Introdução à Eletrônica de Potência

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Cícero Augusto de Souza 2 SUMÁRIO 1 TÓPICOS INTRODUTÓRIOS DE ELETÔNICA DE POTÊNCIA 3 2 DISPOSITIVOS DE CHAVEAMENTO DE POTÊNCIA 26 3 TIRISTORES 44 4 CONVERSORES ACDC NÃO CONTROLADOS 66 5 CONVERSORES ACDC CONTROLADOS 104 6 OUTROS CONVERSORES E CONTROLES APLICADOS EM ELETRONICA DE POTÊNCIA 143 3 1 Tópicos Introdutórios de Eletrônica de Potência Neste bloco iremos abordar as bases da eletrônica de potência seus principais componentes e aplicações e as características necessárias para aplicações de componentes para chaveamento Serão apresentados os tipos de perdas em eletrônica de potência e as características dos diodos semicondutores de potência 11 Introdução à Eletrônica de Potência Chaves semicondutoras tipos de conversores e aplicações As aplicações da eletrônica de potência estão em constante evolução no decorrer dos anos O termo Eletrônica de Potência é usado desde a década de 60 após o surgimento do SCR retificador controlado de silício Houve um grande progresso nos últimos anos da eletrônica de potência com o desenvolvimento cada vez mais agudo dos dispositivos semicondutores de potência que podem chavear altas correntes e tensões de forma eficiente Uma boa eficiência significa que a chave da eletrônica de potência deve fazer o chaveamento de forma que se tenha o mínimo de perdas no componentesistema portanto o controle de perdas é muito importante no estudo da eletrônica de potência Os dispositivos modernos de eletrônica de potência oferecem alta confiabilidade e são de pequeno porte A abrangência da eletrônica de potência atingiu diversas aplicações tais como Controle de iluminação e de aquecimento Fontes reguladas de energia Acionamentos CACC Compensador estático VAR Sistemas de transmissão DC em alta tensão 4 A eletrônica de potência estuda a utilização de componentes semicondutores como os tiristores e os transistores no controle e transformação de energia elétrica em fortes potências Essa transformação normalmente é de CACC CCCA ou CCCC Também é possível controlar alguns parâmetros como a tensão corrente e frequência Abaixo podemos visualizar os principais tipos de conversores que iremos estudar Conversor ACDC Este é o conversor mais difundido na indústria e máquinas em processos de produção É um dispositivo que transforma tensão alternada em contínua também conhecido como retificador O processo de retificação de potência envolve os diodos de potência não controlado e os SCRs controlados Podem ser de meiaonda onda completa monofásicos ou trifásicos O valor máximo da tensão de saída CC é proporcional ao valor de pico máximo da tensão de entrada no lado AC porém o sinal de saída CC não é perfeito e contém em alguns casos um alto teor de componentes AC que podemos chamar de ondulação Para tratálos podese inserir um filtro depois do retificador Esses conversores são muito utilizados em máquinas industriais em que a parte de potência opera em corrente contínua máquinas de solda carregadores e baterias controle de motores CC etc Figura 11 Esquema elétrico de um Retificador de meiaonda Fonte Ahmed 2000 Conversor DCDC Esse tipo de conversor também é conhecido como Chopper A função dele é extrair uma tensão CC variável partindo de uma fonte de tensão CC fixa constante O valor da tensão na saída do chopper médio pode ser controlada quando se altera a proporção do tempo em que temos a saída ligada à entrada Essa conversão é possível através da 5 combinação de um indutor eou capacitor e um dispositivo de chaveamento semicondutor que funcione em alta frequência Em algumas aplicações especiais alta tensão e alta corrente os semicondutores de chaveamento usados nesses circuitos chopper são os tiristores Em outras aplicações são usados os transistores de potência BJTs ou Mosfets Figura 12 Circuito Chopper DC básico Fonte Ahmed 2000 Os choppers são muito aplicados em reguladores de tensão CC fontes chaveadas ou qualquer outro controle que a base seja o valor da tensão contínua nos terminais Conversor ACAC Os conversores ACAC utilizam da tecnologia de chaveamento dos tiristorescomponentes de potência para aplicações específicas como controle de tensão AC softstarters ou inversor de frequência Para aplicação em cada um dos casos são necessários dispositivos específicos como por exemplo os TRIACs que são aplicados em softstarters para o controle da corrente de partida de motores AC O inversor de frequência é o principal equipamento utilizado como conversor ACAC pois através de uma rede AC é capaz de controlar a frequência e a tensão de saída nos seus terminais de saída assim é possível controlar a potência e velocidade de motores de indução por exemplo O inversor de frequência é a aplicação mais revolucionária na eletrônica de potência nos últimos anos Os conversores ACAC podem ser aplicados em circuitos monofásicos ou trifásicos Em alguns casos o dispositivo opera a partir de uma fonte de corrente contínua para gerar uma tensão AC assim ele passa a ser denominado inversor 6 Figura 13 Esquema elétrico de um inversor de frequência Fonte Ramos 2018 12 Perdas em Componentes de Eletrônica de Potência Perdas de condução de chaveamento e perdas totais no componente O princípio básico do controle de potência ou tensão em eletrônica de potência é pelo chaveamento Imagine um circuito controlado por uma chave que abre e fecha colocando e tirando a tensão da carga diversas vezes por segundo A figura abaixo ilustra essa aplicação Figura 14 Chaveamento da tensão na carga Fonte Ahmed 2000 Quando a chave está aberta a não há transferência de potência à carga pois a tensão é zero Agora quando se fecha a chave há a transferência de potência da fonte à carga pois a tensão na carga é igual a tensão da fonte Ao chavearmos diversas vezes por 7 segundo teremos uma variação de tensão na carga entre máximo fonte e zero Essa variação no decorrer do tempo fará a tensão na carga se comportar com a característica da equação abaixo Onde é a tensão da fonte e é o ciclo de trabalho ou duty cicle e é a tensão média na carga O ciclo de trabalho relaciona o tempo em que a chave ficou ligada e o período total de chaveamento é o tempo em que a chave ficou ligada é o tempo em que a chave fiou desligada é o período de chaveamento Figura 15 Características de Chaveamento Fonte Ahmed 2000 O ciclo de trabalho geralmente é representado em porcentagem porém na equação acima citada devese aplicalo de forma natural Exemplo Uma fonte de 100 V está alimentando uma carga de 10 Ω Sabendo que há um controle através de chaveamento da tensão na carga com ciclo de trabalho de 50 determine a tensão média na carga 8 Como temos um controle de tensão na carga naturalmente também teremos um controle de potência pois a potência varia conforme a tensão aplicada na carga Para o exemplo acima a potência na carga será Portanto se alterarmos o ciclo de trabalho de chaveamento podemos controlar a potência a ser dissipada pela carga Essa é a base da eletrônica de potência Esse chaveamento é feito através dos componentes semicondutores tais como transistores e tiristores Na prática é necessário o controle de perdas nesse processo de operação da carga Essas perdas podem ser Perdas de condução Perdas no estado desligado Perdas de chaveamento A somatória de todas essas perdas resulta na perda total do componente Figura 16 Perdas de Potência em um Transistor como chave Fonte Ahmed 2000 Quando o transistor está em condição de desligado ele opera como uma chave aberta Porém na prática há uma pequena corrente circulante no ramo da carga Essa 9 corrente conhecemos como corrente de fuga Leak em inglês Essa corrente provoca uma perda nesse transistor que pode ser calculada Se considerarmos que esse transistor está chaveando também teremos uma perda média de estado desligado que será O valor da corrente de fuga é dado de fabricante datasheet A maioria das vezes essa perda pode ser desprezada Agora quando o transistor está na condição ligado ele se comporta como uma chave fechada porém na prática há perdas nesse estado por conta da queda de tensão no componente No caso do transistor a Tensão coletoremissor saturada Nessa situação a corrente que circula no ramo é a corrente de carga que é determinada por A corrente de carga também provoca uma perda no componente que é determinada por Quando o transistor está chaveando a perda média ligado será As perdas e são conhecidas como perdas de condução Perdas de Chaveamento Quando o componente está chaveando há perdas no instante em que ele passa do estado desligado para ligado e viceversa Essas perdas chamamos de perdas de chaveamento 10 Para determinação dessas perdas precisamos conhecer o tempo de chaveamento do componente que é diferente do tempo em que ele fica ligado e desligado Esse tempo de chaveamento ocorre por não ser possível passar de um estado para outro instantaneamente Esses tempos de chaveamento são definidos abaixo é o tempo de chaveamento que o componente leva para sair do estado desligado para ligado é o tempo de chaveamento que o componente leva para sair do estado ligado para desligado Geralmente o tempo é maior do que o Durante a operação de chaveamento diversas vezes por segundo há perdas Essas perdas devem ser consideradas para a determinação da eficiência do dispositivo de chaveamento Para facilitar o entendimento vamos deduzir essas perdas levando em consideração a figura abaixo e um Figura 17 Formas de Onda de Chaveamento Fonte Ahmed 2000 A figura acima mostra as formas de onda durante o chaveamento para a tensão na chave e b a corrente que passa por ela Quando a chave estiver na condição desligada a tensão nela será igual à fonte A forma de onda c é a potência dissipada pela chave 11 Durante o fechamento a tensão na chave vai a zero Durante esse mesmo período a corrente através da chave aumenta de zero para a corrente máxima de carga Durante o chaveamento uma corrente irá passar pelo transistor e uma tensão aparecerá em seus terminais portanto haverá uma perda de potência Para ser possível conhecermos a perda de potência em um transistor durante o intervalo de chaveamento podemos multiplicar o valor instantâneo de pelo respectivo valor que corresponde a tensão de Também é possível verificar que a curva de potência instantânea é bastante parecida com uma onda senoidal retificada A energia perdida na chave é igual à área sob a curva da forma de onda de potência Assim podemos definir como a perda máxima de potência na passagem do estado desligado para o ligado como Sabemos que o coeficiente da forma de onda retificada onda completa vale Substituindo A perda de energia potência x tempo durante o tempo de ligação será Para o caso da energia dissipada durante o tempo de desligamento da chave podemos fazer uma análise similar porém agora com o tempo de desligamento 12 A perda total de energia em todo o ciclo devido ao chaveamento será Portanto a potência média dissipada durante o chaveamento será é a frequência de chaveamento e é o período de chaveamento Assim e A perda total no componente operando com uma determinada frequência de chaveamento será a soma das perdas abaixo Se desprezarmos a Quando não especificado os tempos de chaveamento podem ser desprezados no cálculo do ciclo de trabalho Exercício 1 Dado um circuito que está operando uma carga de 5 Ω e a tensão da fonte vale 50 V sabese também que a queda de tensão no estado ligado vale 15 V e a 13 corrente de fuga vale 15 mA Calcule a perda de potência máxima na chave quando ela estiver a Ligada b Desligada Figura 18 Esquema elétrico Exercício 1 Fonte Adaptada de Ahmed 2000 Solução a b Exercício 2 Levando em consideração os mesmos dados do exercício anterior calcule as perdas médias na chave ligada e desligada Suponha uma frequência de chaveamento de 500 Hz e um ciclo de trabalho de 50 Solução Período de chaveamento Se o ciclo de trabalho vale 50 quer dizer que 14 Para esse caso também sabemos que Portanto Se somarmos as potências médias e teremos a perda média de potência por ciclo não estão inclusas as perdas de chaveamento Nesse caso será 13 Diodo de Potência especificação ligação paralela e série de diodos e datasheet Os diodos de potência desempenham um papel importante nos circuitos de eletrônica de potência Geralmente são utilizados em retificadores não controlados fazendo a conversão ACDC e como diodos de retorno quando há a necessidade por conta de carga fortemente indutiva A diferença de um diodo comum para um diodo de potência é a capacidade muito maior de tensão corrente e consequentemente potência Figura 19 Estrutura e Símbolo de um diodo Fonte Ahmed 2000 15 Na figura acima pode ser vista a estrutura e a simbologia de um diodo de potência Quando temos a situação em que a tensão no ânodo é mais positiva do que a tensão no cátodo definese então que o diodo está diretamente polarizado e nesse caso é permitida a condução de corrente com uma pequena queda de tensão em seus terminais e quando temos a situação em que a tensão no cátodo é mais positiva do que no ânodo definese que o diodo está inversamente polarizado e assim bloqueia se o fluxo de corrente Um diodo pode ser analisado como chave ou seja quando está conduzindo chave fechada e quando está bloqueado chave fechada Quando ele está conduzindo há uma corrente de carga circulante e quando está bloqueado na prática há uma pequena corrente circulante que é a corrente de fuga Figura 110 Análise do diodo como chave Fonte Ahmed 2000 Abaixo pode ser vista a figura que representa a curva de funcionamento de um diodo de potência Figura 111 Característica V x I de um diodo de potência Fonte Ahmed 2000 16 Analisando a figura quando o diodo está diretamente polarizado ele começa a conduzir no instante em que a tensão no ânodo em relação ao cátodo se eleva Quando a tensão chega próxima ao ponto conhecido como tensãojoelho que é cerca de 1 V diodos de silício um ligeiro aumento fará com que a corrente aumente rapidamente Esse aumento será limitado apenas pela carga Quando o diodo está inversamente polarizado uma corrente pequena denominada corrente de fuga inversa flui à medida que aumenta a tensão entre o ânodo e o cátodo Essa característica é mantida até a tensão de ruptura Na ruptura o diodo irá permitir a passagem de uma corrente grande com pequenos acréscimos de tensão Portanto também devese utilizar nesse ponto um resistor para limitar maiores danos ao circuito no caso de polarização reversa Para a especificação de diodos em circuitos de eletrônica de potência devemos saber basicamente 1 A corrente de carga 2 Tensão máxima da fonte Essas são as duas principais grandezas que devemos saber para um correto dimensionamento Como os diodos são na maioria das vezes aplicados em circuitos conversores ACDC vamos focar na especificação em circuitos de corrente alternada onde temos que conhecer a tensão eficaz e tensão máxima da fonte Figura 112 Diodo de potência em circuito AC Fonte Ahmed 2000 A fonte AC tem tensão eficaz e tensão de pico Quando não especificado diretamente toda a tensão nominal de equipamento é a tensão eficaz No caso de circuitos trifásicos é a tensão eficaz entre fases linha A tensão de pico de uma onda senoidal vale 17 Supondo na figura acima uma fonte de 120 V teremos a forma de onda abaixo Figura 113 Formas de onda do circuito Fonte Ahmed 2000 O valor máximo de tensão nesse caso vale 170 V portanto o diodo deve suportar tal tensão Os principais valores nominais para diodos são Tensão de pico inversa PIV é a tensão inversa máxima pico da onda que pode ser ligada nos terminais do diodo sem ruptura Corrente direta média máxima Iavg é a corrente máxima que um diodo pode aguentar com segurança quando estiver diretamente polarizado Tempo de recuperação reverso trr é o tempo que o diodo leva para sair do estado de condução para o reverso Os diodos de recuperação rápida são mais indicados para aplicações em alta frequência tais como inversores choppers etc Temperatura máxima da junção Tjmáx é a temperatura máxima que o diodo pode suportar na junção sem apresentar defeitos 18 Essas e outras informações estão presentes no datasheet folha de dados do diodo geralmente disponibilizadas pelo fabricante Figura 114 Exemplo de Datasheet de Diodo Fonte Suntan 2021 Também há perdas nos diodos A perda média total em um diodo é a soma das perdas no estado ligado no estado desligado e no chaveamento As equações são baseadas nas que foram definidas no item 12 e são resumidas abaixo 19 Onde é a tensão de condução do diodo na condição diretamente polarizado é o valor de pico da tensão da fonte é o valor de pico da corrente na carga é a corrente média na carga é o tempo que o diodo leva para conduzir é o tempo que o diodo leva para ir para o estado reverso Também é possível calcular a potência total aproximada no diodo levando em consideração o efeito da corrente eficaz e não apenas o efeito da corrente média Segue equação Onde é a resistência aparente de estado ligado do diodo é o quadrado da corrente eficaz que circula pelo diodo Esse valor aproximado de perda é importante para o dimensionamento do dissipador de calor Exercício 3 No circuito abaixo a tensão de pico da fonte vale 400 V a frequência é de 10 kHz o ciclo de trabalho vale 50 e a corrente circulante tem um pico de 21 A e valor médio de 10 A Considere que o diodo utilizado possui as características abaixo 20 Figura 115 Circuito para o Exercício 3 Fonte Ahmed 2000 Solução Como o ciclo de trabalho vale 50 temos que assim 21 ASSOCIAÇÃO DE DIODOS Em algumas aplicações fazse necessária a instalação de diodos em série ou paralelo É necessário a utilização em série quando a tensão da fonte máxima é maior do que a tensão nominal do diodo unitário A ligação em paralelo é aplicada quando a corrente da carga é maior do que a