CAPÍTULO - 8 CIRCUITOS DE COMANDO

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1 CAPÍTULO - 8 CIRCUITOS DE COMANDO FUNÇÃO O circuito de comando de um conversor é destinado a enviar aos gatilhos dos tiristores as correntes de disparo com formas e valores adequados, em instantes bem determinados, para colocá-los em condução COMANDOS VERTICAL E HORIZONTAL Seja a estrutura representada na figura 8.1. v ( ) 1 i G + R v L - Fig Retificador monofásico de meia onda. As formas de onda correspondentes estão representadas na figura 8..

2 03 v 1 a v L b v M c d e Fig Formas de onda para a estrutura representada na figura 8.1. Na figura 8..d está representado o comando vertical. O circuito de comando gera 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 é definido pela interseção da dente-deserra fixa com a tensão de comando. A variação do ângulo é representado pela expressão (8.1). V C VM (8.1) Para 0 < < V M. Na figura 8..e está representado o comando horizontal. O circuito de comando gera uma onda com a forma de um dente-de-serra, constante na forma e nos valores, sincronizada com a tensão v 1 () da rede. O impulso de corrente de gatilho é produzido no instante em que a dentede-serra torna-se maior do que zero. Desse modo a variação do ângulo ocorre quando a dentede-serra é deslocada horizontalmente em relação a v 1 (). Nos conversores industriais o comando vertical é praticamente o único empregado. O comando horizontal é empregado nos sistemas simples, como o controle de intensidade luminosa de pequenas potências ou de velocidade de pequenos motores.

3 TENSÃO DE REFERÊNCIA COSENOIDAL E DENTE-DE-SERRA Consideremos as duas tensões de referência representadas na figura 8.3. v M v M Fig Tensões de referência. O ângulo em função de, para as ondas dente-de-serra e cosenoidal, é dado respectivamente pelas relações (8.) e (8.3). V C VM V cos M V V M C (8.) (8.3) Consideremos o conversor representado na figura 8.4 funcionando em condução contínua comandado pelos dois métodos. V P v ( ) 1 + v L - 0 P Fig Conversor monofásico de onda completa e sua tensão média de saída. A tensão média de saída é dada pela expressão (8.4). VLmed Vo cos (8.4) Levando-se as expressões (8.) e (8.3) na expressão (8.4) obtém-se as expressões (8.5) e (8.6) respectivamente.

4 05 VLmed Vo VLmed Vo VC cos (8.5) VM VM VC (8.6) VM Constata-se que a tensão de referência cosenoidal resulta numa característica linear do conversor, contrariamente à tensão de referência em dente-de-serra. Do ponto de vista do controle e da modelização do sistema do qual o conversor faz parte, a relação linear é mais interessante. Apesar disso, a referência em dente-de-serra é mais empregada industrialmente por ser uma solução eletrônica mais simples ORGANIZAÇÃO DE UM CIRCUITO DE COMANDO Seja o diagrama de blocos representado na figura 8.5. Ele representa a organização básica de um circuito de comando para um tiristor de um retificador. As formas de onda mais importantes estão representadas na figura v R v 5 C arg a v L v 1 1 v 4 4 v 6 5 ig 1. Sincronismo e Geração da dente de serra.. Comparador. 3. Oscilador. 4. Porta Lógica "E". 5. Amplificação, isolamento e ataque. Fig Organização básica de um circuito de comando.

5 06 v 1 v R v 4 v 5 v 6 i G v L Fig Formas de onda de um circuito de comando ESTÁGIO DE ATAQUE O estágio de ataque de um circuito de comando deve apresentar as seguintes características: - Amplificar os sinais de comando oriundos dos estágios de sinais; - Propiciar o isolamento adequado entre o comando e o tiristor; - Atacar o tiristor com características de fonte de corrente e não como fonte de tensão; - Impedir que uma tensão negativa seja aplicada na junção gatilho-catodo. A configuração de um estágio de ataque está representada na figura 8.7.

