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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA

Análise e implementação de um cicloconversor trifásico com carga resistiva

e indutiva

EDILSON GONZAGA PERES JUNIOR

LUSSANDER EDUARDO DE SOUZA

Itajubá, outubro de 2017

UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação

i

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA

EDILSON GONZAGA PERES JUNIOR

LUSSANDER EDUARDO DE SOUZA

Análise e implementação de um cicloconversor trifásico com carga resistiva

e indutiva

Monografia apresentada ao Instituto de

Sistemas Elétricos e Energia, da

Universidade Federal de Itajubá, como parte

dos requisitos para obtenção do título de

Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Dr. Ricardo Elias Caetano

Coorientador: Prof. Dr. Ângelo José Junqueira Rezek

Itajubá, outubro de 2017


ii

Dedicatória

Dedicamos este trabalho primeiramente а Deus, pois sеm ele nãо teríamos forças pаrа

essa longa jornada.

Аоs nossos pais, irmãos e a todos os familiares que, cоm muito carinho е apoio, nãо

mediram esforços para quе chegássemos аté esta etapa dе nossas vidas.

Dedicamos também а todos оs professores qυе nos acompanharam durante а graduação,

еm especial ао Prof. Dr. Ricardo Elias Caetano е ao Prof. Dr. Ângelo José Junqueira Rezek,

responsáveis pеlа realização deste trabalho.


iii

Agradecimentos

À Universidade Federal de Itajubá, pela oportunidade dе fazer о curso de Engenharia

Elétrica, a todos os nossos familiares e professores presentes durante toda a graduação, a

empresa Datapool e seus funcionários que sempre nos ajudaram e por fim a todos quе direta оu

indiretamente fizeram parte dа nossa formação, о nosso muito obrigado.


iv

Resumo

O trabalho apresentado sob o título “Análise e implementação de um cicloconversor

trifásico com carga resistiva e indutiva” tem como objetivo modelar teoricamente configurações

de cicloconversores de três, seis, doze e vinte e quatro pulsos e através de simulações com o

software Ciclocon analisar os resultados obtidos, além de modelar e simular cicloconversores

de seis e doze pulos no “software” MATLAB, visando obter resultados para serem analisados,

tais como formas de onda e conteúdos harmônicos.

Este trabalho tem também como objetivo a implementação prática de um cicloconversor

trifásico para trifásico de três pulsos com carga resistiva e com carga indutiva, do qual serão

realizadas coletas de dados para comparação com os dados obtidos nas simulações e também

com a teoria envolvida.

Através da análise das simulações realizadas, nota-se a influência do número de pulsos

do cicloconversor, a frequência e amplitude da tensão de saída no espectro harmônico. Na

comparação entre as simulações e a montagem experimental com carga resistiva percebe-se que

os resultados obtidos são bem próximos. Na análise com carga indutiva, na qual foi utilizado

um motor de indução trifásico, observou-se ruídos na forma de onda da tensão de saída e a

influência da carga na forma de onda da corrente.

Ao final do trabalho conclui-se que os resultados obtidos pela implementação e

simulações realizadas foram satisfatórios se comparados a teoria e são propostas análises de

cicloconversores com maior número de pulsos, diversos tipos de cargas e das componentes

harmônicas geradas para o sistema em trabalhos futuros, aplicando-se os conceitos aqui

apresentados.

Palavras chave: Cicloconversor. Harmônicos. Implentação. Simulações.


v

Abstract

The work presented under the heading “Analysis and implementation of a three phase

cicloconverter with resistive and inductive load” has as objective to model theoretically

configurations of three, six, twelve and twenty four pulses cicloconverters and through

simulations with the software Ciclocon analyse the results acquired, in addition to model and

simulate six and twelve pulses cicloconverters in MATLAB software, in order to get results to

be analysed, as waveforms and harmonic components.

This work has also as objective the practical implementation of a three-phase to three-

phase three pulses cicloconverter with resistive and inductive load, from which will be made

data acquisition for comparing with the data acquired through simulation and also with the

developed theory.

Through the analysis of the simulations made it is noticed the influence of the number

of pulses of the cicloconverters, the frequency and amplitude of the output voltage on the

harmonic spectrum. In the comparison between the simulations and the experimental mounting

with resistive load it is realized that the given results are very close. In the analysis with

inductive load, in which a three-phase induction motor was used, it was observed ripples in the

output voltage waveform and the influence of the load in the current waveform.

At the end of the work it’s concluded that the results obtained by the implementation

and simulations accomplished were satisfactory if compared to the theory and analysis of

cycloconverters with greater number of pulses, various sorts of load and of the harmonic

components generated to the system are proposed for future researches, applying the concepts

presented here.

Key words: Cicloconverter. Harmonics. Implementation. Simulations.


vi

Lista de Figuras

Figura 2.1 – Cicloconversor monofásico com carga resistiva. ................................................. 21

Figura 2.2 – Formas de onda na saida de um cicloconversor monofásico com carga resistiva.

.................................................................................................................................................. 22

Figura 2.3 – Cicloconversor monofásico com SCRs ligados em ponte. .................................. 22

Figura 2.4 – Formas de onda com controle de disparo dos SCRs. ........................................... 23

Figura 2.5 – Circuito cicloconversor trifásico para monofásico. ............................................. 24

Figura 2.6 – Circuito cicloconversor trifásico para trifásico de 3 pulsos. ................................ 25

Figura 2.7 – Forma de onda na saída de uma fase. ................................................................... 26

Figura 2.8 – Cicloconversor de 3 pulsos com ponto médio. .................................................... 27

Figura 2.9 – Cicloconversor de 6 pulsos com carga isolada. ................................................... 27

Figura 2.10 – Cicloconversor de 6 pulsos com carga nao isolada. ........................................... 28

Figura 3.1 – Cartão de disparo 9945. ....................................................................................... 32

Figura 3.2 – Forma de onda do sincronismo. ........................................................................... 33



Figura 3.5 – Formas de onda. ................................................................................................... 35

Figura 3.6 – Interface Software Ciclocon. ................................................................................ 36

Figura 3.7 – Forma de onda cicloconversor de 3 pulsos - frequência de saída 30 Hz e amplitude

100%. ........................................................................................................................................ 37


100%. ........................................................................................................................................ 37


50%. .......................................................................................................................................... 38


vii


50%. .......................................................................................................................................... 38


100%. ........................................................................................................................................ 39


100%. ........................................................................................................................................ 39


50%. .......................................................................................................................................... 39


50%. .......................................................................................................................................... 40

Figura 3.15 – Cicloconversor de 12 pulsos. ............................................................................. 40

Figura 3.16 – Forma de onda cicloconversor de 12 pulsos - frequência de saída 30 Hz e

amplitude 100%. ....................................................................................................................... 41


amplitude 100%. ....................................................................................................................... 41


amplitude 50%. ......................................................................................................................... 41


amplitude 50%. ......................................................................................................................... 42


amplitude 100%. ....................................................................................................................... 42


amplitude 100%. ....................................................................................................................... 42


amplitude 50%. ......................................................................................................................... 43


viii


amplitude 50%. ......................................................................................................................... 43


87%. .......................................................................................................................................... 43

Figura 4.1– Diagrama de blocos cicloconversor trifásico de 6 pulsos. .................................... 44

Figura 4.2 – Grupo de tiristores do cicloconversor trifásico de 6 pulsos. ................................ 45

Figura 4.3 – Controle dos disparos dos tiristores. .................................................................... 45

Figura 4.4 – Bloco de controle do disparo para o cicloconversor de 6 pulsos. ........................ 46

Figura 4.5 – Pulsos de disparo do semi-ciclo positivo. ............................................................ 46

Figura 4.6 – Pulsos de disparo do semi-ciclo negativo. ........................................................... 47

Figura 4.7 – Forma de onda das tensões nas fases A, B e C, com frequência de saída 30 Hz e

amplitude 100%. ....................................................................................................................... 47

Figura 4.8 – Forma de onda na fase A e forma de onda de referência para o disparo, com

frequência de saída 30 Hz e amplitude 100%........................................................................... 48

