aa-eletrÔnica potÊncia-senai-mg

CENTRO DE FORMAO PROFISSIONAL PEDRO MARTINS GUERRA

ELETRNICA DE POTNCIA

Itabira 2005

Presidente da FIEMG Robson Braga de Andrade Gestor do SENAI Petrnio Machado Zica Diretor Regional do SENAI e Superintendente de Conhecimento e Tecnologia Alexandre Magno Leo dos Santos Gerente de Educao e Tecnologia Edmar Fernando de Alcntara

Elaborao/Organizao Eugnio Srgio de Macedo Andrade Unidade Operacional Centro de Formao Profissional Pedro Martins Guerra Reviso Equipe Tcnica - Centro de Formao Profissional Pedro Martins Guerra Itabira/MG 2005

SumrioAPRESENTAO ........................................................................................... 04 INTRODUO ................................................................................................ 05 1. DIODOS ....................................................................................................... 1.1 Diodos Schottky ..................................................................................... 1.2 Diodos de Linha ......... 1.3 Diodos Rpidos ...................................................................................... 07 09 09 09

2. TIRISTORES ............................................................................................... 11 2.1 SCR ....................................................................................................... 11 2.2 TRIAC .................................................................................................... 16 3. CHAVES CONTROLVEIS ........................................................................ 18 3.1 GTO ....................................................................................................... 18 3.2 IGBT Transistor Bipolar de Porta Isolada ........................................... 19 4. UJT .............................................................................................................. 24 4.1 Geradores de Pulsos: Circuitos de Disparo Para Tiristores .................. 26 4.2 Gerador de Pulsos Sincronizado com a Alimentao ............................ 28 5. CIRCUITO INTEGRADO TCA 780/785 ...................................................... 30 5.1 Anlise de Blocos e Funcionamento 31 6. RETIFICADORES ....................................................................................... 6.1 Retificadores No Controlados .............................................................. 6.1.1 Retificador Trifsico Onda No Controlado .............................. 6.1.2 Retificador Trifsico Onda Completa No Controlado ................. 6.2 Retificadores Controlados ..................................................................... 6.2.1 Retificador Trifsico Onda Controlado ..................................... 6.2.2 Retificador Trifsico Onda Completa Totalmente Controlado .............. 6.2.3 Retificador Trifsico Onda Completa em Ponte Mista ................. 6.3 Resumo de Frmulas de Retificadores ................................................ 7. INVERSORES ............................................................................................. 7.1 Inversores No Autnomos ................................................................... 7.2 Inversores Autnomos ........................................................................... 7.3 Modulao PWM .................................................................................... 7.4 Inversores Monofsicos ......................................................................... 7.5 Inversores Trifsicos .............................................................................. 8. EXEMPLO DE APLICAO ....................................................................... 8.1 A Evoluo do Controle de Velocidade ................................................. 8.2 O Controle Escalar ................................................................................. 8.3 O Modo de Controle Vetorial ................................................................. 9. FONTES CHAVEADAS............................................................................... REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ............................................................... 42 42 42 45 46 46 50 51 54 56 56 57 58 61 65 67 67 68 72 77 80

Eltrnica de Potncia ____________________________________________________________

Apresentao

Muda a forma de trabalhar, agir, sentir, pensar na chamada sociedade do conhecimento. Peter Drucker

O ingresso na sociedade da informao exige mudanas profundas em todos os perfis profissionais, especialmente naqueles diretamente envolvidos na produo, coleta, disseminao e uso da informao. O SENAI, maior rede privada de educao profissional do pas, sabe disso , e consciente do seu papel formativo , educa o trabalhador sob a gide do conceito da competncia: formar o profissional com responsabilidade no processo produtivo, com iniciativa na resoluo de problemas, com conhecimentos tcnicos aprofundados, flexibilidade e criatividade, empreendedorismo e conscincia da necessidade de educao continuada. Vivemos numa sociedade da informao. O conhecimento, na sua rea tecnolgica, amplia-se e se multiplica a cada dia. Uma constante atualizao se faz necessria. Para o SENAI, cuidar do seu acervo bibliogrfico, da sua infovia, da conexo de suas escolas rede mundial de informaes internet- to importante quanto zelar pela produo de material didtico. Isto porque, nos embates dirios, instrutores e alunos, nas diversas oficinas e laboratrios do SENAI, fazem com que as informaes, contidas nos materiais didticos, tomem sentido e se concretizem em mltiplos conhecimentos. O SENAI deseja, por meio dos diversos materiais didticos, aguar a sua curiosidade, responder s suas demandas de informaes e construir links entre os diversos conhecimentos, to importantes para sua formao continuada! Gerncia de Educao e Tecnologia

____________________________________________________________4/4 Mantenedor Eletroeletrnico


INTRODUOOs dispositivos semicondutores de potncia, tambm chamados interruptores estticos, constituem parte fundamental dos conversores de potncia. Operando como chaves, eles atuam sobre o fluxo de energia eltrica com um mnimo de perdas. Recentemente, a tecnologia de dispositivos de potncia sofreu grandes avanos. Novos tipos de interruptores com maiores capacidades de tenso e corrente, maiores velocidades e maior facilidade de controle foram desenvolvidos, o que no somente viabilizou o emprego de conversores em novas aplicaes como tambm possibilitou o surgimento de novas topologias de conversores. Em princpio, os interruptores de potncia podem ser agrupados em trs classes principais: Diodos: possuem ligamento e desligamento dependentes do circuito de potncia; Tiristores: podem ser ligados pelo circuito de comando, mas seu desligamento depende do circuito de potncia; Chaves Controlveis: podem ser ligadas ou desligadas pelo circuito de comando. O SCR e o TRIAC so os componentes que representam a classe de tiristores de potncia. Na classe de chaves controlveis de potncia se enquadram o BJT Bipolar Transistor ou transistor bipolar, o GTO Gate Turn Of Thyristor, o Power MOSFET e o IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor. H tambm outros componentes em desenvolvimento, como o MCT MOS Controled Thyristor, mas ainda no disponveis comercialmente em larga escala. A tabela seguinte resume as caractersticas dos interruptores de potncia com relao a controlabilidade do ligamento e desligamento.DESLIGAMENTO (BLOQUEIO) Espontneo Comandado Diodo Tiristor Dual SCR, TRIAC BJT, IGBT, GTO, MCT

LIGAMENTO (DISPARO)

Espontneo Comandado

Tabela 1

Os semicondutores de potncia possuem caractersticas estticas e dinmicas. As caractersticas estticas referem-se ao comportamento do componente sob condies de corrente e tenso fixas, isto , sua caracterstica v x i. As caractersticas dinmicas referem-se aos processos de ligamento e desligamento do componente, isto , v x t e i x t. Mesmo operando como chaves, os interruptores estticos reais apresentam perdas que podem ser denominadas:



Perdas por conduo: so causadas pelas quedas de tenso no estado de conduo do dispositivo; Perdas por comutao: so causadas pelos tempos no nulos de chaveamento, durante os quais ocorrem tenses e correntes elevadas simultaneamente nos dispositivos. Em altas freqncias estas perdas tornamse significativas e podem limitar a mxima freqncia de trabalho do conversor; Perdas por corrente de fuga: so causadas pelas correntes de fuga no estado de bloqueio dos dispositivos. Esta perda normalmente muito pequena e por isso desprezada. Cada dispositivo apresenta particularidades que os tornam adequados ou no a determinada aplicao. A seguir ser apresentado o estudo mais detalhado de cada dispositivo semicondutor de potncia.



1. DIODOSObserve a figura seguinte.iD

vD 0

Figura 1.1 Caracterstica esttica do diodo ideal.

No caso real, quando o diodo est diretamente polarizado, apenas uma pequena queda de tenso direta fica sobre seus terminais (de 1V a 2V nos diodos de potncia, aproximadamente). Quando o diodo est reversamente polarizado, apenas uma pequena corrente de fuga flui de catodo para anodo. Em ambos os casos ocorrem perdas por conduo e por corrente de fuga, respectivamente. O processo de ligamento do diodo extremamente rpido e se aproxima do caso ideal. Os manuais dificilmente trazem informaes sobre os tempos de ligamento. Mas, na comutao, o diodo apresenta o fenmeno chamado recuperao reversa, que ocorre durante o intervalo chamado tempo de recuperao reversa, ou trr. Durante a recuperao reversa, a corrente no diodo se inverte para depois se anular. Isso ocorre por causa do acmulo de portadores minoritrios na juno, que constituem a carga chamada Qrr. Esta carga retirada da juno pela corrente negativa, que forada pela polarizao reversa aplicada ao diodo. A figura seguinte ilustra a caracterstica dinmica de desligamento do diodo.

Figura 1.2 Processo de desligamento do diodo



A carga armazenada na juno pode ser associada a uma capacitncia, chamada capacitncia de juno, CT. No intervalo ta mostrado na figura, CT descarregada, e no intervalo tb carregada at o valor da tenso reversa aplicada. No fim do intervalo tb atingido o pico da corrente de recuperao reversa, a IRRM. Esta corrente juntamente com o trr so parmetros muito importantes a serem considerados no projeto de conversores estticos de potncia. Dependendo do caso, a IRRM pode ser inclusive maior do que a corrente direta IF que estava sendo conduzida antes do bloqueio. A carga Qrr a rea sob o grfico durante trr, e dada por: Qrr = trr . IRRM 2

A taxa de decrescimento da corrente, diF / dt, est diretamente relacionada com o pico da corrente de recuperao reversa, IRRM . Quanto maior a taxa de decrescimento da corrente, maior IRRM. Na prtica, o valor de diF /dt determinado pela tenso e pela indutncia srie do circuito no qual o diodo est submetido, conforme a equao diF = -VS dt L Durante o intervalo tb, ficam presentes sobre o diodo tenses e correntes elevadas, ocorrendo, portanto perdas por comutao. Quanto maior trr, maiores as perdas. A inevitvel presena de indutncias parasitas no circuito e da capacitncia de juno provoca a gerao de oscilaes de tenso e corrente no circuito, devido ao corte abrupto da corrente de recuperao IRRM. Estas oscilaes (ringing) so prejudiciais, pois geram perdas nas resistncias srie do circuito e tambm interferncia eletromagntica (EMI). Por isso, as indutncias parasitas devem ser minimizadas, o que se obtm reduzindo ao mximo o comprimento das ligaes. Do ponto de vista construtivo, h dois tipos de diodos de potncia: os diodos PN e os diodos Schottky. Os diodos PN so constitudos pela juno de dois semicondutores (P-N), enquanto os diodos Schottky so formados por uma juno metal- semicondutor. Os diodos Schottky apresentam quedas de tenso direta muito menores do que os diodos PN, da ordem de 0,3V a 0,8V apenas, contra 1V a 2,2V dos diodos PN. Alm disso, por serem dispositivos de portadores majoritrios, so muito mais rpidos. Entretanto, os diodos Schottky no suportam tenses reversas elevadas, e somente so encontrados para tenses at 100V.



