- Operação de quatro quadrantes em conversor duplo
- Princípio
- Conversor Dual Prático
- 1) Operação do conversor duplo sem corrente circulante
- 2) Operação do conversor duplo com corrente circulante
- 1) Conversor Dual Monofásico
- 2) Conversor Dual Trifásico
No tutorial anterior, vimos como um circuito de fonte de alimentação dupla é projetado, agora aprendemos sobre os conversores duplos, que podem converter CA para CC e CC para CA ao mesmo tempo. Como o nome sugere, o Dual Converter tem dois conversores, um conversor funciona como um retificador (converte CA em CC) e outro conversor funciona como um inversor (converte CC em CA). Ambos os conversores são conectados costas com costas com uma carga comum, conforme mostrado na imagem acima. Para saber mais sobre Retificador e Inversor, siga os links.
Por que usamos o conversor duplo? Se apenas um conversor pode fornecer a carga, então por que usamos dois conversores? Essas perguntas podem surgir e você obterá a resposta neste artigo.
Aqui temos dois conversores conectados costas com costas. Devido a este tipo de conexão, este dispositivo pode ser projetado para operação em quatro quadrantes. Isso significa que a tensão e a corrente de carga tornam-se reversíveis. Como a operação de quatro quadrantes é possível no conversor duplo? Isso veremos mais adiante neste artigo.
Geralmente, os conversores duplos são usados para drives CC reversíveis ou drives CC de velocidade variável. É usado para aplicações de alta potência.
Operação de quatro quadrantes em conversor duplo
Primeiro quadrante: tensão e corrente positivas.
Segundo quadrante: a tensão é positiva e a corrente é negativa.
Terceiro quadrante: tensão e corrente negativas.
Quarto quadrante: a tensão é negativa e a corrente é positiva.
Destes dois conversores, o primeiro conversor funciona em dois quadrantes dependendo do valor do ângulo de disparo α. Este conversor funciona como retificador quando o valor de α é inferior a 90˚. Nesta operação, o conversor produz uma tensão de carga e corrente de carga médias positivas e opera no primeiro quadrante.
Quando o valor de α é maior que 90˚, este conversor funciona como um inversor. Nesta operação, o conversor produz tensão de saída média negativa e a direção da corrente não é alterada. É por isso que a corrente de carga permanece positiva. Na operação do primeiro quadrante, a energia é transferida da fonte para a carga e na operação do quarto quadrante, a energia é transferida da carga para a fonte.
Da mesma forma, o segundo conversor opera como um retificador quando o ângulo de disparo α é menor que 90˚ e opera como um inversor quando o ângulo de disparo α é maior que 90˚. Quando este conversor opera como um retificador, a tensão e a corrente de saída médias são negativas. Portanto, ele opera no terceiro quadrante e o fluxo de potência é da carga para a fonte. Aqui, o motor gira na direção reversa. Quando este conversor opera como um inversor, a tensão média de saída é positiva e a corrente é negativa. Portanto, ele opera no segundo quadrante e o fluxo de potência é da carga para a fonte.
Quando o fluxo de energia é da carga para a fonte, o motor se comporta como um gerador e isso possibilita a interrupção regenerativa.
Princípio
Para entender o princípio do conversor duplo, presumimos que ambos os conversores são ideais. Isso significa que eles produzem tensão de saída DC pura, não há ondulação nos terminais de saída. O diagrama equivalente simplificado do conversor duplo é mostrado na figura abaixo.
No diagrama de circuito acima, o conversor é considerado uma fonte de tensão CC controlável e é conectado em série com o diodo. O ângulo de disparo dos conversores é regulado por um circuito de controle. Portanto, as tensões CC de ambos os conversores são iguais em magnitude e opostas em polaridade. Isso torna possível conduzir a corrente na direção reversa através da carga.
O conversor operando como retificador é denominado conversor de grupo positivo e o outro conversor operando como inversor é denominado conversor de grupo negativo.