corrente do diodo unitário Em ambos os casos é necessário a conexão de resistores em série ou em paralelo conforme as figuras abaixo Pois vai depender do tipo de conexão Série 22 Figura 116 Ligação de diodo em série Fonte Ahmed 2000 A função dos resistores é garantir que a distribuição da tensão reversa se dará de forma que evite que um diodo fique com tensão maior que a que ele suporta Pois mesmo que forem diodos idênticos pode haver diferença nessa distribuição de tensão na ausência desses resistores Figura 117 Curva de 2 diodos sobrepostas Fonte Ahmed 2000 Conforme visto na figura acima para uma mesma corrente reversa há 2 tensões reversas nominais Por conta disso fazse necessário os resistores para que essa tensão reversa não supere a nominal do componente Segue o equacionamento 23 Paralelo Figura 118 Ligação de diodos em Paralelo Fonte Ahmed 2000 A função dos resistores é garantir que a distribuição das correntes seja de tal forma para que não haja uma circulação de corrente maior do que a nominal nos diodos 24 Figura 119 Características de condução de 2 diodos sobrepostas Fonte Ahmed 2000 Conforme pode ser visto na curva acima temos dois diodos com características de tensão direta diferentes Isso pode ocorrer mesmo com diodos de mesmo fabricante Segue o equacionamento Conclusão Nesse bloco foram apresentadas as definições básicas de eletrônica de potência e a determinação das perdas que envolvem esses componentes Também foram abordadas as características dos diodos de potência bem como suas especificações e aplicações em série e em paralelo 25 REFERÊNCIAS Ahmed A Eletrônica de Potência São Paulo Pearson 2000 Petruzella F D Motores Elétricos e Acionamentos Porto Alegre McGraw Hill 2013 Ramos G M Desenvolvimento de um Inversor Trifásico de Tensão Controlado por um Processador Digital de Sinal Trabalho de Conclusão de Curso Guarapuava PR Brasil Universidade Federal do Paraná Dezembro de 2018 Rashid M H Eletrônica de Potência Dispositivos Circuitos e Aplicação São Paulo Pearson 2010 Suntan All datasheet Fonte All datasheet Disponível em httpspdf1alldatasheetcomdatasheetpdfview815199SUNTAN1N4007html Acesso em 14 de julho de 2021 26 2 DISPOSITIVOS DE CHAVEAMENTO DE POTÊNCIA Neste bloco iremos abordar os dispositivos utilizados para chaveamento em eletrônica de potência Tais dispositivos são muito importantes para o correto funcionamento e confiabilidade do equipamento Serão apresentadas as aplicações para cada dispositivo e as especificações para operação em eletrônica de potência 21 Transistor de potência TJB características funcionamento corte saturação e reta de carga Os transistores que tem alta capacidade no que diz respeito a grandes valores nominais de tensão e de corrente são chamados de transistores de potência Um transistor é um componente semicondutor que pode ser PNP ou NPN de três camadas com duas junções Os transistores em eletrônica de potência são utilizados para chaveamento e são empregados em sua grande maioria em circuitos choppers e em aplicações para inversores Os transistores possuem três terminais dois deles operam como se fossem uma chave enquanto o terceiro é utilizado para controlar o dispositivo ligar e desligar a chave Portanto o circuito utilizado para controlar o transistor pode ser separado do circuito principal O transistor TJB é um dispositivo controlado por corrente ou seja é necessária uma corrente circulante entre os terminais baseemissor para mantêlo conduzindo Essa corrente de acionamento deve garantir a atuação do transistor na condição de saturação Os transistores do tipo NPN são os mais aplicados em eletrônica de potência 27 Figura 21 Estrutura e símbolo transistor NPN Fonte Ahmed 2000 Os transistores devem funcionar da seguinte forma em eletrônica de potência Corte situação em que a corrente baseemissor é nula o que acarreta um fluxo coletoremissor desprezível Nessa situação na prática há uma pequena corrente circulante no circuito conhecida como corrente de fuga Por conta da polarização reversa há a necessidade de prever diodos de bloqueio para a tensão da fonte não danificar o transistor pois eles não costumam possuir uma tensão reversa significativa Saturação Situação na qual uma determinada corrente é aplicada na junção baseemissor corrente de corte que força o transistor a conduzir com uma queda de tensão mínima em seus terminais coletoremissor Essa situação o transistor se comporta como uma chave fechada Essas características dos transistores são dados extraídos da reta de carga A polarização de um transistor e a reta de carga podem ser vistos nas figuras abaixo 28 Figura 22 Polarização de um Transistor Fonte Ahmed 2000 Figura 23 Reta de Carga de um Transistor Fonte Ahmed 2000 Note na reta de carga que na situação de corte temos a tensão máxima nos terminais coletoremissor e na posição saturação uma tensão mínima portanto os transistores devem operar somente na região cortesaturação Uma tensão coletor emissor mínima é importante para reduzirmos as perdas durante a condução do dispositivo De acordo com o datasheet devemos especificar um resistor limitador nos terminais baseemissor para limitar a corrente quando acionado à corrente de saturação Esse resistor é conhecido como Resistor de base Para seu cálculo basta aplicar a Lei de Ohm 29 Para determinarmos a corrente circulante na carga devemos debitar o valor da tensão tensão coletoremissor na situação de condução Perdas em um Transistor As perdas no transistor podem ser Perdas na condução Perdas por fuga Perdas de chaveamento As perdas de potência em um transistor durante o chaveamento são apreciáveis principalmente quando eles estão operando em alta frequência Esse tipo de operação é pouco recomendada para transistores TJB Na prática há também uma perda por conta da corrente na junção baseemissor controle porém costuma ser desprezada pois é muito baixa Equacionamento perdas ligado e desligado Perda de energia durante o chaveamento 30 e correspondem ao tempo de chaveamento para ligar e desligar respectivamente lembrando que esses tempos são diferentes dos e Se consideramos que esse componente esteja chaveando em uma determinada frequência podemos determinar a perda de potência média total Exercício 1 Em circuito com um transistor TJB Figura 2 a tensão da fonte vale 120 V a carga vale 20 Ohms e a curva característica VI é mostrada na Figura 3 Determine a corrente de carga e a perda de potência para as seguintes correntes de base a 060 A b 040 A c 020 A d 000 A Solução a Para Conforme a curva para essa corrente de base teremos b Para Conforme a curva para essa corrente de base teremos 31 c Para Conforme a curva para essa corrente de base teremos d Para Conforme a curva para essa corrente de base teremos Na prática há uma corrente de fuga circulante dados de datasheet Na maioria dos casos a perda em estado desligado é desprezada Observe nos resultados desse exercício que conforme a corrente de base foi diminuindo a perda de potência foi aumentando Com isso conseguimos visualizar a grande importância de trabalhar com o transistor somente na situação de corte e saturação 32 22 MOSFET de potência características funcionamento curva de carga e de transferência Um MOSFET Metal Oxid Semiconductor Field Effect de potência é similar ao MOSFET comum utilizado para baixos sinais porém se diferencia por conta dos valores nominais de tensão e de corrente É um componente da família dos transistores e tem a particularidade de ser de chaveamento rápido com a característica mais marcante de possuir uma alta impedância de entrada o que o torna propício para potências baixas alguns kW e para aplicações de alta frequência até 100 kHz Um MOSFET tem grande participação no projeto de fontes chaveadas onde quando operam em frequências altas de chaveamento é possível termos componentes menores e mais econômicos além de circuitos de motores de baixa rotação de controle que utilizam modulação PWM Vamos enfatizar os MOSFETs de canal N que são os mais aplicados em eletrônica de potência Ele possui 3 terminais Porta G Fonte S Dreno D Figura 24 MOSFET de potência Fonte Ahmed 2000 Para o acionamento do MOSFET como chave basta aplicar uma tensão nos terminais GS Esse canal tem uma impedância de entrada bem alta o que faz com que haja 33 uma corrente circulante desprezível quase zero fazendo com que o MOSFET seja considerado um elemento com controle por tensão o que facilita o circuito de acionamento O MOSFET consegue um tempo de chaveamento mais rápido do que um TJB e por isso passou a ter preferência na aplicação que necessita de alta frequência de chaveamento Em grandes frequências por exemplo as perdas de chaveamento do MOSFET de uma forma geral podem ser desprezadas se comparadas às do TJB na mesma situação Mas no estado ligado perdas na condução a queda de tensão é de uma maneira geral considerada alta por volta de 4 V o que resulta no aumento das perdas no dispositivo Figura 25 Curva Característica de um MOSFET Fonte Ahmed 2000 A curva característica acima apresenta a relação entre a tensão da fonte e do dreno e a corrente de dreno para valores diferentes de No instante em que a tensão da porta aumentar a partir do zero a corrente de dreno não sofrerá aumento significativo O MOSFET passará a conduzir estado ligado quando exceder o valor especificado como tensão limiar que é normalmente entre 2 a 4 V para MOSFETs de potência Nesse modo o MOSFET irá conduzir Esse canal opera de uma forma geral como uma resistência e disponibiliza 34 um caminho para o fluxo de corrente no sentido drenofonte A tensão da porta por sua vez controla a corrente de dreno Quanto maior o valor de maior será a corrente fluindo de dreno porém para um dado valor de a corrente máxima será limitada Agindo como dispositivo de chaveamento o MOSFET deve operar na região nãosaturada para que seja possível uma baixa queda de tensão no componente quando ele estiver conduzindo estado ligado A região de operação conhecida como corte ou estado desligado do MOSFET é encontrada no momento em que Essa condição se mantém independentemente do valor de tensão de drenofonte até que uma certa tensão conhecida como tensão de ruptura BVDss seja alcançada Nessa condição a tendência é que a corrente aumente rapidamente e como consequência poderão ocorrer danos ao dispositivo Assim o MOSFET deve funcionar de maneira que a tensão drenofonte seja mantida abaixo do valor de A parte da curva que interessa nos estudos de eletrônica de potência é a região ôhmica em que a corrente de dreno aumenta de maneira diretamente proporcional à tensão de drenofonte e o MOSFET permanece conduzindo ou seja no estado ligado Quando a tensão for menor do que o MOSFET irá para a condição de corte Figura 26 Curva de Transferência de um MOSFET Fonte Ahmed 2000 35 A curva de transferência do MOSFET traduz a relação de condução e corte do dispositivo A queda de tensão direta no componente é A dissipação de potência interna no componente é Quando o MOSFET está desligado a corrente de dreno é igual a zero e a tensão igual ao valor da tensão de alimentação Nessas condições a resistência entre o dreno e a fonte é muito alta A condição para a operação do MOSFET na região desligada é dada por Perdas no MOSFET com chaveamento As perdas médias no estado ligado e desligado são 36 é a corrente de dreno quando a tensão de porta for nula Para determinarmos as perdas de chaveamento no MOSFET podemos utilizar o mesmo equacionamento de perdas de chaveamento do transistor TJB Esse equacionamento é a base para as perdas em componentes de eletrônica de potência porém devem ser feitos alguns ajustes de grandezas Ao invés de utilizar a tensão coletoremissor TJB utilizamos a tensão drenofonte na equação e ao invés de corrente de emissor utilizamos corrente de dreno Exercício 2 Uma fonte de tensão DC de 120 V está ligada a um MOSFET e alimenta uma carga de 10 Ohms Os parâmetros do MOSFET são de 150 us e de 010 Ohms Se o ciclo de trabalho for de 60 e a frequência de chaveamento for igual a 25 kHz determine a A perda de potência no estado ligado b A perda de potência durante o tempo de ligação Figura 27 Circuito da ligação para exercício 2 Fonte Ahmed 2000 37 Solução a Período de chaveamento Tempo ligado Perda de potência durante o período ligado b Perda de potência média durante o tempo de ligação 23 IGBT características funcionamento curva característica O transistor bipolar de porta isolada IGBT mescla as características de baixa queda de tensão quando ligado dos TJB com as ótimas características de chaveamento um circuito de porta simplificado e a alta impedância porta de entrada do MOSFET No mercado podem ser encontrados IGBTs com valores nominais corrente e tensão bem maiores que aqueles normalmente encontrados para MOSFETS de potência O Powerex IGBT CM 1000HA28H por exemplo possui características nominais de tensão 1400 V e de corrente igual a 1000 A Os IGBTs gradativamente vêm substituindo os MOSFETs em aplicações de alta tensão aplicações nas quais as perdas na condução precisam ser bem baixas Embora os 38 tempos de ligar e desligar chaveamento dos IGBTs sejam maiores até 50 kHz do que os TJBs são menores do que as dos MOSFETs portanto as frequências de operação de chaveamento possíveis com IGBT ficam em um ponto entre as dos TJBs e a dos MOSFETs Em eletrônica de potência os IGBTs mais utilizados são os de canal N A figura abaixo esquematiza o componente Figura 28 Simbologia IGBT e seu esquema equivalente Fonte Ahmed 2000 A operação do IGBT é bem parecida à dos MOSFETs de potência Para colocálo no estado de condução ligado basta polarizar positivamente o terminal do coletor C em relação ao terminal do emissor E Se aplicarmos uma tensão positiva na porta e esta exceder uma tensão limite o dispositivo passará para o estado ligado O IGBT desligará estado desligado no instante em que houver a anulação do sinal de tensão do terminal da porta A curva característica VI mostrada na figura abaixo é uma impressão da corrente de coletor contra a tensão coletoremissor Quando não houver uma tensão aplicada na porta o IGBT estará no estado desligado no qual a corrente é igual a zero e a tensão que passa através da chave é igual à tensão da fonte Se a tensão 39 for aplicada na porta o dispositivo passará para o estado ligado e permitirá a passagem da corrente A corrente que flui pelo IGBT é limitada pela tensão da fonte e pela característica da carga No estado ligado a tensão através da chave cai a bem próximo de zero Figura 29 Curva Característica do IGBT Fonte Ahmed 2000 Exercício 3 Na figura abaixo a fonte de tensão é de 220 V e a resistência de carga é igual a 5 Ohms O IGBT é operado na frequência de 1 kHz Determine para o pulso o tempo no estado ligado caso a potência requerida seja de 5 kW Figura 210 Circuito do exercício 3 Fonte Ahmed 2000 40 Solução Também sabemos que a potência média vale Assim isolando Perdas no IGBT As perdas do IGBT podem ser determinadas de forma similar aquelas vistas no transistor TJB Ou seja podemos utilizar o mesmo equacionamento pois as nomenclaturas dos terminais de potência são iguais As perdas nos terminais de porta podem ser desprezadas Exercício 4 Dado um circuito com um IGBT onde a tensão da fonte vale 220 V a carga vale 10 Ohms a frequência de operação vale 1 kHz e o ciclo de trabalho de 60 Ao consultar o datasheet foi verificado que o IGBT possui os seguintes dados 41 Determine a A corrente média na carga b As perdas médias na condução c As perdas de potência durante o tempo de ligação e desligamento d A perda total média no componente desprezando as perdas em estado desligado Solução a b c perdas durante o tempo de ligação 42 perdas durante o tempo de desligamento d Perda total média no componente desprezando as perdas em estado desligado Conclusão Nesse bloco foram apresentados os principais componentes de chaveamento de eletrônica de potência para as mais diversas aplicações Foram mostradas as características de funcionamento aplicações e demonstrações através de exercícios práticos Foi exposta a importância das perdas nos componentes em eletrônica de potência que devem ser sempre controladas buscando minimizálas para cada aplicação 43 REFERÊNCIAS Ahmed A Eletrônica de Potência São Paulo Pearson 2000 Petruzella F D Motores Elétricos e Acionamentos Porto Alegre McGraw Hill 2013 Ramos G M Desenvolvimento de um Inversor Trifásico de Tensão Controlado por um Processador Digital de Sinal Trabalho de Conclusão de Curso Guarapuava PR Brasil Universidade Federal do Paraná Dezembro de 2018 Rashid M H Eletrônica de Potência Dispositivos Circuitos e Aplicação São Paulo Pearson 2010 44 3 TIRISTORES Neste bloco iremos abordar um dos principais componentes de eletrônica de potência da família dos tiristores que é o SCR Serão apresentadas as características de operação e funcionamento aplicações e particularidades Também fazem parte deste bloco a especificação das proteções do SCR e as correntes de curtocircuito envolvidas nos sistemas de eletrônica de potência 31 SCR funcionamento curva característica disparo e fator de forma O retificador controlado de silício SCR é o componente eletrônico de potência com uso mais difundido Isso se deve à sua ação de chaveamento rápido e seu tamanho reduzido se comparado aos seus altos valores nominais de corrente e de tensão A estrutura de um SCR e sua simbologia são mostrados na figura abaixo O SCR tem três terminais Ânodo A Cátodo K Porta G Figura 31 Estrutura e simbologia do SCR Fonte Ahmed 2000 45 O ânodo e o cátodo são os terminais de potência enquanto a porta é de controle Quando o SCR está na condição de diretamente polarizado ou seja na situação em que o ânodo é positivo se comparado ao cátodo ao aplicar uma tensão positiva na porta com relação ao cátodo o SCR passará para o estado ligado porém na porta que