A figura seguinte ilustra o smbolo dos diodos PN e Schottky.

Figura 1.3 Smbolos dos Diodos PN e Schottky

1.1 DIODOS SCHOTTKYDevido sua pequena queda de tenso direta e alta velocidade, so muito empregados em conversores com pequenas tenses de sada (fontes chaveadas e conversores CC-CC). So disponveis com especificaes de tenso at 100V e especificaes de corrente desde alguns ampres at centenas de ampres nos dispositivos de menor tenso.

1.2 DIODOS DE FREQNCIA DE LINHAOu simplesmente diodos de linha, so projetados para possurem a menor queda de tenso direta possvel, a fim de minimizar as perdas por conduo, e por isso so bastante lentos (Standard recovery). Entretanto, como operam em 50 ou 60 Hz, seu tempo de comutao no crtico, e usualmente os manuais de fabricantes no o especificam. Esses diodos podem suportar tenses de at vrios Kilovolts e correntes de vrios Kiloampres.

1.3 DIODOS RPIDOSEsses diodos so projetados para operar em altas freqncias, possuindo tempos de recuperao reduzidos. A designao Soft-recovery utilizada para indicar que o componente possui reduzida taxa de variao da corrente no intervalo tb da caracterstica dinmica. Isto importante para minimizar sobretenses (ringing) nas indutncias srie parasitas do circuito. Com relao ao tempo de recuperao reversa, os diodos rpidos podem ser sub-classificados como: Fast Recovery: Possuem trr de 200ns a 2 s; Ultrafast Recovery: Possuem trr menores que 100ns. Para efeito ilustrativo, a tabela seguinte mostra os dados principais de alguns diodos de potncia comerciais.



Cdigo Diodos de linha 1N 5408 SKN100/12 SKN6000/06 Diodos Rpidos SKN3F20/8 SKN340F/18 BY359-1500 Diodos Ultra-Rpidos UF4007 MUR840 BYT16P-400 RHRG30120 Diodos Schottky MBRD835L IN5822 STPS12045TV

VRRM 800V 1200V 600V 800V 1800V 1500V 1000V 400V 400V 1200V 35V 40V 45V

IFAV 3A 125 A 6000 A 20 A 400 A 6,5 A 1A 8A 16 A 30 A 8A 3A 60 A

VF 1,2V 1,55V 1,3V 2,15 1,9V 2,6V 1,7V 1,25V 1,5V 2,25V 0,41V 0.52V 0,67V

Trr 250ns 2200ns 600ns 50ns 50ns 35ns 70ns -

Tabela 1.1

A seguir esto os significados dos parmetros mais importantes: VRRM VRSM VR ou PIV VF IFSM IFM ou IFRM IF ou IFAV IFRMS i2 t IR trr IRM Qrr PTOT TJ Rthjc ou RJC rT CT LS Tenso reversa repetitiva Tenso reversa no repetitiva Tenso reversa contnua Queda de tenso direta com o diodo em conduo Corrente de surto direta no repetitiva (nico) Corrente de surto direta repetitiva Valor mdio da corrente direta Valor eficaz da corrente direta Este valor utilizado para selecionar o fusvel de proteo, que deve possuir 2 um i t menor do que o do diodo. Corrente reversa mxima (corrente de fuga) Tempo de recuperao reversa Pico da corrente de recuperao reversa, dado para valores de temperatura, IF e diF / dt especficos. Carga que flui para o circuito durante o intervalo trr. Dissipao de potncia no diodo. Faixa de temperatura de operao da juno. Resistncia trmica entre a juno encapsulamento em c/w. Resistncia hmica do diodo. Capacitncia de juno. Indutncia srie.



2. TIRISTORESTiristor o nome usado para designar uma famlia de componentes de quatro camadas (P-N-P-N). Nesta seo sero abordados os tiristores SCR e TRIAC. Embora o GTO seja tambm um tiristor, ele ser abordado na seo de chaves controlveis.

2.1 O SCRO SCR Silicon Controled Rectifier o mais antigo dispositivo semicondutor de potncia, possui construo simples, ainda hoje o dispositivo capaz de manipular as mais altas potncias. possvel encontrar no mercado dispositivos que podem suportar vrios Kilovolts e vrios Kiloampres. Entretanto, como mencionado na tabela 1, somente seu ligamento pode ser controlado. A figura seguinte mostra o smbolo do SCR, juntamente com sua caracterstica esttica (idealizada).

Figura 2.1 O SCR e sua caracterstica esttica

Alm de possuir anodo e catodo como os diodos, o SCR possui um terminal de controle, o gate. Desta forma, o SCR comporta-se como um diodo controlvel, sendo capaz de bloquear tenses positivas e negativas. No estado de conduo do SCR real, a queda de tenso direta (VT) bastante pequena, da ordem de 1 a 3V, mesmo nos dispositivos capazes de suportar vrios Kilovolts. O ligamento do SCR feito atravs do terminal Gate (porta ou gatilho), onde deve ser aplicado um pulso de corrente positiva em relao ao catodo, com amplitude e durao suficientes. O SCR entrar em conduo se estiver sob polarizao direta anodo catodo, e manter seu estado de conduo se, antes de ser retirada a corrente de gate, a corrente de anodo for superior ao valor chamado corrente de travamento (latching), IL. Caso contrrio o SCR retoma o estado de bloqueio. A figura seguinte ilustra o processo de ligamento do SCR. Como pode ser observado, existe um tempo de atraso td entre o estabelecimento da corrente de gate e o incio do crescimento da corrente de anodo. O tempo tr refere-se ao intervalo de decaimento da tenso anodo-catodo de 90% para 10% de seu valor inicial. O tempo de ligamento ton a soma de td e tr.



Figura 2.2 Processo de ligamento do SCR

No processo de ligamento, importante limitar a taxa de crescimento da corrente (di/dt) no dispositivo, sob pena de formao de pontos quentes (hot spots) prximos ao gate com a conseqente destruio do componente. No possvel realizar o desligamento do componente pelo terminal de gate. Inclusive, aps o disparo, a corrente de gate pode ser retirada sem comprometer a condio de conduo do SCR. H dois meios de efetuar o bloqueio do SCR: Comutao natural: neste caso, a corrente de anodo naturalmente cai abaixo do valor mnimo chamado corrente de manuteno IH (Holding Current), o que d incio comutao. Em aplicaes CA, isto ocorre automaticamente nas passagens por zero da forma de onda corrente. Comutao forada: neste caso, o tiristor reversamente polarizado por um circuito auxiliar (chamado circuito de comutao forada) ou, s vezes, pelo prprio circuito de potncia. O processo de bloqueio semelhante ao dos diodos. Depois de se anular, a corrente de anodo se inverte durante o intervalo trr. Para que o SCR mantenha seu estado de bloqueio, ele somente pode receber nova polarizao direta aps passado um tempo superior a tq (tempo de comutao), o qual igual soma de trr e tgr, o tempo de recuperao de gatilho. O tq dependente da temperatura e da corrente direta, dentre outros parmetros. A figura seguinte ilustra o processo de bloqueio do SCR, juntamente com a indicao dos tempos relevantes.



Figura 2.3 Processo de bloqueio do SCR

Aps completo o processo de comutao, importante limitar a taxa de subida da tenso no dispositivo (dv/dt), sob pena de ligamento indevido. Devido presena da capacitncia de juno, a corrente de deslocamento causada por uma taxa dv/dt elevada pode provocar o disparo acidental do SCR. Para evitar esse problema, deve ser externamente ligado ao SCR um circuito que reduza essa taxa, chamado circuito snubber, o qual consiste num circuito RC srie. Dependendo das necessidades da aplicao, vrios tipos de SCRs so disponveis: SCRs de freqncia de rede: tambm conhecidos por phase control SCRs, so utilizados em retificadores controlados e como chave eletrnica CA. Os parmetros mais importantes so as capacidades de tenso e corrente e a queda de tenso direta. Em favor de uma pequena queda de tenso direta, o tempo de comutao tq no otimizado, variando entre 50 e 300 s. Este tipo de SCR pode ser encontrado para operar em tenses de at 5-12kV e correntes de at 3-4kA, aproximadamente. SCRs rpidos: tambm conhecidos por inverter type SCRs, so projetados para utilizao em choppers e inversores, e desta forma possuem um tempo de comutao reduzido (2 a 50 s) . A utilizao destes tiristores est sendo abandonada devido performance muito superior dos transistores IGBT e MOSFET de potncia. Apenas so utilizados em potncias muito elevadas. Os tempos de ligamento e desligamento dos SCR so relativamente elevados, o que produz considerveis perdas por comutao. Por isso, a utilizao de SCRs restrita a aplicaes de freqncia no muito elevadas. A necessidade de circuitos de comutao forada e a menor velocidade so as grandes desvantagens dos SCRs. Nos dias de hoje, devido aos avanos na tecnologia dos transistores de potncia MOSFET e IGBT, o SCR tem sua utilizao restrita a circuitos retificadores de linha, rels de estado slido e____________________________________________________________13/13 Mantenedor Eletroeletrnico


conversores de altssimas potncias (na casa das dezenas de MVA), como transmisso de energia CC em alta tenso (HVDC), acionamento de grandes motores de vrios MVA, ETC. A tabela seguinte ilustra resumidamente as caractersticas de alguns dispositivos. Cdigo Tiristores de linha 30TPS16 180RKI80 ST1230C16 Tiristores Rpidos IRFK7212 SKFH150/8 VRRM / VDRM 1600V 800V 1600V 1200V 800V ITAV 20 A 180 A 1745 A 71 A 150 A VT 1,3V 1,35V 1,62V 2,40V 2,45V tq 110 s 100 s 200 s 25 20



VDRM VRRM VRSM VR VT (dv/dt)cr ITSM ITM ou ITRM IT ou ITAV ITRMS i2 t IR IRD IL IH (di / dt) cr tq tgr td ou tgd tr ou tgr tON ou tgt trr IRM Qrr PTOT ou PD(AV) Tj Rthjc ou R JC rT IGT VGT VGRM IGD VGD PGM PG(AV) IGTM ou IGSM

Tenso direta repetitiva Tenso reversa repetitiva Tenso de surto reversa no repetitiva Tenso reversa contnua Queda de tenso direta com o SCR em conduo Mxima taxa de crescimento da tenso Corrente de surto direta no repetitiva Corrente de surto direta repetitiva Corrente direta mdia Corrente direta eficaz Este valor utilizado para selecionar o fusvel de proteo, que deve 2 possuir um i t menor do que o do SCR. Corrente reversa (corrente de fuga) Corrente direta com o SCR bloqueado (corrente de fuga) Corrente de travamento (latching current) Corrente de manuteno (holding current) Mxima taxa de crescimento da corrente Tempo de comutao Tempo de recuperao de gate Tempo de atraso no ligamento Tempo de decaimento da tenso anodo catodo Tempo de ligamento Tempo de recuperao reversa Pico da corrente de recuperao reversa, dado para valores de temperatura, IF e diF / dt especficos. Carga que flui para no circuito durante o intervalo trr Dissipao de potncia Faixa de temperatura de operao da juno Resistncia trmica entre a juno encapsulamento em C / W Resistncia hmica do tiristor Mnima corrente de gate para o disparo Mnima tenso de gate para o disparo Tenso reversa que pode ser aplicada juno G-K Mxima corrente de gate que certamente no provocar o disparo (gate non-trigger current) Mxima tenso de gate que certamente no provocar o disparo (gate non-trigger voltage) Pico de potncia de gate Potncia mdia de gate Corrente de gate Tabela 2.1

A seguir esto os significados dos parmetros mais importantes.



