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FACULDADE SATC
GUILHERME DEZAN MAZZUCCO
DISPARO DE TIRISTORES: ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM CIRCUITO
DE DISPARO E POTÊNCIA À TIRISTORES EM 24VCA
Criciúma
Março – 2014
GUILHERME DEZAN MAZZUCCO
DISPARO DE TIRISTORES: ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM CIRCUITO
DE DISPARO E POTÊNCIA À TIRISTORES EM 24VCA
Anteprojeto de Conclusão de Curso apresentado ao
Curso de Graduação em Engenharia Elétrica, da
Faculdade SATC, como parte dos requisitos à obtenção
do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Me. Philippe Pauletti.
Coordenador do Curso: Prof. Me. André Abelardo Tavares.
Criciúma
Março – 2014
LISTA DE FIGURAS
Fig. 01 – Módulo de Medição de Ângulo e Disparo Trifásico com TCA 785,,,,,,,...................10
Fig. 02 – Bancada Eletrônica de Potência ................................................................... ............10
Fig. 03 – Cartão de Disparo Trifásico com Medição de Ângulo Digital ................................. 11
Fig. 04 – Cartão de Disparo Monofásico ................................................................................. 11
Fig. 05 – Bancada Portátil faculdade SATC .......................................................................... 13
Fig. 06 – Bancada Digital faculdade SATC ............................................................................ 14
Fig. 07 – Símbolo esquemático de um tiristor SCR ................................................................. 14
Fig. 08 – Circuito térmico equivalente de um componente ...................................................... 15
Fig. 09 – Diagrama de blocos de um retificador ...................................................................... 17
Fig. 10 – Retificador meia onda a tiristor ................................................................................. 18
Fig. 11 – Forma de onda para retificador monofásico de meia onda carga resistiva ............... 18
Fig. 12 – Circuito retificador meia onda com indutor .............................................................. 19
Fig. 13 – Forma de onda para retificador monofásico meia onda com carga RL .................... 20
Fig. 14 – Ponte completa de retificação monofásica ................................................................ 21
Fig. 15 – Ponte de GRAETZ controlada com tiristores ........................................................... 22
Fig. 16 – Tensões de linha da rede trifásica ............................................................................. 23
Fig. 17 – Sequência provável de disparo dos tiristores ............................................................ 24
Fig. 18 – Tensões na carga para α = 0 ...................................................................................... 24
Fig. 19 – Tensões na carga para α = π/3 ................................................................................... 25
Fig. 20 – Tensões na carga para α > π/3 ................................................................................... 25
Fig. 21 – Gradador com carga RL ............................................................................................ 26
Fig. 22 – Corrente e tensão na carga RL para gradador monofásico........................................ 26
LISTA DE ABREVIAÇÕES
SIGLAS
SATC ___ Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina
Vcc ___ Tensão em Corrente Contínua
Vca ___ Tensão em Corrente Alternada
CC ___ Corrente Contínua
CA ___ Corrente Alternada
TCC ___ Trabalho de Conclusão de Curso
C.I. ___ Circuito Integrado
USB ___ Universal Serial Bus
RMS ___ Root Mean Square
RC ___ Resistivo Capacitivo
LED ___ Light Emitting Diode
SCR ___ Silicon Controlled Rectifier
SÍMBOLOS
[alfa] Ângulo de disparo
[beta] Ângulo de extinção
γ [gama] Ângulo de condução
Δ [delta] Ângulo de meia condução
V [Volt] Tensão
A [Ampér] Corrente
Hz [Hertz] Frequência
f [Hertz] Frequência
R [Ohms] Resistência
Vrms [Volt] Tensão Eficaz
T [s] Período em segundos
A [Ampér] Corrente
P [Watt] Potência ativa
SUMÁRIO
2 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 6
2.1 JUSTIFICATIVA E CONTRIBUIÇÕES ................................................................... 6
2.2 ORGANIZAÇÃO ......................................................................................................... 6
2.3 OBJETIVO GERAL .................................................................................................... 7
2.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................................... 7
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .................................................................................. 8
3.1 BANCADA DIDÁTICA ................................................................................................ 8
3.1.1 Definição e Diretrizes Gerais ....................................................................................... 8
3.1.2 Estado da arte ............................................................................................................... 9
3.1.2.1 Produtos no mercado ................................................................................................... 9
3.1.2.3 Desenvolvimento interno Faculdade SATC ............................................................. 12
3.2 TIRISTORES ................................................................................................................ 14
3.2.1 Cálculo térmico ........................................................................................................... 15
3.2.2 Retificadores a tiristor ............................................................................................... 17
3.2.2.1 Retificadores meia onda a tiristor ............................................................................. 18
3.2.3 Ponte de GRAETZ a tiristor...................................................................................... 21
3.3 CIRCUITO DE COMANDO ....................................................................................... 25
3.3.1 Função circuitos de comando .................................................................................... 25
3.3.2 Controladores de tensão CA trifásico ....................................................................... 25
4 CRONOGRAMA ........................................................................................................ 28
REFERÊNCIAS ....................................................................................................................... 29
1 IDENTIFICAÇÃO
Acadêmico (a): Guilherme Dezan Mazzucco
Curso e Fase: Engenharia Elétrica 11ª fase.
