Taxa de Distorção Harmônica – compara uma forma de onda qualquer a
uma senóide
UPS
“Uninterruptible Power Supply” – fonte de energia através de baterias e
circuitos eletrônicos
SUMÁRIO
RESUMO.......................................................................................... 15
ABSTRACT...................................................................................... 16
1 INTRODUÇÃO GERAL ......................................................... 17
1.1 VISÃO INICIAL ........................................................................................................17
1.2 CARGAS ELETRÔNICAS ENCONTRADAS NO MERCADO .............................................18
1.3 ESTUDO DE ALTERNATIVAS REGENERATIVAS MONOFÁSICAS..................................22
2 ESTUDO DOS CONVERSORES ........................................... 26
2.1 INTRODUÇÃO ..........................................................................................................26
2.2 O MÓDULO RETIFICADOR E SEUS POSSÍVEIS MODOS DE FUNCIONAMENTO...............26
2.2.1 Modo 1: Tensão e corrente em fase...........................................................28
2.2.2 Modo 2: Corrente atrasada em relação à tensão......................................28
2.2.3 Modo 3: Corrente adiantada em relação à tensão....................................29
2.3 O BARRAMENTO CC ...............................................................................................30
2.4 O MÓDULO INVERSOR .............................................................................................31
2.5 O USO DA CERE.....................................................................................................32
2.6 O CONTROLE DO FLUXO DE POTÊNCIA.....................................................................33
2.6.1 Controle de V
I
............................................................................................33
2.6.2 Controle de V
R
...........................................................................................34
2.7 EQUAÇÕES DA CARGA ELETRÔNICA CA..................................................................35
2.8 POTÊNCIAS NA CERE.............................................................................................36
2.8.1 Potências no retificador.............................................................................37
2.8.2 Potências no inversor ................................................................................38
3 A CERE DESENVOLVIDA .................................................... 42
3.1 INTRODUÇÃO ..........................................................................................................42
3.2 CIRCUITO CONVERSOR TIRISTORIZADO ...................................................................42
3.3 CIRCUITO DE COMANDO DA CERE .........................................................................44
3.4 O INDUTOR DE FILTRO ............................................................................................46
3.5 O TRANSFORMADOR DE ACOPLAMENTO..................................................................46
3.6 A INDUTÂNCIA DE COMUTAÇÃO (L
C
)......................................................................51
4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS....................................... 56
4.1 CONDIÇÕES PARA A ENTRADA EM FUNCIONAMENTO ..............................................56
4.2 DETERMINAÇÃO DA INDUTÂNCIA DE COMUTAÇÃO .................................................58
4.3 TESTES PARA CERE-CA FUNCIONANDO COMO CARGA INDUTIVA..........................59
4.3.1 Carga leve..................................................................................................59
4.3.2 Carga pesada............................................................................................. 63
4.4 T
ESTES PARA CERE-CA FUNCIONANDO COMO CARGA RESISTIVA .........................65
4.4.1 Carga leve..................................................................................................65
4.4.2 Carga pesada............................................................................................. 68
5 CONCLUSÃO........................................................................... 71
5.1 INTRODUÇÃO ..........................................................................................................71
5.2 CARGAS ELETRÔNICAS E RESISTIVAS.....................................................................72
5.3 ESTUDO DOS CONVERSORES ...................................................................................72
5.4 A CERE DESENVOLVIDA ........................................................................................73
5.5 R
ESULTADOS EXPERIMENTAIS ................................................................................73
5.6 MELHORIAS A SEREM FEITAS ..................................................................................74
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................... 76
ANEXO A......................................................................................... 78
GLOSSÁRIO.................................................................................... 88
RESUMO
Apresenta-se nesse estudo uma nova proposta de carga eletrônica regenerativa (CE-
RE) para testes em equipamentos elétricos que permite que laboratórios de eletrônica de po-
tência realizem ensaios com baixas perdas de energia; nesse caso, o fluxo de potência forneci-
da pelo equipamento em teste é dirigido quase que totalmente de volta para a rede elétrica,
minimizando a dissipação de energia por efeito Joule, diferente do que acontece com o uso de
resistores ou cargas eletrônicas convencionais. Do ponto de vista técnico, tais ensaios poderão
ter suas características variadas segundo a necessidade de análise do equipamento sob teste,
permitindo submetê-os a diferentes condições de funcionamento.
O objetivo do protótipo da CERE-CA aqui desenvolvida é apenas comprovar os re-
sultados teóricos e de simulação apresentados na dissertação. Neste primeiro momento, não
haverá preocupação com a qualidade da energia que é regenerada para a rede CA, e nem com
a precisão do controle do fluxo de corrente drenado da fonte CA. Estas e outras melhorias
deverão ser implantadas em pesquisas futuras nessa área de eletrônica de potência.
ABSTRACT
A new proposal for regenerative electronic load testing is presented for experimenta-
tion of electronic power circuits. It must allow laboratory experimentation of electronic power
circuits with minimal loss of energy; the amount of power provided by the equipment under
test is almost totally returned to the mains, reducing the energy loss due to Joule effect, oppo-
site to the use of resistors or conventional electronic loads. The characteristics of the test can
be changed, subjecting the equipment to different operating conditions.
The purpose of the CERE-CA prototype developed is only to confirm the theory and
simulations results presented. This work doesn’t give emphasis to the quality of the energy
returned to the mains, neither to the control of the flow of power from the mains. These and
other relieves must be developed in future researches of power electronics.
1 INTRODUÇÃO GERAL
1.1 Visão Inicial
O uso de equipamentos para a realização de testes de “burn-in” é algo bem difundido a-
tualmente, não somente para comprovar a eficiência, mas também a confiabilidade do disposi-
tivo sob teste. O teste de “burn-in” consiste em drenar do equipamento sob teste potência du-
rante um intervalo de tempo, que pode durar até 72 horas. Dessa forma, são ensaiados equi-
pamentos como fontes de alimentação, “no-breaks”, UPS, entre outros, utilizando os mais
diversos meios possíveis, e emulando os possíveis modos de funcionamento de cada um dos
dispositivos citados. Cabe ressaltar que potência aplicada durante certo intervalo de tempo é
energia, que tem um custo e deve ser analisada quanto à viabilidade de aplicação.
Um dos meios mais simples e utilizados para a realização desse tipo de teste é o empre-
go de bancos de resistores. Esse método é razoavelmente eficiente do ponto de vista do pró-
prio teste, mas não o é se analisado em relação à eficiência energética. Isso porque o resistor é
uma carga dissipativa, na qual toda a energia por ele recebida é transformada em energia tér-
mica e liberada para o ambiente sob a forma de calor. Assim, não apenas a energia transfor-
mada em calor é gasta nesse processo, mas também uma outra parcela de energia é utilizada
na eliminação desse calor gerado pelos bancos de resistores. Economicamente, tal solução é
dispendiosa, uma vez que a utilização do circuito se torna altamente custosa, visto que testes
de “burn-in” têm, normalmente, duração de 48 a 72 horas. Do ponto de vista operacional, a
variação de carga não apresenta linearidade devido à variação dos valores de resistência, além
de problemas de chaveamento, principalmente quando se observa o aparecimento do efeito
“De Bounce”. Isso não é desejável do ponto de vista técnico, uma vez que durante esse fe-
chamento de chaves há picos de corrente, prejudicando a simulação dinâmica de uma carga
real, além de levar a um estresse do próprio circuito. Ainda há mais um inconveniente nesse
caso que é a utilização de apenas resistores, não oferecendo a possibilidade de emulação de
cargas indutivas ou capacitivas.
Introdução geral
18
Existem no mercado vários equipamentos desenvolvidos com base em tecnologia envol-
vendo circuitos eletrônicos para tal finalidade. Tais equipamentos, tanto para a utilização em
CA quanto em CC, se propõem a fornecer linearidade na variação da carga, bem como, em
alguns casos, variação do valor do fator de potência, trazendo maior veracidade na realização
de testes nos dispositivos já citados; nenhum deles, porém, é eficiente eletricamente, uma vez
que não retornam a energia elétrica consumida para a rede: são, ainda, equipamentos onerosos
ao usuário, tanto pelo custo inicial quanto pela operação. Na figura 1.1 são apresentados al-
guns desses dispositivos.
Figura 1.1 Cargas eletrônicas comerciais.
1.2 Cargas eletrônicas encontradas no mercado
As cargas eletrônicas encontradas atualmente, em sua maioria, ou são para corrente con-
tínua ou para corrente alternada, isoladamente. Cargas eletrônicas que permitem flexibilidade
de uso em um único equipamento, tanto para corrente contínua quanto para corrente alternada,
são difíceis de se encontrar, além de caras, uma vez que o preço das mesmas é de alguns mi-
lhares de dólares por unidade. Além disso, são cargas dissipativas, constituídas internamente
de bancos de resistores associados a indutores, capacitores e circuitos retificadores, juntamen-
te a circuitos de comando.
Alguns fabricantes atualmente fornecem ao consumidor desse tipo de equipamento al-
gumas opções que vão desde simples cargas resistivas até cargas eletrônicas, tanto para equi-
pamentos CA quanto CC, e, em alguns casos, cargas que podem operar em ambas as situa-
ções.
Introdução geral
19
Na Fig. 1.2 é mostrado o painel frontal de uma carga eletrônica CC/CA do fabricante
Sorensen [24], atualmente disponível no mercado, e algumas de suas características de opera-
ção são apresentadas a seguir.
Figura 1.2 Vista do painel frontal da carga eletrônica Sorensen modelo SLM.
Quando consumindo grandes correntes, utiliza-se um conector especial para uma lei-
tura mais precisa: uma amostra da tensão da fonte pode ser conectada a esse ponto, de modo a
desprezar a queda de tensão nos condutores, conforme mostra a Fig. 1.3.
Introdução geral
20
Figura 1.3 Ligação entre a carga eletrônica Sorensen e o equipamento sob teste.
Essa carga pode drenar até 300W de uma fonte supridora monofásica, com tensão
variando entre 0 e 500V e corrente entre 0 e 1A, conforme apresenta a Fig. 1.4. Sua operação
pode ser a corrente constante (MCC) ou a carga constante (MCR). Como desvantagem, não
oferece opções de variação de fator de potência ao operador.
Figura 1.4 Curva tensão versus corrente da carga eletrônica Sorensen.
Mais informações sobre essa carga eletrônica podem ser obtidas diretamente no site
do fabricante [24].
Curva de máxima
potência (300W)
Equipamento
sob teste
Carga eletrônica
Introdução geral
21
Outra carga também disponível é apresentada na Fig. 1.5 [23].
Figura 1.5 Vista frontal da carga eletrônica Chroma modelo 63800.
Como características de funcionamento, essa carga oferece:
- Operação a corrente constante (MCC), resistência constante (MCR) ou potência
constante (MCP);
- Operação com variável fator de potência (0 a 1,0, indutivo ou capacitivo) e fator de
crista (de 1,414 a 5,0);
- Medição de transitórios e regime permanente de respostas para tensão True RMS,
corrente True RMS, potência ativa, reativa e aparente, fator de crista, fator de potência e cor-
rente de pico, além de saída analógica para osciloscópio (caso exemplificado na Fig. 1.6).
Figura 1.6 Formas de onda obtidas na entrada da carga eletrônica Chroma.
Tensão
Corrente
Introdução geral
22
Essa carga monofásica tem potência máxima admitida de 4500VA, com correntes
variando entre 0 e 45A RMS (com pico de 135A), tensão variando de 50 a 350V RMS e fre-
qüência entre 45 e 70Hz, conforme apresentado na Fig 1.7.
