CONTROLADORES DE TENSÃO CA Eletrônica de Potência
Introdução ●
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Em algumas aplicações, alimentadas em corrente alternada (CA), nas quais se deseja alterar o valor da tensão (e corrente) eficaz da carga, é usual o emprego dos chamados “Variadores de Tensão”,ou “Gradadores”, ou ainda, “Controladores de Tensão CA”. Caracterizam-se por colocar a carga em contato direto com a fonte, sem tratamento intermediário de energia. Não alteram a frequência da tensão alternada da fonte. Não utilizam elementos reativos. Introduzem harmônicas na tensão de saída e na corrente de entrada. Emprega Tiristores
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Diversas aplicações residenciais e industriais, como a climatização de um ambiente, o controle de temperatura (chuveiros e fornos), o controle da luminosidade (dimmer), bem como, controle da velocidade de motores de indução e limitação da corrente de partida de motores de indução (soft-starters).
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Como a tensão de entrada é CA, os tiristores são comutados pela rede; Então é normalmente utilizado tiristores de controle de fase, mais baratos e lentos que os de chaveamento rápido. Devido à comutação natural ou pela rede, não há necessidade de circuitos de comutação adicionais, tornando os circuitos muito simples. Porém devido à natureza das formas de onda de saída, a análise para a obtenção das derivações de expressões explícitas para os parâmetros de performance dos circuitos não é simples, em especial para conversores de ângulo de fase controlado com cargas RL, então para simplificação foram consideradas cargas resistivas.
Tiristores utilizados ●
Cargas de pequena potência (até 400Hz) ○ Exemplo: TIC226
TRIAC
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Cargas de potências maiores em antiparalelo) ○ Exemplo: TIC106 (SCR)
SCR (Dois tiristores
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Para a transferência de potência, dois tipos de controle normalmente são utilizados: ):): as chaves com tiristores ○ Controle liga-desliga ( on-off conectam a carga à rede de alimentação CA (fonte) por alguns ciclos da tensão de entrada e então a desconectam por outros poucos ciclos; Controle do ângulo de fase: as chaves com tiristores ○ conectam a carga à fonte CA durante uma porção de cada ciclo da tensão de entrada.
Tensão V fixa
Tensão V variável
Frequência f fixa
Frequência f fixa
Controle Liga e Desliga ●
Utilizando um controlador monofásico de onda completa: ●
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A chave com tiristores conecta a rede de alimentação CA à carga durante um tempo tn; A chave é desligada através da inibição dos pulsos de gatilho durante um tempo t0. O tempo da chave ligada, tp, geralmente consiste de um número inteiro de ciclos. Os tiristores são disparados nos cruzamentos da tensão CA de entrada, quando esta é zero.
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Controle L\D é utilizado quando há alta inércia mecânica e constante de tempo térmica elevada (aquecimento industrial e controle de veloc. de máquinas elétricas). Devido ao chaveamento com tensão e corrente zero, os harmônicos gerados pela ação de chaveamento são reduzidos. Para uma tensão eficaz de entrada:
Se a tensão de entrada for conectada à carga durante n ciclos e desconectada durante m ciclos, a tensão eficaz de saída (ou da carga) pode ser encontrada a partir de: d e:
onde k = n/(m + n) e k é chamado ciclo de trabalho.
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O fator de potência e a tensão de saída variam com a raiz quadrada do ciclo de trabalho. O fator de potência é baixo em valores baixos do ciclo de trabalho, k. Se T for o período da tensão de entrada, (m + n)T será o período do controle liga-desliga; (m + n)T deve ser menor que a constante de tempo mecânica ou térmica da carga e normalmente é menor que l s (não devendo, portanto, ser em horas ou dias).
Exercício 1 Um controlador de tensão CA tem uma carga resistiva de R = 10Ω e a tensão eficaz de entrada é Vs = 120V, 60Hz. A chave com tiristores é ligada durante n = 25 ciclos e desligada durante m = 75 ciclos. Determinar (a) a tensão eficaz (rms) de saída V0, (b) o fator de potência de entrada PF e (c) a corrente média.
Controle de fase ●
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As configurações do circuito para o controle controle liga-desliga são similares as controle de fase, assim como a análise da performance. O fluxo de potência para a carga é controlado atrasando-se o ângulo de disparo do tiristor T1. Devido à presença do diodo D1, a faixa de controle é limitada e a tensão de saída rms efetiva somente pode ser variada entre 70,7 e 100%.
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A tensão de saída e a corrente de entrada são assimétricas e contêm uma componente CC. Se houver um transformador t ransformador de entrada, ela pode causar um problema de saturação. Esse circuito é um controlador monofásico de meia-onda e é apropriado apenas para cargas resistivas de baixa potência, tais como aquecimento e iluminação. Como o fluxo de potência é controlado durante o semiciclo positivo da tensão de entrada, esse e sse tipo é também conhecido como controlador unidirecional (normalmente não utilizado na prática). Para como tensão de entrada e o ângulo de disparo do tiristor T1 de wt= α, a tensão eficaz de saída será:
E o valor médio da tensão:
Classificação dos controladores de tensão CA ●
Classificados em: ○
○
Controladores monofásicos; ■
Controle unidirecional ou de meia-onda ;
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Controle bidirecional ou de onda completa.
