FACULDADE SATC

GUILHERME DEZAN MAZZUCCO

DISPARO DE TIRISTORES: ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM CIRCUITO

DE DISPARO E POTÊNCIA À TIRISTORES EM 24VCA

Criciúma

Março – 2014

GUILHERME DEZAN MAZZUCCO

DISPARO DE TIRISTORES: ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM CIRCUITO

DE DISPARO E POTÊNCIA À TIRISTORES EM 24VCA

Anteprojeto de Conclusão de Curso apresentado ao

Curso de Graduação em Engenharia Elétrica, da

Faculdade SATC, como parte dos requisitos à obtenção

do título de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Me. Philippe Pauletti.

Coordenador do Curso: Prof. Me. André Abelardo Tavares.

Criciúma

Março – 2014

LISTA DE FIGURAS

Fig. 01 – Módulo de Medição de Ângulo e Disparo Trifásico com TCA 785,,,,,,,...................10

Fig. 02 – Bancada Eletrônica de Potência ................................................................... ............10

Fig. 03 – Cartão de Disparo Trifásico com Medição de Ângulo Digital ................................. 11

Fig. 04 – Cartão de Disparo Monofásico ................................................................................. 11

Fig. 05 – Bancada Portátil faculdade SATC .......................................................................... 13

Fig. 06 – Bancada Digital faculdade SATC ............................................................................ 14

Fig. 07 – Símbolo esquemático de um tiristor SCR ................................................................. 14

Fig. 08 – Circuito térmico equivalente de um componente ...................................................... 15

Fig. 09 – Diagrama de blocos de um retificador ...................................................................... 17

Fig. 10 – Retificador meia onda a tiristor ................................................................................. 18

Fig. 11 – Forma de onda para retificador monofásico de meia onda carga resistiva ............... 18

Fig. 12 – Circuito retificador meia onda com indutor .............................................................. 19

Fig. 13 – Forma de onda para retificador monofásico meia onda com carga RL .................... 20

Fig. 14 – Ponte completa de retificação monofásica ................................................................ 21

Fig. 15 – Ponte de GRAETZ controlada com tiristores ........................................................... 22

Fig. 16 – Tensões de linha da rede trifásica ............................................................................. 23

Fig. 17 – Sequência provável de disparo dos tiristores ............................................................ 24

Fig. 18 – Tensões na carga para α = 0 ...................................................................................... 24

Fig. 19 – Tensões na carga para α = π/3 ................................................................................... 25

Fig. 20 – Tensões na carga para α > π/3 ................................................................................... 25

Fig. 21 – Gradador com carga RL ............................................................................................ 26

Fig. 22 – Corrente e tensão na carga RL para gradador monofásico........................................ 26

LISTA DE ABREVIAÇÕES

SIGLAS

SATC ___ Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina

Vcc ___ Tensão em Corrente Contínua

Vca ___ Tensão em Corrente Alternada

CC ___ Corrente Contínua

CA ___ Corrente Alternada

TCC ___ Trabalho de Conclusão de Curso

C.I. ___ Circuito Integrado

USB ___ Universal Serial Bus

RMS ___ Root Mean Square

RC ___ Resistivo Capacitivo

LED ___ Light Emitting Diode

SCR ___ Silicon Controlled Rectifier

SÍMBOLOS

[alfa] Ângulo de disparo

[beta] Ângulo de extinção

γ [gama] Ângulo de condução

Δ [delta] Ângulo de meia condução

V [Volt] Tensão

A [Ampér] Corrente

Hz [Hertz] Frequência

f [Hertz] Frequência

R [Ohms] Resistência

Vrms [Volt] Tensão Eficaz

T [s] Período em segundos

A [Ampér] Corrente

P [Watt] Potência ativa

SUMÁRIO

2 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 6

2.1 JUSTIFICATIVA E CONTRIBUIÇÕES ................................................................... 6

2.2 ORGANIZAÇÃO ......................................................................................................... 6

2.3 OBJETIVO GERAL .................................................................................................... 7

2.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................................... 7

3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .................................................................................. 8

3.1 BANCADA DIDÁTICA ................................................................................................ 8

3.1.1 Definição e Diretrizes Gerais ....................................................................................... 8