Telefone Residencial: (48) 34652752
Telefone Celular: (48) 99485133
E-mail: [email protected]
Professor Orientador: Me. Philippe Pauletti
E-mail: [email protected]
6
2 INTRODUÇÃO
2.1 JUSTIFICATIVA E CONTRIBUIÇÕES
As bancadas didáticas são uma ferramenta importante na formação prática dos
acadêmicos, pois representam uma cópia quase fiel do ambiente de trabalho. Devem dispor de
baixa tensão para que as pessoas não tenham riscos ao utilizá-las.
Na instituição SATC, as bancadas de eletrônica de potência, utilizam uma tensão
de 380V trifásica, o que significa um grande risco para os usuários e por ser um ambiente
acadêmico, devem proporcionar segurança.
Para adequar a sala de aula ao melhor espelho do ambiente profissional, a maioria
dos projetos é desenvolvida pelos acadêmicos dentro da própria instituição, disponibilizando
ao aluno a oportunidade de desenvolver aptidões em diversas áreas e executar algumas falhas
no sistema para um melhor aprendizado.
2.2 ORGANIZAÇÃO
Os capítulos deste trabalho foram organizados de tal modo a facilitar a compreensão
do trabalho como um todo.
Primeiro Capitulo: mostra a introdução necessária para o desenvolvimento do
projeto, os principais objetivos a serem alcançados e as contribuições.
Segundo Capítulo: revela a fundamentação teórica para que todo o sistema seja
compreendido, mostrando o funcionamento dos principais componentes utilizados no
desenvolvimento do equipamento.
7
2.3 OBJETIVO GERAL
- Estudar e desenvolver um circuito de disparo e potência à tiristores em 24Vca de
baixo custo para utilização em bancadas didáticas.
2.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Projetar um circuito de disparo completo e ajustável para Tiristores em 24Vca;
- Efetuar simulação computacional que comprove a validade e funcionalidade do
projeto;
- Montar uma placa protótipo com o circuito projetado e efetuar testes práticos, com
cargas adequadas;
- Adequar as bancadas de estudo do laboratório de eletrônica de potência a níveis
de tensão seguros;
- Realizar análise de custos de implantação do projeto versus aquisição de bancadas
comerciais.
8
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
No entendimento do projeto será descrito o funcionamento dos tiristores, modos de
comando e disparo para tiristores, simulação do circuito, tipos de bancadas e equipamentos.
Este estudo visa facilitar o entendimento de qualquer pessoa ao projeto proposto.
Desta maneira teoria e prática se tornam aliadas para uma melhor compreensão dos circuitos
elaborados em sala de aula, trazendo uma percepção diferente ao aluno sobre como as coisas
realmente acontecem.
