Pontifícia Universidade Católica do RS Faculdade de Engenharia

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1 Pontifícia Universidade Católica do RS Faculdade de Engenharia LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA EXPERIÊNCIA 14 CONTROLADOR MONOFÁSICO DE POTÊNCIA POR CICLOS INTEIROS OBJETIVO Esta experiência tem por objetivo proporcionar uma constatação prática das características de funcionamento de um circuito de controle de potência por ciclos inteiros monofásico. ESTUDO TEÓRICO Estrutura do experimento A estrutura do circuito em foco neste experimento é constituído basicamente de um módulo de disparo de tiristores baseado no circuito integrado TCA785, controlado por um módulo de controle por ciclos inteiros, além, é claro, da etapa de potência, constituída de dois tiristores (SCR s) em antiparalelo. Figura 1 Diagrama do Sistema Pela natureza do tipo de controle, a carga em questão é resistiva, uma vez que a principal aplicação do controle por ciclos inteiros é de temperatura em sistemas resistivos de aquecimento. RESUMO TEÓRICO O controle por ciclos inteiros (ou liga-desliga) tem características de funcionamento de natureza bastante simples, o que facilita o seu entendimento tanto operacional quanto matemático.

2 O controle liga-desliga pode ser explicado através de um controlador monofásico de onda completa, conforme a figura 2.a. A chave estática composta pelos tiristores conecta a rede de alimentação CA à carga durante um tempo t n (2π x n); a chave é desligada através da inibição dos pulsos de gatilho durante um tempo t 0 (2π x m). O tempo da chave ligada, t p, geralmente consiste de um número inteiro de ciclos. Os tiristores são disparados nos cruzamentos da tensão CA de entrada, quando esta é zero. Os pulsos de gatilho para os tiristores T 1 e T 2 e as formas de onda para as tensões de entrada e saída são mostrados na Figura 2.b. Esse tipo de controle é utilizado nas aplicações que têm alta constante de tempo térmica elevada (por exemplo, aquecimento industrial). Devido ao chaveamento com tensão e corrente zero dos tiristores, os harmônicos gerados pela ação de chaveamento são reduzidos. Para uma tensão de entrada senoidal, v s = V m sin wt = 2 V s sin wt. Se a tensão de entrada for conectada à carga durante n ciclos e desconectada durante m ciclos (vide figura 2), a tensão eficaz de saída (ou da carga) pode ser encontrada a partir de: V O = V = n 2π S ( m + n) n = VS m + n 2π ( 2 V sin ( wt) ) k S dwt Onde k = n/ ( m + n ) e k é chamado ciclo de trabalho (do inglês duty cycle). V S é a tensão eficaz de fase. As configurações do circuito para o controle liga-desliga são similares àquelas do controle de fase, e a análise da performance também é similar. Figura 2

3 Simulação do Sistema Fazendo uso do software Orcad 9.1, é relativamente simples a realização de uma simulação sobre o comportamento da forma de onda de saída do circuito conforme o acionamento gerado pelo circuito de controle por ciclos inteiros. 30V 20V 10V 0V -10V -20V -30V 0s 50ms 100ms 150ms 200ms 250ms V(X2:A) V(V3:+,X2:A) Time Figura 3 - Forma de onda da tensão sobre a carga e comando de disparo para 10% de ciclo ativo. 30V 20V 10V 0V -10V -20V -30V 0s 50ms 100ms 150ms 200ms 250ms V(X2:A) V(V3:+,X2:A) Time Figura 4 - Forma de onda da tensão sobre a carga e comando de disparo para 30% de ciclo ativo. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Material a ser utilizado: - 01 kit transformadores; - 01 kit tiristores; - 01 kit placa de controle; - 01 kit controlador liga-desliga; - 01 banco de carga; - 01 lâmpada 220v com suporte; - 01 transformador 110V-220V;

4 Instrumentos a serem utilizados: - 01 osciloscópio e duas ponteiras atenuadas de 10 vezes; - 01 voltímetro analógico; Diagrama do circuito O sistema a ser montado inicialmente deve ser conectado conforme o diagrama esquemático a seguir. Em seguida é apresentado diagrama eletrônico do kit controlador ligadesliga. Figura 6 Diagrama eletrônico do kit controlador liga-desliga. Roteiro da experiência

5 1) Antes de iniciar a montagem do circuito apresentado no diagrama anterior, verifique se a bancada encontra-se totalmente desligada. 2) Após a verificação, proceda com a montagem do circuito. Observe que o transformador 127V => 220V deve ser ligado entre fase e neutro, sendo este utilizado para prover isolação e alimentação ao osciloscópio. 3) Uma vez montado e revisado o sistema, posicione a chave seletora de tensão da bancada em 127V, isto é posição 1. Certifique-se que o potenciômetro do kit placa de controle encontra-se totalmente girado no sentido anti-horário. Feito isto, ligue o disjuntor da bancada. 4) O sistema de controle por ciclos deve estar configurado para 10 ciclos. Ou seja, o mesmo atua a cada 10 ciclos completos da rede de 60Hz. Assim, varie o ciclo ativo do controlador, atuando sobre o potenciômetro do mesmo, de modo que o ciclo ativo sobre a carga varie de 0% a 100%. 5) Utilize o osciloscópio para verificar o número de ciclos ativos, e um multímetro analógico para medir a tensão eficaz sobre a carga, preenchendo a tabela a seguir: % de ciclo ativo Tensão eficaz medida (V) Tensão eficaz calculada (V) 6) Depois de preenchida a tabela, desligue o sistema e troque o jumper do kit controlador liga-desliga de 10 para 100 ciclos. Religue o sistema e observe o comportamento do sinal de saída no osciloscópio. 7) Tendo já observado o sinal no osciloscópio, desligue todo o sistema, desconecte as ponteiras do osciloscópio do circuito e desligue o mesmo da tomada de força.

6 8) Refaça a montagem do circuito substituindo o banco de cargas pela lâmpada incandescente e desconectando a alimentação da etapa de potência, do kit transformador, ligando-o entre duas fases do sistema de rede elétrica da bancada. 9) Terminada a nova montagem, verifique suas ligações e, quando tudo estiver pronto, ligue novamente a bancada. 10) Observe o comportamento da lâmpada, variando o potenciômetro do kit controlador liga-desliga. 11) Desligue o sistema, troque o jumper do kit controlador liga-desliga novamente para 10 ciclos e verifique novamente o comportamento da lâmpada de acordo com a variação do potenciômetro do kit. 12) Finalizadas as observações e testes, certifique-se de que a bancada esteja completamente desligada. Em seguida desmonte o sistema e guarde o material em seu local de origem.