desliga a corrente no SCR o sinal não é permanente A corrente cessa quando se interrompe a corrente do SCR De modo parecido ao que acontece com um diodo o SCR bloqueia a corrente quando está inversamente polarizado É importante notar que para fazer com que o tiristor conduza estado ligado é necessário que a porta receba um pulso positivo de pequena amplitude apenas por um breve período Assim que o dispositivo começar a conduzir estiver ligado o sinal da porta não será mais necessário e poderá ser retirado A curva característica VI de um SCR pode ser vista na figura abaixo Quando o SCR estiver diretamente polarizado sem sinal na porta uma corrente direta bem pequena chamada de corrente de estado desligado flui pelo dispositivo similar a corrente de fuga Essa parte da curva é chamada de região de bloqueio direto Mas se a tensão de polarização direta aumentar até que a tensão do ânodo alcance um limite crítico que chamamos de tensão de disparo direto VFBO o SCR começará a conduzir uma corrente significativa e passará para o estado ligado A queda de tensão no SCR cairá para um valor bem baixo tensão de estado ligado entre 1 e 3 V E a corrente aumentará no mesmo momento limitada apenas pelos componentes em série com o dispositivo 46 Figura 32 Curva Característica de um SCR Fonte Ahmed 2000 As três curvas padrão do SCR ilustram que o valor de VFBO pode ser controlado pelo valor da corrente de porta Se a junção portacátodo for diretamente polarizada o SCR começará a conduzir estado ligado com uma tensão mais baixa de disparo do que a porta aberta IG0 E conforme aumentamos a corrente de porta a tensão de disparo reduz e as características operacionais do SCR ficam similares as de um diodo semicondutor comum A única diferença entre as três curvas está na região de bloqueio direto A curva de IG0 ilustra que o SCR pode fazer a transição para o estado de condução ligado sem nenhuma corrente na porta mas esse comportamento não é desejável não utilizado Na prática o SCR deve passar para ao estado ligado apenas com a aplicação de um sinal na porta Com uma baixa corrente de porta IG1 o SCR passa para o estado ligado com uma tensão direta de ânodo mais baixa Uma corrente de porta mais alta IG2 o SCR dispara com uma tensão direta de ânodo mais baixa ainda A característica de funcionamento na condição reversa do SCR é semelhante a do diodo semicondutor de junção PN comum Quando o SCR estiver na condição de reversamente polarizado uma pequena corrente de fuga inversa IR circulará pelo 47 componente Se a tensão aumentar cada vez mais até alcançar um valor conhecido como tensão de ruptura inversa VBRR a corrente inversa crescerá de modo intenso Uma vez acionado ligado o SCR permanecerá no estado ligado enquanto sua corrente de ânodo IA ficará acima de um certo valor denominado corrente de sustentação IH Fator de Forma Na prática o SCR permite controlar quanto da forma de onda do sinal de tensãocorrente poderá passar durante o período A quantidade de sinal a ser passado vai depender do ângulo de condução do SCR que por sua vez depende do momento de disparo do SCR O fator de forma fo é definido como a relação entre os valores RMS e médio da corrente Se o fator de forma for conhecido para uma determinada forma de onda a corrente RMS pode ser calculada a partir de A tabela abaixo representa o fator de forma em função do ângulo de condução O ângulo de condução relaciona o tempo em graus o qual o SCR está conduzindo estado ligado Ele é medido conforme a figura baixo 48 Tabela 31 Fator de forma em função do ângulo de condução Ângulo de condução Fator de forma 20 50 40 35 60 27 80 23 100 20 120 18 140 16 160 14 180 13 Fonte Autor Figura 33 Medida do ângulo de condução Fonte Ahmed 2000 Exercício 1 Determine a corrente RMS em um circuito com SCR quando um amperímetro DC lê 100 A com um ângulo de condução de 60 Solução Para um ângulo de condução de 60 o fator de forma pela tabela 1 acima é 27 Portanto 49 Corrente de Disparo IL Para o SCR ficar no estado ligado é necessário que pelo menos uma pequena corrente de ânodo flua pelo componente a fim de que ele se mantenha ligado no instante após o sinal da porta ter sido removido Essa corrente é denominada corrente de disparo Se esse valor de corrente não for atingido quando o sinal estiver presente na porta do SCR o dispositivo poderá até passar para o estado ligado mas desligará logo após a remoção do sinal Corrente de Sustentação IH Depois da corrente de disparo ter circulado pelo componente o SCR precisa se manter com uma corrente mínima fluindo por ele Essa corrente de ânodo irá manter a condução Se ela sofrer uma redução abaixo de um certo valor crítico o SCR desligará estado desligado O menor valor de corrente que ocorre exatamente antes do SCR desligar é a corrente de sustentação IH Exercício 2 Determine o valor máximo da resistência de carga que vai assegurar a condução do SCR no circuito mostrado na figura abaixo O SCR tem uma corrente de sustentação de 200 mA Figura 34 Circuito do exercício 2 Fonte Ahmed 2000 50 Solução Para que o SCR se mantenha no estado ligado a corrente de ânodo não deve ter um valor menor que 200 mA Assim 32 Taxa de subida crítica de corrente de tensão circuito snubber e especificação dos componentes Taxa de subida crítica da corrente no estado ligado didt Quando o SCR vai entrar em funcionamento em um primeiro instante a corrente de ânodo ficará concentrada apenas em uma pequena região nas proximidades da porta Um certo intervalo de tempo é preciso para que a corrente se distribua de forma homogênea no corpo do componente mas se uma referida taxa na qual a corrente de ânodo aumenta for tão grande e muito maior do que a taxa na qual a área região em que a corrente flui do componente de condução aumenta a pequena área envolvida inicialmente sofrerá um aquecimento adicional o que poderá danificar o SCR Os fabricantes estabelecem um valor seguro para a taxa de variação da corrente de ânodo que seus dispositivos podem suportar Essa taxa é conhecida como didt do dispositivo É expressa em Aus Para evitar danos aos SCRs em consequência de um alto valor de didt uma pequena indutância L é colocada em série com o dispositivo A indutância se opõe às variações de corrente amortecendo a subida da corrente de ânodo A indutância requerida L pode ser determinada a partir da equação abaixo Vp é o valor de pico da fonte de tensão 51 didt é um valor dado no datasheet do componente Exercício 3 No circuito abaixo a resistência de carga vale 10 Ohms e a fonte de tensão é AC e com tensão nominal de 208 V Determine o valor de L necessário para limitar o circuito didt em 20 Aus Figura 35 Circuito do exercício 3 Fonte Ahmed 2000 Taxa de subida crítica da tensão no estado desligado dvdt A aplicação de uma tensão direta com subida rápida no SCR em estado desligado situação que pode ocorrer durante o chaveamento resultará em um fluxo de corrente nas junções tendendo para a camada da porta Essa corrente que equivale a uma corrente de porta fornecida externamente poderá fazer com que o dispositivo tiristor SCR passe para o estado ligado Isso poderá ocorrer se o valor crítico for ultrapassado Quanto maior a inclinação da curva na forma de onda maior a probabilidade de o dispositivo executar o acionamento abaixo de seu valor nominal de tensão direta Uma taxa alta de subida de tensão direta dvdt como resultado do chaveamento ou de 52 surtos pode causar um disparo não programado Isso também limita a frequência máxima que pode ser ligada ao dispositivo O valor nominal datasheet dvdt fornece o tempo de subida máximo de um pulso de tensão que pode ser aplicado ao tiristor no estado desligado sem provocar disparos intempestivos Esse valor é especificado em voltsus Normalmente um valor nominal elevado de dvdt é requerido para muitas aplicações em que o dispositivo poderá sofrer pulsos com tempo de subida muito pequeno Para evitar o disparo nãoprogramado do SCR em circuitos com valores altos de dvdt podemos utilizar o circuito Snubber RC Uma vez que a capacitância nada mais é do que uma oposição à variação da tensão a pequena capacitância nos terminais do SCR reduz a taxa na qual a tensão no dispositivo pode variar Figura 36 Circuito Snubber RC Fonte Ahmed 2000 Um valor aproximado para a capacitância C pode ser obtido com a determinação da constante de tempo T dividida pela resistência da carga RL Então 53 é a tensão de bloqueio repetitivo em polarização direta Esse valor é a máxima tensão instantânea que o SCR pode bloquear na direção direta Esse valor deve ser menor do que a tensão de disparo direta VFBO como pode ser visto na Figura 32 Se esse valor for ultrapassado o SCR conduzirá mesmo sem tensão na porta Quando o SCR estiver no estado desligado o capacitor carregará na direção positiva até o instante em que o dispositivo passar para o estado ligado Quando o SCR for solicitado para passar para o estado ligado o capacitor entrará em descarga e se somará ao didt apresentado pelo circuito original Dessa maneira acrescentase uma resistência Rs em série com o capacitor para amortecer a descarga e para limitar a corrente transitória de mudança de estado do SCR passagem para ligado O valor aproximado de Rs pode ser calculado pela equação abaixo e são dados de datasheet do componente Exercício 4 Um SCR tem VDRM de 600 V dvdtmax de 25 Vus e didtmax de 30 Aus É usado para energizar uma carga resistiva de 100 Ω Determine os valores mínimos para que um circuito snubber RC evite o acionamento nãointencional Solução 54 Parâmetros de porta do SCR Corrente máxima de acionamento de porta IGTM é a corrente máxima CC de porta permitida para fazer com que o dispositivo passe para o estado ligado Tensão máxima de acionamento de porta VGTM é a tensão CC necessária para termos a IGTM Tensão mínima de acionamento de porta VGT é o valor mínimo da tensão CC porta cátodo necessária para disparar o SCR A tensão aplicada entre a porta e o cátodo deve ser maior que esse valor No mesmo instante precisa disponibilizar uma corrente de porta adequada para que o SCR passe ao estado ligado Corrente mínima de acionamento de porta IGT é a corrente mínima CC de porta necessária para fazer com que o tiristor dispare Exercício 5 Para o circuito da figura abaixo qual é a tensão mínima que disparará o SCR se a corrente de porta necessária para isso for de 15 mA 55 Figura 37 Circuito do exercício 5 Fonte Ahmed 2000 Solução Como a tensão portacátodo deve ser ligeiramente maior do que 060 V para polarizar diretamente a junção suponhamos uma tensão de Vo de 070 V para polarização direta Então Tensão mínima Vmin será Caso o valor da resistência RG seja desconhecida e uma vez sabemos os dados do SCR podemos dimensionala aplicando a lei de Ohm de forma fácil Perdas no SCR As perdas no SCR podem ser Perda de potência no estado ligado 56 Perda de potência no estado desligado Perda de potência por chaveamento Perda por acionamento de porta Perda no circuito snubber As perdas acima citadas com exceção das perdas no circuito snubber podem ser determinadas de forma similar à dos componentes especificados anteriormente diodos e transistores que nada mais são do que a aplicação da lei de Ohm com as respectivas tensões e correntes correspondentes à perda a ser calculada Perdas no circuito Snubber Essas perdas ocorrem por conta do circuito Snubber ser dimensionado para limitar a taxa de variação de tensão dvdt Elas podem ser determinadas da seguinte forma C Capacitância F f Frequência de chaveamento Hz Psnb Perda no snubber W Vp Tensão máxima pico Se o conversor tiver n pulsos a perda total referente aos circuitos Snubber no equipamento será 33 Proteção de SCR curva dos fusíveis proteção crowbar e constante de tempo do circuitocorrente de curtocircuito Diagrama de Fonte de Alimentação Segura NoBreak ou UPS 57 É comum no ambiente de datacenters ou simplesmente onde a interrupção da energia é um incômodo muito grande a instalação de um sistema de alimentação ininterrupta ou segura Esse tipo de alimentação é promovida por um equipamento chamado No Break ou UPS Uninterruptible Power Supply A base de funcionamento desses equipamentos é a eletrônica de potência pois neles são aplicados os SCRs Triacs etc Figura 38 Ilustração de um esquema elétrico de uma UPS Fonte Autor I Proteção de sobrecorrente fusível ou PTC V Proteção de sobretensão MOVs Diodos TVS etc R Retificador CACC carregador de baterias e alimentador do barramento CC para o inversor FE Filtro de entrada C Chopper CCCC I Inversor CCCA FS Filtro de saída B Banco de baterias 58 Para a proteção via fusíveis podem ser empregados os fusíveis rápidos ou retardados Os fusíveis protegem o SCR contra curtoscircuitos e atuam de forma evitando que a corrente de defeito não se eleve a valores inaceitáveis Ou seja os fusíveis possuem um efeito limitador Dependendo da sensibilidade do equipamentocomponente definimos os fusíveis a serem aplicados Portanto é muito importante conhecermos as limitações dos componentes datasheet e a característica de corrente de curto circuito do equipamento Os fusíveis atuam através de uma curva inversa ou seja quanto maior a corrente de defeito mais rápida será sua atuação Portanto mais rápida será a limitação de corrente do fusível Figura 39 Curva característica de fusíveis ação rápida Série 216 Littelfuse Fonte Littelfuse 2021 59 A curva dos fusíveis retardados é mais lenta isto é esses fusíveis levam mais tempo para uma atuação se comparado com os rápidos de mesma amperagem Em algumas aplicações há algumas sobrecorrentes transitórias que não devem ser interrompidas durante o funcionamento do equipamento nessas ocasiões devem ser utilizados os fusíveis de ação retardada picos de carga correntes de partida etc Na prática para proteção dos SCRs contra sobrecorrentes de curtocircuito são definidos os fusíveis que limitam a corrente do equipamento para que essa não chegue à valores que danifiquem o dispositivo ou se a corrente subir muito seja interrompida rapidamente primeiros ciclos Figura 310 Curva característica de fusíveis ação retardada Série 215 Littelfuse Fonte Littelfuse 2021 60 Se observarmos a mesma amperagem de fusíveis entre as Figuras 39 e 310 1 A por exemplo e simularmos uma sobrecarga de 4 A no fusível da Figura 39 a atuação se dará em 30 ms e em 100 ms no fusível da Figura 310 Proteção de Sobretensão Crowbar Os fusíveis promovem proteção contra sobrecorrentes porém não atuam durante surtos de curta duração e impulsos de alta tensão provenientes da rede elétrica na qual o equipamento está conectado A proteção do tipo crowbar ou alavanca promove uma proteção rápida contra sobretensões de origem transitórias e impulsos de tensão que podem danificar os SCRs Um circuito de proteção Crowbar pode ser visto na figura abaixo Figura 311 Circuito de Proteção Crowbar Fonte Autor O SCR conduzirá em um tempo muito curto microssegundos sendo muito mais rápido que o fusível O funcionamento dele é bem simples quando a tensão de saída ultrapassa a tensão de zener esse entra em condução e polariza o SCR que colocará a fonte em curtocircuito e rapidamente haverá a atuação do fusível Dessa maneira a sobretensão não passará para a carga Esse é o objetivo da proteção 61 O tempo de condução do SCR é muito pequeno alguns milissegundos portanto o SCR não necessitará de um sistema de dissipador de calor O SCR deve ser dimensionado para suportar a corrente de atuação do fusível Corrente de curtocircuito O conhecimento da corrente de curtocircuito é muito importante para o projeto de conversores e demais dispositivos que possuam componentes de eletrônica de potência As informações abaixo vão definir e ilustrar o comportamento da corrente de curto circuito em CA e em CC Curtocircuito em CA Figura 312 Curtocircuito em CA Fonte Martins 2009 A forma de onda do curtocircuito em CA tem o formato ilustrado na figura acima Essa forma de onda é regida pela equação abaixo 62 Onde i é a corrente de curto circuito é a tensão de pico Z é a impedância da rede Ø é a fase em relação à tensão I é o componente de transiente de corrente T é a constante de tempo do circuito t é a duração do curtocircuito Também temos que definir Curtocircuito em CC Figura 313 Curtocircuito em CC Fonte Martins 2009 63 T é a constante de tempo é a resistência interna da fonte é a corrente máxima de curtocircuito V é a tensão da fonte t é a duração do curtocircuito Para proteção do SCR é muito importante sabermos a definições abaixo O valor térmico da corrente de um dispositivo conversor de um retificador ou inversor trifásico é definido pela fórmula Ith Ic²t onde Ic é a corrente por dispositivo retificador e t é o tempo de duração da condução A corrente de curtocircuito é alcançada quando há o contato de baixa impedância entre os condutores da fonte que faz com que ocorra um aumento abrupto da corrente limitada somente pela impedância da fonte Dispositivo fusível são dispositivos utilizados para proteção dos circuitos contra curtoscircuitos Podem ser de ação rápida ou retardada Proteção de sobretensão é um tipo de proteção que protege o circuito contra elevação de tensão e pode ser de curta ou longa duração Para proteção de semicondutores utilizase o fusível O disjuntor não é usual pois é mais lento ou seja demora mais para interromper a corrente de curtocircuito A proteção de semicondutores basicamente deve possuir as seguintes características 64 Condução da corrente nominal continuamente Capacidade térmica do fusível menor que do semicondutor I²t fusível I²t semicondutor Tensão de ruptura do fusível durante a abertura suficiente para forçar a redução de corrente e dissipar a energia do circuito Após bloqueio de corrente evitar reignição do arco voltaico Figura 314 Curva do fusível durante um evento de curtocircuito Fonte Martins 2009 Conclusão Nesse bloco foram apresentadas