ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

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1 Cenro Federal de Educação Tecnológica do Espírio Sano Unidade de Ensino Descenralizada da Serra/ES ELETRÔNICA DE POTÊNCIA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

2 Cenro Federal de Educação Tecnológica do Espírio Sano Unidade de Ensino Descenralizada da Serra/ES ELETRÔNICA DE POTÊNCIA MARCIO BRUMATTI SERRA ES 2005 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

3 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA Inrodução Perdas nos Semiconduores de Poência O Diodo Tirisores SCR (Reificador conrolado de silício) O TRIAC O DIAC O Transisor Bipolar de Junção (BJT) Mosfe de Poência O IGBT Módulos de Poência A Escolha do Semiconduor de Poência RETIFICADORES NÃO CONTROLADOS Inrodução Reificador Monofásico de Meia Onda Reificador Monofásico de Onda Complea em Pone Reificadores Trifásicos Reificador Trifásico de Meia Onda Reificador Trifásico de Onda Complea RETIFICADORES CONTROLADOS Reificador Monofásico Conrolado de Meia Onda Reificador Monofásico Conrolado de Onda Complea em Pone Reificador Monofásico Semiconrolado Reificador Trifásico Conrolado de Meia Onda Reificador Trifásico Conrolado de Onda Complea Reificador Trifásico Semiconrolado Sincronismo de Reificadores Trifásicos Acionameno de Moores CC Com Reificadores Acionameno de Moores CC em Quaro Quadranes Funcionameno da Pone Complea Como Reificador ou Inversor Prof. Marcio Brumai i

4 4.9.2 Acionameno por Conversores Duais CIRCUITOS DE DISPARO Inrodução Circuio de Disparo Com Sinais CA Circuio de Disparo Com Pulsos Usando o UJT Isolação de Circuios de Disparo Circuio Inegrado TCA CONTROLADORES CA Conrole LigaDesliga Conrole de fase Conrolador Monofásico Conrolador Trifásico SofSar CONVERSORES CC CC Inrodução Modulação por Largura de Pulso (PWM) Conversor Abaixador (BUCK) Conversor Elevador (Boos) Fones Chaveadas Conrole em Fones Chaveadas CONVERSORES CC CA (INVERSORES) Inrodução Inversores Monofásicos de Onda Quadrada Inversor Trifásico de Onda Quadrada Inversores PWM REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...86 Prof. Marcio Brumai ii

5 1. INTRODUÇÃO A função da elerônica de poência é conrolar o fluxo de poência, processando a energia das fones de alimenação disponíveis (rede elérica, geradores ou baerias) aravés de disposiivos semiconduores de poência, para alimenar as cargas. Por exemplo, em um microcompuador é necessário alimenar os chips lógicos com 5 Vcc, aravés da rede 127 Vac, logo se necessia de um circuio de elerônica de poência. A Imporância da elerônica de poência pode ser observada aravés de uma lisa onde aparecem algumas de suas aplicações: Residencial e comercial: iluminação reaores elerônicos; compuadores pessoais; equipamenos elerônicos de enreenimeno; elevadores; sisemas ininerrupos de energia ( nobreak ); equipamenos de escriório. Indusrial: acionameno de bombas, compressores, veniladores, máquinas ferramena e ouros moores; iluminação; aquecimeno induivo; soldagem. Transpore: veículos eléricos; carga de baerias; locomoivas; merô. Sisemas Eléricos: ransmissão em alas ensões CC; fones de energia alernaiva (veno, solar, ec.); armazenameno de energia. Aeroespaciais: sisema de alimenação de saélies; sisema de alimenação de naves; Telecomunicações: carregadores de baerias; fones de alimenação CC; sisemas ininerrupos de energia (UPS). Os sisemas de elerônica de poência consisem em muio mais que um conversor de energia. Como pode ser viso no diagrama de blocos da Fig. 1.1, necessiase ambém de filros para minimizar os ruídos e harmônicos de ensão e correne gerados pelo circuio de poência, os quais operam em regime chaveado; circuios de comando para impor ao semiconduor do conversor sua enrada em condução ou bloqueio; e a realimenação e conrole que maném o sisema operando no pono desejado mesmo com mudanças na enrada (fone) ou na saída (carga). O circuio de poência é composo por semiconduores de poência e elemenos passivos (induores, capaciores e resisores), podendo assumir várias configurações em função das caracerísicas de ensão, correne e freqüência da fone de alimenação e da carga. Pelo fao de não haver pares móveis, esses circuios de poência são chamados de conversores esáicos, os quais podem ser classificados como: Conversores CA CC (Reificadores), Conversores CC CA (Inversores), Conversores CC CC (Choppers) e Conversores CA CA (Cicloconversores e Conroladores CA). O diagrama da Fig. 1.2 relaciona cada conversor com a respeciva conversão. Prof. Marcio Brumai 3

6 ENTRADA DE ENERGIA FILTRO DE ENTRADA CIRCUITO DE POTÊNCIA (CONVERSOR ESTÁTICO) FILTRO DE SAÍDA CARGA CIRCUITO DE REALIMENTAÇÃO COMANDO DOS SEMICONDUTORES CIRCUITO DE CONTROLE GRANDEZAS ELÉTRICAS GRANDEZAS MECÂNICAS Fig. 1.1 Diagrama de blocos de um sisema em elerônica de poência. CICLOCONVERSOR RETIFICADOR CONVERSOR DE FREQUÊNCIA de 2 ESTAGIOS CONVERSOR CC de 2 ESTAGIOS INVERSOR CHOPPER Fig. 1.2 Conversores em elerônica de poência. Os conversores esáicos uilizados para acionameno com velocidade variável de moores de indução são chamados comercialmene de conversores de freqüência ou simplesmene inversores. Em sua maioria são conversores CA CA em dois eságios, ou seja, reificadores associados a inversores. Prof. Marcio Brumai 4

7 2. SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA 2.1 Inrodução Para enender o funcionameno e as diversas opologias dos conversores esáicos é imporane que se conheça bem os disposiivos semiconduores que compõem a pare aiva deses conversores, ou seja, suas caracerísicas de ensão, correne, comando e velocidade de comuação. Em elerônica de poência, os semiconduores podem ser considerados como chaves, podendo esar no esado fechado ou conduzindo (ON) e abero ou bloqueado (OFF). Podem ser divididos em rês grupos de acordo com o grau de conrolabilidade. Esses grupos são: Chaves não conroladas: esado ON e OFF dependendo do circuio de poência. Ex.: diodos. Chaves semiconroladas: esado ON conrolado por um sinal exerno e OFF dependendo do circuio de poência. Ex.: SCR, TRIAC. Chaves Conroladas os esados ON e OFF são conrolados por sinal exerno. Ex.: Transisor (BJT), MOSFET, IGBT, GTO. 2.2 Perdas nos Semiconduores de Poência Operando como chave, o semiconduor apresena dois ipos de perdas de energia, as quais geram dissipação de calor sobre o mesmo: as perdas em condução e as perdas em comuação. A Fig. 2.1 a seguir apresena as formas de onda de ensão, correne e poência dissipada sobre um semiconduor que opera como chave. Quando o semiconduor esá em condução, flui aravés do mesmo uma correne I on e aparece sobre ele uma baixa queda de ensão V on, as quais são responsáveis pelas perdas em condução. Quano maiores forem I on e V on, maior será a perda de condução, assim, é desejável semiconduores que apresenam baixos valores de ensão quando em condução. A comuação pode ser de dois ipos: OFF para ON (enrada em condução) ou de ON para OFF (bloqueio). No primeiro caso, quando o semiconduor enra em condução sua ensão cai aé próximo de zero (V on ) e a correne cresce. Enquano eses valores não se esabilizam aparecem as perdas por comuação. Tais perdas ocorrem ambém durane o bloqueio, onde a correne cai aé zero enquano a ensão no semiconduor cresce aingindo o valor V off. Quano maiores forem a ensão V off, a correne I on, a duração da comuação ( off/on e on/off ) e a freqüência de comuação, maior será a perda de comuação. Assim, é desejável que o semiconduor apresene comuações rápidas para diminuir as perdas de comuação. Prof. Marcio Brumai 5

8 I on V off V on I off = 0 off/on on on/off off Perdas comuação off/on condução comuação on/off bloqueio T = período de comuação 2.3 O Diodo Fig. 2.1 Comuação nos semiconduores de poência. A Fig. 2.2 mosra o símbolo do diodo e suas caracerísicas de operação aravés da curva v x i. i D i F A K v D K caodo A anodo V F v D Fig. 2.2 Diodo: símbolo e caracerísica de operação. Quando a ensão enre o anodo e o caodo for posiiva e maior que V F (em orno de 0,7 V), é dio que o diodo esá direamene polarizado e esá no esado de condução, ou seja, começa a conduzir correne com uma pequena ensão sobre ele. Quando o diodo é reversamene polarizado, ou seja a ensão enre anodo e caodo é negaiva, ele esa no esado core, bloqueando a passagem de correne no senido reverso. A enrada em condução de um diodo é considerada ideal, ou seja, rápida o suficiene para não afear o reso do circuio de poência em que esá inserido. Enreano, para o bloqueio levase um empo adicional, chamado RR empo de recuperação reversa. Na comuação do esado de condução para o bloqueio, ocorre a descarga da capaciância inrínseca da junção. Nesse Prof. Marcio Brumai 6

9 inervalo de empo RR, a correne no diodo V D ornase negaiva aé que oda a carga armazenada na capaciância durane a condução se anule. Após a carga er se V E D R I D anulado o diodo bloqueia. Esa correne reversa pode, além de compromeer o bom funcionameno do circuio, gerar ruídos, V D sobreensões e perdas adicionais de comuação. A Fig. 2.3 mosra como ocorre a V FP V ON comuação em um diodo. A parir dos empos de recuperação V R reversa, os diodos podem ser classificados quano à velocidade de comuação. A abela a seguir mosra algumas linhas comerciais I D RR de diodos. Os diodos Schoky apresenam empos de recuperação reversa muio pequenos, da ON I R ordem de 10 ns, pequena queda de ensão e é aplicado em alas freqüências e baixas ensões. Já o diodo ulrarápido pode ser usado em ensões superiores, com um V E V R OFF acréscimo do empo de recuperação reversa. Os diodos rápidos são usados para maiores poências e menores freqüências. V R Fig. 2.3 Comuação em um diodo. Já os diodos de uso geral são os diodos normalmene uilizados na freqüência da rede CA (60Hz). Os diodos de poência são fornecidos em vários ipos diferenes de encapsulameno como mosrado na Figura 2.4 ao lado. É aravés do encapsulameno que o calor gerado na junção do diodo se difunde para o meio circundane. Fig.2.4 Tipos de encapsulameno. Prof. Marcio Brumai 7

10 SCHOTTKY ULTRARÁPIDO 1 A 10 A 35 A 1 A 15 A 50 A Vr COD. Vr COD. Vr COD. Vr COD. Vr COD. Vr COD. 20 1N MBR MBR MUR MUR MUR N MBR MBR MUR MUR MUR MBR MBR MBR MUR MUR MUR MBR MBR MUR MUR MBR MBR MUR1100 I FSM 25 A I FSM 150 A I FSM 600 A I FSM 35 A I FSM 200 A I FSM 600 A V F 0,6 V V F 0,57 V V F 0,55 V rr 50 ns rr 35 ns rr 50 ns RÁPIDO USO GERAL 1 A 35 A 300 A 1 A 15 A 50 A Vr COD. Vr COD. Vr COD. Vr COD. Vr COD. Vr COD. 50 1N N R23F6A 50 1N MUR MUR N N R32F10A 200 1N MUR MUR N N R23F14A 400 1N MUR MUR N N N MUR MUR2106 I FSM 30 A I FSM 250 A I FSM 5000 A I FSM 30 A I FSM 400 A I FSM 400 A rr 0,2 µs rr 0,2 µs rr 0,2 µs Na abela consam alguns parâmeros imporanes para a especificação de um diodo, onde: V R ensão reversa; I FAVG correne média direa; V F queda de ensão direa; I FSM correne se suro não repeiiva máxima; rr empo de recuperação reversa. Além deses, exisem ouros parâmeros como: I FRMS correne direa eficaz; I FRM correne direa repeiiva máxima; I RRM valor de pico da correne de recuperação reversa. Prof. Marcio Brumai 8

11 2.4 Tirisores O ermo irisor engloba uma família de disposiivos semiconduores que operam em regime chaveado, endo em comum uma esruura de 4 camadas semiconduoras numa sequência pnpn, apresenando um funcionameno biesável. O irisor de uso mais difundido é o SCR (Reificador Conrolado de Silício), usualmene chamado simplesmene de irisor. Ouros componenes, no enano, possuem basicamene uma mesma esruura: LASCR (SCR aivado por luz), ambém chamado de LTT (Ligh Triggered Thyrisor), TRIAC (irisor riodo bidirecional), DIAC (irisor diodo bidirecional), GTO (irisor comuável pela pora), MCT (Tirisor conrolado por MOS) SCR (Reificador conrolado de silício) A Fig. 2.5 mosra o símbolo do SCR e suas caracerísicas de operação aravés da curva v x i. i T i T G on off A v T K V F v T G gae A anodo K caodo Fig. 2.5 Tirisor: símbolo e caracerísica de operação do SCR. Quando o SCR esá direamene polarizado (v T > 0) e é aplicado um pulso posiivo de correne de seu gae (G) para o caodo (K), ese disposiivo enra em condução permiindo circulação da correne I T enre anodo e caodo. Uma vez em condução, o pulso de gae pode ser removido e o SCR coninua em condução como um diodo, ou seja, não pode ser comandado a bloquear. Para que o al deixe de conduzir é necessário que a correne I T caia abaixo do valor mínimo de manuenção (I H ), desa forma o SCR enra novamene na região de core. Quando o SCR esá reversamene polarizado (v T < 0) ele não conduz. Maneiras de disparar um SCR A seguir são apresenadas as formas de disparo de um SCR. Disparo por pulso de gailho Prof. Marcio Brumai 9

12 Esa é a forma usual de disparo. Como já foi dio, quando o SCR esá direamene polarizado e recebe um pulso posiivo de correne de gae para caodo, ele enra em condução. O componene se manerá em condução desde que, após o processo de enrada em condução, a correne de anodo enha aingido um valor superior ao limie I L (correne de laching ). Sendo assim, a duração do sinal de disparo deve ser al que permia à correne aingir o valor I L anes que o sinal de disparo seja reirado. Disparo por sobreensão À medida que se aumena a ensão enre anodo e caodo (direamene polarizado), é possivel iniciar o processo de condução mesmo sem correne no gae. Ese procedimeno, nem sempre desruivo, raramene é uilizado na práica. Disparo por axa de crescimeno da ensão direa Uma vez que o SCR eseja direamene polarizado, mesmo sem correne de gae, pode haver a enrada em condução devido à axa de crescimeno da ensão enre anodo e caodo. Se esa axa for suficienemene elevada (a ensão crescer rapidamene), o SCR enra em condução. Ese disparo, normalmene não desejado, é eviado pela ação de um circuio de proeção conhecido como snubber, que se raa de um circuio RC em paralelo com o irisor. R T C Fig. 2.6 Tirisor com um circuio snubber. Disparo por emperaura Em alas emperauras, a correne de fuga numa junção pn reversamene polarizada pode assumir valor suficiene para que leve o irisor ao esado de condução. Para eviar ese disparo, uilizamse dissipadores de calor eviando o aumeno excessivo de emperaura. Méodos de comuação de um SCR Se por um lado é fácil a enrada em condução de um SCR, o mesmo não ocorre para o seu bloqueio. A condição para o bloqueio é que a correne de anodo fique abaixo do valor I H correne de manuenção, cujo valor é esabelecido pelo fabricane. Exisem duas formas básicas de bloqueio de um SCR. Comuação naural Em um circuio CA, a correne normalmene passa por zero em algum insane levando o SCR ao bloqueio. Ese ipo de comuação é chamado comuação pela rede. Em circuios CC, onde a Prof. Marcio Brumai 10