Figura 1.7 Curva tensão versus corrente da carga eletrônica Chroma.
Tais aplicações são bem interessantes do ponto de vista de testes em circuitos, mas
não da eficiência energética. Mesmo apresentando flexibilidade quanto à emulação de situa-
ções reais de carga, toda a energia drenada da fonte é consumida internamente, gerando custo
para a realização desse tipo de teste (“burn-in”). Uma carga eletrônica que pudesse retornar à
rede a energia dela drenada, pelo menos em parte, seria muito útil, tendo em vista que o tem-
po de utilização dessas cargas em um teste de burn-in é bem longo, o que levará a um consu-
mo elevado de energia.
1.3 Estudo de alternativas regenerativas monofásicas
O desenvolvimento de alternativas regenerativas deve levar em consideração a existên-
cia de cargas CC e CA. Várias alternativas já foram propostas, utilizando diferentes topologi-
as de circuito e trazendo consigo vantagens e desvantagens.
Um método proposto consiste em utilizar um conversor do tipo Cúk para uso em labora-
tório [4]. Esse arranjo permite regeneração da energia absorvida com alta eficiência, retornan-
do corrente quase senoidal à rede elétrica. O rendimento comprovado desse arranjo é da or-
Introdução geral
23
dem de 95% de energia regenerada. Não oferece, porém, a possibilidade de variação no fator
de potência.
Figura 1.8 Carga eletrônica regenerativa baseada em conversor Cúk.
Outra alternativa seria a utilização de uma carga ativa [8], de forma que a energia entre-
gue pelo equipamento sob teste não retorne à rede, mas sim ao capacitor de entrada do módu-
lo de carga, conforme o arranjo apresentado na Fig. 1.9. Esse método é interessante do ponto
de vista econômico, uma vez que o rendimento do conjunto é de aproximadamente 70%, e
também quanto à versatilidade, uma vez que pode ser aplicado tanto a equipamentos com saí-
da CC quanto CA. Outra grande vantagem desse arranjo é a ausência do inversor e do filtro de
saída, o que reduz a complexidade do circuito. Como inconveniente, observa-se, que a cone-
xão desse módulo proposto exige conhecimento prévio para a ligação do mesmo ao capacitor
de entrada do equipamento sob teste, ao mesmo tempo em que é necessária a abertura da car-
caça do mesmo. Outro fato que também deve ser considerado é que a fase da carga não pode
ser controlada pelo usuário, o que restringe a veracidade do teste.
O princípio de operação das cargas ativas propostas pode ser descrito por dois estágios
de funcionamento, sendo:
- O primeiro estágio inicia quando a chave Sb é fechada. O estágio termina com a aber-
tura da chave Sb, que ocorre quando a corrente no indutor Lb alcança o valor da corrente de
referência, mais Δi
1
imposto pela histerese.
- O segundo estágio inicia quando Sb é aberta e o indutor Lb devolve energia para o ca-
pacitor de filtro de entrada. Este estágio termina quando Sb é fechada no momento em que i
Lb
fica menor que a corrente de referência, dando início ao primeiro estágio.
Equipamento
sob teste
Introdução geral
24
O fato da corrente no indutor Lb ser controlada por histerese simplifica a implementa-
ção e controle de corrente da carga ativa.
Figura 1.9 Carga eletrônica baseada em carga ativa.
Uma solução alternativa foi proposta utilizando a idéia de um elo CC, assim como
em sistemas de transmissão em alta tensão, corrente contínua (HVDC) [2].
O conceito é que o equipamento sob teste (Fig. 1.10) é conectado ao inversor, estan-
do este ligado à rede elétrica. O núcleo principal desse arranjo é o conversor em ponte com-
pleta, tecnologia já bastante conhecida e utilizada de maneira confiável e eficiente em vários
sistemas de transmissão elétrica em todo o mundo. Traz consigo também a simplicidade no
arranjo, onde tanto o módulo retificador quanto o módulo inversor são constituídos por quatro
chaves semicondutoras de potência (para o caso monofásico), semi ou totalmente controladas,
podendo ocorrer a comutação de forma autônoma ou não, dependendo do tipo de chave utili-
zada. A versatilidade desse arranjo é a utilização tanto em sistemas CC quanto CA, com alta
eficiência energética e controle total da carga, tanto em módulo quanto em fase, o que o torna
uma alternativa muito atraente para a utilização em testes de “burn-in”.
ICA,R
VCA,R
Rede CA
VCA,I
ICA,I
VIVR
Id
+
--
+
Módulo
retificador
Módulo
inversor
Barramento
CC
Equipamento
sob teste
Rede CA
Fluxo de potência
Figura 1.10 Carga eletrônica CC regenerativa baseada em inversor não-autônomo.
Introdução geral
25
Um dispositivo capaz de funcionar como carga eletrônica que devolva a energia dre-
nada à rede, que funcione tanto em CC quanto em CA, e que ofereça controle de suas grande-
zas mais importantes (tensão, corrente, fator de potência) é o objetivo desse estudo.
Propõe-se aqui um modelo monofásico baseado em dois circuitos conversores (retifi-
cador e inversor), constituídos de pontes monofásicas completas tiristorizadas, em ambos os
casos, interligados por um barramento CC. A potência drenada pelo retificador é entregue ao
inversor, que a retorna à rede elétrica, com baixas perdas devido às próprias características do
arranjo.
2 ESTUDO DOS CONVERSORES
2.1 Introdução
O núcleo de funcionamento desse projeto é baseado em dois conversores CA/CC,
ambos conceitualmente idênticos. Um estudo detalhado de cada um deles, ressaltando suas
características principais de funcionamento, suas equações e suas formas de onda, se faz ne-
cessário.
A carga eletrônica CA proposta conta de três componentes principais: módulo retifi-
cador, barramento CC e módulo inversor, conforme mostra a figura 2.1.
Fluxo de potência
Rede CA
Equipamento
sob teste
Barramento
CC
Módulo
inversor
Módulo
retificador
Figura 2.1 Arranjo geral da carga eletrônica proposta.
Em um primeiro momento, um estudo isolado de cada componente é apresentado, e
posteriormente somar-se-ão os efeitos dos mesmos quando juntos no circuito completo.
2.2 O módulo retificador e seus possíveis modos de funcionamento
Dependendo do tipo de chave semicondutora utilizada, é possível operar um circuito
retificador em três diferentes modos, apresentados a seguir. Nesse primeiro momento não será
discutido sobre as harmônicas de corrente que aparecem nesse tipo de circuito e a forma de
minimizar seus efeitos na rede elétrica.
Estudo dos conversores
27
As equações de potência ativa e reativa de um retificador monofásico de onda com-
pleta serão apresentadas posteriormente.
O circuito utilizado para as simulações, apresentado na Fig. 2.2, é constituído de um
retificador monofásico de onda completa, tendo como carga em sua saída um resistor e um
indutor, simulando uma fonte de corrente. Como a idéia principal da carga proposta é o prin-
cípio de funcionamento de um sistema HVDC real, suas características de operação são bas-
tante semelhantes; dessa forma, a corrente CA nesse estudo é quadrada. A análise de defasa-
mento entre a tensão e a corrente terá como referência as formas de onda de tensão e da fun-
damental da corrente. Nesse primeiro momento, apenas foram captadas formas de onda para
comprovação dos modos de funcionamento, sem a preocupação de quantificar as grandezas
envolvidas. Em todos os gráficos as formas de onda referem-se ao lado CA do retificador,
sendo V
CA,R
a tensão de entrada, i
CA,R
a corrente de entrada e sua fundamental, I
CA,R
. As com-
parações sobre defasamento são sempre entre a tensão V
CA,R
e a corrente I
CA,R
.
Figura 2.2 Circuito utilizado para estudo do retificador.
As simulações apresentadas a seguir foram obtidas com o controle de condução das
chaves. Para o modo resistivo, a chave é fechada exatamente quando a forma de onda de ten-
são passa por zero; para o modo indutivo, a chave é fechada após esse cruzamento por zero e
para o caso capacitivo, a chave é fechada antes da passagem da tensão por zero. Os tempos de
defasagem entre o cruzamento da tensão por zero e o fechamento das chaves foi convenien-
i
CA,R
v
CA,R
+
_
Estudo dos conversores
28
temente escolhido de forma a fornecer as formas de onda necessárias para a análise em cada
caso.
2.2.1 Modo 1: Tensão e corrente em fase
Nesse caso, que se assemelha às formas de onda de tensão e corrente obtidas em um
resistor, pode-se utilizar uma chave semicondutora do tipo diodo, tiristor ou IGBT. Nota-se
através da simulação que é possível emular o funcionamento de uma carga totalmente resisti-
va, com defasamento nulo entre as formas de onda de tensão e da fundamental da corrente e,
consequentemente, fator de potência unitário. Particularmente, é interessante utilizar um reti-
ficador não autônomo, visto que chaves do tipo diodo ou tiristor têm saída de condução im-
posta pela própria rede elétrica, através da forma de onda da tensão. Uma vez polarizadas re-
versamente, essas chaves tendem a extinguir a corrente que circula por elas. O uso de chaves
do tipo IGBT torna esse arranjo mais complexo do ponto de vista do controle de condução,
uma vez que tanto a entrada quanto a saída do estado de condução devem ter controle externo.
Figura 2.3 Tensão e corrente em fase.
2.2.2 Modo 2: Corrente atrasada em relação à tensão
Nesse modo de condução, pode-se simular o funcionamento de um circuito de natu-
reza indutiva. Através do gráfico gerado na simulação apresentada, observa-se um atraso da
fundamental da corrente em relação à tensão, conforme ocorre em um circuito indutivo. É
V
CA,R
i
CA,R
I
CA,R
Estudo dos conversores
29
possível, então, utilizar o retificador para ser acoplado à saída de uma fonte CA, de forma a se
comportar para tal fonte como um circuito de fator de potência menor que um, e de natureza
indutiva. Nesse caso, o uso de diodos não é possível, uma vez que a corrente deve ser atrasada
em relação à tensão. Uma vez mais, o uso de um retificador não autônomo é uma alternativa
que simplifica o circuito de controle, visto que a utilização de tiristores nesse caso é possível.
O uso de chaves do tipo IGBT também é aplicável, observando-se que ainda é preciso o con-
trole dos momentos de entrada e saída de condução.
Figura 2.4 Corrente atrasada em relação à tensão.
2.2.3 Modo 3: Corrente adiantada em relação à tensão
Para simular um circuito de natureza capacitiva é necessário que a fundamental da
corrente esteja adiantada em relação à tensão. É preciso, então, que haja condições para que a
corrente comece a circular antes do zero da tensão. O uso de tiristores não mais é possível,
visto que ele conduz apenas quando está polarizado diretamente e recebe um pulso de corren-
te em seu gate, simultaneamente. A configuração a ser utilizada nesse caso deverá ser esco-
lhida de modo que haja controle total sobre as chaves. Um arranjo possível é a utilização de
IGBT’s, que permitem o controle total requerido.
Conforme pode ser observado nas formas de onda, a corrente adianta-se em relação
à tensão, conforme o esperado.
i
CA,R
V
CA,R
I
CA,R
Estudo dos conversores
30
Figura 2.5 Corrente adiantada em relação à tensão.
Nos três casos apresentados, o retificador pode contemplar o funcionamento dos três
diferentes tipos de circuito existentes, dependendo do controle das chaves semicondutoras,
que poderá ser feito de acordo com as necessidades do usuário. Observa-se que, mesmo sendo
um circuito ainda dissipativo, ele possibilita a versatilidade de utilização quanto à variação do
fator de potência percebido pela fonte que o alimenta. Dessa forma, caso haja a opção pela
utilização de um circuito dissipativo, pode-se utilizar esse arranjo para a emulação de uma
carga eletrônica. O uso de chaves do tipo IGBT permite a simulação dos três tipos de funcio-
namento possíveis (circuitos resistivos, indutivos e capacitivos), ao passo que o tiristor só
permite simular circuitos resistivos e indutivos.