Figura 4.9 – Espectro harmônico com frequência de saída 30 Hz e amplitude 100%. ............ 48


amplitude 100%. ....................................................................................................................... 49



Figura 4.12 Espectro harmônico com frequência de saída 15 Hz e amplitude 100%. ............. 50


amplitude 50%. ......................................................................................................................... 50


frequência de saída 30 Hz e amplitude 50%............................................................................. 51



ix


amplitude 50%. ......................................................................................................................... 52




Figura 4.19 – Diagrama de blocos cicloconversor trifásico de 12 pulsos. ............................... 54

Figura 4.20 – Grupo de tiristores do cicloconversor trifásico de 12 pulsos. ............................ 54

Figura 4.21 – Bloco de controle do disparo para o cicloconversor de 12 pulsos. .................... 55

Figura 4.22 – Pulsos de disparo do semi-ciclo positivo ligado ao transformador em estrela. . 55

Figura 4.23 – Pulsos de disparo do semi-ciclo positivo ligado ao transformador em delta. .... 56

Figura 4.24 – Pulsos de disparo do semi-ciclo negativo ligado ao transformador em estrela.. 56

Figura 4.25 – Pulsos de disparo do semi-ciclo negativo ligado ao transformador em delta. ... 57


amplitude 100%. ....................................................................................................................... 57



Figura 4.28 – Espectro harmônico com frequência de saída 30 Hz e amplitude 100%. .......... 58


amplitude 100%. ....................................................................................................................... 59



Figura 4.31 – Espectro harmônico com frequência de saída 15 Hz e amplitude 100%. .......... 60


amplitude 50%. ......................................................................................................................... 60


x





amplitude 50%. ......................................................................................................................... 62


amplitude 50%. ......................................................................................................................... 62


Figura 4.38 – Montagem experimental do cicloconversor trifásico para monofásico. ............ 64

Figura 4.39 – Montagem experimental do cicloconversor trifásico para trifásico com carga

resistiva. .................................................................................................................................... 65

Figura 4.40 – Formas de onda de tensão (fases A e B). ........................................................... 65

Figura 4.41 – Formas de onda de tensão (fases A e C). ........................................................... 66

Figura 4.42 – Formas de onda de tensão e corrente na fase A. ................................................ 67

Figura 4.43 – Espectro harmônico da tensão na fase A. .......................................................... 68

Figura 4.44 – Espectro harmônico da corrente na fase A. ........................................................ 68


resistiva indutiva. ...................................................................................................................... 69

Figura 4.46 – Montagem experimental do cicloconversor trifásico para trifásico com MIT. .. 70

Figura 4.47 – Formas de onda de tensão e corrente na fase A. ................................................ 70

Figura 4.48 – Formas de onda de tensão nas fases A e B ........................................................ 71

Figura 4.49 – Espectro harmônico da tensão na fase A. .......................................................... 72

Figura 5.1 – Ordens dos harmônicos presentes na forma de onda de tensão na saída do

cicloconversor. .......................................................................................................................... 75


xi

Lista de Abreviaturas e Siglas

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contínua

GTO Tiristor com Controle de Porta (do inglês – Gate Turn-Off Thyristor)

IGBT Transistor Bipolar de Porta Isolada (do inglês – Insulated Gate Bipolar

Transistor)

MATLAB Software de computação numérica da empresa MathWorks

MOSFET Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor (do inglês – Metal

Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

SCRs Retificador Controlado de Silício (do inglês – Silicon Controlled Rectifier)

THD Distorção Harmônica Total (do inglês – Total Harmonic Distortion)

TRIAC Triodo para Corrente Alternada (do inglês – Triode for Alternating Current)

MIT Motor de indução trifásico


xii

Lista de Símbolos

𝛼 Ângulo do disparo do SCR

𝑓 Frequência

𝑓1 Frequência fundamental

𝑓𝐻 Frequência das harmônicas

𝑓𝑖 Frequência de alimentação

𝑓𝑜 Frequência de saída do cicloconversor

𝐹𝑣𝑒𝑓1 Valor eficaz de um sinal na frequência fundamental

𝐹𝑣𝑒𝑓𝑛 Valor eficaz da componente harmônica de ordem 𝑛 do sinal

𝐼𝐿𝑣𝑒𝑓 Valor eficaz da corrente na carga

ℎ Número inteiro positivo diferente de 0

𝑗 Constante complexa igual a √−1

𝐿 Indutância

𝑚 Número de pulsos

𝑛 Número inteiro de 0 a ∞

𝑝 Número inteiro de 1 a ∞

𝑃 Potência ativa

𝑅 Resistência

𝑉 Tensão

𝑉𝐿𝑣𝑒𝑓 Valor eficaz da tensão na carga

𝑉𝐿𝑀 Valor eficaz máximo da tensão produzia pelo cicloconversor

𝑉𝐿𝑚𝑒𝑑 Valor médio da tensão na carga indutiva


xiii

𝑉𝐿𝑜 Valor máximo da tensão média na carga

𝑉𝑜 Valor eficaz da tensão aplicada à carga

𝑋𝐿 Reatância indutiva

𝑍 Impedância


xiv

Sumário

1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 16

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................................... 18

2.1 Conversores ............................................................................................................. 18

2.2 Controladores de tensão CA .................................................................................. 18

2.3 Cicloconversores ..................................................................................................... 19

2.3.1 Princípio de funcionamento ................................................................................... 19

2.3.2 Estrutura dos cicloconversores.............................................................................. 20

2.3.3 Cicloconversor monofásico .................................................................................... 20

2.3.4 Cicloconversor trifásico ......................................................................................... 23

2.3.5 Cicloconversor trifásico para monofásico ............................................................ 23

2.3.5.1 Princípio de funcionamento ........................................................................... 24

2.3.6 Cicloconversor trifásico para trifásico ................................................................. 24

2.3.6.1 Princípio de funcionamento ........................................................................... 25

2.3.7 Cicloconversor de 3 Pulsos com ponto médio ...................................................... 26

2.3.8 Cicloconversor de 6 pulsos com carga isolada ..................................................... 27

2.3.9 Cicloconversor de 6 pulos com carga não isolada ............................................... 28

2.4 Componentes harmônicas ...................................................................................... 28

2.4.1 Iterharmônicos e sub-harmônicos ......................................................................... 31

3 MODELAGEM TEÓRICA ........................................................................................... 32

3.1 Disparo do cicloconversor ...................................................................................... 32

3.2 Simulações ............................................................................................................... 35

3.2.1 Cicloconversor de 3 pulsos ..................................................................................... 36

3.2.2 Cicloversor de 6 pulsos ........................................................................................... 38

3.2.3 Cicloconversr de 12 pulsos ..................................................................................... 40

3.2.4 Cicloconversor de 24 pulsos ................................................................................... 42

3.2.5 Simulação com os valores de frequência e tensão de saída próximos aos que

foram utilizados na parte experimental ........................................................................... 43

4 ANÁLISE EXPERIMENTAL ....................................................................................... 44

4.1 Calibração dos cartões de disparo ........................................................................ 44

4.2 Simulações no “software” MATLAB .................................................................... 44

4.2.1 Cicloconversor trifásico para trifásico de 6 pulsos .............................................. 44

4.2.2 Cicloconversor trifásico para trifásico de 12 pulsos ............................................ 53


xv

4.3 Cicloconversor trifásico para monofásico ............................................................ 63

4.4 Cicloconversor trifásico para trifásico ................................................................. 64

4.4.1 Com carga resistiva ................................................................................................ 64

4.4.2 Com carga resistiva indutiva ................................................................................. 69

4.4.3 Com motor de indução trifásico ............................................................................ 69

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ................................................................................. 73

5.1 Simulações ............................................................................................................... 73

5.1.1 Ciclocon ................................................................................................................... 73

5.1.2 MATLAB ................................................................................................................. 73

5.2 Cicloconversor trifásico para trifásico ................................................................. 73

5.3 Comparação entre simulação e montagem experimental ................................... 73

5.4 Ensaio com carga resistiva indutiva ..................................................................... 74

5.5 Ensaio com motor de indução trifásico ................................................................ 74

5.6 Comparação de harmônicos .................................................................................. 76

6 CONCLUSÃO ................................................................................................................. 78

REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 79


16

1 Introdução

Com o passar dos anos a demanda por energia elétrica sofreu um grande aumento

juntamente com o crescimento do sistema elétrico brasileiro e suas interligações. Com isso o

controle do fluxo de energia elétrica que sempre foi uma das maiores preocupações dos

engenheiros eletricistas tornou-se uma tarefa muito complexa.