as características dos SCRs utilizados em eletrônica de potência para diversas aplicações Foram vistos o funcionamento dos tiristores seu acionamento e as perdas que compõem sua estrutura Estudamos o comportamento dos componentes em alta frequência e a especificação de componentes para evitar danos ao SCR nesse modo A proteção desses dispositivos também foi tratada nesse bloco bem como suas especificações considerando a corrente de curtocircuito e sobretensões 65 REFERÊNCIAS Ahmed A Eletrônica de Potência São Paulo Pearson 2000 Littelfuse Curva Característica de fusíveis ação rápida série 216 Chicago Illinois USA 18 de junho de 2021 Martins Á Estudo de Proteção de Semicondutores de Potência São Paulo Eletrônica Ind 2009 Complementares Petruzella F D Motores Elétricos e Acionamentos Porto Alegre McGraw Hill 2013 Rashid M H Eletrônica de Potência Dispositivos Circuitos e Aplicação São Paulo Pearson 2010 66 4 CONVERSORES ACDC NÃO CONTROLADOS Neste bloco iremos abordar um dos principais conversores utilizados na eletrônica de potência que é o conversor ACDC também conhecido como retificador Vamos estudar os diversos tipos de retificadores meiaonda onda completa monofásico ou trifásico e suas características de funcionamento e aplicações 41 Retificador nãocontrolado monofásico de meia onda e onda completa características equacionamento e análise com carga resistiva e fortemente indutiva com simulação A retificação é um tipo de aplicação em que é efetuada uma conversão entre a tensão e corrente alternadas CA em tensão e corrente contínuas CC Um retificador não controlado utiliza apenas diodos em seu processo de conversão retificação A tensão máxima de saída CC é ditada pelo valor máximo da tensão de alimentação CA mas a saída CC não é perfeita pois contém uma quantidade apreciável de componentes CA os quais podemos chamar de ondulação Para eliminar esse tipo de interferência pode se inserir um filtro após o circuito retificador Retificador nãocontrolado monofásico de meia onda Esse retificador utiliza apenas 1 diodo semicondutor e é conhecido também como um retificador de umpulso Pois a frequência do sinal de saída é a mesma do sinal de entrada Figura 41 Retificador Monofásico de meia onda Fonte Ahmed 2000 67 Para iniciar a análise começamos com uma carga puramente resistiva A figura acima mostra um circuito retificador de meiaonda alimentando essa carga A tensão da fonte é uma onda senoidal com valor máximo VM e período T Quando a tensão é positiva semiciclo positivo também temos a tensão no ânodo positiva em relação à no cátodo e o diodo passa a conduzir estado ligado Assim a corrente flui através do resistor de carga R A tensão na carga Vo acompanha a meiaonda senoidal positiva Nos momentos em que temos o semiciclo negativo a tensão no ânodo tornase negativa em relação ao cátodo e o diodo passa para o estado desligado desta maneira não há corrente circulante no circuito através de R A tensão de saída Vo é mostrada na figura abaixo em conjunto com a forma de onda da corrente na carga e tensão no diodo VD Figura 42 Formas de onda envolvidas na análise do retificador de Meia Onda Fonte Ahmed 2000 68 Em eletrônica de potência costumase desprezar o valor da queda de tensão no diodo no momento em que ele está conduzindo visto que a tensão de operação da carga é muito maior do que essa queda de tensão Portanto em nossa análise consideraremos a tensão máxima pico na carga igual a tensão máxima da fonte O número de pulsos n desse retificador pode ser calculado pela equação Como mencionado anteriormente o número de pulsos desse retificador é um pois a frequência do sinal de saída é igual ao do sinal de entrada A tensão média Vo na carga é dada pelo equacionamento abaixo Portanto a tensão média nesse tipo de retificador vale A corrente média Io na carga 69 é o valor máximo de corrente pico A tensão eficaz Vef na carga vale Portanto a tensão eficaz será e a corrente eficaz 70 A forma de onda da tensão no diodo Figura 42 mostra que ele deve ser capaz de aguentar uma tensão inversa que seja igual ao pico da fonte de tensão Essa tensão é usada para selecionar o diodo apropriado para um dado circuito O valor nominal da tensão reversa máxima PIV para o diodo deverá ser Outro parâmetro importante para especificar o diodo é a máxima corrente direta que deverá fluir Essa corrente deverá ser maior ou igual a corrente máxima da carga Alguns fabricantes especificam essa corrente pelo seu valor médio portanto há de se prestar atenção nesses detalhes antes da especificação A finalidade de um retificador é converter potência AC em potência CC Uma vez que estamos supondo que os dispositivos são ideais sem perdas de potência o fluxo resultante de potência AC obtido da média de todo o ciclo completo deve ser igual à potência de saída CC A potência média Po na carga será A potência de entrada AC PAC é dada por A eficiência do retificador η é definida como a relação da potência de saída CC com a potência de entrada AC 71 Fator de Forma FF O fator de forma é uma medida da qualidade da tensão de saída do retificador Um retificador ideal deve apresentar um sinal CC constante portanto é a relação entre a tensão de saída eficaz e seu valor médio Fator de Ondulação ou Ripple FR É a relação entre a parcela AC do sinal de saída pela sua parcela CC Também reflete a qualidade do conversor Em uma fonte ideal o sinal de saída apresenta VCC Vef Vo portanto a parcela alternada é nula Para uma carga resistiva temos Dividimos ambos os lados por Sabemos que 72 Fator de Forma FF O fator de forma é uma medida da qualidade da tensão de saída do retificador Um retificador ideal deve apresentar um sinal CC constante portanto é a relação entre a tensão de saída eficaz e seu valor médio Fator de Ondulação ou Ripple FR É a relação entre a parcela AC do sinal de saída pela sua parcela CC Também reflete a qualidade do conversor Em uma fonte ideal o sinal de saída apresenta VCC Vef Vo portanto a parcela alternada é nula Para uma carga resistiva temos Dividimos ambos os lados por 73 Sabemos que Fator de Forma FF O fator de forma é uma medida da qualidade da tensão de saída do retificador Um retificador ideal deve apresentar um sinal CC constante portanto é a relação entre a tensão de saída eficaz e seu valor médio Fator de Ondulação ou Ripple FR É a relação entre a parcela AC do sinal de saída pela sua parcela CC Também reflete a qualidade do conversor Em uma fonte ideal o sinal de saída apresenta VCC Vef Vo portanto a parcela alternada é nula Para uma carga resistiva temos Dividimos ambos os lados por 74 Sabemos que Então Com a corrente é possível calcular também Considerando uma carga fortemente indutiva L R Nesses casos a forma de onda será diferente do estudado anteriormente por causa do efeito do indutor no circuito Essa é uma situação típica de alimentação de motores elétricos pois nesses casos o enrolamento do motor é fortemente indutivo e seu efeito se sobressai na análise A figura abaixo ilustra essa situação Figura 43 Retificador de meia onda com carga indutiva Fonte Ahmed 2000 75 As formas de onda ficam Figura 44 Formas de onda carga RL Fonte Ahmed 2000 Como pode ser visualizado na figura acima a forma de onda de tensão na carga possui um instante na qual fica negativa por conta do efeito indutivo Por causa da necessidade do indutor de injetar no circuito a energia acumulada o diodo retificador continua conduzindo isso fará com que a tensão média na carga fique um pouco menor do que a situação com carga resistiva Quanto maior a energia acumulada maior é o tempo de condução do retificador sem cortar 76 Esse inconveniente pode ser resolvido com a instalação de um diodo de retorno DR nesse circuito isso fará com que o circuito se comporte como se a carga fosse resistiva No momento em que a energia do indutor tem que ser liberada o diodo de retorno irá fazer com que ela só circule na malha cargaDR Nesse caso o valor médio da corrente tende a ser maior do que no caso da carga resistiva 77 Figura 45 Circuito retificador com diodo de retorno Fonte Ahmed 2000 Exercício 1 Dado um retificador de meia onda monofásico com uma fonte de tensão AC de 50 V 60 Hz e uma carga resistiva de 100 Ω monte o circuito no simulador Multisim ou similar e com o auxílio do multímetro meça as correntes e tensões média e eficazes comparando com o valor teórico Plote também as curvas características V e I tiradas do osciloscópio do simulador Figura 46 Circuito simulado exercício 1 Fonte Autor Nesse circuito simulado no Multisim temos VRMS e IRMS são a tensão e corrente eficazes na carga VAV e IAV são a tensão e corrente médias na carga 78 Valores teóricos Analisando os valores teóricos e práticos simulação concluímos que estão coerentes O pequeno erro se dá por conta de o simulador considerar uma queda de tensão no diodo Tal queda desconsideramos em nossa análise Figura 47 Curvas V e I do circuito simulado Fonte Autor 79 Retificador monofásico de onda completa com transformador com TAP central Tratase de um retificador com 2 pulsos ou seja a frequência do sinal de saída é o dobro da frequência do sinal de entrada Esse retificador é alimentado por um transformador com uma derivação central Tap Figura 48 Retificador onda completa TAP Central Fonte Ahmed 2000 As formas de onda ficam Figura 49 Formas de onda Onda completa tap central Fonte Ahmed 2000 80 A tensão Vs equivale a tensão de metade do enrolamento secundário do transformador Deduzindo o equacionamento integral para o valor médio da forma de onda do sinal de saída a tensão média na carga será o dobro da situação do retificador de meiaonda Fazendo a dedução do valor eficaz o valor da tensão eficaz na carga valerá Pela lei de Ohm podemos calcular os valores de corrente médio e eficazes Os parâmetros de qualidade do retificador são calculados de forma análoga a do retificador de meia onda Para especificar o diodo sabemos que cada diodo irá conduzir por meio ciclo mas a carga ficará sempre suprida hora pelo diodo um e hora pelo diodo dois portanto a corrente que circulará em cada diodo ID será é a corrente média na carga é a corrente máxima na carga A tensão reversa que o diodo deverá suportar para esse tipo de retificador será A potência média CC entregue à carga é dada por 81 A potência AC entrada é dada por No caso de uma carga fortemente indutiva haverá apenas variação da forma de onda de corrente na carga assim a tensão média na carga continuará com o mesmo comportamento da carga resistiva A figura abaixo ilustra esse comportamento Figura 410 Retificador onda completa Tap central com carga indutiva Fonte Ahmed 2000 82 Numa situação extrema onde a indutância é grande o suficiente a corrente ficará praticamente constate Nesse extremo a corrente eficaz ficará igual a corrente média Retificador monofásico de onda completa em ponte Também é de dois pulsos porém não é necessário um transformador com tap central para sua implementação Esse retificador utiliza quatro diodos semicondutores para funcionar Figura 411 Retificador monofásico em ponte Fonte Ahmed 2000 A tensão reversa que os diodos deverão suportar para esse tipo de retificador será Nesse caso a tensão Vs é a tensão de entrada do retificador Os demais equacionamentos vistos no caso de retificador com tap central são válidos para o retificador em ponte Quando esse retificador é submetido a uma carga fortemente indutiva a corrente se comportará como uma fonte CC pura ou seja quadrada Exercício 2 Dado um retificador monofásico de onda completa em ponte com uma fonte de tensão AC de 50 V 60 Hz e uma carga resistiva de 100 Ω monte o circuito no 83 simulador Multisim ou similar e com o auxílio do multímetro meça as correntes e tensões média e eficazes e compare com o valor teórico Plote também as curvas características V e I tiradas do osciloscópio do simulador Figura 412 Circuito simulado exercício 2 Fonte Autor Valores teóricos 84 Analisando os valores teóricos e práticos simulação concluímos que estão coerentes O pequeno erro dáse por conta de o simulador considerar uma queda de tensão no diodo Tal queda desconsideramos em nossa análise Figura 413 Formas de onda V e I Fonte Autor Geralmente as fontes de alimentação utilizadas em circuitos práticos de eletrônica de potência são tensões maiores ou iguais 220 V portanto esse efeito da queda de tensão nos diodos é cada vez menos importante conforme vai havendo o aumento da tensão do conversor Se observamos os resultados desse exercício com o anterior vamos constatar que os valores médios de tensão e corrente nesse caso são o dobro 85 42 Retificador nãocontrolado trifásico de meia onda características equacionamento e análise com carga resistiva e fortemente indutiva com simulação Os retificadores monofásicos de uma forma geral podem ser confeccionados de uma forma bem simples porém sua capacidade de potência é limitada e geram um teor de ondulação apreciável na forma de onda na tensão de saída CC Os retificadores trifásicos por sua vez disponibilizam em seus terminais de saída CC uma forma de onda com menos ondulação o que simplifica o processo de filtragem na saída Os componentes utilizados no processo de filtragem em retificadores de alta potência geralmente possuem um preço elevado portanto a sua simplificação ou eliminação é importante para um projeto mais otimizado Sendo assim para aplicações de alta potência é sempre preferível o uso de retificadores trifásicos Os retificadores trifásicos têm as seguintes vantagens quando comparados com os monofásicos Tensão de saída mais alta para uma determinada tensão de entrada Amplitude mais baixa da ondulação Frequência de ondulação mais alta o que simplifica a filtragem Eficiência total mais alta O retificador trifásico de meia onda é um retificador de três pulsos ou seja a frequência do sinal de saída é o triplo da frequência do sinal de entrada Para iniciar a análise vamos considerar uma carga resistiva 86 Figura 414 Retificador trifásico de meia onda Fonte Ahmed 2000 Para analisar o circuito é preciso começar definindo os períodos nos quais cada diodo irá conduzir e em seguida aplicar a respectiva fonte de tensão sobre a carga resistor R Cada diodo conduz em intervalos de 120 na sequência D1 D2 D3 e repetindo para a produção da tensão média de saída Vo No momento em que a tensão instantânea for mais positiva seu respectivo diodo passará para o estado ligado Seu terminal mais positivo se conectará aos cátodos dos dois outros diodos o que irá forçalos a permanecerem desligados Assim apenas um deles permanecerá ligado nesse instante e podemos traçar as formas de onda desse retificador 87 Figura 415 Formas de onda retificador trifásico de meia onda Fonte Ahmed 2000 Fazendo as devidas deduções da integral para determinarmos os valores médios e eficazes da forma de onda da carga chegaremos aos seguintes equacionamentos Portanto para esse retificador de 3 pulsos n 3 é o valor máximo da tensão de fase é a tensão média na carga 88 A tensão eficaz na carga Pela lei de Ohm é possível calcular a corrente média na carga Io e a corrente eficaz Ief A corrente média em cada diodo é apenas um terço da corrente na carga Para esse tipo de retificador mesmo com carga resistiva podemos considerar que a corrente eficaz da carga é aproximadamente igual a corrente média na carga Se a carga for indutiva a tendência é igualar A mesma analogia pode ser feita para a tensão eficaz na carga 89 O fator de ondulação FR será O fator de forma FF vale A tensão reversa máxima PIV que cada diodo deve suportar será é a tensão máxima de linha do sistema Isso ocorre pois quando os diodos estão reversamente polarizados a tensão de linha do sistema ficará conectada aos diodos A tabela abaixo ilustra essa característica Tabela 41 Tensão nos diodos em função do período Período Diodo ligado Diodo desligado Tensão Diodo D1 D2 D3 0 a 30 D3 D1 e D2 VAC VBC 0 30 a 150 D1 D2 e D3 0 VBA VCA 150 a 270 D2 D1 e D3 VAB 0 VCB 270 a 390 D3 D1 e D2 VAC VBC 0 Fonte Autor Retificador trifásico de meia onda com carga fortemente indutiva RL Na prática a corrente na carga é mais constante e tem uma ondulação que pode ser desprezada Quanto mais alta a indutância mais a corrente tende a ficar constante Em condições ideais se L for infinito a ondulação será nula 90 A tensão de saída Vo ainda tem ondulação mas a tensão de ondulação será nula na porção resistiva da carga Em condições ideais toda a tensão de ondulação será absorvida na porção indutiva da carga Figura 416 Retificador trifásico de meia onda com carga fortemente indutiva Fonte Ahmed 2000 Não há nenhuma mudança na forma de onda da tensão de saída portanto a equação vista para carga resistiva continua válida Supondo uma corrente na carga quase constante Uma vez que a forma de onda da corrente tem forma retangular A figura a seguir ilustra a forma de onda considerando uma carga fortemente indutiva Essa é uma situação típica na alimentação de motores elétricos de corrente contínua a partir de uma fonte trifásica 91 Figura 417 Formas de onda Carga fortemente indutiva retificador trifásico de meia onda Fonte Ahmed 2000 Analisando a figura é possível visualizar que cada diodo conduz sua respectiva corrente por 120 defasados cada um conduz em uma parte do ciclo porém a corrente da carga não se sensibiliza por conta dessa comutação situação ideal A corrente na carga é praticamente uma onda contínua perfeita caso de carga fortemente indutiva 92 Exercício 3 Um retificador nãocontrolado de três pulsos é ligado a uma fonte AC de 4 fios de 220 V e 60 Hz A resistência da carga vale 20 Ω Monte esse circuito no software de simulação Multisim ou similar e meça as tensões e correntes médias na carga Compare os valores medidos com os práticos e plote a forma de onda do sinal retificado de tensão Figura 418 Circuito simulado no Multisim