Retificador Monofásico Controlado de Meia Onda

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

PLANEJAMENTO DE AULA LABORATORIAL

Disciplina: ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

Professor: Gustavo Lobato

RELATÓRIO DA AULA PRÁTICA Nº 08

NOMES: João Marcos Filordi

Saulo Marcos Torres de Carvalho TÍTULO DA AULA PRÁTICA:

Retificador Monofásico Controlado de Meia Onda

1. INTRODUÇÃO TEÓRICA Até o presente momento, todos os circuitos estudados foram de retificadores não

controlados, com isso tinha-se o uso de diodos para realização da retificação; Porém para que seja feita a retificação controlada, é necessário que no lugar dos

diodos, os mesmos sejam substituídos por SCRs, que nada mais é do que retificadores controlados de silício. Com isso, diferente do diodo que conduz automaticamente quando está polarizado de forma direta, o SCR necessita de um

pulso que será aplicado em sua porta, gerando na saída uma tensão retificada, onde a amplitude é obtida com o controle da fase, ou seja, com o domínio do tempo de condução, alternando o ponto onde o sinal na porta do SCR é aplicado.

A figura a seguir, mostra o circuito do retificador monofásico controlado que será

estudado:

Figura 1 – Circuito retificador monofásico controlado com carga resistiva

No semiciclo positivo de tensão, caso o Scr receba um pulso de corrente maior que

a sua corrente de manutenção, o mesmo ira conduzir em 𝑡0 , gerando uma

corrente na carga, e uma tensão 𝑉0 , sendo essa de mesmo valor que a tensão de entrada Vs. Já no semiciclo negativo, independente de existir um pulso de corrente no gate, o mesmo estará bloqueado, e a tensão na carga será zero. O

mesmo ficará “desligado” ate que o sinal seja aplicado novamente no gate em (𝑡0 +2𝜋).





Para ilustrar o que foi falado acima, segue as formas de onda abaixo:

Figura 2 – Formas de onda do circuito retificador monofásico controlado da figura

1[1].

O valor médio ou DC da tensão na carga resistiva é dado por:

𝑉𝑜(𝑎𝑣𝑔) = 𝑉𝑚 ( 1 + 𝑐𝑜𝑠 𝛼)

2𝜋

Onde,





𝑉𝑚 = valor máximo da fonte de tensão AC = √2 𝑉𝑠

𝑉𝑠 = valor rms da fonte de tensão AC

E o valor médio ou DC da tensão na carga RL é dado por:

𝑉𝑜(𝑎𝑣𝑔) = 𝑉𝑚 (𝑐𝑜𝑠 𝛼 − 𝑐𝑜𝑠 𝛽 )

2𝜋

Analisando o CI TCA785, observa-se que o mesmo é utilizado para controlar o disparo dos tiristores e transistores quando se trabalha com circuitos em alta

potencia. Onde esses pulsos podem ser controlados com um deslocamento variando no ângulo de fase de zero a 180º, garantindo que seja possível controlar uma faixa total nos circuitos AC. Abaixo segue a imagem de descrição do mesmo:

Figura 3 – Na esquerda tem-se a pinagem do CI e na direita o diagrama em blocos do mesmo. [6]

As principais aplicações desse CI encontram-se no uso de conversores, controles de potência AC, controles de potência trifásicos, etc. Este circuito integrado veio para substituir versões anteriores como o TCA780 e TCA780C[6].

Com esse estudo nota-se a possibilidade do mesmo ser utilizado na simulação e na prática para disparar transistores e tiristores em circuitos de potencia.





2. MATERIAIS E MÉTODOS

Para a montagem do circuito no software Multisim 12 foi escolhido o tiristor SCR 2N6167. Esse transistor apresenta uma Máxima Tensão Reversa (Vdrm) de 100 Volts, tensão direta de ruptura de 1,5 V, valor médio de corrente de corrente direta

de 13 Amps, resistência térmica máxima de 1,5 ºC/W, média máxima de potência dissipável pelo dispositivo de 235 A2s, potência média no gate 0,5 W, possui uma

taxa máxima de crescimento da tensão direta Vak (dv/dt) de 50 V/us, corrente de manutenção 3.5 mA, corrente de disparo de máxima de 40 mA, tempo de disparo (ton) de 1 us, tempo de desligamento (toff) de 25 us, e por fim temperatura que ele

pode trabalhar Tj. Todos esses paramentos devem ser considerados para a construção de um projeto utilizando diretores. Todas essas informações são fornecidas pelo fabricante no datasheet do SRC, como mostra as figuras abaixo:

Figura 2 – Datasheet 2N6167 [3].







A tensão escolhida para a fonte monofásica foi de 60V RMS, valor que respeita o limite de tensão estabelecido pelo datasheet[3]. Outra razão para a escolha desta

tensão foi para evitar um esforço maior do software trabalhando em tensões mais altas.