3.1.2 Estado da arte ............................................................................................................... 9

3.1.2.1 Produtos no mercado ................................................................................................... 9

3.1.2.3 Desenvolvimento interno Faculdade SATC ............................................................. 12

3.2 TIRISTORES ................................................................................................................ 14

3.2.1 Cálculo térmico ........................................................................................................... 15

3.2.2 Retificadores a tiristor ............................................................................................... 17

3.2.2.1 Retificadores meia onda a tiristor ............................................................................. 18

3.2.3 Ponte de GRAETZ a tiristor...................................................................................... 21

3.3 CIRCUITO DE COMANDO ....................................................................................... 25

3.3.1 Função circuitos de comando .................................................................................... 25

3.3.2 Controladores de tensão CA trifásico ....................................................................... 25

4 CRONOGRAMA ........................................................................................................ 28

REFERÊNCIAS ....................................................................................................................... 29

1 IDENTIFICAÇÃO

Acadêmico (a): Guilherme Dezan Mazzucco

Curso e Fase: Engenharia Elétrica 11ª fase.

Telefone Residencial: (48) 34652752

Telefone Celular: (48) 99485133

E-mail: guilhermedm@outlook.com

Professor Orientador: Me. Philippe Pauletti

E-mail: philippe.pauletti@satc.edu.br

6

2 INTRODUÇÃO

2.1 JUSTIFICATIVA E CONTRIBUIÇÕES

As bancadas didáticas são uma ferramenta importante na formação prática dos

acadêmicos, pois representam uma cópia quase fiel do ambiente de trabalho. Devem dispor de

baixa tensão para que as pessoas não tenham riscos ao utilizá-las.

Na instituição SATC, as bancadas de eletrônica de potência, utilizam uma tensão

de 380V trifásica, o que significa um grande risco para os usuários e por ser um ambiente

acadêmico, devem proporcionar segurança.

Para adequar a sala de aula ao melhor espelho do ambiente profissional, a maioria

dos projetos é desenvolvida pelos acadêmicos dentro da própria instituição, disponibilizando

ao aluno a oportunidade de desenvolver aptidões em diversas áreas e executar algumas falhas

no sistema para um melhor aprendizado.

2.2 ORGANIZAÇÃO

Os capítulos deste trabalho foram organizados de tal modo a facilitar a compreensão

do trabalho como um todo.

Primeiro Capitulo: mostra a introdução necessária para o desenvolvimento do

projeto, os principais objetivos a serem alcançados e as contribuições.

Segundo Capítulo: revela a fundamentação teórica para que todo o sistema seja

compreendido, mostrando o funcionamento dos principais componentes utilizados no

desenvolvimento do equipamento.

7

2.3 OBJETIVO GERAL

- Estudar e desenvolver um circuito de disparo e potência à tiristores em 24Vca de

baixo custo para utilização em bancadas didáticas.

2.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

- Projetar um circuito de disparo completo e ajustável para Tiristores em 24Vca;

- Efetuar simulação computacional que comprove a validade e funcionalidade do

projeto;

- Montar uma placa protótipo com o circuito projetado e efetuar testes práticos, com

cargas adequadas;

- Adequar as bancadas de estudo do laboratório de eletrônica de potência a níveis

de tensão seguros;

- Realizar análise de custos de implantação do projeto versus aquisição de bancadas

comerciais.

8

3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

No entendimento do projeto será descrito o funcionamento dos tiristores, modos de

comando e disparo para tiristores, simulação do circuito, tipos de bancadas e equipamentos.

Este estudo visa facilitar o entendimento de qualquer pessoa ao projeto proposto.

Desta maneira teoria e prática se tornam aliadas para uma melhor compreensão dos circuitos

elaborados em sala de aula, trazendo uma percepção diferente ao aluno sobre como as coisas

realmente acontecem.