3.1 BANCADA DIDÁTICA
Bancada é um móvel sobre o qual pode-se fixar materiais, instrumentos, botões,
LED’s, medidores, registradores entre outros artefatos necessários para um estudo ou
montagem de circuito ao qual se tem interesse, tornando mais fácil o manejo dos dispositivos e
circuitos. [1]
A bancada didática propõe a organização e disposição dos equipamentos e
medidores necessários aos experimentos, auxiliando os estudantes na compreensão dos
circuitos vistos na teoria e aguçando o discernimento das grandezas estudadas. [1]
As bancadas para disparo de tiristores devem conter: segurança para utilização de
leigos, fácil manutenção, se adequar as normas vigentes, possuírem controle de disparo dos
tiristores, ter baixo custo para a construção e serem intuitivas. [1]
3.1.1 Normas e diretrizes
Os laboratórios podem dispor de vários formatos de bancadas, podendo conter
vários objetos e equipamentos que são imprescindíveis para a pesquisa. Segundo Alves,
9
“existem quatro tipos básicos de disposição para bancadas”, abaixo estão descritas as mais
comuns: [1]
- “Ilha”: instaladas na área central do laboratório, permitem a circulação em sua
volta pelos alunos, podem conter acessórios nas pontas.
- “Península”: Possui um dos lados vinculados a parede, o seu restantes pode ser
ocupado por alunos.
- “Parede”: completamente instalada na parede, oferece apenas uma face para
utilização dos estudantes.
- “U”: variação do tipo ilha, facilita a manutenção e permite colocar aparelhos como
monitores para o uso coletivo.
De acordo com ALVES “As instalações eletroeletrônicas de um ambiente didático
devem ser resultado de um estudo específico que contemple as particularidades das atividades
didáticas a serem desenvolvidas no ambiente”. [1]
A fiação elétrica deve estar em conformidade com a NBR5410. Todas as fiações
devem estar protegidas e identificadas para facilitar a manutenção. O quadro elétrico deve estar
em local visível e de fácil acesso. Os níveis de tensão não devem exceder os 60V, para diminuir
os riscos de acidentes aos usuários. [1]
Deve-se garantir ainda a proteção contra descargas atmosféricas, conforme
NBR5419 (proteção de estruturas contra descargas atmosféricas). [1]
3.1.2 Estado da Arte
3.1.2.1 Produtos no mercado
Pode-se encontrar no mercado produtos de diferentes marcas, projetos e tipos.
Abaixo são demonstrados alguns exemplos desses produtos prontos para compra.
10
Fig. 01 - Módulo de Medição de Ângulo e Disparo Trifásico com TCA-785[2]
Fig. 02 - Bancada eletrônica de potência [3]
O sistema da Fig. 02 é composto por módulos de potência, controle, disparo,
medição e proteção, em uma bancada fixa. Há ainda a possibilidade de inserir novos cartões,
dependendo do ensaio a ser realizado. Os cartões se fixam facilmente através de parafusos e
pode ser dispostos convenientemente do melhor jeito para o usuário.
11
Fig. 03 – Cartão de Disparo Trifásico com Medição de Ângulo Digital [2]
Fig.04 – Cartão de Disparo Monofásico [2]
De acordo com DATAPOOL o cartão de disparo da fig.04 é designado, “Para
estudo e verificação do funcionamento de circuitos de disparo de SCR’s com CI dedicado TCA-
785. Equipado com trimpot’s para efetuar os ajustes das rampas e da constituição dos pulsos
(curto ou longo)”. Pode-se controlar os pulsos por sinal externo ou manualmente. [2]
O controlador de fase TCA785 utilizado nos módulos de comando da fig.04 e 05
foi projetado para fazer controle de tiristores, triacs e transistores em circuitos de alta potência.
12
Os ângulos de disparo podem variar de 0 a 180 graus, possui reconhecimento de passagem por
zero, pode ser usado como chave de passagem por zero, é compatível com LSL (lógica digital
de elevada imunidade a ruídos), opera em circuitos trifásicos, sua corrente de saída é de até
250mA e opera numa ampla faixa de temperatura. [2]
A montagem do circuito de potência e disparo de tiristores deve ser feita em 24Vca
para garantir a integridade dos usuários. A base para o projeto será o cartão de disparos da figura
04, que poderá ser modificado com periféricos como: mostrador digital de ângulo de disparo,
mostradores de tensão e corrente, dentre outros de acordo com a necessidade das experiências
a serem desenvolvidas.