Para que este controle, seja ele transferência de potência elétrica de uma fonte para uma

carga, acionamentos de máquinas ou controles industriais, fosse realizado de modo a se obter

rendimentos elevados, pois se trata de uma potência elevada, foram desenvolvidos dispositivos

eletrônicos conhecidos como elementos ativos ou interruptores, tais como o GTO (Tiristor com

Controle de Porta, do inglês Gate Turn-Off Thyristor), TRIAC (Triodo para Corrente Alternada,

do inglês Triode for Alternating Current), IGBT (Transistor Bipolar de Porta Isolada, do inglês

Insulated Gate Bipolar Transistor) e MOSFET (Transistor de Efeito de Campo Metal Óxido

Semicondutor, do inglês Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), que juntamente

com os elementos passivos já existentes tais como resistores, capacitores e indutores são

utilizados nos circuitos de eletrônica de potência também chamados de conversores.

Dentre os tipos de conversores se destaca o cicloconversor o qual foi utilizado pela

primeira vez na década de 1960 sendo o primeiro dispositivo a empregar eletrônica de potência.

Este conversor converte uma tensão CA de um determinado módulo e frequência em

uma tensão CA de módulo e frequência ajustáveis, que devido à comutação de saída é na

maioria das vezes uma fração da frequência de entrada. Este tipo de conversor é muito utilizado

para acionamentos de maquinas de baixa velocidade onde deseja-se controlar a frequência e a

tensão de saída, como por exemplo moinhos para fabricação de cimento e alimentação

ferroviária.

Esta monografia tem como objetivo analisar os tipos de configuraçoes dos

cicloconversores assim como obter na prática resultados que comprovem ou não a teoria.

Deste modo os seguintes assuntos são abordados:

Capítulo 2: Consiste em uma revisão bibliografica sobre diversos tipos de conversores,

de maneira mais especifica sobre o cicloconversor, abordando suas caracteristicas e tipos de

configurações assim como equações e teorias. Esse capítulo também faz uma abordagem sobre

os conteúdos harmônicos produzidos com o uso de conversores.

Capítulo 3: São realizadas simulações através de softwares além de modelagens teóricas

para algumas configurações de um cicloconversor.


17

Capítulo 4: São apresentados os dados obtidos através dos experimentos realizados em

laboratório e nas simulações.

Capítulo 5: São realizadas discuções sobre os resultados obtidos durante a parte

experimental comparando-os com as simulações realizadas na modelagem teórica.

Capítulo 6: São apresentadas as conclusões sobre o estudo realizado.


18

2 Revisão Bibliográfica

2.1 Conversores

Utilizando dispositivos semicondutores como chaves que são de pequeno porte, com

baixo custo e grande eficiência, esses circuitos são capazes de controlar parâmetros como

tensão, corrente e frequência, e realizam o tratamento eletrônico da energia elétrica entre dois

ou mais sistemas.

Os conversores podem ser classificados da seguinte maneira:

- Retificadores: Podem ser controlados, normalmente utilizando retificadores controlado

de silício (SCRs, do inglês Silicon Controlled Rectifier), ou não controlados, utilizando diodos.

Os retificadores convertem uma tensão CA (corrente alternada) monofásica ou trifásica em uma

tensão CC (corrente contínua);

- Choppers: Convertem uma tensão CC fixa em uma tensão CC de módulo variável;

- Inversores: Convertem uma tensão CC fixa em uma tensão CA de módulo variável ou

fixo, podendo ser monofásica ou trifásica;

- Chaves estáticas: Podem ser CA ou CC, funcionam com chaves e são utilizadas para

substituir as chaves eletromagnéticas e mecânicas tradicionais;

- Controladores de tensão CA: Convertem tensão CA fixa em tensão CA, porém com

frequência variável.

2.2 Controladores de tensão CA

Esses controladores, como mencionado anteriormente, convertem uma tensão CA fixa

em uma tensão CA com frequência variável e possuem um alto valor de conteúdo harmônico.

Existem duas maneiras para obter uma tensão de saída CA com módulo e frequência variáveis.

A primeira maneira é através de uma conversão de dois estágios (conversor DC-link),

sendo que o primeiro realiza a conversão de tensão CA fixa em tensão CC variável, utilizando

os conversores retificadores. Em seguida o segundo estágio converte a tensão CC variável em

tensão CA com módulo e frequência variáveis, utilizando os conversores denominados

inversores.

A segunda maneira é o uso dos chamados cicloconversores que eliminam a etapa

intermediária realizada pelo conversor retificador e da mesma maneira obtém-se em sua saída

uma tensão CA com módulo e frequência variáveis.


19

2.3 Cicloconversores

Como mencionado anteriormente, o cicloconversor converte uma tensão CA de uma

determinada frequência em uma tensão CA de módulo e frequência ajustáveis, que devido à

comutação de saída é na maioria das vezes uma fração da frequência de entrada, teoricamente

podendo variar de 0 % a 50 % da mesma, porém para operar de maneira eficiente é necessário

que operem em uma faixa menor que um terço da frequência de entrada.

Os cicloconversores podem ser utilizados, entre outras, nas seguintes operações:

- Acionamento de motores de corrente alternada podendo variar a velocidade dos mesmos

devido a frequência variável na saída (moinhos, alimentação ferroviária, etc.).

- Sistemas geradores de frequência constante com velocidade variável (VSCF, do inglês

Variable Speed Constant Frequency) como por exemplo em aeronaves, onde fornecem tensão

regulada com frequência constante não levando em consideração as mudanças de velocidade

da parte móvel (gerador), além de serem utilizados também na geração eólica.

2.3.1 Princípio de funcionamento

Um cicloconversor basicamente é um conversor dual a tiristores que fornece uma saída

alternada. Assim, seja um conversor dual de 3 pulsos e considerando uma carga indutiva. Para

fazer com que esse conversor funcione como uma fonte de corrente alternada (cicloconversor)

temos que controlá-lo de maneira adequada. Temos que:

𝑉𝐿𝑚𝑒𝑑 = 1,17𝑉0 cos 𝛼 (2.1)

Onde o ângulo α é o ângulo de disparo dos tiristores.

Sendo assim para que o conversor produza uma tensão de saída alternada com

frequência menor do que a de entrada basta variar o ângulo α de maneira senoidal.

Com relação a saída do conversor, para α = 0:

𝑉𝐿𝑜 = √2 𝑉𝑜

𝑚

𝜋𝑠𝑒𝑛 (

𝜋

𝑚) (2.2)

Trabalhando com valor eficaz máximo temos que:

√2𝑉𝐿𝑀 = √2 𝑉𝑜

𝑚

𝜋𝑠𝑒𝑛 (

𝜋

𝑚) (2.3)


20

Logo a tensão máxima eficaz teórica na saída de um cicloconversor é:

𝑉𝐿𝑀 = 𝑉𝑜

𝑚

𝜋𝑠𝑒𝑛 (

𝜋

𝑚) (2.4)

Levando em consideração que a comutação não é instantânea, o angulo α sempre deve

ser maior que 0° no grupo positivo e menor que 180° no grupo negativo. Com isso o valor eficaz

da tensão de saída do cicloconversor passa a ser:

𝑉𝐿𝑀 = 𝑉𝑜

𝑚

𝜋𝑠𝑒𝑛 (

𝜋

𝑚) cos (𝛼𝑚𝑖𝑛) (2.5)

2.3.2 Estrutura dos cicloconversores

Os cicloconversores podem ser encontrados com tensão de entrada e saída monofásica

ou trifásica e podem variar também de acordo com a quantidade de pulsos sendo os mais

comuns de 3, 6 e 12 pulsos. Esse aumento na quantidade de pulsos gera um aumento na

quantidade de tiristores aumentando assim o custo, porém quanto mais pulsos menor será o

conteúdo harmônico do conversor.