3.1 BANCADA DIDÁTICA

Bancada é um móvel sobre o qual pode-se fixar materiais, instrumentos, botões,

LED’s, medidores, registradores entre outros artefatos necessários para um estudo ou

montagem de circuito ao qual se tem interesse, tornando mais fácil o manejo dos dispositivos e

circuitos. [1]

A bancada didática propõe a organização e disposição dos equipamentos e

medidores necessários aos experimentos, auxiliando os estudantes na compreensão dos

circuitos vistos na teoria e aguçando o discernimento das grandezas estudadas. [1]

As bancadas para disparo de tiristores devem conter: segurança para utilização de

leigos, fácil manutenção, se adequar as normas vigentes, possuírem controle de disparo dos

tiristores, ter baixo custo para a construção e serem intuitivas. [1]

3.1.1 Normas e diretrizes

Os laboratórios podem dispor de vários formatos de bancadas, podendo conter

vários objetos e equipamentos que são imprescindíveis para a pesquisa. Segundo Alves,

9

“existem quatro tipos básicos de disposição para bancadas”, abaixo estão descritas as mais

comuns: [1]

- “Ilha”: instaladas na área central do laboratório, permitem a circulação em sua

volta pelos alunos, podem conter acessórios nas pontas.

- “Península”: Possui um dos lados vinculados a parede, o seu restantes pode ser

ocupado por alunos.

- “Parede”: completamente instalada na parede, oferece apenas uma face para

utilização dos estudantes.

- “U”: variação do tipo ilha, facilita a manutenção e permite colocar aparelhos como

monitores para o uso coletivo.

De acordo com ALVES “As instalações eletroeletrônicas de um ambiente didático

devem ser resultado de um estudo específico que contemple as particularidades das atividades

didáticas a serem desenvolvidas no ambiente”. [1]

A fiação elétrica deve estar em conformidade com a NBR5410. Todas as fiações

devem estar protegidas e identificadas para facilitar a manutenção. O quadro elétrico deve estar

em local visível e de fácil acesso. Os níveis de tensão não devem exceder os 60V, para diminuir

os riscos de acidentes aos usuários. [1]

Deve-se garantir ainda a proteção contra descargas atmosféricas, conforme

NBR5419 (proteção de estruturas contra descargas atmosféricas). [1]

3.1.2 Estado da Arte

3.1.2.1 Produtos no mercado

Pode-se encontrar no mercado produtos de diferentes marcas, projetos e tipos.

Abaixo são demonstrados alguns exemplos desses produtos prontos para compra.

10

Fig. 01 - Módulo de Medição de Ângulo e Disparo Trifásico com TCA-785[2]

Fig. 02 - Bancada eletrônica de potência [3]

O sistema da Fig. 02 é composto por módulos de potência, controle, disparo,

medição e proteção, em uma bancada fixa. Há ainda a possibilidade de inserir novos cartões,

dependendo do ensaio a ser realizado. Os cartões se fixam facilmente através de parafusos e

pode ser dispostos convenientemente do melhor jeito para o usuário.

11

Fig. 03 – Cartão de Disparo Trifásico com Medição de Ângulo Digital [2]

Fig.04 – Cartão de Disparo Monofásico [2]

De acordo com DATAPOOL o cartão de disparo da fig.04 é designado, “Para

estudo e verificação do funcionamento de circuitos de disparo de SCR’s com CI dedicado TCA-

785. Equipado com trimpot’s para efetuar os ajustes das rampas e da constituição dos pulsos

(curto ou longo)”. Pode-se controlar os pulsos por sinal externo ou manualmente. [2]

O controlador de fase TCA785 utilizado nos módulos de comando da fig.04 e 05

foi projetado para fazer controle de tiristores, triacs e transistores em circuitos de alta potência.

12

Os ângulos de disparo podem variar de 0 a 180 graus, possui reconhecimento de passagem por

zero, pode ser usado como chave de passagem por zero, é compatível com LSL (lógica digital

de elevada imunidade a ruídos), opera em circuitos trifásicos, sua corrente de saída é de até

250mA e opera numa ampla faixa de temperatura. [2]

A montagem do circuito de potência e disparo de tiristores deve ser feita em 24Vca

para garantir a integridade dos usuários. A base para o projeto será o cartão de disparos da figura

04, que poderá ser modificado com periféricos como: mostrador digital de ângulo de disparo,

mostradores de tensão e corrente, dentre outros de acordo com a necessidade das experiências

a serem desenvolvidas.