6 07 V cc R 1 D3 G A D 1 D z D i G T p v G R T 1 K R 3 Fig Estágio de ataque de um circuito de comando. T p - é o transformador de pulsos. O seu nível de isolamento deve ser da ordem de KV para aplicações envolvendo tensões inferiores a 600V. É construído com núcleos de ferrite. Deve possuir baixas indutâncias de dispersão para assegurar uma boa reprodução da tensão de entrada. T 1 - é o transistor cuja função é amplificar o sinal v G proveniente dos estágios anteriores. Em geral é empregado em comutação. Desse modo as perdas são baixas. D Z - é um diodo zener destinado a desmagnetizar o núcleo do transformador no intervalo de tempo em que T 1 encontra-se bloqueado. D 1 - é um diodo de roda livre. Conduz durante a desmagnetização do transformador. R 1 - é destinado a limitar a corrente de gatilho do tiristor. D 3 - é um diodo destinado a impedir qualquer desvio da corrente principal pelo gatilho. D - é um diodo destinado a impedir que uma tensão negativa seja aplicada na junção gatilhocatodo durante a desmagnetização do transformador SINCRONIZAÇÃO DO RETIFICADOR DE MEIA ONDA MONOFÁSICA Nesse caso, deve ser gerada uma dente-de-serra sincronizada com a tensão da rede, em fase com o ciclo positivo, como está representado na figura 8.8.

7 08 v Rede v R Fig Sincronização do retificador monofásico de meia onda. Um circuito capaz de realizar essa função está representado na figura 8.9. T 1 Rede T R R 1 R A 1 -V cc R 3 A C 3 v R Fig Circuito gerador de dente-de-serra sincronizado com a tensão de rede. O transformador T R reduz a tensão da rede para 10V e propicia o isolamento. R 1 e R constituem um divisor de tensão. A 1 opera como um comparador com zero. A opera como um integrador com constante de tempo dada pelo produto de R 3 com C 3. A integração inicia quando = 0. No instante = a tensão na saída do comparador torna-se positiva e satura o transistor T 1, levando a zero a tensão v R SINCRONIZAÇÃO DO RETIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA Nesse caso a dente-de-serra é produzida nos ciclos positivos e negativos como está representado na figura 8.10.

8 09 v Rede v R Fig Tensão de referência para o retificador de onda completa. O retificador de onda completa está representado na figura v Rede Fig Retificador de onda completa a tiristor. A cada semi-ciclo da rede um pulso de comando é enviado aos quatro tiristores. Somente aquele que estiver diretamente polarizado entra em condução. Um circuito capaz de realizar a função descrita está representado na figura 8.1. Rede TR + v a - D v b K 10K A 1 1N4148 v d 1K 1N4148 K 100 F A v e +15V 56K 1K 100K -15V Fig Circuito de sincronismo para o retificador monofásico de onda completa.

9 10 O transformador T R, a exemplo do caso anterior, é empregado para isolar o circuito da rede e para reduzir a tensão. A ponte retificadora D produz a tensão retificada de onda completa v b que é comparada com a tensão V c. A 1 opera como comparador e A como integrador. Quando v d é negativo, o integrador integra a tensão -V 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. As formas de onda correspondentes estão representadas na figura 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. A estrutura do retificador trifásico de meia onda está representada na figura v1( ) T 1 v( ) T + v3( ) T 3 v L Fig Retificador trifásico de meia onda. -

10 11 As tensões envolvidas estão representadas na figura A figura 8.15 mostra que a fase 1 pode ser sincronizada com a tensão da fase. Do mesmo modo, as fases e 3 são sincronizadas pelas tensões das fases 3 e 1, respectivamente. A tensão de comando V c deve variar de -V M a +V M. Com isto o ângulo variará de zero até 180 o. v 3 v 1 v v 3 v 1 v v 3 v R1 +V M -V M v R v R3 Fig Sincronização do retificador trifásico de meia onda. Quando a tensão de referência v Ri torna-se maior que a tensão de comando, é enviado o pulso da corrente de gatilho. Esta técnica de sincronização é muito simples, porque dispensa os geradores de rampa, além de propiciarem uma relação linear entre a tensão de saída e a tensão de comando. Um diagrama de blocos simplificado capaz de permitir a implementação do método proposto é apresentado na figura O método para a sincronização do retificador de meia onda não é o único possível. É muito difundido o emprego de módulos de comando com rampa interna. Para que possam ser empregados corretamente, os transformadores de sincronismo devem possuir o defasamento correto, o que é conseguido com conexões do tipo triângulo-estrela.