2.3.3 Cicloconversor monofásico

Esse conversor nada mais é que dois conversores duais ligados em paralelo de maneira

reversa como pode ser visto na figura 2.1. Desta forma para que os conversores atuem como

retificadores os SCRs devem ser disparados sem retardos. Assim, um par de SCRs trabalham e

formam o grupo negativo e o outro par forma o grupo positivo de maneira que a forma de onda

resultante, mostrada na figura 2.2, se assemelha a uma forma de onda quadrada.


21

Figura 2.1 – Cicloconversor monofásico com carga resistiva.

Fonte: AHMED, A. Eletrônica de potência (1992).

Como pode ser visto na figura 2.1 o grupo positivo é formado pelos SCR1 e SCR2 e o

grupo negativo pelos SCR3 e SCR4, sendo que a cada cinco semiciclos somente um grupo

conduz enquanto o outro fica bloqueado.

Outra maneira de ligação para uma saída monofásica é colocando os SCRs em ponte

como mostra a figura 2.3. Para que a forma de onda fique mais próxima de uma onda senoidal

os SCRs devem ser disparados controlando os ângulos de disparo como pode ser visto na figura

2.4. Para esse tipo de ligação o ângulo de disparo do grupo negativo será 𝛼𝑛𝑒𝑔𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 =

𝜋 – 𝛼𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑜 e a tensão dos dois grupos serão opostas.


22

Figura 2.2 – Formas de onda na saida de um cicloconversor monofásico com carga resistiva.


Figura 2.3 – Cicloconversor monofásico com SCRs ligados em ponte.



23

Figura 2.4 – Formas de onda com controle de disparo dos SCRs.


2.3.4 Cicloconversor trifásico

Esse tipo de configuração de um cicloconversor funciona de maneira análoga ao

monofásico, porém agora com uma tensão de entrada trifásica. Com relação à saída podemos

obter uma saída monofásica ou trifásica dependendo do tipo de tarefa onde serão empregados

os conversores.

2.3.5 Cicloconversor trifásico para monofásico

Utilizados para acionamentos e controle de cargas monofásicas, podem variar de acordo

com a quantidade de pulsos (número de tiristores utilizados) sendo os mais comuns 3, 6 e 12

pulsos. Sua estrutura básica pode ser vista na figura 2.5.


24

Figura 2.5 – Circuito cicloconversor trifásico para monofásico.


2.3.5.1 Princípio de funcionamento

O grupo P formado pelos SCRs 1, 2 e 3 conduzem durante o semiciclo positivo e o

grupo N formado pelos SCRs 4, 5 e 6 conduzem durante o semiciclo negativo.

Para que na carga seja obtida uma tensão alternada apenas um grupo pode conduzir por

vez e outro deve estar bloqueado, quando esse controle é realizado de maneira sucessiva é

obtido na saída uma tensão alternada com uma frequência menor do que a de entrada, onde a

tensão máxima de saída pode ser descrita através da seguinte equação:

𝑉𝑜(𝑚𝑎𝑥) = 𝑉𝑜(𝑎𝑣𝑔) = 3

𝜋 sin 60° 𝑉𝑚 cos 𝛼 = 0,827𝑉𝑚 cos 𝛼 (2.6)

2.3.6 Cicloconversor trifásico para trifásico

Para o controle de maquinas elétricas trifásicas em CA, esse tipo de conversor é utilizado

de maneira que o mesmo é formado por combinações de três circuitos de saída monofásica de

forma a realizar a conversão para o fim desejado.

Assim como o anterior, o cicloconversor trifásico para trifásico pode variar de acordo

com a quantidade de pulsos. A figura 6 ilustra um cicloconversor de 3 pulsos ligado a uma

carga resistiva trifásica em conexão estrela.


25

Figura 2.6 – Circuito cicloconversor trifásico para trifásico de 3 pulsos.


2.3.6.1 Princípio de funcionamento

Como este é formado por três cicloconversores de saída monofásica e cada um destes

possui dois grupos (P e N) como visto na figura 4, neste tipo de arranjo temos que durante o

semiciclo positivo os grupos A+ (formado pelos SCRs 1, 2 e 3), B+ (formado pelos SCRs 4, 5

e 6) e C+ (formado pelos SCRs 7, 8 e 9) conduzem e durante o semiciclo negativo os grupos

A- (formado pelos SCRs 10, 11 e 12), B- (formado pelos SCRs 13, 14 e 15) e C- (formado pelos

SCRs 16, 17 e 18) conduzem, desta maneira o conversor ofereçe um tensão alternada na saída

lembrando que os grupos do semiciclo positivo não podem conduzir quando os grupos do

semiciclo negativo estiverem conduzindo e vice e versa, para que não ocorra um curto circuito

na fonte.


26

A frequência é controlada através dos instantes em que os SCRs são disparados e a

tensão de saída pode ser filtrada para fornecer uma forma de onda puramente senoidal.

Figura 2.7 – Forma de onda na saída de uma fase.


Os cicloconversores trifásico para trifásico mais comuns variam de acordo com o tipo

de ligação da carga e a quantidade de pulsos. A seguir são descritas algumas configurações.

2.3.7 Cicloconversor de 3 Pulsos com ponto médio

É uma das conexões mais simples utilizadas no âmbito da indústria. O transformador

tem função de adaptar tensão da rede à carga, porém a retirada do mesmo não interfere no

funcionamento do conversor. Os indutores conectando os dois grupos de SCRs mantém o fluxo

contínuo de corrente e limita a circulação da mesma. A figura 2.8 ilustra esta configuração.


27

Figura 2.8 – Cicloconversor de 3 pulsos com ponto médio.

Fonte: Barbi, I. Eletrônica de potência (2006).

2.3.8 Cicloconversor de 6 pulsos com carga isolada

Consiste em uma solução econômica recomendada para cargas tais como máquinas

trifásicas de corrente alternada as quais possuem enrolamentos estatóricos isolados um do outro,

como representado na figura 2.9.

Figura 2.9 – Cicloconversor de 6 pulsos com carga isolada.



28

2.3.9 Cicloconversor de 6 pulos com carga não isolada

Esta configuração é utilizada quando as três fases da carga não podem ser isoladas entre

si. Neste caso é necessário um transformador com 3 saídas isoladas. A figura 2.10 ilustra esta

configuração.

Figura 2.10 – Cicloconversor de 6 pulsos com carga nao isolada.


2.4 Componentes harmônicas

A utilização de chaves eletrônicas em circuitos elétricos (diodos, tiristores e outras)

causam uma distorção nas formas de onda de tensão e/ou corrente, tanto na entrada quanto na

saída dos circuitos. As ondas não senoidais resultantes podem ser decompostas em ondas

senoidais de diferentes frequências e amplitudes pela série de Fourier, sendo que a soma de

todas as componentes resulta na forma de onda original. Seja 𝑓 uma função periódica de período

2𝐿. Assim:

𝑓(𝑡 + 2𝐿) = 𝑓(𝑡) (2.7)

Seja 𝑓 unívoca, isto é, cada valor do domínio está associado à um único valor da

imagem, e contínua dentro do período 2𝐿. Ainda, 𝑓 tem um número finito de máximos e


29

mínimos, e é integrável dentro do período 2𝐿. Assim, a série de Fourier da função 𝑓 é dada pela

série trigonométrica descrita em 2.8.

𝑇(𝑡) =𝑎0

2+ ∑ [𝑎𝑛 cos (

𝑛𝜋𝑡

𝐿) + 𝑏𝑛 sin (

𝑛𝜋𝑡

𝐿)]

∞

𝑛=1

(2.8)

Os coeficientes da série de Fourier são dados pelas equações:

𝑎𝑛 =1

𝐿∫ 𝑓(𝑡)

𝑐+2𝐿

𝑐

cos (𝑛𝜋𝑡

𝐿) 𝑑𝑡, 𝑛 ≥ 0 (2.9)

𝑏𝑛 =1

𝐿∫ 𝑓(𝑡)

𝑐+2𝐿

𝑐

sin (𝑛𝜋𝑡

𝐿) 𝑑𝑡, 𝑛 ≥ 1 (2.10)

Onde 𝑛 é inteiro e 𝑐 é uma constante arbitrária já que as equações 2.9 e 2.10 podem ser

integradas em qualquer intervalo de comprimento 2𝐿.