3.1.2.2 Desenvolvimento interno da Faculdade SATC

As bancadas desenvolvidas a partir de trabalhos de conclusão de curso mostraram-

se de suma importância para um melhor aprendizado dos acadêmicos, portanto servirão de base

para o estudo deste projeto.

As figuras 05 e 06 mostram exemplos de bancadas já desenvolvidas na faculdade

SATC, que servem de apoio aos alunos nas aulas experimentais. A figura 05 mostra uma

bancada de testes portátil para laboratórios de engenharia elétrica que contém diversos

dispositivos eletrônicos.

É composta por uma fonte regulável e simétrica de tensão de +12Vcc e -12 Vcc,

onde a tensão varia de 1,25V a 12V para alimentar os circuitos e uma fonte de alimentação fixa

em +5Vcc para alimentar circuitos internos. O circuito gerador de sinais fornece escalas de

frequências em 1khz, 10khz, 40khz e 100khz que são selecionadas através de uma chave e

podem ser de três tipos, com relação ao formato onda: quadrada, senoidal e triangular. A

Medição da tensão contínua pode ser selecionada em 5Vcc, 50Vcc ou 500Vcc e possui uma

medição em 220Vca e ainda uma medição de corrente de -5A até +5A.

Utiliza-se um LCD de 16 colunas por 2 linhas para a visualização das informações

de medidas efetuadas pelo controlador e um monitoramento por software que tem possibilidade

de atualização do firmware através da porta USB. Contém ainda os equipamentos necessários

para se utilizar uma ampla gama de experimentos relacionados com diversas disciplinas dos

cursos de engenharia.

13

Fig. 05 – Bancada Portátil faculdade SATC [4]

Na figura 06, observa-se uma bancada também portátil, que tem como diferencial

uma variedade de geração de sinais e a regulação dos sinais de referência que podem ser

ajustados de 0% a 100%. A bancada ainda apresenta a exibição de uma tela com o osciloscópio

e uma tela de amostragem de dados, facilitando a compreensão do aluno quanto aos dados

obtidos no experimento.

O gerador de funções possui três formatos de onda, quadrada, triangular e senoidal,

sua frequência pode ser variada de 30Hz a 100Khz e a tensão varia de 0 a 10V de pico a pico

para a onda quadrada e para as demais ondas a tensão varia de -10V a +10V de pico a pico. Os

dados que são recebidos pelo micro controlador acondicionam os sinais de tensão, corrente e

frequência da fonte ou dos circuitos elaborados. Existe também na bancada um display de

240x128 pixels onde todas as informações adquiridas pelo micro controlador são apresentadas

e possibilitam a amostragem em forma de gráficos, semelhante a um osciloscópio digital.

Para alimentar toda a bancada existe uma fonte de tensão que varia de ±1,25V a

±12,5V, e saídas simétricas de ±5V e ±12V, com a corrente limitada a 1A por fusíveis

individuais.

14

Fig. 06 – Bancada Digital faculdade SATC [5]

3.2 TIRISTORES

São dispositivos semicondutores multicamadas, que permitem o chaveamento do

estado bloqueado para o estado de condução através do terminal “GATE”. O tiristor nada mais

é do que um botão de pulso acionado por corrente no terminal de gatilho. [6]

Fig. 07 - Símbolo esquemático de um tiristor SCR [6]

Diferente do diodo o tiristor não entra em condução quando polarizado diretamente

se não tiver alguma corrente no gatilho (gate). Essa corrente não necessita ser constante,

podendo ser usado somente um pequeno sinal de corrente (pulso), que pode ser de curta

15

duração, o que é primordial para permitir que o chaveamento do tiristor seja o mais eficaz e

preciso possível. [7]

3.2.1 CÁLCULO TÉRMICO

O grande problema encontrado nos tiristores e na maioria dos componentes

eletrônicos é a corrente que circula pelos seus terminais causando aquecimento dos

componentes, tanto na condução quanto na comutação. O calor deve ser dissipado de algum

modo para o ambiente ou pode causar o superaquecimento do tiristor, ocasionando o colapso

do mesmo.