3.1.2.2 Desenvolvimento interno da Faculdade SATC
As bancadas desenvolvidas a partir de trabalhos de conclusão de curso mostraram-
se de suma importância para um melhor aprendizado dos acadêmicos, portanto servirão de base
para o estudo deste projeto.
As figuras 05 e 06 mostram exemplos de bancadas já desenvolvidas na faculdade
SATC, que servem de apoio aos alunos nas aulas experimentais. A figura 05 mostra uma
bancada de testes portátil para laboratórios de engenharia elétrica que contém diversos
dispositivos eletrônicos.
É composta por uma fonte regulável e simétrica de tensão de +12Vcc e -12 Vcc,
onde a tensão varia de 1,25V a 12V para alimentar os circuitos e uma fonte de alimentação fixa
em +5Vcc para alimentar circuitos internos. O circuito gerador de sinais fornece escalas de
frequências em 1khz, 10khz, 40khz e 100khz que são selecionadas através de uma chave e
podem ser de três tipos, com relação ao formato onda: quadrada, senoidal e triangular. A
Medição da tensão contínua pode ser selecionada em 5Vcc, 50Vcc ou 500Vcc e possui uma
medição em 220Vca e ainda uma medição de corrente de -5A até +5A.
Utiliza-se um LCD de 16 colunas por 2 linhas para a visualização das informações
de medidas efetuadas pelo controlador e um monitoramento por software que tem possibilidade
de atualização do firmware através da porta USB. Contém ainda os equipamentos necessários
para se utilizar uma ampla gama de experimentos relacionados com diversas disciplinas dos
cursos de engenharia.
13
Fig. 05 – Bancada Portátil faculdade SATC [4]
Na figura 06, observa-se uma bancada também portátil, que tem como diferencial
uma variedade de geração de sinais e a regulação dos sinais de referência que podem ser
ajustados de 0% a 100%. A bancada ainda apresenta a exibição de uma tela com o osciloscópio
e uma tela de amostragem de dados, facilitando a compreensão do aluno quanto aos dados
obtidos no experimento.
O gerador de funções possui três formatos de onda, quadrada, triangular e senoidal,
sua frequência pode ser variada de 30Hz a 100Khz e a tensão varia de 0 a 10V de pico a pico
para a onda quadrada e para as demais ondas a tensão varia de -10V a +10V de pico a pico. Os
dados que são recebidos pelo micro controlador acondicionam os sinais de tensão, corrente e
frequência da fonte ou dos circuitos elaborados. Existe também na bancada um display de
240x128 pixels onde todas as informações adquiridas pelo micro controlador são apresentadas
e possibilitam a amostragem em forma de gráficos, semelhante a um osciloscópio digital.
Para alimentar toda a bancada existe uma fonte de tensão que varia de ±1,25V a
±12,5V, e saídas simétricas de ±5V e ±12V, com a corrente limitada a 1A por fusíveis
individuais.
14
Fig. 06 – Bancada Digital faculdade SATC [5]
3.2 TIRISTORES
São dispositivos semicondutores multicamadas, que permitem o chaveamento do
estado bloqueado para o estado de condução através do terminal “GATE”. O tiristor nada mais
é do que um botão de pulso acionado por corrente no terminal de gatilho. [6]
Fig. 07 - Símbolo esquemático de um tiristor SCR [6]
Diferente do diodo o tiristor não entra em condução quando polarizado diretamente
se não tiver alguma corrente no gatilho (gate). Essa corrente não necessita ser constante,
podendo ser usado somente um pequeno sinal de corrente (pulso), que pode ser de curta
15
duração, o que é primordial para permitir que o chaveamento do tiristor seja o mais eficaz e
preciso possível. [7]
3.2.1 CÁLCULO TÉRMICO
O grande problema encontrado nos tiristores e na maioria dos componentes
eletrônicos é a corrente que circula pelos seus terminais causando aquecimento dos
componentes, tanto na condução quanto na comutação. O calor deve ser dissipado de algum
modo para o ambiente ou pode causar o superaquecimento do tiristor, ocasionando o colapso
do mesmo.