2.2 TRIACO TRIAC Thyristor AC pode ser interpretado como a conexo de dois SCRs em anti-paralelo. O componente bidirecional em corrente e tenso, possuindo os terminais de carga MT1 e MT2 (MT = Main Terminal), bem como o terminal de gate. O maior problema do TRIAC que sua capacidade de dv/dt muito baixa, tipicamente 5 a 20V / s, contra 100 1000 V/ s nos SCRs. Alm disso, somente esto disponveis dispositivos para correntes de apenas aproximadamente 40 Arms. Esses fatores seriamente limitam sua capacidade de controle de potncia, mas no impede sua ampla e difundida utilizao em aplicaes CA de baixa potncia. A figura seguinte mostra o smbolo do TRIAC, juntamente com sua caracterstica esttica idealizada. Como pode ser observado, um dispositivo que opera em todos os quadrantes do plano v x i. Sendo um tiristor, possui caracterstica de travamento, isto , uma vez em conduo a corrente de gate pode ser retirada.

Figura 2.4 O TRIAC e sua caracterstica v x i

O processo de bloqueio similar ao do SCR. Embora com sensibilidades diferentes, o TRIAC pode ser disparado tanto com correntes positivas quanto negativas no gate, mas sempre em relao a MT1. Como o TRIAC pode conduzir em ambas as direes, em aplicaes CA ele somente dispe de um breve intervalo de tempo para recuperar sua condio de bloqueio na passagem por zero da forma de onda senoidal de corrente, o que limita seu emprego confivel em freqncias de at 60HZ. Quando aplicado no controle de cargas indutivas, o atraso da corrente em relao a tenso implica que quando a corrente cai abaixo da corrente de manuteno IH e o TRIAC bloqueia, surge sobre os terminais do mesmo certa tenso. Se esta tenso surge muito rapidamente, o TRIAC retoma o estado de conduo e o controle perdido. A fim de evitar esse problema, a taxa dv / dt de subida da tenso deve ser limitada atravs de uma rede RC srie ligada aos terminais do componente (circuito snubber). Na prtica, em aplicaes de alta potncia, quando necessrio efetuar o controle bidirecional de correntes mais elevadas, utilizam-se dois SCRs ligados em anti-paralelo.____________________________________________________________16/16 Mantenedor Eletroeletrnico


A designao dos parmetros dos TRIACs so semelhantes s dos tiristores. A tabela seguinte mostra resumidamente as caractersticas de alguns dispositivos. Cdigo T2500DFP 2N6344 BCR30GMI2 VRRM / VDRM 400V 800V 600V ITRMS 6A 12 A 30 A VT 2v 1,55V 1,6V dv/dt(cr) 10 V/ s 5V/ s 20V/ s

Tabela 2.2



3. CHAVES CONTROLVEISAs chaves controlveis possuem o disparo e o bloqueio controlveis atravs de um terminal apropriado. Na prtica, as chaves apresentam tempos de ligamento e desligamento no nulos, quedas de tenso no estado de conduo e corrente de fuga no estado de bloqueio. Esses fatores fazem com que ocorram perdas de energia no dispositivo, tanto no estado de conduo, quanto durante as comutaes. Normalmente, as perdas causadas pelas correntes de fuga so pequenas e por isso desconsideradas. Outro aspecto no ideal que certa potncia necessria para comandar o dispositivo, chegando a ser um problema em certos dispositivos semicondutores.

3.1 GTOO GTO um tiristor que possui capacidade de desligamento atravs do terminal de gate. Seus smbolos mais comuns e sua caracterstica esttica v x i idealizada esto mostrados na figura seguinte.

a) GTO

b) Caracterstica Esttica

Figura 3.1 O GTO e sua caracterstica esttica

Assim como o SCR basta um pulso de corrente positiva em seu gate para o ligamento, o qual mantido mesmo depois de retirada a corrente de gate. O GTO tambm desliga caso a corrente de anodo caia abaixo do valor mnimo de manuteno (IH). Para efetuar o desligamento do GTO, um pulso de corrente negativa deve ser aplicado no gate. Embora o GTO no necessite de circuitos de comutao forada como os SCRs, a corrente que deve ser aplicada ao gate para efetuar o desligamento grande, apenas de 2 a 5 vezes menor do que a corrente de anodo a ser comutada. Isto faz com que os circuitos de acionamento de gate sejam maiores, mais complexos e mais caros, o que uma sria desvantagem. Alm disso, os GTOs no toleram altas taxas de crescimento de tenso (dv/dt), o que traz a necessidade da utilizao obrigatria de circuitos snubbers de desligamento. A partir de certo valor da corrente de anodo, o controle do desligamento pelo gate perdido, portanto cuidados devem ser tomados para que sobrecorrentes no estejam presentes. Em outras palavras: o GTO capaz de suportar surtos de corrente mas no capaz de cort-los atravs do gate. A capacidade de bloqueio de tenso no sentido reverso muito pequena, isto , o GTO praticamente no capaz de bloquear tenses negativas.____________________________________________________________18/18 Mantenedor Eletroeletrnico


A queda de tenso direta dos GTO ligeiramente maior do que a dos SCRs (de 2v a 3v), e a capacidade de controle de potncia quase to elevada quanto: existem GTOs capazes de bloquear vrios Kilovolts e conduzir vrios kiloampres. Os tempos de desligamento so menores do que o dos SCRs (tipicamente de 5 a 25 s), de maneira que os GTOs podem operar em freqncias maiores. Devido a essas caractersticas, os GTOs somente so utilizados em aplicaes de altssimas potncias (vrios MVA), como em choppers e inversores trifsicos para trao eltrica, por exemplo. A tabela seguinte ilustra resumidamente as caractersticas de alguns dispositivos. Cdigo FG1000BV-90BA FG6000AU-120D VDRM 4500V 6000V ITAV 400 A 1500A VT 4V 6V tq 20 s 30 s dv/dt(cr) 1000V/ s 1000V/ s

Tabela 3.1

3.2 IGBT TRANSISTOR BIPOLAR DE PORTA ISOLADAO surgimento do Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT no final dos anos 80 representou um enorme avano na rea da eletrnica de potncia. Embora com velocidades menores do que as do MOSFET, o IGBT mais rpido do que o transistor bipolar, e pode controlar potncias muito mais elevadas do que o MOSFET. H disponveis hoje IGBTs com capacidade de tenso de 1700V e 600 A, e mais recentemente dispositivos de 3,3kv e 1000 A . Os tempos de comutao variam desde 0,2 s nos IGBTs de menor potncia at 2 s nos de maior potncia, aproximadamente. A figura seguinte mostra os smbolos mais usuais do IGBT, juntamente com sua caracterstica esttica idealizada.

Figura 3.2 O IGBT e sua caracterstica esttica idealizada

Os terminais do IGBT so: gate, coletor e emissor. Como pode ser notado nos smbolos, o IGBT, assim como o MOSFET, possui o terminal de controle (gate) isolado, ou seja, um dispositivo controlado por tenso. Isto significa circuitos de acionamento de gate menores, mais simples e mais baratos do que os utilizados nos BJTs. H duas tecnologias de IGBT: PT (punch-through) e NPT (non punch-through).____________________________________________________________19/19 Mantenedor Eletroeletrnico


Os IGBTs tipo PT possuem quedas de tenso V ce(sat) menores do que os do da tecnologia NPT. Por outro lado, os IGBTs NPT possuem coeficiente temperatura positivo, o que propicia a ligao em paralelo. Alm disso, possuem capacidade de bloqueio de tenso em ambos os sentidos, o que no ocorre nos IGBTs da tecnologia PT. Normalmente os catlogos dos fabricantes informam qual a tecnologia utilizada. O IGBT rene caractersticas do transistor bipolar e do MOSFET. Na realidade, a caracterstica de entrada do IGBT a mesma do MOSFET, enquanto a caracterstica de sada similar do BJT. Esta ltima confere ao IGBT quedas de tenso coletor-emissor pequenas (1.5 a 3.5V), mesmo nos dispositivos com maior capacidade de bloqueio de tenso. Ao contrrio do MOSFET, IGBT no possui internamente o diodo intrnseco. Pode-se adquirir IGBTs com ou sem o diodo intrnseco. Pode-se adquirir IGBTs com ou sem o diodo anti-paralelo. Por outro lado, o IGBT possui internamente um tiristor parasita. Caso esse tiristor entre em conduo, o controle do IGBT ser perdido, o que pode lev-lo destruio. Esse fenmeno conhecido por latchup, que pode ser provocado por excesso de corrente de coletor ou dvce / dt excessivo. Nas geraes atuais de IGBT esse problema foi minimizado: o latch-up dificilmente ocorre. So os chamados latch-up free IGBTS. O ligamento do IGBT feito de maneira similar do MOSFET: deve-se carregar a capacitncia gate-emissor com uma tenso suficiente. O desligamento efetuado fazendo-se VGE inferior ao valor de limiar V ce(th). Normalmente se utilizam as tenses 0 e 15V ou 15 e +15V para efetuar o comando do IGBT. Assim como nos MOSFETs, os tempos de comutao so diretamente relacionados com a velocidade de carga da capacitncia CGE . Variando-se a resistncia externa de gate pode-se alterar o comportamento dinmico do IGBT. A maior fonte de perdas por comutao no IGBT a presena da cauda de corrente (current tailing) no desligamento. Nas geraes atuais, esse problema foi reduzido, mas ainda persiste. A figura seguinte ilustra esse fenmeno.

