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 EXPERIENCIA N 11: GRADADORES MONOFÁSICOS OBJETIVO Verificar qualitativa e quantitativamente o funcionamento dos gradadores monofásicos. ESTUDO TEÓRICO A estrutura é empregada quando se deseja controlar a potência de uma carga de corrente alternada. Os usos mais comuns são: Controle de intensidade luminosa Controle de temperatura Controle de velocidade de motores universais Solda elétrica a resistência Controle de velocidade de motores de indução GRADADORES MONOFÁSICOS COM CARGAS RESISTIVAS Durante o semiciclo positivo da tensão de entrada, o fluxo de potência é controlado variando-se o ângulo de disparo do tiristor T 1 ; e o tiristor T 2 controla o fluxo de potência durante o semiciclo negativo da tensão de entrada. Os pulsos de disparo de T 1 e T 2 são defasados de 180 (fig.1). As formas de onda para a tensão de carga, corrente de carga e sinais de gatilho para T 1 e T 2 são mostradas na figura 2. Fig.1-Circuito de um gradador monofásico com carga R. 1

2 Figura 2.a Figura 2.b Fig.2 Tensões (a) e Correntes (b) para gradador monofásico com carga R. Se V= 2Vs.sen(t) for a tensão de entrada e os ângulos de disparo dos tiristores T1 e T 2 forem iguais (α1 = α2 = α), a tensão eficaz de saída pode ser encontrada a partir de Vo=Vs {1/π (π α + sen2α/2 ) } ½ Variando-se α de 0 a π, Vo poderá variar de V s a 0. É possível ter um cátodo comum para T 1 e T 2 adicionando-se dois diodos. O tiristor T 1 e o diodo D 1 conduzem juntos durante o semiciclo positivo; e o tiristor T 2 e o diodo D 2 conduzem durante o semiciclo negativo. Como esse circuito pode ter um terminal comum para os sinais de gatilho de T1 e T2 é necessário apenas um circuito isolado, mas ao custo de dois diodos de potência adicionais. Devido aos dois dispositivos de potência estarem conduzindo ao mesmo tempo, as perdas de condução dos diapositivos aumentam e o rendimento do circuito diminui (fig.3). Fig.3-Gradador monofásico de onda completa Um controlador monofásico de onda completa também pode ser implementado com um tiristor e quatro diodos. Os quatro diodos agem como uma ponte retificadora. A tensão sobre o tiristor T 1 e sua corrente são sempre unidirecionais. Com uma carga resistiva, a corrente no tiristor cai a zero devido à comutação natural em todo o semiciclo. Entretanto, se houver uma grande indutância no circuito, o 2

3 tiristor T 1 pode não ser desligado em todo o semiciclo da tensão de entrada, sendo possível uma perda do controle. Ele necessitaria da detecção do cruzamento com o zero da corrente de carga a fim de garantir o desligamento do tiristor em condução, antes do disparo do próximo. Três dispositivos de potência conduzem ao mesmo tempo e a eficiência também é reduzida. O retificador em ponte e o tiristor (ou o transistor) agem como uma chave bidirecional, que está comercialmente disponível como um único dispositivo com perdas de condução relativamente baixas. GRADADORES MONOFÁSICOS COM CARGAS INDUTIVAS A Seção anterior trata dos controladores monofásicos com cargas resistivas. Na prática, a maioria das cargas, até um certo ponto, é indutiva. Supondo que o tiristor T1 seja disparado durante o semiciclo positivo devido à indutância no circuito, a corrente no tiristor T 1 não cai a zero em wt=π quando a tensão de entrada começa a ficar negativa. O tiristor T 1 continuará a conduzir até que sua corrente i 1 caia a zero em wt=β. O ângulo de condução do tiristor T 1 é δ = β - α e depende do ângulo de disparo α e do ângulo do fator de potência da carga θ (fig.4). As formas de onda para corrente de carga, pulsos de gatilho e tensão de carga são mostradas na figura 5. Fig.4 Circuito de um gradador monofásico com carga RL. Figura 5.a Figura 5.b Fig.5 - Tensões (a) e Correntes (b) para gradador monofásico com carga RL. Os sinais de gatilho dos tiristores para um controlador com carga resistiva podem ser pulsos 3

4 curtos. Entretanto, esses pulsos de curta duração não são apropriados para cargas indutivas. Quando o tiristor T 2 é disparado em wt = π + α, o tiristor T 1 ainda está conduzindo devido a indutância da carga. Quando a corrente no tiristor T 1 cai a zero e este é desligado em wt = β = α + δ, o pulso de gatilho do tiristor T 2 já cessou (caiu a zero) e, conseqüentemente, T 2 não será disparado. Como resultado, apenas o tiristor T 1 operará, causando formas de onda assimétricas da tensão e corrente de saída. Essa dificuldade pode ser resolvida utilizando-se sinais de gatilho contínuos com uma duração de (π - α). Tão logo a corrente de T 1 caísse a zero, o tiristor T 2 seria disparado. Entretanto, um pulso de gatilho continuo aumenta as perdas de chaveamento dos tiristores e requer um transformador de isolamento maior para o circuito de disparo. Na prática, um trem de pulsos de curta duração, normalmente é utilizado para superar esses problemas. Procedimento Experimental: Carga R a) O circuito está representado na figura 6: Fig.6 Circuito com carga R. b) Instrumentos a serem empregados 1. Um multiteste digital 2. Um osciloscópio com duas ponteiras com redução de 10 vezes. c) Material a ser empregado 1. Kit de transformadores 2. Kit de tiristores 3. Kit controladora TCA Um banco de cargas RLC d) Roteiro da Experiência 1. Montar os circuitos representados nas figuras. 2. Fazer uma revisão na montagem e energizá-la 3. Verificar se os valores indicados de tensão e corrente na carga estão de acordo com os valores esperados.(teóricos). 4

5 4. Verificar com o osciloscópio as seguintes formas de ondas para vários valores do ângulo α. - tensão na carga - corrente na carga - tensão nos terminais do tiristor 5. Levantar ponto a ponto as curvas que representam V z ef e I z ef em função do ângulo α. Fig.7 Representação gráfica da corrente eficaz na carga Fórmula da Corrente eficaz na carga : Carga RL a) O circuito está representado na figura 9: Repetir todos os procedimentos experimentais. Fig.8 Circuito com carga RL 5