Como todo componente de potência os tiristores possuem além da perda por
aquecimento térmico uma perda por aquecimento na condução da corrente, para a perda por
condução de corrente a potência média é calculada através da equação 1: [8]
𝑃 = 𝑉𝑇(𝑡0)𝐼𝑇𝑚𝑒𝑑 + 𝑅𝑇𝐼𝑇𝑒𝑓² [W] (1)
Onde:
P = potência média
VT(t0) = tensão no tiristor no instante t0
ITmed = corrente média no tiristor
RT = resistencia tiristor
ITef 2 = corrente eficaz do tiristor ao quadrado
Para a adição de um dissipador e para o conhecimento das perdas totais no tiristor,
leva-se em consideração a perda térmica adotando o circuito equivalente da figura 08 para o
cálculo. [8]
Fig. 08 Circuito térmico equivalente de um componente. [8]
16
Onde:
Tj - temperatura da junção (ºC).
Tc - temperatura da cápsula (ºC).
Td - temperatura do dissipador (ºC).
Ta - temperatura ambiente (ºC).
P - potência térmica produzida pela corrente que circula no componente e sendo
transferida ao meio ambiente (W).
Rjc - resistência térmica entre a junção e cápsula (ºC/W).
Rcd - resistência térmica entre o componente e dissipador (ºC/W).
Rda - resistência térmica entre o dissipador e o ambiente (ºC/W).
Rja - resistência térmica entre a junção e o ambiente (ºC/W).
Sendo a equação 2:
Rja = Rjc + Rcd + Rda (2)
Pode-se utilizar a equação 3 baixo para o cálculo térmico do componente:
Tj – Ta = Rja P (3)
Como mencionado anteriormente o objetivo do cálculo térmico é não permitir que
o componente atinja a máxima temperatura especificada pelo fabricante, assim calcula-se P
utilizando das características do componente e da corrente que passará sobre ele. Adota-se um
valor para Ta que varia conforme o local onde é utilizado o componente, para a região sul pode-
se adotar valores acima de 40ºC já que a temperatura ambiente chega próxima a esse valor. Tj
é fornecida pelo fabricante, então é uma constante. [8]
Com base nas referências acima citadas pode-se calcular a resistência térmica de
junção, de acordo com a fórmula 4:
Rja = Tj−Ta
P (4)
17
O restante das resistências é fornecido pelo catálogo do fabricante sendo elas Rjc e
Rcd, agora com base nos dados adquiridos pode-se determinar a resistência térmica entre
dissipador e ambiente com a fórmula 5:
Rda = Rja – Rjc – Rcd (5)
Utiliza-se o catálogo do fabricante e nele, se escolhe o dissipador mais adequado de
acordo com os valores calculados e as respectivas curvas térmicas, caso o valor exato não seja
encontrado de modo comercial, escolhe-se o valor menor mais aproximado. [8]
3.2.2 RETIFICADORES A TIRISTOR
Os retificadores são dispositivos que permitem tornar contínua grandezas de
corrente e tensão. Geralmente são formados por um transformador, diodos ou tiristores, um
filtro ativo ou passivo e um regulador de tensão. A tensão encontrada nos terminais de saída do
transformador é retificada, filtrada, regulada e então entregue a carga. [6]
Fig. 09 – Diagrama de blocos de um retificador [7]
De modo a aproveitar melhor a tensão retificada existem diversos tipos de
retificadores. Alguns exemplos de acordo com AHMED são: [9]
Retificadores de meia onda;
Retificadores onda completa;
Retificadores onda completa com derivação central;
Retificadores em ponte de GRAETZ.
18
3.2.2.1 Retificadores meia onda a tiristor
Os retificadores de meia onda fig. 10 apresentam o “corte” na parte positiva da
senóide e da fig.11 se obtém as seguintes equações:
Fig. 10 – circuito retificador meia onda a tiristor [9]
Fig. 11 – Forma de onda para retificador monofásico meia onda com carga resistiva. [8]
Calcula-se a tensão da fonte de acordo com a equação 6:
𝑉(𝜔𝑡) = √2 𝑉𝑜𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡)
19
Para a tensão na carga utiliza-se a equação 7:
VLmed = 0,225V0 (1+cos ) (7)
A tensão média na carga varia conforme o ângulo de disparo do tiristor muda.