Figura 3.3 Cauda de corrente no desligamento do IGBT

Nos manuais, as perdas por chaveamento dos IGBTs so especificadas explicitamente (parmetros Eon e Eoff) em mJ (mWs). Estas especificaes so vlidas para condies pr-estabelecidas, devendo ser corrigidas de acordo com a situao de interesse.____________________________________________________________20/20 Mantenedor Eletroeletrnico


No IGBT, no h o fenmeno de Segunda Avalanche (second breakdown) como nos BJTs, o que aumenta a rea de operao segura (SOA). Alm das reas de operao segura FBSOA, tambm comum a apresentao da SCSOA Short Circuit SOA ou rea de operao segura em curto circuito. Esse diagrama til no dimensionamento da proteo do IGBT. O formato quadrado das curvas de SOA do IGBT permite muitas vezes a operao sem snubbers, o que simplifica os circuitos. A capacidade de suportar pulsos de corrente maior do que a do MOSFET, o que um outro fator que faz o uso de snubbers desnecessrio em muitas aplicaes. Os IGBTs so os dispositivos mais utilizados em inversores e choppers de pequena e mdia potncia, existindo mdulos de IGBTs com uma ponte trifsica completa integrada. Alm de mdulos meia ponte (half bridge), etc. Esses mdulos facilitam a montagem e levam a indutncias parasitas menores, entretanto, caso um dos IGBTs se danifique, todo o mdulo perdido. H tambm os chamados IPMs mdulos de potncia inteligentes (Inteligent Power Modules), que integram o circuito de potncia, circuitos de proteo e os drives de gate dos IGBTs. Para fins ilustrativos a tabela seguinte traz os dados de alguns transistores IGBTs.CDIGO IRG4BC30W IRG4PC50KD IRG4PH50KD APT60GF120JRD SKM500GA123D CM1200HB-66H VCES 600V 600V 1200V 1200V 1200V 3300V IC @ ( c) VCE(on) 12 A @100C 2.7V 30 A @100C 1.84V 24 A @100C 2.77V 60 A @90C 4.1V 400A @80C 3.7V 1200 A @25C 3.6V Tabela 3.2 PD 25C 100W 104W 200W 520W 2700W 1563W E(on) + E(off) 0.35mJ 3.0mJ 8.36mJ 19mJ 53mJ

Os significados dos parmetros mais importantes esto mostrados a seguir. VCES VCGR V(BR) CES VCE(sat) VCE(on) IC ICM ICES IGES PD Eon Eoff Ets td(on) tr td (off) tf Tenso coletor emissor estando o gate em curto com o emissor Tenso coletor gate estando o gate ligado ao emissor por de um resistor Tenso de ruptura coletor-emissor com VGE=0 Mxima tenso coletor emissor quando em saturao Mxima tenso coletor emissor quando em saturao Corrente DC de coletor Corrente de surto de coletor (vlida para uma dada largura de pulso) Corrente de coletor com gate ligado ao emissor (corrente de fuga) Corrente gate emissor com VCE= 0 (corrente de fuga) Potncia mxima dissipada (normalmente a 25c) Perda de energia no ligamento Perda de energia no desligamento Perda total de energia no chaveamento Tempo de atraso no ligamento Tempo de subida da corrente Tempo de atraso no desligamento



Qg Qge Qgc Ciss Coss Crss LCE R JC TJ

Tempo de queda da corrente Carga total de gate (gate-emissor mais gate-coletor) Carga gate-emissor Carga gate-coletor Capacitncia de entrada Capacitncia de sada Capacitncia gate-coletor (capacitncia reversa) Indutncia interna Resistncia trmica juno ambiente Temperatura da pastilha

Comparao Entre as Chaves Eletrnicas de Potncia Para cada aplicao h uma chave eletrnica de potncia que mais indicada, oferecendo uma melhor performance. A figura seguinte mostra as aplicaes dos dispositivos de potncia escalonados em funo da freqncia de trabalho e da potncia envolvida.

Figura 3.4 Aplicaes dos semicondutores de potncia

A tabela seguinte efetua uma comparao entre os interruptores de potncia controlveis.____________________________________________________________22/22 Mantenedor Eletroeletrnico


COMANDADO POR: POTNCIA NECESSRIA PARA COMANDAR CIRCUITO DE COMANDO CAPACIDADE DE CORRENTE

MOSFET TENSO MNIMA

IGBT TENSO

BIPOLAR CORRENTE

GTO CORRENTE

MNIMA

ELEVADA COMPLEXO Elevadas correntes de base positivas e negativas MDIA Severo compromisso com os tempos de comutao MDIA/ALTA Depende do compromisso Com as perdas de conduo MDIA/ALTA

ELEVADA COMPLEXO Elevados pulsos de corrente positivas e negativas

SIMPLES ELEVADA em baixas tenses BAIXA em altas tenses

SIMPLES MDIA/ALTA Pequeno compromisso com os tempos de comutao BAIXA/MDIA Depende do compromisso com as perdas de conduo

MUITO ALTA

PERDAS POR COMUTAO VELOCIDADE DE CHAVEAMENTO

ALTA

MUITO BAIXAS

MUITO ALTA

ALTA

BAIXA

Tabela 3.3



4. UJTO transistor unijuno, ou diodo de dupla base um dispositivo semicondutor que possui uma juno PN com uma base de baixa dopagem e alta resistividade como mostra a figura seguinte. Devido ao seu comportamento bi estvel, utilizado com freqncia em circuitos geradores de pulso, sincronismo, temporizadores, etc.

2

1 Figura 4.1 1 = Estrutura 2 = Smbolo

A base, de material N, tem dois terminais (B1 E B2) e que, por estar pouco dopada, apresenta uma alta resistncia (de 5 a 10k). Aplica-se, normalmente, entre B2 E B1 uma polarizao VBB. A camada P chamada de emissor (E) e o circuito equivalente deste dispositivo est mostrado na figura seguinte.

Figura 4.2 Circuito equivalente.

Com o emissor aberto, temos uma tenso V1 sobre RB1, dada por: V1 = RB1/ RB1 + RB2 . VBB; onde = RB1 /RB1 + RB2 . ou, V1 = VBB.



O parmetro caracterstico do UJT e tem seu valor normalmente prximo de 0,5. Aplicando-se agora uma tenso positiva no emissor, o diodo permanecer cortado at um valor mximo VE = VP = VI + Vf. A partir deste valor o diodo comea a conduzir e a injetar corretamente na regio de base. Isto faz com que sejam criados portadores (lacunas e eltrons) nesta regio e seja reduzida a resistncia RB1. Esta reduo de RB1 ser tanto maior quanto maior for a corrente injetada na regio da base. Estando o diodo injetando corrente na regio de base a tenso VE pode ser reduzida sem que o mesmo pare de conduzir. Ao menor valor de VE que ainda mantm a injeo de corrente chamamos Vmin. Tenses de emissor inferiores a Vmin, levam interrupo da corrente e, conseqentemente, cortam a conduo do UJT. Resumindo, o UJT possui dois estados distintos: CONDUO e CORTE. Para cada um destes estados podemos construir um circuito equivalente.

Figura 4.3 Conduo Incio da conduo: VE > V1 + Vf Mantendo-se em conduo: VE > Vmin

Figura 4.5 Curva caracterstica do UJT ( = 0,5) Vp = tenso de disparo do UJT Vp = VBB + Vf = VBB Se 0,5 Vp 0,5 VBB



4.1 Geradores de Pulsos: Circuitos de Disparo Para Tiristores e TriacsO Transistor unijuno (UJT) freqentemente utilizado nos circuitos para disparar os diodos controlados.

Quando o circuito ligado alimentao, o capacitor C inicia um processo de carga atravs de RV, aumentando exponencialmente sua tenso, em direo ao potencial VBB. Enquanto o potencial de emissor VE for inferior tenso de disparo, Vp, a resistncia entre E e B1 muito alta e o capacitor continua seu processo de carga. Quando a tenso de disparo alcanada, a resistncia entre E e B1 fica muito baixa (igual do diodo EB1 polarizado diretamente) e o capacitor se descarrega rpidamente atravs de E B1 e R1 (que tambm de valor baixo). A descarga de C gera um pulso rpido em B1, que tem amplitude e durao adequadas para disparar tiristores e triacs. Aps a descarga completa de C, o UJT pra de conduzir entre E e B1, e o capacitor inicia um novo processo de carga, repetindo o ciclo, gerando outro pulso, da a um certo intervalo definido pela constante de tempo RV . C.

W T6 T 5 I!!(6"!yxV'Ua9eyxw@vd@ RuQpstUrqphgf'75 R 9 T 6 9 P 9 R i H T RP T T P W T 5 RP H E C A 9 5 3 1 ) & & $ 9ed'cb#a`YXVU"8SQ#@IFGDB@2(86724#20('%#"! Figura 4.6 - Oscilador de relaxao com UJT ____________________________________________________________26/26 Mantenedor Eletroeletrnico


Figura 4.7 - Formas de ondas em E(VE) e em B1(VB1) VBB = Tenso de alimentao Vp VBB = tenso tpica de disparo do UJT ve = tenso de extino do UJT; (tenso onde cessa a conduo entre E e B1) T = 1/f = perodo da oscilao. Desprezando Ve e o tempo de descarga, tp, o perodo e a freqncia so dados por: 1 1 t = RVC ln _____ e f = __________________ 1- RVC ln 1 ____ 1- Observa-se que a forma de onda gerada no EMISSOR do tipo dente se Serra. A freqncia pode ser variada atuando em RV, uma vez que este resistor influi no tempo de carga de C: RV grande, tempo de carga grande, perodo aumenta a freqncia diminui. Se RV for pequeno, ocorre o inverso. O pulso de curta durao que aparece em B1, pode ser ligado diretamente no gatilho do tiristor a ser disparado, ou ento atravs de um transformador de pulsos, como mostrado a seguir.