Como todo componente de potência os tiristores possuem além da perda por

aquecimento térmico uma perda por aquecimento na condução da corrente, para a perda por

condução de corrente a potência média é calculada através da equação 1: [8]

𝑃 = 𝑉𝑇(𝑡0)𝐼𝑇𝑚𝑒𝑑 + 𝑅𝑇𝐼𝑇𝑒𝑓² [W] (1)

Onde:

P = potência média

VT(t0) = tensão no tiristor no instante t0

ITmed = corrente média no tiristor

RT = resistencia tiristor

ITef 2 = corrente eficaz do tiristor ao quadrado

Para a adição de um dissipador e para o conhecimento das perdas totais no tiristor,

leva-se em consideração a perda térmica adotando o circuito equivalente da figura 08 para o

cálculo. [8]

Fig. 08 Circuito térmico equivalente de um componente. [8]

16

Onde:

Tj - temperatura da junção (ºC).

Tc - temperatura da cápsula (ºC).

Td - temperatura do dissipador (ºC).

Ta - temperatura ambiente (ºC).

P - potência térmica produzida pela corrente que circula no componente e sendo

transferida ao meio ambiente (W).

Rjc - resistência térmica entre a junção e cápsula (ºC/W).

Rcd - resistência térmica entre o componente e dissipador (ºC/W).

Rda - resistência térmica entre o dissipador e o ambiente (ºC/W).

Rja - resistência térmica entre a junção e o ambiente (ºC/W).

Sendo a equação 2:

Rja = Rjc + Rcd + Rda (2)

Pode-se utilizar a equação 3 baixo para o cálculo térmico do componente:

Tj – Ta = Rja P (3)

Como mencionado anteriormente o objetivo do cálculo térmico é não permitir que

o componente atinja a máxima temperatura especificada pelo fabricante, assim calcula-se P

utilizando das características do componente e da corrente que passará sobre ele. Adota-se um

valor para Ta que varia conforme o local onde é utilizado o componente, para a região sul pode-

se adotar valores acima de 40ºC já que a temperatura ambiente chega próxima a esse valor. Tj

é fornecida pelo fabricante, então é uma constante. [8]

Com base nas referências acima citadas pode-se calcular a resistência térmica de

junção, de acordo com a fórmula 4:

Rja = Tj−Ta

P (4)

17

O restante das resistências é fornecido pelo catálogo do fabricante sendo elas Rjc e

Rcd, agora com base nos dados adquiridos pode-se determinar a resistência térmica entre

dissipador e ambiente com a fórmula 5:

Rda = Rja – Rjc – Rcd (5)

Utiliza-se o catálogo do fabricante e nele, se escolhe o dissipador mais adequado de

acordo com os valores calculados e as respectivas curvas térmicas, caso o valor exato não seja

encontrado de modo comercial, escolhe-se o valor menor mais aproximado. [8]

3.2.2 RETIFICADORES A TIRISTOR

Os retificadores são dispositivos que permitem tornar contínua grandezas de

corrente e tensão. Geralmente são formados por um transformador, diodos ou tiristores, um

filtro ativo ou passivo e um regulador de tensão. A tensão encontrada nos terminais de saída do

transformador é retificada, filtrada, regulada e então entregue a carga. [6]

Fig. 09 – Diagrama de blocos de um retificador [7]

De modo a aproveitar melhor a tensão retificada existem diversos tipos de

retificadores. Alguns exemplos de acordo com AHMED são: [9]

Retificadores de meia onda;

Retificadores onda completa;

Retificadores onda completa com derivação central;

Retificadores em ponte de GRAETZ.

18

3.2.2.1 Retificadores meia onda a tiristor

Os retificadores de meia onda fig. 10 apresentam o “corte” na parte positiva da

senóide e da fig.11 se obtém as seguintes equações:

Fig. 10 – circuito retificador meia onda a tiristor [9]

Fig. 11 – Forma de onda para retificador monofásico meia onda com carga resistiva. [8]

Calcula-se a tensão da fonte de acordo com a equação 6:

𝑉(𝜔𝑡) = √2 𝑉𝑜𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡)

19

Para a tensão na carga utiliza-se a equação 7:

VLmed = 0,225V0 (1+cos ) (7)

A tensão média na carga varia conforme o ângulo de disparo do tiristor muda.

