PLATAFORMA DIDÁTICA DE RETIFICADORES TRIFÁSICOS PARA ENSINO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Marcelo R. S. Brito, Natália M. A. Costa, Luiz C. G. Freitas Universidade Federal de Uberlândia - UFU, Faculdade de Engenharia Elétrica, Uberlândia-MG Núcleo de pesquisa em Eletrônica de Potência - NUPEP E-mails: marcelo.rsbrito@gmail.com, lcgfreitas@yahoo.com.br Resumo O uso de recursos laboratoriais é de fundamental importância no ensino de disciplinas da área técnica, como a Eletrônica de Potência, onde as aulas práticas facilitam o aprendizado e mantêm os discentes motivados e interessados no conteúdo da disciplina. Neste contexto, este artigo apresenta uma Plataforma Didática desenvolvida para o ensino de Conversores CA-CC na disciplina de Eletrônica de Potência da Universidade Federal de Uberlândia. A plataforma didática desenvolvida consiste em um retificador trifásico controlado e não controlado, sendo seu controle baseado no circuito integrado TCA 785. Para tornar o ensino mais dinâmico, a Plataforma Didática foi projetada para ter várias condições de operação, simulando queima de componentes e uso misto de tiristores e diodos. Um protótipo da plataforma proposta foi construído e avaliado experimentalmente em laboratório e os resultados obtidos são apresentados neste trabalho. Palavras-Chave Material didático, Eletrônica de Potência, Retificador Trifásico, TCA 785, Tiristor. TEACHING PLATFORM OF TRHEE-PHASE RECTIFIER FOR TEACHING OF POWER ELECTRONICS Abstract The use of laboratory resources is of fundamental importance in teaching subjects of the technical area, such as Power Electronics, where practical classes facilitate learning and keep students motivated and interested in the content of the discipline. In this context, this paper presents a Didactic Platform developed for teaching AC-DC Converters in the discipline of Power. The proposed platform consists in a three phase controlled and uncontrolled rectifier. The IC TCA 785 is used to control the thyristors operation. The Didactic Platform was designed to have various operating conditions, simulating breakdown components and mixed use of thyristors and diodes. A prototype of the proposed platform was built and evaluated experimentally in laboratory and the results are shown in this paper. 1 Keywords Didactic Material, Power Electronics, Three-phase Rectifier, TCA-785, Thyristors. I. INTRODUÇÃO Devido à notável evolução da Eletrônica de Potência e consequentemente a viabilização de novos dispositivos mais flexíveis, compactos e eficientes, nota-se que é cada vez maior o número de cargas elétricas que utilizam algum tipo de conversor eletrônico de potência ou, simplesmente conversores estáticos, para processar e controlar o fluxo de energia elétrica. Atualmente, estima-se que, no Brasil, aproximadamente 50% da energia elétrica é processada eletronicamente antes de ser realmente utilizada [1]. A grande maioria dos conversores estáticos opera através de uma fonte de alimentação em CA, mas sempre requerem um estágio de entrada de conversão CA-CC, denominados retificadores. No curso de Engenharia Elétrica a disciplina Eletrônica de Potência tem o importante papel de fundir conhecimentos adquiridos ao longo do curso unindo, basicamente, os conceitos relacionados com a teoria de semicondutores, sistemas de controle, eletrônica analógica e eletrônica digital dentre outras. O conhecimento teórico adquirido em sala de aula desempenha papel fundamental na formação do discente, no sentido de prepará-lo para propor soluções para os mais diversos problemas a serem enfrentados, quando desempenharem suas funções de Engenheiros Eletricistas atuando nas mais diversas áreas do setor elétrico brasileiro. Nesse sentido, destaca-se que o desenvolvimento de atividades práticas pelos alunos do curso não é apenas uma exigência curricular. É indispensável que, concomitante com uma sólida formação teórica, os alunos possam, ao desenvolver atividades experimentais, adquirir familiaridade com sistemas, equipamentos e dispositivos tradicionalmente utilizados por profissionais da área. Adicionalmente, as aulas práticas devem propiciar o desenvolvimento da criatividade, despertar a curiosidade científica e aguçar o senso crítico dos alunos ao se defrontarem com situações reais. É de igual importância, a necessidade da formação de Engenheiros preparados não apenas do ponto de vista teórico, mas também capacitados a enfrentar os problemas práticos de uma realidade submetida a mudanças técnicas / tecnológicas rápidas e radicais [2]. Dentro deste contexto, este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma Plataforma Didática de Retificadores Trifásicos para ensino prático da disciplina de Eletrônica de Potência. Esta Plataforma foi projetada com o intuito de tornar possível a avaliação experimental do funcionamento de circuitos retificadores a diodos e/ou tiristores, propiciando ao discente a oportunidade de implementar conversores CA-CC monofásicos e trifásicos,