2.3 O barramento CC
O barramento CC da carga eletrônica consta de um caminho fechado no qual circula
a corrente CC. Compõe-se de um indutor e conexões através de condutores de modo a fechar
o circuito.
O indutor do barramento tem a função de alisar a corrente CC, reduzindo as ondula-
ções que aparecem devido às diferenças instantâneas de tensão entre retificador e inversor.
É necessário considerar que essa parte do circuito apresenta resistência devido à sua
própria construção. A quase totalidade dessa resistência é devida à resistência associada ao
i
CA,R
V
CA,R
I
CA,R
Estudo dos conversores
31
indutor, constituído de uma bobina de condutores, que, devido à própria resistividade de seu
material, apresenta essa característica.
2.4 O módulo inversor
Também constituído por uma ponte completa monofásica, cabe ao inversor devolver
à rede elétrica a diferença entre a energia fornecida pelo retificador e a energia dissipada no
barramento CC.
O inversor consome potência reativa em seu funcionamento. Tal fato deve ser con-
trolado para que o módulo tenha o menor consumo de energia possível, e maximize o fator de
potência visto pela rede elétrica. Trabalhar com o ângulo de avanço β em um valor mínimo
possível garante a redução no consumo dessa potência pelo conversor; observa-se ainda que o
ângulo β tem restrições quanto a seu valor mínimo, de modo a garantir a condução. Isso será
discutido posteriormente.
O funcionamento de um conversor em ponte completa, tiristorizado, como inversor
exige a presença de uma fonte de tensão contínua, com polaridade convenientemente escolhi-
da, garantindo a circulação de corrente. A polaridade dessa fonte de tensão CC deve ser nega-
tiva em relação ao sentido convencional de tensão na saída de um retificador, de forma que
ela alimente o inversor.
(a)
P
(b)
P
Figura 2.6 Conversor em ponte completa, tiristorizado; (a) operando como retificador; (b)
operando como inversor não-autônomo.
Assim, o funcionamento completo da carga eletrônica passa por três estágios princi-
pais:
Estudo dos conversores
32
1° - O módulo retificador recebe a tensão de saída do equipamento sob teste, trans-
formando-a em tensão contínua, na entrada do barramento CC;
2° - Já no barramento CC, a corrente é filtrada ao passar pelo indutor, reduzindo
também sua ondulação (“ripple”);
3° - O inversor é alimentado com corrente lisa e tensão retificada. Uma vez garanti-
das as condições de funcionamento descritas anteriormente, o inversor devolverá a energia
absorvida à rede elétrica.
2.5 O uso da CERE
Uma das maiores vantagens da carga eletrônica desenvolvida é sua versatilidade quan-
to à aplicação, que pode ser tanto para uso em sistemas CC quanto em sistemas CA.
O uso em sistemas CC já foi estudado e desenvolvido anteriormente [1], comprovan-
do-se experimentalmente aquilo que era esperado para seu funcionamento. A carga eletrônica
CC se presta à aplicação em testes de “burn-in” para equipamentos com saída CC, regeneran-
do a energia entregue por tais equipamentos de volta à rede CA, após passar pelo processo de
inversão, feito pelo conversor trabalhando em seu modo inversor, conforme apresentado na
Fig. 2.7.
Equipamento
sob teste
Módulo
inversor
Barramento
CC
Rede CA
Fluxo de potência
Figura 2.7 CERE-CC.
A aplicação em sistemas CA consta do mesmo módulo utilizado em sistemas CC,
porém acrescido de um conversor funcionando em seu modo retificador. Uma vez acoplados,
Estudo dos conversores
33
esses circuitos trabalham como uma carga eletrônica CA, tendo o mesmo princípio de regene-
ração de energia que o módulo de carga eletrônica CC citado (Fig. 2.8).
Rede CA
Id
+
--
+
Módulo
retificador
Módulo
inversor
Barramento
CC
Equipamento
sob teste
Rede CA
Fluxo de potência
V
IVR
Figura 2.8 CERE-CA.
O equipamento apresenta, então, essa versatilidade quanto ao uso: uma vez que se
queira trabalhar como CERE-CC, toda a parte responsável pela retificação é desabilitada, fi-
cando apenas o módulo inversor em funcionamento. Se o objetivo é utilizá-la como CERE-
CA, habilita-se o módulo retificador, que juntamente com o módulo inversor, constitui a CE-
RE-CA completa.
2.6 O controle do fluxo de potência
A corrente no barramento CC é controlada segundo a equação 2.1:
L
IR
d
R
VV
i
−
= (2.1)
O controle do fluxo de potência no barramento é feito controlando-se o nível da cor-
rente i
d
. Observa-se que há duas variáveis de controle nesse caso: V
R
e V
I,
uma vez que R
L
é
característica própria da linha e não pode ser alterada. Cabe então uma análise detalhada de
cada modo de funcionamento e suas respectivas restrições.
2.6.1 Controle de V
I
Estudo dos conversores
34
O uso de um conversor nessa configuração consome potência reativa, o que não é de-
sejável do ponto de vista de elevação de circulação de corrente e também da qualidade de
energia. Esse consumo de potência reativa é tanto maior quanto maior for o ângulo α, para o
retificador, e quanto maior for o ângulo β para o inversor. O funcionamento do conversor com
pequenos ângulos de disparo é desejável para evitar consumo excessivo de reativos. Um estu-
do mais detalhado das equações que governam o funcionamento dos conversores será apre-
sentado posteriormente.
No caso do conversor trabalhando no modo inversor, β é ajustado para seu mínimo va-
lor possível, de modo a manter constante o valor médio da tensão V
I
, consumindo o mínimo
possível de potência reativa.
Se a configuração contar com um transformador de relação de transformação variá-
vel, também é possível, mantendo constante o valor de β, alterar o nível de V
I
.
2.6.2 Controle de V
R
Uma vez que o valor médio V
I
é controlado pelo inversor e mantido constante, o con-
trole de V
R
é feito pelo conversor funcionando no modo retificador. Assim, para aumentar a
corrente I
d
, aumenta-se o valor de V
R
, através da redução do valor do ângulo α. Para reduzir o
valor da corrente I
d
, procede-se de forma inversa, aumentando-se o valor do ângulo α e, con-
seqüentemente, reduzindo-se V
R
.
Assim como no caso do inversor, se houver no circuito do retificador um transforma-
dor com relação variável, V
R
ganha um grau de liberdade a mais, podendo também ser contro-
lado dessa maneira.
É importante salientar que o funcionamento dos dois conversores deve ser monitorado;
na equação da corrente no barramento CC observa-se que, para que haja circulação da corren-
te i
d
, faz-se obrigatório que V
R
> V
I
. Tal fato é necessário tendo em vista que o fluxo de cor-
rente deve ser em um único sentido, do retificador para o inversor.
Como o objetivo da carga eletrônica desenvolvida é ser uma alternativa flexível para
testes em cargas CA, com fator de potência variável através da variação do ângulo de disparo
dos conversores, a implementação de uma malha de controle que mantenha a condição acima
se faz necessária. Não somente por causa do fluxo de corrente, mas também para garantir que
Estudo dos conversores
35
haja condução contínua de corrente. Mesmo que seja garantida a condição V
R
> V
I
, se o fun-
cionamento da carga for a corrente constante, as alterações nos ângulos de disparo deverão ser
coordenadas. Num primeiro instante, por exemplo, a CERE poderia estar funcionando como
carga puramente resistiva, com uma corrente de referência I
REF
no barramento. Num segundo
instante, poderia o usuário desejar alterar o fator de potência da CERE, porém sem alterar o
valor de I
REF
. Uma vez que alterar o fator de potência indutivo é alterar o valor de α, também
o valor de V
R
será afetado. Faz-se necessário que V
R
> V
I
seja constante; se V
R
tem seu valor
alterado, também V
I
deverá ser alterado, de modo a garantir que seja mantido constante o va-
lor de I
d
no barramento.
2.7 Equações da carga eletrônica CA
Um estudo mais detalhado das equações que relacionam tensões e correntes na CERE
se faz necessário, uma vez que, conforme apresentado anteriormente, algumas condições são
impostas para o seu funcionamento. Outro ponto importante é que essas equações servirão
não apenas para a análise preliminar do funcionamento, mas também de base para o desen-
volvimento da malha de controle a ser implementada futuramente.
Para um retificador monofásico de onda completa, a tensão de saída, já considerando
as quedas de tensão sobre os tiristores, pode ser definida como (Eq. 2.2 [1]):
thrmsRCAthrmsRCAR
VVVVV ⋅−⋅⋅=⋅−⋅⋅= 2cos9,02cos
22
,,,,
αα
π
(2.2)
Seguindo um raciocínio análogo, lembrando que β = 180 – α, e, portando, cos α = -
cos β, encontra-se para um inversor monofásico de onda completa:
thrmsICAthrmsICAI
VVVVV ⋅+⋅⋅=⋅−⋅⋅= 2cos9,02cos
22
,,,,
βα
π
(2.3)
Trata-se do módulo da tensão, uma vez que, nessa configuração, a tensão de entrada
do inversor é referenciada em relação à tensão do retificador.
Assim, a corrente na linha pode ser definida como:
() ()
L
thrmsICArmsRCA
l
IR
d
R
VVV
R
VV
I
⋅
−
⋅
−
⋅
⋅
=
−
=
4)coscos(9,0
,,
β
α
(2.4)
Estudo dos conversores
36
Desconsiderando as quedas de tensão nos tiristores, obtém-se:
() ()
L
rmsICArmsRCA
L
IR
d
R
VV
R
VV
I
)coscos(9,0
,,
β
α
⋅
−
⋅
⋅
=
−
= (2.5)
Como visto anteriormente, a corrente na linha pode ser controlada alterando-se tanto
os níveis de tensão de entrada e saída quanto os ângulos de disparo. O sistema de controle
para esse caso deve monitorar a corrente na linha, que pode ter um valor de referência fixado
pelo usuário, ou mesmo apenas garantir que haja condições para a circulação da mesma. Para
que a tensão V
R
seja sempre maior que V
I
, sem sobrecarregar o controle dos ângulos de atraso
e avanço (α e β), pode-se prever a incorporação de um transformador abaixador entre a rede
elétrica e o módulo inversor. Isto dará mais flexibilidade à utilização da CERE para diferentes
níveis de tensão de saída dos equipamentos CA sob teste. Considerando que a mesma tensão
CA de entrada do retificador seja aplicada à saída do inversor, o controle deve ser feito de
modo a manter o ângulo α menor que o ângulo β, conforme se pode comprovar pela Eq. 2.6.
()
βαβα
β
α
<⇒>⇒
−⋅⋅
= coscos
)cos(cos9,0
L
rmsCA
d
R
V
I (2.6)
Como será visto na seção a seguir, um aumento de α (para determinar um menor fa-
tor de potência nos terminais do equipamento CA) exige, possivelmente, um aumento, tam-
bém, no ângulo β (para garantir α < β) e, por conseqüência, aumenta-se o consumo de reativos
da rede elétrica ligada ao módulo inversor. Isto poderá exigir a instalação de capacitores, jun-
to ao inversor, para o fornecimento de parte dessa potência reativa, que, de outro modo, teria
de ser totalmente fornecida pela rede elétrica, o que pode não ser interessante.