Exercício 3 Fonte Autor Valores teóricos Analisando os valores teóricos e práticos simulação concluímos que estão coerentes O pequeno erro dáse pelo simulador considerar uma queda de tensão no diodo e demais aproximações que fizemos para facilitar nosso entendimento na disciplina 93 Há uma pequena variação na frequência do sinal de saída por conta de o simulador levar em consideração o efeito da comutação dos diodos que estamos desprezando em nossa análise Figura 419 Forma de onda da simulação Exercício 3 Fonte Autor 43 Retificador nãocontrolado trifásico de onda completa características equacionamento e análise com carga resistiva e fortemente indutiva com simulação O retificador trifásico de onda completa em ponte é um retificador de seis pulsos Isso significa que a frequência do sinal de saída vale seis vezes a frequência do sinal de entrada Esse conversor é um dos mais importantes quando se trata de instalações industriais onde predomina a alta potência Pode ser conectado a uma fonte trifásica ligação direta ou usar de um transformador trifásico O conversor de seis pulsos fornece uma saída que possui um teor de ondulação reduzido frente ao retificador de três pulsos A figura abaixo ilustra esse retificador O funcionamento do circuito se dá da seguinte forma 94 Dois diodos em série estão sempre conduzindo enquanto os outros quatro permanecem bloqueados Um dos diodos que conduz tem índice ímpar D1 D3 ou D5 enquanto o outro tem par D2 D4 ou D6 Cada diodo conduz por 120 ou seja um terço de cada ciclo A corrente flui do terminal mais positivo da fonte através do diodo ímpar para a carga Daí no caminho de retorno volta para o terminal mais negativo da fonte por um diodo par Figura 420 Retificador trifásico de onda completa 6 pulsos Fonte Ahmed 2000 Para determinar os terminais da fonte mais positivo e o mais negativo podemos utilizar as curvas de duas tensões de linha quaisquer em relação a um terminal de referência comum Para ilustrar essa análise vamos utilizar o terminal B escolhido aleatoriamente As duas tensões de linha referenciadas a B são VAB e VCB Sabemos também que VCB é na verdade o inverso de VBC 95 Figura 421 Formas de onda AC para análise Retificador de onda completa trifásico Fonte Ahmed 2000 Analisando a figura acima no intervalo de 0 a 60 a tensão no terminal C é a mais alta Assim o ânodo do diodo D5 fica com a tensão mais positiva esse diodo ficará diretamente polarizado ficando em estado ligado De 60 a 180 o terminal A passa a ser o mais positivo e com isso D1 fica diretamente polarizado e passa para o estado ligado porém por ser um circuito trifásico temos que fazer a análise com as curvas sendo referenciadas aos terminais C e A e plotálas todas juntas para definirmos a polarização dos diodos em todos os instantes de tempo Com isso é possível elaborarmos uma tabela com esses dados Tabela 42 Estado de tensões nos diodos por período Período Tensão mais positiva Tensão mais negativa Diodos ligados Ímpares Pares 0 a 60 C B 5 6 60 a 120 A B 1 6 120 a 180 A C 1 2 180 a 240 B C 3 2 240 a 300 B A 3 4 300 a 360 C A 5 4 Fonte Autor 96 Figura 422 Formas de onda do retificador trifásico de onda completa 6 pulsos Fonte Ahmed 2000 A Figura 422 ilustra as formas de onda no lado AC e no lado CC carga A tensão retificada varia entre Em que Vs é o valor eficaz da tensão de linha De posse desses detalhes é possível deduzirmos o valor médio da tensão através da integral conforme visto nos blocos anteriores Isso resultará em é o valor da tensão máxima de linha do retificador Demais equacionamentos oriundos da lei de Ohms 97 Corrente média na carga Corrente média no diodo Corrente no diodo máxima Corrente eficaz no diodo A tensão eficaz na carga 98 Portanto podemos dizer que o valor eficaz da tensão na carga é aproximadamente igual ao valor médio Pela lei de Ohm é possível calcular a corrente eficaz Ief Podemos visualizar as formas de onda de corrente na figura abaixo Figura 423 Formas de onda de corrente na linha e diodos Fonte Ahmed 2000 Agora podemos calcular os parâmetros de qualidade desse retificador 99 Fator de Forma é o valor eficaz da tensão de linha do retificador Fator de Ondulação A tensão reversa máxima PIV que cada diodo deve suportar será Com carga indutiva RL Se a carga for indutiva a forma de onda da tensão de saída permanecerá como no caso da carga resistiva e a corrente na carga terá a ondulação reduzida As formas de onda para a corrente são mostradas na Figura 424 na qual se supõe um alto valor de indutância O equacionamento do retificador nessa situação pode ser considerado o mesmo da com carga resistiva Há pouca diferença entre os valores médios e eficazes da corrente na carga porque a forma de onda da corrente tem uma ondulação muito pequena O valor eficaz das correntes de linha IA IB e IC valem 100 Figura 424 Formas de onda com carga RL Fonte Ahmed 2000 A ondulação pico a pico é somente O retificador de seis pulsos representa uma grande melhoria quando comparado ao de três pulsos e forma a base principal para a maioria das instalações de retificadores industriais 101 Exercício 4 Um retificador nãocontrolado de seis pulsos é ligado a uma fonte AC de 4 fios de 220 V e 60 Hz A resistência da carga vale 20 Ω Monte esse circuito no software de simulação Multisim ou similar e meça as tensões e correntes médias na carga Compare os valores medidos com os práticos e plote a forma de onda do sinal retificado de tensão Figura 425 Circuito simulado Multisim Exercício 4 Fonte Autor Valores teóricos Analisando os valores teóricos e práticos simulação concluímos que estão coerentes O pequeno erro dáse pelo simulador considerar uma queda de tensão no diodo e demais aproximações que fizemos para facilitar nosso entendimento na disciplina 102 Há uma pequena variação na frequência do sinal de saída por conta de o simulador levar em consideração o efeito da comutação dos diodos que estamos desprezando em nossa análise Observase também na simulação que o valor da tensão média na carga é aproximadamente o dobro do retificador de meia onda trifásico Figura 426 Formas de onda simulador Fonte Autor Conclusão Nesse bloco foram apresentadas as características dos retificadores industriais não controlados Foram abordados os retificadores monofásicos e trifásicos com carga resistiva e indutiva seus equacionamentos e curvas características e realizadas simulações em ambiente Multisim para comprovação da teoria e checagem do equacionamento 103 REFERÊNCIAS Ahmed A Eletrônica de Potência São Paulo Pearson 2000 Complementares Petruzella F D Motores Elétricos e Acionamentos Porto Alegre McGraw Hill 2013 Rashid M H Eletrônica de Potência Dispositivos Circuitos e Aplicação São Paulo Pearson 2010 104 5 CONVERSORES ACDC CONTROLADOS Neste bloco iremos abordar um dos principais conversores controlados utilizados na eletrônica de potência também conhecidos como retificadores controlados com SCRs Vamos estudar os diversos tipos de retificadores meiaonda onda completa monofásico ou trifásico e suas características de funcionamento e aplicações operando de forma controlada 51 Retificador controlado monofásico de meia onda e onda completa características equacionamento e análise com carga resistiva e fortemente indutiva com simulação Para construirmos um conversor ativo ou controlado por fase é preciso aplicar ao invés de diodos semicondutores convencionais tiristores que são em sua maior parte representados pelos SCRs A partir daí o circuito poderá produzir uma tensão de saída variável cujo valor é alcançado através de um controle de fase isto é controlando o período o qual o SCR irá conduzir variando eou controlando o ponto no qual um sinal na porta é aplicado ao SCR Se o tempo de retardo do pulso na porta for ajustado e se esse procedimento for feito de forma repetitiva veremos que as saídas dos retificadores poderão ser controladas Essa técnica é denominada controle de fase Os retificadores controlados podem ser aplicados em diversas situações como controle de velocidade para motores CC carregadores de baterias e transmissão CC em alta tensão Geralmente o controle de fase é usado para frequências abaixo de 400 Hz ou na sua forma mais usual para a frequência industrial 60 Hz A principal desvantagem do controle de fase é a interferência em radiofrequência Como a onda não será totalmente senoidal teremos problemas com a produção de conteúdo harmônico de peso que interferem no rádio na televisão e em outros equipamentos de comunicação 105 Figura 51 Retificador Controlado Monofásico de meia onda Fonte Ahmed 2000 A figura acima ilustra a situação em que temos um retificador controlado de meia onda com uma carga R resistiva No instante em que temos o semiciclo positivo da tensão da fonte CA o SCR estará diretamente polarizado e no caso de um pulso em sua porta conduzirá Num primeiro instante com o SCR passando para o estado ligado uma corrente irá passar pela carga e a tensão de saída do retificador será igual a tensão de entrada No instante a corrente cai naturalmente a zero uma vez que o SCR estará inversamente polarizado Durante o instante onde temos o semiciclo negativo da tensão de entrada CA o componente irá bloquear o fluxo de corrente e portanto não haverá tensão na carga O SCR deverá ficar bloqueado até que o sinal seja aplicado novamente na porta em O período que vai de é o tempo no semiciclo positivo em que o SCR está desligado O ângulo onde temse o começo da condução medido em graus é chamado de ângulo de disparo ou ângulo de retardo O SCR conduz de a Esse ângulo enquanto o SCR conduz é chamado de ângulo de condução A figura abaixo ilustra essas características 106 Figura 52 Formas de onda envolvidas na análise do retificador Controlado de Meia Onda Fonte Ahmed 2000 Fazendo o equacionamento integral para determinar o valor da tensão média na carga teremos que a tensão média na carga será Pela lei de Ohm podemos calcular a corrente média na carga A tensão eficaz será 107 Pela lei de Ohm podemos calcular a corrente eficaz na carga Essas equações indicam que o valor da tensão de saída do retificador é definida pelo ângulo de disparo Se houver um aumento de ao disparar o SCR haverá uma diminuição da tensão e viceversa O valor máximo da tensão de saída ocorre quando o ângulo de disparo for zero nesse caso teremos a mesma situação do circuito de meiaonda com diodo portanto se houver o disparo do SCR com o circuito atuará como num circuito com diodo retificador A característica de controle desse retificador é em função de Seu equacionamento é é a tensão média considerando o circuito retificador sem controle Assim podemos traçar a curva abaixo Figura 53 Característica de controle do retificador meia onda monofásico Fonte Ahmed 2000 108 Considerando uma carga fortemente indutiva L R Um retificador de meiaonda composto de uma carga R e L pode ser visto na figura abaixo Se o dispositivo de chaveamento for acionado com um determinado ângulo de disparo a corrente na carga aumentará de forma lenta efeito indutivo uma vez que a indutância forçará a corrente a se atrasar em relação a tensão Assim haverá um armazenamento de energia no indutor na forma de campo magnético Quando a tensão aplicada ficar negativa o SCR ficará inversamente polarizado mas a energia armazenada no campo magnético no indutor retornará ao circuito e forçará uma corrente direta através da carga A corrente irá se manter fluindo até ângulo de avanço quando então o dispositivo passará para o estado desligado A tensão no indutor mudará de polaridade e a tensão na carga ficará negativa assim a tensão média na saída vai ser menor do que com a carga resistiva Figura 54 Retificador de meia onda com carga indutiva Fonte Ahmed 2000 O equacionamento da tensão média com carga fortemente indutiva ficará 109 Pela lei de Ohm podemos calcular a corrente média na carga Para eliminar esse efeito diminuição da tensão média podemos utilizar um diodo de retorno A figura abaixo ilustra essa técnica Figura 55 Formas de onda carga RL Fonte Ahmed 2000 110 Note uma diminuição da ondulação na forma de onda da corrente A tensão média nesse circuito pode ser calculada como se fosse uma carga resistiva sendo alimentada A energia do indutor irá circular apenas no ramo cargadiodo de retorno Exercício 1 Dado um retificador controlado de meia onda monofásico com uma fonte de tensão AC de 120 V 60 Hz e uma carga resistiva de 10 Ω monte o circuito no simulador Multisim ou similar e com o auxílio do multímetro meça as correntes e tensões média e eficazes para um ângulo de disparo de 30 e compare com o valor teórico Plote também as curvas características V e I tiradas do osciloscópio do simulador Figura 56 Circuito simulado exercício 1 Fonte Autor 111 O gerador de disparo utilizado no simulador considera cada 1 Vcc igual a 1 portanto 30 Vcc temos 30 Nesse circuito simulado no Multisim temos VRMS e IRMS são a tensão e corrente eficazes na carga VAV e IAV são a tensão e corrente médias na carga Valores teóricos Analisando os valores teóricos e práticos simulação concluímos que estão coerentes 112 Figura 57 Curvas V e I do circuito simulado Fonte Autor Retificador monofásico de onda completa com transformador com TAP central Carga resistiva A figura abaixo mostra o arranjo básico de um retificador monofásico controlado com terminal central e carga resistiva O controle de fase tanto da parte positiva como da negativa da alimentação AC agora é possível o que aumenta a tensão CC e reduz a ondulação quando comparado aos retificadores de meiaonda Figura 58 Retificador controlado TAP Central Fonte Ahmed 2000 113 Durante o semiciclo positivo da tensão de entrada SCR1 fica diretamente polarizado Se ele for disparado passará para o estado ligado e a tensão de saída seguirá a tensão de entrada Em a corrente se torna nula o SCR1 passará de maneira natural para o estado desligado Durante o semiciclo negativo o SCR2 ficará diretamente polarizado Se disparado em passará para o estado ligado A tensão da saída seguirá mais uma vez a tensão de entrada Em a corrente cairá a zero novamente e desligará o SCR2 aí repetese o ciclo para manter o fornecimento de tensão à carga A figura abaixo ilustra esse comportamento Figura 59 Formas de onda Onda completa tap central Fonte Ahmed 2000 A tensão média na carga vale carga resistiva 114 Pela lei de Ohm podemos calcular a corrente média na carga A tensão eficaz será Pela lei de Ohm podemos calcular a corrente eficaz na carga A tensão Vs equivale a tensão de metade do enrolamento secundário do transformador e essa tensão que é a base para o cálculo das tensões na carga O seu valor máximo determina o valor final da tensão média e eficaz do conjunto Carga Indutiva No caso de uma carga fortemente indutiva haverá a variação da forma de onda de corrente e tensão na carga Assim a tensão média na carga irá ser diferente do retificador com carga resistiva pura A figura abaixo ilustra esse comportamento 115 Figura 510 Retificador controlado Tap central com carga indutiva Fonte Ahmed 2000 O valor médio da tensão na carga é dado por A tensão de saída estará em seu máximo quando o ângulo de disparo for zero será zero quando o ângulo de disparo for 90 e estará em seu máximo negativo quando o ângulo de disparo for 180 Essa característica de transferência é dada pela equação abaixo 116 Figura 511 Curva Característica de transferência tap central Fonte Ahmed 2000 É possível corrigir esse problema de a tensão ficar negativa com a utilização de um diodo de retorno em paralelo com a carga assim a tensão média voltará a ser como se a carga fosse resistiva pura Figura 512 Diodo de retorno para carga RL retificador Tap Central controlado Fonte Ahmed 2000 117 Retificador monofásico controlado em ponte Nesse retificador pares de SCRs opostos na diagonal passam juntos para o estado ligado ou para desligado A operação é similar à do circuito de onda completa com tap central O equacionamento da tensão média e eficaz é o mesmo do retificador de tap central Figura 513 Retificador monofásico controlado em ponte Fonte Ahmed 2000 Pela lei de Ohm podemos calcular a corrente média na carga Pela lei de Ohm podemos calcular a corrente eficaz na carga 118 As formas de onda são plotadas na figura abaixo Figura 514 Formas de onda Retificador monofásico em ponte controlado Fonte Ahmed 2000 Exercício 2 Dado um retificador controlado monofásico de Tap central com uma fonte de tensão AC de 240 V 60 Hz um transformador 11 com tap central acessível e uma 119 carga resistiva de 10 Ω monte o circuito no simulador Multisim ou similar e com o auxílio do multímetro meça as correntes e tensões média e eficazes para um ângulo de disparo de 30 e compare com o valor teórico Plote também as curvas características V e I tiradas do osciloscópio do simulador Figura 515 Circuito para simulação Exercício 2 Fonte Autor Figura 516 Circuito com resultados da simulação Fonte Autor O gerador de disparo utilizado no simulador considera cada 1 Vcc igual a 1 portanto 30 Vcc temos 30 120 Nesse circuito simulado no Multisim temos VRMS e IRMS são a tensão e corrente eficazes na carga VAV e IAV são a tensão e corrente médias na carga Valores teóricos Analisando os valores teóricos e práticos simulação concluímos que estão coerentes Podese notar que a tensão média nesse caso é o dobro do caso do retificador de meia onda para um mesmo ângulo de disparo 121 Para treino é recomendado alterar o ângulo de disparo para 45 comparar os resultados e notar a diferença na forma de onda Figura 517 Formas de onda V e I Fonte Autor Com carga fortemente indutiva Quando esse retificador está alimentado uma carga fortemente indutiva a forma de onda de tensão na carga tende a ficar negativa no instante em que a tensão da fonte passa pelo zero Isso acontece por conta do efeito indutivo Como nos casos anteriores isso