de meia-onda e onda completa, variar o ângulo de disparo dos tiristores além de simular defeitos e propor soluções para os problemas identificados. É válido ressaltar que, ao longo do curso, é proposto ao discente o desafio de desenvolver suas próprias placas de controle para utilização com a plataforma didática desenvolvida, propiciando, desta forma, a chance de desenvolver conhecimentos no desenvolvimento de placas de circuitos impresso e uso de circuitos integrados dedicados. Na Seção II é apresentada uma descrição geral da Plataforma Didática desenvolvida, destacando-se as formas possíveis de operação da potência. Na Seção III são apresentadas técnicas de disparo de tiristores e explica-se sobre o funcionamento do TCA. Na seção IV são apresentados os circuitos de controle de disparo. Na seção V são apresentados os resultados experimentais obtidos em laboratório através da implementação do primeiro protótipo da plataforma e, por último, na Seção V são apresentados os custos da implementação do referido equipamento. Como a potência necessita ser híbrida, para que se possa fazer qualquer combinação entre diodos e tiristores, foram colocadas chaves entre o ânodo e fase para os semicondutores de cima, e entre cátodo e fase para os de baixo. Desta forma é possível comutar entre diodo, tiristor ou deixar ambos desligados, podendo assim simular a falha (circuito aberto) de um desses componentes no circuito retificador. A Figura 2 demonstra o esquema de ligação das chaves no circuito de potência, sendo os diodos numerados de D1 a D6, os tiristores de T1 a T6 e as chaves correspondentes aos diodos numeradas de Sd1 a Sd6, enquanto as correspondentes aos tiristores de St1 a St6. Por exemplo, para que a plataforma opere no modo trifásico totalmente controlado (uso apenas de tiristores) basta fechar as chaves St1, St2, St3, St4, St5 e St6. II. DESCRIÇÃO DA PLATAFORMA DIDÁTICA PROPOSTA A Plataforma Didática consiste de um retificador trifásico que pode ser usado tanto para o estudo de retificadores controlados e não controlados, assim como sistemas híbridos de retificação envolvendo tiristores e diodos. Ao contrário dos diodos, os tiristores necessitam de um circuito de sincronismo e disparo. Para tal função a solução escolhida foi projetar um circuito de controle com o CI TCA 785 e usar transformadores de pulso para desacoplamento do disparo do circuito de controle. Na Figura 1 é mostrada a foto da montagem do primeiro protótipo da plataforma didática. As três placas semelhantes localizadas na parte de baixo da figura (A) são responsáveis pelo controle do disparo dos tiristores. A placa em baixo à esquerda(b) é uma fonte responsável por alimentar as placas de controle, direcionar o disparo para a placa correta, gerar e tratar uma tensão de comparação que dá o ângulo de disparo para o controle. A placa maior (C) é a de potência, onde são alojados diodos e tiristores. Ao lado dela estão os transformadores(d) que tem a importante função de reduzir a tensão de 220V para 12V AC que será usada para sincronizar os TCAs com a rede. Fig. 2. Esquema de ligação das chaves no circuito de potência. III. TÉCNICAS DE DISPARO DE TIRISTORES O tiristor, quando diretamente polarizado (tensão de ânodo maior que a de catodo), entra em condução caso haja a injeção de uma pequena corrente (portadores de carga) do terminal do gatilho para o catodo. Após a entrada em condução, mesmo na ausência do sinal de gatilho, este dispositivo permanece em condução enquanto permanecer diretamente polarizado. Este disparo precisa ser aplicado a cada ciclo da senóide de entrada e a forma de onda da tensão de saída depende do ângulo de disparo ajustado, conforme observado na Figura 3 [3]. Fig. 1. Plataforma Didática. Fig. 3. Funcionamento do tiristor.