Na equação 2.8, 𝑎0

2 é a componente CC da onda e para 𝑛 = 1 tem-se o período da

fundamental.

A série de Fourier da função 𝑓 com petíodo 𝑇 também pode ser expressa na forma

harmônica como em 2.11.

𝑓(𝑡) = 𝐴0 + ∑ 𝐴𝑛 cos(𝜔𝑛𝑡 − 𝜃𝑛)

∞

𝑛=1

(2.11)

Nesta expressão, os coeficientes são dados por:

𝐴0 =𝑎0

2 (2.12)

𝐴𝑛 = √𝑎𝑛2 + 𝑏𝑛

2, 𝑛 ≥ 1 (2.13)

𝜔𝑛 =2𝑛𝜋

𝑇 (2.14)


30

Pode-se encontrar a relação entre a forma harmônica e a forma trigonométrica aplicando

a igualdade trigonométrica do cosseno da diferença à forma harmônica.

cos(𝑎 − 𝑏) = cos(𝑎) cos(𝑏) + sen(𝑎) sen(𝑏) (2.15)

Substituindo 2.15 em 2.11 com 𝑎 = 𝜔𝑛𝑡 e 𝑏 = 𝜃𝑛 resulta:

𝑓(𝑡) = 𝐴0 + ∑ 𝐴𝑛 cos(𝜔𝑛𝑡) cos(𝜃𝑛) + 𝐴𝑛 sen(𝜔𝑛𝑡) sen(𝜃𝑛)

∞

𝑛=1

(2.16)

Como a função só depende de 𝑡, os coeficientes cos(𝜃𝑛) e sen(𝜃𝑛) são constantes para

qualquer valor de 𝑛. Assim, comparando 2.16 com a forma trigonométrica em 2.8 tem-se:

𝐴0 =𝑎0

2 (2.17)

𝑎𝑛 = 𝐴𝑛 cos(𝜃𝑛) (2.18)

𝑏𝑛 = 𝐴𝑛 sen(𝜃𝑛) (2.19)

Tratando-se de um cicloconversor monofásico em ponte, vê-se que as formas de onda

de tensão e corrente na saída e da corrente de entrada contém componentes harmônicas como

pode-se observar na figura 2.4. Independentemente da configuração do circuito do

cicloconversor, este continuará produzindo harmônicos, tanto na entrada quanto na saída.

Para circuitos de potência, é importante que não exista harmônicos ou que estes sejam

de baixa intensidade em relação à fundamental. A presença de harmônicos causa mal

funcionamento da carga, maior aquecimento dos enrolamentos em transformadores e máquinas

rotativas diminuindo sua vida útil, além de outros efeitos. O parâmetro que mede a intensidade

de harmônicos presentes em um sinal é o THD (Distorção Harmônica Total, do inglês Total

Harmonic Distortion), definido como a razão entre a soma das potências de todas as

componentes harmônicas e a potência da componente fundamental. Se o interesse for a pureza

do sinal, ou seja, a contribuição da frequência fundamental em relação às componentes

harmônicas, o THD é mais comumente definido como a razão entre o valor eficaz da amplitude


31

dos harmônicos de ordem superior à frequência fundamental em relação ao valor eficaz da

amplitude da fundamental. Assim:

𝑇𝐻𝐷 =√∑ 𝐹𝑣𝑒𝑓𝑛

∞𝑛=2

𝐹𝑣𝑒𝑓1

(2.20)

Onde 𝐹𝑣𝑒𝑓1 e 𝐹𝑣𝑒𝑓𝑛

podem ser valores de tensão ou corrente.

Filtros passivos podem ser empregados para redução dos harmônicos. Outra solução é a

utilização de cicloconversores com mais pulsos para reduzir principalmente a quantidade de

harmônicos de ordens baixas (mais difíceis de filtrar).

2.4.1 Iterharmônicos e sub-harmônicos

A norma IEC-61000-2-1 define interharmônicos como frequências entre as frequências

harmônicas de tensão e corrente que não são múltiplos inteiros da frequência fundamental.

O termo sub-harmônicos não tem uma definição oficial mas é apenas um caso especial

de interharmônicos para componentes de frequência menores que a frequência fundamental.

A tebela 2.1 sintetiza as definições de harmônicos, interharmônicos e sub-harmônicos,

onde 𝑓1 é a frequência fundamental e ℎ é um número inteiro positivo.

Tabela 2.1 – Definição de harmônicos, interharmônicos e sub-harmônicos

Harmônico 𝑓 = 𝑓1 ∙ ℎ

Interharmônico 𝑓 ≠ 𝑓1 ∙ ℎ

Sub-harmônico 𝑓 > 0 e 𝑓 < 𝑓1


32

3 Modelagem Teórica

3.1 Disparo do cicloconversor

Para o disparo do ciclonversor foram utilizados três cartões de disparo 9945 (figura 3.1)

fornecidos pela empresa Datapool, os quais possuem circuitos de disparo, sincronismo e sinais

de autorização para os SCRs.

Figura 3.1 – Cartão de disparo 9945.

Fonte: Eletrônica de potência - manual da empresa Datapool.

O disparo de um cicloconversor deve ser feito através de pulsos de comandos durante

semiciclos inteiros da tensão de entrada. Para que cada grupo de retificadores (positivo e

negativo) atuem de maneira a alterar a frequência de saída com relação a frequência de entrada,

é necessário um sinal de sincronismo.

O cartão 9945 possui um circuito de sincronismo que controla a passagem da senoide de

entrada por zero além de quatro flip-flop’s do tipo D, sendo que a frequência de sincronismo é

o dobro da frequência de entrada devido às duas passagens por zero, obtendo assim pulsos de

autorização nas saídas 𝑄0 e 𝑄0 na mesma frequência da senoide de entrada como mostram as

figuras 3.2 e 3.3.


33

Figura 3.2 – Forma de onda do sincronismo.





34

Os disparos dos SCRs são efetuados através de duas rampas que são geradas a partir da

tensão de sincronismo e estas são comparadas com a tensão de referência V_REF1 como mostra

a figura 3.4.



Para um cicloconversor de 3 pulsos que será implementado produzir uma tensão senoidal,

é necessário que o sinal de referência também seja senoidal para controlar o ângulo de disparo

dos tiristores.

A frequência na saída é a mesma da senoide de comando o que implica que o semiciclo

negativo desta senoide comanda o grupo negativo do cicloconversor e o semiciclo positivo

controla o grupo positivo do cicloconversor.

As rampas geradas são comparadas com a referência produzindo os pulsos de gatilho e

ainda a senoide de referência é retificada e comparada com a rampa nos dois semiciclos, assim

produzindo as seguintes formas de onda, mostradas na figura 3.5.


35

Figura 3.5 – Formas de onda.


3.2 Simulações

Utilizando o software Ciclocon (figura 3.6) que simula o ângulo de disparo dos tiristores,

o qual é calculado pelo método “cossine wave crossing”, foram realizadas simulações para

observar o comportamento de cicloconversores de 3, 6, 12 e 24 pulsos.

Para se obter a forma de onda de um dado sinal, é necessário fornecer os valores de

amplitude (qualquer valor entre 1% e 100%, variando de 1 em 1), freqüência (qualquer valor

entre 5 e 60 Hz, variando de 1 em 1) e o número de pulsos do circuito (3, 6, 12 ou 24).


36

Figura 3.6 – Interface Software Ciclocon.

Fonte: “Software” Ciclocon, versão 1.0.

3.2.1 Cicloconversor de 3 pulsos

Como visto anteriormente um cicloconversor de 3 pulsos consiste em dois grupos de

tiristores que conduzem de acordo com o ângulo de disparo e também de acordo com o ciclo

da onda de entrada, produzindo assim uma tensão de saída com amplitude e frequência

controlada.

A figura 3.7 é resultado de uma simulação de um cicloconversor de 3 pulsos com uma

frequência de saída igual a metade da frequência da rede, ou seja, 30 Hz e com uma tensão com

amplitude igual a amplitude de entrada.