13 comuação depende da caracerísica da própria carga, a comuação é definida como comuação pela carga. Comuação forçada É uilizada em circuios CC onde não é possível a reversão da correne de anodo. Sendo assim, devese oferecer um caminho alernaivo para a correne, enquano se aplica uma ensão reversa sobre o SCR. Normalmene é uilizado um capacior carregado previamene com uma ensão reversa, em relação aos erminais do SCR. No insane desejado para o core, colocase o capacior em paralelo com o SCR aplicando sobre ele uma ensão reversa. Um exemplo dese ipo de comuação será viso durane o esudo dos inversores, num capíulo fuuro. A abela abaixo mosra as caracerísicas principais de alguns SCR s enconrados comercialmene. TIRISTORES SCR 4 A 25 A 110A 1230 A V Cod. V Cod. V Cod. V Cod. 50 2N N N ST330C02L 200 2N N N ST330C06L 400 2N N N ST330C12L 600 2N N N ST330C162L 800 2N N N1807 I TSM 15 A I TSM 150 I TSM 100 A I TSM 7925 A V GT 3 V V GT 2 V V GT 2,5 V GT 3 V I GT 10 ma I GT 40 ma I GT 110 ma I GT 200 ma Enre os parâmeros imporanes a serem especificados em um SCR, êmse: I TAV Correne direa média; I TRMS Correne direa eficaz; I TSM Suro máximo de correne; V DRM e V RRM Máximos valores de ensão direa e reversa; V GT e I GT ensão e correne de gae; I L e I H correne de laching e de manuenção. Prof. Marcio Brumai 11

14 2.4.2 O TRIAC O TRIAC é um irisor que permie a condução de correne nos dois senidos, enrando em condução e bloqueando de modo análogo ao SCR. Uma visão simplificada do TRIAC, é a de uma associação de dois SCR s conecados em aniparalelo. Enreano, noe que no caso de dois SCR s é necessário dois erminais de gailho. A Figura 2.7 mosra o símbolo do Triac e a comparação com dois SCR s. Como é bidirecional, os ermos anodo e caodo ficam sem senido, assim, os erminais do TRIAC são chamados anodo 1 (A1), anodo 2 (A2) e gailho (G). Além de conduzir nos dois senidos, o TRIAC pode ser disparado ano com pulso posiivo como por pulso negaivo de correne aplicado enre o gae(g) e o anodo1(a1). G 1 G A 2 A 1 A 2 A 1 Fig. 2.7 Símbolo do Triac e comparação com dois SCR s em aniparalelo. G 2 O TRIAC é um disposiivo uilizado em baixos níveis de poência quando comparado com o SCR. Um exemplo de aplicação é o conrole do fluxo de correne alernada. Ese conrole pode ser feio de duas formas: (A) Conrole por ciclos ineiros e (B) Conrole do ângulo de fase. Conforme mosra a Figura 2.8. Tensão de enrada Pulso de gae Tensão de saída (A) (B) Fig. 2.8 Conrole do fluxo de poência por Triac s. (A) Conrole por ciclos ineiros, (B) Conrole do ângulo de fase. Prof. Marcio Brumai 12

15 2.4.3 O DIAC Assim como o Triac, o Diac é um disposiivo que permie condução nos dois senidos endo aplicações em baixos níveis de poência. Enreano, a enrada em condução não ocorre devido a um pulso de correne no gae, mas a parir de uma ensão de disparo aplicada enre seus erminais. A Figura 2.9 mosra a caracerísica ensão x correne e o símbolo comumene uilizado para a represenação do DIAC. Quando o DIAC esá submeido a uma ensão inferior a V D (ensão de disparo), o mesmo não conduz. Depois de aingido o valor da ensão de disparo, o DIAC enra em condução, manendo uma pequena ensão enre seus erminais. Para o seu bloqueio é necessário que a correne assuma valor inferior a I H (correne de manuenção). Fig. 2.9 Símbolo e caracerísica do DIAC. 2.5 O Transisor Bipolar de Junção (BJT) O Transisor bipolar mosrado na Figura 2.10, enra e permanece em condução (região de sauração), quando é aplicada uma correne adequada em sua base, ornandose equivalenre a uma chave fechada. Nesa condição, a ensão enre coleor e emissor (V CE = V CESa ) é ipicamene menor que 2 Vols, logo, são baixas as perdas em condução do BJT. Enreano, sua comuação não é rápida, o que aumena muio as perdas de comuação quando opera em alas freqüências (acima de 40 khz). i C C i C i B4 i B3 i B V CE Região de sauração i B2 C coleor B base E emissor B V BE E i B1 i B0 V CE Fig Transisor bipolar de Junção: símbolo e caracerísica de operação Prof. Marcio Brumai 13

16 Para saurar o ransisor bipolar é necessário uma correne de base I B > I Csa /β, onde β é o ganho de correne que esá em orno de 10 para ransisores de baixa ensão e 5 para ransisores de ala ensão. Para o bloqueio do disposiivo, é necessário reduzir a correne de base aé zero. Dáse o nome de ransisor par darlingon quando se associam dois ransisores em um único encapsulameno de forma a aumenar o seu ganho, enreano isso aumena a queda de ensão e perdas de condução e comuação. A parir do exposo acima, podese concluir que além das perdas de comuação já mencionadas, a complexidade dos circuios de comando e sua poência requerida são grandes faores limianes deses disposiivos. A abela a seguir é uma reduzida amosra de ransisores bipolares de poência comerciais da Moorola Semiconducors, mosrando algumas de suas principais caracerísicas. Ressalase que exisem ouras opções de ensão, correne e ipo de encapsulameno. TRANSISTOR BIPOLAR I C (A) V CE (V) COD. s (µs) f (µs) h FEmin MJ16002A MJ , MJ10007 darlingon" 1,5 0, MJ ,5 0, BUS51 3,3 1,6 15 Enre os parâmeros para especificação de um BJT, êmse: I C correne de coleor; V CE máxima ensão enre coleor e emissor; V CE sa ensão enre coleor e emissor quando em sauração; h FE ganho de correne; ON = d R ; OFF = S F empos relacionados às comuações. Onde: d delay ime ; R rise ime ; S sorage ime ; F fall ime. Prof. Marcio Brumai 14

17 2.6 Mosfe de Poência O Mosfe (Transisor de Efeio de Campo), cujo símbolo e curva caracerísica são mosrados na Figura 2.11, é comandado por ensão aplicada enre os erminais Gae (G) e Fone (S). Ese disposiivo se aproxima de uma chave fechada (região ôhmica) quando a ensão V GS é adequada, ipicamene de 9 a 15V. E esá bloqueado quando esa ensão for inferior ao limie V GSh (4V, ípico). Quando em condução, o disposiivo necessia de permanene aplicação da ensão V GS (ensão enre gae e fone), enreano não flui correne no gae, exceo durane as ransições ON OFF e OFF ON, quando a capaciância de gae é carregada e descarregada. i D i D D v GS5 v GS4 v GS3 D Dreno G Gae S Fone G V GS S V DS Região ôhmica v GS2 v GS1 v GS0 V DS Fig Mosfe: símbolo e caracerísica de operação. Operando na região ôhmica, o Mosfe se compora como uma resisência de valor relaivamene baixo enre dreno e fone (R DS ON ), sendo assim, é a região de ineresse para operação como chave. Os empos de comuação são curos (da ordem de dezenas de ns), e sua a resisência de condução R DS ON cresce com o aumeno da ensão do disposiivo, logo ese disposiivo possui poucas perdas em aplicações de alas freqüências e baixas ensões (aé 300V e acima de 50k Hz). Como o disposiivo é comandado por ensão, seu circuio de gae é simples e consome pouca energia, como mosra o esquema e as formas de onda da Figura 2.12 a seguir. M D V GS V G S I G I D Fig Comando de gae do Mosfe e principais formas de onda. Prof. Marcio Brumai 15

18 Cabe desacar que em qualquer Mosfe exise um diodo inrínseco enre os erminais fone e dreno. A abela abaixo mosra as caracerísicas principais de uma linha comercial de Mosfe s da Inernaional Recifiers Semiconducors e alguns de seus parâmeros imporanes a serem especificados. Podese verificar o incremeno de R Dson com o aumeno da ensão máxima admissível, bem como a redução nos limies máximos de correne admissíveis. MOSFET S DE POTÊNCIA COD. V DS R DSon I D 25 º COD. V DS R DSon I D 25 º IRF , IRFP , IRF ,18 34 IRFP , IRF ,55 18 IRFP ,3 18 IRFBC ,2 6,8 IRFPC ,2 6,8 IRFBE ,0 6,9 IRFPF ,0 6,9 IRFBG ,0 4,3 IRFPG ,5 4,3 Os principais parâmeros de um Mosfe de poência são: V DS Tensão enre dreno e fone; I D Correne de dreno; I DM Pulso de correne de dreno; R DS ON Resisência enre dreno e fone (região ôhmica); ON = d (on) R ; OFF = d (off) F Tempos relacionados às comuações; Onde: d delay ime ; R rise ime ; F fall ime. Prof. Marcio Brumai 16

19 2.7 O IGBT O IGBT (Isolaed Gae Bipolar Transisor) associa a caracerísica de comando dos MOSFET com a caracerísica de condução dos BJT. Nos úlimos anos, vem endo considerável evolução, com o crescimeno de sua velocidade de comuação. A Figura 2.13 mosra o símbolo e a curva caracerísica do IGBT, onde se noa que o componene apresena os erminais coleor e emissor (como no BJT) e gae (como no Mosfe). I C C I C V GE5 V GE4 G E V CE V GE3 V GE2 V GE1 V GE C Coleor G Gae E Emissor V CE ON V GE0 V CE Fig Símbolo e curva caracerísica do IGBT O IGBT apresena a vanagem de ser comandado por ensão requerendo baixa quanidade de energia do circuio de comando, e em condução em a vanagem do BJT de baixas ensões V CE on, podendo conduzir elevadas correnes com baixas perdas. O empo de enrada em condução é maior que o do MOSFET, na ordem de décimos de µs, e no bloqueio surge o fenômeno da correne de cauda que provoca elevadas perdas de comuação em alas freqüências. A Figura 2.14 mosra o esquema simplificado do comando com suas principais formas de onda. Tipicamene, V GE enre 12V e 20V resula em V CE ON reduzida, diminuindo as perdas de condução. C V GE 15 V G E I G I C correne de cauda Fig Comando de gae do IGBT e principais formas de onda Prof. Marcio Brumai 17

20 A abela abaixo mosra as caracerísicas principais de uma linha comercial de IGBT s da Inernaional Recifiers Semiconducors e seus parâmeros imporanes a serem especificados e aplicações ípicas. IGBT 600 V * PADRÃO Aplicações: UPS e acionameno RÁPIDO Aplicações: Indusrial, UPS de alas ensões e acionameno ULTRARÁPIDO Aplicações: Robóica e acionameno Ic Perdas COD. Ic (25º) Perdas COD. Ic (25 º ) COD. Perdas 19 IRGBC20S 4,1 16 IRGBC20F 1,8 13 IRGBC20U 0,35 50 IRGBC40S IRGBC40F 4,4 40 IRGBC40U 1,5 70 IRGBC50S IRGBC50F 6,0 55 IRGBC50U 1,7 Os principais parâmeros a serem especificados em um IGBT são: V CES ensão máxima suporável enre coleor e emissor; I C correne de coleor; I CM pulso de correne de coleor; V CE ON ensão enre coleor e emissor na região de sauração; ON = d (on) R ; OFF = d (off) F Tempos relacionados às comuações; Onde: d delay ime ; R rise ime ; F fall ime. 2.8 Módulos de Poência Os semiconduores de poência podem aparecer já associados em módulos, reduzindo o amanho dos conversores e faciliando a monagem, enreano podem encarecer a manuenção. Como por exemplo, mosramos abaixo: 1. Pone monofásica de diodos, 2. pone rifásica de diodos, 3. pone monofásica de irisores, 4. pone complea rifásica de IGBT s ou MOSFET s Prof. Marcio Brumai 18

21 A Escolha do Semiconduor de Poência A escolha de um disposiivo semiconduor de poência para uma aplicação específica deve levar em cona vários faores como: cuso do disposiivo, os níveis de ensão e correne enconrados, a complexidade do circuio de comando e seu cuso, e a freqüência com que o disposiivo irá operar. Os irisores são os semiconduores de poência de menor cuso, enreano apresenam limiações devido à baixa velocidade de comuação, a complexidade do circuio de comando e dificuldade no bloqueio. São amplamene uilizados em conversores que usam comuação pela rede, como reificadores conrolados e conroladores CA. O SCR se desaca pela sua elevada capacidade de correne e ensão suporável (3kA/ 3kV). Anes do desenvolvimeno dos Mosfe s o único disposiivo disponível para aplicações em conversores de ala freqüência (5 a 20 khz) e médias poências (aé 100 kw) era o ransisor Prof. Marcio Brumai 19

22 bipolar de poência BJT. A ecnologia dese disposiivo evoluiu basane, permiindo a fabricação de componenes com capacidade de suporar correne de coleor de cenenas de ampères e ensões de bloqueio de aé 800 V. A principal vanagem do BJT de poência é o cuso, paricularmene em alas ensões, enquano suas principais desvanagens são a complexidade e cuso do circuio de comando e limiação na velocidade de comuação, ornandose uma ecnologia ulrapassada. É aplicado em deflexão horizonal de TVs e moniores, amplificador de áudio, ec. O Mosfe opera muio bem em alas freqüências e necessia de um simples circuio de comando. Assim, reina absoluo em aplicações de ala freqüência (acima dos 50kHz) e baixas ensões e correnes. Como já vimos, a resisência de condução dos Mosfe s cresce muio com o aumeno da máxima ensão suporável, o que leva a uma redução da capacidade de correne. Dese modo, normalmene os Mosfe s são uilizados para ensões inferiores a 500V. Para maiores ensões a aplicação se resringe a baixas poências (menor que 100W). Geralmene são usados em fones de alimenação chaveadas, reaores elerônicos, relés de esado sólido de sisemas auomoivos, ec. O mais recene dos semiconduores desenvolvidos o IGBT vem se desacando pela sua capacidade de condução de alas correnes e de suporar elevadas ensões (500A/1500V), além da simplicidade de seu circuio de comando. Embora mais lenos que os Mosfe s, os IGBT s são mais rápidos que os BJT s permiindo operação em freqüências aé os 30kHz. Traase de uma ecnologia em crescene desenvolvimeno, que permiiu a melhoria dos acionamenos de moores CA, com o desenvolvimeno dos Inversores de freqüência PWM. Sua aplicação vai desde acionameno de moores aé ignição auomoiva. A abela abaixo mosra uma comparação enre os principais disposiivos semiconduores. Diodos BJT MOSFET IGBT SCR Comando em correne ensão ensão correne Complexidade do circuio de comando Capacidade de correne Tensão suporável Freqüência de comuação ala muio baixa muio baixa baixa ala média baixa para média ala média baixa para média média para ala média para ala ala média ala média baixa ala ala Prof. Marcio Brumai 20

