ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I

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1 EPO I Aula 19 Comando e proteção de tiristores UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 19 Comando e proteção de tiristores, Dr. Eng. leandromichels@gmail.com 1

2 EPO I Aula 19 Comando e proteção de tiristores Características dos SCR reais Característica de comutação - SCR i a A i g G K v ak v gk 2

3 EPO I Aula 19 Comando e proteção de tiristores Características dos SCR reais Parâmetros de catálogo - SCR 3

4 EPO I Aula 19 Comando e proteção de tiristores Características dos SCR reais Parâmetros de catálogo - SCR 4

5 EPO I Aula 19 Comando e proteção de tiristores Proteção de tiristores Principais tipos de proteção empregados: 1. Derivada de corrente (di( a /dt) 2. Derivada de tensão (dv( ak /dt) 3. Sobretensão v ak 4. Sobrecorrente i a dv ak 5. Tensão reversa no gate 6. Tensão máxima m de gate 7. Corrente reversa no circuito de comando 5

6 EPO I Aula 19 Comando e proteção de tiristores Proteção de tiristores 1. Proteção contra derivada de corrente (di( a /dt) Limitação da variação abrupta da corrente na entrada em condução do SCR Pode ser usado para limitação da corrente de recuperação reversa Podem ser i a Vp L > empregados reatores L dia saturáveis (pequenas A dt bobinas) G K v p max Indutâncias séries s ou parasitas suficientemente altas podem evitar seu uso 6

7 EPO I Aula 19 Comando e proteção de tiristores Proteção de tiristores 2. Proteção contra derivada de tensão (dv( ak /dt) dv ak Limitação da variação abrupta da tensão na saída de condução do SCR (snubber( snubber) Exemplo Carga resistiva (R L ) G A K R s C s D s C s > R L V dv dt DRM ak max R s = V di dt DRM a max D s Diodo rápidor Quando háh comutação forçada recomenda-se sempre utilizá-lo. lo. 7

8 EPO I Aula 19 Comando e proteção de tiristores Proteção de tiristores 3. Proteção contra sobretensão (v ak ) Limitação da tensão máxima m sobre o SCR Soluções Sobredimensionamento, snubber, varistor ou combinações destas Melhor solução varistor (MOV) A G V s v p K VP < VMOV < VDRM Quando háh comutação forçada recomenda-se sempre utilizá-lo. lo. 8

9 EPO I Aula 19 Comando e proteção de tiristores Proteção de tiristores 4. Proteção contra sobrecorrente (i a ) Limitação da corrente máxima m circulando no SCR Soluções fusível, disjuntor, relé de sobrecorrente G i a A K v p Fusível proteção contra curto-circuito circuito (tipo ultra-rápido específico para a aplicação) It fusível It 2 2 SCR Disjuntor, relé proteção contra sobrecarga < I bk disjuntor < I a max SCR 9

10 EPO I Aula 19 Comando e proteção de tiristores Proteção de tiristores 5. Proteção contra tensão reversa de gate (v gk ) Limitação da tensão negativa aplicada a junção v gk G v gk A K V > V gk gk min V gkmin (típico) > -5V Recomenda-se empregar sempre este diodo 10

11 EPO I Aula 19 Comando e proteção de tiristores Proteção de tiristores 6. Proteção contra tensão direta de gate (v gk ) Limitação da tensão positiva máxima m aplicada a junção v gk (grampeamento) v z G v gk A K Vgk < Vz < Vgk max V gk (típico) > 0.7V V gkmax (típico) > 6V Caso seja usado este diodo zener,, não é preciso empregar outro diodo entre K e G 11

12 EPO I Aula 19 Comando e proteção de tiristores Proteção de tiristores 7. Proteção contra corrente reversa no circuito de comando (i( g <0) Impede que exista uma corrente negativa circulante pelo circuito de comando quando o tiristor está bloqueado A I g > 0 i g G K Recomenda-se empregar sempre este diodo (rápido) 12

13 EPO I Aula 19 Comando e proteção de tiristores Disparo de tiristores Os tiristores (SCR) podem ser disparados das seguintes formas: 1. Corrente de gatilho I g (usada) 2. Sobretemperatura (indesejada) 3. Sobretensão (indesejada) 4. Degrau de tensão (indesejada) 5. Luz ou radiação (por vezes usada LASCR) 13

