UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA ( PROJETO INTEGRADOR) APOSTILA DE LABORATÓRIO PRÁTICA DE AMBIENTAÇÃO 2016 Autor: prof. Dr. Azauri Albano de Oliveira Jr. Colaboração e sugestões: Prof. Dr. Manoel Luís de Aguiar Prof. Dr. José Roberto B. de A. Monteiro Prof. Jerson B. de Vargas

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3 Introdução-1 PARTE INTRODUÇÃO O Projeto Integrador Laboratório de Eletrônica de Potência prevê a realização de projetos envolvendo conversores estáticos de potência estudados na disciplina teórica SEL401 associados à aplicação em um Sistema Elétrico de Potência e seu conjunto de Máquinas Elétricas e respectivos problemas associados. Como atividade inicial é proposta uma prática para ser realizada em uma única aula como forma de se familiarizar com os procedimentos e funcionamento do laboratório. Desta forma são revistos alguns conceitos fundamentais sobre SCR, circuitos de disparos e de um Controlador CA monofásico. Como atividade prática é proposto o estudo do disparador de SCRs baseado no circuito integrado TCA785, o qual deve ser implementado e testado em toda sua funcionalidade. A seguir, será montado um controlador CA monofásico com carga resistiva e indutiva como forma de aplicação.

4 Controlador CA CONTROLADOR CA MONOFÁSICO - APLICAÇÕES EM OPERAÇÃO COM CONTROLE DE FASE INTRODUÇÃO E OBJETIVOS Os controladores de tensão CA possuem, hoje em dia, um vasto campo de aplicações, entre as quais podemos citar: reguladores de intensidade luminosa de lâmpadas de filamento (dimmers), controle de velocidade de ventiladores residenciais, controle de temperatura, chaves de partida suave de motores de indução (softstarters), chaves estáticas, etc... Dependendo da aplicação a que se destina, os controladores CA podem ser operados no modo de controle de fase ou no modo de controle liga/desliga (on/off). Conforme já é de conhecimento dos estudantes, o controlador CA basicamente é constituído de dois retificadores de meia-onda em antiparalelo (figura 1). O circuito de potência do controlador CA é constituído de dois SCR s em paralelo, podendo ser utilizado, normalmente para baixas ou médias potências, um TRIAC (Tiristor CA). vak1=-vak2 i i A i1 C i0 vs vi i2 v0 vr R vl L B D Figura 1: Circuito básico de potência de um controlador CA monofásico.

5 Controlador CA-3 O TRIAC é um dispositivo da família dos tiristores constituído de cinco camadas PNPNP. A figura 2 apresenta a estrutura básica de cinco camadas de um TRI- AC. Seu funcionamento equivale à estrutura de dois SCR s am antiparalelo, conforme pode ser visto na figura 2c. A figura 2a apresenta o símbolo utilizado em diagramas de circuitos para o TRIAC. A figura 3 apresenta as curvas características estáticas reais e ideais de um TRIAC. Como pode depreender-se destas características, o TRIAC pode operar no primeiro ou terceiro quadrante com correntes e tensões positivas e negativas. Desta forma, ele é um dispositivo essencialmente para a utilização em aplicações CA. Os disparos deste semicondutor podem se dar das mesmas formas que aquelas explanadas para os SCR s (vide apostila da prática anterior). A forma preferencial de disparo de um TRIAC, na grande maioria das aplicações, se dá por injeção de corrente no terminal de porta. Diferentemente do SCR, o TRIAC pode ser disparado com sinais de corrente/tensão (de porta para T1) positivos ou negativos, de tal forma, que qualquer das possibilidades listadas abaixo são permitidas: a) V T2T1 >0; V GT1 >0 b) V T2T1 >0; V GT1 <0 c) V T2T1 <0; V GT1 >0 d) V T2T1 <0; V GT1 >0. Figura 2: a) Estrutura básica de um TRIAC. b) Símbolo. c) Estrutura equivalente com dois SCR's em antiparalelo.

6 Controlador CA-4 Figura 3: a) Circuito com TRIAC. b) Características estáticas reais. c) Características estáticas ideais. O diagrama esquemático da figura 4 apresenta um controlador CA monofásico utilizando um TRIAC como dispositivo de controle. O circuito de controle de disparo da porta do TRIAC deve ter as mesmas características de um circuito de disparo para SCR s. Desta forma, os métodos de disparo, bem como o diagrama funcional geral de um circuito de disparo apresentados nos itens 2 e 3 da apostila anterior também são válidos para a construção de um circuito de controle de disparo de um controlador CA com TRIAC. Normalmente, o mesmo circuito utilizado para disparar um TRIAC de um controlador CA pode ser utilizado para disparar dois SCR s em antiparalelo conforme a estrutura apresentada na figura 1. Carga Fonte CA Circuito de Controle (Disparo) da Porta Figura 4: Controlador CA com TRIAC.

