CAPÍTULO - 8 CIRCUITOS DE COMANDO FUNÇÕES

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1 131 CAPÍTULO - 8 CIRCUITOS DE COMANDO FUNÇÕES Ordens de comando (pulsos de gatilho) para tiristores: Corrente de disparo (gate) com formas e valores adequados, em instantes especificados COMANDOS ERTICAL E HORIZONTAL (FIG. 8.1) v ( ) 1 i G + R v L - Fig Retificador monofásico de meia onda. Formas de onda (Fig. 8.2): v 1 a v L b c v M C d 0 α +α 0 α +α Fig Formas de onda para a estrutura representada na figura 8.1. (a) Comando ertical (Fig. 8.2.d) Geração de uma onda dente-de-serra, constante na forma e nos valores, sincronizada com a tensão v 1 () da rede e em fase com o ciclo positivo, O instante de comando α é definido pela interseção da dente-de-serra fixa com a tensão de comando C (Equação 8.1). Onde: 0 C M α = C M e ; 0 α (8.1)

2 132 (b) Comando Horizontal (Fig. 8.2.e) Geração de uma onda dente-de-serra, constante na forma e nos valores, sincronizada com a tensão v 1 () da rede; A corrente de gate (pulso gate) é produzida no instante em que a dente-deserra torna-se maior do que zero, A variação do ângulo α ocorre quando a dente-de-serra é deslocada horizontalmente em relação a v 1 (). Obs: Nos conversores industriais o comando vertical é praticamente o único empregado. O comando horizontal é empregado nos sistemas simples: controle de intensidade luminosa de pequenas potências ou de velocidade de pequenos motores TENSÃO DE REFERÊNCIA COSENOIDAL E DENTE-DE-SERRA(FIG. 8.3) v M C v M C 0 α Fig Tensões de referência. O ângulo α em função de C : (a) Para as ondas dente-de-serra: α = C M (8.2) (b) Para forma cosenoidal: cosα = M 2 M C ; 0 C M (8.3)

3 133 0,9 o v ( ) + Lmed v L α v( ) = 2 o sen( ) -0,9 o Fig Conversor monofásico de onda completa e sua tensão média de saída. A tensão média de saída (Equação (8.4)). Lmed = 09, cosα (8.4) o Expressões (8.5) (onda dente-serra) e (8.6) (onda cosenoidal): Lmed 09, o Lmed 09, o C = cos (8.5) = M M 2 M C (8.6) Referência cosenoidal resulta numa característica linear do conversor, Apesar da Relação linear ser interessante para a modelização do sitema, a referência em dente-de-serra é mais empregada (solução mais simples) ORGANIZAÇÃO DE UM CIRCUITO DE COMANDO (FIG. 8.5 E FIG. 8.6) 3 v R v 5 C arg a v L v v 4 4 v 6 5 ig C 1. Sincronismo e Geração da dente de serra. 2. Comparador. 3. Oscilador. 4. Porta Lógica E. 5. Amplificação, isolamento e ataque. Fig Organização básica de um circuito de comando.

4 134 v 1 v R C v 4 v 5 v 6 i G v L 0 α 0 α Fig Formas de onda de um circuito de comando (carga resistiva) ESTÁGIO DE ATAQUE (FIG. 8.7) Características Gerais: - Amplificar os sinais de comando oriundos dos estágios de sinais; - Propiciar o isolamento adequado entre o comando e o tiristor; - Apresentar características de fonte de corrente e não de tensão, - Impedir que uma tensão negativa seja aplicada na junção gatilho-catodo. cc R D3 1 A G D 1 D z D2 i G T p v G R 2 T 1 K R 3 Fig Estágio de ataque de um circuito de comando.