Controladores trifásicos. ■
Controle unidirecional ou de meia-onda ;
■
Controle bidirecional ou de onda completa.
Controladores Monofásicos Bidirecionais com Cargas Resistivas ●
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Durante o semiciclo positivo da tensão de entrada, o fluxo de potência é controlado variando-se o ângulo de disparo do tiristor T1; e o tiristor T2 controla o fluxo de potência durante o semiciclo negativo da tensão de entrada. Os pulsos de disparo de T1 e T2 são defasados de 180°.
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Se:
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Tensão Eficaz de saída:
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Variando-se α de 0 a π, Vo poderá variar de Vs a 0.
Controladores Monofásicos com carga indutiva
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Supondo que o tiristor T1 seja disparado durante o semiciclo positivo e conduza a corrente de carga.
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Devido à indutância no circuito, a corrente no tiristor T1 não cai a zero em wt = π, quando a tensão de entrada começa a ficar negativa. O tiristor T1 continuará a conduzir até que sua corrente i1 caia azero em wt = β. O ângulo de condução do tiristor T1 é δ = β - α e depende do ângulo de disparo α e do ângulo do fator de potência da carga θ. Sendo a tensão instantânea de entrada:
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Determinando A1 pela condição inicial wt = α, i1=0:
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O angulo β é determinado pela equação dada da condição i1(wt=β) = 0, por método iterativo:
Sabendo-se β, o angulo de condução de T1 será:
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A tensão eficaz de saída é:
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A corrente eficaz do tiristor
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A corrente eficaz de saída.
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Valor médio da corrente no tiristor:
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Com apenas T1 operando, causará formas de onda assimétricas da tensão e corrente de saída. Isso pode ser resolvida utilizando-se sinais de gatilho contínuos .Quando a corrente de T1 cair a zero, o tiristor T2 seria disparado. Um pulso de gatilho contínuo aumenta as perdas de chaveamento dos tiristores. Na prática, um trem de pulsos com curtas durações normalmente é utilizado.
Controladores trifásico de meia-onda o fluxo de potencia é controlado durante o semiciclo positivo da tensão de entrada, esse tipo também é conhecido como controlador unidirecional. O fluxo de corrente corrente para a carga é controlado pelos tiristores T1 , T3, T5 e os diodos fornecem o caminho de retorno para a corrente . Devido a presença do diodo a faixa de controle é limitada entre 70,7 e 100%. A sequência de disparo dos tiristores é T1 , T3 e T5. Um tiristor conduzira se sua tensão de anodo for maior que a de catodo catodo e se ele for disparado.Uma vez que o tiristor inicia a condução , ele só é desligado se sua corrente cair a zero.
Diagrama do circuito de um controlador trifásico de meia onda ou unidirecional
0<α<60 : tanto 2 quanto 3 dispositivos podem conduzir simultaneamente, as combinações possíveis são: ● ● ●
2 tiristores e 1 diodo , 1 tiristor e 1 diodo, 1 tiristor 2 diodos
60<α<120:
Apenas 1 tiristor ira conduzir, e o caminho de retorno sera compartilhado por 1 ou 2 diodos. 120<α<210:
Apenas 1 tiristor e 1 diodo conduzem ao mesmo tempo.
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Se conduzirem 3 dispositivos, é uma operação trifásica normal , a tensão de saída de uma fase sera a mesma que de entrada.(a) Se conduzirem 2 dispositivos ao mesmo tempo, o fluxo de corrente ocorre apenas em 2 fases, a terceira pode ser considerado circuito aberto.A tensão de linha aparece sobre os 2 terminais da carga, e a tensão e fase da saída saída é a metade da tensão d linha.(b)
Gráfico: Controlador trifásico de meia onda.
A expressão para a tensão eficaz de fase de saída depende da faixa do angulo de disparo (0<α<210). A TENSÃO EFICAZ DE SAÍDA para uma carga conectada conectada em ESTRELA é: 0<α<90°:
90°<α<120° :
120<α<210° :
Carga resistiva conectada em triangulo A tensão de fase de saída seria a mesma que a tensão de linha, no entanto a corrente de fase dependeria do numero de dispositivos que conduzisse ao mesmo tempo: ●
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se 3 dispositivos conduzissem:as corrente de linhas e de fase fluiram na relação normal ao sistema trifásico. Se 2 dispositivos conduzissem , um terminal da carga poderia ser considerado um circuito aberto.