A corrente na carga é dada por:
𝐼𝐿𝑚𝑒𝑑 = 𝑉𝐿𝑚𝑒𝑑
𝑅 (8)
A potência média na carga é calculada através da equação 9:
𝑃𝑅 = 𝑉0
2
𝑅 (
1
2−
𝛼
2𝜋+
𝑠𝑒𝑛2𝛼
4𝜋) (9)
Onde:
ω = ângulo fasorial da onda em relação a variável de tempo (t)
α = ângulo disparo do tiristor
V0 = Tensão de alimentação
Com essas equações pode-se calcular os valores de corrente e tensão para uma carga
puramente resistiva e dimensionar os componentes necessários para a elaboração do circuito.
Já para uma carga indutiva instalada a um circuito fig.12 precisa-se levar em
consideração a inércia das grandezas corrente e tensão, pois elas não se comportam da mesma
maneira que em uma carga puramente resistiva. A fig.13 mostra claramente a diferença do
comportamento da onda apenas com resistores fig.11, para a onda com indutores fig.13. [9]
Fig. 12 – Circuito retificador meia onda com indutor [9]
20
Fig. 13 – Forma de onda para retificador monofásico meia onda com carga RL. [8]
Não existe condução durante o intervalo 0 (zero) até no tiristor, conforme mostra
a fig. 13, deste modo corrente e tensão são nulas. No momento em que o ângulo t é igual ao
ângulo ocorre o disparo do tiristor, levando tensão e corrente até a carga. [9]
Para a fig. 13 ainda, π não deve ser maior que ou não haveria atraso de corrente
causado pelo indutor. Enquanto não ocorre o bloqueio da corrente na carga, a tensão da carga é
igual à tensão da fonte, pois a ligação da carga e da fonte é feita em paralelo. Sobre o intervalo
(π,) os valores de tensão sobre a carga são negativos conforme o ângulo
A partir da condução () do tiristor, a equação 10 da tensão média na carga é igual
a:
𝑉𝑜(𝑎𝑣𝑔) = 𝑉𝑚 (cos 𝛼−cos 𝛽)
2𝜋 (10)
A tensão média na carga depende do ângulo de extinção para valores já definidos
de Vo e . Ainda depende da constante de tempo da carga, desse modo ao se variar a carga, a
tensão também varia. [9]
A corrente média da carga é dada pela expressão 11:
𝐼𝐿𝑚𝑒𝑑 = 𝑉𝐿𝑚𝑒𝑑
𝑅 (11)
Substituindo, temos a equação 12:
21
𝐼𝐿𝑚𝑒𝑑 = 0,225𝑉0
𝑅 (cos 𝛼 − cos 𝛽) (12)
Existem duas maneiras de se descobrir o ângulo de extinção Uma delas segundo
Ivo Barbi “a solução analítica é impossível, sendo necessário o emprego de um método
numérico de equações algébricas”.Utiliza-se então o ábaco de Puschlowski (anexo A) para a
obtenção do ângulo de extinção . O ângulo de condução é obtido subtraindo de conforme
a equação 13
13
3.2.3 Ponte de GRAETZ a tiristor
A ponte completa para retificação monofásica fig.14, utiliza quatro tiristores para
fazer o controle da tensão entregue a carga. Nestes casos não se pode inverter a polaridade da
corrente mas, a tensão em cima da carga pode ser negativa se utilizado um indutor para manter
a circulação de corrente nos tiristores, mesmo quando reversamente polarizados. [10]
Os tiristores T1 e T4 devem ser disparados simultaneamente assim como T2 e T3,
para garantir que haja circulação de corrente através da fonte. Na condução contínua um par de
tiristores só desliga quando a polaridade da fonte for invertida e outro par for acionado. [10]
Fig. 14 – Ponte completa de retificação monofásica
22
A ponte de GRAETZ é uma retificação de onda completa que utiliza seis tiristores
para retificar tanto o semiciclo negativo, quanto o semiciclo positivo de uma rede trifásica.