2.8 Potências na CERE
Para o desenvolvimento do estudo das potências envolvidas na CERE será utilizada a
Fig. 2.9, com suas convenções e variáveis apresentadas.
Estudo dos conversores
37
Rede CA
Id
Vi
+
--
+
Vr
Módulo
retificador
Módulo
inversor
Barramento
CC
Equipamento
sob teste
Rede CA
Fluxo de potência
Vca,R
Ica,R Ica,I
Vca,I
Figura 2.9 Fluxo de potência na CERE-CA.
2.8.1 Potências no retificador
O circuito retificador, como anteriormente apresentado, deve drenar da rede elétrica a
potência ativa e entregá-la ao barramento CC. Também já comentado há o fato de que, se não
houver uma compensação, o conversor consome potência reativa.
Considerando v
CA,R,rms
como a tensão eficaz CA de entrada no retificador, I
CA,R
como
o valor eficaz da fundamental da corrente e Φ
1
como a defasagem entre V
CA,R,rms
e I
CA,R
, pode-
se equacionar a potência ativa de entrada na CERE como:
1,,,
cos
φ
⋅⋅=
RCArmsRCAR
IVP
(2.7)
Considerando α = Φ
1
, pode-se reescrever a equação como:
α
cos
,,,
⋅⋅=
RCArmsRCAR
IVP (2.8)
Essa é a potência ativa entregue pela rede à CERE. Observa-se que é fortemente influ-
enciada pelo ângulo α; sendo v
CA,R,rms
e I
CA,R
fixos, quanto maior for o ângulo α, menor é a
potência ativa entregue à CERE e vice-versa.
Da mesma forma, pode-se equacionar a lei que define o consumo de potência reativa
pelo conversor pela equação 2.9.
α
φ
senIVsenIVQ
RCArmsRCARCArmsRCAR
⋅
⋅
=
⋅⋅=
,,,1,,,
(2.9)
A partir da equação apresentada, conclui-se que a CERE permite a variação tanto da
potência ativa (P
R
) quanto da potência reativa (Q
R
- consumida) pelo controle do ângulo α.
Verifica-se, ainda, que para a variação do fator de potência, visto pelo equipamento CA, a
Estudo dos conversores
38
CERE terá de ser controlada não somente pelo ângulo α, mas, também, pela corrente I
CA,R
,
que depende, por sua vez, da corrente no barramento CC. Esta terá de ser ajustada, simultane-
amente ao ângulo α, para que a potência ativa (P
R
) drenada pela CERE não seja alterada.
A potência aparente entregue ao retificador será:
22
,,, RRRCArmsRCAR
QPIVS +=⋅= (2.10)
Um diagrama fasorial que representa essa situação é apresentado na Fig. 2.10:
VCA,R
Ica,R
Iat
Ire
Figura 2.10 Diagrama fasorial de tensão e corrente no módulo retificador.
Conforme é possível observar pelo diagrama, o conversor no modo retificador tem,
para a rede CA, característica indutiva, com corrente atrasada em relação à tensão. Uma vez
mais se observa a possibilidade de controle do fator de potência do equipamento CA a partir
do controle do ângulo α da CERE.
2.8.2 Potências no inversor
Por outro lado, se a análise é feita em relação ao módulo inversor, e considerando
V
CA,I,rms
a tensão CA de saída do inversor, I
CA,I
a fundamental da corrente no inversor e Φ
1
como a defasagem entre V
CA,I,rms
e I
CA,I
, segue-se de maneira análoga que:
α
φ
coscos
,,,1,,,
⋅
⋅
=
⋅⋅=
ICArmsICAICArmsICAI
IVIVP (2.11)
Considerando β = (180° - α):
β
cos
,,,
⋅⋅−=
ICArmsICAI
IVP (2.12)
Estudo dos conversores
39
Pelo sinal negativo na equação, nota-se que a potência ativa é fornecida pelo conver-
sor à rede CA quando trabalhando em seu modo inversor. É possível estender o mesmo racio-
cínio para a potência reativa no inversor:
β
α
φ
senIVsenIVsenIVQ
ICArmsICAICArmsICAICArmsICAI
⋅
⋅
=
⋅
⋅
=
⋅⋅=
,,,,,,1,,,
(2.13)
O conversor trabalhando em seu modo inversor consome potência reativa; tal consumo
é tanto maior quanto maior for o ângulo β, sendo V
CA,I,rms
e I
CA,I
fixos. Utilizar baixos valores
de β para esse caso é desejável para reduzir o consumo de potência reativa pelo conversor,
embora a utilização de compensação reativa, por meio de capacitores em paralelo com a rede
elétrica ligada ao módulo inversor (como já discutido no item 2.7), possa minimizar tal restri-
ção (β mínimo).
A potência aparente no lado CA do inversor será:
22
,,, IIICArmsICAI
QPIVS +=⋅= (2.14)
Para representar uma situação de funcionamento do módulo inversor, apresenta-se um
diagrama fasorial:
Vca,I
Iat
-Ica,I
Ire
Ica,I
Figura 2.11 Diagrama fasorial de tensão e corrente no módulo inversor.
Considerando que a corrente I
CA,I
tem, na verdade, sentido de circulação oposto ao re-
presentado na figura, para caracterizar a rede elétrica como receptora (ou consumidora) de
potência ativa, verifica-se que a rede elétrica comporta-se como carga capacitiva, fornecendo
reativos ao inversor.
No funcionamento da CERE, grande parte da potência ativa consumida pelo retifica-
dor é regenerada pelo inversor, sendo devolvida à rede; uma pequena parcela dessa potência é
Estudo dos conversores
40
dissipada pela resistência equivalente do indutor presente no circuito (R
L
). Considerando que
para uma onda quadrada a corrente média é igual à corrente eficaz, pode-se enunciar a equa-
ção 2.15.
IRdLL
PPIRP −=⋅=
2
(2.15)
Sendo a resistência do indutor de baixo valor, quase toda a potência ativa entregue
pelo retificador ao barramento é devolvida (ou entregue) à rede elétrica pelo inversor.
Uma vez conhecidas as bases teóricas da CERE proposta, o próximo passo é o de-
senvolvimento de um protótipo de laboratório que possa comprovar o funcionamento que foi
estudado. Esse é o tema do próximo capítulo.
3 A CERE DESENVOLVIDA
3.1 Introdução
Para realizar experimentos que demonstrem que a CERE realmente funciona, foi
construído um protótipo de laboratório, assunto que é o núcleo desse capítulo. Parte desse
protótipo já estava disponível, uma vez que esse trabalho é continuação de outro previamente
desenvolvido [1]. Tal protótipo tem como suas as próprias limitações encontradas em labora-
tório, no que se relaciona à corrente (4A), que é a corrente máxima que o autotransformador
de acoplamento pode suportar. Quanto à tensão, por motivos de segurança, foi estabelecido
que no barramento CC seja, no máximo, de 50V. O módulo é capaz, então, de drenar 200W
de potência da fonte que o alimenta.
Trata-se de um circuito bem simples, mas funcional, que objetiva mostrar o funcio-
namento da carga eletrônica aqui desenvolvida. Melhorias futuras são necessárias, principal-
mente quanto à compensação de energia reativa no inversor, e também um método de controle
automático do comando de ambos os conversores.
No caso desse estudo, o teste é feito em relação ao funcionamento da CERE-CA e
suas propriedades; dessa forma, o equipamento sob teste apresentado na Fig. 2.1 é a própria
rede elétrica.
Confirma-se na parte experimental toda a teoria já descrita anteriormente; sendo as-
sim, testes de “burn-in” podem ser feitos de maneira satisfatória, tanto para equipamentos
com saída CC (com resultados e discussões vistos no trabalho anterior) quanto para equipa-
mentos com saída CA. Uma vez mais, torna-se interessante o uso dessa tecnologia, visto que
grande parte da energia absorvida pelo retificador é devolvida à rede pelo inversor.
O desenvolvimento do protótipo se baseou nos seguintes passos:
- Definição dos conversores CA/CC e CC/CA;
- Definição do circuito de comando dos conversores;
- Definição do indutor de filtro do barramento CC;
- Definição do transformador de acoplamento à rede CA;
3.2 Circuito conversor tiristorizado
A CERE desenvolvida
43
O circuito aqui utilizado é constituído de chaves do tipo tiristor, não-autônoma, que
assegura o funcionamento da CERE apenas como carga resistiva e indutiva. Para o caso capa-
citivo, é necessário que sejam utilizados transistores de potência, chaves totalmente controla-
das, com controle de início e de extinção de condução da corrente. Tal melhoria deverá ser
feita no futuro, visto que o circuito de comando aqui utilizado não contempla esse funciona-
mento (Vide item 2.2.3).
O conversor utilizado para o inversor é o mesmo utilizado anteriormente [1]. Consti-
tui-se basicamente de quatro tiristores, cada qual com um circuito de snubber dedicado, con-
forme apresentado na Fig. 3.1.
Rs
Rs
Cs
Cs
Rs
Vr
Rs
Cs
Cs
Id
Figura 3.1 Esquema do circuito do módulo retificador.
Os tiristores desse circuito são da International Rectifier, série 25TTS08, tendo co-
mo principais características:
- Corrente média de condução (para forma de onda senoidal)
= 16A;
- Queda de tensão durante a condução = 1,25V;
- Tensão máxima entre catodo e anodo = 800V.
O conversor utilizado para o retificador é conceitualmente idêntico ao já apresenta-
do. O que difere os dois é apenas o modelo de tiristor. Devido à falta do tiristor 25TTS08 no
laboratório, o mesmo foi substituído por outro, cujas características são bem parecidas com as
do primeiro. Os tiristores utilizados no circuito retificador são da International Rectifier, série
40TPS25, com algumas de suas características listadas abaixo:
- Corrente média de condução (para forma de onda senoidal) = 25A;
A CERE desenvolvida
44
- Queda de tensão durante a condução = 1,25V;
- Tensão máxima entre catodo e anodo = 800V.
O conversor inversor é apresentado na Fig. 3.2.
Vi
Rs
Cs
Rs
Rs
Cs
Rs
Id
Cs Cs
Figura 3.2 Esquema do circuito do módulo inversor.
Um circuito de “snubber” se fez necessário para reduzir os picos de tensão nos tiris-
tores durante a comutação dos mesmos. Tais picos são devidos às correntes reversas de recu-
peração geradas nos tiristores, que, quando bloqueadas, podem gerar altas tensões sobre esses
dispositivos, devido às indutâncias série do circuito.
Os valores definidos para o capacitor (C
s
) e o resistor (R
s
) de snubber foram, respec-
tivamente, 22nF e 270Ω [1].
As características próprias dos tiristores fazem com que eles dissipem calor durante
o período em que estão em condução. Para dissipar tal calor gerado foram dimensionados
dissipadores para esses dispositivos [1].
3.3 Circuito de comando da CERE
O objetivo do circuito de comando é enviar aos gates dos tiristores os pulsos de cor-
rente com formas, valores e instantes de tempo adequados, segundo a lógica de funcionamen-
to da CERE.
A CERE desenvolvida
45
O circuito utilizado para o comando dos tiristores, em ambos os conversores, é idên-
tico e baseia-se em um circuito integrado Siemens, modelo TCA 785. Tal circuito gera uma
rampa sincronizada com a rede elétrica (tensão de controle), que pode ser variada através de
um potenciômetro de precisão, através do qual o valor do ângulo α dos tiristores pode ser va-
riado de 0 a 180°.
Há um estágio de potência no circuito de comando, cuja função principal é amplifi-
car os sinais de comando, disparando o tiristor como fonte de corrente e não de tensão e im-
pedir que uma tensão negativa seja aplicada na junção gate-catodo dos tiristores.