A. Considerações sobre o CI TCA785 O CI TCA 785 é um CI projetado justamente para o controle do disparo de tiristores e triacs. Este CI é capaz de gerar sinais de disparos sincronizados com a rede, sendo necessários apenas alguns componentes externos como resistores e capacitores para que o mesmo funcione corretamente. O funcionamento do TCA pode ser descrito da seguinte maneira: o circuito é sincronizado à rede através da imposição da tensão da rede (após ter sido reduzida de 220V para 12V por um transformador) no pino 5 onde é feita uma detecção de passagem por zero. No pino 9, é colocado um resistor responsável por determinar o valor da corrente de uma fonte de corrente interna do TCA que irá carregar um capacitor colocado no pino 10, sendo que a cada passagem por zero, esse capacitor será descarregado, criando assim uma onda dente de serra. No pino 11, é então inserida uma tensão que deve ser comparada com a onda dente de serra, sendo que a cada vez que, em sua subida, a dente de serra cruzar com a tensão de comparação é dado um disparo [4]. Como a cada ciclo da senóide há duas passagens por zero, ocorrem, portanto, dois disparos por ciclo, o disparo no pino 15 é correspondente ao ciclo positivo e o pino 14 ao ciclo negativo. Esta operação é mostrada na Figura 4. Fig. 4. Funcionamento do TCA. A largura dos disparos dos pinos 14 e 15 são proporcionais ao capacitor colocado no pino 12 (quanto maior o capacitor, maior a duração do pulso). É desejável um pulso longo, pois desta forma haverá maior garantia de que o tiristor irá disparar e dependendo do quão longo for esses disparo, não será necessário o cruzamento do disparo, que será explicado mais a frente. B. Considerações sobre o disparo Os pulsos dos pinos 14 e 15 são positivos em relação ao terra do controle, sendo que os pulsos para o ciclo positivo da senóide (pino 15) devem ser nos tiristores que ficam na parte superior dos braços retificadores enquanto os pulsos do semiciclo negativo da senóide devem ser aplicados nos tiristores localizados na parte inferior, desta forma, um catodo está conectado a uma fase e o outro ao barramento CC retificado, portanto se for aplicado o disparo direto do TCA para o tiristor, o mesmo ponto seria submetido a tensões diferentes e haveria um curto, além de que assim as tensões da potência iriam circular no controle, algo não desejável e inseguro [5]. Sendo assim, é necessário desacoplar o disparo do resto do circuito, podendo ser usados basicamente acopladores ópticos ou o transformador de pulso. O uso de acopladores ópticos é uma solução bastante eficiente e segura para resolver este problema de desacoplar o disparo do controle, porém ele gera um grande problema que é a necessidade de uma fonte no lado da potência em cada tiristor, o que seria equivalente a incluir mais seis transformadores e seis circuitos de fonte, o que aumentaria muito o tamanho da plataforma e significativamente o custo da mesma. O transformador de pulso transfere o transitório aplicado em seu enrolamento primário para o secundário, sendo necessário um circuito de gatilho simples e barato, para dar um ganho ao disparo vindo do TCA. Portanto, foi escolhido o uso de transformadores de pulso para desacoplar controle e disparo. O transformador de pulso, entretanto só é capaz de produzir disparos curtos (o transformador de pulso usado produz um disparo máximo de aproximadamente 30µs em 12V). C. Considerações sobre técnica de disparo cruzado O disparo do tiristor em um retificador funciona da seguinte forma, para a primeira entrada em condução é necessário aplicar um disparo em dois tiristores ao mesmo tempo. Porém, para continuar a operação do retificador é necessário o disparo de apenas um tiristor, pois o seu par já estará em condução. Caso os dois tiristores em condução se polarizem reversamente (tensão de saída atinja zero quando a carga não é indutiva) e parem de conduzir antes do próximo disparo, será necessário novamente aplicar um disparo em dois tiristores [5]. Para aplicar o disparo em dois tiristores ao mesmo tempo, pode-se usar a técnica de disparo longo (não possível com transformador de pulso), ou então pode-se aplicar o mesmo disparo em dois tiristores ao mesmo tempo (disparo que deve estar desacoplado um do outro), essa técnica é chamada de disparo cruzado. A técnica é exemplificada na Figura 5, sendo a seta vermelha o cruzamento do disparo aplicado em T1 para T5(disparo de V AB ), e a seta azul, o cruzamento do disparo aplicado em T6 para T1(disparo de V AC ). Fig. 5. Esquema de cruzamento de disparo.
