1

SISTEMA CONVERSOR RETIFICADOR DE 12 PULSOS UTILIZANDO

TRANSFORMADOR DE 3 ENROLAMENTOS

Alexandre de Carvalho Duarte Rafael de Souza Machado Daniel Silveira Costa

Orientador: Prof. Dr. Angelo José Junqueira Rezek Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE)

Resumo

O objetivo principal desse trabalho é reativar

e analisar o funcionamento de uma bancada com um

sistema conversor de doze pulsos tiristorizado que

será disponibilizada para fins didáticos em pesquisas

de iniciação científica no Laboratório DON/DET.

A bancada estava inicialmente inoperante e

em mau estado de conservação. Após limpeza,

recuperações e algumas implementações, encontra-se

atualmente em funcionamento e vem apresentando

bom desempenho.

Iremos analisar o Sistema Retificador

Tiristorizado de doze pulsos utilizando transformador

de três enrolamentos.

Palavras-Chave: Conversor de doze pulsos, Sistema

retificador, Transformador de três enrolamentos

Abstract

The main goal of this work is to reactivate

and analyze a thyristorized converter workbench of

twelve pulses that will be available for teaching pur-

poses as scientific initiation at the DON/DET Labora-

tory.

The workbench was initially inoperative and

in a poor condition. After cleaning, recoveries and

some implementations is, at this moment, in operation

and developing a good performance.

We will analyze the twelve pulse thyristorized

rectifier system with a three winding transformer.

Keywords: Twelve pulse converter, Rectifier system,

three winding transformer

I – REFERENCIAL TEÓRICO

O fornecimento de energia elétrica é feito,

essencialmente, a partir de uma rede de distribuição em

corrente alternada, devido, principalmente, à facilidade de

adaptação do nível de tensão por meio de

transformadores. Em muitas aplicações, no entanto, a

carga alimentada exige uma tensão contínua. A conversão

CA-CC é realizada por conversores chamados

retificadores. [7]

Os retificadores podem ser classificados

segundo a sua capacidade de ajustar o valor da tensão de

saída (controlados x não controlados); de acordo com o

número de fases da tensão alternada de entrada

(monofásico, trifásico, hexafásico, etc.); em função do

tipo de conexão dos elementos retificadores (meia ponte

x ponte completa). Os retificadores não-controlados são

aqueles que utilizam diodos como elementos de

retificação, enquanto os controlados utilizam tiristores ou

transistores. [7]

Os circuitos retificadores controlados constituem

a principal aplicação dos tiristores em conversores

estáticos. Possuem vasta aplicação industrial, no

acionamento de motores de corrente contínua, em

estações retificadoras para alimentação de redes de

transmissão CC, no acionamento de locomotivas, etc.

Transformadores com três ou mais

enrolamentos, conhecidos como transformadores de

múltiplos enrolamentos, são usados frequentemente para

interconectar três ou mais circuitos que podem ter tensões

diferentes. Para esses propósitos, um transformador de

múltiplos enrolamentos custa menos e é mais eficiente do

que um número equivalente de transformadores de dois

enrolamentos. [10]

I.1 – Associação de Retificadores

Em determinadas situações pode ser conveniente

fazer-se uma associação de circuitos retificadores, como

por exemplo, quando se deseja reduzir o conteúdo

harmônico da corrente drenada da rede. Isto se aplica a

retificadores controlados ou não.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

OUTUBRO/2015

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

ENGENHARIA ELÉTRICA

2

Fig. 1 - Associação em série de retificadores

não controlados. Circuito de “12 pulsos”

A análise que se observa na Fig. 1, embora tome

como exemplo retificadores a diodo, pode ser estendida

também para circuitos com tiristores e mistos.

I.2 – Conversor de 12 Pulsos

Um conversor 12 pulsos pode ser obtido à partir

da ponte retificadora trifásica clássica com associação em

série das pontes retificadoras, porem esta não é a única

forma, podendo ser em paralelo. É obtido um

defasamento de 30° entre as tensões das pontes por efeito

de transformador com primário em ∆ (delta) e

secundários em ∆ e Y (estrela). [8]

O Conversor de 12 Pulsos apresenta como uma

das vantagens a eliminação de harmônicos de menor

ordem, por exemplo, o 5º e o 7º. O mesmo é utilizado em

sistemas industriais e em sistemas de transmissão de

energia elétrica em corrente contínua, citando-se, por

exemplo, o sistema de transmissão de energia elétrica em

corrente contínua de Itaipu. [9]

II – INTRODUÇÃO

Esta bancada foi utilizada anteriormente em um

projeto de P&D com a CEMIG e estava inoperante. Por

possuir muitos recursos didáticos, foi disponibilizada

para nosso trabalho pelo coordenador do projeto, Prof.