Podemos perceber que para obter uma frequência de 30 Hz os tiristores de cada grupo

foram disparados com ângulos de disparos diferentes como mostra a forma de onda na cor preta.

A forma de onda fundamental resultante para esse tipo de operação pode ser vista na onda de

cor laranja. As demais formas de ondas (verde, azul claro e azul escuro) correspondem as

formas de onda da tensão de entrada.


37


amplitude 100%.


Para o mesmo ciclonversor de 3 pulsos foram realizadas simulações para obter formas

de ondas com amplitude igual 100% da entrada e frequência de 15 Hz (figura 3.8), com

amplitude de saída igual a 50% da entrada e com frequência de 30 Hz (figura 3.9) e com

amplitude igual 50% da entrada e frequência de 15 Hz (figura 3.10).


amplitude 100%.



38


amplitude 50%.



amplitude 50%.


3.2.2 Cicloversor de 6 pulsos

O principio de funcionamento desse cicloconversor é o mesmo, porém, agora com mais

pulsos proporcionando assim uma forma de onda mais próxima da fundamental (figura 3.11).

Da mesma maneira que no cicloconversor de 3 pulsos foram realizadas simulações com

diferentes frequências e amplitudes da tensão de saída.


39


amplitude 100%.



amplitude 100%.



amplitude 50%.



40


amplitude 50%.


3.2.3 Cicloconversr de 12 pulsos

Um cicloconversor de 12 pulos (figura 3.23) é uma configuração que exige um grande

número de tiristores o que impcta no aumento do preço e na robustez do conversor, porém

diminui a quantidade de harmônicos gerados. Outra vatagem desse tipo de configuração é o

aumento da capacidade de ptência do mesmo.

Figura 3.15 – Cicloconversor de 12 pulsos.

Fonte: REZEK, A.J.J. et al.


41


amplitude 100%.



amplitude 100%.



amplitude 50%.



42


amplitude 50%.


3.2.4 Cicloconversor de 24 pulsos


amplitude 100%.



amplitude 100%.



43


amplitude 50%.



amplitude 50%.


3.2.5 Simulação com os valores de frequência e tensão de saída próximos aos que foram

utilizados na parte experimental

Foi realizada a simulação no “software” Ciclocon com valores próximos aos utilizados

na montagem experimental (tensão de saída com frequência de 6 Hz e amplitude de 87% da

tensão de entrada) visando comparar os resultados obtidos. Não foi possível realizar a simulação

para a frequência de saída exata utilizada na montagem experimental (6,25 Hz) já que o

“software” Ciclocon só permite valores inteiros para a frequência de saída.


amplitude 87%.



44

4 Análise Experimental

4.1 Calibração dos cartões de disparo

Para a realização do experimento foi preciso calibrar os cartões de disparo 9945 a fim de

se obter a mesma faixa valores ajustáveis para a amplitude e frequência nos 3 módulos

utilizados na montagem do cicloconversor trifásico para trifásico. Os ajustes de amplitude e

frequência podem feitos através de dois potenciômetros presentes na parte frontal do cartão de

disparo ou por uma tensão externa. Potenciômetros internos ajustam a faixa de valores possíveis

de se obter através desses potenciômetros.

Outros ajustes são necessários para ajustar as rampas positivas e negativas, e a forma de

onda de V_REF2, senoide de baixa frequência de referência para disparo dos tiristores.

4.2 Simulações no “software” MATLAB

4.2.1 Cicloconversor trifásico para trifásico de 6 pulsos

Para esta simulação o diagrama de bolcos mostrado na figura 4.1 foi utilizado e cada

bloco do cilconversor, ou seja, cada grupo de tirisitores para uma fase é mostrado na figura 4.2.

Figura 4.1– Diagrama de blocos cicloconversor trifásico de 6 pulsos.

Fonte: Autor.


45

Figura 4.2 – Grupo de tiristores do cicloconversor trifásico de 6 pulsos.

Fonte: Autor.

Figura 4.3 – Controle dos disparos dos tiristores.

Fonte: Autor.

O controle do disparo dos tiristores é feito pelo método de cruzamento de onda de

cosseno. Na figura 4.3, no bloco “output voltage (V peak)” escolhe-se a tensão de saída desejada

que em seguida é multiplicada por um ganho K igual ao inverso da tensão de entrada para que

se obtenha a tensão desejada em porcentagem da tensão de entrada. No bloco “output frequency


46

(Hz)” escolhe-se a frequência desejada na saída em Hz que é convertida para rad/s através do

ganho K igual a 2π. No bloco “Subsystem” então são geradas as tensões de referência para o

disparo dos tiristores das fases A, B e C que em seguida são comparadas nos blocos “Cyclo

Firing Control” de cada fase (figura 4.4) e são gerados os pulsos de disparo dos tiritores do

semi-ciclo positivo e negativo nos blocos “Pulse Generator”. Os pulsos gerados para o semi-

ciclo positivo e negativo são mostrados nas figuras 4.5 e 4.6 respectivamente.

Figura 4.4 – Bloco de controle do disparo para o cicloconversor de 6 pulsos.

Fonte: Autor.

Figura 4.5 – Pulsos de disparo do semi-ciclo positivo.

Fonte: Autor.


47

Figura 4.6 – Pulsos de disparo do semi-ciclo negativo.

Fonte: Autor.

As seguintes formas de ondas foram obtidas variando-se a tensão e a frequência de saida

vizando comparar as mesmas com as simulações realizadas no “Software” Ciclocon e utilizando

a função FFT Analysis do bloco powergui foi obtido o espectro harmônico da tensão de saída

do cicloconversor.


amplitude 100%.

Fonte: Autor.


48


frequência de saída 30 Hz e amplitude 100%.

Fonte: Autor.

Figura 4.9 – Espectro harmônico com frequência de saída 30 Hz e amplitude 100%.

Fonte: Autor.


49


amplitude 100%.

Fonte: Autor.



Fonte: Autor.


50

Figura 4.12 Espectro harmônico com frequência de saída 15 Hz e amplitude 100%.

Fonte: Autor.


amplitude 50%.

Fonte: Autor.


51



Fonte: Autor.


Fonte: Autor.


52


amplitude 50%.

Fonte: Autor.



Fonte: Autor.


53


Fonte: Autor.

4.2.2 Cicloconversor trifásico para trifásico de 12 pulsos

Para esta simulação o diagrama de bolcos mostrado na figura 4.19 foi utilizado e cada

bloco do cilconversor, ou seja, cada grupo de tirisitores para uma fase é mostrado na figura

4.20.


54

Figura 4.19 – Diagrama de blocos cicloconversor trifásico de 12 pulsos.

Fonte: Autor.

Figura 4.20 – Grupo de tiristores do cicloconversor trifásico de 12 pulsos.

Fonte: Autor.


55

Nessa configuração é necessario que um grupo de tiristores esteja ligado a um

transformador ligado em estrela-estrela e outro ligado em estrela-delta para que ocorra uma

defasagem de 30º. O controle utilizado foi o mesmo descrito anteriormente mudando apenas o

numero de pulsos como pode ser visto na figura abaixo. Os pulsos de disparo para os semi-

ciclos positivo e negativo conectados aos transformadores em estrela e em delta são mostrados

nas figuras 4.22 a 4.25.

Figura 4.21 – Bloco de controle do disparo para o cicloconversor de 12 pulsos.

Fonte: Autor.

Figura 4.22 – Pulsos de disparo do semi-ciclo positivo ligado ao transformador em estrela.

Fonte: Autor.


56

Figura 4.23 – Pulsos de disparo do semi-ciclo positivo ligado ao transformador em delta.

Fonte: Autor.

Figura 4.24 – Pulsos de disparo do semi-ciclo negativo ligado ao transformador em estrela.

Fonte: Autor.


57

Figura 4.25 – Pulsos de disparo do semi-ciclo negativo ligado ao transformador em delta.

Fonte: Autor.

As seguintes formas de ondas foram obtidas variando-se a tensão e a frequência de saida

vizando comparar as mesmas com as simulações realizadas no “Software” Ciclocon.


amplitude 100%.

Fonte: Autor.


58



Fonte: Autor.


Fonte: Autor.