Controladores trifásicos de onda completa O diagrama de um controlador trifásico de onda completa (bidirecional) com uma carga resistiva conectada em estrela é mostrado a seguir: O caminho de retorno da corrente é fornecida pelos tristores T2,T4 e T6.
conduzem .Uma vez que T1 seja 0<α<60 :Antes do disparo de T1 , 2 tiristores conduzem disparado, 3 tiristores conduzem .Um tiristor desliga quando sua corrente tenta inverte-se.
60<α<90 : Apenas dois tiritores conduzem em qualquer instante .
tiristores em qualquer instante, ha periodo periodo em que 90<α<150 : Apesar de dois tiristores nenhum tiristor esta ligado.
>150: Não ha períodos que que haja condução de dois tiristores e tensão de saida torna se zero em α=150 . α
Se definidas as tensões instantâneas de fase de entrada como:
E tensões instantâneas de LINHA de entrada:
A expressão para tensão eficaz de fase de saída depende da faixa dos angulo de disparo, essa tensão pode ser encontrada como segue:
0<α<60 :
60<α<90
90<α<150
Controladores bidirecionais trifásicos conectados em triangulo Se os terminais de um sistema trifásico forem acessíveis, os elementos de controle e a carga podem ser conectados em triangulo.
Para carga resistivas , a tensão eficaz de fase de saída pode ser determinada :
A tensão máxima é obtida quando α =0 , e a faixa de controle do angulo an gulo de disparo seria 0<α< II. O valor eficaz da corrente de fase é dado por :
Tensões de linha de entrada, correntes de linha e fase e sinais de gatilho dos tiristores para α =120 .
Exercícios 01 O controlador trifásico unidirecional na Figura 6.7 alimenta uma carga resistiva conectada em estrela de R = 10 O e a tensão de linha de entrada de 208 V (rms), 60 Hz. O ângulo de disparo é a = n/3. Determinar: (a) a tensão de fase fas e eficaz de saída V0, (b) o fator de potência de entrada PF . (c) as expressões para a tensão de saída instantânea da fase a. Solução.
a) A partir da Eq. (6.28) ,a tensão eficaz de fase de saída é
Vo
(b) A corrente eficaz de fase da carga : Ia = 110,86/10 = 11,086 A Potência de saída é
Como a carga está conectada em estrela, a corrente de fase é igual à corrente de linha, IL = Ia = 11,086 A.
A potência aparente de entrada é
O fator de potência é
(c) Se a tensão de de fase de entrada entrada for tomada como como referência, tensões as instantâneas de linha de entrada serão :
A tensão instantânea de fase de saída, Van, que depende do número de dispositivos conduzindo, pode ser determinada a partir da Figura 6.8a, como se segue:
Cicloconversores Um cicloconversor é um variador de frequência direto que converte energia en ergia CA de uma frequência em energia CA em uma outra frequência, através de conversão CA-CA, sem estágio de conversão intermediário. Aplicação típica deste tipo de circuito é no acionamento de grandes motores CA (indução ou síncrono), na faixa de centenas ou milhares milh ares de kVA, em baixas velocidades.
Cicloconversores Monofásicos Dois conversores monofásicos controlados são operados como retificadores em ponte. Entretanto, seus ângulos de disparo são tais que a tensão de saída de um conversor é igual e oposta à do outro.
V1médio= - V2médio
αn= π - αp
Cicloconversores trifásicos O conversor positivo opera durante meio período da frequência de saída e o conversor negativo durante a outra metade de período.
Redução dos Harmônicos A tensão de saída dos cicloconversores é feita de segmentos da(s) tensão(ões) de entrada e o valor médio de um segmento depende do ângulo de disparo para aquele segmento. Se os ângulos de disparo dos segmentos fossem variados de tal forma que os valores médios dos segmentos correspondessem o mais próximo possível às variações da tensão de saída senoidal desejada, os harmônicos na tensão de saída poderiam ser minimizados. Para encontrar os melhores ângulos de disparo, deve-se comparar um sinal senoidal com mesma a frequência da fonte (rede) , com um sinal de saída ideal na frequência desejada na saída.
Controladores de tensão CA com PWM As chaves CH1 e CH2 são ligadas e desligadas várias vezes durante os semiciclos positivo e negativo da tensão de entrada, respectivamente. CH1’ e CH2‘ fornecem os caminhos de livre circulação para a corrente de carga, enquanto CH1 e CH2, respectivamente, estiverem desligadas. Os diodos evitam que tensões reversas apareçam sobre as chaves.
PROJETO DE CIRCUITOS CONTROLADORES DE TENSÃO CA As especificações especificações dos dispositivos dispositivos de potência potência têm de ser calculadas para a condição do pior caso, que ocorre quando o conversor entrega o máximo valor eficaz de tensão de saída V0.
EFEITOS DAS INDUTÂNCIAS DA FONTE E DA CARGA Apesar da tensão de saída ser uma forma de onda pulsada, a indutância da carga tenta manter um fluxo contínuo de corrente.