Dr. Augusto Nelson Carvalho Viana.

O primeiro passo foi o transporte da bancada e

suas componentes para o Laboratório DON/DET. A mesa

se encontrava deteriorada e aparentemente com diversos

problemas como se pode obser var na Fig. 2 e Fig. 3

Fig. 2 – Bancada em estágio inicial (painel)

Fig. 3 – Bancada em estágio inicial (interior)

Após a limpeza foram feitas várias verificações e

testes para detectar erros no funcionamento. Como

reparos podemos citar correção de circuitos, substituição

de componentes, soldagens, troca de fusíveis etc. Foram

ainda implementados um novo circuito de disparo e uma

ponte de tiristores.

III – METODOLOGIA DE TRABALHO

O sistema conversor parte do princípio básico da

conexão unitária, consistindo no emprego de um sistema

“back to back” retificador mais inversor, como por

exemplo, aquele usualmente empregado em sistemas de

transmissão HVDC.

Utilizou-se uma conexão unitária convencional

de doze pulsos, retificador mais inversor tiristorizados

“back to back”.

3

III.1 - Montagem

A bancada foi montada baseada no seguinte

esquema mostrado na Fig. 4.

Fig. 4 – Esquema de Montagem do Circuito

Conversor

A configuração para conversores de 12 pulsos é

geralmente formada por dois grupos de 6 pulsos

alimentados por dois transformadores trifásicos em

paralelo, com suas tensões fundamentais iguais e

defasadas de 30º. Além disso, para manter a operação de

12 pulsos os 2 grupos de 6 pulsos devem trabalhar com

mesmo controle de ângulo, e portanto as correntes de

frequência fundamental nos primários dos dois

transformadores estarão em fase.

Já neste projeto será utilizada uma formação

diferente para tentar obter um aumento do rendimento,

mostrado no esquema da Fig. 5, onde a entrada se dá por

um transformador trifásico de 3 enrolamentos (estrela-

estrela-delta) obtendo assim a defasagem angular

necessária para o funcionamento.

Fig. 5 – Montagem Física do Circuito Conversor

Operou-se o sistema de conversão de energia

CA/CC (retificador) e CC/CA (inversor), no modo

manual. O ângulo de disparo do inversor foi mantido

constante e aproximadamente igual a 120 graus. O

controle da corrente foi feito no retificador, para operação

do sistema de corrente contínua com corrente constante.

Para esta finalidade foram utilizados reguladores digitais

nas duas pontes retificadoras, para disparo de tiristores

modelo MP 400T da SEMIKRON

SEMICONDUTORES. Para as duas pontes inversoras,

utilizou-se o circuito de disparo analógico da

DATAPOOL de Itajubá- MG sendo os ângulos de

disparo destas unidades mantidos constantes e iguais a

cento e vinte graus.

III.2 - Equipamentos utilizados

Os seguintes equipamentos foram utilizados:

2 Indutores: um de 50[mh] e outro de 5[mh] em

série;

2 DATAPOOL Eletrônica LTDA, modelo 8440,

110-220 [V], 1,5[A] (Fig. 6);

4 pontes tiristorizadas compostas por 6 tiristores

40TPS12, 5L3V, 0038A, cada uma;

2 Transformadores trifásicos, um tapeado( do

retificador ), e outro sem TAPs;

2 MP400T SEMIKRON,

Fig. 6 – Circuito DATAPOOL

III.3 - Funcionamento do Sistema Conversor de 12

Pulsos

Para os testes do projeto foi utilizada a tensão de rede

da CEMIG no local do gerador, utilizando uma tensão

fase-fase de 227[V], que passando pelo transformador

tapeado passa a ter 256[V] fase-fase, e obtendo uma

diferença angular entre o secundário e o terciário de 30°

devido a sua montagem (estrela-estrela-delta). Montagem

essa que influenciará nas formas de ondas das pontes

tiristorizadas utilizadas na construção do retificador.

O retificador do terciário (delta) terá uma defasagem

natural de 30° em relação ao do secundário (estrela),

dispensando assim a necessidade de outros equipamentos

para influenciar essa defasagem angular entre o

secundário e o terciário do transformador.

Para colocar a bancada em funcionamento é

necessário seguir uma determinada ordem, para evitar

possíveis danos à bancada.

Também é necessária a configuração prévia dos 2

circuitos MP400T para os disparos do retificador,

facilmente configurados utilizando o DataSheet obtidos

junto ao fabricante.

Primeiramente deve-se colocar tensão de entrada

(CEMIG 227 [V]) em ambos os lados da mesa, tanto no

lado gerador quanto no lado da rede, após isto deve-se

ligar os disjuntores da rede (CEMIG), depois ligam-se os

2 DATAPOOL com ângulo de disparo em 120°, após

4

ligados e ajustados , deve-se liberar seus pulsos, agora

deverá ser zerada a potência no potenciômetro(REF.