A corrente na carga é dada por:

𝐼𝐿𝑚𝑒𝑑 = 𝑉𝐿𝑚𝑒𝑑

𝑅 (8)

A potência média na carga é calculada através da equação 9:

𝑃𝑅 = 𝑉0

2

𝑅 (

1

2−

𝛼

2𝜋+

𝑠𝑒𝑛2𝛼

4𝜋) (9)

Onde:

ω = ângulo fasorial da onda em relação a variável de tempo (t)

α = ângulo disparo do tiristor

V0 = Tensão de alimentação

Com essas equações pode-se calcular os valores de corrente e tensão para uma carga

puramente resistiva e dimensionar os componentes necessários para a elaboração do circuito.

Já para uma carga indutiva instalada a um circuito fig.12 precisa-se levar em

consideração a inércia das grandezas corrente e tensão, pois elas não se comportam da mesma

maneira que em uma carga puramente resistiva. A fig.13 mostra claramente a diferença do

comportamento da onda apenas com resistores fig.11, para a onda com indutores fig.13. [9]

Fig. 12 – Circuito retificador meia onda com indutor [9]

20

Fig. 13 – Forma de onda para retificador monofásico meia onda com carga RL. [8]

Não existe condução durante o intervalo 0 (zero) até no tiristor, conforme mostra

a fig. 13, deste modo corrente e tensão são nulas. No momento em que o ângulo t é igual ao

ângulo ocorre o disparo do tiristor, levando tensão e corrente até a carga. [9]

Para a fig. 13 ainda, π não deve ser maior que ou não haveria atraso de corrente

causado pelo indutor. Enquanto não ocorre o bloqueio da corrente na carga, a tensão da carga é

igual à tensão da fonte, pois a ligação da carga e da fonte é feita em paralelo. Sobre o intervalo

(π,) os valores de tensão sobre a carga são negativos conforme o ângulo

A partir da condução () do tiristor, a equação 10 da tensão média na carga é igual

a:

𝑉𝑜(𝑎𝑣𝑔) = 𝑉𝑚 (cos 𝛼−cos 𝛽)

2𝜋 (10)

A tensão média na carga depende do ângulo de extinção para valores já definidos

de Vo e . Ainda depende da constante de tempo da carga, desse modo ao se variar a carga, a

tensão também varia. [9]

A corrente média da carga é dada pela expressão 11:

𝐼𝐿𝑚𝑒𝑑 = 𝑉𝐿𝑚𝑒𝑑

𝑅 (11)

Substituindo, temos a equação 12:

21

𝐼𝐿𝑚𝑒𝑑 = 0,225𝑉0

𝑅 (cos 𝛼 − cos 𝛽) (12)

Existem duas maneiras de se descobrir o ângulo de extinção Uma delas segundo

Ivo Barbi “a solução analítica é impossível, sendo necessário o emprego de um método

numérico de equações algébricas”.Utiliza-se então o ábaco de Puschlowski (anexo A) para a

obtenção do ângulo de extinção . O ângulo de condução é obtido subtraindo de conforme

a equação 13

13

3.2.3 Ponte de GRAETZ a tiristor

A ponte completa para retificação monofásica fig.14, utiliza quatro tiristores para

fazer o controle da tensão entregue a carga. Nestes casos não se pode inverter a polaridade da

corrente mas, a tensão em cima da carga pode ser negativa se utilizado um indutor para manter

a circulação de corrente nos tiristores, mesmo quando reversamente polarizados. [10]

Os tiristores T1 e T4 devem ser disparados simultaneamente assim como T2 e T3,

para garantir que haja circulação de corrente através da fonte. Na condução contínua um par de

tiristores só desliga quando a polaridade da fonte for invertida e outro par for acionado. [10]

Fig. 14 – Ponte completa de retificação monofásica

22

A ponte de GRAETZ é uma retificação de onda completa que utiliza seis tiristores

para retificar tanto o semiciclo negativo, quanto o semiciclo positivo de uma rede trifásica.

