Acionamentos eletrônicos

ACIONAMENTOS ELETRÔNICOSTiristor -SCR (Silicon Controlled Rectifier) Retificador Controlado de Silício CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DO SCR Tiristor é o nome genérico dado à família dos componentes compostos por quatro camadas semicondutoras (PNPN). O Tiristor SCR (Silicon Controlled Rectifier) é o m a i s co n h e cid o e a p li ca d o d o s t ir is t o re s e xis t e n t e s. Fo i d e se n vo lvi d o e m 1 9 5 7 por um grupo de engenheiros do Bell Telephone Laboratory (EUA). Os Tiristores SCR’s funcionam analogamente a um diodo, porém possuem um terceiro terminal conhecido como Gatilho (Gate ou Porta). Este terminal é responsável pelo controle da condução (disparo). Em condições normais de operação, para um SCR conduzir, além de polarizado adequadamente (tensão positiva no Ânodo), deve receber um sinal de corrente no gatilho, geralmente um pulso. A principal aplicação que os SCR têm é a conversão e o controle de grandes quantidades de potência em sistemas CC e CA, utilizando apenas uma pequena potência para o controle. Isso se deve à sua ação de chaveamento rápido, ao seu pequeno porte e aos altos valores nominais de corrente e tensão em que podem operar. Algumas características dos SCR’s:  São chaves estáticas bi-estáveis, ou seja, trabalham em dois estados: não condução e condução, com a possibilidade de controle.  Em muitas aplicações podem ser considerados chaves ideais, mas há limitações e características na prática.  São compostos por 4 camadas semicondutoras (P-N-P-N), três junções (P-N) e 3 terminais (Ânodo, Cátodo e Gatilho).  São semicondutores de silício. O uso do silício foi utilizado devido a sua alta capacidade de potência e capacidade de suportar altas temperaturas.  Apresentam alta velocidade de comutação e elevada vida útil.  Possuem resistência elétrica variável com a temperatura, portanto, dependem da potência que estiverem conduzindo.  São aplicados em controles de relés, fontes de tensão reguladas, controles de motores, Choppers (variadores de tensão CC), Inversores CC-CA, Ciclo-conversores (variadores de freqüência), carregadores de baterias, circuitos de proteção, controles de iluminação e de aquecedores e controles de fase, entre outras. A figura 1 apresenta a simbologia utilizada e as camadas, junções e terminais, enquanto a figura 2 apresenta um tipo de estrutura construtiva para as camadas de um SCR. A figura 3 mostra a aparência do encapsulamento tipo TO de um SCR muito utilizado, já acoplado a um dissipador de calor. A figura 4 mostra alguns SCR de alta potência com encapsulamento tipo rosca e tipo disco. Figura 1 – SCR: Simbologia, Camadas e Junções 1 ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 2 – Um tipo de estrutura interna das camadas de um SCR Figura 3 – Encapsulamento tipo TO para SCR, com dissipador de calor. Figura 4 – SCR com encapsulamentos tipo rosca e tipo disco para altas potências. SCR IDEAL: Um SCR ideal se comportaria com uma chave ideal, ou seja, enquanto não recebesse um sinal de corrente no gatilho, seria capaz de bloquear tensões de valor infinito, tanto com polarização direta como reversa. Bloqueado, o SCR ideal não conduziria qualquer valor de corrente. Tal característica é representada pelas retas 1 e 2 na Figura 5. Quando disparado, ou seja, quando comandado por uma corrente de gatilho IGK, o SCR ideal se comportaria como um diodo ideal, como podemos observar nas retas 1 e 3. Nesta condição, o SCR ideal seria capaz de bloquear tensões reversas infinitas e conduzir, quando diretamente polarizado, correntes infinitas sem queda de tensão e perdas de energia por Efeito Joule. Assim como para os diodos, tais características seriam ideais e não se obtêm na prática. Os SCR reais têm, portanto, limitações de bloqueio de tensão direta e reversa e apresentam fuga de corrente quando bloqueados. Quando habilitados têm limitações de condução de corrente, pois apresentam uma 2 ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS pequena resistência à circulação de corrente e queda de tensão na barreira de potencial das junções que provocam perdas de energia por Efeito Joule e conseqüente aquecimento do componente. Figura 5 - (a) polarização direta (b) características