Controlando os disparos tanto positivo quanto negativo da onda, pode-se entregar a carga uma
maior potência. A figura 15 mostra a ponte de GRAETZ elaborada com tiristores. [8]
Fig. 15 – Ponte de GRAETZ controlada com tiristores [7]
Para cargas resistivas o comportamento da ponte de GRAETZ se dá através das
seguintes equações:
Quando o valor de VLmed = 2,34Vo devido a estrutura ser igual a um retificador
trifásico não controlado.
Já para 0 < a condução é continua, deve-se então calcular a tensão média na
carga de acordo com a equação 15.
𝑉𝐿𝑚𝑒𝑑 = 6
2𝜋 ∫ √3√2 𝑉0𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡)𝑑(𝜔𝑡)
2𝜋
3+𝛼
𝜋
3+3
(15)
Se cos(a+b) = cos(a) . cos(b) – sen(a) . sen(b), deve-se aplicar a propriedade na
equação 15 para obter então a equação 16 :
𝑉𝐿𝑚𝑒𝑑 = 6√3√2 𝑉0
2𝜋 cos (𝛼) (16)
Assim tem-se a equação 17:
𝑉𝐿𝑚𝑒𝑑 = 2,34𝑉0 cos 𝛼 (17)
23
A equação 17 representa o valor de tensão médio na carga, considerando o ângulo
α de disparo dos tiristores.
Considera-se também o intervalo da onda onde a condução é descontínua, no
intervalo de π/3 < α < 2π/3, calcula-se a tensão média conforme a equação 18:
𝑉𝐿𝑚𝑒𝑑 = 2,34𝑉0 [1 + cos (𝜋
3+ 𝛼)] (18)
O funcionamento para uma carga indutiva é diferente de uma carga resistiva pura,
pois existe inércia de corrente nos indutores. Para o cálculo da ponte de GRAETZ com carga
indutiva será levado em consideração à condução contínua, onde a corrente nos tiristores não
cessa.
São apresentados na fig. 16 os ângulos de disparo das três ondas (fases) de tensão.
Pode-se notar que abaixo de um ângulo de 60° a condução é sempre contínua, mesmo para
cargas puramente resistivas. [7] [8]
Fig. 16 – Tensões de linha da rede trifásica [7]
De forma a não entrar em colapso os tiristores devem ser disparados aos pares,
sincronizados conforme a sequência de fases da fonte. Os pulsos de reforço vistos na fig.17
servem para garantir o modo de operação correto, eles iniciam o funcionamento do
retificador. [7]
24
Fig.17 – Sequência provável de disparo dos tiristores [7]
A tensão média da carga é determinada então pela equação 17:
Ainda atribuir-se algumas considerações com relação ao ângulo de disparo:
1. 0 ≤ α < 𝜋
2 – para VLmed > 0
2. 𝜋
2 < α ≤ π – para VLmed < 0
3. α = 𝜋
2 – VLmed = 0.
Têm-se então os seguintes gráficos gerados:
Fig. 18 – Tensão na carga para α = 0 [10]
25
Fig. 19 – Tensões na carga para α = π/3 [10]
Fig. 20 – Tensões na carga para α > π/3 [10]
3.3 CIRCUITOS DE COMANDO
3.3.1 Função circuitos de comando
O comando visa à interrupção ou passagem da corrente elétrica por um determinado
caminho. São usados diversos dispositivos para que isso aconteça, o mais comum é o
interruptor, que faz o chaveamento da corrente abrindo ou fechando o circuito. [7]
Segundo Barbi, “o circuito de comando de um conversor é destinado a enviar aos
gatilhos dos tiristores as correntes de disparo com formas e valores adequados, em instantes
bem determinados, para colocá-los em condução”. [8]
3.3.2 – Controladores de tensão CA
26
Nas aplicações alimentadas em corrente alternada (CA), nas quais se deseja alterar
o valor da tensão (ou da corrente) da carga, é comum o uso dos “Variadores de tensão”,
também designados como “Gradadores” por Barbi, ou ainda, “Controladores de tensão CA”
por Ahmed.[8][9]
As principais utilizações dos gradadores são o controle de intensidade luminosa, o
controle de temperatura, o controle de velocidade em motores de indução e a limitação da
corrente de partida em motores. [9]
Se as cargas demandam de potências menores pode-se empregar triacs para o
acionamento, já quando o circuito demanda de maior consumo de potência, ou seja, para
cargas de corrente elevada costuma-se empregar dois tiristores em antiparalelo. [8]
Para uma carga RL a configuração do circuito com gradador é visto na fig. 21:
Fig. 21 – Gradador com carga RL [9]
Fig. 22 – corrente e tensão na carga RL para gradador monofásico [8]
27
Da figura 22 retiram-se as seguintes equações onde:
V(t) – tensão de alimentação
I(t) – corrente na carga
I’(t) – corrente de carga para ∅
A equação 19 demonstra a relação necessária para o cálculo do cosseno da carga.