7 Controlador CA-5 Esta prática tem como objetivo principal fazer com que o estudante entre em contacto com as estruturas de controladores CA monofásicos utilizando tanto um TRIAC como dispositivo controlador quanto dois SCR s em antiparalelo. O aluno será instado a estudar o comportamento do controlador CA, tanto com carga resistiva quanto com carga indutiva, devendo para tanto relembrar os conceitos teóricos deste controlador estudados na disciplina anterior (SEL401 Eletrônica de Potência). Nesta prática, os controladores CA estarão sendo operados no modo Controle de Fase. Serão utilizados para o controle do disparo dos semicondutores de potência, dois tipos de circuitos que usam tecnologias diferentes para a construção dos pulsos de disparo: o primeiro circuito utilizado é um circuito comercial normalmente utilizado para controle de ventiladores e/ou regulação de iluminação incandescente utilizando tecnologia de componentes discretos; e o segundo circuito utiliza como base um circuito integrado dedicado, normalmente utilizado para aplicações mais refinadas, tais como controle de motores industriais monofásicos e trifásicos, soft-starters, controle de temperatura, etc. Desta forma pretende-se que o estudante também complemente seus estudos de circuitos de disparo iniciados na prática anterior O CONTROLADOR DE TENSÃO CA COM CONTROLE DE FASE. O controlador de tensão CA pode controlar a potência (tensão/corrente) transmitida à carga de duas formas: através do controle do ângulo de disparo dos tiristores a cada semiciclo da senóide da tensão de entrada, método este denominado de controle de fase; ou através do controle de ciclos integrais da tensão de entrada, método denominado de controle liga/desliga (on/off). O objeto desta prática é a operação dos controladores pelo método do controle de fase.

8 Controlador CA-6 α = α = α = 90 0 φ = 60 0 α = 60 0 Figura 5: Formas de onda teóricas de tensão e corrente na carga de um controlador CA operando no modo controle de fase. Na figura 5 são mostradas as formas de onda teóricas, de tensão e corrente em uma carga indutiva, com ângulo de carga de 60 0, com um controlador CA operando em controle de fase. O estudante deve rever a teoria correspondente tratada na literatura e disciplina anterior (SEL401). Como pode ser observado na figura 5, o controle da potência através do controle do ângulo de disparo (controle de fase), é realizado fornecendo-se à carga uma senóide recortada. Obviamente, portanto, este método de controle tem implicações na qualidade de energia elétrica através das gerações de harmônicos. Portanto, os objetivos últimos desta prática, em relação ao circuito de potência do controlador são os de se levantar algumas das características de desempenho deste controlador. Em relação à carga (saída do conversor), devem ser elaborados gráficos com os seguintes dados quantitativos: Variações das correntes e tensões rms com a variação do ângulo de disparo. Variações da potência média na carga com o ângulo de disparo.