14 EPO I Aula 19 Comando e proteção de tiristores Disparo de tiristores Disparo por corrente de gatilho I g Somente comuta quando V ak >0 Tensão de gate para disparo V gk V gk gk =V gk tip (t gk >V gk min (típico 0.7V) min para evitar danificação (V( gd min <0V) Corrente de gate para disparo I g >I gt min até a corrente I ak >I L i g i a G v gk A K v ak 14

15 EPO I Aula 19 Comando e proteção de tiristores Disparo de tiristores Disparo por corrente de gatilho I g A v d i g R g G v gk K v ak Vd > IgmRg + Vgkm V I < V gk gk max < I g gmax 15

16 EPO I Aula 19 Comando e proteção de tiristores Disparo de tiristores Disparo por corrente de gatilho I g A Resistor R gk aumenta a capacidade de R g G degrau de tensão (dv/dt( dv/dt) K C gk R gk reduz o tempo de desligamento aumenta as correntes de Resistor C retenção e de manutenção gk aumenta a capacidade de derivada de tensão (dv/dt) remove componentes de ruídos de alta freqüência 16

17 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 20 Comando e proteção de tiristores, Dr. Eng. leandromichels@gmail.com 1

18 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de comando de tiristores Os circuitos de comando de tiristores, em malha aberta, são compostos pelos seguintes sub-circuitos: Circuito de ataque Circuito de sincronismo baseado em tensão da rede Circuito de geração de pulsos Fonte de alimentação CC 2

19 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de comando de tiristores Diagrama de blocos: Fonte Carga Sensor de tensão Fonte CC P/ gate dos tiristores Set-point Sincronismo Geração de pulsos Ataque 3

20 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de ataque Propósito do circuito: Amplificar os pulsos de comando oriundo do estágio de geração de pulsos Propiciar o isolamento adequado entre o circuito de geração de pulsos e o tiristor (nem sempre é necessário) Ter característica de fonte de corrente, pois o comando do tiristor é sensível a corrente Impedir que tensão negativa seja aplicada no tiristor 4

21 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de ataque Duração dos pulsos de gate: Com carga resistivas, pulsos curtos (10μs) são suficientes para disparar o tiristor Para cargas indutivas, a corrente de gate deve ser mantida até que a corrente de anodo atinja o valor da corrente de retenção I L Para carga fortemente indutiva, deve ser respeitada a relação: Δt LI L E 5

22 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de ataque Os pulsos de gatilho podem ser pulsos longos ou uma seqüência de pulsos curtos (quando o circuito de ataque usa transformador de pulso) 6

23 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de ataque Isolação: Necessária quando os anodos dos tiristores estão submetidos em algum instante de tempo a tensões diferentes 100V i 1 v T1 100V T1 0V v T2 100V T2 100V 100V i L 0V i 1 v T1 100V T1 100V v T2 100V T2 0V 100V i L 0V v T3 0V T3 0V v T4 100V T4 0V I 0V v L 100V v T3 100V T3 0V v T4 0V T4 0V I 0V v L T 2 e T 3 Conduzindo T 1 e T 4 Conduzindo 7

24 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de ataque Isolação: Neste exemplo: T 1 e T 2 Não necessita de isolação dos gates entre si i 1 v T1 T1 v T2 T2 I i L v L T 1 e T 3 Necessita de isolação dos gates entre si T 1 e T 4 Necessita de isolação dos gates entre si v T3 T3 v T4 T4 T 2 e T 3 Necessita de isolação dos gates entre si T 2 e T 4 Necessita de isolação dos gates entre si 8

25 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de ataque Circuito típico t (isolado) Deve ser usada uma seqüência de pulsos curtos na entrada 9

26 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de ataque Circuito típico t (isolado) T p Transformador de pulso: isolar o sinal de comando com tensão três vezes superiores a tensão do tiristor. Emprega-se núcleo n de ferrite com baixa dispersão (existe dispositivo pronto no mercado) D 1, D z Desmagnetização do núcleo n do transformador T 1 Amplificação de v G (opera em modo comutado) D 3 Proteção do circuito de comando D 2 Proteção do tiristor contra tensão reversa 10

27 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de geração de pulsos Principais tipos: Circuito com comando vertical baseado na comparação de uma dente de serra (gerada pelo circuito de sincronismo) com uma tensão proporcional ao ângulo de disparo v C v R v G v G () t 0, = 1, v v C C > v v R R 11