A isolação entre o circuito de comando e o de potência é feito por transformadores
de pulso Semikron, cujas principais características são listadas a seguir:
- Tensão de saída a vazio entre 5 e 15V;
- Corrente de gatilho de 100mA a 1A.
- Tempo de crescimento de tensão entre 0,5 e 5μs;
- Comprimento do pulso entre 10μs e 1ms;
- Freqüência de operação entre 5 e 10KHz.
Para que o tiristor se mantenha em condução, é necessário que ele atinja um valor de
corrente mínimo, chamada corrente de retenção. Para tanto, é preciso que o pulso seja aplica-
do ao gate do tiristor tempo suficiente para que o mesmo atinja tal condição. Assim, será ne-
cessário aplicar aos tiristores pulsos de corrente de longa duração, levando ao saturamento do
transformador de pulso, o que fará com que o circuito de comando não funcione corretamente.
A solução encontrada foi enviar, ao invés de apenas um pulso de longa duração, um
trem de pulsos, o que garantirá que o transformador de pulso não sature. O trem de pulsos foi
gerado pelo circuito integrado LM 555 da National Semiconductor, programado com funcio-
namento astável, em freqüência de 7,4kHz. Essa saída, juntamente com a saída do TCA 785,
foi aplicada à entrada de uma porta “E”, cuja saída controla a entrada do estágio de potência
de cada tiristor, o que pode ser visto na figura 3.3.
A CERE desenvolvida
46
Gerador
de rampa
Comparador
Monoestável
Porta
E
Estágio
de
potência
Astável
Gate do
tiristor
Rede
Tensão de
controle
Figura 3.3 Esquema do circuito de comando dos conversores.
3.4 O indutor de filtro
Para que a corrente no barramento CC fique com a menor ondulação possível é ne-
cessário que haja um filtro, que nesse caso é constituído de um indutor.
Para as experiências foi utilizado um indutor previamente projetado e construído pa-
ra o funcionamento da CERE em CC, cujas características básicas são [1]:
- Resistência (a 25°C) = 0,55Ω;
- Indutância = 249mH.
Cabe lembrar que, ao ser percorrida por uma corrente, a resistência própria do indu-
tor poderá variar, não sendo de valor fixo ao longo de um intervalo de funcionamento.
3.5 O transformador de acoplamento
No trabalho precedente [1], o autor utilizou como acoplamento entre a rede CA e o
inversor apenas um autotransformador, com o intuito não só de utilizar tensões mais baixas
em seu experimento, mas também de reduzir o consumo de reativos pelo conversor.
Como conseqüência, o circuito ficou limitado não só às suas próprias características,
mas também às características desse autotransformador, cuja tensão de entrada é de 220V
fase-fase, e sua tensão de saída pode variar de 0 a 240V (em ambos os casos, valores eficazes
de tensão). Sua potência máxima é de 1,5kVA e sua corrente máxima é de 6A. Por segurança,
a corrente máxima na CERE foi definida como 4A.
A CERE desenvolvida
47
A fonte CA da qual será drenada a potência pelo retificador é a mesma à qual o in-
versor deverá retornar a potência regenerada. Um arranjo que contivesse apenas os autotrans-
formadores não poderia ser utilizado no atual caso, visto que, se não houver isolamento gal-
vânico entre as fontes CA dos conversores, um curto-circuito ocorreria, conforme se pode ver
na Fig 3.4, considerando-se a ligação completa da CERE (rede CA-retificador-barramento
CC-inversor-rede CA):
Figura 3.4 Curto circuito na falta de isolamento entre as fontes.
A solução encontrada foi isolar a fonte CA galvanicamente dos conversores, através
de um transformador com primário e secundário totalmente isolados, conforme a Fig. 3.5:
Figura 3.5 Funcionamento em regime com transformadores de isolamento.
Dessa forma, não há conexão elétrica entre as fontes do retificador e do inversor, su-
primindo o problema apresentado, garantindo o funcionamento seguro da CERE-CA. Para
A CERE desenvolvida
48
tanto, foram utilizados dois transformadores “Equacional”, disponíveis no laboratório de Má-
quinas Elétricas.
Outro problema encontrado foi a captação da amostra de tensão pelo circuito de co-
mando. Uma vez que o sinal deve ser derivado da própria alimentação dos conversores, qual-
quer distúrbio na tensão CA terá seu efeito refletido no circuito de comando.
Para suprimir os efeitos de chaveamento na referência de tensão CA do circuito de
comando foi utilizado um pequeno transformador, ligado do lado primário do transformador
de isolamento. Dessa forma, minimizaram-se os efeitos das perturbações na tensão CA produ-
zidas pelos conversores quando em funcionamento.
Dessa forma, uma vez definidos os componentes do circuito de força e de comando,
o esquemático de ambos é apresentado nas figuras 3.6 e 3.7.
Cs
Rs
Cs
Rs
Rs
Cs
Rs
Cs
Cs
Rs
Id
Rs
Cs
Vr
L
Rs
Vi
Cs
Rs
Cs
Figura 3.6 Circuito de força da CERE-CA.
A CERE desenvolvida 49
820k
TCA
785
5
10k
+12Vcc
6 1
16
0,47
μ
F
13
12
11
10
μ
F
0,1
μ
F
3,3
μ
F
+12Vcc
1k
10k
100
Ω
50k
+12Vcc
1k
9 10
0,1μF
15
14
HEF
4073B
12
13
3
4
LM
555
1
8
4
+12Vcc
5 11 7
11
+12Vcc
3
5 6
10nF 10nF
9,68k
2
7
+12Vcc
9,68k
+12Vcc
100Ω
20V
10
2k2
2k2
K
4
G
4
T
4
2k2
G
2
T
2
K
2
+12Vcc
100
Ω
20V
2k2
K
3
G
3
T
3
2k2
G
1
T
1
K
1
6
2k2
Saída do transformador de
acoplamento
R
C
Figura 3.7 Circuito de comando dos conversores.
A CERE desenvolvida 50
A CERE desenvolvida 51
3.6 A indutância de comutação (L
C
)
Naturalmente, a fonte CA apresenta uma indutância própria, chamada indutância de
comutação. Tal indutância faz com que haja uma redução de tensão na carga durante o pro-
cesso de comutação devido à tendência de manter o tiristor conduzindo. Dessa forma, durante
a comutação, dois tiristores conduzem ao mesmo tempo, ocasionando o efeito citado. Com o
uso desse conjunto autotransformador e transformador isolador, deverão aumentar considera-
velmente os efeitos da indutância de comutação. Uma vez que a queda de tensão durante a
comutação é diretamente proporcional à indutância de comutação e à corrente média de carga,
os efeitos da comutação evidenciam-se mais nos casos onde esses dois valores são mais ele-
vados. A indutância de comutação será característica intrínseca da fonte, já que o conjunto
fonte-autotransformador-transformador isolador é fixo. Como é possível variar a corrente mé-
dia na carga, os efeitos da comutação serão tão mais evidentes quanto maior for a corrente
média de carga.
Um circuito equivalente que representa a situação é apresentado na figura 3.8 [7].
Vcc
Id
-
V
LC
+
-
V
carga
+
Figura 3.8 Circuito equivalente considerando ao efeito da indutância de comutação
Seguindo o raciocínio que envolve o circuito equivalente nesse caso, pode-se enunci-
ar que:
LCCCaCaCLCCC
VVVVVV
−
=
⇒
+
=
argarg
(3.1)
α
cos9,0
0
⋅⋅= VV
CC
(3.2)
A CERE desenvolvida 52
O valor de V
LC
pode ser calculado através da equação 3.3 [7]:
dedCLC
IRILfV ⋅=⋅
⋅
⋅= 2 (3.3)
Onde R
e
é o valor de um resistor equivalente que representa a queda de tensão duran-
te a comutação. Observa-se que os efeitos da indutância de comutação são tanto maiores
quanto maior for a corrente I
d
.
Há duas situações a serem analisadas:
- Funcionando como retificador, o conversor tem sua tensão de carga dada pela e-
quação 3.4:
dCoaC
ILfVV ⋅⋅⋅−⋅⋅= 2cos9,0
arg
α
(3.4)
- Funcionando como inversor, e considerando que α = 180 – β, e, por conseguinte,
cos α = cos β, o conversor tem sua tensão de carga dada pela equação 3.5:
dCodCoaC
ILfVILfVV ⋅⋅⋅−⋅⋅−=⋅⋅⋅−⋅⋅= 2cos9,02cos9,0
arg
βα
(3.5)
Como principal efeito, nota-se que isso proporciona uma redução do nível de tensão
no retificador; analisando o funcionamento no modo inversor, observa-se acréscimo na tensão
do mesmo. Tais efeitos devem ser considerados na análise dos resultados obtidos, bem como
das formas de onda resultantes dos ensaios de laboratório.
A seguir são apresentadas alguns resultados de simulação, considerando L
C
= 2,5mH,
tensão de V
CA,R
= 50V. Os ângulos α e β, bem como tensão V
CA,I
, são identificados em cada
caso. As figuras 3.9 e 3.10 apresentam o funcionamento como carga indutiva, ao passo que as
figuras 3.11 e 3.12 apresentam o funcionamento como carga resistiva. Nas figuras 3.9 e 3.11,
a tensão do inversor é de 49V, contemplando o funcionamento com menor nível de corrente,
enquanto que nas figuras 3.10 e 3.12 a tensão no inversor é de 47,5V, já contemplando o fun-
cionamento com maior nível de corrente.
A CERE desenvolvida 53
Figura 3.9 Formas de onda para α = 52° e β = 52°, V
CA,I
= 49V.
Figura 3.10 Formas de onda para α = 52° e β = 52°, V
CA,I
= 47,5V.
V
CA,R
V
CA,I
i
CA,I
i
CA,I
V
CA,R
V
CA,I
i
CA,I
i
CA,I
A CERE desenvolvida 54
Figura 3.11 Formas de onda para α = 0° e β = 69°; V
CA,I
= 49V.
Figura 3.12 Formas de onda para α = 0° e β = 69°; V
CA,I
= 47,5V.
Através dos resultados das simulações, observa-se que quanto maior o nível da cor-
rente, mais evidente é o efeito da indutância de comutação; ainda mais, a comutação provoca
V
CA,R
V
CA,I
i
CA,I
i
CA,I
V
CA,R
V
CA,I
i
CA,I
i
CA,I
A CERE desenvolvida 55
um curto-circuito durante um intervalo de tempo, que é tanto maior quanto maior for a corren-
te média do circuito.
Uma vez definidos os componentes do protótipo, o próximo passo é o seu ensaio em
laboratório, tema do capítulo seguinte.
4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Estando definidos os dispositivos e a configuração dos conversores propostos, faz-se
necessária a realização de um protótipo capaz de comprovar o estudo anteriormente proposto.
Para tanto, quatro condições foram estabelecidas:
- Teste do circuito emulando carga indutiva, com dois níveis de corrente diferentes
(alta e baixa);
- Teste do circuito emulando carga resistiva, também com dois níveis de corrente di-
ferentes (alta e baixa).
Tal consideração foi feita para que se pudesse analisar o funcionamento da CERE em
diferentes níveis de carga, bem como os efeitos dessas variações no circuito.
4.1 Condições para a entrada em funcionamento
No trabalho anterior, uma fonte de tensão CC alimentava um conversor no modo in-
versor, cuja função era devolver à rede elétrica grande parte da potência que lhe era entregue.