cos(∅) =𝑅
√𝑅2+(𝜔𝐿)² [8] (19)
Se cos (∅) é o fator de potência da carga. Adota-se então o referencial da figura 21
para calcular a tensão de alimentação.
𝑉(𝜔𝑡) = √2 𝑉0𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 + 𝛼) (20)
A expressão 19 nos mostra que se α = ∅, a corrente da carga se torna senoidal e se
ωt = β a corrente do tiristor é nula e fica bloqueada.
Após algumas operações algébricas, encontra-se a equação da corrente que é dada
pela expressão 21:
𝑖(𝜔𝑡) = 𝐼𝑚[𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 − ∅) − 𝑠𝑒𝑛(𝛼 − ∅)𝑒−𝑐𝑜𝑡𝑔(∅)[𝜔𝑡−𝛼]] (21)
28
4. CRONOGRAMA
2014
Fev. Mar. Abr. Maio Jun.
Busca do material bibliográfico X X
Leitura analítica do material bibliográfico X X
Escrita dos capítulos X
Revisão da pesquisa (linguagem) X
Formatação final da pesquisa X
Entrega do anteprojeto X
Simulação em software X
Montagem do circuito X X
Correções X
Entrega X
29
REFERÊNCIAS
[1] ALVES, Manoel Rodrigues Manual de ambientes didáticos para graduação. 2011.
Ficha catalográfica elaborada pela seção de tratamento de informação da biblioteca prof.
Achille Bassi. Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação – ICMC/USP. Disponível
em: http://www.prg.usp.br/wp-content/uploads/manualambientesdidaticos.pdf - Acesso em:
22 março 2014.
[2] www.datapool.com.br – acesso em março de 2014.
[3] www.bit9.com.br – acesso em março de 2014.
[4] FONTANA, Ronaldo B. Bancada de testes portátil para laboratórios de engenharia
elétrica. 2010. Trabalho de conclusão de curso. Faculdade SATC, Criciuma,2010.
[5] COELHO, Marcos A.J. Bancada de testes didática para laboratórios de engenharia
elétrica. 2012. Trabalho de conclusão de curso. Faculdade SATC, Criciuma,2012.
[6] http://www.electronica-pt.com/content/view/131 - acesso em março de 2014.
[7] ANDRADE, Eugênio S. de Macedo. Eletrônica de potência. 2005. Centro profissional
Pedro Martins Guerra – FIEMG. Disponível em http://pt.scribd.com/doc/63151899/AA-
ELETRONICA-POTENCIA-SENAI-MG - Acesso 25 março 2014.
[8] BARBI, Ivo. Eletrônica de potência. Florianópolis/SC: Ed. Autor, 2000.
[9] AHMED, A. Eletrônica de potência. São Paulo/SP: Pearson Prentice Hall, 2000.
30
[10 GONÇALVES, Flávio A. S. Eletrônica Industrial. Faculdade Engenharia Ilha Solteira –
FEIS/UNESP. Disponível em http://200.145.241.31/dee/gradua/elepot/prc1.htm - Acesso 25
março 2014.
31
ANEXOS
32
Anexo A - ÁBACO DE PUSCHLOWSKI [8]
33
Anexo B - ÁBACO DO ÂNGULO DE EXTINÇÃO [8]