pode ser corrigido com a instalação de um diodo de retorno em paralelo com a carga assim para determinação da tensão média podemos considerar a carga como se fosse indutiva 122 52 Retificador controlado trifásico de meia onda características equacionamento e análise com carga resistiva e fortemente indutiva com simulação A figura abaixo mostra um retificador trifásico controlado de meiaonda com uma carga resistiva Ele é um circuito de 3 pulsos porque a pulsação da tensão CC é três vezes a tensão de fase da rede de entrada O disparo deve ser feito 30 após a forma de onda de tensão passar pelo zero Este momento é onde a tensão mais positiva poderá bloquear os outros SCRs Se esse ângulo for atrasado após os 30 a tensão de saída poderá ser controlada Abaixo segue a ilustração dessas características Figura 518 Retificador trifásico de meia onda controlado Fonte Ahmed 2000 Fazendo o equacionamento a tensão média na carga será 123 Essa equação é válida para o caso de é o valor máximo da tensão de fase A tensão eficaz será Pela lei de Ohm podemos calcular a corrente eficaz na carga Quando temos a situação de A corrente de saída diminui até zero em algum instante e então tende a se tornar negativa Isso não é possível com a carga resistiva portanto a corrente e a tensão de 124 saída vão a zero até que o próximo SCR dispare O valor da tensão média nesse caso será Para valores de a tensão média de saída se anula A figura abaixo ilustra essa situação Figura 519 Formas de onda com Fonte Ahmed 2000 125 Com carga fortemente indutiva sem diodo de retorno Considerando que a componente indutiva da carga é grande o suficiente a forma de onda da tensão de saída pode ser negativa para alguns valores de Se o ângulo de disparo for menor que 30 a tensão de saída será sempre positiva e seu valor médio será dado pela equação anterior referente a carga puramente resistiva até 30 Mas para um ângulo de disparo maior do que 30 a tensão de saída se torna negativa durante uma parte de cada ciclo A figura abaixo irá ilustrar essa situação para um ângulo de disparo de 60 Figura 520 Formas de onda retificador trifásico de meia onda controlado com carga indutiva Fonte Ahmed 2000 126 A tensão média da carga pode ser calculada com a equação já mencionada carga resistiva A diferença é que nesse caso não há mais limitação quanto ao seu uso Pode ser usada com qualquer ângulo de disparo pois a forma de onda de tensão fica sempre senoidal A característica de controle fica A tensão média de saída é zero para A curva característica de controle é mostrada na figura abaixo Para uma corrente constante a corrente eficaz em cada SCR será Figura 521 Curva característica de controle retificador controlado trifásico 3 pulsos Fonte Ahmed 2000 127 Carga fortemente indutiva RL com diodo de retorno A instalação de um diodo de retorno é importante para evitar que o SCR continue conduzindo após a tensão da fonte passar pelo zero Com esse diodo as premissas estudadas para esse retificador com carga resistiva são mantidas Portanto podemos considerar esse circuito para determinar suas grandezas As figuras abaixo ilustram essa situação Figura 522 Retificador trifásico de meia onda com carga fortemente indutiva e diodo de retorno Fonte Ahmed 2000 128 Figura 523 Formas de onda retificador de 3 pulsos com carga RL e diodo de retorno Fonte Ahmed 2000 Exercício 2 Dado um retificador controlado trifásico de meia onda com uma fonte de tensão AC trifásica de 208 V 60 Hz e uma carga resistiva de 10 Ω monte o circuito no simulador Multisim ou similar e com o auxílio do multímetro meça as correntes e tensões média e eficazes para um ângulo de disparo de 20 e compare com o valor teórico Plote também as curvas características V e I tiradas do osciloscópio do simulador 129 Figura 524 Circuito para simulação Exercício 2 retificador trifásico controlado 3 pulsos Fonte Autor O gerador de disparo utilizado no simulador considera cada 1 Vcc igual a 1 portanto 50 Vcc temos 50 É necessário acrescentar nesse gerador de pulso do SCR além dos 20 do ângulo de disparo temos que somar o ângulo de 30 referente ao ponto de controle desse retificador Nesse circuito simulado no Multisim temos VRMS e IRMS são a tensão e corrente eficazes na carga VAV e IAV são a tensão e corrente médias na carga Valores teóricos 130 Analisando os valores teóricos e práticos simulação concluímos que estão coerentes Figura 525 Circuito simulado no Multisim Exercício 2 Fonte Autor 53 Retificador controlado trifásico de onda completa características equacionamento e análise com carga resistiva e fortemente indutiva com simulação O retificador trifásico controlado de onda completa em ponte seis pulsos é o mais usado como conversor de alta potência A figura abaixo ilustra esse retificador 131 Figura 526 Retificador trifásico controlado 6 pulsos Fonte Ahmed 2000 Os SCRs 1 3 e 5 recebem o nome de grupo positivo uma vez que são disparados durante o semiciclo positivo da tensão das fases as quais estão ligados Analogamente os SCRs 2 4 e 6 são disparados durante os ciclos negativos das tensões de fase e formam o grupo negativo Para promover o caminho da corrente é necessário que dois SCRs estejam conduzindo ao mesmo tempo Portanto os pulsos de acionamento dos SCRs devem ser separados por 60 no ciclo Quando o par de SCRs conduzem a tensão de linha correspondente fica aplicada na carga Inicialmente vamos considerar uma carga puramente resistiva ou indutiva com a utilização de diodo de retorno Em um determinado instante de tempo se tivermos o SCR3 e o SCR2 conduzindo a carga será alimentada pela tensão de linha VBC Devemos levar em consideração o momento em que as tensões de fase se cruzam pois é a partir daí que poderá ser feito o controle 132 Só haverá condução por parte do SCR se a tensão aplicada no terminal ânodo for maior do que a tensão da barra da carga Se não for continuará bloqueado mesmo com sinal no gatilho Figura 527 Retificador controlado trifásico de onda completa 6 pulsos Fonte Ahmed 2000 O SCR conduzirá por 120º Tanto o SCR responsável pelo semiciclo positivo como o semiciclo negativo Cada tensão de fase é responsável por 2 componentes de linha VAN VAB e VAC VBN VBC e VBA VCN VCA e VCB VAC é a tensão VCA tombada de 180º VBA é a tensão VAB tombada de 180º VCB é a tensão VBC tombada de 180º 133 Para determinarmos os valores médios e eficazes da tensão e corrente na carga considerando o controle do ângulo de disparo devemos elaborar a integral considerando no momento do cruzamento das tensões de fase Conforme modificamos esse ângulo de disparo modificamos o valor da tensão de saída na carga O valor da tensão média na carga será Sabemos que 134 Vo é a tensão média no retificador trifásico controlado em ponte com carga resistiva E nessa equação VM é a tensão de pico de linha A tensão eficaz na carga será Essa análise é para condução contínua portanto o ângulo obedece a igualdade abaixo Os valores de corrente média e eficaz na carga podem ser calculados pela lei de Ohm utilizando o valor da carga e as tensões já calculadas Para ângulos superiores a 60º haverá uma descontinuidade Dependerá de quanto maior que 60º o ângulo de disparo é Podemos agora montar as tabelas contendo a sequência de funcionamento do retificador 135 Tabela 51 Tensão em cada ponto Retificador trifásico em ponte controlado Intervalo Tensão no Ponto 1 Tensão ponto 2 Tensão 12 Linha 0 a 60º A B AB 60 a 120º A C AC 120 a 180º B C BC 180 a 240º B A BA 240 a 300º C A CA 300 a 360º C B CB 360 a 420º A B AB Fonte Autor Tabela 52 Tabela de tensão sobre o SCR tempo Intervalo SCR1 SCR3 SCR5 SCR4 SCR6 SCR2 0 a 60º 0 BA CA AB 0 CB 60 a 120º 0 BA CA AC BC 0 120 a 180º AB 0 CB AC BC 0 180 a 240º AB 0 CB 0 BA CA 240 a 300º AC BC 0 0 BA CA 300 a 360º AC BC 0 AB 0 CB Fonte Autor Quando o SCR está conduzindo a tensão sobre ele é aproximada a zero Quando o SCR estiver reversamente polarizado a tensão será a tensão de linha A tensão reversa em nosso SCR deverá ser maior que 136 Figura 528 Formas de onda AC para análise Retificador de onda completa 6 pulsos controlado Fonte Ahmed 2000 As correntes de linha desse retificador plotadas na Figura 528 podem ser calculadas pela Lei de Kirchhoff Nó A IA I4 I1 IA I1 I4 Nó B IB I6 I3 IB I3 I6 137 Nó C IC I2 I5 IC I5 I2 A sequência de disparo dos SCRs é SCR1 e 2 SCR2 e 3 SCR3 e 4 SCR4 e 5 e SCR5 e 6 Todos disparados com uma defasagem de 60º Analisando a figura acima no intervalo de 0 a 60 a tensão no terminal C é a mais alta assim o ânodo do diodo D5 fica com a tensão mais positiva então esse diodo ficará diretamente polarizado e em estado ligado De 60 a 180 o terminal A passa a ser o mais positivo com isso D1 fica diretamente polarizado e passa para o estado ligado Entretanto por ser um circuito trifásico temos que fazer a análise com as curvas sendo referenciadas aos terminais C e A e plotálas todas juntas para definirmos a polarização dos diodos em todos os instantes de tempo com isso é possível elaborarmos uma tabela com esses dados Tabela 53 Estado de tensões nos diodos por período Período Tensão mais positiva Tensão mais negativa Diodos ligados Ímpares Pares 0 a 60 C B 5 6 60 a 120 A B 1 6 120 a 180 A C 1 2 180 a 240 B C 3 2 240 a 300 B A 3 4 300 a 360 C A 5 4 Fonte Autor Operação com descontinuidade da tensão na carga Essa situação acontece para ângulos de disparo conforme abaixo 138 Para ângulos de disparo superiores a 120º a tensão na carga será zero Dedução da tensão média Vo é a tensão média no retificador trifásico controlado em ponte com carga resistiva VM é a tensão máxima de linha do retificador Essa análise é para condução descontínua portanto o ângulo obedece a igualdade abaixo Curva Característica de Controle 139 A curva obedecerá a seguinte equação Figura 529 Curva Característica de Controle 6 pulsos Fonte Ahmed 2000 Com carga indutiva sem diodo de retorno Nesses casos se o ângulo de disparo for menor ou igual a 60 a tensão na carga não ficará negativa e quando o ângulo de disparo for aumentado acima de 60 a tensão de saída se torna negativa para partes do ciclo Se não houver o diodo de retorno a tensão média de saída pode ser obtida pela equação 140 Figura 530 Forma de onda com Fonte Ahmed 2000 Exercício 3 Dado um retificador controlado trifásico de 6 pulsos com uma fonte de tensão AC trifásica de 220 V 60 Hz e uma carga resistiva de 20 Ω monte o circuito no simulador Multisim ou similar e com o auxílio do multímetro meça as correntes e tensões média e eficazes para um ângulo de disparo de 30 Compare com o valor teórico Plote também as curvas características V e I tiradas do osciloscópio do simulador Figura 531 Circuito para simulação Exercício 3 Fonte Autor 141 O gerador de disparo utilizado no simulador considera cada 1 Vcc igual a 1 portanto 60 Vcc temos 60 É necessário acrescentar nesse gerador de pulso do SCR além dos 30 do ângulo de disparo a soma do ângulo de 30 referente ao ponto de controle desse retificador Nesse circuito simulado no Multisim temos VRMS e IRMS são a tensão e corrente eficazes na carga VAV e IAV são a tensão e corrente médias na carga Valores teóricos 142 Analisando os valores teóricos e práticos simulação concluímos que estão coerentes Note que a diferença entre o valor médio e eficaz é mínima no cálculo e na simulação Na simulação houve uma pequena diferença no valor da tensão eficaz por conta de arredondamentos do controle de disparo do retificador Conclusão Nesse bloco foram apresentadas as características dos retificadores industriais controlados Abordamos os retificadores monofásicos e trifásicos com carga resistiva e indutiva e seus equacionamentos e curvas características Foram feitas simulações em ambiente Multisim para comprovação da teoria e checagem do equacionamento REFERÊNCIAS Ahmed A Eletrônica de Potência São Paulo Pearson 2000 Complementares Petruzella F D Motores Elétricos e Acionamentos Porto Alegre McGraw Hill 2013 Rashid M H Eletrônica de Potência Dispositivos Circuitos e Aplicação São Paulo Pearson 2010 143 6 OUTROS CONVERSORES E CONTROLES APLICADOS COM ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Neste bloco iremos apresentar os conversores especiais mais utilizados em eletrônica de potência para alimentação e controle de máquinas e motores CC eou CA Serão abordadas as características de funcionamento seu equacionamento e aplicações Também serão vistas técnicas de dissipação de calor aplicação de dissipadores nos componentes de eletrônica de potência 61 Conversores DCDC Choppers DC Conversores cíclicos ACAC e Inversores de frequência Conversor CCCC Esse conversor também é conhecido como Chopper ele é aplicado com o objetivo de obtermos uma tensão CC variável extraída dos terminais de fonte de tensão contínua constante É possível controlar o valor médio na carga da tensão nos terminais de saída do chopper quando alteramos a proporção do tempo em que a saída fica conectada à entrada Essa conversão é obtida através de um circuito que combina um indutor eou um capacitor e um dispositivo semicondutor operando no modo de chaveamento de alta frequência Em aplicações de forte potência alta tensão e corrente os tiristores costumam serem utilizados como dispositivos de chaveamento A técnica de chaveamento utilizada em circuitos choppers CC é denominada PWM pulse width modulation modulação por largura de pulso Há três espécies fundamentais de circuitos choppers Stepdown ou buck produz uma tensão de saída menor ou igual à tensão de entrada Stepup ou boost fornece uma tensão de saída maior ou igual à tensão de entrada Buckboost agrega as características dos choppers buck e boost 144 As principais aplicações de circuitos do tipo choppers são controle de motores CC para tração elétrica chaveamento de alimentadores de potência UPS Uninterruptible power supplies fontes de alimentação de funcionamento contínuo e equipamentos operados por bateria O princípio elementar de um circuito chopper é ilustrado abaixo Uma chave é conectada em série com os terminais da fonte de tensão CC e a carga A chave S pode ser um transistor de potência ou um tiristor Para o caso do tiristor esse deve ser modificado para ser possível sua comutação forçada fora do estado natural Para nossa análise vamos considerar as seguintes características de chaveamento Resistência zero queda de tensão nula quando ligadas Resistência infinita corrente de fuga nula quando desligada Perda zero de chaveamento podem chavear instantaneamente em qualquer estado para outro Figura 61 Circuito Chopper básico Fonte Ahmed 2000 A forma de onda da tensão na carga sob alimentação de um circuito chopper pode ser vista na figura abaixo Analisando a figura vemos que a tensão na carga é zero S desligada ou Vi S ligada Figura 62 Formas de onda na carga alimentada com circuito Chopper Fonte Ahmed 2000 145 A tensão média CC na saída em um ciclo é Onde T é o período A frequência de chaveamento do chopper é Se utilizarmos a ideia do ciclo de trabalho d que é a relação entre a largura do pulso e o período da forma de onda Então A equação acima mostra que a tensão de saída varia de modo linear com o ciclo de trabalho portanto é possível controlar a tensão de saída na faixa de zero a Step down A forma de onda da corrente na carga Io é similar à de tensão Seu valor será O valor eficaz da tensão de saída vale Esse circuito chopper não é muito prático pois só é aplicado para cargas puramente resistivas Na prática temos que estudar seu comportamento para cargas diversas A figura abaixo ilustra essa situação 146 Figura 63 Circuito chopper stepdown RL Fonte Ahmed 2000 Modo corrente Contínua A figura abaixo mostra a forma de onda da tensão na carga além da tensão que aparece no diodo D Ela é igual à tensão de entrada Vi quando a chave está ligada e quando o diodo D encontrase inversamente polarizado No instante em que abrimos a chave a tensão de saída mantémse em zero por conta do diodo D que disponibiliza um percurso para fluir a corrente na carga Como podemos desprezar a tensão média no indutor L quando não há componente resistiva a tensão nos terminais de saída deve ser a tensão média no diodo Figura 64 Chopper Modo Corrente contínua Fonte Ahmed 2000 147 Modo corrente descontínua Para valores de baixos em especial com uma indutância baixa a corrente de carga diminui e pode cair a zero durante a parte de cada ciclo em que a chave estiver desligada Ela porém crescerá de novo a partir do zero quando a chave for ligada no ciclo seguinte Dizse então que a corrente na carga é nãocontínua A figura abaixo ilustra essa situação Podem ser vistas as formas de onda de corrente e de tensão quando é aproximadamente igual a A forma de onda de tensão é a mesma da Figura 62 entretanto a corrente de saída não pode pular para por causa da natureza indutiva da carga Em vez disso ela cresce de modo exponencial até De maneira semelhante quando o transistor estiver desligado a mesma corrente fluindo no diodo de retorno cairá a zero Figura 65 Chopper Modo Corrente descontínua Fonte Ahmed 2000 A situação da figura acima é indesejável e pode ser evitada com um valor de indutância apropriado para ser colocado em série com a carga O valor mínimo de indutância para garantir uma condução contínua vale 148 Chopper Stepup Figura 66 Esquema do chopper stepup básico Fonte Ahmed 2000 A tensão de saída nesse circuito pode variar desde o valor da fonte de tensão até diversas vezes recomendase até 5 vezes esse valor Há uma pequena ondulação na corrente de entrada mas podemos desprezála considerando que o chaveamento é em alta frequência A chave pode ser um transistor ou SCR operando no estilo PWM Num primeiro momento quando a chave S passar para o estado ligado o indutor ficará conectado à alimentação A tensão no indutor VL tenderá no mesmo instante para o valor da fonte de tensão Vi mas a corrente no indutor