Ponte Retificadora

O tema deste artigo é Ponte Retificadora, aborda a forma de dimensionamento para motor trifásico.

Motor

Em máquinas elétricas, motor elétrico ou atuador elétrico[1] é qualquer dispositivo que transforma energia elétrica em mecânica. É o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da energia elétrica - baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando – com sua construção simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos.

A formula é P(cv) = U(V) * i(A)

Para efetuar o calculo da corrente, coloca-se a mesma em evidência e fazermos a conversão cavalo-motor para watt, e o multiplicador 736. Logo, temos i(A) = (736 * P(cv)) / U(V).

Como o motor é trifásico, é necessário adicionar 1,73 (raiz(3)).

Onde:

i(A) = (736 * P(cv)) / (1,73 * U * n * cos(?)) 

i(A): Corrente de linha do motor (ampères);

P(cv): Potência do motor (cavalo-vapor);

U: Tensão de linha (volts);

n: rendimento do motor em decimais;

cos(?): Fator de potência do motor.

I(A) = (736 * 7,5) / (1,73 * 220 * 0,867 * 0,87)  = 19,22 A.

Logo, os diodos deverão suportar uma corrente superior a calculada acima. Para a construção do nosso inversor, utilizaremos a ponte retificadora SKD 30/04 A1 (datasheet) a qual suporta até 30 A e 400 V, mais do que o ideal para suportar a corrente nominal do motor. Foi escolhido esta ponte por ser um equipamento de fácil instalação.

Dimensionamento do dissipador de calor da ponte retificadora

O dissipador é um objeto de metal geralmente feito com alumínio, que tem por finalidade garantir a integridade dos equipamentos que podem sofrer algum dano referente ao calor gerado pelo trabalho.

Figura 1: Dissipador de alumínio

fonte: Robocore, 2018.

Cálculo térmico:

Tem como objetivo calcular a dissipação a fim de evitar um super-aquecimento e que a temperatura de junção (Tj) não exceda o valor máximo permitido de temperatura ambiente (TA), assim evitando qualquer dano na ponte retificadora.

PFAV = VF0 (Tj) * IFAV + rF (Tj) * IFRMS²

Onde:
PFAV: Potência média dissipada pelo diodo;
VF0: Tensão de polarização do diodo;
rF: Resistência do diodo;
IFAV: Corrente média do diodo = Icc / 3;
IFRMS: Corrente eficaz do diodo = Icc / 1,73.

VF0 = 2,2 V

rF = 12 m?                             
IFAV = 6,41 A

IFRMS = 11,1 A

PFAV = 2,2 * 6,41 + 12x10^(-3) * (11,1)² = 15,61 W

Rth(SA) = ( Tj - TA - PFAV * Rth(JC) / 6 PFAV ) - Rth(CS)

Onde:

Tj: Temperatura na junção do diodo;

Tc: Temperatura na base do diodo;

TA:Temperatura ambiente;

Rth(JC): Resistência térmica entre junção e a base de montagem do encapsulamento dos diodos;

Rth(CS): Resistência térmica entre base de montagem do encapsulamento dos diodos e o dissipador;

Rth(SA): Resistência térmica entre o dissipador e o ar.

Tj = 398º K

TA = 298º K                          

Rth(JC) = 0,85 K/W

Rth(CS) = 0,05 K/W

 Rth(SA) = (398 - 298 - 15,61 * 0,7 / 6 * 15,61) - 0,1 =  0,85 º C/W

Foi constatada que a ponte retificadora tem uma potência dissipada extremamente baixa e portanto não oferece preocupações em relação a dissipação de calor.

Simulação

O software de simulação de circuitos utilizado é o multisim, focado em simulações de eletrônica, porém, nos oferece poderosos recursos que auxiliam no dimensionamento dos componentes.

Figura 2: Circuito Básico Retificador Trifásico sem Capacitor no multisim

Filtro Capacitivo

O Filtro capacitivo é um arranjo de circuito elétrico que tem como finalidade filtrar e desviar para o solo as interferências causadoras de distorções, além de eliminar a tensão AC pulsativa e transformá-la em corrente contínua. Segundo Sergio Luis (2015, p. 84) a ondulação na saída do circuito retificador é muito grande o que torna a tensão de saída inadequada para alimentar o inversor. É necessário fazer uma filtragem na tensão de saída do retificador, que é realizada pelo barramento CC.

Figura 3. É a forma de onda gerada pela ponte retificadora, sem o filtro Capacitivo

A partir da figura 4, foi calculado que a tensão de ripple  é de 149 V e a frequência dessa tensão retificada é de 188 Hz

Para se obter a capacitância necessária para nivelar a tensão de saída de um retificador trifásico, se usa a formula:

C = Icc / (6 * f * Vond)
Onde:
Icc: Corrente na carga;
f: Frequência da rede de alimentação;
Vond: Tensão de ondulação.

Icc = 19,22 A
f = 188 Hz
Vond = 149 V

C = 19,22 / (6 * 188 * 149) = 114 uF

Baseado no calculo da capacitância necessária, optamos por utilizar 01 Capacitor  de 100uF  e 02 capacitores de 10 uF.

Figura 4. Circuito Retificador com Filtro Capacitivo

Figura 5. Tensão retificada com Filtro Capacitivo

Um cenário onde a utilização de ponte retificadora é essencial, é na construção de um inversor de frequência, onde é necessário para transformação da Corrente Alternada para corrente continua.

Conclusão

Esta atividade se baseou no na realização do projeto de uma ponte retificadora que será utilizada um inversor de frequência que deverá suportar uma carga de no máximo 7,5 CV.  Foram realizadas simulações no software multisim, que nos ajudou a dimensionar nossos componentes.

Foi desenvolvida utilizando referência principal o artigo do Sérgio Luis.

Mediante a pesquisa realizada, conseguimos desenvolver o um documento especificando os componentes necessários para a construção do nosso inversor de frequência.


Este demonstra sua importância se relacionando diretamente com a área de eletrônica de potência e nos proporcionando conhecimentos muito relevantes para nossa vida profissional.

Referências

BROCKVELD JUNIOR, Sergio Luis. Embasamento Teórico para o Projeto de um Inversor de Frequência. 2015. 118 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia Mecatrônica, Universidade Federal de Santa Catarina, Joinville, 2015.

[1] Charles K. Alexander; Matthew N. O. Sadiku (2013). «Motores Elétricos e Acionamentos: Série Tekne». books.google.com. p. 105. ISBN 978-85-8055-258-4.