23 3. RETIFICADORES NÃO CONTROLADOS 3.1 Inrodução Na maior pare das aplicações em elerônica de poência, a enrada de energia em a forma de uma ensão alernada senoidal em 60 Hz, proveniene da rede, que é converida em ensão conínua para ser aplicada à carga. Iso é realizado aravés dos conversores CACC, ambém chamado de Reificadores. Dependendo do semiconduor uilizado, irisor ou diodo, os reificadores podem ser conrolados ou não conrolados respecivamene. Os reificadores a diodo são enconrados em muias aplicações, em geral como eságio de enrada de fones de poência, acionameno de máquinas, carregadores de baerias e ouros. Nese caso a ensão de saída do reificador não pode ser conrolada. Em algumas aplicações, ais como acionameno de máquinas CC, alguns acionamenos de máquinas CA, conrole de emperaura e sisemas de ransmissão em correne conínua, o conrole da ensão de saída se faz necessário. Nesas siuações são uilizados reificadores conrolados. Os reificadores conrolados serão esudados no Capíulo Reificador Monofásico de Meia Onda a) Carga Resisiva O circuio dese reificador alimenando carga resisiva, bem como as principais formas de onda, são mosrados na Figura 3.1. No semiciclo posiivo da ensão de enrada, o diodo esá polarizado direamene, logo o mesmo conduz e a ensão da fone é aplicada sobre a carga. No semiciclo negaivo o diodo fica polarizado reversamene, logo se bloqueia, levando a ensão sobre a carga a zero. V S V L V S V _ D D 1 R i L _ V L I L V D V MÉDIO V S pico Fig. 3.1 Reificador a diodo em meia pone e principais formas de onda. Prof. Marcio Brumai 21

24 A ensão média aplicada sobre a carga nese caso é: V = 0,45 MEDIO V S RMS Onde V S RMS é o valor eficaz da ensão da fone de enrada. Por exemplo, para uma ensão da rede de 127V, a ensão de saída dese reificador será de 57V. E a correne média sobre na carga é dada por: b) Carga RL I MÉDIO 0,45 V = R SRMS A esruura do reificador monofásico de meia onda alimenando uma carga RL bem como as formas de onda esão represenadas na Figura 3.2. V S V S V _ D D 1 L i L R V ind _ V R _ V L V D V L I L 0 V S pico π 2π 3π β Fig. 3.2 Reificador monofásico de meia onda alimenando carga RL e formas de onda. Devido a presença da induância, a qual provoca um araso da correne em relação a ensão, o diodo não se bloqueia quando ω = π. O bloqueio ocorre no ângulo β (ângulo de exinção), que é superior a π. Enquano a correne de carga não se anula, o diodo se maném em condução e a ensão de carga, para ângulos superiores a π, ornase insananeamene negaiva. A presença da induância causa uma redução na ensão média na carga, sendo que quano maior a induância, maior será o valor do ângulo de exinção, com conseqüene redução da ensão média de saída. Prof. Marcio Brumai 22

25 c) Carga RL com Diodo de "RodaLivre" Para eviar que a ensão na carga se orne insananeamene negaiva devido à presença da induância, empregase o diodo de rodalivre, ambém chamado de diodo de circulação, diodo de reorno ou de diodo de recuperação. A esruura do reificador é apresenada na Figura 3.3. V S D 1 D RL Fig. 3.3 Reificador Monofásico de Meia Onda com Diodo de "RodaLivre" L R O reificador conendo o diodo de rodalivre possui duas eapas de funcionameno, represenadas na Figura 3.4. _ V S D 1 D RL i L D 1 L R V ind _ V R _ V L V S D RL i L L R V ind _ V R _ V L Fig. 3.4 Eapas de funcionameno para o reificador com diodo de "rodalivre". A primeira eapa ocorre durane o semiciclo posiivo da ensão V S de alimenação. O diodo D 1 conduz a correne de carga I L e o diodo D RL, polarizado reversamene, enconrase bloqueado. Nesa eapa a ensão na carga é igual à ensão de enrada. A segunda eapa ocorre durane o semiciclo negaivo da ensão V S. A correne de carga, por ação da induância, circula no diodo de "rodalivre" D RL, polarizado direamene nesa eapa. Em conseqüência, o diodo D 1 polarizado reversamene esá bloqueado e a ensão na carga é nula. O diodo de rodalivre permanece em condução aé que a correne de carga caia V S aé zero. Isso se dá quando a energia armazenada no induor é compleamene V L descarregada. As formas de onda esão represenadas na Figura 3.5. I L V MÉDIO 1 eapa 2 eapa Fig. 3.5 Formas de onda na carga. Prof. Marcio Brumai 23

26 Na Figura 3.5 apresenada, a correne de carga se anula em cada ciclo de funcionameno do reificador, nesa siuação a condução é dia desconínua. Se a correne na carga não se anula anes do inicio do próximo ciclo, a condução é dia conínua. O fao de a condução ornarse conínua ou desconinua, é conseqüência da consane de empo da carga. Para consanes de empo elevadas (L muio grande) a condução poderá ser conínua. A condução conínua pode apresenar maior ineresse práico, pois implica numa redução do ripple (ondulação) de correne na carga. As formas de onda do reificador funcionando em condução conínua esão represenadas na Figura 3.6. Da mesma forma que no caso de uma carga resisiva pura, a ensão média na carga para o reificador de meia onda com diodo de roda livre é dada por: V S V L I L 1 eapa 2 eapa Fig. 3.6 Formas de onda na carga para condução conínua. V = 0,45 MEDIO V S RMS Como o induor é magneizado e desmagneizado a cada ciclo de funcionameno, concluise porano que o valor médio da ensão no induor é nulo. Sendo assim, a ensão média na carga é igual à ensão média na parcela resisiva. Daí: I MÉDIO 0,45 V = R SRMS Noe enão que o valor da induância não alera o valor médio da correne na carga. O efeio do induor é de filragem da componene CA de correne, ou seja, quano maior o valor da induância, menor será a ondulação (ripple) da correne. Comumene se diz que o induor alisa a correne. Correne e ensão nos diodos 1. A máxima ensão reversa sobre os diodos é dada pelo valor de pico da ensão de enrada do reificador. 2. Os valores médios das correnes nos diodos podem ser considerados como iguais à meade do valor calculado para a carga, quando a consane de empo for elevada (condução conínua). Prof. Marcio Brumai 24

27 3.3 Reificador Monofásico de Onda Complea em Pone a) Carga Resisiva Nesa configuração, ambém chamada de pone monofásica, durane o semiciclo posiivo da ensão de enrada os diodos D 1 e D 4 conduzem correne à carga e os diodos D 2 e D 3 esão bloqueados. Já no semiciclo negaivo, D 2 e D 3 passam a conduzir e D 1 e D 4 bloqueiam. Desa forma a ensão sobre a carga é sempre posiiva. A Figura 3.7 mosra as duas eapas de operação dese reificador com as principais formas de onda. i s v s D1 D3 D2 v R D4 v s v R i s D1 D2 vs v R i s D3 D4 D1 D4 D2 D3 D1 D4 V MÉDIO Fig. 3.7 Reificador a diodo em pone: eapas e principais formas de onda O valor médio da ensão na carga é dado por: E a correne média na carga é obida de: V = 0,9 MÉDIO V SRMS I MÉDIO 0,9 V = R S RMS Correne e ensão nos diodos da pone 1. A máxima ensão reversa sobre os diodos é dada pelo valor de pico da ensão de enrada da pone reificadora. 2. Os valores médios das correnes nos diodos são iguais à meade do valor calculado para a carga. Prof. Marcio Brumai 25

28 As oscilações que aparecem na ensão sobre a carga, denominamse ripple. Ese ripple de ensão pode ser reduzido com a inclusão de um filro capaciivo, normalmene um capacior elerolíico de alo valor em paralelo com a carga. b) Filro Capaciivo As formas de onda da Figura 3.8 comparam a ensão na carga e a correne na fone nas duas siuações, com e sem o capacior de filro. Quano maior a capaciância menor será o ripple. Como o capacior se maném carregado, os diodos são polarizados somene quando a ensão da rede ulrapassa o valor da ensão de saída sobre o capacior, porano durane pequenos inervalos de empo. Iso provoca correnes não senoidais na fone de alimenação, gerando harmônicas que reduzem o faor de poência e poluem o sisema elérico. V R V R i S i S (a) (b) Fig. 3.8 Tensão de saída e correne da rede para reificadores sem (a) e com (b) filro capaciivo. c) Carga RL A pone monofásica alimenando carga RL, bem como as principais formas de onda, esão represenados na Figura 3.9. i L V S D1 D2 L v l v s V L V L D3 D4 R vr D1 D4 I L D2 D3 D1 D4 Fig. 3.9 Reificador em pone monofásica alimenando carga RL e formas de onda.. Prof. Marcio Brumai 26

29 Com o uso do induor, podese ober uma correne de carga menos ondulada. Assim, quano maior o valor da induância, menor será o ripple de correne. As expressões para cálculo de ensão e correne médias são as mesmas para carga resisiva. d) Carga RLE Em algumas aplicações, os reificadores alimenam cargas RLE, ou seja, cargas consiuídas de resisência, induância e uma ensão CC. Como exemplo ípico, ciase um moor de correne conínua, cujo enrolameno de armadura pode ser represenado elericamene por uma resisência, uma ensão conínua (ensão gerada ou conraeleromoriz) e uma induância. Normalmene se uiliza um induor em série com o moor para diminuir a ondulação da correne. A Figura 3.10 apresena um reificador em pone com carga RLE e as principais formas de onda. v s i L D1 D2 L v l v s R v R D3 D4 E V L I L v L E V MÉDIO Fig Reificador em pone alimenando carga RLE. Considerando condução conínua, o que é assegurado pelo alo valor da induância, a correne na carga nunca se anula. Assim, a forma de onda da ensão na carga (V L ) não sofre aleração devido à exisência da ensão E. Sabendo que o valor médio da ensão na carga é dado por: V = 0,9 V L MÉDIO S RMS E como a ensão média no induor é zero, emse que: V = V E L MÉDIO R MÉDIO Enão, a correne média na carga é dada por: I L MÉDIO V = L MÉDIO Prof. Marcio Brumai 27 R E

30 3.4 Reificadores Trifásicos Na indúsria onde a rede rifásica esá disponível, às vezes é preferível uilizar reificadores rifásicos, que são consiuídos de rês ponos de enrada, cada um conecado a uma das fases da rede, sendo indicados para níveis maiores de poência (maior que 2kW). Nesa configuração, o ripple de ensão e de correne são menores, conseqüenemene os filros serão menores. Além disso, os reificadores rifásicos apresenam maior valor médio de ensão de saída Reificador Trifásico de Meia Onda A esruura apresenada na Figura 3.11 pode ser considerada uma associação de rês reificadores monofásicos de meia onda. Cada diodo é associado a uma das fases da rede de alimenação rifásica. Nesse ipo de reificador, ambém conhecido como reificador com pono médio, é indispensável o emprego do neuro do sisema de alimenação. D1 A D2 B D3 R C N Fig Reificador rifásico com pono médio. v L As formas de onda dese reificador alimenando uma carga resisiva esão apresenadas na figura Cada diodo do reificador conduz durane um inervalo de empo que corresponde a 120 graus eléricos da ensão da rede, sendo que o diodo em condução é sempre aquele conecado à fase que apresena o maior valor de ensão insanânea. v AN v BN v CN O valor médio da ensão na carga é dado pela expressão: V L D1 D2 D3 Diodos conduzindo V = 1,17 V MÉDIO RMS de FASE Onde V RMS de FASE é o valor eficaz da ensão de fase (enre fase e neuro). Fig Formas de onda do reificador de pono médio. Prof. Marcio Brumai 28

31 O valor médio da correne na carga é obido de: VMÉDIO I = MÉDIO R Com o uso de um induor em série com a carga resisiva, podese ober um ripple de correne ainda menor comparado com carga resisiva pura. Observase que as expressões para o cálculo da ensão e correne médias coninuam sendo válidas para carga RL. Correne e ensão nos diodos A máxima ensão reversa sobre os diodos é dada pelo valor de pico da ensão de linha (ensão enre fases) aplicada na enrada do reificador. Por quê?(...) V REVERSA = 2 3 V RMS de FASE Como cada diodo conduz durane um erço do período, a correne média nos diodos é dada por: I = D MÉDIA I MÉDIA NA CARGA Reificador Trifásico de Onda Complea O reificador rifásico de onda complea, apresenado na Figura 3.13, é conhecido ambém como V AN D1 D2 D3 pone rifásica ou como Pone de Graez, se raando de uma das esruuras mais empregadas indusrialmene. N V BN V CN V L Ese reificador apresena seis eapas de operação ao longo de um período da rede, sendo que cada eapa é caracerizada por um par de diodos em condução. D4 D5 D6 Fig Reificador rifásico de onda complea. Em cada insane a correne da carga flui por um diodo da pare superior (D 1, D 2 ou D 3 ) e um da pare inferior (D 4, D 5, ou D 6 ). A operação pode ser explicada assumindo as ensões nas rês fases conforme a seqüência mosrada na Fig Prof. Marcio Brumai 29

32 Como pode ser viso, a ensão da fase A é a maior das rês enre o período de 30 º a 150 º levando D 1 a condução. A fase B é a maior de 150 º a 270 º, fazendo D 2 conduzir. E a fase C é a maior enre 270 º e 390 º (ou 30 º do próximo ciclo), o que provoca a condução de D 3. De forma análoga, cada diodo inferior da pone conduz quando a fase ligada ao mesmo apresena o menor valor insanâneo denre as rês. Desa forma, podese consaar que a fase A em menor ensão de 210 º a 330 º, fazendo D 4 conduzir. A fase B de 330 º a 450 º (90 º do próximo ciclo), o que faz D 5 conduzir. E a fase C de 90 º a 210 º, levando D 6 a condução. O resulado final dos esados de condução são seis eapas de operação, al que em cada eapa, dois diodos (um da pare superior e um da pare inferior) esão conduzindo, como mosra a Fig Em cada eapa de operação duas fases esão conecadas a carga, uma aravés de um diodo superior e a oura aravés de um diodo inferior. A ensão de saída é dada pelo valor insanâneo das ensões enre as fases conecadas à carga em cada uma das seis eapas de operação mosradas, conforme mosra a Fig V AN V BN V CN D1 D5 D1 D6 D2 D6 D2 D4 D3 D4 D3 D5 Diodos cond uzindo Fig Tensões nas rês fases e diodos em condução nas seis eapas. V L V AB V AC V BC V BA V CA V CB V MÉDIO D1 D5 D1 D6 D2 D6 D2 D4 D3 D4 D3 D5 Diodos conduzindo Fig Forma de onda da ensão de saída de um reificador rifásico de onda complea. Prof. Marcio Brumai 30