Controlando os disparos tanto positivo quanto negativo da onda, pode-se entregar a carga uma

maior potência. A figura 15 mostra a ponte de GRAETZ elaborada com tiristores. [8]

Fig. 15 – Ponte de GRAETZ controlada com tiristores [7]

Para cargas resistivas o comportamento da ponte de GRAETZ se dá através das

seguintes equações:

Quando o valor de VLmed = 2,34Vo devido a estrutura ser igual a um retificador

trifásico não controlado.

Já para 0 < a condução é continua, deve-se então calcular a tensão média na

carga de acordo com a equação 15.

𝑉𝐿𝑚𝑒𝑑 = 6

2𝜋 ∫ √3√2 𝑉0𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡)𝑑(𝜔𝑡)

2𝜋

3+𝛼

𝜋

3+3

(15)

Se cos(a+b) = cos(a) . cos(b) – sen(a) . sen(b), deve-se aplicar a propriedade na

equação 15 para obter então a equação 16 :

𝑉𝐿𝑚𝑒𝑑 = 6√3√2 𝑉0

2𝜋 cos (𝛼) (16)

Assim tem-se a equação 17:

𝑉𝐿𝑚𝑒𝑑 = 2,34𝑉0 cos 𝛼 (17)

23

A equação 17 representa o valor de tensão médio na carga, considerando o ângulo

α de disparo dos tiristores.

Considera-se também o intervalo da onda onde a condução é descontínua, no

intervalo de π/3 < α < 2π/3, calcula-se a tensão média conforme a equação 18:

𝑉𝐿𝑚𝑒𝑑 = 2,34𝑉0 [1 + cos (𝜋

3+ 𝛼)] (18)

O funcionamento para uma carga indutiva é diferente de uma carga resistiva pura,

pois existe inércia de corrente nos indutores. Para o cálculo da ponte de GRAETZ com carga

indutiva será levado em consideração à condução contínua, onde a corrente nos tiristores não

cessa.

São apresentados na fig. 16 os ângulos de disparo das três ondas (fases) de tensão.

Pode-se notar que abaixo de um ângulo de 60° a condução é sempre contínua, mesmo para

cargas puramente resistivas. [7] [8]

Fig. 16 – Tensões de linha da rede trifásica [7]

De forma a não entrar em colapso os tiristores devem ser disparados aos pares,

sincronizados conforme a sequência de fases da fonte. Os pulsos de reforço vistos na fig.17

servem para garantir o modo de operação correto, eles iniciam o funcionamento do

retificador. [7]

24

Fig.17 – Sequência provável de disparo dos tiristores [7]

A tensão média da carga é determinada então pela equação 17:

Ainda atribuir-se algumas considerações com relação ao ângulo de disparo:

1. 0 ≤ α < 𝜋

2 – para VLmed > 0

2. 𝜋

2 < α ≤ π – para VLmed < 0

3. α = 𝜋

2 – VLmed = 0.

Têm-se então os seguintes gráficos gerados:

Fig. 18 – Tensão na carga para α = 0 [10]

25

Fig. 19 – Tensões na carga para α = π/3 [10]

Fig. 20 – Tensões na carga para α > π/3 [10]

3.3 CIRCUITOS DE COMANDO

3.3.1 Função circuitos de comando

O comando visa à interrupção ou passagem da corrente elétrica por um determinado

caminho. São usados diversos dispositivos para que isso aconteça, o mais comum é o

interruptor, que faz o chaveamento da corrente abrindo ou fechando o circuito. [7]

Segundo Barbi, “o circuito de comando de um conversor é destinado a enviar aos

gatilhos dos tiristores as correntes de disparo com formas e valores adequados, em instantes

bem determinados, para colocá-los em condução”. [8]

3.3.2 – Controladores de tensão CA

26

Nas aplicações alimentadas em corrente alternada (CA), nas quais se deseja alterar

o valor da tensão (ou da corrente) da carga, é comum o uso dos “Variadores de tensão”,

também designados como “Gradadores” por Barbi, ou ainda, “Controladores de tensão CA”

por Ahmed.[8][9]