28 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de geração de pulsos Circuito com comando horizontal baseado na comparação de uma dente de serra (gerada pelo circuito de sincronismo) com uma tensão proporcional ao ângulo de disparo v R v G α α v G () t 0, vr < 0 = 1, vr 0 12

29 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de geração de pulsos Conversão do pulso longo em uma seqüência de pulsos curtos Operação lógica l E do pulso gerado com uma forma de onda quadrada ( ) = 4 & 5 v t v v G 13

30 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de sincronismo Principais tipos: Rampa sincronizada por cruzamento por zero usado para gerar sincronismo vertical v 1 v R 14

31 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de sincronismo Circuito de sincronismo vertical 15

32 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de sincronismo Rampa sincronizada por comparação da referência retificada e ângulo de disparo usado para gerar sincronismo horizontal v R v 1 v C 16

33 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de sincronismo Circuito de sincronismo horizontal 17

34 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de sincronismo Tensão de referência linearizada Compensação do efeito não-linear do conversor com relação ao ângulo de disparo Circuito de disparo relação linear V α=π V Conversor relação não-linear Exemplo: retificador a tiristor ponte completa: C M V Lmed = 0.9V cos α o 18

35 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de sincronismo Desta forma a tensão de saída é não-linear: V Lmed 0.9V o V = cos π V É possível se criar uma função de referência linearizada substituindo-se se a dente de serra por uma função cossenoidal: VM 2VC cos α= V M V V 2V = 0.9V V C M Lmed M C o M 19

36 EPO I Aula 20 Comando e proteção de tiristores Circuito de sincronismo Exemplo: 20

37 EPO I Aula 21 Comando e proteção de tiristores UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 21 Comando e proteção de tiristores, Dr. Eng. leandromichels@gmail.com 1

38 EPO I Aula 21 Comando e proteção de tiristores Sincronização - Retificador 1φ1 Ponte mista (0<α<180 <180º) v T1 v T2 i 1 T1 T2 i L v 1 v 1 R v L D3 D4 G 1 K 1 G 2 K 2 Comando v T1 v T2 v T3 v T4 α 2

39 EPO I Aula 21 Comando e proteção de tiristores Sincronização - Retificador 1φ1 Ponte completa (0<α<180 <180º) v T1 v T2 i 1 T1 T2 i L v 1 v 1 R v L v T3 T3 v T4 T4 G 1 K 1 G 2 K 2 G 3 K 3 G 4 K 4 Comando v T1 v T2 v T3 v T4 α 3

40 EPO I Aula 21 Comando e proteção de tiristores Sincronização - Retificador 3φ3 Ponto médiom 4

41 EPO I Aula 21 Comando e proteção de tiristores Sincronização - Retificador 3φ3 Ponto médiom 5

42 EPO I Aula 21 Comando e proteção de tiristores Sincronização - Retificador 3φ3 Ponte mista (0<α<150 <150º) T1 T2 T3 6

43 EPO I Aula 21 Comando e proteção de tiristores Sincronização - Retificador 3φ3 Ponte mista 7

44 EPO I Aula 21 Comando e proteção de tiristores Sincronização - Retificador 3φ3 Ponte completa T1 T6 T2 T4 T3 T5 8

45 EPO I Aula 21 Comando e proteção de tiristores Sincronização - Retificador 3φ3 Ponte completa (0<α<180 <180º) É preciso manter os pulsos por 120º 9

46 EPO I Aula 21 Comando e proteção de tiristores Módulos de comando integrados Circuito integrado TCA785 Fabricante Siemens Configura-se o ângulo de disparo pela tensão no pino 11 Fornece até 250mA de corrente 10

47 EPO I Aula 21 Comando e proteção de tiristores Módulos de comando integrados Circuito integrado TCA785 11

48 EPO I Aula 21 Comando e proteção de tiristores Circuito de acionamento microprocessado Representação em blocos Fonte Carga Sensor de tensão Fonte CC P/ gate dos tiristores Set-point μc Ataque Sincronismo e geração de pulsos por software Pode incluir funções de controlador digital 12

49 EPO I Aula 21 Comando e proteção de tiristores Controle em malha fechada Exemplo retificador 1φ1 - ponte mista v T1 v T2 i 1 T1 T2 Z i L v 1 v L D3 D4 G 1 K 1 G 2 K 2 v 1 Comando Setpoint PI v L - r + Controlador pode ser analógico ou digital Resposta dinâmica deve ser bem lenta 13