A tensão média de saída é uma função do ângulo de disparo. Para inversor monofásico e inversor trifásico, a tensão média de saída está na forma das equações abaixo.
E DC1 = E max Cos⍺ 1 E DC2 = E max Cos⍺ 2
Onde α 1 e α 2 são o ângulo de disparo do conversor-1 e do conversor-2, respectivamente.
Para, conversor duplo monofásico, E max = 2E m / π
Para conversor duplo trifásico, E max = 3√3E m / π
Para, conversor ideal, E DC = E DC1 = -E DC2 E max Cos⍺ 1 = -E max Cos⍺ 2 Cos⍺ 1 = -Cos⍺ 2 Cos⍺ 1 = Cos (180⁰ - ⍺ 2) ⍺ 1 = 180⁰ - ⍺ 2 ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰
Conforme discutido acima, a tensão média de saída é uma função do ângulo de disparo. Isso significa que, para a tensão de saída desejada, precisamos controlar o ângulo de disparo. Um circuito de controle do ângulo de disparo pode ser usado de forma que, quando o sinal de controle E c muda, os ângulos de disparo α 1 e α 2 mudam de forma que satisfaça o gráfico abaixo.
Conversor Dual Prático
Praticamente não podemos assumir ambos os conversores como um conversor ideal. Se o ângulo de disparo dos conversores for definido de forma que ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰. Nesta condição, a tensão média de saída de ambos os conversores são iguais em magnitude, mas opostas em polaridade. Mas, devido à ondulação da tensão, não podemos obter exatamente a mesma tensão. Assim, há diferença de tensão instantânea nos terminais DC dos dois conversores que produzem enormes c actual irculating entre os conversores e que vai fluir através da carga.
Portanto, no prático conversor duplo, é necessário controlar a corrente circulante. Existem dois modos de controlar a corrente circulante.
1) Operação sem corrente circulante
2) Operação com corrente circulante
1) Operação do conversor duplo sem corrente circulante
Neste tipo de conversor duplo, apenas um conversor está em condução e outro conversor está temporariamente bloqueado. Assim, ao mesmo tempo, um conversor opera e o reator não é necessário entre os conversores. Em um determinado instante, digamos que o conversor-1 atue como um retificador e forneça a corrente de carga. Neste instante, o conversor-2 é bloqueado removendo o ângulo de tiro. Para operação de inversão, o conversor-1 está bloqueado e o conversor-2 está fornecendo a corrente de carga.
Os pulsos para o conversor-2 são aplicados após um tempo de retardo. O tempo de atraso é de cerca de 10 a 20 mseg. Por que aplicamos o tempo de atraso entre a mudança de operação? Ele garante uma operação confiável dos tiristores. Se o conversor 2 disparar antes que o conversor 1 seja completamente desligado, uma grande quantidade de corrente circulante fluirá entre os conversores.
Existem muitos esquemas de controle para gerar um ângulo de disparo para operação livre de corrente circulante do conversor duplo. Esses esquemas de controle são projetados para operar sistemas de controle muito sofisticados. Aqui, por vez, apenas um conversor está em condução. Portanto, é possível usar apenas uma unidade de ângulo de tiro. Alguns esquemas básicos estão listados abaixo.
A) Seleção do conversor pela polaridade do sinal de controle
B) Seleção do conversor pela polaridade da corrente de carga
C) Seleção do conversor por tensão de controle e corrente de carga
2) Operação do conversor duplo com corrente circulante
Sem conversor de corrente circulante, requer sistema de controle muito sofisticado e a corrente de carga não é contínua. Para superar essas dificuldades, existe um conversor duplo que pode operar com a corrente circulante. Um reator limitador de corrente é conectado entre os terminais CC de ambos os conversores. O ângulo de disparo de ambos os conversores é definido de forma que a quantidade mínima de corrente circulante flua através do reator. Conforme discutido no inversor ideal, a corrente circulante é zero se ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰.