59


amplitude 100%.

Fonte: Autor.



Fonte: Autor.


60


Fonte: Autor.


amplitude 50%.

Fonte: Autor.


61



Fonte: Autor.


Fonte: Autor.


62


amplitude 50%.

Fonte: Autor.


amplitude 50%.

Fonte: Autor.


63


Fonte: Autor.

4.3 Cicloconversor trifásico para monofásico

Primeiramente montou-se o cicloconversor trifásico para monofásico utilizando apenas

um cartão de disparo 9945 e um conversor dual de 3 pulsos a fim de observar o funcionamento

do cicloconversor. O esquema da montagem é mostrado na figura 4.38. A carga resistiva

utilizada foi uma lâmpada de 127 V e 40 W.


64

Figura 4.38 – Montagem experimental do cicloconversor trifásico para monofásico.

Fonte: Autor.

Como a finalidade desta parte do experimento foi somente observar o funcionamento do

circuito para futuramente efetuar a montagem do cicloconversor trifásico para trifásico, nenhum

dado foi coletado, apenas foram observadas as formas de onda na saída.

4.4 Cicloconversor trifásico para trifásico

Nesta estapa montou-se o circuito do cicloconversor trifásico para trifásico, utilizando-se

os 3 cartões de disparo 9945 e 3 conversores duais de 3 pulsos, um para cada fase. Para

conseguir a defasagem de -120º da fase B em relação à A e +120º da fase C em relação à A é

necessário alterar a ordem das fases nos cartões de disparo e nas pontes de tiristores para

conseguir tal defasagem.

Realizou-se ensaios com carga resistiva e com carga resistiva indutiva. A montagem dos

circuitos e dados obtidos serão mostrados nas próximas subseções.

4.4.1 Com carga resistiva

A montagem do circuito é mostrada na figura 4.39. A carga resistiva utilizada foram três

lâmpadas de 127 V e 40 W conectadas em estrela. A tensão de entrada no transformador foi de

80 V entre fase e neutro.


65

Figura 4.39 – Montagem experimental do cicloconversor trifásico para trifásico com

carga resistiva.

Fonte: Autor.

A frequência das três fases foi ajustada de modo que ficassem o mais próximo possível

através do potenciômetro. As formas de onda de tensão obtidas na saída das fases são motradas

nas figuras 4.40 e 4.41 onde a fase A, em amarelo, é tomada como referência e em verde são

mostradas as fases B e C respectivamente.

Figura 4.40 – Formas de onda de tensão (fases A e B).

Fonte: Autor.


66

Figura 4.41 – Formas de onda de tensão (fases A e C).

Fonte: Autor.

O perído da fundamental é de 𝑇 = 160 ms, obtido observando–se as figuras 4.40 e 4.41.

Assim, pode–se calcular a frequência da fundamental.

𝑓 =1

𝑇=

1

0,16 → 𝑓 = 6,25 Hz (4.1)

O valor eficaz da tensão nas fases foi obtido através da função measure do osciloscópio,

resultando em 𝑉𝐿𝑣𝑒𝑓= 71,4 V.

Foi obtido também a forma de onda da corrente para a fase A como mostra a figura 4.42

onde a onda amarela mostra a tensão na fase, novamente tomada como referência, e a onda

verde mostra a corrente. As formas de onda da corrente para as outras fases não são mostradas

pois são idênticas à fase A, porém defasada de -120º na fase B e +120º na fase C.


67

Figura 4.42 – Formas de onda de tensão e corrente na fase A.

Fonte: Autor.

A corrente foi obtida utilizando-se um ponta de prova de corrente, que gera uma tensão

proporcional à corrente que circula em seu interior e tem seu funcionamento baseado no Efeito

Hall. Utilizou-se a ponta de prova na escala de 100 mV/A, ou seja, a cada 1 A circulando em

seu interior é gerado 100 mV na saída. Com o valor eficaz da tensão resultante de 𝑉𝐿𝑣𝑒𝑓=

235 mV, obtido pelo osciloscópio, foi calculado o valor eficaz da corrente na fase.

𝐼𝐿𝑣𝑒𝑓=

𝑉𝐿𝑣𝑒𝑓

100=

235

100 → 𝐼𝐿𝑣𝑒𝑓

= 2,35 A (4.2)

Através da função math do osciloscópio foi obtido o espectro harmônico da tensão e

corrente na fase A mostrados nas figuras 4.43 e 4.44 respectivamente.


68

Figura 4.43 – Espectro harmônico da tensão na fase A.

Fonte: Autor.

Figura 4.44 – Espectro harmônico da corrente na fase A.

Fonte: Autor.


69

4.4.2 Com carga resistiva indutiva

A montagem do circuito é mostrada na figura 4.45. A carga resistiva indutiva utilizada

foram três lâmpadas de 127 V e 40 W em série com um reator de 40 mH em estrela. A tensão

de entrada no transformador foi de 80 V entre fase e neutro.


resistiva indutiva.

Fonte: Autor.

As formas de onda obtidas neste experimento não são mostradas pois foram as mesmas

obtidas no ensaio com carga puramente resistiva.

4.4.3 Com motor de indução trifásico

A montagem do circuito é mostrada na figura 4.46. O motor de indução trifásico (MIT)

utizado foi ligado na configuração estrela aterrado com uma tensão de entrada de 50 V entre

fase e neutro.


70

Figura 4.46 – Montagem experimental do cicloconversor trifásico para trifásico com MIT.

Fonte: Autor.

Para este ensaio o cicloconversor foi ajustado para que em sua saída a tensão entre fase e

neutro fosse 70% da tensão de entrada, ou seja 35 V, e também a frequência na qual o motor

deveria trabalhar fosse 33% da frequência da rede, ou seja 20 Hz. Com isso as seguintes formas

de ondas foram obtidas.

Figura 4.47 – Formas de onda de tensão e corrente na fase A.

Fonte: Autor.


71

Onde em azul observamos a tensão na fase A que através da função measure do

osciloscópio, foi obtido o valor de 𝑉𝐿𝑣𝑒𝑓= 35,3 V. Em amarelo temos a corrente na fase A que

foi obtida utilizando-se um ponta de prova de corrente mencionada anteriormente. Com o valor

eficaz da tensão resultante de 𝑉𝐿𝑣𝑒𝑓= 515 mV, obtido pelo osciloscópio, foi calculado o valor

eficaz da corrente na fase A.

𝐼𝐿𝑣𝑒𝑓=

𝑉𝐿𝑣𝑒𝑓

100=

515

100 → 𝐼𝐿𝑣𝑒𝑓

= 5,15 A (4.3)

Na figura 4.48 pode-se observar em azul a forma de onda da tensão na fase A e em

amarelo a tensão na fase B ambas com 𝑉𝐿𝑣𝑒𝑓= 35,3 V.

Figura 4.48 – Formas de onda de tensão nas fases A e B

Fonte: Autor.

Através da função FFT do osciloscópio foi obtido o espectro harmônico da tensão na

fase A mostrados na figura 4.49.


72

Figura 4.49 – Espectro harmônico da tensão na fase A.

Fonte: Autor.


73

5 Resultados e Discussões

5.1 Simulações

5.1.1 Ciclocon

Através das simulações realizadas no “software” Ciclocon observou-se que a forma de

onda de saída se aproxima da onda fundamental com o aumento no número de pulsos do

cicloconversor, diminuindo assim o conteúdo harmônico gerado, como esperado de acordo com

a teoria.

Outro fato notório é que quanto menor a frequência menor é o conteúdo harmônico. Tal

efeito deve-se ao fato de que para uma frequência de saída menor haverá mais ciclos da tensão

de entrada no período de um ciclo da onda fundamental da tensão de saída, possibilitando assim

maior quantidade de disparos dos tiristores dentro de um ciclo.

5.1.2 MATLAB

Através das simulações realizadas pelo MATLAB para os cicloconversores de 6 e 12

pulsos foi percebido que a forma de onda da tensão de saída difere um pouco das simulações

realizadas no “software” Ciclocon. Essa diferença é devido ao fato que o “software” Ciclocon

faz um cálculo matemático baseado no método de controle por cruzamento de onda de cosseno,

sem levar em conta as características intrínsecas dos componentes. Já no MATLAB, essas

características são levadas em conta gerando pequenas perdas e deformações nas formas de

onda.