9 Controlador CA-7 ATENÇÃO TAMBÉM FAZ PARTE DOS OBJETIVOS DESTE LABORATÓRIO QUE O ESTU- DANTE ADQUIRA A HABILIDADE, QUE TODO ENGENHEIRO DEVE TER, DE PROJETAR E OTIMIZAR OS SEUS PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS COM VISTAS À OBTENÇÃO DOS DADOS RELEVANTES QUE LHE PERMITAM ANA- LISAR E CARACTERIZAR SEU PROBLEMA E/OU EQUIPAMENTO CORRETA- MENTE DE ACORDO COM OS OBJETIVOS PRÉ-ESTABELECIDOS. PARA ISTO, ANTES DE INICIAR ESTES PROCEDIMENTOS, O ESTUDANTE (ENGENHEIRO) DEVE ESTAR PLENAMENTE CONSCIENTE DOS CONHECIMENTOS NECESSÁ- RIOS SOBRE O TEMA (REVISAR TEORIA SOBRE O ASSUNTO), E DAS LIMI- TAÇÕES E POTENCIALIDADES DE SEUS EQUIPAMENTOS DE MEDIDA E DE SUA HABILIDADE EM MANIPULÁ-LOS. DE POSSE DESTAS DUAS INFORMA- ÇÕES DEVE SER CAPAZ DE RESPONDER: PARA SE ATINGIR O(S) OBJETI- VO(S) PRÉ-ESTABELECIDO(S), QUAIS AS VARIÁVEIS IMPORTANTES PODEM SER DIRETAMENTE MEDIDAS COM O EQUIPAMENTO EXISTENTE, E QUAIS MEDIDAS DEVEM SER REALIZADAS PARA SE CALCULAR VARIÁVEIS QUE NÃO PODEM SER DIRETAMENTE MEDIDAS. TENDO ESTA RESPOSTA, O ES- TUDANTE (ENGENHEIRO) DEVE PROJETAR OS SEUS PROCEDIMENTOS EX- PERIMENTAIS, COM VISTAS A OTIMIZAR O TEMPO DESTES COM A FINALI- DADE ÚLTIMA DE ANALISAR E/OU CARACTERIZAR CONCEITUALMENTE TANTO DE FORMA QUALITATIVA, QUANTO DE FORMA QUANTITATIVA, O PROBLEMA E/OU EQUIPAMENTO EM ESTUDO, DENTRO DO PRAZO ESTABE- LECIDO. VOCÊ ESTARÁ GANHANDO TEMPO E EVITANDO MUITOS PROBLE- MAS. PENSE SEMPRE ANTES DE TOMAR QUALQUER DECISÃO.

10 Controlador CA CONTROLADOR CA MONOFÁSICO COM CARGA INDUTIVA (LÂMPADA + REATOR) Para a realização desta prática será utilizado um circuito de controle de disparo de Tiristores baseado em um circuito integrado dedicado da Siemens. O controlador CA será constituído de dois SCR s em anti-paralelo, ao invés de um TRIAC. O diagrama esquemático do circuito do controlador está apresentado na figura 6. SENSOR DE CORRENTE LÂMPADA TRAFO (VARIAC) REATOR SNNUBER TRAFO (ISOLAÇÃO E SINCRONISMO) SAÍDA SCR1 SAÍDA SCR2 MÓDULO DO TCA785 MÓDULO AMPLIFI- CADORES Figura 6: Controlador CA com dois SCR's e módulo de disparo com TCA785.

11 Controlador CA-9 PARTE A ANÁLISE DO CIRCUITO DE DISPARO Conforme pode ser visto na figura 6, o circuito de controle dos disparos dos tiristores é composto de um módulo que constitui o centro nervoso da geração dos pulsos, baseado no circuito integrado (CI) TCA785, da Siemens. Este CI constitui-se de um chip de 16 pinos, especializado em geração de pulsos de disparo de tiristores, tanto para SCR s quanto para TRIAC s. O modo mais utilizado para este CI, é o modo controle de fase, podendo-se também, com o auxílio de outros circuitos, também operar no modo controle liga/desliga (on/off). A figura 7 mostra a configuração da pinagem deste CI, e a figura 8 mostra o diagrama de blocos interno do mesmo, conforme constam do datasheet do fabricante. Figura 7: Configuração da pinagem do CI TCA785 da Siemens.

12 Controlador CA-10 Figura 8: Diagrama de blocos funcional interno do CI TCA785 da Siemens. Como pode ser observado pelo diagrama de blocos interno da figura 8, o CI procede à geração dos pulsos de disparo com a técnica Schimitt. As principais formas de onda produzidas pelo CI são mostradas na figura 9, a seguir. Para conhecimento de maiores detalhes sobre este CI, o estudante deve reportar-se ao datasheet do fabricante, disponibilizado na Internet. O módulo do TCA785 existente no laboratório pode ser dividido em três subsistemas. O sub-sistema de energização da placa constituído de uma fonte CC regulada em 12V que utiliza o regulador de tensão LM7812 (ver datasheet na Internet), o sub-sistema do próprio circuito do CI TCA785, interconectado conforme a figura 10, e o sub-sistema do condicionamento do pulso (para adaptá-lo ao sinal requerido pelos transformadores de pulso), constituído do CI LM555 (configurado como multivibrador astável - ver datasheet na Internet) e as portas lógicas constituídas dos CI s do tipo C-MOS CD4081(ver datasheet na Internet), conforme pode ser visto na figura 11.