Corrente) que controla o percentual de potência liberado

pelo retificador ao circuito, após feito isso liga-se os

disjuntores do disparo, libera-se os disparos, fecha-se o

link e começa-se a aumentar o potenciômetro até q seja

obtida uma corrente de meio ampere no medidor da

bancada.

Após feitas essas etapas a bancada estará em

operação onde foram feitas medidas com o um

osciloscópio para obtenção das ondas nas pontes do

retificador e do inversor, ondas essas que serão

apresentadas nos resultados do projeto.

Para desligar a bancada deve-se também seguir uma

ordem correta de eventos para a preservação da bancada.

Deve-se inicialmente baixar o potenciômetro até que

a tensão VI(do retificador) e VII(do inversor) sejam zero

nos mostradores da bancada, após isso abre-se o link,

primeiramente vamos desligar o retificador bloqueiam-se

os disparos, desligam-se os disjuntores de disparo, zera-se

o potenciômetro do REF. corrente, agora vamos desligar

o inversor, destravam-se os ângulos de disparos das 2

DATAPOOL, depois as mesmas são desligadas,

finalmente desligam-se os disjuntores da rede (CEMIG),

agora a bancada já pode ser totalmente desenergizada.

IV.4 - Programação MP400t

As configurações do módulo DATAPOOL 8440

e da placa MP400t foram feitas utilizando o datasheet

disponibilizados pelo orientador, para obter um controle

de corrente manual para o sistema. Podendo mais tarde

ser alterado para um controle automático.

IV - RESULTADOS

IV.1 - Reativação

O processo de restauração da bancada foi longo,

passou pelo transporte, limpeza, consertos e os últimos

retoques. Por fim, sua reativação foi bem sucedida, como

pode-se observar na Fig. 7, e o resultado foi gratificante

para nós, garantindo o bom funcionamento de todas as

suas componentes.

Fig. 7 – Bancada restaurada

IV.2 - Formas de ondas obtidas

Foram realizados ensaios utilizando lâmpadas em série

como carga para se observar a tensão nos terminais do

retificador e do inversor, assim como a corrente no

circuito CC. Na configuração da Fig. 8 a bancada

começou a operar como retificadora na entrada e

inversora na saída.

Fig. 8 – Bancada em funcionamento

Com a bancada em pleno funcionamento e com

o auxílio de um osciloscópio obtivemos as formas de

ondas nas saídas do retificador, inversor e a corrente no

circuito CC. Os resultados são mostrados nas Figuras a

seguir a seguir:

Fig. 9 – Tensão Retificador Y-Y

5

Fig. 10 – Tensão Retificador Y-Δ

Fig. 11 – Tensão Inversor Y-Y

Fig. 12 – Tensão Inversor Y-Y

Fig. 13 – Corrente no circuito CC

V – DISCUSSÃO DE RESULTADOS

V.1 – Implementação e Funcionamento do Sistema

Conversor de 12 Pulsos

Avaliando-se os resultados de um ponto de vista

geral, eles foram bastante satisfatórios. Considerando a

sua situação incial, onde a bancada se encontrava bastante

danificada e possuía muitos defeitos como, mal contatos

devido a ligações de circuitos, fusíveis danificados e

cabos velhos e danificados.

Ainda não foi possível subtituir alguns LEDs e

fazer a etiquetagem completa da mesa. Porém, todos os

reparos para o seu devido funcionamento e testes

posteriores foram feitos, como visto na Fig. 6. Esses

reparos finais têm como objetivo apenas melhorar a

estética do equipamento.

V.2 – Análise das formas de onda de tensão do

Retificador e Inversor

Baseando-se na teoria foram feitos os

experimentos para colocar em funcionamento o Sistema

Conversor de 12 Pulsos Tiristorizado. Como pode-se

observar nas formas de onda o resultado é o esperado.

Deve-se observar com cuidado o defasamento

angular no transformador de entrada entre os 3

transformadores, umas vez que essa defasagem de Y-Δ

entre o secundário e o terciário é o que possibilita a

utilização desta bancada sem algum outro circuito,

inserindo uma defasagem angular entre as pontes

tiristorizadas do retificador. Devido a essa defasagem,

que se tem formas de onda diferentes entre as pontes

retificadoras Y-Y e Y-Δ. Essa diferença não ocorre na

forma de onda de tensão do inversor, já que não há

defasagem angular entre os transformadores.

V.3 – Análise das formas de onda de corrente CC na

saída do indutor de 55[mH]

Também é possível observar que a corrente no

circuito CC não é totalmente lisa, isso se deve ao fato de

6

ter harmônicos na rede e, principalmente, pelo nosso

reator de alisamento ser de menor valor que o necessário,

uma vez que quanto maior a indutância de alisamento

mais uniforme a forma de onda da corrente fica.