As principais utilizações dos gradadores são o controle de intensidade luminosa, o

controle de temperatura, o controle de velocidade em motores de indução e a limitação da

corrente de partida em motores. [9]

Se as cargas demandam de potências menores pode-se empregar triacs para o

acionamento, já quando o circuito demanda de maior consumo de potência, ou seja, para

cargas de corrente elevada costuma-se empregar dois tiristores em antiparalelo. [8]

Para uma carga RL a configuração do circuito com gradador é visto na fig. 21:

Fig. 21 – Gradador com carga RL [9]

Fig. 22 – corrente e tensão na carga RL para gradador monofásico [8]

27

Da figura 22 retiram-se as seguintes equações onde:

V(t) – tensão de alimentação

I(t) – corrente na carga

I’(t) – corrente de carga para ∅

A equação 19 demonstra a relação necessária para o cálculo do cosseno da carga.

cos(∅) =𝑅

√𝑅2+(𝜔𝐿)² [8] (19)

Se cos (∅) é o fator de potência da carga. Adota-se então o referencial da figura 21

para calcular a tensão de alimentação.

𝑉(𝜔𝑡) = √2 𝑉0𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 + 𝛼) (20)

A expressão 19 nos mostra que se α = ∅, a corrente da carga se torna senoidal e se

ωt = β a corrente do tiristor é nula e fica bloqueada.

Após algumas operações algébricas, encontra-se a equação da corrente que é dada

pela expressão 21:

𝑖(𝜔𝑡) = 𝐼𝑚[𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 − ∅) − 𝑠𝑒𝑛(𝛼 − ∅)𝑒−𝑐𝑜𝑡𝑔(∅)[𝜔𝑡−𝛼]] (21)

28

4. CRONOGRAMA

2014

Fev. Mar. Abr. Maio Jun.

Busca do material bibliográfico X X

Leitura analítica do material bibliográfico X X

Escrita dos capítulos X

Revisão da pesquisa (linguagem) X

Formatação final da pesquisa X

Entrega do anteprojeto X

Simulação em software X

Montagem do circuito X X

Correções X

Entrega X

29

REFERÊNCIAS

[1] ALVES, Manoel Rodrigues Manual de ambientes didáticos para graduação. 2011.

Ficha catalográfica elaborada pela seção de tratamento de informação da biblioteca prof.

Achille Bassi. Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação – ICMC/USP. Disponível

em: http://www.prg.usp.br/wp-content/uploads/manualambientesdidaticos.pdf - Acesso em:

22 março 2014.

[2] www.datapool.com.br – acesso em março de 2014.

[3] www.bit9.com.br – acesso em março de 2014.

[4] FONTANA, Ronaldo B. Bancada de testes portátil para laboratórios de engenharia

elétrica. 2010. Trabalho de conclusão de curso. Faculdade SATC, Criciuma,2010.

[5] COELHO, Marcos A.J. Bancada de testes didática para laboratórios de engenharia

elétrica. 2012. Trabalho de conclusão de curso. Faculdade SATC, Criciuma,2012.

[6] http://www.electronica-pt.com/content/view/131 - acesso em março de 2014.

[7] ANDRADE, Eugênio S. de Macedo. Eletrônica de potência. 2005. Centro profissional

Pedro Martins Guerra – FIEMG. Disponível em http://pt.scribd.com/doc/63151899/AA-

ELETRONICA-POTENCIA-SENAI-MG - Acesso 25 março 2014.

[8] BARBI, Ivo. Eletrônica de potência. Florianópolis/SC: Ed. Autor, 2000.

[9] AHMED, A. Eletrônica de potência. São Paulo/SP: Pearson Prentice Hall, 2000.

30

[10 GONÇALVES, Flávio A. S. Eletrônica Industrial. Faculdade Engenharia Ilha Solteira –

FEIS/UNESP. Disponível em http://200.145.241.31/dee/gradua/elepot/prc1.htm - Acesso 25

março 2014.

31

ANEXOS

32

Anexo A - ÁBACO DE PUSCHLOWSKI [8]

33

Anexo B - ÁBACO DO ÂNGULO DE EXTINÇÃO [8]