Os retificadores não controlados são amplamente utilizados na conversão de energia eólica

MAPA – ELETRÔNICA DE POTÊNCIA – 53_2024

 

Seja bem-vindo, engenheiro!

 

Este M.A.P.A. estará dividido em duas atividades, contextualizadas em diferentes assuntos da disciplina, em que você será estimulado a responder às perguntas feitas baseando-se na observação e prática, sempre contando com o embasamento teórico feito durante as aulas.

 

ATENÇÃO! Este M.A.P.A. é INDIVIDUAL!

Contudo, você pode discutir resultados com seus colegas de classe e trocar informações sobre as simulações e processos. A informação, quando não compartilhada, não gera conhecimento. Discutir a observação de fenômenos físicos e buscar compreender os motivos que levam ao acontecimento daqueles fenômenos é um exercício quase que diário na vida do profissional de engenharia.

 

Bons estudos!

 

ASSUNTO 1: RETIFICADORES EM SISTEMAS DE GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA

Os retificadores, tanto controlados quanto não controlados, desempenham um papel fundamental nos circuitos de geração de energia alternativa. A energia eólica, obtida a partir do vento, é uma fonte de energia limpa e renovável que pode ser convertida em eletricidade por meio de aerogeradores (turbinas eólicas). No entanto, a eletricidade gerada pelos aerogeradores é do tipo alternada e precisa ser retificada para ser utilizada de forma eficiente.

 

Os retificadores não controlados são amplamente utilizados na conversão de energia eólica, especialmente em sistemas de pequena escala. Eles são responsáveis por converter a corrente alternada gerada pelos aerogeradores em corrente contínua, que pode ser armazenada em baterias, alimentar diretamente cargas de corrente contínua ou mesmo alimentar um barramento CC para alimentar um inversor de tensão para injetar energia diretamente à rede elétrica. Esses retificadores são construídos com diodos e, por isso, não exigem um circuito de controle para sua operação.

 

Por outro lado, os retificadores controlados, como o retificador de onda completa controlado, têm a capacidade de ajustar a quantidade de energia convertida. Isso é possível através do controle da fase de disparo dos dispositivos semicondutores, como tiristores, utilizados nesses retificadores. Os retificadores controlados são mais comumente encontrados em sistemas de geração de energia eólica em grande escala, em que o controle preciso e a regulação de potência são essenciais.

 

Um diagrama de blocos pode ilustrar o sistema de geração de energia eólica, mostrando os diferentes componentes e circuitos de potência envolvidos. Cada bloco representaria um elemento-chave, como o gerador, o retificador, o inversor e o consumidor, que pode ser a própria rede elétrica interligada no caso de sistemas on-grid. A Figura 1 apresenta um exemplo de diagrama de blocos de um sistema de geração eólica conectado à rede, onde cada bloco representa um circuito de potência específico.

Figura 1 – Diagrama de blocos do sistema de geração eólica

Fonte: o autor.

No sistema citado a energia cinética do vento é capturada pelo aerogerador e convertida em energia elétrica alternada, comumente a partir de um gerador trifásico, representado no diagrama por PMSG (do inglês, Permanent Magnet Synchronous Generator). Essa energia é então retificada por meio de um retificador controlado, convertendo-a em corrente contínua. A corrente contínua pode ser utilizada para alimentar um barramento CC para uso posterior como um Inversor de tensão, para que seja adequada aos padrões da rede elétrica, permitindo o uso eficiente da energia eólica gerada.

 

Atividade 1)

 

Uma vez que entendemos uma das aplicações mais importantes dos circuitos retificadores controlados em sistemas de geração de energia eólica, iniciaremos analisando o comportamento do principal dispositivo de um retificador controlado: O SCR. A Figura 2 mostra um circuito retificador em onda completa formado por 4 SCRs em ponte alimentando uma carga R-L.

Figura 2 – Retificador monofásico controlado em ponte de SCRs

Fonte: adaptada de: HART, D. W. Eletrônica de potência: análise e projetos de circuitos. São Paulo: McGraw Hill Brasil, 2016.

 

Nessa atividade você identificará a polaridade do dispositivo pelo esquemático e entenderá as informações contidas na folha de dados (datasheet), verificando-as na prática. Para isso, siga os passos descritos no roteiro acessível pelo LINK: CIRCUITOS COM TIRISTORES (https://221322w.ha.azioncdn.net/Arquivo/ID/8051/experimentos/circuitos-com-tiristores.html), começando pela página 11 (ATIVIDADE 3).

 

Agora, responda às questões a seguir:

 

1.a) Quais as condições necessárias para que o SCR do experimento comece a conduzir?

1.b) Qual o valor da corrente máxima entre Gate e Catodo especificada para o SCR em questão?

1.c) Qual o valor da corrente entre Anodo e Catodo, para que o SCR do experimento mantenha a condução após a retirada do sinal de gate?

 

O próximo objetivo é verificar o funcionamento de um circuito com SCR, evidenciando as condições para que o dispositivo inicie a condução e bloqueio da corrente. Para isso, proceda a montagem do circuito da Figura 8 da página 12 do roteiro destacado. A Figura 3 mostra este circuito, que deve ser feita a montagem.