Ii aumentará de maneira mais lenta linear e armazenará energia no campo magnético No instante em que a chave for aberta a corrente de entrada no indutor cairá de modo brusco e a energia armazenada no indutor será transferida para o capacitor através do diodo D A tensão induzida VL no indutor mudará de polaridade e a tensão no indutor se somará à fonte de tensão para assim aumentar a tensão de saída Após isso a chave S é fechada novamente o diodo D se tornará inversamente polarizado a energia do capacitor fornecerá a tensão na carga e o ciclo se repetirá A figura abaixo ilustra essa situação 149 Figura 67 Funcionamento do chopper stepup Fonte Ahmed 2000 Façamos uma análise considerando que a energia armazenada no indutor no primeiro momento é aproximadamente igual a energia fornecida à carga num segundo momento Won Woff ou seja vamos desprezar as perdas Assim 150 Sabemos que E que podemos dividir em cima e em baixo por T sem alterar o resultado Teremos A indutância L pode ser definida como Choppers Buckboost O circuito chopper buckboost CC para CC associa os princípios básicos dos modelos stepup e stepdown A tensão nos terminais de saída do chopper pode ser maior igual ou menor do que a tensão de entrada fonte Também é possível uma inversão de polaridade na tensão de saída A montagem básica do circuito é mostrada na figura abaixo O componente semicondutor para chaveamento pode ser um transistor de potência um tiristor ou IGBT 151 Figura 68 Circuito buckboost Fonte Ahmed 2000 Quando a chave S estiver ligada o diodo D ficará inversamente polarizado e a corrente no diodo ID será nula O circuito pode ser simplificado conforme a figura abaixo Figura 69 Funcionamento buckboost Chave S fechada Fonte Ahmed 2000 A tensão no indutor é igual à tensão de entrada e a corrente no indutor IL aumenta de modo linear com o tempo Figura 610 Aumento da corrente no indutor L Fonte Ahmed 2000 152 No instante em que S estiver desligada a fonte será desconectada A corrente no indutor não poderá variar instantaneamente e assim polarizará o diodo diretamente e fornecerá um caminho para a corrente na carga A tensão nos terminais de saída se torna igual à tensão no indutor O circuito pode ser simplificado conforme a figura abaixo Figura 611 Circuito buckboost Chave S desligada Fonte Ahmed 2000 As formas de ondas podem ser vistas na figura abaixo E a energia do circuito com a chave ligada Ton vale 153 Figura 612 Formas de onda Buckboost Fonte Ahmed 2000 Com a chave desligada Toff teremos a energia durante esse período Woff de Ignorando as perdas teremos que Portanto 154 Isolando a tensão de saída Vo e fazendo as devidas deduções e simplificações teremos A tensão de saída pode ser controlada com a variação do ciclo de trabalho d Dependendo do valor de d a tensão de saída pode ser mais alta igual ou menor do que a tensão de entrada Quando d 05 a tensão de saída será maior do que a de entrada chopper stepup Se d 05 a tensão de saída será menor do que a de entrada e o circuito atuará como stepdown A indutância L pode ser especificada conforme abaixo Conversores ACAC O conversor de tensão de corrente alternada ou regulador faz a conversão de uma fonte de tensão AC fixa em uma fonte de tensão AC de módulo variável A frequência dessa tensão nos terminais de saída é sempre igual à frequência de entrada O modo básico para se obter o controle da tensão AC para uma carga é usar uma chave AC Geralmente essa chave é bidirecional como um triac ou um par de SCRs ligados em antiparalelo como pode ser visto na figura abaixo Dispositivos semicondutores para chaveamento que não sejam tiristores também podem ser aplicados para melhorar chaves bidirecionais Para a maioria das aplicações o resultado do controle é independente da chave que é aplicada As limitações práticas referentes aos valores nominais dos triacs muitas vezes obriga o uso de SCRs em aplicações de potência muito alta As principais aplicações dos controladores de tensão AC incluem controle de iluminação aquecimento industrial resistência para solda elétrica mudança de 155 terminal em transformador compensação estática VAR e controle de velocidade para motores de indução Figura 613 Esquema típico conversor ACAC Fonte Ahmed 2000 Há dois métodos básicos para o controle de potência da carga Ciclo integral ou ligadesliga Controle de fase O controle de ciclo integral liga a carga por alguns ciclos completos e depois repetese o chaveamento Esse controle não é aplicável para cargas específicas com constantes de tempo reduzidas O mais indicado nessas situações é o controle de fase nele a chave liga a carga à fonte por um período a cada ciclo da tensão de entrada e podese controlar a tensão nos terminais da carga com o controle do ângulo de disparo para cada semiciclo de um período Se o ângulo de disparo for zero a tensão de saída é máxima Quando o ângulo de disparo for igual a ela é mínima portanto a tensão pode ser controlada para qualquer módulo entre zero e a fonte de tensão Esse processo disponibiliza uma saída alternada CA controlada 156 por fase apropriada para aplicações como controle de iluminação e controle de velocidade para motores CC e partida de motores CA Figura 614 Conversor ACAC controle de fase Fonte Ahmed 2000 Figura 615 Controle de Ciclo integral Fonte Ahmed 2000 As aplicações de controle de fases são mais adequadas para sistemas industriais para partida e controle de motores Em controle de temperatura de fornos por exemplo o controle de ciclo integral é adequado 157 Uma das principais aplicações do controle defase é em softstarters o qual será estudado no próximo subitem incluindo seu equacionamento Inversores de Frequência Os inversores são dispositivos de eletrônica de potência que tem a função de efetuar a conversão de potência CC em potência AC com a frequência e tensão ou corrente de saída especificada A forma de onda da tensão de saída é periódica mas não é uma onda senoidal porém geralmente aproxima seu formato para senoidal com o objetivo de um efeito prático de aplicação Os inversores são aplicados de forma ampla em indústria incluindo controles de velocidade para motores síncronos e de indução aquecimento por indução fontes de alimentação para aeronaves fontes de alimentação de funcionamento contínuo etc O circuito básico para se obter uma saída alternada CA monofásica a partir de uma alimentação CC é mostrado na Figura 616 Esse circuito também é conhecido como inversor em Hponte meiaponte por que usa duas chaves semicondutoras As chaves S1 e S2 fazem a operação ligar e desligar a alimentação CC à carga de modo alternado o que produz uma forma de onda retangular de tensão AC Considerando que cada chave tem um potencial positivo e negativo a combinação de uma sequência apropriada das duas chaves irá fazer com que tenhamos quatro possibilidades de operação que estão anotados na tabela abaixo Figura 616 Inversor básico Fonte Ahmed 2000 158 Tabela 61 Tabela do inversor básico monofásico Estado S1 S2 Tensão de saída 1 E 2 0 3 E 4 0 Fonte Autor Quando temos a repetição dos estados 1 e 3 alternadamente uma tensão com forma de onda quadrada é conectada à carga A frequência desse sinal de tensão é ditada pela variação desse chaveamento O sinal de saída AC tensão com formato retangular pode ter algumas aplicações porém na maioria dos casos é preciso uma melhora adicional nessa forma de onda para que ela se aproxime mais de um formato senoidal Uma possibilidade para atingir esse objetivo consiste em aplicar um filtro nos terminais de saída do inversor Esse filtro deve ser projetado para liberar a passagem da grande potência de saída do conversor o que significa ter um tamanho apreciável Isso acarretará no custo total e o peso do inversor e a eficiência ficará reduzida por causa das perdas agregadas ao circuito do filtro A segunda possibilidade é a modulação por largura de pulso PWM Essa técnica utiliza um esquema de chaveamento especial no semicondutor de chaveamento que é capaz de modificar a forma de onda da tensão de saída Esse é o mais utilizado Os inversores de fonte de tensão VSIs são os mais empregados Nesses inversores basicamente a tensão da fonte de entrada CC é constante independente da corrente solicitada pela carga A tensão de entrada CC pode ser proveniente de uma fonte a parte como uma bateria ou pode ser a saída de um retificador controlado ou não Um capacitor de relevante capacitância é colocado em paralelo com a entrada da linha CC para o inversor O capacitor irá fazer com que os eventos de chaveamento não alterem de modo significativo a tensão DC Esse tipo de retificador que será o foco de nosso estudo na disciplina 159 Figura 617 Modulação PWM do inversor Fonte Petruzella 2013 Figura 618 Inversor em fonte de tensão meia ponte Fonte Ahmed 2000 160 Equacionamento Onde d é o ciclo de trabalho dado por O valor eficaz da tensão de saída vale Se a carga for resistiva a forma de onda de corrente acompanhará a de tensão E pela lei de Ohm poderemos determinala Nesse caso a potência média na carga valerá Na Figura 618 a forma de onda corrente I2 é para o caso de uma carga indutiva Note que a forma de onda difere da tensão média na carga Inversor VSI em ponte completa Um VSI em ponte completa pode ser fabricado com dois VSIs em meiaponte A figura abaixo ilustra essa ligação São necessários quatro chaves e quatro diodos de retorno As características de valor de tensão e a potência de saída são o dobro do modelo semiponte 161 Figura 619 Inversor monofásico em ponte completa Fonte Ahmed 2000 As chaves são comutadas para as posições ligada e desligada por pares em diagonal Assim as chaves S1 e S4 ou as S2 e S3 vão para o estado ligado em um primeiro instante semiciclo T2 Portanto a fonte CC fica se alternando ao ser conectada à carga em direções opostas A frequência do sinal de saída é controlada pela velocidade de acionamento das chaves ou seja a velocidade em que essas chaves se abrem e se fecham Se os pares de chaves passarem para o estado ligado ao mesmo tempo o formato da onda de tensão de saída será uma onda quadrada com um valor máximo pico de amplitude A sequência de chaveamento é vista na tabela abaixo Tabela 62 Tabela de acionamento Inversor ponte completa Estado S1 S2 S3 S4 Tensão de Saída 1 Ligada Desligada Desligada Ligada E 2 Desligada Ligada Ligada Desligada E 3 Ligada Desligada Desligada Ligada E 4 Desligada Ligada Ligada Desligada E Fonte Autor A forma de onda desse retificador pode ser vista na figura abaixo Considerando as condições ideais e que a comutação entre os pares é feita de forma que se evite o curtocircuito na fonte CC e não interfira no período da forma de onda podemos 162 utilizar o mesmo equacionamento visto para o caso do inversor meiaonda para determinação da tensão média na carga Figura 620 Inversor ponte completa Fonte Ahmed 2000 Com carga Indutiva A figura abaixo ilustra um inversor de fonte de tensão em ponte que usa SCRs como dispositivo de chaveamento e está conectado a uma carga RL A tensão de saída é uma forma de onda retangular com ciclo de trabalho de 50 A forma de onda da corrente na saída tem forma exponencial Quando a tensão de saída for positiva a corrente crescerá exponencialmente No próximo ciclo quando a tensão de saída for negativa a corrente cairá exponencialmente A função dos diodos de retorno é fornecer um caminho de volta para corrente de carga quando as chaves estiverem desligadas 163 Figura 621 Inversor ponte completa com carga indutiva Fonte Autor Note que no caso da forma de onda da fonte de corrente a mesma fica positiva quando as chaves estão conduzindo e quando há potência sendo entregue pela fonte porém se torna negativa quando os diodos conduzem e quando há potência absorvida pela fonte 164 Inversor Trifásico O inversor trifásico manipula a tensão no barramento de entrada CC com o objetivo de obter uma tensão no barramento de saída variável trifásica em módulo e em frequência A tensão no barramento de entrada CC geralmente é oriunda de uma fonte CC ou de uma tensão de entrada AC retificada por um estágio conversor ACDC O inversor trifásico em ponte pode ser especificado e colocado em operação como se fosse uma combinação de três inversores monofásicos em meiaponte O circuito elementar desse conversor pode ser visualizado na figura abaixo e é composto de seis chaves de potência com seis diodos de retorno combinados entre si As chaves são controladas com o objetivo de abrir e fechar de maneira cíclica e obedecendo um período prédeterminado Na sequência apropriada para fornecer a forma de onda desejada de saída A velocidade de chaveamento ditará a frequência nos terminais barramento de saída do inversor Para a operação dessas três chaves existem várias possibilidades mas há duas maneiras básicas e elementares padrão que completam um ciclo com seis chaveamentos Um deles é conhecido como tipo condução por 120 e o outro como tipo de condução por 180 Figura 622 Esquema típico inversor trifásico Fonte Ahmed 2000 165 Tipo de Condução por 120 O inversor pode ser controlado de tal modo que cada chave conduza por 120 Nessa condição somente duas chaves estarão sempre conduzindo uma pertencente ao grupo positivo S1 S3 e S5 e outra ao grupo negativo S2 S4 e S6 As duas chaves operando ligadas conectam dois dos terminais da carga aos terminais de alimentação CC enquanto o terceiro terminal permanece desconectado flutuando Há seis intervalos em um ciclo da forma de onda da tensão AC AS chaves passam para o estado ligado em intervalos de 60 da forma de onda da tensão de saída em uma sequência apropriada para a obtenção das tensões de linha A velocidade de chaveamento dita a frequência de saída temse que atentar em não fechar chaves que estão no mesmo caminho S1 e S4 por exemplo o que daria um curtocircuito na fonte CC Podemos elaborar a tabela abaixo referente a esse chaveamento Tabela 63 Acionamento das chaves inversor trifásico 120 Intervalo S1 S2 S3 S4 S5 S6 VAN VBN VCN 0 a 60 ligada desligada desligada desligada desligada ligada E2 E2 0 60 a 120 ligada ligada desligada desligada desligada desligada E2 0 E2 120 a 180 desligada ligada ligada desligada desligada desligada 0 E2 E2 180 a 240 desligada desligada ligada ligada desligada desligada E2 E2 0 240 a 300 desligada desligada desligada ligada ligada desligada E2 0 E2 300 a 360 desligada desligada desligada desligada ligada ligada 0 E2 E2 Fonte Autor As tensões de linha valerão Para uma carga resistiva balanceada teremos uma potência de saída Po de 166 R é a resistência por fase O valor eficaz da tensão de fase valerá Figura 623 Formas de onda inversor 120 Fonte Ahmed 2000 O valor eficaz da tensão de linha valerá A corrente eficaz na chave é 167 A corrente eficaz na carga será A chave a ser utilizada como semicondutor deverá suportar uma tensão inversa de no mínima igual a tensão do barramento CC E Tipo de Condução por 180 O chaveamento para esse tipo é realizado sem período no estado desligado Isto é uma chave estará sempre ligada seja no terminal positivo seja no negativo mas é preciso evitar que as três estejam ligadas nos terminais positivos ou negativos simultaneamente Em qualquer instante determinado as três chaves digamos S1 S2 e S3 estarão conduzindo Após um período de 60 a condução ficará por conta de S2 S3 e S4 O período de condução para cada chave é de 180 de modo que duas chaves no mesmo caminho nunca estarão conduzindo de modo simultâneo Existem seis intervalos distintos de 60 para um ciclo de saída do inversor O padrão completo do chaveamento é mostrado na tabela abaixo A sequência de seis passos cria um padrão cíclico 123 234 345 456 561 612 Tabela 64 Acionamento das chaves inversor trifásico 180 Intervalo S1 S2 S3 S4 S5 S6 0 a 60 Ligada desligada desligada desligada ligada ligada 60 a 120 ligada ligada desligada desligada desligada ligada 120 a 180 ligada ligada ligada desligada desligada desligada 180 a 240 desligada ligada ligada ligada desligada desligada 240 a 300 desligada desligada ligada ligada ligada desligada 300 a 360 desligada desligada desligada ligada ligada ligada Fonte Autor 168 As tensões de linha valerão Podemos elaborar uma outra tabela com os valores das tensões de linha e de fase Tabela 65 Tensões de linha e de fase inversor trifásico 180 Intervalo VAN VBN VCN VAB VBC VCA 0 a 60 E3 2E3 E3 E E 0 60 a 120 2E3 E3 E3 E 0 E 120 a 180 E3 E3 2E3 0 E E 180 a 240 E3 2E3 E3 E E 0 240 a 300 2E3 E3 E3 E 0 E 300 a 360 E3 E3 2E3 0 E E Fonte Autor 169 Figura 624 Formas de onda da tensão de saída inversor 180 Fonte Ahmed 2000 Considerando uma carga balanceada ligada em Y a potência de saída Po será dada por R é a resistência por fase Note que a potência de saída nesse caso é 133 vezes maior do que a potência de saída no modo de condução 120 A corrente eficaz na chave vale O valor da corrente eficaz na carga vale 170 A tensão reversa que o semicondutor deverá suportar pelo menos o valor da tensão do barramento CC E A tensão eficaz de linha de saída será A tensão de fase na saída vale Essa conexão do inversor é vantajosa pois pode ser aplicada para alimentação de cargas diversas inclusive capacitivas sem maiores prejuízos na forma de onda Atualmente os inversores de frequência são fabricados utilizando os IGBTs como dispositivos semicondutores pois são mais simples de controlar e possuem altas capacidades de chaveamento para altas correntes e tensão A figura abaixo ilustra esse caso Figura 625 Inversor de frequência com IGBTs Fonte WEG 171 Exercício 1 Um inversor trifásico em ponte alimenta uma carga ligada em Y com 10 Ohms de resistência por fase A fonte de tensão CC é de 440 V e o inversor opera no modo de condução por 180 Determine a A fonte de corrente b A potência média absorvida pela carga c O valor eficaz da tensão de fase de saída d O valor eficaz da tensão de linha na saída Solução