11 1 v ( ) 1 T 1 v ( ) T v ( ) 3 T 3 Comando T v 1 3 v 3 Comando T v Comando T 1 Fig Diagrama do comando do retificador trifásico de meia onda SINCRONIZAÇÃO DA PONTE TRIFÁSICA MISTA A ponte mista está representada na figura v1( ) T 1 T T 3 v( ) R v3( ) D 1 D D 3 Fig Ponte mista trifásica. As formas de onda envolvidas estão representadas na figura 8.18.

12 13 Na figura 8.18 está indicada a rampa que comanda o tiristor T 3. Ela é obtida da senóide v S3 que está atrasada de 60 o em relação à tensão de fase v 3 (). Esse defasamento é obtido com o diagrama de ligações representado na figura v 3 -v v 1 -v 3 v -v 1 v 3 -v v R3 i G3 v = -v S3 Fig Tensões para a sincronização da ponte trifásica mista SINCRONIZAÇÃO DA PONTE TRIFÁSICA COMPLETA A ponte trifásica completa é empregada quando se deseja operação em dois quadrantes. Para ângulos de disparo compreendidos entre zero e 90 o, opera como retificador. Para compreendido entre 90 o e 180 o, opera como inversor. As estruturas apresentadas ao longo deste capítulo podiam funcionar perfeitamente com apenas um pulso de corrente no gatilho de cada tiristor no instante do seu disparo. No caso particular da ponte completa, um único pulso não seria 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 10 o independentemente do valor de. De acordo com a figura 8.0, verifica-se que o ângulo 1 pode ser sincronizado na passagem por zero da tensão v 31, tornando-se negativa. Na figura 8.1 estão representadas as tensões de sincronismo e os respectivos tiristores.

13 14 v ( ) 1 T 1 T T 3 v ( ) Carga v ( ) 3 D 1 D D 3 G 1 K 1 G K G 3 K 3 3 Comando T 1 1 Comando T Comando T 3 Fig Diagrama de sincronização da ponte trifásica mista. omando Na figura 8. estão representadas esquematicamente as ligações que devem ser realizadas para a obtenção das tensões de sincronismo. No diagrama mostrado, cada tiristor é comandado por um módulo independente. Poderiam ser empregados apenas 3 transformadores de sincronismo. T1 1 0 v1 T 6 T T 4 T3 T v 13 v3 v 1 v31 v 3 Fig Tensões para ponte de GRAETZ.

14 15 Tiristor Tensão de Sincronismo T 1 v 13 T v 1 T 3 v 3 T 4 v 31 T 5 v 1 T 6 v 3 Fig Tabela das tensões de sincronismo dos tiristores. Como já foi mencionado, os módulos de comando devem enviar aos tiristores trens de pulso com duração de 10 o a partir da ordem de disparo. As formas de onda mais importantes de um módulo de comando que realiza tais funções estão representadas na figura 8.3. v 1 ( ) T 1 T T 3 v v 3 ( ) ( ) Z T 4 T 5 T 6 v 13 T1 v 31 T4 v 1 T v 1 T 5 v 3 T3 v 3 T6 v 1 v v 3 Fig Sincronização da ponte trifásica completa.

15 16 v 1 v R VC 10 o 10 o Fig Formas de onda para um módulo de comando da ponte trifásica mista. V 1 - tensão de referência. V R - rampa sincronizada com a tensão de referência. - tensão de comando. V 7 - sinal intermediário. I g - corrente de gatilho de um tiristor. O diagrama de blocos do módulo de comando que produz os sinais representados na figura 8.3 está representado na figura 8.4. v 1 Gerador de Rampa v R Comparador v 7 Monoestável Porta E Estágio de Potência Astável Fig Diagrama de blocos do módulo de comando DURAÇÃO DOS PULSOS DE GATILHO