33 Noe que a freqüência da componene fundamenal da ensão é igual a 6 vezes a freqüência das ensões de alimenação. Ou seja, para a rede de 60Hz, a ensão de saída apresena oscilação de 360Hz. O valor médio da ensão de saída é dada por: V = 2,34 V L MEDIO RMS de FASE Onde V RMS é o valor eficaz da ensão enre fase e neuro. O valor médio da correne de saída é: O ripple na correne de carga pode ser reduzido ainda mais se for uilizado um induor série. Observase que as expressões para o cálculo da ensão e correne médias coninuam sendo válidas para carga RL. A máxima ensão reversa e a correne média nos diodos são obidas da mesma forma que no reificador de pono médio. Enre as vanagens do reificador em pone de Graez sobre o reificador de pono médio, ciamse: maior ensão de saída (para uma mesma ensão de enrada); menor ripple da ensão de saída; e maior freqüência da componene fundamenal da ensão de saída (isso requer filros de menor peso e volume). V I = MÉDIO L MÉDIO R Prof. Marcio Brumai 31

34 4. RETIFICADORES CONTROLADOS Nese Capíulo serão apresenados os reificadores conrolados usando SCR s, enfocando o funcionameno da pare de poência dos reificadores. Os circuios de disparo dos SCR s serão apresenados no Capíulo Reificador Monofásico Conrolado de Meia Onda Se subsiuirmos o diodo do reificador de meia onda por um SCR, emse um reificador conrolado, o qual permie variar a ensão de saída. a) Carga Resisiva O circuio e as formas de onda do reificador monofásico de meia onda a irisor esão represenados na figura 4.1. V S V L π π sincronismo V S T 1 α d Circuio de disparo i G i L _ V T R _ V L I L V T i G V S pico VMÉDIO i MÉDIO α d α d Fig. 4.1 Reificador monofásico de meia onda a irisor e principais formas de onda. No semiciclo posiivo da ensão de enrada V S o SCR esá direamene polarizado, enreano o mesmo não conduz, pois é necessária a aplicação de um pulso de correne enre os erminais gae e caodo para que ele enre em condução. Assim, no inervalo (0, α) o SCR enconrase bloqueado e a ensão de carga é nula. Transcorrido um cero ângulo α d (ângulo de disparo) após a passagem da ensão Vs por zero, o circuio de disparo aplica um pulso de correne (I G ) enre os erminais gae e caodo do SCR provocando seu disparo. Com isso, a ensão na carga passa ser igual à ensão de enrada. Prof. Marcio Brumai 32

35 Como a carga é resisiva, a forma de onda de correne segue a forma de onda de ensão. No insane em que a ensão de alimenação e conseqüenemene a ensão na carga passam por zero, a correne de carga ambém se anula provocando o core do SCR. No inervalo (π, 2π) a ensão da fone ornase negaiva e o SCR se maném bloqueado. Porano, durane ese inervalo, a ensão e correne de carga permanecem nulas. Somene no próximo ciclo, quando for aingido o ângulo de disparo α d, é que ocorre o disparo e o processo se repee. Observase enão, que variandose o ângulo de disparo α d variase a ensão média de carga. Sendo V L MÉDIO a ensão média na carga, esa pode ser obida pela expressão: V L MEDIO = 0,225 V S RMS (1 cosα ) d Onde V S RMS é a ensão eficaz de enrada. As variações exremas ocorrem quando: α d = 0, enão emse que: V L MÉDIO = 0,45V S RMS (semelhane ao reificador não conrolado); α d = π (180 ), onde emse que: V L MÉDIO = 0. Na figura 4.2 esá represenada graficamene a ensão média na carga em função do ângulo de disparo α d. Tensão média de saída (p.u.) V L Mèdio V S RMS 0,450 0,225 0, Ângulo de disparo em graus Fig. 4.2 Gráfico represenaivo da ensão na carga em função de α d, para um reificador monofásico conrolado de meia onda com carga resisiva. Noe que a ensão média de saída é dada em p.u. (valor por unidade). Assim, ese gráfico pode ser uilizado para qualquer valor de ensão de enrada. Por exemplo: se o ângulo de disparo for 90, pelo gráfico se obém o valor 0,225. Enão, para uma ensão eficaz de enrada de 127V, a ensão média de saída será 0,225 x 127V = 28,5V. Prof. Marcio Brumai 33

36 b) Carga RL O circuio e as formas de onda para carga RL esão represenados na figura 4.3. V S i G i L 0 π β 2π V S T 1 L R V L i G I L V MÉDIO V L Fig. 4.3 Reificador de meia onda a irisor alimenando carga RL. α d α d Com carga RL o ângulo de exinção β da correne aravés do SCR é maior que π. Desa forma, enquano a correne aravés do SCR (correne de carga) não se anula, a ensão na carga se maném igual à da fone. Observase nese caso que, sendo o ângulo de exinção β maior que π, a ensão de carga assume valores negaivos. Como conseqüência, o valor médio da ensão na carga se reduzirá, em relação àquele para carga puramene resisiva. A ensão média na carga depende da ensão de enrada, do ângulo de disparo α e do ângulo de exinção β. O ângulo β, por sua vez, depende da carga. Porano, ao se variar a carga variase ambém a ensão média na mesma. Esa dependência do valor médio da ensão na carga, com a própria carga, ornase um grande inconveniene para esa esruura reificadora. c) Carga RL com diodo de Roda Livre O circuio e as formas de onda para o reificador de meia onda com diodo de circulação esão represenados na Figura 4.4. No inervalo (0, α d ) o SCR enconrase bloqueado, sendo assim a ensão de carga é nula. No insane correspondene ao ângulo α d, o SCR é disparado por ação da correne de gailho I G. Assim, no inervalo (α, π) a ensão na carga é igual à ensão da fone. No insane em que a ensão da fone passa por zero, e na eminência da ensão na carga se ornar negaiva, o diodo de reorno é polarizado direamene desviando a correne de carga e fazendo com que o SCR bloqueie. A correne passa a circular pelo diodo, decaindo exponencialmene, e a ensão na carga se maném nula. Prof. Marcio Brumai 34

37 V S i G i L 0 π β 2π T 1 L I L V MÉDIO V L V S D RL R V L i G T 1 D RL α d α d Fig. 4.4 Reificador monofásico de meia onda a irisor com diodo de circulação. Se o ângulo de disparo for elevado, é provável que a correne se anule anes do próximo disparo, caracerizando condução desconínua. Da mesma forma ocorre quando a carga apresena baixa consane de empo L / R, ou em ouras palavras, se a carga for pouco induiva. Por ouro lado, para baixos ângulos de disparo e cargas com elevada consane de empo, possivelmene a condução será conínua. Seja a expressão seguine para o calculo do valor médio da ensão na carga. V L MEDIO = 0,225 V S RMS (1 cosα ) d Noe que esa expressão é a mesma uilizada para o reificador de meia onda com carga resisiva pura. Porano, agora o valor médio da ensão na carga independe do ângulo de exinção β, ou seja, independe da carga. Desa forma, para uma dada carga induiva, o diodo de circulação provoca um aumeno no valor médio da ensão na carga, em relação à esruura sem ese diodo. 4.2 Reificador Monofásico Conrolado de Onda Complea em Pone a) Carga resisiva O reificador, ambém chamado de pone monofásica conrolada, é formado por quaro SCR s que são comandados aos pares: T1T4 e T2T3, como mosra a Figura 4.5. Quando a ensão de enrada é posiiva, os SCR s T1 e T4 podem ser disparados, permiindo um caminho para a correne circular enre a fone e a carga. Com carga resisiva, a correne chega a zero juno com a ensão, nese insane ese par de irisores é corado. No semiciclo negaivo da rede, os SCR s T2 e T3 conduzem a parir do pulso de gailho, desa forma a correne de carga permanece unidirecional, mesmo que a fone seja alernada. Prof. Marcio Brumai 35

38 V S v s T1 T2 v L V L π π T1 T4 T2 T3 T1 T4 VMÉDIO i G T3 T4 α d α d α d Fig. 4.5 Reificador monofásico conrolado em pone e formas de onda. A variação da ensão de saída é obida variandose o ângulo de disparo α d dos SCR s. A ensão média na carga é dada pela expressão a seguir, onde V S RMS é o valor eficaz da ensão de enrada. V L MEDIO = 0,45 V S RMS (1 cosα ) b) Carga RL Na Figura 4.6a esão represenadas as formas de onda de ensão e correne na carga quando a pone de SCR s alimena uma carga RL. Devido ao araso da correne em relação à ensão, quando esa passa por zero a correne ainda circula pelos SCR s e a carga, e enquano a correne não se anula, a ensão de carga se maném igual à da fone. Quando a correne se anular, o par de SCR s em condução é corado, e a ensão na carga se anula. Essa permanecerá nula aé que ocorra o próximo disparo provocando a condução do ouro par de SCR s. d V L V L I L I L T1 T4 T2 T3 T1 T4 T1 T4 T2 T3 T1 T4 i G i G α d α d α d α d α d α d (a) (b) Fig. 4.6 Formas de onda para carga RL; (a) em condução desconínua, e (b) em condução conínua. Prof. Marcio Brumai 36

39 Como a correne se anula anes da ocorrência do próximo disparo, a condução é desconínua. Se a induância L for grande o suficiene para que a correne não se anule anes do próximo disparo, a condução é dia como conínua. A Figura 4.6b apresena as formas de onda para ese caso. A condução conínua é possível para cargas com ala consane de empo (L/R) e baixos ângulos de disparo (inferiores a 90, por quê?...) 4.3 Reificador Monofásico Semiconrolado É possível economizar em componenes, subsiuindo dois SCR s da pone monofásica conrolada por dois diodos como mosra a Figura 4.7. O reificador obido é conhecido como reificador monofásico semiconrolado, ou ambém como pone monofásica semiconrolada, ou ainda como pone monofásica misa. T1 T2 T1 D1 Vs carga Vs carga D1 D2 D RL T2 D2 (a) (b) Fig. 4.7 Possibilidades para pone misa;(a) simérica, (b) assimérica. O funcionameno do reificador semiconrolado é semelhane ao do conrolado, sendo que a diferença esá no insane de bloqueio. A Figura 4.8 apresena as formas de onda e as quaro eapas de operação da pone misa do ipo simérica para carga RL. Eapa 1: No insane correspondene ao ângulo de disparo α d, durane o semiciclo posiivo da ensão de enrada, o SCR T 1 é disparado permiindo que a correne I L circule por ele e pelo diodo D 2. Nesa eapa a ensão de saída é igual à ensão de enrada. Eapa 2: Quando a ensão de enrada passa por zero e na eminência de assumir valores negaivos, o diodo D 1 fica direamene polarizado enrado em condução. Em conseqüência, o diodo D 2 fica reversamene polarizado, enrando em core. A correne de carga passa a circular por T 1 e D 1 manendo a ensão na carga nula. Dependendo da naureza da carga, a correne pode chegar a zero anes do próximo disparo. Eapa 3: no semiciclo negaivo de V S, quando T 2 é disparado, T 1 é corado e a correne da carga é conduzida por T 2 e o diodo D 1, manendo a ensão na saída posiiva. Prof. Marcio Brumai 37

40 Eapa 4: Quando a ensão de enrada passa por zero e na eminência de assumir valores posiivos, o diodo D 2 enra em condução e o diodo D 1 é corado. A correne de carga passa a circular por T 2 e D 2 manendo a saída com ensão nula. No caso de carga resisiva pura, como a correne se anula juno com a ensão, as eapas 2 e 4 não ocorrem, já que o SCR em condução é corado eviando esas eapas. V L i G i L T 1 D 2 T 1 D 1 T 2 D 1 T 2 D 2 T 1 D 2 (1) (2) (3) (4) (1) eapas α d α d α d i L i L _ V S T1 D1 T2 D2 L R V L _ V S T1 D1 T2 D2 L R V L eapa (1) eapa (2) i L i L _ V S T1 D1 T2 D2 L R V L _ V S T1 D1 T2 D2 L R V L eapa (3) eapa (4) Fig. 4.8 Formas de onda e eapas de operação da pone misa. Considerando que T 1 eseja em condução, noe que se T 2 não for disparado, e supondo que T 1 coninue a conduzir, em função da elevada consane de empo elérica da carga (carga muio induiva), no próximo semiciclo posiivo, a fone será novamene acoplada à carga aravés de T 1 e D 2 fornecendolhe mais correne. Ou seja, a simples reirada dos pulsos de disparo não garane o desligameno enre carga e fone. Para que isso ocorra é necessário diminuir o ângulo de disparo para que a correne se orne desconínua e assim T 1 core. Obviamene o mesmo comporameno Prof. Marcio Brumai 38

41 pode ocorrer com respeio ao ouro par de componenes. Iso pode ser eviado pela inclusão do diodo de roda livre D RL, o qual enrará em condução quando a ensão de enrada se inverer, corando o SCR e o diodo que esavam em condução. A vanagem da monagem assimérica é que os caodos dos SCR s esão em pono comum, de modo que os sinais de disparo podem esar num mesmo poencial. No caso da pone misa assimérica, como exise um caminho de livre circulação formado pelos diodos D 1 e D 2, oda vez que a fone de enrada invere a polaridade, a correne de carga é conduzida pelos diodos, levando ao core o SCR que esava em condução. Assim, a pone assimérica não apresena o problema mencionado, o que dispensa o uso do diodo D RL. A ensão média de saída numa pone misa monofásica é dada pela expressão abaixo. V L MEDIO = 0,45 V S RMS (1 cosα ) d 4.4 Reificador Trifásico Conrolado de Meia Onda a) Carga resisiva T1 O circuio dese reificador, conhecido ambém como A reificador rifásico conrolado de pono médio, esá represenada na Figura 4.9. O funcionameno do reificador conrolado é similar B T2 ao reificador não conrolado, a diferença esá na enrada em condução dos semiconduores de C T3 R poência. Iso faz com que se orne possível variar o valor da ensão de saída. N Seja a Figura 4.10a, na qual esão represenadas as formas de onda das rês fases e a ensão na carga para ângulo de disparo igual a zero. Observe que para o reificador rifásico, o ângulo de disparo é nulo quando duas ondas de ensão se inercepam e não quando a ensão passa por zero, como é o caso dos reificadores monofásicos. Percebese que o SCR T1, por exemplo, somene pode conduzir após os 30 o da fase A. Isso se deve ao fao de que anes dos 30 desa fase, T 1 esá reversamene polarizado, logo impossibiliado de conduzir. Porano, os disparos dos irisores devem ser sincronizados com a rede e arasados de 30 º para possibiliar qualquer variação da ensão de saída. Nas Figuras 4.10b e 4.10c esão apresenadas formas de onda de ensão de saída para ângulos de disparo 30 e 60 respecivamene. Fig. 4.9 Reificador rifásico de pono médio. Prof. Marcio Brumai 39

42 VAN VBN VCN VAN (a) T3 30 T1 T2 T3 T1 VAN VAN VBN VBN VCN VCN VAN (b) T T1 T2 T3 T1 α = 30 α = 30 α = 30 α = 30 VAN VBN VCN VAN α = 60 α = 60 α = 60 (c) T3 T1 T2 T3 T1 Fig Tensão na carga para o reificador de pono médio. (a) α = 0 o ; (b) α = 30 o ; (c) α = 60 Prof. Marcio Brumai 40