Figura 3 – Circuito de acionamento SCR1 (LED e R1 em paralelo)

Fonte: o autor.

Após a montagem completa, responda às questões a seguir:

 

1.d) Quando pressionamos a botoeira NA, o que ocorre com o LED? Qual o valor da corrente I1? (Faça a medição da corrente com o multímetro e apresente uma foto da medição realizada).

 

1.e) Quando liberamos a botoeira, o que ocorre com o LED e por quê? Com qual valor de corrente Ânodo-Cátodo os LEDs continuariam ligados mesmo sem ser acionada a botoeira?

 

ASSUNTO 2: PARTIDA SUAVE DE MOTORES DE INDUÇÃO

Os motores elétricos estão presentes na maioria dos processos industriais e em grande parte desses processos há necessidade de partidas suaves ou controle de velocidade durante a partida.

Com a evolução da eletrônica de potência, torna-se cada vez mais viável e prático o uso de chaves eletrônicas de partida de motores. A partida suave de motores de indução, ou como são comumente conhecidas as “soft-starter” são equipamentos eletrônicos utilizados como chave de partida de ótimo desempenho.

As chaves de partida soft-starter são destinadas ao comando de motores de corrente alternada ou contínua, assegurando a aceleração e desaceleração progressiva e permitindo uma adaptação da velocidade às condições de operação.

A alimentação do motor, quando é colocado em funcionamento, é feita por aumento progressivo de tensão, o que permite uma partida sem golpes e reduz o pico de corrente. Isso é obtido por meio de um conversor com tiristores em antiparalelo, montados de dois a dois em cada fase da rede.

A Figura 4 mostra o diagrama de blocos de uma soft-starter modelo SSW07, do fabricante WEG, onde é possível verificar os pares de SCR em conectados em cada fase.

Figura 4 – Diagrama de blocos da soft-starter WEG SSW-07

Fonte: https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h8f/h39/WEG-SSW07-user-manual-0899.5832-en-es-pt.pdf. Acesso em: 5 jul. 2024.

 

Atividade 2)

Agora que já conhecemos uma aplicação importante dos circuitos com SCR, analisaremos o funcionamento de um circuito clássico para disparo do SCR: o oscilador de relaxação com UJT.

Este circuito utiliza um Transistor de Unijunção para gerar os pulsos de disparo conectados ao Gate do Tiristor. A frequência dos pulsos pode ser controlada a partir da carga/descarga de um circuito RC, em que a combinação Resistência-Capacitância determina o tempo de carregamento do capacitor e, consequentemente, os pulsos entregues ao gate do SCR a partir do UJT.

 

Para essa parte da atividade, utilizaremos como base o seguinte roteiro experimental: ANÁLISE DE SINAIS DE UM CIRCUITO DE DISPARO DE TIRISTOR (UJT) ALIMENTADOR POR PONTE RETIFICADORA: https://221322w.ha.azioncdn.net/Arquivo/ID/8051/experimentos/analise-sinais-circuito-disparo-tiristor-alimentador-ponte-retificadora.html.

 

Atividade experimental:

 

2.a) Primeiramente, com a bancada desenergizada e sem realizar nenhuma conexão, meça os valores da capacitância C1, resistência R2 e o valor máximo de P utilizando o multímetro digital.

C1
R2
P

 

2.b) Realize a montagem do circuito retificador não controlado para alimentação, conforme o diagrama da Figura 5 a seguir e, em seguida, anote o valor médio da tensão entre Vdc+ e Vdc-.

Figura 5 – Circuito retificador a diodos para alimentação do oscilador de relaxação

Fonte: https://221322w.ha.azioncdn.net/Arquivo/ID/8051/experimentos/analise-sinais-circuito-disparo-tiristor-alimentador-ponte-retificadora.html. Acesso em: 5 jul. 2024.

Tensão de alimentação (Vdc)

 

 

Realize a montagem do Oscilador de Relaxação ilustrado na Figura 6, utilizando a saída do retificador à diodos como alimentação.

Figura 6 – Circuito oscilador de relaxação com UJT

Fonte: https://221322w.ha.azioncdn.net/Arquivo/ID/8051/experimentos/analise-sinais-circuito-disparo-tiristor-alimentador-ponte-retificadora.html. Acesso em: 5 jul. 2024.

 

Utilizando o osciloscópio digital, efetue a medição da tensão sobre o capacitor C1 (CH1) e a tensão no primário do transformador de pulso TP (CH2). Em seguida, responda:

 

2.c) Qual a relação entre o valor da resistência do potenciômetro e a frequência da tensão no capacitor C1? Justifique.

2.d) Qual a relação entre a tensão em C1 e no primário de TP? Justifique.

Posicione o potenciômetro P no valor mínimo e verifique o formato da onda no canal 1. Em seguida, posicione o potenciômetro no valor máximo e repita a análise.

2.e) Qual a relação entre as formas de onda dos canais 1 e 2? (Apresente uma foto da tela do osciloscópio com os sinais observados).

2.f) Qual a relação entre o valor da resistência do potenciômetro e o valor eficaz da tensão na carga? Justifique a sua resposta.

2.g) Houve alteração na potência absorvida pela lâmpada a partir da alteração do valor do potenciômetro?