a Em qualquer instante o circuito equivalente do inversor trifásico em ponte é semelhante ao que é mostrado na figura abaixo Figura 626 Figura ilustrativa Exercício 1 Fonte Ahmed 2000 A resistência total vista pela fonte é Assim a corrente na fonte é constante e dada por 172 a A tensão em uma fase só vale a terça parte de Po portanto será 430 kW b Também podemos aplicar a equação abaixo Assim podemos considerar que as três tensões eficazes de fase são iguais d Também podemos calcular da seguinte forma 173 62 TRIAC e softstarters monofásicos e trifásicos Características e funcionamento Os softstarters são utilizados para comando de motores tanto CA como CC garantindo a aceleração e desaceleração progressiva e suavizando os picos de corrente de partida Basicamente os softstarters são utilizados em operações que requerem partida e parada suaves de motores elétricos Figura 627 Softstarter Fonte WEG A base para funcionamento dos softstarters são os TRIACs ou a aplicação de SCRs antiparalelos pois com o controle de fase do disparo dos tiristores é possível controlar a tensão de saída Circuito monofásico com carga resistiva O circuito abaixo ilustra essa ligação Figura 628 Circuito controlador de tensão básico com TRIAC Fonte Ahmed 2000 174 O TRIAC opera como dois SCRs antiparalelos porém com apenas um terminal de controle Esse terminal recebe sinal e faz com que o TRIAC dispare considerando o momento qual de maior polarização direta positiva ou negativa Figura 629 TRIAC Fonte Ahmed 2000 Figura 630 Controlador AC monofásico com SCRs Fonte Ahmed 2000 O circuito básico da figura acima pode ser usado para controlar a potência em uma carga resistiva Como se faz com um retificador controlador a tensão da saída varia quando se atrasa a condução durante cada semiciclo em um ângulo O ângulo de retardo é medido a partir do zero da fonte de tensão O semicondutor SCR1 diretamente polarizado durante o semiciclo positivo passa para o estado ligado no ângulo Ele conduz de a fornecendo potência para a carga O tiristor SCR2 é 175 passado para o estado ligado durante o semiciclo posterior em e conduz até fornecendo potência para a carga As formas de onda da figura abaixo são idênticas às do retificador de onda completa com carga resistiva Aqui porém a diferença é que cada segundo semiciclo tem uma corrente negativa e não positiva mas não ocorre nenhum efeito sobre a potência porque ela é uma função elevada ao quadrado Figura 631 Forma de onda controle de fase AC Fonte Ahmed 2000 A tensão eficaz na carga será A corrente na carga pode ser calculada facilmente utilizandose da Lei de Ohm Ao variar o ângulo de retardo a corrente de carga na saída pode ser ajustada de maneira contínua entre o valor mínimo de em e o zero em 176 O semicondutor deve ser dimensionado para suportar a mesma corrente que circula na carga Portanto A potência de saída Po vale A característica de controle para uma carga resistiva que pode ser vista na figura abaixo Figura 632 Característica de controle conversor AC carga resistiva Fonte Ahmed 2000 Como a corrente é nãosenoidal o fator de potência visto pela fonte AC é menor do que a unidade embora a carga seja indutiva O fator de potência resultando é igual à unidade somente quando o ângulo de retardo for igual a zero Ele se torna cada vez menor à medida que esse ângulo aumenta e se torna aproximadamente igual a zero para 177 Para especificar corretamente devemos também levar em consideração a tensão reversa no semicondutor Para esse caso deve atender Com carga Indutiva Considere o circuito controlador de tensão AC no qual a carga agora consiste no resistor R em série com um indutor L O circuito e suas formas de ondas são mostrados nas figuras abaixo Figura 633 Controlador de fase AC Carga Indutiva Fonte Ahmed 2000 178 Por conta da condição da carga fortemente indutiva forçar que o SCR conduz após a forma de onda de tensão passar pelo zero 180 recomendase utilizar um ajuste do ângulo entre 90 e 180 para operação desse tipo de controle Caso a carga não seja tão indutiva podese avaliar em operar com ângulos inferiores A tensão eficaz na carga será E a corrente eficaz Na prática o valor da tensão eficaz com carga indutiva fica bem próximo a situação sem esse tipo de carga portanto algumas literaturas consideram o mesmo equacionamento visto com o circuito com carga indutiva para uma aproximação prática Controle Trifásico de Fase AC Os métodos de controle de fase aplicados a cargas monofásicas também podem ser aplicados a sistemas trifásicos Um controlador trifásico de potência AC consiste em três ligações monofásicas bidirecionais utilizando o princípio do controle de fase A figura a seguir ilustra esse controle para uma carga resistiva Figura 634 Circuito para controle de fase trifásico estrela ou triângulo Fonte Ahmed 2000 179 Para explicar o funcionamento do circuito de controle de fase trifásico vamos utilizar o circuito trifásico com a carga conectada em estrela da figura acima A passagem para estado ligado dos SCRs é atrasada por um ângulo além do início normal de condução Para a operação simétrica do circuito os pulsos de acionamento de porta dos tiristores nas derivações devem ter a mesma sequência e o mesmo deslocamento da tensão de alimentação Se SCR1 for acionado em SCR3 deve passar para o estado ligado em e SCR5 em os SCRs paralelosinversos são acionados em 180 a partir de seus parceiros Sendo assim SCR4 em paralelo com SCR1 é acionado em SCR6 em e finalmente SCR2 em A ordem de condução é portanto SCR1 SCR2 SCR3 SCR4 SCR5 SCR6 SCR1 com um deslocamento de fase de 60 A figura abaixo ilustra as formas de ondas para um Figura 635 Formas de onda Controlador trifásico carga resistiva Fonte Ahmed 2000 180 O funcionamento desse circuito é dividido é 3 modos Abaixo serão explicados cada um com maiores detalhes Modo I um dispositivo em cada linha conduz ou seja três dispositivos conduzem ao mesmo tempo Nesse caso aplicase a teoria normal do trifásico A saída plena ocorre quando Quando e os três dispositivos estiverem conduzindo as correntes de carga serão as mesmas de uma carga resistiva trifásica não controlada O valor eficaz da corrente na saída é dado por Modo II um dispositivo conduz em cada uma das duas linhas AC Isso significa que somente dois SCRs estarão conduzindo e duas linhas atuarão como alimentação monofásica para a carga Durante os intervalos em que uma das correntes de linha for nula as outras duas fases estarão efetivamente em série e formarão uma carga monofásica ligada a duas das três linhas da fonte de tensão A tensão de fase será igual à metade da tensão de linha A conduçãopadrão em qualquer intervalo de 60 será repetida durante o intervalo seguinte de 60 com uma permutação de fases e de sinal da corrente A variação da corrente para a Fase A durante um intervalo de 60 por exemplo será repetida nos próximos 60 para a Fase C exceto no que diz respeito a uma mudança no sinal algébrico da corrente O valor eficaz da corrente de saída será 181 Modo III não mais dois SCRs conduzem a cada instante Às vezes nenhum dos dispositivos conduz Para quando todos os dispositivos estiverem desligados desenvolvese um período de saída no qual ela é nula A tensão de saída passa a ser nula para O valor eficaz da corrente de saída será Considerando que definimos a corrente eficaz nos três modos de operação agora podemos determinar o valor da tensão de linha eficaz de nosso controlador trifásico Os SCRs devem ser especificados para suportar a corrente de carga máxima e também a tensão máxima de linha reversa da fonte Controle trifásico AC com carga Indutiva Com uma carga RL as formas de onda ficam diferentes do caso da carga puramente resistiva pois a corrente não é mais contínua nos pontos em que há chaveamento As 182 tensões e as correntes não podem ser determinadas com facilidade uma vez que cada uma delas depende não somente do valor presente mas também de condições anteriores A figura abaixo ilustra as formas de onda para um circuito com carga indutiva com um ângulo de disparo de 100 Figura 636 Formas de onda circuito RL Fonte Ahmed 2000 Na prática os softstarters são equipados com TRIACS pois esses dispositivos semicondutores são basicamente limitados a baixas frequências de chaveamento portanto são propícios para o controle de potência de motores elétricos por exemplo O equacionamento geralmente é aproximado a situação com carga resistiva para a indutiva para seu dimensionamento prático De uma forma geral há a necessidade de efetuar diversos tipos de simulações computacionais para um projeto confiável de um controle robusto de carga indutiva mas para agilizar algumas aplicações a aproximação da tensão eficaz de saída frente a variação do ângulo de disparo é aceitável 183 A figura abaixo ilustra um esquema elétrico de um softstarter conectado a um motor de indução Durante a partida é feito uma rampa de tensão desde um valor mínimo préprogramado até a nominal assim controlase a corrente de partida Após a partida os semicondutores são retirados de operação através do fechamento do by pass portanto o circuito semicondutor para o controle de tensão só opera durante a partida nesses equipamentos Figura 637 Esquema elétrico Softstarter Fonte Autor EXERCÍCIO 2 Uma fonte de 120 V controla potência para uma carga resistiva de 5 Ohms usando um dispositivo de controle de fase com um ângulo de disparo de 105 Calcule 184 a A corrente máxima na carga b O valor da corrente eficaz na carga c O valor eficaz da corrente que passará pelo dispositivo semicondutor do equipamento TRIAC d O valor da tensão de pico inversa no TRIAC e O fator de potência Solução a b c A corrente que passará pelo semicondutor TRIAC é a mesma da carga 1400 A d A tensão de pico reversa deverá ser a calculada no item a 170 V e 185 63 Quadrantes de operação cálculo térmico e dimensionamento do dissipador de calor OS conversores geralmente operam conforme quadrantes a serem definidos durante o seu projeto Um conversor ACDC por exemplo que opera somente no sentido fonte carga podemos chamar de conversor de 1 quadrante Como os conversores são amplamente utilizados em motores elétricos que são máquinas que hora podem funcionar fornecendo energia mecânica e hora gerando energia eou em um sentido ou em outro costumase definir os quadrantes com base no funcionamento de um motor elétrico Essa definição é feita conforme a figura abaixo que relaciona tensão e torque 186 Figura 638 Quadrantes de um conversor Fonte Autor 1 Quadrante Aceleração ou manutenção da velocidade do sistema no sentido avante tração assim a velocidade N e conjugado do motor C por convenção possuem valores positivos O motor está absorvendo energia da rede a energia vai da rede para o motor e a converte em energia mecânica tracionando a carga 2 Quadrante Frenagem do sistema de sentido avante Caracterizase pela situação de frenagem do motor e ocorre sempre que a referência de velocidade Nref imposta ao conversor passa a solicitar uma a velocidade de valor inferior do que a velocidade atual do motor Nref Natual Em oposição ao 1 quadrante não estamos tomando energia da rede elétrica e devemos procurar consumir a energia acumulada seja este consumo feito por ia mecânica ou elétrica 187 3 Quadrante Aceleração ou manutenção da rotação do motor Com consumo de energia da rede e com tração da carga como no primeiro quadrante só que agora no sentido reverso 4 Quadrante Frenagem do sistema só que agora no sentido reverso CÁLCULO TÉRMICO Corrente de carga produção de calor portanto teremos as perdas Perda de condução perda associada ao estado ligado do componente Perda de comutação associada ao chaveamento do circuito Portanto devemos utilizar um meio para dissipar esse calor do componente para o meio ambiente Para isso utilizamos dissipadores Figura 639 Ilustração de Dissipador padrão de calor Fonte shutterstock 188 Objetivo Calcular um sistema capaz de dissipar o calor e evitar que a temperatura da junção Tj ultrapasse um valor máximo permitido Devemos levar em consideração a temperatura ambiente Ta Regime permanente Carga em situação normal Regime transitório Picos por conta de oscilações na carga Temperatura da Junção Tj máxima fabricante Cálculo térmico em Regime Permanente Circuito Térmico Equivalente Figura 640 Circuito elétrico equivalente dissipação de calor Fonte Assef 2020 Tj é a temperatura da junção Tc é a temperatura da cápsula Td é a temperatura do dissipador Ta é temperatura ambiente Rjc é a resistência térmica junçãocápsula ºCW Rcd é a resistência térmica capsuladissipador ºCW Rda é a resistência térmica dissipadorambiente ºCW 189 P é a potência térmica do componente onde é a resistência térmica junçãoambiente ºCW Procedimento para o cálculo térmico 1 Calculase P com os dados de corrente de carga e queda de tensão no componente ou resistência do componente 2 Verificamos o valor de Tjmáx temperatura máxima da junção Fabricante 3 Adotamos um valor de temperatura ambiente Ta Geralmente 40º Equacionamento Podemos isolar o Rja Equação 2 Os valores de Rjc e Rcd são fornecidos pelo fabricante No final dos cálculos temos que definir um dissipador com Rda comercial Rda calculado Resistências térmicas negativas indicam que não é possível dissipar potência 190 Caso tenha mais de um dispositivo no mesmo dissipador devemos somar a potência dissipada e deixar uma margem de segurança de 20 Não podemos deixar o componente próximo a bordas de preferência centralize Recomendase o uso de pastas térmicas Figura 641 Exemplo de datasheet com dados térmicos Fonte Assef 2020 As curvas térmicas são muito importantes para o projeto de dissipação de calor do componente A figura abaixo ilustra a curva para um determinado modelo Sempre devese consultar o fabricante para obtenção dessas curvas Figura 642 Exemplo de Curvas para cálculo térmico Fonte Assef 2020 191 Também devem ser consultados os fabricantes dos componentes ou dissipadores para obtenção das características dos dissipadores de calor para cada componente A figura abaixo ilustra essas características nesse caso temos que é a resistência cápsula ambiente CW Figura 643 Exemplo de Características Dissipadores Fonte Assef 2020 Para um bom projeto de dissipação de calor é muito importante a consulta ao fabricante dos componentes semicondutores e dissipadores para otimizar a aplicação O fabricante é soberano e domina sua tecnologia portanto os datasheets com os dados dos componentes tem sempre a preferência para determinação eou especificação do sistema de dissipação de calor Os cálculos só devem ser executados sempre que houver informações ausentes ou não houver a possiblidade de obtêlos 192 Exercício 3 Dado o circuito abaixo determine por cálculo e graficamente os parâmetros térmicos do dissipador para o componente Rjc 2ºCW Rcd 1ºCW Tjmax 180ºC Vd 085 V Ta 50º rt 11mΩ Vf 220V e R10Ω Figura 644 Circuito para o exercício 3 Fonte Assef 2020 Solução O circuito acima é um retificador de meia onda portanto 193 Determinação da perda no componente graficamente 11 W Figura 645 Determinação graficamente das perdas do componente Fonte Assef 2020 Cálculo do dissipador Rda Sabemos que a somatória das resistências térmicas vale Rja portanto 194 Isolamos Rda Rda comercial Rda calculado A especificação do fabricante que consta na figura 643 está considerando o Rda em conjunto com a Rcd No caso do exercício a Rcd vale 1ºC portanto Rdacomercial 873 1 98 ºCW Determinação da Rda graficamente Figura 646 Determinação gráfica de Rda Fonte Assef 2020 Analisando o gráfico do fabricante o valor de Rca deve ser de aproximadamente 10ºCW Para obtermos uma margem de segurança vamos adotar o dissipador da tabela marcado como K5M6 que possui uma característica de 57ºCW 195 Figura 647 Ilustração da situação final do exercício 3 Fonte Assef 2020 Portanto o dissipador atende aos requisitos pois o valor encontrado é menor do que a máxima do componente 180 C e ainda tem uma margem de segurança Cálculo em Regime Transitório Esse cálculo é importante para definirmos o aquecimento no componente em situações transitórias picos de carga por exemplo Nesse instante a temperatura do componente pode subir rapidamente e danificálo portanto temos que considerar sempre uma margem de segurança de operação do dispositivo para essas situações Geralmente é considerado um tempo de 100 ms para resposta transitória Precisamos conhecer A resistência térmica transitória Rth O intervalo de tempo Intervalo de temperatura A é a diferença entre a temperatura máxima do componente e a temperatura em regime W 196 Exercício 4 Um conjunto SCR e dissipador em regime possui resistência térmica 04CW A 100 ms um valor de 006CW Qual a potência perdida para 100 ms Considere que a temperatura máxima da junção é 125 C temperatura ambiente 25 C e potência de perda em regime de 250W Nessas condições não tem margem A potência final será 250 W Por não termos margem vamos alterar o componente para outro com uma temperatura máxima de 160ºC W 197 Conclusão Nesse bloco foram apresentadas as características dos conversores especiais para CC e CA tais como choppers inversores e controladores de fase Estudamos aplicações monofásicas e trifásicas e ilustrações gráficas com as formas de onda de cada dispositivo Abordamos também o projeto de um sistema de dissipação de calor para componentes semicondutores exemplificado com exercícios práticos REFERÊNCIAS Ahmed A Eletrônica de Potência São Paulo Pearson 2000 Assef A Eletrônica de Potência Cálculo Térmico Curitiba PR Brasil UTFPR 02 e 06 de 2020 WEG sd Motores WEG Disponível em httpswwwcfweletricacombrpublicimgsupwegcat910brandpdf Acesso em 02 de 04 de 2021 Complementares Petruzella F D Motores Elétricos e Acionamentos Porto Alegre McGraw Hill 2013 Rashid M H Eletrônica de Potência Dispositivos Circuitos e Aplicação São Paulo Pearson 2010