Podem-se observar na Figura 1 os vários fios coloridos que levam os disparos das placas dos TCAs, para a placa de potência, sendo que os fios de mesma cor representam o mesmo disparo que é cruzado. Sendo incentivado ao aluno à ligação desses fios durante as práticas, para que o mesmo aprenda melhor o funcionamento da técnica. IV. IMPLEMENTAÇÃO DA PLATAFORMA DIDÁTICA PROPOSTA Para implementar a Plataforma Didática proposta foram projetados três circuitos que seguem as demandas abordadas anteriormente, eles serão explicados a seguir: A. Circuito de Fonte O circuito da fonte é bastante simples, contendo apenas uma fonte VCC de 12V estabilizada, montada com CI regulador de tensão LM7812 para alimentar o circuito de controle; um divisor resistivo de tensão que possui um potenciômetro para ajustar a tensão de comparação que será comparada com a dente de serra em cada uma das placas de TCA; um buffer para garantir a estabilidade da tensão de referência independente da corrente drenada (sendo a mesma tensão independente do número de módulos de disparo ligados a ela, funcionamento monofásico ou trifásico); e tem a simples, porém extremamente importante função de separar corretamente a tensão de sincronismo vinda dos transformadores para que o TCA seja sincronizado corretamente com a rede, como pode ser visto na Figura 6. circuito é repetido três vezes em cada módulo trifásico, havendo um circuito de TCA para cada braço de tiristores. Os componentes desse circuito podem ter sua função descrita por: o pino 1 é ligado ao terra para referenciar o CI; o pino 5 possui dois diodos 1N4148 em antiparalelo com relação ao terra (para limitar a tensão nesse ponto à queda de tensão de condução dos diodos); o pino 6 habilita o CI e é ligado à tensão de alimentação por um resistor de 10KΩ; no pino 9 fica um resistor que define a corrente de carga da dente de serra; no pino 10 um capacitor que é carregado e descarregado produzindo uma dente de serra; no pino 11 entra a tensão de comparação; no pino 12 o capacitor que determina a largura do pulso; nos pinos 14 e 15 saem os disparos que serão tratados pelo circuito de gatilho; o pino 16 é ligado à tensão de alimentação estabilizada de 12V; os demais pinos não são conectados a nada [4]. Este circuito é mostrado na Figura 7. Fig. 7. Esquemático do circuito do TCA. C. Circuito de gatilho O circuito de gatilho é mostrado na Figura 8, ligados a cada pino 14 e 15, são conectados dois circuitos de gatilhos semelhantes a este. Fig. 6. Esquemático do circuito da fonte. B. Circuito do TCA O circuito que contem o TCA é constituído do CI TCA785 e alguns capacitores, resistores e diodos que determinam os parâmetros de operação do mesmo. Este Fig. 8. Esquemático do circuito de gatilho.