Para iniciar o funcionamento nessa condição, o autor utilizou o recurso de um resistor em
série com o indutor do barramento CC, de modo a minimizar a corrente durante a partida do
equipamento, garantindo a segurança do circuito bem como do operador. O ângulo de disparo
era feito igual a zero, de tal forma que o conversor funcionava, em seu instante inicial de ope-
ração, como um retificador. Nesse aspecto, as tensões da fonte e do retificador se somavam,
ficando a cargo do resistor auxiliar e do indutor suportar a soma dessas tensões. De forma a
minimizar esse efeito somativo de tensões, a tensão da fonte CC era ajustada para um valor
convenientemente pequeno, apenas para garantir a entrada em condução dos tiristores (Fig.
4.1-a). Daí em diante, ao mesmo tempo em que o valor de β era reduzido, a tensão da fonte
era aumentada, de tal forma que, em certo momento, β tornar-se-ia menor que 90° (Fig. 4.1-
b). A partir desse ponto o conversor entrava em seu modo inversor, o que invertia o sinal da
tensão de entrada do inversor (V
i
). Após a tensão do inversor e da fonte CC tornarem-se pró-
ximas entre si quanto a seus valores médios, o resistor auxiliar era curto-circuitado através do
disjuntor auxiliar D
aux
, anulando seus efeitos, e o circuito tornava-se o proposto anteriormente
(Fig. 4.1-c). A figura 4.1-d ilustra o circuito equivalente da situação desejada.
Resultados experimentais
57
(Vcc pequeno)
(a)
Raux
Vcc
Id
Daux
(Vcc cresce)
~180°
(b)
reduz
Vi
Vcc
L
Id
Raux
L
Daux
Vi
(
d
)
(
c
)
L
Id
(Vcc > Vi)
Vcc
Raux
Daux
Id
Vcc
<90°
Vi
(Vcc > Vi)
<90°
Vi
L
Figura 4.1 Etapas de funcionamento da CERE-CC.
Para o trabalho atual, a idéia foi fazer os ângulos dos dois conversores (α para o reti-
ficador e β para o inversor) próximos a 90° (Fig. 4.2-a). Isso garantiria que as tensões CC mé-
dias de ambos teriam valores bem próximos entre si, e pequenos, garantindo que uma pequena
diferença de potencial fosse aplicada sobre o indutor, que seria o elemento limitador de cor-
rente nesse caso. Há que se considerar que não mais é necessário o uso de um resistor auxiliar
conforme o caso anterior, eliminando um elemento de circuito que não tem nenhuma função a
não ser limitar a corrente durante o início da operação. A figura 4.2-b mostra o passo seguinte
à entrada em funcionamento da CERE-CA.
Vi
(Vr, Vi pequenos)
Vr
(a)
~90°
~90°
Id
L
Vi
(b)
(Vr > Vi) ( > )
reduz
Vr
Id
reduz
L
Figura 4.2 Etapas de funcionamento da CERE-CA.
Resultados experimentais
58
Para a tomada de dados durante os testes, os ângulos de disparo foram mantidos fixos
nos retificadores (51,86° para o funcionamento como carga indutiva e 0° para carga resistiva).
Além disso, quando os testes para comparações entre diferentes modalidades de funcionamen-
to foram feitos, também os ângulos de avanço do inversor foram mantidos constantes, varian-
do apenas a tensão CA de entrada dos mesmos (51,86° e 49V para carga leve e 69,14° e
47,5V para carga pesada, respectivamente ângulos de avanço e tensão CA do inversor em
cada caso); dessa forma é possível comparar as diferenças de funcionamento entre os modos
resistivo e indutivo com influência apenas dos parâmetros de entrada, ou seja, do retificador.
Quanto à diferença de tensão CA do inversor entre os testes, esta foi necessária para que fosse
possível aumentar a corrente de carga, uma vez que ao aumentar muito o valor de β para con-
seguir tal fato, o conversor saía totalmente de condução. Para tanto, não apenas β foi variado,
mas também o nível de tensão CA do inversor o foi, de forma a favorecer o crescimento da
corrente I
d
.
Dentre os experimentos realizados no laboratório, as formas de onda mais importan-
tes para o desenvolvimento do trabalho foram tomadas e algumas são apresentadas a seguir.
No teste da CERE funcionando como carga indutiva e corrente baixa todas as formas de onda
são apresentadas para que se possa ter idéia do funcionamento do circuito bem como de suas
principais grandezas. Para os demais testes serão apresentadas apenas as formas de onda rela-
tivas às tensões e correntes CA no retificador e no inversor. As demais formas de onda para
tais casos são apresentadas no anexo A para uma eventual consulta. Em todos os casos, a pró-
pria figura apresenta as escalas correspondentes de tensão e corrente.
4.2 Determinação da indutância de comutação
Para determinar um valor experimental da indutância de comutação dos conversores
foram feitos quatro ensaios individuais em cada caso (retificador e indutor). Durante o proces-
so de comutação, observou-se que a corrente tem variação bastante linear, o que permitiu cal-
cular, de forma satisfatória, a indutância de comutação através da equação 4.1.
t
i
L
dt
di
LV
d
C
d
CL
Δ
Δ
⋅=⋅=
(4.1)
Dos quatro ensaios realizados em cada conversor, fez-se uma média dos valores en-
contrados de L
C
, sendo que, para ambos os conversores, esse valor tendeu para 8mH.
Resultados experimentais
59
4.3 Testes para CERE-CA funcionando como carga indutiva
Foram tomadas duas medições (dois níveis de corrente: alta e baixa) para exemplifi-
car o funcionamento nesse caso. Para tanto, a tensão de entrada no retificador foi mantida fixa
em 50V, enquanto a tensão CA do inversor foi de 47,5V para carga pesada e 49V para carga
leve. Os valores dos ângulos de disparo do retificador foram mantidos constantes para efeito
de comparação entre o funcionamento da CERE nos dois níveis de corrente propostos.
4.3.1 Carga leve
A seguir são apresentados alguns gráficos obtidos durante a realização e experiên-
cias, bem como algumas considerações em cada caso. Para esse primeiro caso são apresenta-
das as formas de onda de tensão e corrente no retificador e no inversor, tanto CA quanto CC,
e também no indutor.
Para a realização desse primeiro ensaio, foram definidos α = 51,86° e β = 51,86°.
Segundo as equações 2.2 e 2.3, os valores ideais esperados para as tensões são:
VV
R
79,27)86,51cos(9,050
=
°⋅⋅=
VV
I
23,27)86,51cos(9,049
=
°⋅⋅=
A
R
VV
I
L
IR
d
1
55,0
23,2779,27
=
−
=
−
=
A partir desses dados é possível calcular algumas grandezas envolvidas:
- Potência entregue pela rede elétrica ao retificador:
WIVP
dRR
79,27179,27 =⋅=⋅=
- Potência entregue pelo inversor à rede elétrica:
WIVP
dII
23,27123,27 =⋅
=
⋅=
- Potência dissipada pela resistência própria do indutor:
WIRP
dLL
55,0155,0
2
2
=⋅=⋅=
Resultados experimentais
60
Dos valores experimentais obtidos (V
R
= 24,2V, V
I
= 22,8V e I
d
= 1,12A), podem ser
calculadas essas mesmas grandezas para efeito de comparação:
WIVP
dRR
10,2712,12,24 =⋅=⋅=
WIVP
dII
53,2512,18,22 =⋅
=
⋅=
WIRP
dLL
70,012,156,0
2
2
=⋅=⋅=
WPPP
IRL
57,153,251,27
=
−=−=
Observa-se que o circuito apresenta grandezas bem próximas das calculadas teorica-
mente, correspondendo à expectativa de funcionamento esperada. As pequenas diferenças
entre os resultados experimentais e teóricos devem-se principalmente às influências das indu-
tâncias de comutação.
Um fato já esperado é que a resistência própria do indutor variasse com a temperatu-
ra. De acordo com o aumento da carga e consequentemente com a dissipação de calor, esse
valor aumenta; com isso, a potência dissipada pelo resistor também aumenta. Isso faz com
que haja uma diferença entre a potência P
L
calculada tendo como base o valor da resistência a
frio e a diferença entre P
R
e P
I
, conforme foi demonstrado. Nos cálculos seguintes a potência
dissipada pelo indutor não mais será calculada utilizando-se seu valor de resistência a frio,
mas sim como sendo a diferença entre as potências P
R
e P
I
.
A seguir são apresentadas as formas de onda correspondentes: as figuras 4.3 e 4.4 a-
presentam as formas de onda de tensão e corrente CA e CC, respectivamente, em ambos os
casos referentes ao retificador; a figura 4.5 apresenta as formas de onda de tensão e corrente
no indutor e as figuras 4.6 e 4.7 apresentam as formas de onda de tensão e corrente CC e CA,
respectivamente, em ambos os casos referentes ao inversor.
Resultados experimentais
61
Figura 4.3 Tensão e corrente CA no retificador.
Figura 4.4 Tensão e corrente CC no retificador.
i
CA, R
V
CA, R
α
V
R
I
d
Resultados experimentais
62
Figura 4.5 Tensão instantânea e corrente CC no indutor.
Figura 4.6 Tensão e corrente CC no inversor.
V
R
- V
I
I
d
β
V
I
I
d
Resultados experimentais
63
Figura 4.7 Tensão e corrente CA no inversor.
Ao observar as formas de onda, percebe-se que há um pequeno curto-circuito no
momento da comutação. Isso se deve à indutância de comutação L
C
, característica própria do
circuito, devida não apenas à indutância própria da fonte que o alimenta, mas também às indu-
tâncias características do transformador e do autotransformador utilizados.
Há que se lembrar também que a influência da indutância de comutação é diretamen-
te proporcional à corrente I
d
; espera-se que, com o aumento da corrente de carga, tais efeitos
sejam mais evidenciados.
4.3.2 Carga pesada
Nesse caso, os valores definidos para os ângulos foram α = 51,86° e β= 69,14°.
Os valores teóricos esperados para as tensões e a corrente são:
VV
R
79,27)86,51cos(9,050
=
°⋅⋅=
VV
I
22,15)14,69cos(9,05,47
=
°⋅⋅=
A
R
VV
I
L
IR
d
44,22
56,0
22,1579,27
=
−
=
−
=
i
CA, I
V
CA, I
Resultados experimentais
64
Se comparados os valores teóricos e seus correspondentes experimentais (V
R
=
15,3V, V
I
= 13V e I
d
= 2,92A), observa-se uma discrepância muito grande, principalmente no
valor da tensão V
R
, e, consequentemente, no valor da corrente I
d
. Uma vez mais, o efeito da
indutância de comutação tem seu efeito pronunciado, porém com maior influência, devido ao
aumento da corrente de carga, o que, além de aumentar a queda de tensão sobre o indutor,
também aumenta o ângulo de comutação.
Para esse caso, apenas os valores experimentais obtidos foram considerados, para os
cálculos das potências:
WIVP
dRR
68,4492,23,15 =⋅=⋅=
WIVP
dII
96,3792,20,13 =⋅
=
⋅=
WPPP
IRL
72,696,3768,44
=
−=−=
A seguir são apresentadas as formas de onda correspondentes às formas de onda de
tensão e corrente CA no retificador e no inversor, respectivamente, pelas figuras 4.8 e 4.9.
Figura 4.8 Tensão e corrente CA no retificador.
V
CA, R
i
CA, R
Resultados experimentais
65
Figura 4.9 Tensão e corrente CA no inversor.
4.4 Testes para CERE-CA funcionando como carga resistiva
Assim como no caso da carga indutiva, foram tomadas duas medições (dois níveis de
corrente: alta e baixa) para exemplificar o funcionamento. Para tanto, a tensão de entrada no
retificador foi mantida fixa em 50V, enquanto a tensão CA do inversor foi de 47,5V para car-
ga pesada e 49,5 para carga leve. Os valores dos ângulos de disparo foram mantidos constan-
tes para efeito de comparação entre o funcionamento da CERE nos dois níveis de corrente
propostos.