4.2 GERADOR ALIMENTAO

DE

PULSOS

SINCRONIZADO

COM

A

Quando tiristores ou triacs so usados em corrente alternada para o controle de fase sobre uma carga qualquer, necessrio que o circuito de disparo esteja sincronizado com a rede que alimenta o circuito. Se no houver este sincronismo, em cada semiciclo positivo, o tiristor (ou triac) dispara em um ngulo de fase diferente (quando receber o primeiro pulso no gatilho depois de ter iniciado o semiciclo positivo). Desta forma seria impossvel definir uma corrente especfica de carga, devido variao contnua e aleatria do ngulo de disparo do dispositivo.____________________________________________________________27/27 Mantenedor Eletroeletrnico


O circuito mostrado a seguir funciona em sincronismo com a tenso de alimentao.

Figura 4.9 es = Em sent

Gerador de Pulsos Sincronizados com a Alimentao A operao do circuito pode ser descrita da seguinte forma: o capacitor C est inicialmente descarregado, e durante os semiciclos positivos, a tenso aplicada combinao em srie, RV e C, VZ, igual tenso de ruptura do diodo Zener, DZ. No incio do semiciclo positivo o capacitor inicia sua carga, e a tenso sobre ele aumenta exponencialmente, at que a tenso de emissor do UJT, VE, atinja o valor de disparo, V VBB 0,5Vz. Quando este valor atingido, o capacitor se descarrega, gerando um pulso que aplicado ao gatilho. Neste instante o tiristor comea a conduzir, fazendo circular corrente em RL, at que a tenso de anodo chegue a zero, em 180 quando volta a desligar, por , comutao natural. Enquanto a tenso Vz for positiva o circuito continua gerando pulsos e ativando o tiristor. Isto no altera a situao j descrita, uma vez que apenas o primeiro pulso suficiente para disparar o tiristor. Os demais pulsos, portanto, no tm nenhuma funo til. O sincronismo conseguido quando a tenso de alimentao chega a zero no final do semiciclo positivo (180). Neste ponto, a tenso aplicada sobre o zener e, portanto, sobre o UJT nula. Isto forar o capacitor a se descarregar totalmente, no importa que tenso esteja sobre o mesmo neste instante. Isto porque, se a tenso que alimenta o UJT nula, ento a tenso de disparo, Vp, igual tenso de barreira do diodo Emissor Base1, que aproximadamente 0,5 volts. Deste ponto (180) at o incio do prximo semiciclo positivo (360 = 0) o diodo Zener est diretamente polarizado.____________________________________________________________28/28 Mantenedor Eletroeletrnico


Portanto a tenso Vz ser 0,7v e o UJT no poder gerar pulsos neste intervalo. Ao iniciar-se o prximo semiciclo positivo, o capacitor C inicia seu processo de carga partindo de uma condio de carga inicial nula. Portanto, se Rv no tiver sido alterado, o ponto de disparo (ou ngulo de disparo, d) ser o mesmo do semiciclo positivo anterior, uma vez que a constante de tempo no foi alterada nem o valor da tenso de disparo, nem a condio inicial de carga. Ento, o fato do capacitor iniciar seu processo de carga a partir da condio de carga inicial nula, em cada semiciclo positivo, constitui o sincronismo do gerador de pulsos. O instante, ou o ngulo de disparo poder ser alterado atravs de variaes em RV : RV menor, dispara mais cedo, d menor; RV maior, dispara mais tarde, d maior.



5. CIRCUITO INTEGRADO TCA 780/785O C.I. TCA 780/TCA785. Com a evoluo tecnolgica ocorrida no perodo entre dcadas de 70 e 80, e com a necessidade de reduo de espao fsico ocupado pelos dispositivos de disparo de chaves estticas, foi criado um circuito integrado capaz de satisfazer a maioria das aplicaes industriais no ramo de eletrnica de potncia e controle de potncia. Este circuito eletrnico foi batizado com o apelido de TCA 780 e o seu sucessor de TCA 785. Trata-se de um circuito integrado analgico monaltico, desenvolvido para controlar o ngulo de disparo de tiristores, triacs, e transistores continuamente entre 0 e 180. O ponto de chaveamento regulado por alguns componentes ligados externamente aos seus pinos que permitiro um grande nmero de opes de funcionamento, em espao reduzido. Dentre as principais caractersticas, destacam-se: Largo campo de aplicaes devido possibilidade de controle externo; Operao em circuitos trifsicos empregando 3 CIs; Compatvel com LSL (lgica digital de elevada imunidade a rudos); Durao de pulso de disparo controlado por apenas um capacitor externo; Deteco de passagem de tenso por 0 volts; Indicado para aplicao de conversores tenso freqncia (VCO); Possibilidade de inibio de pulsos de disparo; Tenso de alimentao de 8 a 18V; Consumo interno de corrente baixo (5mA).

Seu circuito interno e pinagem aparecem na figura a seguir.



Figura 5.1 Circuito integrado de disparo TCA785

5.1 ANLISE DE BLOCOS E FUNCIONAMENTOO circuito interno ser explicado apenas para fixar o conceito do disparo por pulsos. Alm disso, o conhecimento de como o TCA 785 funciona, ajudar a entender os circuitos de disparo e como projet-los. A figura seguinte mostra uma parte do diagrama de blocos do TCA785.

Figura 5.2 - Detalhe parcial do TCA785



Todo circuito de disparo, em retificadores controlados, deve ser sincronizado com a rede, ou ocorrer o disparo aleatrio dos tiristores, uma vez que cada pulso ser aplicado num instante diferente, que no est relacionado com a tenso da rede. Um ponto de referncia para sincronismo a passagem da rede por zero. Isto ocorre cada 8,33 ms, aproximadamente, em redes de 60Hz. No TCA 785, existe um detector de passagem por zero (bloco DPZ), que gera um pulso de sincronismo toda vez que a tenso da rede passa por zero. A entrada para a tenso de referncia de sincronismo no pino 5, como mostra a figura seguinte.

Figura 5.3 - Referncia para o detector de passagem por zero

A fonte de alimentao para os circuitos internos de 3,1V, regulada pelo prprio TCA785, a partir da tenso de alimentao do circuito integrado (Vs). Isto permite que o CI possa ser alimentado com diversos nveis de tenso (8V Vs 18V). A tenso de 3,1V est tambm disponvel externamente (pino 8), podendo ser filtrada (por C8) para reduzir a ondulao. A base de sincronismo um gerador de rampa, cuja caracterstica ajustada por RR eCR, nos pinos 9 e 10, respectivamente. O gerador de rampa fornece uma tenso que varia linearmente com o tempo (reta). Ou seja, a tenso dobra se o intervalo de tempo dobrar. Em outras palavras, a tenso cresce proporcionalmente ao aumento do tempo, como se v, no exemplo.



Figura 5.4 - Sada de um gerador de rampa.

Pelo grfico da figura, quando a variao de tempo for de 0,1s (por exemplo, de 0s a 0,1s ou de 0,2s a 0,3s), a variao de tenso ser sempre a mesma (0,1V). Um capacitor regido pela expresso: iC = C. dv dt Onde dv uma pequena variao de tenso e dt uma pequena variao de tempo. A interpretao da equao do capacitor que, havendo variao da tenso no tempo (dv/dt), haver corrente circulando pelo capacitor. Alm disso, essa corrente ser proporcional ao valor do capacitor. Exemplo Se dv = 100mV e dt = 0,1ms, isso significa que, em 0,1ms, a tenso nos terminais do capacitor variou de 100mV. Neste caso, sendo o capacitor de 1 F, de acordo com a expresso acima, a corrente pelo capacitor ser de: IC = C. dv dt IC = 1x10 6 x 100x10-3 0,1x10-3 Ic = 1mA

De tudo isso, conclui-se que, se a corrente que flui pelo capacitor for constante, a variao de tenso ser proporcional variao do tempo, ou seja: IC = C. dv dt dv = IC . dt C

Assim, com Ic constante, a tenso aumentar segundo uma reta em relao ao tempo.____________________________________________________________33/33 Mantenedor Eletroeletrnico


No TCA785, ocorre justamente o descrito acima. O capacitor CR carregado linearmente atravs de uma fonte de corrente constante, cujo valor pode ser controlado por RR, segundo a expresso: iCR = VCCint . K RR Onde K = 1,1 e VCCint = 3,1V. Os valores mnimo e mximo de ICR, respectivamente, 10 A e 1000 A, devem ser observados. O mesmo ocorre com RR, que deve estar entre 3k e 300k . Finalmente, a tenso VCR da rampa, no capacitor CR, cresce linearmente com o tempo, conforme a equao: VCR = ICR . t CR Para o correto funcionamento do circuito, devem ser considerados os valores mnimo e mximo de CR, respectivamente, 500pF e 1 F. Um valor elevado de CR tornaria a descarga do mesmo muito lenta, comprometendo o novo ciclo de carga e, conseqentemente, o sincronismo do disparo. Exemplo Se RR = 100K ICR = VCCint . K RR VCR = ICR . t CR e CR = 0,1 F, tem-se: ICR = 3,1 x 1,1 100 x 103 VCR = 34,1x106 . t 0,1x10-6 ICR = 34,1 A VCR = 341.t

A tenso da rampa VCR comparada com a tenso de controle VC, no pino 11 do TCA785.

Figura 2.5 - Comparador de Disparo do TCA785 ____________________________________________________________34/34 Mantenedor Eletroeletrnico


No instante t0, correspondente ao ngulo de disparo em relao ao sinal da rede, quando as tenses se igualarem (VCR = VC), a mudana de estado na sada VD do bloco Comparador de Disparo indicar ao bloco Lgica de Formao de Pulsos, que um pulso de disparo deve ser acoplado a uma de suas sadas. A tenso da rampa VCR est limitada a (VS 2) V, ou seja, 2V abaixo da tenso de alimentao. O capacitor continua a se carregar at que, no prximo cruzamento por zero, o Detector de Passagem por Zero informe o evento ao Registrador de Sincronismo. Este registrador ir gerar um pulso de sincronismo que saturar T1. Com T1 saturado, o capacitor do pino 10(CR) descarregar-se- rapidamente, ficando preparado para o incio da prxima rampa. A informao de passagem por zero s liberada aps a descarga de CR, que monitorada pelo bloco A2 (Monitor de Descarga de CR). O TCA785 possui uma sada Q1(pino14) e outra Q2(pino 15) defasadas em 180. Enquanto Q1 serve para disparar um SCR no semiciclo positivo, Q2 pode ser usada para disparar um segundo SCR no semiciclo negativo. Mas h ainda outras sadas, que logo sero explicadas. Com as informaes dos circuitos anteriores, o bloco Lgico de Formao dos Pulsos encarrega-se de colocar nas sadas a forma de pulso selecionada. A durao dos pulsos depende de C12 e do coeficiente , conforme a tabela abaixo (em valores aproximados):C12 Aberto 150pF 220pF 330pF 680pF 1000pF Curto 93 s 136 s 205 s 422 s 620 s Tabela 5.1 180 -

= 620 s/nF 30 s

Com o pino 12 aberto, assim que a rampa se igualar tenso de controle (pino 11), ser acoplado um pulso de durao = 30 s na sada Q2 (pino 15), se a tenso da rede estiver no semiciclo positivo. Caso a tenso da rede esteja no semiciclo negativo, o pulso ser acoplado na sada Q1 (pino14). Se o pino 12 estiver curto-circuitado terra, a largura dos pulsos ser fixa, estendendo-se do instante do disparo at o incio do prximo semiciclo. Com isso, consegue-se um pulso longo, de durao 180 - , que utilizado para garantir o disparo do tiristor em aplicaes com carga indutiva. Para cada valor de C12 mostrado na tabela, tem-se pulsos com outras duraes, dadas pelo parmetro . A figura seguinte mostra a formao dos pulsos em duas opes de durao dos mesmos.____________________________________________________________35/35 Mantenedor Eletroeletrnico




Exemplo Observe o TCA785 da figura seguinte.