VI – CONCLUSÃO

Os resultados obtidos foram bastante positvos do

ponto de vista da equipe. Conseguimos reparar e colocar

em operação o Sistema Conversor de 12 Pulsos.

As formas de onda obtidas, tanto nos testes com

as pontes retificadoras quanto nas inversoras, foram

satisfatórias, tendo um nível de ruídos muito baixo e já

esperado.

O principal objetivo do projeto que era a

reativacão e disponibilização do equipamento para

pesquisas de iniciaçao cientifica foi atingido.

Foi um grande aprendizado para a equipe em

termos de aplicação e resoluções de problemas práticos

relacionados ao assunto em estudo. Possibitando um

melhor entendimento do Sistema Conversor Tiristorizado

de 12 Pulsos com Transformador de 3 Enrolamentos.

VII – AGRADECIMENTOS

Primeiramente gostaríamos de agradecer nossos

familiares por nos dar apoio e incentivo para realizarmos

nossos objetivos.

Agradecemos também o nosso orientador Prof.

Dr. Angelo José Junqueira Rezek que foi o idealizador

desse trabalho e nos ajudou e guiou durante todo o

processo. O Prof. Dr. Rafael que também nos prestou

apoio no laboratório.

E finalmente, à UNIFEI que nos forneceu o

equipamento, laboratório e o conhecimento necessário

para a realização do trabalho

VIII - REFERÊNCIAS

[1] MARQUES, P.H.. “Hidreletricidade em Novos

Tempos”. III Latin-American Congress on

Generation & Transmission, Campos do

Jordão, SP, Brasil, 1997.

[2] REZEK, A.J.J.. “Modelagem e Implementação de

Sistemas Multiconversores”. Tese de

Doutorado, FEEC/UNICAMP, maio/1991.

[3] REZENDE, J.T.; REZEK, AJ.J.. “O Gerador de

Indução como Alternativa de Geração de

Energia Elétrica”. XIV SNPTEE, Belém, PA,

outubro/1997.

[4] SAIDEL, M.A.; REIS, L.B.. “Geração Hidrelétrica

em Rotação Ajustável: Ampliação da Eficiência

Energética e Integração Ambiental do

Aproveitamento”. IV ELAF, Itajubá, MG, pp.

152-157, abril/1997.

[5] PELLY, B.R. “Thyristor Phase-Controlled Convert-

ers and Cycloconverters”,Wiley-Interscience,

1971.

[6] TEIXEIRA, D.A. “Análise das distorções harmôni-

cas: Estudo de caso de um sistema industrial”.

Dissertação de Mestrado, PPGEE/UFMG,

Novembro/2009

[7] DSE-FEEC-UNICAMP. “Conversores CA-CC –

Retificadores” Disponível em:

<http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffi

les/eltpot/cap3.pdf> Acesso em 5 de outubro de

2015.

[8] BORGES, D. T. S.; FREITAS, L. C. G.. “Retificador

Trifásico de 12 Pulsos com Autotransformador e

Conversores Boost Cascateados”

Disponível em:

<http://www.ceel.eletrica.ufu.br/artigos2013/cee

l2013_058.pdf > Acesso em 5 de outubro de

2015.

[9] SANTIAGO A. S., REZEK, A.J.J. “Análise e

Simulação do Conversor de 12 Pulsos”

Disponível em: <

http://www.gsiconsultoria.com.br/publicacoes_g

si/12%20-%20ART493-

07%20(Analise%20e%20simulacao%20do%20c

onversor%2012%20pulsos).pdf > Acesso em 5

de outubro de 2015.

[10] FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY Jr., C.; UMANS,

S. D. “Máquinas Elétricas: Com introdução à

eletrônica de potência”. Bookman, 2006.

BIOGRAFIA:

Alexandre de Carvalho Duarte

Nasceu em São Roque-SP, em 1989,

estuda em Itajubá na UNIFEI no

curso de engenharia elétrica,

realizou estágio de férias em

FURNAS (Ibiúna- SP), na troca do

sistema de proteção de analógico

para digital.

Daniel Silveira Costa

Nasceu em Muriaé (MG), em 1986.

Ingressou no curso de Engenharia

Elétrica na UNIFEI em 2006, com

ênfase em eletrônica. Estagiou na

ELETROCIDADE (Muriaé-MG),

na áera de instalações elétricas.

Rafael de Souza Machado

Nasceu em Muriaé (MG), em 1989.

Ingressou no curso de Engenharia

Elétrica na UNIFEI em 2010, com

ênfase em sistemas de potência.