5 135 T p - Transformador de pulsos (nível de isolamento ordem de 2K para aplicações envolvendo tensões inferiores a 600). Construído com núcleos de ferrite (com reduzidas indutâncias de dispersão, para assegurar uma boa reprodução do sinal de comando); T 1 - Transistor cuja função é amplificar (ganho forçado) o sinal v G proveniente dos estágios anteriores (Empregado como chave, com baixas perdas); D Z - Diodo zener para desmagnetização do núcleo de T p no intervalo de tempo em que T 1 encontra-se bloqueado; D 1 - Diodo de roda livre. Conduz durante a desmagnetização do transformador; R 1 - Destinado a limitar a corrente de gatilho do tiristor; D 3 - Diodo destinado a impedir o desvio da corrente principal pelo gatilho, D 2 - Diodo destinado a impedir que uma tensão negativa seja aplicada na junção gatilho-catodo durante a desmagnetização do transformador SINCRONIZAÇÃO DO RETIFICADOR DE MEIA ONDA MONOFÁSICA Referência sincronizada e em fase com ciclo positivo da tensão de rede(fig. 8.8). v Rede v R 0 2 Fig Sincronização do retificador monofásico de meia onda. Circuito (Fig. 8.9). T 2 Rede T R R 4 R5 A 1 C R -cc D R6 A2 C 6 vr Fig Circuito gerador de dente-de-serra sincronizado com a tensão de rede.

6 136 T R - Trafo para reduzir a tensão da rede para 10 e propiciar o isolamento; R 4 e R 5 - Divisor de tensão; A 1 - Opera como comparador com zero; A 2 - Opera como integrador com constante de tempo dada por R 6 e C 6. A integração inicia quando = 0. No instante = a tensão na saída do comparador torna-se positiva e satura o transistor T 2, levando a zero a tensão v R SINCRONIZAÇÃO RETIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA Onda dente-de-serra é produzida nos ciclos positivos e negativos (Fig. 8.10): v Rede v R C 0 α 1 α 2 Fig Tensão de referência para o retificador de onda completa. Seja o circuito representado na figura 8.11: v Rede Fig Retificador de onda completa a tiristor. Pulso de comando para aos quatro tiristores a cada semi-ciclo. Somente aquele que estiver diretamente polarizado entra em condução (Fig. 8.12): Rede TR + v a - D v b 2K2 10K A 1 1N4148 v d 1K 1N4148 0,1 F 2K2 µ A 2 ve K 1K v c 100K Fig Circuito de sincronismo para o retificador monofásico de onda completa. -15

7 137 T R - Trafo para isolar o circuito da rede e reduzir a tensão de comando; D - Ponte retificadora de onda completa. Tensão v b é comparada com a tensão v c ; A 1 - Opera como comparador (Com nível v c ); A 2 - Opera como integrador. Quando v d é negativo, integra a tensão - cc, produzindo uma rampa na sua saída. Quando v d torna-se positiva por um intervalo de tempo muito curto, o capacitor do integrador é descarregado e o sistema pode reiniciar uma nova rampa. Formas de onda correspondentes (Fig. 8.13): v a v b v c v d v e Fig Sinais para o circuito de sincronismo representado na figura SINCRONIZAÇÃO DO RETIFICADOR TRIFÁSICO DE PONTO MÉDIO. v ( ) 1 T 1 v ( ) 2 v ( ) 3 T 2 T 3 + v L Fig Retificador trifásico de meia onda. -

8 138 As tensões envolvidas estão representadas na figura 8.15: v3 v1 v2 v3 v1 v2 v3 v R1 (T 3) α α +M v R2 -M C (T ) 1 v R3 (T 2) C Fig Sincronização do retificador trifásico de meia onda. Fase 1 é sincronizada com a tensão da fase 2; Fases 2 e 3 são sincronizadas pelas tensões das fases 3 e 1, respectivamente, Tensão de comando c deve variar de - M a + M. Logo, o ângulo α variará de zero até 180 o. Tensão de referência v Ri torna-se maior que a tensão de comando, é enviado o pulso de corrente de gatilho. Técnica de sincronização muito simples (dispensa geradores de rampa), além de propiciarem uma relação linear entre a tensão de saída e a tensão de comando. Diagrama de blocos de comando (Fig. 8.16): v1( ) T1 C v2( ) v3( ) T3 T2 v R1 Comando T 3 v R3 Comando T 2 v Comando T 1 R2 Fig Diagrama do comando do retificador trifásico de meia onda. OBS: Este método (para retificador 3φ de ponto médio) não é o único possível.