43 A ensão média na carga pode ser represenada graficamene pela curva a seguir. V Tensão média na carga. (p.u.) V L Médio S RMS _ FASE 1,17 1,00 0,75 0,50 0,25 0, Ângulo de disparo em graus Fig Tensão média na carga em função de α para carga resisiva. Observações: 1) Quando α d = 0 o, obémse resulado semelhane ao reificador a diodo, onde V L MEDIO = 1,17 V SRMS, que é o maior valor de ensão média na carga; 2) Quando α = 150 o, emse V L medio = 0. b) Carga RL O reificador de pono médio alimenando carga RL pode apresenar condução conínua ou desconínua, dependendo da carga e do ângulo de disparo. A Figura 4.12 mosra a ensão na carga em condução conínua. Como a correne na carga não se anula, a ensão na carga assume valores negaivos aé que ocorra o próximo disparo. Fig Tensão na carga para carga RL em condução conínua. Para eviar que a ensão na carga assuma valores insananeamene negaivos, uilizase um diodo de rodalivre em aniparalelo com a carga, permiindo a circulação de correne manendo a ensão na carga nula. Prof. Marcio Brumai 41

44 4.5 Reificador Trifásico Conrolado de Onda Complea a) Carga Resisiva Também conhecido como pone rifásica conrolada, ese reificador esá apresenado na figura Como é possível arasar a enrada em condução dos SCR s podese variar o valor da ensão de saída. T1 T2 T3 V AN N V BN V CN V L R T4 T5 T6 Fig Reificador rifásico conrolado em pone com carga resisiva. O valor médio da ensão na carga esá represenado graficamene na figura Tensão média na carga. (p.u.) V V L Médio S RMS _ FASE 2,34 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Ângulo de disparo em graus Fig Tensão média de carga para carga resisiva. Observações: 1) Quando α = 0 o, obémse resulado semelhane ao reificador a diodo, onde V L MEDIO = 2,34 V S RMS, que é o valor máximo da ensão média de carga; 2) Quando α = 120 o, emse V L medio = 0. Prof. Marcio Brumai 42

45 A ensão de saída é dada pela diferença enre duas fases, uma que se coneca a carga aravés de um SCR da pare superior da pone, e oura aravés de um SCR da pare inferior. Considerando seqüência de fase ABC, a seqüência das ensões que surgirão na saída é Vab Vac Vbc Vba Vca Vcb, como mosra a Figura A parir daí, se esabelece a seqüência com que os seis SCR s são disparados, a saber: T1 T6 T2 T4 T3 T5. Esa seqüência de disparo ocorre a cada ciclo de rede, resulando em um disparo a cada 60. Na figura 4.15 esão represenadas as formas de onda de ensão de carga para 3 ângulos de disparo diferenes. Assim como no reificador rifásico conrolado de pono médio, os disparos dos irisores devem ser sincronizados com a rede e arasados em 30 º para possibiliar qualquer variação da ensão de saída. Sendo assim, o SCR T1 por exemplo, somene poderá ser disparado após passados os 30 da fase A, pois anes dese insane o mesmo esará reversamene polarizado. Como na pone rifásica o neuro do sisema esá ausene, é conveniene nos referirmos às ensões de linha (fasefase) ao invés de ensões de fase. Desa forma, no mesmo exemplo, no insane em que a fase A passa pelos 30, a ensão Vab passa pelos 60 (30 de defasameno). Assim, o disparo de T1 só será possível após os 60 da ensão Vab (que é o mesmo que 30 após a passagem da fase A por 0 ). Prof. Marcio Brumai 43

46 Vcb Vab Vac Vbc Vba Vca Vcb Vab Vac SCR s EM CONDUÇÃO SEQÜÊNCIA DE DISPARO Fig Formas de onda de ensão na carga para diferenes valores de α. Prof. Marcio Brumai 44

47 b) Carga RL A pone rifásica conrolada alimenando carga RL pode apresenar condução conínua ou desconínua, dependendo da carga e do ângulo de disparo. A Figura 4.16 mosra a ensão na carga em condução conínua para ângulo de disparo de 75. Como a correne na carga não se anula, a ensão na carga assume valores negaivos aé que ocorra o próximo disparo. Vab 75 0 Fig Tensão de saída para carga RL em condução conínua. Para eviar que a ensão na carga assuma valores insananeamene negaivos pode ser uilizado um diodo de rodalivre em aniparalelo com a carga, permiindo a circulação de correne manendo a ensão na carga nula. 4.6 Reificador Trifásico Semiconrolado Uma alernaiva mais simples para um reificador rifásico de onda complea que possibilia variação de ensão de saída é o reificador semiconrolado ou pone rifásica misa, que esa apresenada na Figura Em muias aplicações é recomendável o emprego da pone misa em subsiuição à pone complea. Iso reduz o cuso da implemenação da esruura, por uilizar circuios de disparo mais simples e uilizar apenas 3 SCR s. Prof. Marcio Brumai 45

48 T1 T2 T3 V AN N V BN V CN V L R D1 D2 D3 Fig Reificador Trifásico Semiconrolado. A Figura 4.18 mosra a forma de onda de ensão na saída para ângulo de disparo igual a 30, bem como as eapas de operação. Vcb Vab Vac Vbc Vba Vca Vcb 0 α = 30 0 α = 30 0 α = 30 T3 T1 T2 T3 T1 D2 D3 D1 D2 Fig Forma de onda de ensão na saída para ângulo de disparo igual a 30. Para ângulos de disparo inferiores a 60 a condução de correne é sempre conínua, pelo fao da ensão na carga nunca assumir valor nulo. Para ângulo de disparo superior a 60, a ensão na carga ainge valor nulo anes da ocorrência do próximo disparo, o que provoca condução desconínua no caso de carga resisiva. A Figura 4.19 mosra a forma de onda de ensão na saída para ângulo de disparo igual a 90. Prof. Marcio Brumai 46

49 Vcb Vab Vac Vbc Vba Vca Vcb 0 α = 90 T3 D2 T3 D3 T1 T1 T2 T2 T3 D3 D1 D1 D2 D2 eapas em caso de carga induiva Fig Forma de onda de ensão na saída para ângulo de disparo igual a 90. É imporane desacar que, mesmo para operação com carga induiva, não é possível a obenção de valores médios negaivos de ensão na carga, uma vez que exisirá sempre, para α > 60 o, um inervalo de condução conjuna enre SCR e diodo de um mesmo "braço" do reificador que, associados em série, levarão a ensão insanânea na carga a ser nula (roda livre da correne de carga). Assim como ocorre na pone misa monofásica, é comum o emprego de um diodo de rodalivre em aniparalelo com a carga quando a mesma for induiva. A sua finalidade é eviar a possibilidade de não desligameno enre carga e fone quando forem inibidos os pulsos de disparo. Pode ocorrer, no caso de carga muio induiva, de ulimo SCR a ser disparado permanecer conduzindo manendo eapas de condução indesejadas com os diodos inferiores da pone. O uso do diodo de rodalivre permie um caminho de livre circulação de correne, o que evia a eapa de condução enre o SCR e o diodo de um mesmo braço, assim se garane que o SCR será corado e eviase o problema mencionado. A ensão média na carga para uma pone rifásica semiconrolada é dada pela expressão: V L MÉDIO 1,17 VRMS _ DE _ = FASE (1 cosα ) Prof. Marcio Brumai 47

50 4.7 Sincronismo de Reificadores Trifásicos Como já foi discuido em relação a reificadores rifásicos, os disparos dos SCR s devem ser sincronizados com a rede e arasados de 30 º. Em circuios de disparo para reificadores rifásicos, o sincronismo pode ser obido uilizando ensões de linha como referência, de modo a ober essa defasagem de 30. O uso do diagrama fasorial facilia a compreensão do sincronismo. Vejamos a Figura 4.20, na qual esão represenados os fasores das fases A, B e C e das ensões de linha Vac, Vba e Vcb, considerando seqüência de fase ABC. V C V CB V B SEQ. ABC 30 w V A 30 V A ref. V BA 30 V AC V B V C Fig Diagrama fasorial e sincronismo. Noe que a ensão Vac esá arasada 30 em relação à fase A. Assim, quando Vac passar por 0, a fase A esá avançada em 30. Dese modo, podemos uilizar a ensão Vac como referência de sincronismo para os SCRs ligados à fase A (T1 e T4). Do mesmo modo, os disparos dos SCRs T2 e T5, que esão ligados à fase B, devem esar sincronizados com a ensão Vba, a qual esá arasada 30 em relação à fase B. E de forma semelhane os disparos de T3 e T6 devem ser sincronizados com Vcb, a qual esá arasada 30 em relação à fase C. Prof. Marcio Brumai 48

51 4.8 Acionameno de Moores CC Com Reificadores Com o aparecimeno dos moores de indução e seu crescene uso em aplicações indusriais, além do baraeameno e aprimorameno das écnicas de conrole, a uilização de moores de indução é cada vez mais araiva. Enreano, um número elevado de moores CC é ainda consruído em função de suas caracerísicas, apropriadas para muios acionamenos em velocidade variável. Enre as vanagens no uso de moores CC ciamse: o elevado orque de parida, ideal para fins de ração elérica; o conrole preciso de velocidade; maior simplicidade e menor cuso dos sisemas de conrole em relação aos requeridos para moores de indução. O ipo de acionameno a ser empregado depende de, enre ouras coisas, poência requerida, fone disponível(1φ ou 3Φ ), ondulação de correne permiida no moor, se o sisema é reversível ou não, e se há necessidade de regeneração. De modo geral, os reificadores conrolados monofásicos são resrios a poências menores que 2kW, acima dese valor o reificador rifásico é normalmene uilizado. A Figura 4.21 mosra o esquema básico de conrole de velocidade de um moor CC com exciação independene. A B C Ia If A B C Reificador Conrolado Va L filro MCC Vf Reificador não Conrolado Circuio de Disparo Ajuse de Velocidade Fig Sisema básico de conrole de velocidade de um moor CC. Nese sisema é uilizado um reificador conrolado (ou semiconrolado) para alimenar o circuio de armadura, possibiliando variar a ensão e conseqüenemene a velocidade. O circuio de campo é alimenado por um reificador não conrolado. Prof. Marcio Brumai 49

52 A uilização de um reificador semiconrolado para alimenar o circuio de armadura, implica em menor cuso e maior simplicidade. Na maioria das vezes esa esruura é a escolhida, aendendo a necessidade do sisema. Em sisemas onde há necessidade de reversão de velocidade, podese uilizar o esquema da Figura L filro Reificador Conrolado MCC Fig Sisema reversível usando chaves conaoras. Nese sisema, quando houver a necessidade de inverer o senido da velocidade, o disparo dos SCRs deve ser arasado ou inibido de modo que a correne se anule. Após isso, o conaor é acionado para inverer a polaridade da ensão de armadura e conseqüenemene o senido de roação do moor. 4.9 Acionameno de Moores CC em Quaro Quadranes Um ipo de classificação de conversores esáicos é quano ao numero de quadranes de operação. As duas principais grandezas a considerar quando raamos de moores CC são a velocidade (proporcional à ensão induzida na armadura E g ) e o conjugado (proporcional à correne de armadura I a ). Combinando esas grandezas, êmse quaro quadranes de operação, como mosra a Figura No primeiro quadrane, caracerizado por velocidade e conjugado posiivos, o moor opera na região moora direa. No segundo quadrane a velocidade é posiiva, porém o conjugado se opõem a ela, caracerizando a frenagem no senido direo. No erceiro quadrane, velocidade e conjugado são negaivos, o que caraceriza a região moora reversa. No quaro quadrane, a velocidade é negaiva e o conjugado é conrário a ela, o que provoca uma frenagem no senido reverso. Prof. Marcio Brumai 50

53 2 Q Velocidade (Eg) 1 Q frenagem direa 3 Q moora reversa moora direa frenagem reversa 4 Q Conjugado (Ia) Fig Quadranes de operação de um moor CC Funcionameno da Pone Complea Como Reificador ou Inversor Sabese que os reificadores oalmene conrolados quando alimenam cargas induivas apresenam ensão insananeamene negaiva na saída. Consideremos a operação da pone complea monofásica no modo de condução conínuo. Assim, sabese que a correne de carga não se anula anes da ocorrência do próximo disparo. Dese modo, sempre um par de irisores esará conduzindo (T1 e T 4 no semiciclo posiivo; T 2 e T 3 no semiciclo negaivo). Como esamos raando do acionameno de moor CC, o mesmo será represenado como uma carga RLE. Se o ângulo de disparo for menor que 90, a ensão média na saída será posiiva. Nesa siuação, a carga (moor) esá recebendo energia proveniene da fone. A Figura 4.24 mosra esa siuação. Como o fluxo de poência vai da fone (CA) para a carga (CC), a pone opera como um reificador. E Fig Pone monofásica com carga RLE operando como reificador: 0 < α < π /2. Prof. Marcio Brumai 51

54 Agora considere que o ângulo de disparo é maior que 90, como mosra a Figura Nese caso a ensão média na saída da pone será negaiva. Sendo assim, a carga (moor) fornece energia para a fone. Como o fluxo de poência vai da carga (CC) para a fone (CA), a pone opera como inversor. _ E Fig Pone monofásica com carga RLE operando como Inversor: π /2 < α < π. Na operação da pone como inversor, o moor esá na região de frenagem ransferindo a energia cinéica do eixo para a fone CA. Ese ipo de frenagem é chamada frenagem regeneraiva. A parir do exposo percebese que a pone complea permie a operação em dois quadranes. Quando a pone funciona como reificador, o moor esá na região moora direa, ou seja no 1 quadrane (ensão e correne posiivas). Na operação da pone como inversor, o moor opera no 4 quadrane (ensão negaiva e correne posiiva), esá ocorrendo uma frenagem reversa. Noe que a polaridade da fone E é negaiva, simbolizando que o moor esá girando no senido reverso Acionameno por Conversores Duais Uma solução para o acionameno de moores CC com velocidade variável em quaro quadranes são os Conversores Duais, como mosrado na Figura O conversor dual é originado pela associação em aniparalelo de dois reificadores oalmene conrolados. Eses reificadores podem ser rifásicos ou a pone monofásica. Prof. Marcio Brumai 52

55 A B C Ia L Ib A B C If Va V M MCC _ I M L Vb Vf Esruura A L L Esruura B Fig Acionameno de moor CC com conversor dual. Cada esruura (A e B) possibilia a operação em dois quadranes de operação, oalizando quaro quadranes. A esruura A é capaz de fornecer correne posiiva e ensão ano posiiva como negaiva para o moor, assim permie a operação no 1 (moora direa) e 4 (frenagem reversa) quadranes. Já a esruura B fornece correne negaiva, e ensão em ambos os senidos, possibiliando operação no 2 (frenagem direa) e 3 (moora reversa) quadranes. As esruuras podem operar isoladas ou simulaneamene. No caso isolado, quando uma esruura esiver funcionando, os pulsos de disparo da oura esruura são inibidos. Para inverer o senido de roação, a esruura que opera é inibida, e a oura enra em funcionameno provocando a inversão de roação. Na operação simulânea das esruuras, esas fecham uma malha conendo os induores. Como a ensão média nos induores é nula, enão as ensões médias de saída dos reificadores devem ser iguais com sinais oposos (Va Médio = Vb Médio ). Esa condição é garanida aravés de uma relação enre os ângulos de disparo dos dois reificadores: α = 180 A α B Se esa relação não for saisfeia, a diferença enre os valores médios de ensão faz crescer uma correne de circulação enre as esruuras. Tal correne crescerá indefinidamene aé provocar danos aos reificadores. Embora se garana que as ensões Va e Vb enham mesmo valor médio, o mesmo não ocorre com os valores insanâneos. Assim, devido esa diferença de poencial enre os reificadores surge uma correne de circulação enre os mesmos. Para limiar esa correne se uilizam os induores, que além desa função servem como filro diminuindo o ripple de correne no moor. Prof. Marcio Brumai 53