4.4.1 Carga leve
Para tanto, α = 0° e β =51,86°. Com isso, os valores teóricos das tensões são:
VV
R
45)0cos(9,050 =°⋅⋅=
VV
I
23,27)86,51cos(9,049
=
°⋅⋅=
Tomando como base os valores obtidos experimentalmente (V
R
= 33V, V
I
= 31,5V e
I
d
= 1,4A), as potências envolvidas são as seguintes:
V
CA, I
i
CA, I
Resultados experimentais
66
WIVP
dRR
2,464,133 =⋅=⋅=
WIVP
dII
1,444,15,31 =⋅
=
⋅=
WPPP
IRL
1,21,442,46
=
−=−=
Observe-se que a queda de tensão total no circuito é subtraída para o retificador, mas
é somada para o inversor. Daí resulta V
I (real)
> V
I (ideal)
. Isto acontece pelo fato que a tensão do
inversor é negativa, em relação à do retificador, enquanto as quedas de tensão devido à indu-
tância de comutação continuam positivas.
As formas de onda para esse teste são apresentadas a seguir, sendo correspondentes
às formas de onda de tensão e corrente CA no retificador e no inversor, respectivamente, pelas
figuras 4.10 e 4.12.
Figura 4.10 Tensão e corrente CA no retificador.
Devido aos efeitos de comutação, observa-se um curto-circuito quando a corrente
comuta de um par de tiristores ao outro. A figura 4.11 apresenta um comparativo, onde se
pode perceber qual seria a forma de onda de tensão ideal, sem o afundamento de tensão que
ocorre na realidade (linha tracejada).
V
CA, R
i
CA, R
Resultados experimentais
67
Figura 4.11 Tensões real e ideal (tracejada), e corrente CA no retificador.
Figura 4.12 Tensão e corrente CA no inversor.
V
CA, R
i
CA, R
V
CA, I
i
CA, I
Resultados experimentais
68
4.4.2 Carga pesada
Para esse teste os valores definidos dos ângulos foram α = 0° e β = 69,14°; conse-
quentemente, os valores teóricos de tensão esperados são:
Valores teóricos das tensões:
VV
R
45)0cos(9,050 =°⋅⋅=
VV
I
22,15)14,69cos(9,05,47
=
°⋅⋅=
Utilizando os valores obtidos experimentalmente (V
R
= 24,6V, V
I
= 21V e I
d
=
2,75A), as potências envolvidas são as seguintes:
WIVP
dRR
65,6775,26,24 =⋅=⋅=
WIVP
dII
75,5775,221 =⋅
=
⋅=
WPPP
IRL
9,975,5765,67
=
−=−=
A seguir são apresentadas as formas de onda correspondentes às formas de onda de
tensão e corrente CA no retificador e no inversor, respectivamente, pelas figuras 4.13 e 4.15.
Figura 4.13 Tensão e corrente CA no retificador.
V
CA, R
i
CA, R
Resultados experimentais
69
Da mesma forma que no caso anterior, na figura 4.14 é apresentado um gráfico onde
as formas de onda de tensão real e ideal podem ser comparadas.
Figura 4.14 Tensões real e ideal (tracejada), e corrente CA no retificador.
Figura 4.15 Tensão e corrente CA no inversor.
V
CA, R
i
CA, R
V
AC, I
i
AC, I
Resultados experimentais
70
Uma vez apresentados os gráficos, é possível fazer as comparações necessárias e al-
gumas observações:
- Para a CERE funcionando como carga indutiva, observa-se que, apesar dos efeitos
da indutância de comutação serem evidentes, o circuito comporta-se de maneira satisfatória,
emulando de maneira suficiente tal situação.
- Funcionando como carga resistiva, a CERE tem suas formas de onda prejudicadas
pelo aumento significativo de corrente e seus efeitos durante a comutação. Apesar disso, res-
pondeu de modo aceitável ao esperado, uma vez que sofreu os efeitos de uma característica
intrínseca do próprio circuito que é a presença da indutância de comutação.
Num primeiro momento, uma solução para minimizar a indutância de comutação e
seus efeitos é diminuir elementos de circuito que contribuem para aumentar tal grandeza.
Nesse arranjo proposto, há a presença não apenas da indutância característica da fonte, mas
também as indutâncias próprias do transformador e do autotransformador. O efeito delas
combinado é cumulativo, contribuindo fortemente para aumentar a indutância de comutação
total. Quanto aos transformadores isoladores, vale lembrar que a fonte que alimenta o retifica-
dor deve estar totalmente isolada da fonte que alimenta o inversor. Eliminar os dois transfor-
madores em questão fará com que o circuito não funcione, conforme foi visto anteriormente.
Como nesse caso a idéia é que a CERE se mantenha fiel à sua proposta de carga eletrônica,
eliminar o transformador isolador do retificador já traria significativa redução no valor de L
C
,
reduzindo seus efeitos, sem o prejuízo no isolamento entre as fontes do retificador e do inver-
sor. Na hipótese de utilizar-se uma fonte CA de teste (um inversor de freqüência alimentado
por baterias, por exemplo, de saída senoidal) podem ser dispensados, do lado retificador, tanto
o autotransformador quanto o transformador isolador, o que diminuiria, em muito, o valor de
L
C
.
De qualquer forma, as experiências realizadas comprovam o funcionamento espera-
do; melhorias no futuro trarão ainda mais veracidade aos testes envolvendo fontes.
5 CONCLUSÃO
5.1 Introdução
Seguindo uma linha de raciocínio iniciada anteriormente em outro trabalho [1], de-
senvolveu-se aqui um novo conceito de carga eletrônica regenerativa, assim como foram rela-
cionadas suas principais equações, além de suas características e restrições de funcionamento.
Como conseqüência disso, simulações foram feitas para a análise de funcionamento da carga
eletrônica e, além disso, um protótipo foi construído com o objetivo de validar o estudo apre-
sentado.
Tal carga desenvolvida destina-se à aplicação em testes de “burn-in”, cuja função é
drenar, do equipamento sob teste, corrente, e consequentemente, tensão, de forma a verificar o
comportamento de tais equipamentos. Esses testes são feitos utilizando-se bancos de resisto-
res (nos casos mais simples) e, em situações que exigem maior complexidade, principalmente
quando se deseja variar o fator de potência da carga ou fazer o controle fino da corrente dre-
nada, bancos de resistores associados a indutores e/ou capacitores (como quando se utiliza
cargas eletrônicas). Cargas eletrônicas normalmente não proporcionam a aplicação a equipa-
mento CC e CA em um mesmo dispositivo; ou a carga é para aplicação em corrente contínua
ou para aplicação em corrente alternada. Considerando que tais cargas têm um custo elevado,
manter uma carga CC e outra CA para a realização de testes torna-se inviável economicamen-
te. Não apenas pelo custo inicial, mas também porque tais cargas eletrônicas, apesar das op-
ções de funcionamento, são dissipativas, gerando custo enquanto funcionam. Além disso, há
limitações de alguns de seus parâmetros (como corrente, por exemplo).
O modelo aqui proposto é um arranjo simples, baseado em uma tecnologia já conhe-
cida e consolidada: a transmissão em corrente contínua e alta tensão (HVDC). Assim, a CERE
funciona drenando energia da rede de alimentação CA, transmitindo-a através de um elo de
corrente contínua, e posteriormente devolvendo grande parte dessa energia à rede CA.
Como um primeiro protótipo desenvolvido, este se destinou a comprovar sua propos-
ta: uma carga eletrônica CA regenerativa, que drena energia da rede CA, que permite a varia-
ção do fator de potência, e devolvendo a maior parte dessa energia à rede alimentadora.
Conclusão
72
5.2 Cargas Eletrônicas e Resistivas
Cargas resistivas ou eletrônicas são dispositivos usualmente utilizados em diversos
ensaios de protótipos comerciais ou de pesquisa. Pelo baixo custo dos resistores em relação às
cargas eletrônicas comerciais, além de sua robustez e capacidade de condução de corrente,
normalmente bancos de resistores são utilizados em laboratórios de pesquisa para testes de
potência elevada. Tais bancos são associados em série e/ou paralelo, de acordo com a neces-
sidade de drenagem de corrente, através de chaves mecânicas, o que traz atrasos na resposta
dinâmica desses testes, além de oscilações nos valores de tensão e corrente.
Utilizando cargas eletrônicas tais efeitos são minimizados e até mesmo suprimidos,
visto que, através de prévia programação de seu modo de funcionamento, tais dispositivos têm
a variação da carga feita através do chaveamento de dispositivos semicondutores, alterando as
resistências sem que haja oscilações nas formas de onda de tensão e corrente, como acontece
quando se usam chaves com contatos mecânicos.
Tanto as cargas eletrônicas comerciais existentes quanto os resistores não possuem a
capacidade de regeneração de energia. Desta forma, em testes de “burn-in” a dissipação por
efeito Joule pode ser enorme, dependendo da potência do equipamento sob teste. Tais ensaios
podem ter custo elevado, visto que os protótipos sob teste têm a necessidade de passar várias
horas ligado, transformando a energia elétrica que recebem em calor, que liberam para o am-
biente.
5.3 Estudo dos conversores
O ponto de partida para o desenvolvimento da CERE-CA foi o estudo de uma confi-
guração de retificador que pudesse defasar, do lado CA, a corrente em relação à tensão. O
conversor escolhido permite abranger os três tipos de carga: resistiva, indutiva e capacitiva;
além disso, sua simplicidade e robustez tornam-no ainda mais atrativo para tal aplicação.
Algumas simulações do conversor foram feitas no intuito de comprovar tal versatili-
dade e as formas de onda comprovaram o que foi proposto inicialmente. Ainda mais, um es-
tudo detalhado do barramento CC foi feito, bem como a análise do inversor, responsável pela
regeneração.
Conclusão
73
Para a análise das restrições envolvidas nesse caso, as equações pertinentes a cada
componente foram estudadas em separado, para posterior análise em conjunto; a partir daí
estavam lançadas as bases de funcionamento do dispositivo proposto. O próximo passo seria,
naturalmente, a construção do protótipo para os testes práticos.
5.4 A CERE desenvolvida
A carga eletrônica regenerativa foi construída seguindo os padrões já utilizados ante-
riormente, de maneira que os conversores, bem como os circuitos de comando, fossem idênti-
cos entre si, diferenciando-se apenas quanto a seu funcionamento. Baseou-se na configuração
de retificador e inversor monofásico de onda completa, tiristorizado, comandado via circuitos
integrados dedicados.
O desenvolvimento do protótipo exigiu vários aprimoramentos para reduzir distúr-
bios prejudiciais a seu funcionamento. Um deles foi a existência de um curto-circuito na fon-
te, que foi eliminado utilizando-se transformadores isoladores; outro problema foi a perda de
referência do circuito de comando devido às deformações nas formas de onda do lado CA dos
conversores, resolvido facilmente através de um pequeno transformador isolador ligado dire-
tamente à rede CA, cuja tensão secundária estava em fase com a tensão aplicada à entrada do
conversor em questão.
Construído o protótipo, a ênfase no ensaio do mesmo foi o passo seguinte.
5.5 Resultados experimentais
A validação do presente trabalho se daria após a comprovação, na prática, daquilo
que fora proposto anteriormente de forma teórica. Para tanto, alguns testes foram feitos, sem-
pre com o cuidado de compará-los com resultados de simulação, analisando o comportamento
da CERE-CA em laboratório.