5.2 Cicloconversor trifásico para trifásico

A seleção da frequência dos módulos de disparo foi feita manualmente através dos

potenciômetros na parte frontal. Por esse motivo, apesar das frequências nas 3 fases serem

muito próximas não foi possível ajustá-las perfeitamente. Assim, com a evolução do tempo, as

ondas de tensão nas fases perdem a defasagem inicial de -120º de B para A e +120º de C para

A. O controle por tensão externa também não foi possível devido à calibração dos módulos.

5.3 Comparação entre simulação e montagem experimental

Com a simulação realizada no “software” Ciclocon para os valores próximos aos da

montagem experimental mostrada no item 3.2.5 pode-se observar que tanto a forma de onda da


74

tensão e o espectro harmônico obtido foram próximos aos da montagem experimental. A

simulação não foi realizada com os valores exatos pois o software Ciclocon não permite tais

valores.

5.4 Ensaio com carga resistiva indutiva

Como mencionado anteriormente, não se pôde observar nenhuma diferença entre este

ensaio e o ensaio com carga puramente resistiva. Isso se deve ao fato de termos utilizado a

mesma frequência (6,25 Hz), pois nesta frequência a indutância não apresenta valores

significativos para que ocorra a defasagem da onda de corrente em relação à tensão. A reatância

indutiva é dada pela equação 5.1.

𝑋𝐿 = 2𝜋𝑓𝐿 (5.1)

Calculando para os valores de indutância e frequência utilizados no experimento obtemos

𝑋𝐿 = 1,571 Ω.

A resistência da lâmpada pode ser calculada pela equação 5.2.

𝑅 =𝑉2

𝑃 (5.2)

Com os valores nominais da carga resistiva obtemos 𝑅 = 403,225 Ω.

Somando-se os valores de 𝑅 𝑒 𝑋𝐿, temos:

𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝑋𝐿 = 403,225 + 𝑗1,571 = 403,23 ∠0,22° Ω (5.3)

Como visto em 5.3 o ângulo da impedância equivalente da carga é muito próximo de zero,

ou seja, as ondas de tensão e corrente estão praticamente em fase. Por esse motivo não foi

possível observar o comportamento de uma carga resistiva indutiva inserida nos terminais do

cicloconversor. Ensaios adicionais serão realizados para avaliar tal comportamento.

5.5 Ensaio com motor de indução trifásico

Como pode ser observado nas figuras obtidas para as formas de onda de tensão e corrente

no motor (4.47 e 4.48) há uma grande quantidade de harmônicos inerentes ao funcionamento

do cicloconversor, porém vemos que a corrente não apresenta “picos” na forma de onda como


75

a tensão. Isso ocorre pois devido a presença dos indutores acoplamento e a carga indutiva, o

que não permite que a corrente varie instantaneamente segundo a Lei de Lenz.

𝑒 = −𝑁𝑑𝛷

𝑑𝑡 (5.4)

Pelo espectro harmônico da tensão (figura 4.49) obtido pelo osciloscópio vemos que

além dos harmônicos gerados pelo cicloconversor há uma grande quantidade de ruídos de

menor intensidade originados da tensão da rede. Analisando a figura 4.49 e através da

comparação com a teoria, foram constatadas as principais ordens de harmônicos presentes na

onda de tensão.

Figura 5.1 – Ordens dos harmônicos presentes na forma de onda de tensão na saída do

cicloconversor.

Fonte: Autor.


76

Além dos harmônicos gerados pelo cicloconversor há uma grande quantidade de ruídos

provenientes da rede já que cargas poluidoras estavam conectadas à mesma no momento de

obtenção dos dados.

5.6 Comparação de harmônicos

De acordo com Barbi (2006, p.160), as expressões para o cálculo das frequências de

harmônicos da tensão de saída para os cicloconversores de 3, 6 e 12 pulsos são as mostradas

abaixo.

3 pulsos 𝑓𝐻 = |3(2𝑝 − 1)𝑓𝑖 ± 2𝑛𝑓𝑜| (5.5)

6 pulsos 𝑓𝐻 = |6𝑝𝑓𝑖 ± (2𝑛 + 1)𝑓𝑜| (5.6)

12 pulsos 𝑓𝐻 = |12𝑝𝑓𝑖 ± (2𝑛 + 1)𝑓𝑜| (5.7)

Onde:

𝑓𝐻 – frequência das harmônicas.

𝑓𝑖 – frequência de alimentação.

𝑓𝑜 – frequência de saída do cicloconversor.

𝑝 – número inteiro de 1 a ∞.

𝑛 – número inteiro de 0 a ∞.

Analisando as equações apresentadas e a teoria de harmônicos em cicloconversores,

percebemos que as harmônicas presentes na tensão de saída dependem dos seguintes fatores:

• Frequência de entrada;

• Frequência de operação do cicloconversor;

• Número de pulsos.

Também pela análise das equações precebemos a existência de sub-harmônicas.

Observando o espectro harmônico obtido na montagem prática com carga resistiva e com

o motor de indução trifásico nota-se uma grande quantidade de harmônicos na tensão

principalmente para este pois a frequência de operação do cicloconversor foi ajustada para 20

Hz neste caso.

Através das simulações realizadas no MATLAB e com o auxílio da função FFT Analysis

obtivemos os THDs resultantes e os gráficos das componentes harmônicas, podendo assim


77

observar que de acordo com a teoria, aumentando a quantidade de pulsos e a frequência de

operação do cicloconversor temos uma menor distorção harmônica, considerando que a

frequência de entrada é constante e igual a 60 Hz.

Observando a simulação do cicloconversor de 12 pulsos vemos que o espectro harmônico

apresenta grande conteúdo da 3ª harmônica em relação a fundamental, isso porquê a frequência

utilizada nas simulações foi relativamente baixa para um cicloconversor com esse número de

pulsos fazendo com que a forma de onda na saída fosse próxima de uma onda quadrada.


78

6 Conclusão

A implementação do cicloconversor trifásico com carga resistiva e indutiva apresentada

nesse trabalho foi realizada de forma satisfatória apesar dos cartões de disparo utilizados serem

para cicloconversores trifásico para monofásico e não terem sido projetados para operar com

carga indutiva. As dificuldades de ajuste da frequência de saída das três fases do cicloconversor

para que fossem exatamente iguais interferiu nos resultados do experimento com o motor de

indução trifásico, porém as conclusões tiradas a partir deste experimento não foram

comprometidas, sendo possível a comparação com a teoria.

Através da análise teórica dos cicloconversores e das simulações realizadas nos

“softwares” Ciclocon e MATLAB foi possível comparar os resultados obtidos na parte prática.

Nota-se a diferença dos resultados entre os dois “softwares”, sendo que o primeiro realiza

cálculos analíticos e o outro utiliza modelos de componentes para gerar um resultado mais

próximo ao real, portanto para aplicações práticas o MATLAB fornece resultados mais

fidedignos.

A análise de harmônicos nos cicloconversores de 3, 6 e 12 pulsos, permitiu verificar os

conceitos teóricos sobre a geração de harmônicos na saída de cicloconversores, ou seja, a

dependência desta em relação à frequência de operação e o número de pulsos do cicloconversor,

já que a frequência de entrada foi mantida constante pois considerou-se um sistema conectado

à rede elétrica de 60 Hz.

Além disso, analisando as formas de onda obtidas nos ensaios com carga resistiva e carga

indutiva, onde um motor de indução trifásica foi acionado, percebe-se que as mesmas condizem

com o resultado esperado exceto por alguns ruídos da rede ocasionados por cargas conectas a

mesma.

Finalmente, os conceitos aplicados neste trabalho podem ser extendidos para análise de

cicloconversores com maior número de pulsos e diversos tipos de carga. Também recomenda-

se uma análise de harmônicos gerados para a rede já que não foi considerado este aspecto no

decorrer deste trabalho. Resultados mais satisfatórios podem ser obtidos na prática utilizando

um cartão de disparo próprio para cicloconversores trifásicos com saída trifásica.


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