56 O conversor dual permie o conrole de velocidade, reversão e frenagem regeneraiva. Quando o moor funciona na região moora direa, a esruura A opera como reificador fornecendo energia para o moor. Enão se êm que: α A < 90 e α B > 90 Nesa siuação, a esruura A fornece ensão e correne posiivas para o moor (V M > 0, I M > 0). Já a esruura B não processa energia. Com a elevação do ângulo de disparo α A (e diminuição de α B )ocorre uma redução de velocidade aravés de uma frenagem direa, siuação em que a esruura B opera como inversor, ransferindo energia do moor para a rede CA (regeneração). Nese caso, a esruura B fornece ensão posiiva e correne negaiva para o moor (V M > 0, I M < 0), e a esruura A não processa energia. Para funcionameno na região moora reversa, êm se que a esruura B opera como reificador fornecendo energia para o moor. Daí: α B < 90 e α A > 90 Nesa siuação, a esruura B fornece ensão e correne negaivas para o moor (V M < 0, I M < 0), e a esruura A não processa energia. Para reduzir a velocidade, provocando uma frenagem reversa devese elevar o ângulo de disparo α B (e diminuir α A ), dese modo a esruura A opera como inversor, ransferindo energia do moor para a rede CA (regeneração). Nesa siuação, a esruura A fornece ensão negaiva e correne posiiva para o moor (V M < 0, I M > 0), e a esruura B não processa energia. Prof. Marcio Brumai 54

57 Prof. Marcio Brumai 55

58 5. CIRCUITOS DE DISPARO 5.1 Inrodução Como foi raado no Capíulo 2, o meio mais comum para levar um SCR à condução é a aplicação de uma correne enre os erminais gae e caodo. O fabricane do componene esabelece uma série de especificações de disparo, enre elas: correne de gailho, ensão de gailho e empo de disparo. Assim, o circuio de disparo deve: Considerar as variações das caracerísicas do componene denro dos limies esabelecidos pelo fabricane; Não exceder as especificações de ensão, correne e poência de gailho; Assegurar que o disparo não ocorra quando não desejado, aravés de sinais ruidosos. Assegurar que o disparo ocorrerá quando desejado. Permiir variação do ângulo de disparo. O disparo pode ser feio com a aplicação de correne conínua enre gae e caodo, enreano esa alernaiva provoca um aquecimeno do componene devido à poência dissipada na junção gaecaodo. Assim, maiores cuidados devem ser omados no projeo considerando a especificação da máxima poência de gailho. Uma forma de reduzir a poência dissipada no gailho é o disparo por pulsos, além de possibiliar a isolação enre o circuio de disparo e o disposiivo. A isolação elérica, obida por ransformadores de pulso ou acopladores óicos, permie que uma única fone de sinal forneça os pulsos necessários para o disparo de vários irisores. 5.2 Circuio de Disparo Com Sinais CA Os circuios mais simples uilizam a própria fone CA para produzir os disparos dos irisores. A figura 5.1a apresena um circuio aplicado no conrole de poência na carga usando o SCR. O ângulo de disparo é ajusado aravés do poenciômero. Ese circuio permie o conrole do ângulo de disparo somene aé 90, assim, o conrole de ensão na carga não é compleo. Uma maneira de resolver ese problema é mosrada na figura 5.1b. A idéia é arasar a ensão que irá comandar o disparo do irisor. Desa forma, a ensão de disparo irá ocorrer mais arde no semiciclo posiivo. Prof. Marcio Brumai 56

59 carga carga V CA Po R1 SCR V CA R1 Po D2 SCR D C D1 (a) (b) Fig. 5.1 Circuios de disparo de SCR usando a rede CA. Da mesma forma, o ângulo de disparo é variado aravés do poenciômero. O diodo D 1 garane que só haverá correne de gailho no semiciclo posiivo da ensão da rede, eviando perdas desnecessárias no gailho do SCR quando ese esiver bloqueado. O diodo D 2 conduz no semiciclo negaivo carregando o capacior C 1 com ensão negaiva. Isso garane que, em cada semiciclo posiivo, o capacior comece sempre a se carregar a parir de uma ensão fixa, manendo a regularidade do disparo. O TRIAC ambém pode ser uilizado para variação de poência na carga. A única diferença é que nese caso, a condução de carga R1 correne ocorre em ambos senidos, ou seja, V CA Po Triac o conrole de fase pode ser feio nos semiciclos posiivo e negaivo. C diac Quando o TRIAC é usado, é freqüenemene uilizado o DIAC como disposiivo de disparo, conforme pode ser viso na Figura 5.2. Fig. 5.2 Circuios de variação de poência com TRIAC. O circuio funciona da seguine maneira: o capacior carregase aé aingir a ensão V diac de disparo do DIAC. Quando isso ocorre, o DIAC enra em condução e cria um caminho de baixa impedância para o capacior descarregarse sobre o gailho do TRIAC. O ângulo de disparo é ajusado aravés do poenciômero. 5.3 Circuio de Disparo Com Pulsos Usando o UJT Como já foi dio, o disparo por pulsos evia o aquecimeno do componene provocado por disparo com sinais CC, e possibilia a isolação elérica enre o circuio de disparo e o circuio de poência por meio de ransformadores de pulso. Prof. Marcio Brumai 57

60 O Transisor de Unijunção (UJT) O UJT é um disposiivo semiconduor de rês erminais como mosra a Figura 5.3. B 2 B 2 r B2 E E Vx Vbb Ve r B1 B 1 B 1 _ (a) (b) Fig. 5.3 Transisor de Unijunção UJT: (a) Símbolo (b) Circuio equivalene com polarização. Os erminais são: base 1 (B1), base 2 (B2) e emissor (E). O circuio equivalene do UJT apresena um diodo, que represena a junção PN do emissor. Enre os erminais B 2 e B 1 exise uma barra de maerial N que pode ser dividida em duas pares: a primeira pare, r B2, equivale à resisência da pare superior da barra e a segunda, r B1, a resisência da pare inferior. Considerando o circuio equivalene, podese concluir que sem polarização de emissor o disposiivo funciona como um divisor resisivo, por onde circula uma correne da ordem de miliampères. De onde se obém: V X = r B1 rb 1 r B2 Vbb Onde a relação r B1 /(r B1 r B2 ) é denominada relação inrínseca η, a qual depende apenas dos parâmeros inernos do disposiivo (Para o UJT 2N2646, η é da ordem de 0.6). Assim podese escrever: V X = η Vbb Com polarização de emissor, enquano a ensão Ve for menor que Vd Vx, o diodo do emissor esá corado. Quando a ensão Ve for superior que Vd Vx, o diodo de emissor fica direamene polarizado permiindo circulação de correne enre o emissor e base 1. Isso faz com que a resisência r B1 diminua de seu valor máximo (da ordem de 5kΩ), para 50Ω aproximadamene. Prof. Marcio Brumai 58

61 Esse comporameno permie o conrole de carga e descarga de um capacior ligado no emissor, cuja descarga será uilizada para disparar SCRs e TRIACs. Se desprezarmos a queda de ensão no diodo, a equação caracerísica do UJT é: Oscilador de Relaxação com UJT V E =η Vbb A figura 5.4 mosra um circuio radicional de disparo usando UJT, que consise em um oscilador de relaxação. Vbb Ve R R 2 η.vbb UJT B 2 V e E B 1 Vb1 V B1 C R 1 Fig. 5.4 Oscilador de relaxação com UJT e formas de onda. Na práica, uilizase R 2 << r B2, fazendo com que a queda de ensão em R 2 seja desprezível. O mesmo ocorre com R 1 e r B1. Considerando o capacior inicialmene descarregado, ese impõe Ve menor que ηv bb. Com o passar do empo, o capacior vai se carregando aravés de R, elevando o poencial Ve aé aingir ηv bb. Isso provoca o início da condução do emissor, conseqüenemene diminuindo o valor de r B1, descarregando rapidamene o capacior C, fornecendo um pulso de ensão no pono V b1. Com a descarga do capacior, o poencial de Ve é reduzido aé provocar novamene o core do UJT, reiniciando o ciclo. O resisor R 1 é o responsável pela colea do pulso dado pela descarga do capacior C, assumindo um valor na ordem de dezenas ou cenenas de ohm. O resisor R 2 melhora a esabilidade érmica do UJT, ipicamene com valores na ordem de cenenas de ohm. Prof. Marcio Brumai 59

62 O empo de oscilação depende de R, C e η. Para o UJT2N2646 o período de oscilação é aproximadamene dado por R x C. Oscilador de Relaxação com UJT Sincronizado com a Rede O oscilador de relaxação pode ser facilmene colocado em sincronismo com a rede para disparar irisores em circuios de poência. Veja a Figura 5.5. R3 D1 R R2 CARGA Dz C R1 UJT SCR Rede CA Fig. 5.5 Circuio de disparo sincronizado com a rede usando UJT. O funcionameno é bem simples. No semiciclo negaivo da ensão da rede o diodo D 1 esá em core e o oscilador não aua. No semiciclo posiivo, aé que a ensão da rede ainja V Z, o diodo zener esá bloqueado. A parir daí, o oscilador ficará alimenado com Vbb = V Z. Como a ensão de pico da rede é bem maior que V Z, isso ocorrerá logo no início do semiciclo posiivo. Uma vez alimenado, o circuio oscilará normalmene e o primeiro pulso (com ângulo α em relação à ensão da rede) irá disparar o SCR. Os demais pulsos são desnecessários, mas ineviáveis nese circuio. Para variar o ângulo de disparo basa variar a resisência R. As formas de onda são mosradas na Figura 5.6. V C η.vz VR1 α Vrede Fig. 5.6 Formas de onda do circuio de disparo sincronizado com a rede. Prof. Marcio Brumai 60

63 5.4 Isolação de Circuios de Disparo Os SCRs e TRIACs são disposiivos para conrole de poência, que operam com ensões e correnes elevadas, quando comparadas com os circuios de sinal (circuios analógicos e digiais). Para que os circuios de sinal, uilizados em circuios de disparo, não sejam afeados pelas ensões e correnes dos circuios de poência, é necessário isolálos galvanicamene. Transformadores de Pulso Os ransformadores de pulso ransmiem pulsos de disparo aos SCR s e TRIAC s. A duração necessária do pulso de disparo depende do ipo de carga. Por exemplo, para carga induiva, devese maner o pulso aplicado por um inervalo de empo razoável, garanindo que o SCR eseja em condução no insane em que o pulso seja reirado. Isso resula em pulsos largos, que endem a saurar o núcleo do ransformador de pulso. Para eviar esa sauração, são uilizados pulsos em ala freqüência. O pulso largo é ransformado em um rem de pulsos de ala freqüência, de acordo com a figura 5.8. A obenção do rem de pulsos a parir do sinal de disparo pode ser feia uilizando um oscilador de relaxação. Uma oura possibilidade é combinar o sinal de disparo com um sinal em ala freqüência, obido por um oscilador (usando o CI555 por exemplo). VS RS Fig. 5.7 Transformador de pulso. G Transformador de Pulso Sinal de disparo Trem de pulsos Fig. 5.8 Trem de pulsos de ala freqüência. A K Acopladores Ópicos Ouro modo de ober isolação dos pulsos de disparo é aravés de acopladores ópicos. Basicamene, um acoplador ópico é consiuído de um LED infravermelho e um foodeecor, que pode ser um ransisor, um SCR, ou um TRIAC. O circuio da Figura 5.9 mosra como é possível acionar um TRIAC uilizando um acoplador ópico o qual uiliza um Triac como foodeecor. O acoplador uilizado é o MOC3011 da Moorola. R2 V conrole Acoplador Óico R 1 carga Vca Fig. 5.9 Circuio de disparo com acoplador ópico. Prof. Marcio Brumai 61

64 5.5 Circuio Inegrado TCA785 O circuio inegrado TCA 785, enre várias aplicações, é dedicado à aplicação de conrole de ângulo de disparo de SCR s e TRIAC s coninuamene de 0 a 180. O uso dese CI permie a redução do volume do circuio de disparo. A Figura 5.10 mosra o diagrama de blocos do TCA fone reg. Vcc in deecor de passagem por zero regisrador de sincronismo monior de descida de C R comparador de disparo lógica de formação de pulsos Q 1 Q 2 Q 1 Q 2 Q U Q Z C 8 R R C R ensão de conrole C 12 Fig.5.10 Diagrama de blocos do TCA785. Todo circuio de disparo, em reificadores conrolados, deve ser sincronizado com a rede, ou ocorrerá o disparo aleaório dos irisores, uma vez que cada pulso será aplicado num insane diferene, que não esá relacionado com a ensão da rede. Para se efeuar o sincronismo, no TCA 785 exise um deecor de passagem por zero. A enrada para o sincronismo é no pino 5 como mosra a Figura 5.11 que apresena uma configuração padrão para sincronismo. R V sincronismo (5) D 1 D 2 (1) TCA 785 Fig.5.11 Conexão para sincronismo. Prof. Marcio Brumai 62

65 A filosofia de sincronismo é um gerador de rampa, cuja caracerísica é ajusada por R R e C R, nos pinos 9 e 10, respecivamene. O gerador de rampa fornece uma ensão que varia linearmene com o empo (rea). Isso é obido aravés da carga do capacior C R com uma correne consane, a qual é ajusada por R R. O capacior se carrega aé que, no próximo cruzameno por zero, o deecor de passagem por zero, informe o eveno ao regisrador de sincronismo. O regisrador gera um pulso de sincronismo que saura o ransisor e conseqüenemene, o capacior se descarrega rapidamene. Após a complea descarga do capacior, a próxima rampa se inicia. O resulado é um sinal com forma de onda dene de serra sincronizado com a rede. A ensão da rampa é comparada com a ensão de conrole, no pino 11 do TCA785. Quando esas ensões se igualarem, a saída do comparador de disparo muda de esado indicando ao bloco de formação de pulsos que um pulso de disparo deve ser gerado. A figura 5.12 mosra ese mecanismo. As principais saídas do TCA785 são Q 1 (pino 14) e Q 2 (pino 15). Q 1 produz disparo no semiciclo negaivo e Q 2 no semiciclo posiivo da ensão de sincronismo. A duração dos pulsos depende do valor da capaciância C 12, conecada no pino 12. Com o pino abero, a duração é cura(30µs). E se o pino 12 esiver aerrado a duração é longa (esendendose aé o fim do semiciclo, ou seja, a duração vale 180 α). Vs V V CR conrole comparador de disparo α α Fig Comparador de disparo. Vs O TCA possui ouras saídas, como as saídas V conrole V CR Q 1 (pino 4) e 2 Q (pino 2) que são complemenares em relação às saídas Q 1 e Q 2, respecivamene. O aerrameno do pino 13 resula em pulsos de longa duração nas saídas Q e 1 Q 2. Além desas, exisem duas saídas auxiliares. A saída QU é similar à saída Q 1, enreano a duração do pulso é Q 2 Q 1 Q Z α pino 12 aerrado α fixa valendo 180. A saída Q Z, é igual a uma associação lógica NOR das saídas Q 1 e Q 2, sendo Fig.5.13 Formas de onda do TCA 785 úil no disparo de TRIAC s. Prof. Marcio Brumai 63