Escolhido o valor de tensão é necessário dimensionar o tamanho da carga resistiva, para que a corrente que circula no Scr esteja dentro dos valores

estabelecidos em [3]. Assim, para uma tensão na fonte de 60 V rms, e assumindo que a corrente máxima na carga desejada seja de 1,42 A, é possível calcular o valor da resistência utilizada no projeto:

𝑅 =𝑉𝑚

𝐼(𝑚)=

√2 × 𝑉𝑠

𝐼(𝑚)= √2 ×

60

1,42= 60 𝑜ℎ𝑚𝑠

3. PROCEDIMENTO

Para a simulação utilizou-se o software, Multisim 12, para montar o circuito retificador monofásico controlado, como mostra o esquema abaixo:





Figura 3: Retificador monofásico controlado com carga resistiva.

O circuito da Figura 3, foi projetado de acordo com as informações especificadas no item 2 (Materiais e Métodos). Desta maneira, utilizou-se uma carga de 60

ohms, tensão na fonte de 60 V (rms) e uma frequência de oscilação de 60 Hz. No segundo momento, foi adicionado um indutor com a carga resistiva, para

analisar o seu comportamento, como pode ser observado abaixo:

Figura 4: Retificador monofásico controlado com carga resistiva e indutiva.





Em seguida um osciloscópio foi utilizado para capturar as formas de ondas na entrada e na saída do retificador em ponte.

Por fim, comparou-se os dados teóricos com os práticos para validar a simulação.

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Simulando o circuito da Figura 3, foi possível capturar as formas de ondas de tensão fonte, no gate, e na carga. Estas são apresentas na Figura 5:

Figura 5: Formas de onda do retificador monofásico

A forma de onda na parte superior da figura 5 representa a forma de onda da fonte

senoidal. Enquanto, a forma de onda do meio representa a tensão aplicada na carga. For fim, a forma de onda aplicada na parte inferior da figura 5 representa

os pulsos aplicados no SCR. Neste caso, o pulso está com um delay de 3ms, tendo em vista que para uma frequência de 60 Hz, o período é de 16,67 ms.

O ângulo de disparo então pode ser obtido através de uma regra de três simples:

𝛼 = 360° ×3𝑚𝑠

16,67𝑚𝑠= 64,78 °





Com o ângulo de disparo é possível então calcular a minha tensão média na carga,

como demostrado abaixo:

𝑉𝑜(𝑎𝑣𝑔) = 𝑉𝑚 ×(1 + cos 𝛼)

2𝜋 = 80,45 ×

(1 + cos 64,78°)

2𝜋= 19,25 𝑉

Figura 6: Simulação carga resistiva.

Através da Figura 6 é possível observar que o valor da tensão média na carga Vdc,

é praticamente o mesmo valor do valor teórico que foi calculado acima.

A Figura 7, tem a função de ilustrar a forma de onda no SCR (cor laranja) e a forma de onda na fonte (vermelho).





Figura 7: Forma de onda no SCR e na fonte do retificador de meia onda com carga

resistiva.





A simulação do circuito com carga RL é mostrado abaixo, na Figura 8:

Figura 8: Formas de onda com carga RL.

Através da simulação é possível observar que a mesma não saiu como o esperado,

talvez por uma deficiência do software Multsim. Para a simulação foi utilizada uma indutância de 130 mH, e o ângulo de disparo foi mantido o mesmo utilizado na simulação com carga resistiva. Nó entanto é possível observar que a tensão

média na carga decaiu, a figura 9 ilustra esta situação:





Figura 9: Simulação com carga RL

Como a tensão média na carga caiu de 19 V para 15,1 V, presume-se que isso é devido ao ângulo β causado pela carga indutiva. Como demostra a equação abaixo:

𝑉𝑜(𝑎𝑣𝑔) = 𝑉𝑚 ×(cos 𝛼 − cos 𝛽)

2𝜋

Na teoria as formas de ondas deviam ser como descritas na Figura 10:





Figura 10: Formas de onda para carga RL.

O atraso na corrente é devido à presença do indutor, que durante o semiciclo

negativo, funciona como uma fonte de corrente, fazendo que o SCR ainda mantenha a condução por um intervalo de tempo.

5. CONCLUSÃO

A tensão aplicada em um retificador controlado de meia onda pode ser feita através do controle do ângulo de disparo aplicado no SCR. Desta maneira, o controle da potência aplicada na carga é feito variando o ângulo de disparo. O

retificador de meia onda com carga indutiva, apresenta uma tensão média na carga menor que o retificador de meia onda com carga resistiva, isso é devido ao ângulo beta que aparece quando o SCR está conduzindo no semiciclo negativo. Por

fim, esses tipos de retificadores são utilizados em inúmeras aplicações, por exemplo, o controle de um motor CC, onde o controle de velocidade pode ser feito

através do controle de potência entregue ao motor, e isso é feito variando o ângulo de disparo.





6. BIBLIOGRAFIA

[1] Ahmed, A., “Eletrônica de Potência”, Pearson Prentice Hall, São Paulo – SP,

2000.

[2] Materiais de sala de aula. [3] Datasheet 2N6167 – Disponível em: http://www.alldatasheet.com/datasheet-

pdf/pdf/579065/DIGITRON/2N6167.html

[5] Eduardo Simas, “Eletrônica de Potência” – Disponível em: http://www.dee.eng.ufba.br/home/simas/04-EletPot-convAC-DC-naocontr.pdf,

acessado em: 12/05/2015 [6] - http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/automacao-industrial/5373-

mec111

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