9 139 Módulos de comando integrados (com rampa interna) são muito utilizados. Sendo que, para o perfeito sincronismo (defasamento correto), utilizamse transformadores com conexões do tipo triângulo-estrela ( -Y) SINCRONIZAÇÃO DA PONTE TRIFÁSICA MISTA v1( ) v2( ) v3( ) T1 T2 T3 R T 3 : D1 D 2 D 3 Fig Ponte mista trifásica. Formas de onda (Fig. 8.18), apresenta a rampa que comanda o tiristor v3 -v2 v1 -v3 v 2 -v1 v3 -v2 ig3 0 v S3 = -v2 α vr3 C Fig Tensões para a sincronização da ponte trifásica mista. Esta rampa é obtida de v S3 (atrasada de 60 o em relação à v 3 ()-tensão de fase). O defasamento é obtido conforme ligações representadas na figura 8.19.

10 140 v1( ) v2( ) v3( ) T1 T2 T3 Carga 3 -v 3 D1 D2 D3 G1K1G2K2 G3K3 Comando T1 1 -v Comando 1 T2 2 -v 2 Comando T3 Comando Fig Diagrama de sincronização da ponte trifásica mista SINCRONIZAÇÃO DA PONTE TRIFÁSICA COMPLETA Ponte trifásica completa Operação em dois quadrantes: Ângulos de disparo (α) entre zero e 90 o Opera como retificador, Para α entre 90 o e 180 o Opera como inversor (não autônomo). OBS: Para as estruturas anteriores O comando propicia apenas um pulso de corrente de gate para cada tiristor no instante do seu disparo. No caso particular da ponte completa, um único pulso não é suficiente: A partir do instante em que o tiristor deve entrar em condução deve-se enviar ao gatilho um trem de pulsos com uma duração de 120 o, para qualquer valor de α. Sincronismo (Fig. 8.20): Ângulo α 1 é sincronizado na passagem por zero da tensão v 13, tornando-se positiva (Sinais de sincronismo Fig. 8.21).

11 141 T 1 α 1 =0 v 12 T T 2 23 T 4 T 3 31 T 5 α = α 2 =0 α 4 = 0 α 3 =0 α 5 = 0 v 13 v v 21 v v 32 Fig Tensões para ponte de GRAETZ. Tiristor Tensão de Sincronismo T 1 v 13 T 2 v 21 T 3 v 32 T 4 v 31 T 5 v 12 T 6 v 23 Fig Tabela das tensões de sincronismo dos tiristores. Esquema de ligações para obtenção das tensões de sincronismo (Fig. 8.22): v1 v 2 v 3 ( ) ( ) ( ) v13 T1 T4 vs T2 T5 T1 T3 T6 Z v31 v21 v12 v32 v23 T4 T2 T5 T3 T6 v1 v2 v3 Fig Sincronização da ponte trifásica completa.

12 142 Cada tiristor é comandado por um módulo independente (poder-se-ia utilizar apenas 3 transformadores de sincronismo), Módulos devem enviar aos tiristores trens de pulso com duração de 120 o a partir da ordem de disparo. Formas de onda de um módulo de comando para ponte completa 3φ (Fig. 8.23): v s v R C v I α 0 0 I g 120 o 120 o Fig Formas de onda para um módulo de comando da ponte trifásica mista. Onde: S - Tensão de sincronismo; C - Tensão de comando; R - Rampa sincronizada com a tensão de sincronismo; I - Sinal intermediário, I g - Corrente de gatilho de um tiristor. Diagrama de blocos para o módulo de comando com sinais representados na Figura 8.23 (Fig. 8.24): C v S Gerador de Rampa v R Comparador v I Monoestável Porta E Estágio de Ataque I g Astável Fig Diagrama de blocos do módulo de comando DURAÇÃO DOS PULSOS DE GATILHO Para uma carga puramente resistiva, um pulso de corrente de gatilho com 10µs de duração é suficiente para colocar um tiristor em condução,

13 143 Quando a carga é indutiva, a corrente de gatilho deve ser mantida com o valor adequado ao tiristor durante o tempo necessário para que a corrente de ânodo atinja o valor da corrente de engate ("de disparo") I L. Se a duração do pulso da corrente de gatilho não for suficiente, quando ela se anular o tiristor se bloqueará. Para uma carga fortemente indutiva deve-se respeitar a relação (8.7). LIL t (8.7) E OBS: Há casos particulares onde devem ser empregados pulsos de corrente longos em relação à duração necessária para se disparar um único tiristor. Seja o Retificador de onda completa monofásico com carga que contenha força contra-eletromotriz (Fig. 8.25): v L o i L t 1 t 2 t 3 t 1 t 2 t 3 t 1 t 2 t 3 i G t t Fig Comando do retificador com carga contendo f.c.e.m. Se a duração t do pulso da corrente de gatilho for tal que: t < t2 t1 (8.8) O tiristor não entrará em condução (devido estar polarizado reversamente). A solução consiste em aplicar um pulso longo conforme relação (8.9). t > t2 t1 (8.9) Caso seja necessário a isolação entre o comando e a rede, empregando-se transformadores de pulso, torna-se impossível o emprego de pulsos longos. Nesses casos a solução ideal é o emprego de um trem de pulsos, conforme figura MÓDULO DE COMANDO DISCRETO DE BAIXO CUSTO (FIG. 8.26)