RR = 100k e CR = 47nF, com pino 12 aberto. Desenhe as formas de onda nos pinos 14 e 15, considerando uma tenso de controle VC = 3,5V. A tenso no capacitor CR cresce linearmente com o tempo, conforme a equao: VCR = ICR CR .t

O perodo da rampa em CR de 8,33ms (1/2 perodo de 60 Hz). O valor mximo da tenso em CR ser, portanto: VCRmax = 8,33 x 10-3 x ICR 47 x 10-9 Mas, ICR = VCCint . K RR Assim: ICR = 3,1 x 1,1 100 x 103 ICR = 34,1A VCRmax = 177234.ICR

VCRmax = 177234.ICR

vCRmax = 177234 x 34,1 x 10-6

VCRmax = 6V

Como a tenso de controle VC = 3,5V, o disparo ocorrer em: T 0 = VC . C ICR t0 = 3,5x47x10-9 34,1X10-6 t0 = 4,82ms

Finalmente, as formas de onda nos pinos 14 e 15 esto mostradas a seguir:



Figura 5.7 - Formas de onda nas sadas Q1 e Q2 do TCA785

O TCA785 tem outras opes para os pulsos de sada. As sadas Q1 (pino 4) e Q2 (pino 2) so complementares (com sinal lgico invertido) em relao s sadas Q1 (pino 14) Q2 (pino 15), respectivamente. A figura seguinte mostra os pulsos Q1, Q2 e os seus complementares Q1 e Q2 .



Figura 5.8 - Pulsos nas sadas normais e complementares

Q1 e Q2 so sadas em coletor aberto, ou seja, com transistores internos que recebem sinais nas suas respectivas bases, mas que s conduziro quando polarizados corretamente, atravs dos resistores externos R2 e R4, como no circuito da figura seguinte.

Figura 5.9 - Polarizao das sadas complementares

Os valores de R2 e R4 devem ser corretamente calculados, levando-se em conta que a corrente mxima de sada nos coletores dos transistores de 10mA. O aterramento do pino 13 resulta em pulsos de longa durao (180 - ) nas sadas Q1 e Q2 , de modo semelhante ao que ocorre com o pino 12 para as sadas Q1 e Q2.____________________________________________________________39/39 Mantenedor Eletroeletrnico


Existem, ainda duas sadas auxiliares QU (pino 3) e QZ (pino 7), tambm em coletor aberto. A sada QU anloga sada Q1, diferindo apenas pelo fato de que, em QU a durao do pulso constante e igual a 180 (8,33ms em 60Hz). A sada QZ igual a uma associao lgica NOR das sadas Q1 e Q2, sendo til no disparo de TRIACS. Na figura seguinte esto ilustradas as formas de onda das sadas QU eQZ.

Figura 5.10 - Sadas auxiliares QU E QZ

Uma opo muito importante no TCA785 a possibilidade de bloqueio das sadas. As sadas estaro liberadas apenas se o pino 6 tiver tenso superior 4V. Por outro lado, estar garantido o bloqueio dos pulsos se a tenso no pino 6 for inferior a 2,5V. Quando h defeito em um equipamento que use tiristores, ou no sistema por ele controlado, muitas vezes interessante bloquear o funcionamento dos tiristores.



A idia que um alarme, que indique uma condio defeituosa, possa atuar no pino 6 do TCA785, evitando causar maiores danos ao equipamento ou ao sistema. A condio de bloqueio no pino 6 pode ser feita com uma chave de operao manual, comum contato de rel ou ainda, usando a sada de um transistor NPN. Exemplo A figura seguinte mostra um circuito para o bloqueio das sadas do TCA785 com transistor NPN.

BC547 min = 125 VCEsat 0,25

Enquanto no chegar nenhum sinal de bloqueio, o transistor permanece cortado, fazendo com que a tenso no pino 6 seja de 5V, deixando as sadas do TCA785 liberadas. Com o sinal de bloqueio, o transistor satura e a tenso no pino 6 cai abaixo de 2,5V, bloqueando as sadas do TCA785. Portanto, basta calcular RC e RB para que o circuito satisfaa essas condies. A corrente de base ser: IB = Vbloq VBE RB IB = 5 - 0,7 RB IB = 4,3 RB

Para IB = 10 A, obtem-se RB = 430k . Escolhendo-se um valor comercial prximo, RB = 390K , resultar em IB = 11 A. A corrente de coletor mnima ser: ICmin =min

. IB

ICmin = 125x11x10-6

ICmin = 1,38mA

O valor de RCmin para garantir a saturao do transistor e o bloqueio do TCA785 ser: RCmin = VCC VCEsat ICsat RCmin = 5 0,25 1,38x10-3 RCmin = 3.442

Ser escolhido o valor comercial RC = 3k9 .____________________________________________________________41/41 Mantenedor Eletroeletrnico


6. RETIFICADORES6.1 RETIFICADORES NO CONTROLADOS6.1.1 RETIFICADOR TRIFSICO DE ONDA NO CONTROLADO O retificador trifsico de onda pode ser visualizado como a ligao em paralelo de trs retificadores monofsicos de1/2 onda. A carga ligada ao neutro da fonte trifsica, como pode ser observado na figura seguinte.

Figura 6.1 - Retificador trifsico de onda

Desta forma, a tenso sobre a carga composta por pores das tenses faseneutro. Como os catodos dos diodos esto unidos, ou seja, esto no mesmo potencial, conduzir aquele que tiver a maior tenso em seu anodo, conseqentemente colocando este potencial em seu catodo e forando os outros dois diodos a se bloquearem. A figura seguinte mostra as formas de onda das tenses trifsicas RN, SN, TN juntamente com a tenso de sada do retificador. Como as tenses trifsicas so defasadas entre si 120, a cada instante apenas uma delas mais positiva do que as outras. Por exemplo: quando a tenso da fase R a mais positiva, o diodo D1 conduz. No instante em que a tenso da fase S supera a amplitude da tenso RN, D2 entra em conduo forando D1 ao corte, e assim por diante.



A durao de cada ondulao da tenso de sada 120, porque este tambm o intervalo no qual uma tenso fase-neutro permanece mais positiva do que as demais. Devido a isto, a freqncia do riple da tenso de sada trs vezes a freqncia da fonte CA (retificador de 3 pulsos): ripple = 3 . rede Cada diodo conduz 120 por ciclo, a corrente mdia em cada diodo igual a 1/3 da corrente mdia que circula na carga: I Dmed = 1 . I Omed 3 Aplicando-se a definio de valor eficaz sobre a curva de corrente do diodo, chega-se a: I Drms = IOmed 3 A tenso mdia na carga pode ser encontrada aplicando-se a definio forma de onda da tenso: Vomed = 1 T Que resulta em: VOmed = 1,17 . V FNrms A corrente mdia na carga dada pela expresso: I Omed = VOmed R A forma de onda da tenso sobre o diodo pode ser visualizada na figura 6.3, onde se observa que ela composta por trechos de tenses fase-fase. Isto porque o diodo que conduz leva o potencial de seu anodo para o catodo dos outros dois que esto bloqueados, que ento ficam submetidos a uma diferena de potencial fase-fase de catodo para anodo.5 / 6 /6

V FN max sen(t)dt



Figura 6.3 Forma de onda da tenso no diodo

Cada diodo deve, portanto suportar o pico da tenso fase-fase, ou seja, a especificao da tenso de pico inversa (PIV ou VRRM) deve ser superior a: PIV = 2 . VFFrms Lembrando que VFFrms = 3 . VFNrms. A seqncia das tenses fase-fase mostradas na figura anterior depende basicamente da seqncia de fase da fonte CA. So 6 os nmeros de combinaes das tenses fase-fase, que so defasadas entre si 60. Cargas indutivas No retificador de monofsico de onda, a presena de uma parcela indutiva na carga faz com que surja um trecho de tenso negativa na carga. No retificador trifsico, a forma de onda da tenso de sada no se altera em presena de indutncia na carga. Isto ocorre porque neste retificador a fonte responsvel pela comutao dos diodos, isto , um dado diodo conduzir obrigatoriamente quando a tenso em seu anodo ficar mais positiva, obrigando o diodo que conduzia anteriormente a cortar.



6.1.2 RETIFICADOR TRIFSICO DE ONDA COMPLETA NO CONTROLADO O circuito do retificador trifsico de onda completa pode ser visualizado na figura seguinte.

Figura 6.4 Retificador trifsico de onda completa

Como pode ser observado, o neutro da fonte CA no ligado ao circuito retificador. Os diodos D1, D2 e D3 constituem o chamado grupo positivo (ou poli-catdico), e os diodos D2, D4, D6 o grupo negativo (ou poli andico). Os diodos conduzem sempre dois a dois: um diodo do grupo positivo e um do grupo negativo. No grupo positivo, conduzir o diodo que possuir a tenso mais positiva em seu anodo em relao ao neutro. No grupo negativo, conduzir o diodo que possuir a tenso mais negativa em seu anodo em relao ao neutro. A Figura 6.5 mostra a forma de onda da tenso de sada do retificador, juntamente com a forma de onda da tenso num dos diodos.