Digamos que o ângulo de disparo do conversor-1 seja 60˚, então o ângulo de disparo do conversor-2 deve ser mantido em 120˚. Nesta operação, o conversor 1 funcionará como retificador e o conversor 2 como inversor. Assim, neste tipo de operação, ao mesmo tempo os dois conversores estão em estado de condução. Se a corrente de carga for invertida, o conversor que é operado como retificador passa a funcionar como inversor, enquanto o conversor que é operado como inversor passa a funcionar como retificador. Nesse esquema, os dois conversores conduzem ao mesmo tempo. Portanto, são necessárias duas unidades geradoras de ângulo de disparo.
A vantagem desse esquema é que podemos obter um funcionamento suave do conversor no momento da inversão. O tempo de resposta do esquema é muito rápido. O período de atraso normal é de 10 a 20 mseg no caso de operação sem corrente circulante ser eliminada.
A desvantagem deste esquema é que o tamanho e o custo do reator são elevados. Por causa da corrente circulante, o fator de potência e a eficiência são baixos. Para lidar com a corrente circulante, são necessários tiristores com altas classificações de corrente.
Conforme o tipo de carga, são utilizados conversores monofásicos e trifásicos duais.
1) Conversor Dual Monofásico
O diagrama de circuito do conversor duplo é mostrado na figura abaixo. Um motor CC excitado separadamente é usado como carga. Os terminais CC de ambos os conversores são conectados aos terminais do enrolamento da armadura. Aqui, dois conversores completos monofásicos são conectados costas com costas. Ambos os conversores fornecem uma carga comum.
O ângulo de disparo do conversor-1 é α 1 e α 1 é menor que 90˚. Conseqüentemente, o conversor-1 atua como um retificador. Para semiciclo positivo (0 <t <π), os tiristores S1 e S2 conduzirão e para um semiciclo negativo (π <t <2π), os tiristores S3 e S4 irão conduzir. Nesta operação, a tensão de saída e a corrente são ambas positivas. Portanto, esta operação é conhecida como operação de motorização para frente e o conversor trabalha no primeiro quadrante.
O ângulo de disparo do conversor-2 é 180 - α 1 = α 2 e α 2 é maior que 90˚. Portanto, o conversor-2 atua como um inversor. Nesta operação, a corrente de carga permanece na mesma direção. A polaridade da tensão de saída é negativa. Portanto, o conversor trabalha no quarto quadrante. Esta operação é conhecida como frenagem regenerativa.
Para rotação reversa do motor DC, o conversor-2 atua como retificador e o conversor-1 atua como um inversor. O ângulo de disparo do conversor-2 α 2 é inferior a 90˚. A fonte de tensão alternativa fornece a carga. Nesta operação, a corrente de carga é negativa e a tensão média de saída também é negativa. Portanto, o conversor-2 trabalha no terceiro quadrante. Esta operação é conhecida como motorização reversa.
Na operação reversa, o ângulo de disparo do conversor-1 é menor que 90˚ e o ângulo de disparo do conversor-2 é maior que 90˚. Portanto, nesta operação, a corrente de carga é negativa, mas a tensão média de saída é positiva. Portanto, o conversor-2 trabalha no segundo quadrante. Esta operação é conhecida como frenagem regenerativa reversa.
A forma de onda do conversor duplo monofásico é mostrada na figura abaixo.
2) Conversor Dual Trifásico
O diagrama do circuito do conversor trifásico duplo é mostrado na figura abaixo. Aqui, dois conversores trifásicos são conectados costas com costas. O princípio de operação é o mesmo de um conversor dual monofásico.
Portanto, é assim que os conversores duplos são projetados e, como já foi dito, eles geralmente são usados para construir drives CC reversíveis ou drives CC de velocidade variável em aplicações de alta potência.