Como o conversor utilizado permite apenas a emulação de cargas resistivas e induti-
vas, testes que contemplassem essas duas características se fizeram necessário. Dessa forma,
foram feitos dois testes em cada modo de funcionamento, um deles com baixo nível e outro
Conclusão
74
com nível mais elevado de corrente, para que as conseqüências de variação de corrente na
carga pudessem ser analisadas na prática.
Comparando-se os testes realizados com os resultados de simulação, nota-se que a
CERE comporta-se de maneira satisfatória, comprovando sua funcionalidade.
5.6 Melhorias a serem feitas
A carga eletrônica aqui proposta atendeu às expectativas de maneira satisfatória; con-
tudo, melhorias no futuro trarão ainda mais qualidade e veracidade em seu funcionamento. A
seguir são propostas algumas delas.
a)
Faz-se necessário no futuro estender o funcionamento da CERE-CA à modalidade
de carga capacitiva, visto que apenas os casos resistivo e indutivo são abrangidos por este
protótipo. Para tanto, deve-se implementar um conversor baseado em IGBT’s, de modo que o
mesmo possa trabalhar em seu modo retificador adiantando a corrente em relação à tensão.
b)
Circuito de controle
Os circuitos de controle projetado são analógicos, não existe realimentação e a varia-
ção do ângulo de disparo dos tiristores é feita de forma manual, através de um potenciômetro
de precisão. Esse problema pode ser eliminado com o uso de realimentação, o que resolveria
algumas restrições de maneira automática (manter V
R
> V
I
, por exemplo). A precisão do con-
trole do fluxo de corrente poderá ser melhorada substituindo o comando analógico por um
microprocessador. Além disso, utilizar o microprocessador permitiria a programação de vari-
ação automática de carga ao longo do teste, o que torna o processo mais interessante do ponto
de vista da análise de comportamento sob carga variável. Mais que isso, a utilização de chaves
do tipo IGBT requer outro circuito de comando, que permita o controle não apenas da entrada
em condução, mas também da comutação. Para o tiristor, a comutação é automática e exige
apenas o disparo que controla a entrada em comutação; o IGBT, porém, exige que esse dispa-
ro tenha tempo definido (pulso de disparo com duração controlada), que é o tempo que cada
chave deverá conduzir.
c)
Indutância de comutação
Conclusão
75
A inclusão do auto-transformador, bem como do transformador isolador, trouxe efei-
tos ao circuito durante o processo da comutação. Tal efeito foi observado quanto ao aumento
da indutância de comutação (L
C
).
Uma maneira de minimizar esse efeito é reduzir componentes que tragam consigo
tais conseqüências. O transformador isolador, por exemplo, torna-se necessário em apenas um
dos lados. Isolar o lado do inversor traria efeitos da indutância de comutação mais evidentes
apenas desse lado; com isso, reduzir-se-ia bastante a indutância de comutação do lado retifi-
cador. Conforme proposto anteriormente, a necessidade de fazer com que V
R
> V
I
sugere a
utilização de um transformador abaixador do lado do inversor, que serviria não apenas para
tornar a tensão CA do inversor menor que sua correspondente no retificador, mas também
para fazer o isolamento necessário.
De outra forma, o auto-transformador foi utilizado no laboratório para segurança du-
rante o desenvolvimento do trabalho, além de reduzir a energia reativa consumida. Em um
projeto final, sua presença pode ser dispensada.
Eliminando-se os as contribuições dos transformadores, os efeitos da indutância de
comutação serão minimizados diretamente.
d)
Qualidade de energia
Uma vez que o inversor consome potência reativa, faz-se necessária a compensação
destes através de filtros apropriados, sintonizados e/ou ativos, de forma devolver à rede ali-
mentadora corrente senoidal com baixa taxa de distorção harmônica (TDH). Há necessidade
de se estudar filtros de alta freqüência, ativos ou sintonizados, para suprimir as correntes har-
mônicas acima de 60Hz e assim devolver à rede elétrica uma corrente senoidal com TDH bai-
xa.
e)
Carga eletrônica regenerativa trifásica
A extensão do desenvolvimento do projeto à aplicação em circuitos trifásicos é im-
portante, não apenas do ponto de vista dos equipamentos sob teste, mas também para o equilí-
brio da rede alimentadora. Assim, equipamentos com saída trifásica poderão ser testados, e,
além disso, o inversor devolverá energia de forma igualmente distribuída às três fases do sis-
tema elétrico.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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inversor não autônomo, 2003. Dissertação de pós-graduação em Engenharia Elé-
trica – Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 2003.
[2] ARAGÃO FILHO, W. C. P; CROCE, R. G.
Analysis of an adjustable, dc-link-
based, regenerative electronic load. In: COBEP, 7., 2003, Fortaleza. Anais...
São Paulo: SOBRAEP, 2003;
[3] FARIA, L. M.
Estudo e base de projetos de um módulo didático de transmis-
são em corrente contínua. 2003. Trabalho acadêmico (Graduação em Engenharia
Elétrica)-Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 2003;
[4] VENDRUSCULO, E. A.; POMILIO, J. A.
Conversores com capacitor flutuan-
te e comutação suave: aplicações em fonte de tensão com alto fator de potên-
cia e carga eletrônica regenerativa. Revista de Eletrônica de Potência, SOBRA-
EP, V.2, N. 1, Jun. 1997;
[5] BARRETO, W. V.
Estudo e simulação de um sistema de transmissão em cor-
rente contínua. 2001. Trabalho acadêmico (Graduação em Engenharia Elétrica)-
Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 2001;
[6] VENDRUSCULO, E. A.; POMILIO, J. A.
High-efficiency regenerative elec-
tronic load using capacitive idling converter for power sources testing. In:
PESC, 27., 1996, Baveno.
Anais... Baveno: IEEE, 1996;
[7] BARBI, I.
Eletrônica de potência. Edição do Autor. Florianópolis:[s.n.], 1997;
[8] VINCENZI, F. R. S.; BISSOCHI JR, C.A.; GOMES, D. F. B.; VIEIRA JR, J.B.;
FARIAS, V.J. E DE FREITAS, L.C.,
Carga ativa com reciclagem de energia.
In: CBA 2000, Anais...Florianópolis, 2000.
[9] PADIYAR, K. R.
HVDC power transmission systems: Technology and system
interactions. 1st ed. New Delhi: John Wiley & Sons, 1991;
[10] GRAINGER, J. J.; STEVENSON JUNIOR, W. D.
Power system analysis. New
York: McGraw-Hill, 1994;
Referências Bibliográficas
77
[11] GÖNEN, T.
Electric power transmission system. 1st ed. New York: John
Wiley & Sons, 1988;
[12] LANDER, C. W.
Eletrônica industrial: Teoria e aplicações. 1. ed. São Paulo:
McGraw-Hill, 1988;
[13] MOHAN, N.; UNDELAND, T. M.; ROBBINS, W. P.
Power electronics: Con-
verters, applications and design. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons,
1989/1995;
[14] RASHID, M. H.
Power electronics: Circuits, devices and applications. 2nd ed.
New York: Prentice Hall, 1993;
[15] FRERIS, L. L. Control of HVDC systems In: High voltage direct current convert-
ers and systems. 1965, Londres. B. J., Cory Macdonald, 1965;
[16] BRADLEY, D. A.
Power electronics. 2nd ed. New York: Chapman & Hall,
1995;
[17] ELGERD, O. I.
Introdução aos sistemas de energia elétrica. São Paulo: Mc-
Graw Hill do Brasil, 1984;
[18] KIMBARK, E. W.
Direct current transmission. New York: John Wiley & Sons,
1971;
[19] Informações sobre cargas eletrônicas da Agilent Technologies. Disponível em:
<http://www.agilent.com>. Acesso em: 10 ago. 2006;
[20] Informações sobre cargas eletrônicas da American Reliance Inc. Disponível em:
<http://www.amrel.com>. Acesso em: 10 ago. 2006;
[21] Informações sobre cargas eletrônicas da California Instruments. Disponível em:
<http://www.calinst.com>. Acesso em: 10 ago. 2006;
[22] Informações sobre cargas eletrônicas da Nh Research Inc. Disponível em:
<http://www.nhresearch.com>. Acesso em: 10 ago. 2006;
[23] Informações sobre cargas eletrônicas
Chroma Ate Inc. Disponível em: <
http://www.chromaate.com>. Acesso em: 15 ago. 2006;
[24] Informações sobre cargas eletrônicas
Sorensen - Elgar Electronics Corporation.
Disponível em: <
www.sorensen.com >. Acesso em: 15 ago. 2006;
ANEXO A
Formas de onda obtidas em laboratório durante os ensaios da CERE-CA
Nota: as escalas de tensão e corrente estão especificadas nos gráficos apresentados.
Caso 1: Funcionamento como carga indutiva, com α = β = 51,86°, V
CA,I
= 49V
A 1 Tensão e corrente CA no retificador.
A 2 Tensão e corrente CC no retificador.
α
V
R
I
d
V
CA, R
i
CA, R
Anexo A
79
A 3 Tensão instantânea e corrente CC no indutor.
A 4 Tensão e corrente CC no inversor.
β
V
I
I
d
V
L
I
d
Anexo A
80
A 5 Tensão e corrente CA no inversor.
Caso 2: Funcionamento como carga indutiva, com α = 51,86°, β = 69,14°, V
CA,I
=
47,5V
A 6 Tensão e corrente CA no retificador.
i
CA, I
V
CA, I
V
CA, R
i
CA, R
Anexo A
81
A 7 Tensão e corrente CC no retificador.
A 8 Tensão instantânea e corrente CC no indutor.
α
V
R
I
d
V
L
I
d
Anexo A
82
A 9 Tensão e corrente CC no inversor.
A 10 Tensão e corrente CA no inversor.
Caso 3: Funcionamento como carga resistiva, com α = 0°, β = 51,86°, V
CA,I
= 49V
β
V
I
I
d
V
CA, I
i
CA, I
Anexo A
83
A 11 Tensão e corrente CA no retificador.
A 12 Tensão e corrente CC no retificador.
V
R
I
d
V
CA, R
i
CA, R
Anexo A
84
A 13 Tensão instantânea e corrente CC no indutor.
A 14 Tensão e corrente CC no inversor.
β
V
I
I
d
V
L
I
d
Anexo A
85
A 15 Tensão e corrente CA no inversor.
Caso 4: Funcionamento como carga resistiva, com α = 0°, β = 69,14°, V
CA,I
= 47,5V
A 16 Tensão e corrente CA no retificador.
V
CA, I
i
CA, I
V
CA, R
i
CA, R
Anexo A
86
A 17 Tensão e corrente CC no retificador.
A 18 Tensão e corrente CC no indutor.
V
R
I
d
V
L
I
d
Anexo A
87
A 19 Tensão e corrente CC no inversor.
A 20 Tensão e corrente CA no inversor.
β
V
I
I
d
V
CA, I
i
CA, I
GLOSSÁRIO
Astável Circuito cuja forma de onda de saída tem período invariável ao longo do
tempo
“Cúk” Tipo de conversor CC-CC [4]
“Burn-in” Teste o qual se deixa um equipamento operando por várias horas para veri-
ficar seu desempenho e robustez em funcionamento ininterrupto
Efeito Joule Dissipação de energia em forma de calor
“Gate” Gatilho do tiristor
GPIB e RS-232 Tipos de interligação entre a carga eletrônica e o computador
Monoestável Circuito cujo período da forma de onda de saída pode ser variado ao longo
do tempo através de uma referência ou controle
“Ripple” Ondulações na forma de onda
“Snubber” Circuito que reduz picos de tensão nos tiristores durante a comutação
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