66 Uma opção imporane no TCA785 é a possibilidade de bloqueio das saídas que é feio aravés do pino 6. Se o pino 6 esiver em nível alo, as saídas esão liberadas; e se esiver em nível baixo, esará garanido o bloqueio dos pulsos. Alguns dados écnicos do TCA 785: Tensão de alimenação: 8 a 18V (pino 16); o TCA possui um regulador inerno para alimenação dos circuios inernos. A ensão é Vcc in = 3,1V, que esá disponível no pino 8. Freqüência de rabalho: 10 a 500Hz; Correne máxima dos pulsos de saída: 60mA; Tensão de saída: 2 a 3 V menor que a ensão de alimenação; Correne de carga do capacior C R : (10uA 1mA); Esa correne é ajusada por R 9, al que: 1,1 Vcc I CR = R 9 in A ensão da rampa V CR esá limiada a 2V abaixo da ensão de alimenação, dada por: V CR = I C CR R Os valores máximo e mínimo do capacior C R são 1uF e 500pF. A Figura 5.14 apresena uma aplicação do TCA785, onde se pode variar a velocidade de um moor universal. Aravés de um poenciômero variase o ângulo de disparo do Triac, e conseqüenemene a ensão aplicada ao moor. Ese circuio de disparo é oalmene isolado já que se uiliza ransformador para o sincronismo e ambém para a aplicação dos pulsos, os quais são obidos usando um CI555. Vcc po Vcc R 8 R 2 R TCA D 3 R 4 D 6 D 7 R 9 R 10 D 5 T 2 Q D 4 Q 1 Vcc riac C 1 R 5 R 6 Vs Vs T 1 R 1 D 1 D 2 R R C R C R 7 C 2 Mca ω Fig.5.14 Exemplo de aplicação do TCA 785. Prof. Marcio Brumai 64

67 6. CONTROLADORES CA Em algumas aplicações, alimenadas em correne alernada, nas quais desejase alerar o valor da ensão (e da correne) eficaz da carga, é usual o emprego dos chamados Conroladores CA, ambém designados como Variadores de Tensão, Gradadores ou Conaores Esáicos. Como aplicações ípicas podese ciar, denre ouras: aquecimeno (conrole de emperaura); reguladores de ensão; conrole de inensidade luminosa em lâmpadas incandescenes; acionameno de moores CA; parida suave de moores de indução (sofsarer); compensação de reaivos em sisemas de poência. Os disposiivos semiconduores de poência empregados em ais conversores são ipicamene os irisores, uma vez que se pode conar com a ocorrência de comuação naural pela rede. Em aplicações de baixa poência podese fazer uso de TRIAC s, enquano para poência mais elevada uilizamse 2 SCR s em aniparalelo. Fig. 6.1 Conrolador CA usando Triac ou SCR. Dois ipos de conrole são normalmene empregados: o conrole ligadesliga e o conrole de fase. 6.1 Conrole LigaDesliga Ese ipo de conrole é usado em siuações em que a consane de empo da carga é muio grande em relação ao período da rede CA, como em sisemas de aquecimeno. O conrole consise simplesmene em ligar e desligar a alimenação da carga (em geral uma resisência). O inervalo de condução e ambém o de bloqueio do inerrupor é ipicamene de muios ciclos da rede. Ese ipo de conrole ambém é chamado de conrole por ciclos ineiros. Prof. Marcio Brumai 65

68 Fig. 6.2 Tensão na carga com conrole ligadesliga. A ensão eficaz na carga, e conseqüenemene a poência média, podem ser variadas aravés do empo em que a carga é alimenada ( on ) e do empo em que a carga é desligada( off ). A Poência média é dada pela relação: P P = Onde P ON é a poência na carga durane o inervalo em que esá alimenada. ON ON ON OFF 6.2 Conrole de fase No chamado Conrole de Fase, em um dado semiciclo da rede, o irisor é disparado em um deerminado insane, fazendo com que a carga eseja conecada à enrada por um inervalo de empo menor ou igual a um semiciclo. Variandose o ângulo de disparo é possível variar o valor eficaz da ensão de saída Conrolador Monofásico T 1 i L O conrolador monofásico bem como as formas de onda são apresenadas pela Figura 6.3. No semiciclo posiivo da fone o pulso de disparo é aplicado em T 1, e no semiciclo negaivo T 2 é disparado. Assim, podese variar o valor eficaz da ensão na carga de zero aé o valor eficaz da fone. V S V L T 2 V S R _ α d α d α d V L π π T1 T2 T1 Fig. 6.3 Conrolador CA monofásico e formas de onda. Prof. Marcio Brumai 66

69 6.2.2 Conrolador Trifásico Quando a carga é rifásica, como um moor de indução por exemplo, é necessário um conrolador CA rifásico. A Figura 6.4 mosra duas possíveis possibilidades para o conrolador, em (a) a ligação da carga é em esrela, e em (b) a carga é ligada em riângulo. O conrolador rifásico pode ser analisado como rês conroladores monofásicos. Assim, variando o ângulo de disparo dos seis SCRs é possível variar a ensão eficaz na carga. (a) (b) Fig. 6.4 Conroladores CA rifásicos. 6.3 SofSar O moor de indução rifásico é o moor mais uilizado indusrialmene, o que proporcionou a necessidade de desenvolvimeno de disposiivos para o seu acionameno. Sabese que na parida, o moor de indução apresena correne muias vezes superior ao valor nominal. Dependendo do nível de poência, é necessária a uilização de um méodo de parida para reduzir a correne. São vários os méodos empregados, odos com uma filosofia em comum: reduzir a ensão aplicada na parida. Exemplos: parida esrelariângulo, auoransformador, reosao de parida. Um conrolador CA pode ser uilizado na parida de um moor indução, proporcionando redução da correne de parida. O equipameno comercialmene recebe o nome de sofsarer, e basicamene é composo por um conrolador CA rifásico. Na parida o ângulo de disparo é 180 e, gradaivamene, é diminuído fazendo com que a ensão aplicada ao moor se eleve aos poucos aé que, em alguns segundos ou fração, a ensão aplicada ao moor apresene valor nominal (ângulo de disparo igual a zero). Além da vanagem do conrole da ensão (correne) durane a parida, a chave elerônica apresena, ambém, a vanagem de não possuir pares móveis ou que gerem arco, como nas Prof. Marcio Brumai 67

70 chaves mecânicas. Ese é um dos ponos fores das chaves elerônicas, pois sua vida úil ornase mais longa. A Figura 6.5 mosra como evolui a ensão aplicada ao moor durane a parida. Tensão α α α Fig. 6.5 Tensão aplicada ao moor durane a parida. Prof. Marcio Brumai 68

71 7. CONVERSORES CC CC 7.1 Inrodução Os conversores CCCC são largamene aplicados em fones de alimenação chaveadas e em acionameno de moores de correne conínua. Nas fones chaveadas, eles sucedem os reificadores não conrolados, reduzindo o ripple e regulando a ensão de saída da fone, por isso são conhecidos ambém por reguladores chaveados. Exisem duas opologias básicas de conversores CCCC, que são o abaixador de ensão (conversor buck) e o elevador de ensão (conversor boos). Com a combinação e alerações nesas duas esruuras chegase em várias ouras esruuras de conversores CC CC. A inserção de um ransformador, operando em ala freqüência, neses conversores, dá origem a uma família de conversores CCCC isolados, muio uilizados em fones chaveadas. 7.2 Modulação por Largura de Pulso (PWM) Nos conversores CCCC a ensão de saída deve ser conrolada mediane alerações na ensão de enrada ou variações de carga. Iso é feio conrolando os empos em que as chaves semiconduoras esão ligadas ou desligadas. Para ilusrar ese conceio uilizase o conversor abaixador elemenar da Fig O valor médio da ensão de saída depende dos empos on e off. O méodo de conrole empregando freqüência de comuação consane e conrolandose o empo de condução da chave é denominado Modulação por Largura de Pulso (PWM Pulse Widh Modulaion). Por exemplo, desejandose diminuir o valor médio da ensão de saída (V o ), basa reduzir o empo de condução da chave S ( on ). A relação enre o empo de condução da chave on e o período oal de comuação T é definido por razão cíclica (D). V in S v o D = T V in on V o on off Fig. 7.1 Conversor abaixador elemenar. Prof. Marcio Brumai 69 T

72 A Fig. 7.2 mosra o méodo PWM, onde os sinais que conrolam os esados das chaves são gerados a parir da comparação enre uma ensão de conrole e uma forma de onda periódica (dene de serra). A freqüência da onda dene de serra define a freqüência de comuação da chave S. A ensão de conrole varia lenamene quando comparada com a onda dene de serra, podendo ser considerada consane a cada período de comuação. Enquano esa ensão de conrole for maior que a onda dene de serra, o sinal que comanda a chave fica em nível alo, manendo a chave em condução, caso conrário a chave abre. V conrole Comparador Sinal de comando da chave Dene de serra Dene de serra V conrole ON ON Sinal de comando da chave V conrole > V dene de serra on T off OFF OFF V conrole < V dene de serra Fig. Fig Modulação por largura de pulso. 7.3 Conversor Abaixador (BUCK) A maneira elemenar de se represenar um conversor Buck esá mosrada na Fig A chave S pode assumir as posições A e B. Na posição A, a ensão de enrada é aplicada sobre a carga e na posição B a ensão na carga é zero. Desa forma, a ensão média de saída (V O ) é menor que a ensão de enrada, podendo ser conrolada pelo empo de permanência da chave na posição A. Prof. Marcio Brumai 70

73 A S Pos. Pos. Pos. B V in v o V in V o on off Fig. 7.3 Conversor Buck simplificado T A equação abaixo define o valor da ensão média de saída em função da razão cíclica e da ensão de enrada: V = D o V in A forma de onda da ensão de saída apresena uma componene conínua V o e uma componene alernada, conforme mosra a decomposição da Fig. 7.4 abaixo. Componene CC Componene CA V in V o V o A A V in Fig. 7.4 Componenes da forma de onda de saída do conversor Buck Para reduzir a componene alernada na carga, o circuio original será modificado, inroduzindose os filros. Na Fig foi adicionando um induor L em série com a carga, reduzindose o ripple de correne na mesma e conseqüenemene o ripple da ensão de saída. Com a chave na posição A, a correne no induor cresce, armazenando energia no mesmo. Quando a chave esá na posição B, Prof. Marcio Brumai 71

74 o induor aua como fone ransferindo a energia armazenada aneriormene para a carga, decrescendo sua correne. Quano maior o valor da induância menor será o ripple de correne. Da mesma forma como raado no capíulo de reificadores, a condução de correne poderá ser conínua ou desconínua. A S B L V O Pos. A Pos. Pos. A V in v o V o médio on off Fig. 7.5 Filro induivo em um conversor Buck simplificado. T O próximo passo para melhorar o conversor buck é adicionar um capacior em paralelo com a carga como mosra a Fig. 7.6, reduzindo ainda mais o ripple de ensão sobre ela. A S L V in B C v o Fig. 7.6 Filro LC em um conversor Buck O úlimo passo é subsiuir a chave S de duas posições. Na práica um único semiconduor não pode realizar esa função, enão são inroduzidos a chave conrolada M1 e o diodo D1, mosrado em Fig Quando M1 é comandado a conduzir, subsiui a chave na posição A, armazenando energia no induor. Quando M1 é bloqueado, a correne circula pelo diodo D1 (diodo de circulação), subsiuindo a chave na posição B. Prof. Marcio Brumai 72

75 M1 L Ref V in D1 C v o Conrole PWM Fig. 7.7 Conversor CC CC abaixador Buck. No modo de condução conínuo o conversor buck é equivalene a um ransformador CC, onde a relação de ransformação pode ser coninuamene alerada aravés da razão cíclica D. A Figura 7.8 apresena as eapas de operação e formas de onda para o conversor buck operando no modo de condução conínuo. I M M1 I L L I O V L V L V in C D1 I D v o V in V o V O M1 (ON) M1 (OFF) i L I o I M M1 I L L I O i M V V L in C D1 I D v o i D on off T Fig. 7.8 Eapas de operação e principais formas de onda de um conversor Buck. Prof. Marcio Brumai 73

76 7.4 Conversor Elevador (Boos) O conversor mosrado na Fig. 7.9 é chamado de conversor boos ou elevador. Quando a chave M1 esá conduzindo, a correne aravés do induor L cresce, aumenando a energia armazenada no mesmo. Quando a chave M1 é abera, a correne do induor coninua fluindo, agora aravés do diodo D1, da rede RC e de vola à fone. Nesa eapa o induor ransfere a energia armazenada na primeira eapa para a carga. L D1 V in M1 C v o Ref Conrole PWM Fig. 7.9 Conversor CC CC Elevador Boos A ensão sobre o capacior C deve ser maior que a ensão da fone para que haja ransferência de energia na segunda eapa. Além disso, a consane de empo RC deve ser muio maior que o período de comuação, para garanir que a ensão de saída permaneça aproximadamene consane na primeira eapa quando o capacior fornece energia para a carga. Para isso um capacior de valor relaivamene elevado é necessário. A Fig mosra as eapas de operação do conversor boos bem como suas principais formas de onda, para operação em condução conínua e em regime permanene, ou seja após um empo suficiene para esabilizar as ensões e correnes no circuio. A ensão de saída é dada por: V o Vin = 1 D Prof. Marcio Brumai 74

77 V in I L V L = V in I M M1 D1 I D C I O v o V in V L M1 (ON) M1 (OFF) V in V o i L I L V L = V in V o I D I O D1 I V M in C M1 v o i M i D I o on off Fig Eapas de operação e principais formas de onda de um conversor Boos. T 7.5 Fones Chaveadas A maioria dos equipamenos elerônicos modernos usualmene necessia de uma ou mais ensões de alimenação. O méodo mais comum de fornecimeno desas ensões CC é a fone de alimenação que convere ensão da rede CA em várias ensões CC esabilizadas. As duas fones difundidas são as lineares e as chaveadas. As fones Lineares consisem de um ransformador de enrada na freqüência da rede, circuios reificadores, filros e um regulador linear. As fones chaveadas são doadas de um reificador de enrada e um eságio de saída, que se raa de um regulador chaveado isolado. A Figura 7.11 apresena o diagrama de blocos de uma fone chaveada ípica. Prof. Marcio Brumai 75

78 Conversor CC CC com isolação Trafo Saída CC regulada Rede CA 60Hz Reificador e Filro Reificador e filro ON/OFF PWM conrolador ref. sinal medido Circuio de conrole Fig Diagrama de blocos de uma fone chaveada ípica. As duas maiores vanagens da fone chaveada em relação às fones lineares são: Os componenes responsáveis pela regulação operam como chaves (core ou sauração), eviando a operação na região aiva (linear), o que resula numa significaiva redução das perdas de poência. A conseqüência disso é a ala eficiência, na faixa de 70 a 90%. Nas fones lineares a eficiência varia de 30 a 60%, ipicamene. Já que o ransformador para isolação opera em ala freqüência, o peso e o volume da fone podem ser bem reduzidos, comparados com a fone linear, a qual usa ransformador em baixa freqüência (60Hz). Por ouro lado, as fones chaveadas são mais complexas, possuem um maior cuso e maior dificuldade de manuenção. Além disso, geram inerferências eleromagnéicas (EMI), devido ao chaveameno em ala freqüência, o que requer a uilização de filros. Exisem muias esruuras de fones chaveadas, odas originadas de conversores CC CC incluindo ransformador para isolação. Em alguns casos o uso desa isolação implica na aleração do circuio para permiir um adequado funcionameno do ransformador, ou seja, para eviar a sauração do núcleo magnéico. Lembrese que não é possível inerromper o fluxo magnéico produzido pela força magneomoriz aplicada aos enrolamenos. Como exemplo emse o esquema simplificado de uma fone que uiliza o conversor Forward (originado do conversor Buck), como mosra a Figura Prof. Marcio Brumai 76