Figura 6.5 Formas de onda do circuito da figura anterior

Como so 6 as tenses fase-fase, e estando elas defasadas entre si 60, para cada ciclo da rede CA h 6 ondulaes na tenso de sada retificada (retificador de 6 pulsos), ou seja: ripple = 6 . rede



Da mesma forma que no retificador 3 de onda, cada diodo conduz durante 120, assim: I Dmed = 1 . I Omed 3 I Drms = I Omed 3 Atravs da forma de onda da tenso no diodo observa-se que a tenso de pico inversa expressa por: PIV = 2 . VFFrms Aplicando-se a definio de valor mdio obtm-se a tenso mdia de sada do retificador: VOmed = 1,35 . VFFrms A corrente mdia de sada : I Omed = V Omed R

6.2 RETIFICADORES CONTROLADOSUma das principais aplicaes dos retificadores controlados o acionamento de motores de corrente contnua, onde o ajuste da velocidade e torque realizado atravs da variao da tenso mdia retificada de sada. O modelo do circuito de armadura do motor CC com excitao independente ou srie do tipo RLE, onde a resistncia e a indutncia representam o enrolamento e a fonte de tenso contnua E representa f.c.e.m. Esta tenso gerada internamente devido ao movimento de rotao que faz com que haja variao do fluxo magntico nos condutores dos enrolamentos. Esta tenso proporcional velocidade angular do eixo, sendo nula quando a armadura estiver estacionria. A variao da tenso mdia retificada realizada atravs do ajuste do ngulo de disparo dos tiristores do retificador, que por sua vez realizado por um circuito de comando apropriado. Uma outra aplicao que apresenta o mesmo circuito equivalente de carga o carregamento de baterias. Neste caso a indutncia adicionada ao circuito com a finalidade de filtrar a corrente. 6.2.1 RETIFICADOR TRIFSICO ONDA CONTROLADO O circuito do retificador trifsico de1/2 onda controlado com carga RLE est mostrado na figura seguinte.____________________________________________________________46/46 Mantenedor Eletroeletrnico


Figura 6.6 Retificador trifsico de onda controlado

As formas de onda de tenso e corrente para regime de conduo descontnua e carga RLE esto mostrados na figura seguinte. O circuito de comando do retificador deve fornecer os pulsos no instante adequado, devendo estar sincronizado com as tenses trifsicas.

Figura 6.7 Formas de onda do retificador da figura anterior Conduo Descontnua

importante notar que o ngulo de disparo dos retificadores trifsicos controlados por definio contado a partir do cruzamento das tenses fase-neutro, isto , a partir de 30. A seguir esto as definies dos ngulos indicados na figura anterior. = ngulo de cruzamento das fases = 30 = ngulo de disparo com referncia em = ngulo de disparo com referncia em 0: = + 30 = ngulo de extino da corrente com referncia em 0 = ngulo com corrente nula = ngulo de conduo



Observa-se que a corrente na carga chega a zero antes do disparo do tiristor seguinte. Assim, h um perodo em que i0 = 0 e a tenso de sada ficam iguais tenso da f.c.e.m. E do motor. O regime de conduo determinado da seguinte forma: < + 120 > + 120 Conduo Descontnua Conduo Contnua

O valor do ngulo de extino da corrente somente pode ser encontrado por mtodos numricos ou grficos, uma vez que no existe uma soluo analtica que possa express-lo. A soluo grfica utilizada para a determinao de o baco de Puschlowski, mostrado na figura seguinte.



Para se utilizar o baco, inicialmente deve-se determinar os parmetros: o ngulo de disparo , o co-seno do ngulo de fase , e o coeficiente a = E/Vmax. A partir desses valores possvel obter o ngulo de extino . O baco de Puschlowski informa tambm se o regime de conduo do retificador contnuo ou descontnuo: se o ponto de operao determinado por a, cos e estiver acima da linha correspondente ao retificador em questo, o regime de conduo contnuo. Caso contrrio descontnuo. Quando o retificador em questo for trifsico, o ngulo de entrada no baco deve ser: ' + 30o para o retificador trifsico de onda = ' + 60o para o retificador trifsico de onda completa = Isto ocorre porque nestes retificadores contado a partir do cruzamento das tenses de alimentao, e o baco foi construdo com base na passagem da tenso por zero. importante lembrar que o baco de Puschlowski no pode ser utilizado quando o retificador possuir diodo de roda livre ou efeito de roda livre, como no caso dos retificadores em ponte mista. As expresses da tenso e corrente mdia na carga para conduo contnua so:

As formas de onda de tenso e corrente na carga para regime de conduo contnua esto mostradas na figura seguinte.

Figura 6.8 Formas de onda do retificador da anterior Conduo Contnua ____________________________________________________________49/49 Mantenedor Eletroeletrnico


As expresses da tenso e corrente mdia na carga para conduo contnua so:

6.2.2 RETIFICADOR CONTROLADO

TRIFSICO

ONDA

COMPLETA

TOTALMENTE

O circuito do retificador trifsico de onda completa, totalmente controlado, com carga RLE est mostrado na figura 6.9. Esta configurao tambm conhecida por ponte de Graetz. .

Figura 6.9 Retificador trifsico de onda completa, em ponte totalmente controlada

Observe as formas de onda de tenso e corrente na carga para o regime de conduo contnua. Neste retificador, o ngulo de disparo contado a partir do cruzamento das tenses fase-fase, ou seja, a partir de 60. Desta forma tem-se = + 60. Os tiristores devem ser disparados aos pares, na seqncia correta, sincronizados com a seqncia de fases da fonte CA. Os pulsos de reforo so necessrios para iniciar o funcionamento do retificador e garantir operao correta. As expresses de tenso e corrente mdia na carga para o modo de conduo contnua so:

interessante observar que para ngulos de disparo menores que 60 a conduo sempre contnua, mesmo com carga puramente resistiva.____________________________________________________________50/50 Mantenedor Eletroeletrnico


Figura 6.10 Formas de onda do retificador da Figura 3.9 Conduo Contnua

policatdico

poliandico

Figura 6.11 - Seqncia de disparo dos tiristores

Para o modo de conduo descontnua, a expresso da tenso mdia na carga :

6.2.3 RETIFICADOR TRIFSICO ONDA COMPLETA EM PONTE MISTA O circuito do retificador trifsico de onda completa em ponte mista pode ser observado na figura seguinte. Da mesma forma que na ponte mista monofsica, a tenso na carga no pode ficar negativa devido ao efeito de roda livre, causado pela conduo espontnea dos diodos.



Figura 6.12 Retificar trifsico em ponte mista

Figura 6.13 Tenso de sada para ngulos de disparo menores que 60

Figura 6.14 - Pulsos de disparo dos tiristores

A forma de onda da tenso de sada possui diferenas para ngulos de disparo maiores que 60 e menores que 60. A figura 6.13 mostra as formas de onda para ngulos de disparo menores de 60. Quando atingido o cruzamento das tenses____________________________________________________________52/52 Mantenedor Eletroeletrnico


fase-fase em t = 60 o diodo da fase correspondente entra espontaneamente , em conduo. No h etapa de roda livre.

Figura 6.15 Tenso de sada para ngulos de disparo maiores que 60

Quando o ngulo de disparo superior a 60 ocorre a etapa de roda livre, onde o diodo conduz juntamente com o tiristor do mesmo brao. A tenso mdia retificada dada pela expresso: VOmed = 0,675 . VFFrms . (1 + cos ) A corrente mdia em cada semicondutor igual a um tero da corrente mdia na carga.



6.3 RESUMO DE FRMULAS DE RETIFICADORESRetificadores No Controlados



Retificadores Controlados



7. INVERSORESOs conversores CC - CA ou Inversores so utilizados para obter em sua sada uma tenso CA varivel e/ou regulada a partir de uma fonte CC de entrada, como ilustrado na figura seguinte.

Figura 7.1 Conversor CC - CA

Os inversores estticos de potncia possuem muitas aplicaes nas reas industrial e comercial, tais como: Acionamento de motores CA a velocidade varivel; UPS Fonte ininterrupta de energia (No Break); Aquecimento indutivo Fornos; Transmisso de energia em CC a alta tenso HVDC; Filtros Ativos de Potncia etc.

7.1 INVERSORES NO-AUTNOMOSOs inversores no-autnomos utilizam tiristores e operam ligados rede eltrica CA, a qual responsvel pela comutao dos dispositivos, da o seu nome. A freqncia de funcionamento fixa e igual freqncia da rede. O controle do fluxo de energia do lado CC para o lado CA pode ser efetuado atravs da variao do ngulo de disparo dos tiristores, que deve ser maior que 90 para o funcionamento no modo inversor. Atualmente, a utilizao de inversores no autnomos restrita a aplicaes de potncias muito elevadas, como nos sistemas HVDC. A Figura seguinte ilustra um circuito tpico. O indutor necessrio para fazer a interface entre as fontes CC e CA.

Figura 7.2 Inversor no autnomo trifsico



7.2 INVERSORES AUTNOMOSNos inversores autnomos, a comutao das chaves determinada pelo circuito de comando, ou seja, esses inversores utilizam chaves com disparo e bloqueio comandveis. Desta forma, os inversores autnomos operam independentemente da rede eltrica, e podem gerar em sua sada tenses com freqncias ajustveis. As estruturas de inversores autnomos sero estudadas posteriormente neste texto. Devido ao grande desenvolvimento dos semicondutores de potncia nos ltimos anos, atualmente a maior parte dos inversores comerciais utilizam transistores IGBT, ficando os tiristores reservados s aplicaes de altssimas potncias. Os transistores IGBT so muito mais fceis de se comandar, pois sua caracterstica de entrada a mesma de um MOSFET, ou seja, so dispositivos comandados por tenso. Alm disso, os transistores IGBT so muito mais rpidos, permitindo a operao em freqncias mais elevadas com menores perdas. J os tiristores, por outro lado, possuem apenas o disparo comandado, o que exige caros e complexos circuitos auxiliares de comutao forada. Com relao caracterstica da sada, os inversores podem ser: Inversores de tenso (VSI Voltage Source Inverters) : nos inversores VSI, a tenso de sada a varivel imposta, ficando a corrente dependente da necessidade da carga; Inversores de corrente CSI Current Source Inverters: j nos inversores CSI, a corrente de sada imposta pelo inversor. Normalmente so utilizados em aplicaes de potncias mais elevadas. No presente trabalho sero estudados somente inversores VSI, os quais so muito mais difundidos. A figura seguinte mostra uma classificao geral dos inversores estticos de potncia.