O transformador de pulso transfere energia do primário para o secundário (disparo para o tiristor) quando é imposto um disparo vindo do pino 14 ou 15 na base do transistor. É valido ressaltar que durante o curso de Eletrônica de Potência o aluno é incentivado a desenvolver o seu próprio módulo de controle. V. ENSAIOS EXPERIMENTAIS REALIZADOS Nesta seção serão apresentados os resultados experimentais coletados no primeiro protótipo da Plataforma Didática proposta, como pode ser observado na Figura 9. Fig. 10. Operação monofásica com Carga resistiva. Na Figura 11 é apresentado o uso da plataforma com carga indutiva nas mesmas condições de ensaio descritas anteriormente. Fig. 11. Operação monofásica com Carga Indutiva. A Figura 12 apresenta as formas de onda da plataforma como um Retificador Trifásico totalmente controlado (disparo a 60 da comutação natural), com as chaves St1, St2, St3, St4, St5, St6 fechadas, usando carga resistiva. Fig. 9. Foto da montagem para coleta dos resultados. Foram usadas como referência da entrada as tensões de linha V AB (Azul) e V AC (Verde) e a tensão de fase V AN (Rosa), a forma de onda da tensão de saída é representada em Amarelo. Os dados dos ensaios realizados são apresentados na Tabela I. TABELA I ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO TENSÕES DE ENTRADA E CARGA USADOS MÁXIMOS V AN, V BN, V CN 127V 250V V AB, V BC, V CA 220V 500V CORRENTE APROXIMADA NA CARGA 4 A 7,5A CARGA RESISTIVA 75Ω --- CARGA INDUTIVA 30mH --- A Figura 10 apresenta as formas de onda para a Plataforma operando como um Retificador Monofásico totalmente controlado (disparo a 90 ) com as chaves St1, St2, St4, St5 fechadas, usando carga resistiva. Fig. 12. Operação trifásica, somente tiristor. A Figura 13 apresenta as formas de onda para a Plataforma operando como um Retificador Trifásico não controlado com as chaves Sd1, Sd2, Sd3, Sd4, Sd5, Sd6 fechadas, usando carga resistiva.
componentes (resistores, diodos, tiristores, conectores, etc.) foram resumidos por demais itens. Os preços listados na Tabela II foram fornecidos pelos principais revendedores de componentes eletrônicos encontrados no mercado (Farnell e Trancham). Fig. 13. Operação trifásica, somente diodo. A Figura 14 apresenta as formas de para as mesmas condições da figura anterior, porém faltando 1 diodo (chave Sd3 aberta). Fig. 14. Operação trifásica faltando um diodo. A Figura 15 apresenta as formas de para a operação Hibrida da plataforma, com as chaves St1, St2, St3, Sd4, Sd5, Sd6. TABELA II TABELA DE CUSTOS Item Quant. Preço unitário (R$) Total (R$) Bornes 5 3,5 17,5 Transformador 12/+12 3 10,5 31,5 Chave On-Off 12 2 24 Transformador de pulso 12 4 48 TCA785 3 18,50 55,50 Demais itens -- -- 54 Preço Final 230,50 *pesquisa realizada em 15/04/2010. VII. CONCLUSÕES A plataforma didática apresentada neste artigo demonstra grande potencial para o auxílio no ensino prático da disciplina de Eletrônica de Potência à medida que proporciona ao aluno condições de simular diversas condições de operação observadas em circuitos retificadores realizando diferentes combinações entre diodos e tiristores. O aluno é incentivado a montar seu próprio módulo de controle e usar outras técnicas de disparo, experimentando, por exemplo, montar um módulo de controle utilizando acopladores óticos com o intuito de aplicar sinais de comando sem cruzamento. Acredita-se que a plataforma didática proposta será capaz de permitir aos alunos um aprimoramento técnico sobre circuitos retificadores e formas de controle dos mesmos e, adicionalmente, cumprirá o papel de proporcionar ao discente o entendimento acerca da aplicação da Eletrônica de Potência no que tange o processamento eletrônico da energia elétrica. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o próprio NUPEP pelos equipamentos disponibilizados, suporte financeiro do CNPq para construção da Plataforma e da FAPEMIG pela bolsa de iniciação científica. Adicionalmente, os autores agradecem o professor Luiz Carlos de Freitas pela atenção, paciência e horas dedicadas sem as quais a construção da Plataforma didática não seria possível. REFERÊNCIAS Fig. 15. Operação trifásica hibrida. VI. CUSTOS O custo aproximado do material gasto na primeira Plataforma montada é de R$230, sendo mostrados na tabela II de forma detalhada os componentes mais caros. Os demais [1] Vários Autores. Conservação de Energia: Eficiência de Instalações e Equipamentos. Editora da EFEI, 2001. [2] Revista da Associação Brasileira de Eletrônica de Potência, Artigos da Seção Especial em Educação em Eletrônica de Potência, Vol. 13, N 2, Maio de 2008, p. 77-131. [3] Barbi, I. Eletrônica de Potência, Edição do Autor, 4ª Edição, p. 5-34. [4] Datasheet TCA 785. Acedido em 2 Abril de 2010, em: http://www.datasheetcatalog.com. [5] Ahmed, A. Eletrônica de Potência. Editora Prentice Hall, 2000. p. 253-305.