79 M1 T_p D2 D3 L Vo REDE CA C D1 M2 T_s D4 Co Conrole Fig Esquema simplificado de uma fone chaveada. O comporameno dese conversor é similar ao conversor Buck. São duas as eapas de operação: Eapa1 As chaves M1 e M2 esão fechadas durane um empo ON e os diodos D1 e D2 esão corados. O capacior C de enrada fornece energia para o primário do ransformador e o secundário fornece energia para a carga. A correne no induor L cresce, armazenando energia no mesmo. Eapa2 Quando as chaves M1 e M2 são aberas, os diodos D1 e D2 permiem que o ransformador seja desmagneizado, devolvendo para o capacior C a energia de magneização que foi recebida na eapa 1. Nesa eapa, a correne no induor L decresce, já que o mesmo fornece energia para a carga aravés do diodo D4. O diodo D3 bloqueia a passagem de ensão negaiva do secundário do ransformador para o filro de saída. A relação enre a ensão de enrada e saída é dada por: V O = Vcc in N N S P D Onde N S /N P é a relação de espiras do ransformador. 7.6 Conrole em Fones Chaveadas A implemenação de uma (ou mais) malhas de conrole em por objeivo garanir a precisão no ajuse da variável de saída (ensão e/ou correne), bem como a rápida correção de evenuais desvios provenienes de ransiórios na alimenação ou mudanças na carga. A Figura 7.13 apresena o diagrama de blocos de conrole de uma fone chaveada. Prof. Marcio Brumai 77

80 Referência Valor medido Conrolador Ampl. Vconrole PWM Sinal PWM on/off Circuio de comando Sinais de comando para as chaves Fig Diagrama de blocos de conrole de uma fone chaveada. A ensão de conrole (V conrole ) é obida por um circuio conrolador (compensador), que aua a parir de dois sinais de enrada: o valor medido (ensão de saída, por exemplo), e um sinal de referência desejada. A modulação PWM pode ser obida uilizando CIs dedicados, como: SG3524, SG3525, SG3526, SG3527, TL494. As caracerísicas específicas de cada CI variam em função da aplicação, do grau de desempenho esperado, das proeções implemenadas, ec. Freqüenemene, são uilizados circuios para comandar as chaves semiconduoras a parir do sinal PWM, são os circuios de comando ou gaedrivers. Dependendo do ipo de carga ou do ipo de conversor, se faz necessária isolação, o que pode ser obido por ransformadores de pulso. A Figura 7.14 mosra dois PWM R b1 Z b1 D b1 15V R b3 b1 T Q b1 D b2 D b3 Q b2 R b4 Z b2 G S exemplos de circuios de R b2 comando, com ou sem isolação, aplicados a Mosfes ou IGBTs. 15V R 3 Q 2 R 4 PWM R 1 R 2 Q 1 Q 3 R G G S Fig Circuios de comando. Prof. Marcio Brumai 78

81 8. CONVERSORES CC CA (INVERSORES) 8.1 Inrodução Os conversores CC CA são conhecidos como inversores. A função dos inversores é de converer a ensão de enrada conínua em ensão alernada na saída com ampliude e freqüência desejada. A forma de onda ideal para a ensão de saída é a senoidal, enreano na práica a saída dos inversores coném cero número de harmônicos. Em algumas aplicações uma onda quadrada é aceiável. Com o aumeno da velocidade de comuação dos semiconduores ornouse possível reduzir eses harmônicos uilizando algumas écnicas de chaveameno. A aplicação dos inversores é muio grande, por exemplo, no acionameno de moores de indução, em fones de alimenação ininerrupas (UPS ou Nobreak), e em sisemas embarcados (navios, aviões, ec). Os inversores podem ser classificados de várias formas: quano ao número de fases monofásicos ou rifásicos; podem ser chamados de VFI ( Volagefedinverer ou seja, alimenados em ensão) quando a ensão de enrada é consane, ou CSI ( Currenfedinverer, ou seja, alimenados em correne) quando a correne de enrada é consane e CCLinkvariável quando a ensão de enrada é conrolável. Além disso, podem ser classificados quano à forma de onda que apresena na saída: senoidal, quadrada ou quasequadrada. 8.2 Inversores Monofásicos de Onda Quadrada O inversor mosrado na Figura 8.1 raase de um inversor monofásico em meia pone. Esa configuração requer uma fone de alimenação com pono médio e apenas duas chaves semiconduoras, normalmene Mosfe s ou IGBT s. Quando a chave T 1 conduz a ensão sobre a carga é V IN /2, e quando a chave T 2 esá em condução a ensão sobre a carga é V IN /2. O papel dos diodos é garanir um caminho para a correne em caso de carga induiva. Noe que a presença dos diodos não afea a forma de onda de saída. T 1 V in /2 v o D 1 T 1 on off 2 off on V in /2 R D 2 T 2 V O Vin /2 V in /2 Fig. 8.1 Inversor monofásico em meia pone. Prof. Marcio Brumai 79

82 Esa esruura não permie variar a ensão de saída, a não ser que o conrole seja feio no eságio anerior ao inversor, ou seja, variando a ensão da fone Vin. Uma observação imporane, é que jamais as chaves T1 e T2 podem conduzir ao mesmo empo, o que provocaria um curocircuio, ambém conhecido como curo de braço. Sendo assim, na comuação das chaves é inroduzido um pequeno inervalo de empo em que ambas as chaves ficam aberas. Ese empo é chamado empo moro, geralmene na ordem de µs. Agora é apresenada a pone complea que funciona com quaro chaves e uma única fone de alimenação conforme mosra a Fig Nese caso, o comando das chaves pode ser realizado aos pares: T 1 T 4 e T 2 T 3. T 1 D 1 v o T 2 D2 V in R T 3 D 3 T 4 D 4 Fig. 8.2 Inversor monofásico em pone complea. Quando as chaves T 1 e T 4 esão conduzindo, a ensão de saída é V in e quando as chaves T 2 e T 3 esão conduzindo, a ensão na saída é V in. Uma alernaiva que permie variar o valor eficaz da ensão de saída é a chamada onda quasequadrada, na qual se maném um nível de ensão nulo sobre a carga durane pare do período. Para ober ese ipo de onda, basa alerar a esraégia de comando das chaves na pone complea. A Figura 8.3 mosra as formas de onda de ensão e correne na carga para uma carga induiva. Vo V T 1 T 4 T 1 D 2 T 2 D 1 T 1 T 4 T 2 T 3 V I O Fig. 8.3 Forma de onda quasequadrada Prof. Marcio Brumai 80

83 Para ensão posiiva na carga, T 1 e T 4 são fechadas com T 2 e T 3 aberas. Para ober o inervalo de ensão nula, T 1 é manido em condução e T 4 é abero. No caso de carga induiva, o diodo D 2 enrará em condução. Após a aberura de T 1, fechamse T 2 e T 3 ornando a ensão de saída negaiva. Para ober o próximo inervalo de ensão nula, T 3 é abero e T 2 é manido em condução, o que provoca a enrada em condução de D 1 caso a carga seja induiva. Uma oura opologia de inversor monofásico com onda quadrada é apresenada na Figura 8.4. Traase de um inversor a SCR com comuação forçada. carga I G T1 T2 T1 V L n.ve V L Ve D1 C1 D2 n.ve 2Ve V C T1 Vc T2 2Ve Fig. 8.4 Inversor monofásico a SCR com comuação forçada e formas de onda. A fone V E é colocada alernadamene em paralelo com cada uma das meades do enrolameno primário do ransformador. Na saída emse uma ensão alernada, cujo valor é deerminado a parir de V E e da relação de ransformação do ransformador (n). O capacior C permie a comuação dos SCR s. Considerando que T 1 conduz, a ensão sobre o capacior é Vc = 2Ve, assim, quando T 2 é disparado, é aplicada uma ensão negaiva sobre T 1 ( 2Ve) fazendo com que o mesmo core. De forma semelhane ocorre no próximo semiciclo. A finalidade dos diodos D 1 e D 2 é impedir a descarga do capacior pelo secundário do ransformador quando ocorre o chaveameno dos SCR s. 8.3 Inversor Trifásico de Onda Quadrada Em aplicações onde a carga é rifásica, como no acionameno de moores de indução, é necessário um inversor rifásico. É possível alimenar esas cargas com rês inversores monofásicos separados, onde cada um produz uma ensão de saída defasada de 120 o em relação à oura. Esa alernaiva na práica é economicamene inviável pois necessia de 12 chaves. Prof. Marcio Brumai 81

84 A forma mais comum de um circuio inversor rifásico consise em rês braços, um para cada fase, como mosra a Fig Comandando adequadamene os seis inerrupores de poência (IGBT s), obémse na carga ensões alernadas quadradas e defasadas de 120 uma da oura. T 1 D 1 T 2 D 2 T 3 D 3 V T 4 D 4 T 5 D 5 T 6 D 6 R S T Fig. 8.5 Inversor Trifásico. A seqüência de comandos dos IGBT s, bem como as ensões de saída são apresenadas na abela abaixo. Como exemplo, analise o inervalo 1 onde os IGBT s T 1, T 2 e T 6 esão conduzindo e os resanes esão corados. Daí, as ensões são obidas assim: V RS = V R V S = V (V) = 0; V ST = V S V T = V 0 = V; V TR = V T V R = 0 (V) = V. Do mesmo modo podem ser obidas as ensões para os ouros inervalos. A Figura 8.6 mosra as formas de onda das ensões de saída. V V V RS Inervalo IGBT s on V RS V ST V TR 1 T 1, T 2, T 6 0 V V 2 T 4, T 2, T 6 V V 0 3 T 4, T 2, T 3 V 0 V 4 T 4, T 5, T 3 0 V V 5 T 1, T 5, T 3 V V 0 V V V V V ST V TR 6 T 1, T 5, T 6 V 0 V Fig. 8.6 Formas de onda das ensões de saída Prof. Marcio Brumai 82

85 8.4 Inversores PWM Nos inversores aé enão apresenados, a ensão de saída é alernada com forma de onda quadrada (ou quasequadrada) e sua freqüência pode ser ajusada conrolandose a freqüência de chaveameno. Numa oura caegoria de inversores, ano o valor eficaz da ensão de saída como o valor da freqüência pode ser conrolado uilizandose a esraégia de modulação PWM (modulação por largura de pulso). Isso permie inclusive reduzir o coneúdo harmônico da ensão de saída, obendo uma onda praicamene senoidal. A modulação PWM consise em variar a largura dos pulsos de comando dos inerrupores de poência. Exisem diversas écnicas de modulação PWM, onde a mais usual é a PWM senoidal. Nese caso, a largura dos pulsos é modulada por um sinal senoidal. Isso quer dizer que a largura dos pulsos é alerada de acordo com um sinal senoidal de referência. É possível ober ese ipo de modulação ao comparar uma ensão de referência senoidal (que seja imagem da ensão de saída buscada), com um sinal riangular simérico cuja freqüência deermina a freqüência de chaveameno. A freqüência da onda riangular (chamada poradora) deve ser, no mínimo 20 vezes superior à freqüência da onda de referência, para que se obenha uma reprodução aceiável da forma de onda sobre a carga, depois de efeuada a filragem. A largura do pulso de saída do modulador varia de acordo com a ampliude do sinal senoidal de referência. Temse assim uma Modulação por Largura de Pulso. A Figura 8.7 reapresena um inversor monofásico em pone, cujos IGBT s serão agora comandados por sinais PWM em ala freqüência (2,5 a 16kHz, ipicamene). A Figura 8.8 mosra o resulado da modulação por onda senoidal, produzindo na saída uma ensão com 2 níveis, na freqüência da onda riangular. A ensão de saída, que é aplicada à carga, é formada por uma sucessão de ondas reangulares de ampliude igual à ensão de alimenação CC e duração variável. T 1 D 1 v o T 2 D2 V in R T 3 D 3 T 4 D 4 Fig.8.7 Inversor Monofásico. Prof. Marcio Brumai 83

86 senóide de referência onda riangular(poradora) V V T 1 e T 4 conduzindo ensão de saída T 2 e T 3 conduzindo componene de baixa freqüência Fig.8.8 Modulação PWM senoidal a dois níveis. O valor RMS e a freqüência da ensão de saída são definidos direamene pela ampliude e freqüência da senóide de referência. Porano, alerando a senoide de referência se alera ambém a ensão de saída. O número de pulsos da modulação, que depende da freqüência da onda riangular, define a freqüência dos harmônicos mais significaivos. Quano maior o número de pulsos, maior será a freqüência dos harmônicos mais significaivos, porano serão filrados aravés de filros passivos (induores e capaciores) com peso e volume reduzidos. A limiação dese número de pulsos esá na velocidade de comuação das chaves semiconduoras de poência uilizadas. A necessidade de filros de saída esá associada à caracerísica da carga. Um moor de indução, por exemplo, dispensa filros por er uma caracerísica induiva, ou seja, se compora como um filro passabaixa, o que orna sua correne praicamene senoidal e em baixa freqüência. Para se ober uma saída rifásica basa uilizar um inversor com rês braços, como aquele apresenado na figura 8.5, e aplicar a modulação por largura de pulsos. Enreano, como são rês as ensões de saída, serão uilizadas rês senoides de referência com mesma ampliude e freqüência, defasadas de 120 uma da oura. Cada par de IGBT s de um mesmo braço será comandado por um sinal PWM originado da correspondene senoide de referência. Um inversor comercial é composo por dois eságios. Um eságio reificador, o qual convere a ensão alernada da rede em uma ensão conínua, onde geralmene uma pone de graez com filro capaciivo é usada. E o eságio inversor aqui discuido, responsável pela obenção de rês fases com ampliude e freqüência variáveis. Prof. Marcio Brumai 84

87 Em meio Indusrial emse aumenado cada vez mais o uso de inversores desinados ao acionameno de moores de indução. As aplicações vão das menos complexas, como acionamenos de bombas, a aé complexos sisemas de auomação indusrial e de ranspore de massas. Traase de uma ecnologia iniciada a mais de 25 anos e que esá em crescene desenvolvimeno e ascensão. Prof. Marcio Brumai 85

88 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. N. Mohan, T. M. Undeland e W. P. Robbins, POWER ELECTRONICS: Converers Aplicaions and Design, John Wiley & Sons. 2. Ivo Barbi, Elerônica de Poência, Ediora da UFSC, CATE Cenro de Aplicações de Tecnologias Eficienes Guia Operacional de Acionamenos Elerônicos, Versão 1.0, PROCEL, CEPEL, ELETROBRAS, M. H. Rashid, Power Elecronics: Circuis, Devices and Applicaions, Prenice Hall Inernaional Ediion, J. M. Peer, Characerisics of Power Semiconducors, Applicaion Noes ST Microelecronics, Inernaional Recifiers, Power Semiconducors Producs Diges 92/93 7. Moorola Semiconducor Maser Selecion Guide 8. Ineracive Power Elecronics on Line Tex, Power elecronics 9. José L. A. Almeida Elerônica de Poência, Ediora Érica (SP), José L. A. Almeida Elerônica Indusrial, Ediora Érica (SP), José L. A. Almeida Disposiivos Semiconduores: Tirisores, Ediora Érica (SP), Luiz F. P. Mello Análise e Projeo de Fones Chaveadas, Ediora Érica (SP), Prof. Marcio Brumai 86