Figura 7.3 Classificao dos Inversores



Quadrantes de Operao De um modo geral, a corrente de sada de um inversor VSI no estar em fase com a tenso gerada, possivelmente pela carga possuir uma parcela indutiva ou caractersticas no lineares.

a) Tenso e corrente na carga

b) Quadrantes de operao

Figura 7.4 Tenso de corrente de sada do inversor

Nos intervalos 1 e 3 mostrados da figura a, tenso e corrente possuem a mesma polaridade, o que indica que o fluxo de energia do inversor para a carga, ou seja do lado CC para o lado CA (modo inversor). J nos intervalos 4 e 2, tenso e corrente possuem polaridades opostas, o que indica o fluxo de energia da carga para a fonte, ou seja, do lado CA para o lado CC (modo retificador). A figura b resume os quadrantes de operao do inversor. Desta forma, para que a carga seja alimentada adequadamente, o inversor deve ser capaz de operar nos quatro quadrantes do plano v x i.

7.3 MODULAO PWMOperao Sob Modulao Por Largura de Pulsos PWM Esta tcnica a que produz a tenso de sada mais prxima de um senide. A amplitude da componente fundamental da tenso variada atravs da largura dos pulsos, as quais por sua vez dependem do valor da tenso de controle Vcontrol, que o sinal modulante da portadora Vtri. H basicamente duas formas de PWM: dois e trs nveis.



PWM de 2 Nveis A figura seguinte mostra os sinais referentes modulao PWM de dois nveis.

Figura 7.5 Modulao PWM de dois nveis

Atravs do espectro de freqncia mostrado, possvel observar que a tenso de sada possui componentes harmnicas de alta freqncia e pequena amplitude, as quais so muito mais facilmente filtrveis. A freqncia de chaveamento igual freqncia da portadora, que pode variar desde 3kHz nos inversores de grande potncia at 20kHz nos de menor potncia, aproximadamente. Entretanto, devido maior freqncia de chaveamento, as perdas por comutao so tambm maiores. O ndice de modulao em amplitude ma definido como a relao entre a amplitude da tenso modulante Vcontrol e a amplitude da portadora Vtri:



A amplitude da componente fundamental da tenso dada por: vol = ma . Vd Desde que ma < 1. O ndice de modulao em freqncia definido como a relao entre a freqncia da portadora e a freqncia de Vcontrol. m = s l As componentes harmnicas aparecem em grupos centrados em mf, 2.mf, 3.mf ... etc. Se mf um inteiro mpar, as harmnicas pares so eliminadas da forma de onda da tenso de sada, ficando apenas as mpares. PWM de 3 Nveis A figura seguinte mostra os sinais referentes modulao PWM de trs nveis.

Figura 7.6 Modulao PWM em trs nveis

So utilizadas duas tenses de controle: V control e Vcontrol, cada uma gerando um sinal de comparao que aplicado s chaves do inversor. A forma de onda da tenso resultante na sada do inversor possui trs nveis: +Vd,-Vd e zero, da o nome da tcnica.____________________________________________________________60/60 Mantenedor Eletroeletrnico


Em relao modulao PWM de 2 nveis, o contedo harmnico da tenso de sada menor, como pode ser observado na figura anterior. interessante observar que os harmnicos aparecem em grupos centrados em 2.mf, 4.mf , 6.mf, etc., ou seja, o primeiro grupo de harmnicos aparece centrado numa freqncia que o dobro da freqncia em relao modulao PWM de 2 nveis. A mesma expresso define a amplitude da componente fundamental da tenso de sada: vol = ma . Vd

7.4 INVERSORES MONOFSICOSDe um modo geral, os inversores monofsicos podem ser controlados para gerarem tenses PWM de 2 e 3 nveis, Phase-Shift ou onda quadrada. O mtodo utilizado dever levar em conta as necessidades da carga e o compromisso entre freqncia de chaveamento e perdas por comutao nos dispositivos. Os inversores podem ser implementados com tiristores (SCRs E GTOs) ou com transistores. Devido necessidade de circuitos de comutao forada, os inversores a SCR so mais complexos, e por isso hoje possuem aplicaes muito especficas. Neste texto somente sero estudados inversores implementados com transistores. Na figura seguinte, os SCRs T1 a T4 e os diodos D1 a D4 so as chaves principais do circuito, enquanto os tiristores T1A a T4A so chaves auxiliares que juntamente com as malhas RL formam os circuitos de comutao forada.

Figura 7.7 Inversor monofsico em ponte a SCRs



Inversor Monofsico em Ponte Completa A figura seguinte mostra o circuito de potncia do inversor monofsico em ponte completa implementado com transistores IGBT.

De acordo com as polaridades de tenso e corrente na carga, h as seguintes possibilidades de conduo das chaves:Configurao 1 2 3 4 5 6 vo +E +E -E -E 0 0 + + + io

Chaves em Conduo T1, T4 D1, D4 T2, T3 D2, D3 (T1, D3) OU (T4, D2) (T3, D1) OU (T2, D4) Tabela 7.1

Fluxo de Energia Fonte Carga Carga Fonte Fonte Carga Carga Fonte Recirculando Recirculando

Resumindo, sempre que a tenso tiver a mesma polaridade da corrente, estaro conduzindo dois transistores opostos. Sempre que a tenso na carga tiver polaridade contrria corrente, estaro conduzindo dois diodos opostos. Sempre que a tenso na carga for zero, estaro conduzindo um transistor e um diodo. Operao em Deslocamento de Fase Phase Shift A figura seguinte mostra a forma de onda de tenso de sada do inversor operando no modo de deslocamento de fase, juntamente com a forma de onda da corrente numa carga tipo resistor indutor. Os nmeros indicados na figura correspondem aos da Tabela 4.1.

Figura 7.9 Tenso e corrente na carga Operao em Phase-Shift



Devido ao defasamento causado pela presena da parcela indutiva na carga, surgem etapas (2 e 4) onde tenso e corrente possuem polaridades opostas, o que indica fluxo de energia no sentido CA para o CC. Estas etapas no ocorreriam caso a carga fosse puramente resistiva. Observa-se que a forma de onda da corrente no senoidal, fato que deriva do grande contedo harmnico presente na forma de onda da tenso de sada do inversor. A freqncia de chaveamento a mesma da tenso gerada, normalmente 60Hz. Operao em Modulao PWM A operao sob modulao PWM permite uma forma de onda de corrente menos distorcida, ou seja, mais senoidal, o que muito importante quando a carga um motor CA. medida que a freqncia de chaveamento elevada, a filtragem da tenso exige filtros de menor tamanho. No caso da carga ser um motor CA, a corrente tende a ficar mais senoidal, devido ao efeito de filtragem efetuado pela indutncia do enrolamento do estator.Solenide fundamental

Solenide fundamental

Figura 7.10 a) Tenso PWM e sua componente fundamental b) Corrente numa carga indutiva c) Corrente na carga indutiva para uma maior freqncia de chaveamento ____________________________________________________________63/63 Mantenedor Eletroeletrnico


A figura a mostra a forma de onda da tenso PWM (3 nveis), juntamente com sua componente fundamental. A figura b mostra a forma de onda de corrente para uma freqncia de chaveamento maior. As configuraes assumidas so as indicadas na tabela 4.1. Sendo a freqncia de chaveamento maior, essas configuraes se alternaro tambm com maior freqncia. Inversor Monofsico em Meia Ponte Half Bridge A figura seguinte mostra o circuito de potncia do inversor monofsico em meia ponte implementado com transistores IGBT.

Figura 7.11 - Inversor monofsico em Meia Ponte a IGBTs

Esta configurao somente pode operar sob o esquema de onda quadrada e PWM de dois nveis porque no possvel impor tenso nula na carga e manter a continuidade da corrente ao mesmo tempo. Com carga resistiva no h essa restrio. A tenso instantnea aplicada carga assume os valores +E/2 e -E/2 devido ao divisor de tenso capacitivo formado por C1 e C2. A vantagem a economia de dois transistores e dois diodos. De acordo com as polaridades de tenso e corrente na carga, h as seguintes possibilidades de conduo das chaves:Configurao 1 2 3 4 vo +E/2 +E/2 -E/2 -E/2 io + + Chaves em Conduo T1 D1 T2 D2 Tabela 7.2 Fluxo de Energia Fonte Carga Carga Fonte Fonte Carga Carga Fonte



Inversor Monofsico Push - Pull A figura seguinte mostra o circuito de potncia do inversor monofsico Push Pull.

Figura 7.12 - Inversor Monofsico tipo Push Pull

A utilizao do transformador permite o ajuste da tenso de sada, o que til, por exemplo, em UPSs (No-Breaks) que utilizam baixas tenses de bateria (12V, 24V, p.ex.). A amplitude da tenso instantnea induzida no secundrio igual a n.E, onde n a relao de espiras. O transformador deve ser projetado para a freqncia fundamental da onda de tenso (normalmente 50 ou 60Hz), e no para a freqncia de chaveamento. Devido ao efeito autotransformador no primrio, cada semicondutor deve suportar o dobro da tenso contnua E. Com carga indutiva, esta configurao somente pode operar sob o esquema de onda quadrada e PWM de dois nveis porque no possvel impor tenso nula na carga. De acordo com as polaridades de tenso e corrente na carga, h as seguintes possibilidades de conduo das chaves:Configurao 1 2 3 4 vo +n.E +n.E -n.E -n.E io + + Chaves em Conduo T1 D1 T2 D2 Tabela 7.3 Fluxo de Energia Fonte Carga Carga Fonte Fonte Carga Carga Fonte

7.5 INVERSORES TRIFSICOSA figura seguinte mostra o circuito de potncia do inversor trifsico em ponte completa, o mais utilizado.



Figura 7.13 - Inversor trifsico em ponte a transistores IGBT

O esquema de operao normalmente utilizado o PWM, pois a operao em onda quadrada no permite o ajuste da amplitude da componente fundamental da tenso de sada. Operao em PWM A Figura seguinte mostra a forma de gerao do PWM trifsico, bem como a tenso de sada de uma das fases do inversor e seu respectivo espectro de freqncias.

Figura 7.14 Modulao PWM trifsica senoidal



8. EXEMPLO DE APLICAOVeremos, a partir de agora, as principais filosofias do controle de velocidade: Acionamento CC; Conversores escalares e Conversores vetoriais.

8.1 A EVOLUO DO CONTROLE DE VELOCIDADEAltamente empregados na indstria, os acionamentos CC se consagraram como cones de seu tempo. Inicialmente utilizados em controle de velocidade, os acionamentos CC se mostraram bem efetivos. Verdadeiros painis compostos por numerosas placas compunham os imensos acionamentos CC. Placas de si

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