13 Controlador CA-11 Figura 9: Formas de onda produzida nos pinos do no CI TCA785. Nesta parte da prática o estudante deve verificar praticamente o funcionamento do módulo de controle de disparo do TCA785. Para isto deve: a) inicialmente energizar a placa que contém o módulo, b) interconectar o módulo ao transformador de sincronismo, e este com a tensão a ser sincronizada (conforme a figura 6), c) conectar a tensão do potenciômetro de controle ao borne de sincronismo do módulo (v. figura 10), d) ajustar a tensão de rampa para o máximo valor de pico através do TRIMPOT de ajuste de rampa (v. figura 10), e) utilizando preferencialmente dois canais do osciloscópio, verificar as formas de onda nos diversos pontos de medidas, ao variar-se a tensão de controle através do potenciômetro de controle, e comparando-as com as formas de onda da figura 9. f) Repetir o ítem e) fazendo o TCA785 operar com a técnica de pulso largo (aterrar o pino 12 de controle de largura de pulso v. figura 10). g) Verificar a ação do aterramento do borne de inibição (pino 6).

14 Controlador CA-12 VCC (12V) 0,1µF S1 4k7 56k 10k VCC S1 S Inib STriac k S2 STriac 11 Vcont V CR 10 Vcont 10k 470k 2,2nF 5 Sincr GND 1 RR 9 22k 220nF 2X1N k POTENCIÔMETRO DE CONTROLE DO ÂNGULO DE DISPARO TRIMPOT DE CONTROLE DA RAMPA Figura 10: Esquema de ligação do sub-sistema do TCA785 na placa do módulo do TCA785. VCC VCC Striac S2 S1 14 2k2 1 3 P1 OSCILADOR LM TR CV 4 R Q 3 DIS 7 THR k P2 Ptriac 10nF 10nF TRIMPOT DE AJUSTE DA FREQÜÊNCIA CD Figura 11: Sub-sistema de condicionamento de pulso da placa do TCA785.

15 Controlador CA-13 PARTE B ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DO CIRCUITO DO CONTROLADOR CA COM CARGA INDUTIVA (RE- ATOR + LÂMPADA). VCC G1 E1 AMP 1 K1 1N R/ 5W 1N4004 G1 1k 12V/1W TP 1:1 K1 E 2k2 BD135 2k2 Figura 12: Circuito básico do módulo dos amplificadores. Nesta parte da prática deverá ser analisado o comportamento do circuito de potência do controlador CA da figura 6 acoplado a uma carga resistiva (lâmpada) e a uma carga indutiva (reator + lâmpada). Note na figura 6, que o módulo do circuito de controle de disparo do TCA785 está acoplado aos tiristores do controlador CA através de um módulo de amplificadores. Neste circuito faz-se necessária a existência deste acoplamento, pois as saídas dos pulsos do módulo do TCA785 são constituídas das saídas das portas E (AND) do CI CD4081, que é um CI digital do tipo C- MOS que possui uma baixa capacidade de corrente (menores que 1mA segundo datasheet do componente). Faz-se necessário, portanto a amplificação desta corrente para o disparo dos tiristores utilizados nesta prática. O módulo de amplificadores é constituído de circuitos amplificadores de corrente, do tipo seguidor de emissor conforme apresentado na figura 12. Estes circuitos, além de proporcionarem o ganho de corrente necessário para o disparo para os tiristores, também proporcionam

16 Controlador CA-14 a isolação do circuito de baixa potência (circuito de sinal) do circuito de alta potência através do transformador de pulso, conforme pode ser visto na figura 12. Com as cargas resistiva (só lâmpada) e indutiva (lâmpada + reator) e o sensor de corrente conectado ao controlador CA, conforme mostrado no diagrama esquemático da figura 6, realizar as medidas necessárias para se obter as curvas de variações das correntes média e rms da carga, assim como da potência média consumida pela carga.