16 17 Nos casos em que o conversor alimenta uma carga puramente resistiva, um pulso de corrente de gatilho com 10s de duração é suficiente para colocar um tiristor em condução. 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 retenção I L. Se a duração do pulso de corrente de gatilho não for suficiente, quando ela se anula o tiristor se bloqueia. Para uma carga fortemente indutiva deve ser respeitada a relação (8.7). LI t L (8.7) E Há casos particulares onde devem ser empregados pulsos de corrente longos em relação à duração necessária para se disparar um único tiristor. Seja um retificador de onda completa monofásico alimentando uma carga que contenha uma força contra-eletromotriz, cujas formas de onda estão representadas na figura 8.5. v L E o i L t 1 t t 3 t 1 t t 3 t 1 t t 3 i G Fig Comando do retificador com carga incluindo f.c.e.m. Se a duração do pulso da corrente de gatilho for tal que t t1 (8.8) o tiristor não entrará em condução pois nesse intervalo encontra-se polarizado negativamente. A solução consiste em aplicar um pulso longo de modo que a relação (8.9) seja verificada. t t1 (8.9)

17 18 Caso haja necessidade de isolação entre o comando e a rede, deve-se empregar transformadores de pulso, o que impossibilitaria o emprego de pulsos longos. Nesses casos a solução ideal é o emprego de um trem de pulsos como aparece na figura MÓDULO DE COMANDO DISCRETO DE BAIXO CUSTO Seja o circuito representado na figura Vcc v 1 TR R1 D1 D + v - C1 v 3 C1 R VC R3 T1 v 4 R4 T v5 R5 C R6 R7 T3 Tp D3 G K Fig Módulo de comando discreto para um tiristor de pequena potência. As formas de onda fundamentais estão representadas na figura 8.7. O transformador T R com D 1 e C 1 produzem a rampa v C1. representa a tensão de comando do ângulo de disparo. A tensão v 3 é deslocada verticalmente em relação à massa quando varia. Quando v 3 torna-se positiva, o transistor T 1 é saturado, T é bloqueado e o transistor unijunção T 3 oscila livremente. Quando T 1 é bloqueado, T 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. A tensão de comando pode ser proveniente dos circuitos de regulação do conversor. Caso se deseje apenas comando manual, a fonte pode ser substituída por um resistor variável adequado. O circuito apresentado é muito simples e econômico e contém as funções mais importantes para um bom comando.

18 19 v 1 v C1 v 3 v 4 v 5 i G Fig Formas de onda para o circuito representado na figura MÓDULOS DE COMANDOS INTEGRADOS Os fabricantes de componentes eletrônicos colocam a disposição dos técnicos os módulos de comando integrados. Com eles consegue-se uma sensível redução do volume dos circuitos de comando e um aumento considerável na confiabilidade. A título de ilustração está representado na figura 8.8 o módulo TCA785 produzido pela ICOTRON (SIEMENS), com suas funções básicas.

19 0 C = = 1 I R V 11 C Fig Funções básicas do módulo de comando TCA785. v 5 v 10 V 11 v 15a v 14a v 15b P P N N v 14b v 3 v 7 Fig Formas de onda principais para o integrado TCA785.

20 1 1 - Detetor de zero. - Memória de sincronização. 3 - Monitor de descarga. 4 - Comparador de controle. 5 - Transistor de descarga. 6 - Unidade lógica. 7 - Regulador interno de tensão. 8 - Fonte controlada de corrente constante. As formas de onda principais do módulo TCA785 estão representadas na figura 8.9. 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 1. Quando o pino 1 é aterrado a largura do pulso atinge 180 o, ou seja, a largura é igual a 180 o -. Ao se conectar o pino 6 à terra inibe-se todas as tensões de saída do módulo. Para o comando de um Triac pode ser empregada a tensão v 7 que é uma 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 18V. Na figura 8.30 está representado um circuito proposto pelo fabricante, para o comando de um Triac. Nesse caso, 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. Para corrente de gatilho superiores a 50mA, deve ser empregado um estágio amplificador antes do gatilho. Os dados técnicos detalhados para projeto devem ser obtidos com o fabricante do circuito integrado.

21 0V +15V M5 BAY61 Carga 5K 11 8 TCA R A A1 47K 8nF Fig Aplicação do módulo TCA785 para o comando de um Triac.