14 144 +cc v 1 TR R1 D1 D2 + v - C1 v 3 C 1 R2 C R3 T1 v 4 R4 T2 R5 v5 C2 R6 R7 T3 Tp D 3 G K Fig Módulo de comando discreto para um tiristor de pequena potência. Circuito muito simples, econômico e com as funções necessárias para um bom comando. Formas de onda fundamentais (Fig. 8.27): v1 v 3 C v4 v C1 varia; v 5 i α G 0 α Fig Formas de onda para o circuito representado na figura O transformador T R com D 1 e C 1 produzem a rampa v C1 ; C representa a tensão de comando do ângulo de disparo; A tensão v 3 é deslocada verticalmente em relação à massa quando C Quando v 3 torna-se positiva, o transistor T 1 é saturado, T 2 é bloqueado e o transistor unijunção T 3 oscila livremente; Quando T 1 é bloqueado, T 2 é saturado e T 3 deixa de oscilar; Os pulsos gerados por T 3 são enviados ao gatilho do tiristor pelo transformador de pulsos T p.

15 145 A tensão de comando C pode ser proveniente dos circuitos de regulação do conversor. Caso se deseje apenas comando manual, a fonte C pode ser substituída por um resistor variável adequado MÓDULOS DE COMANDOS INTEGRADOS Estão disponíveis no mercado diversos módulos de comando integrados. Com o emprego destes CIs, obtem-se uma sensível redução do volume dos circuitos de comando e um aumento considerável na confiabilidade. Apresenta-se o módulo TCA785 (Icotron-Siemens) na Fig. 8.28: C = = 1 I R9 10 C10 Fig Funções básicas do módulo de comando TCA785. Onde:1 - Detetor de zero; 2 - Memória de sincronização; 3 - Monitor de descarga; 4 - Comparador de controle; Transistor de descarga; 6 - Unidade lógica; 7 - Regulador interno de tensão, 8 - Fonte de corrente constante. Formas de onda principais para o módulo TCA785 (Fig. 8.29):

16 146 v5 v v 15a 0 v 14a v 15b α P α 0 P 0 α N 0 α N v 14b v3 v7 0 2 Fig Formas de onda principais para o integrado TCA785. v 5 representa a tensão de sincronização proveniente da rede. v 10 é a rampa, disponível no pino 10. O capacitor externo C 10 é carregado linearmente por uma fonte de corrente definida pelo resistor externo R 9. v 15 e v 14 são os sinais de saída, sincronizados com o ciclo positivo e negativo da tensão de sincronização. A largura desses pulsos é alterada pelo capacitor externo C 12. Quando o pino 12 é aterrado a largura do pulso atinge 180 o, ou seja, a largura é igual a (180 o - α). Ao se conectar o pino 6 à terra inibe-se todas as tensões de saída do módulo. Para o comando de um Triac emprega-se a tensão v 7 (combinação lógica dos sinais v 14 e v 15 ). A tensão de alimentação é ligada ao pino 16 e pode estar compreendida entre 8 e 18. OBS: Para corrente de gatilho superiores a 250mA, deve ser empregado um estágio amplificador antes do gatilho. Dados técnicos detalhados para projeto (são obtidos com o fabricante do CI).

17 147 Na Figura 8.30 apresenta-se um exemplo de comando para um Triac: +15 5K TCA M5 BAY61 180R 220 Carga A2 A1 47K 8nF Fig Aplicação do módulo TCA785 para o comando de um Triac. A corrente de gatilho é obtida diretamente do integrado; Durante o semiciclo positivo da rede, o sinal de comando é fornecido pelo pino 15, Durante o semiciclo negativo o sinal de comando é fornecido pelo pino 14.