17 Anexo 1-15 ANEXO 1 CUIDADOS COM O MANUSEIO DE INSTRUMENTOS E EQUI- PAMENTOS Em todas experiências do laboratório são utilizados instrumentos e equipamentos com os quais se deve lidar com o devido cuidado. As normas básicas de segurança em Laboratório de Eletricidade e Eletrônica constituem uma garantia, não só para a preservação dos equipamentos, como também (e principalmente) para se evitar danos físicos àqueles que participam das aulas. Abaixo lembramos alguns cuidados básicos que devem ser observados dentro do laboratório de Eletrônica Industrial: 1. As tensões de trabalho na maioria das experiências são de 127 V ou 220 V. Choques elétricos nestas tensões podem ser fatais, dependendo da forma em que ocorram. 2. Os módulos de experiência devem ser montados com a máxima atenção. Erros de montagem podem danificar instrumentos, equipamentos e componentes. 3. Toda vez que for alterar ligações ou mudar pontos de medição que se necessitar abrir parte do circuito, dever-se-á desligar a alimentação. Somente após a alteração da ligação ou do ponto de medição, é que a montagem deve ser novamente energizada. 4. Confira o circuito com a montagem verificando as polaridades de voltímetros, amperímetros, osciloscópio, etc. 5. Verifique se as escalas dos instrumentos são adequadas para a grandeza que será medida. 6. Ao final de cada aula, desligue todos os instrumentos e equipamentos, desfaça a montagem e coloque nos devidos lugares os cabos, módulos, etc. PENSE SEMPRE ANTES DE TOMAR QUALQUER DECISÃO. VOCÊ ESTARÁ GANHANDO TEMPO E EVITANDO MUITOS PROBLEMAS.

18 Anexo 2-16 ANEXO 2 O MULTÍMETRO DE RMS VERDADEIRO ATENÇÃO: O multímetro de RMS verdadeiro existente no Laboratório de Eletrônica de Potência determina o valor RMS através de um procedimento em três etapas: 1. Mede-se o valor médio na escala DC: V DC 2. Mede-se o valor da tensão de ondulação (ripple) na escala AC: V AC 3. Calcula-se o valor RMS pela expressão abaixo: Vrms = V + V 2 2 DC CA

19 Anexo 3-17 ANEXO 3 MÓDULOS DE CARGAS E SENSORES DE CORRENTES Várias experiências serão conduzidas de tal forma a serem estudadas os comportamentos dos diversos conversores quando alimentando cargas dos tipos resistivas, indutivas e capacitivas. O módulo de cargas existente no laboratório é constituído de 3 lâmpadas incandescentes com valores nominais 200W/220V (carga resistiva), três reatores de lâmpadas fluorescentes de valores nominais 40W/220V (indutores), e dois capacitores eletrolíticos de valores nominais 100mF/65V e 470mF/65V. Para evitar-se a abertura dos circuitos das experiências, para se fazer medidas de corrente, o módulo de cargas contém também 3 resistores de valores nominais 1Ω/15W, que serão utilizados como sensores resistivos de corrente. Além desses três sensores constantes do módulo de carga, existem mais 6 sensores de correntes do mesmo tipo, em um módulo de sensores separados do módulo de cargas. Para que o estudante possa determinar com maior precisão, as medidas necessárias em cada experiência, é de suma importância que sejam determinados os valores práticos, utilizando os instrumentos do laboratório, dos parâmetros das cargas e dos sensores logo no início da primeira prática. Estes valores deverão ser anotados para que possam ser usados em todas as experiências futuras, evitando perdas de tempo. Convém ressaltar que a resistência de uma lâmpada incandescente é fortemente variável com a temperatura do filamento. Logo, o valor dessa resistência depende do ponto de operação do circuito em que ela está inserida, isto é, tensão de alimentação, corrente, tipo de conversor, etc. Este fato deverá ser lembrado constantemente pelo estudante ao se medir e/ou deduzir as grandezas quantitativas durante o decorrer dos trabalhos. Outro fato relevante a ser ressaltado aqui é relativo ao indutor. Este é composta de um reator físico, o qual não é uma indutância pura. Este reator possui também uma resistência interna de enrolamento que nem sempre pode ser desprezada nas diversas medições e cálculos das grandezas elétricas. Portanto, solicita-se que o estudante determine praticamente, com os instrumentos existentes no laboratório, os valores tanto da indutância, quanto da resistência interna de todos os indutores

20 Anexo 3-18 do módulo de carga, antes de iniciar a primeira prática. Estes valores deverão ser anotados para utilização em todas as práticas que façam uso destes indutores. Abaixo é colocada uma tabela para ser preenchida pelo estudante na determinação dos valores acima referenciados. Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Indutor 1 Indutor 2 Indutor 3 Lâmpada 1 Lâmpada 2 Lâmpada 3 Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor 4 Sensor 5 Sensor 6 MÓDULO DE CARGAS R (Ohms) L (Henrys) Rnominal (Ohms) MÓDULO DE SENSORES R (Ohms) L (Henrys) Rnominal (Ohms)