estáticas de um SCR ideal. [ref. 1] POLARIZAÇÃO DIRETA: A figura 6 apresenta um circuito de polarização direta de um SCR onde podemos verificar:      Tensão do Ânodo positiva em relação ao Cátodo J1 e J3 polarizadas diretamente J2 polarizada reversamente: apresenta maior barreira de potencial Flui pequena Corrente de Fuga Direta de Ânodo para Cátodo, IF (Forward Current) Bloqueio Direto – DESLIGADO Figura 6 – a) SCR bloqueado em polarização direta; b) analogia com diodos c) efeito da polarização direta nas junções; 3 b) analogia com diodos c) efeito da polarização reversa nas junções MODOS DE DISPARO DE UM SCR: Um SCR é disparado (entra em condução) quando aumenta a Corrente de Ânodo IA. mesmo quando efetuado um pulso em seu Gatilho. Enquanto diretamente polarizado o SCR só começa a conduzir se receber um comando através de um sinal de corrente (geralmente um pulso) em seu terminal de gatilho (Gate ou Porta). a tensão de bloqueio direta diminui até que o SCR passa ao estado de condução. geralmente na forma de um pulso. a injeção de um sinal de corrente de gatilho para o cátodo (IG ou IGK).ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS POLARIZAÇÃO REVERSA: A figura 7 apresenta um circuito de polarização direta de um SCR onde podemos verificar:      Tensão de Cátodo positiva em relação ao Ânodo J2 diretamente polarizada J1 e J3 reversamente polarizadas: apresentam maiores barreiras de potencial Flui pequena Corrente de Fuga Reversa de Cátodo para Ânodo. 4 . bloqueando a passagem de corrente. através de uma das seguintes maneiras: Corrente de Gatilho IGK: É o procedimento normal de disparo do SCR. A Figura 8 apresenta um circuito para disparo do SCR. Esse pulso polariza diretamente o “segundo diodo formado pelas camada N e P” e possibilita a condução. Nesta condição. as barreiras de potencial formam-se novamente e o SCR precisará de um novo sinal de corrente no gatilho para voltar ao estado de condução. A medida que aumenta a corrente de gatilho para cátodo. sendo ele cortado (bloqueado) somente quando a mesma for praticamente extinta. Quando estiver polarizado diretamente. leva o SCR ao estado de condução. IR (Reverse Current) Bloqueio Reverso – DESLIGADO Figura 7 – a) SCR bloqueado em polarização reversa. Polarizado reversamente o SCR funciona como um diodo. Enquanto tivermos corrente entre ânodo e cátodo o SCR continua conduzindo. Figura 9 – Circuito para disparo do SCR Assim. como indica a figura 10. temos uma tensão de aproximadamente 0. Para evitar estes disparos indesejáveis devemos utilizar um resistor RGK entre o gatilho e o cátodo que desviará parte do ruído.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS A característica gatilho-cátodo de um SCR se assemelha a uma junção PN. Desta forma. Figura 8 – Disparo de um SCR Como entre o gatilho e o cátodo há uma junção PN. um exemplo de curva de disparo pode ser encontrado no anexo deste documento.9 podemos determinar os requisitos para o circuito de disparo do SCR. de acordo com a temperatura e características individuais do componente. a tensão VDISPARO necessária para proporcionar a corrente de disparo IG através da resistência limitadora RG pode ser dada por: Um SCR pode disparar por ruído de corrente no gatilho. analisando o circuito da figura. a resistência RGK já vem internamente no componente para diminuir sua sensibilidade. variando. Em alguns tipos de SCR.7V. Figura 10 – Resistência para evitar disparos por ruídos no gatilho 5 . portanto. cujo valor mínimo recebe o nome de Corrente de Retenção IL (Latching Current). Ambas diminuem com o aumento da temperatura e viceversa. Este fenômeno faz com que muitos elétrons choquem-se e saiam das órbitas dos átomos do semicondutor ficando disponíveis para condução e permitindo o aumento da corrente de fuga no SCR e levando-o ao estado de condução. uma tensão ânodo-cátodo maior que o valor da tensão de ruptura reversa máxima (VRRM ou VBR) danificará o componente. A Corrente de Retenção é maior que a Corrente de Manutenção (IL > IH). Se a Corrente de Ânodo for menor que a Corrente de Manutenção. Isto acontece porque o aumento da tensão VAK em polarização direta acelera os portadores de carga na junção J2 que está reversamente polarizada. ou seja. como podemos observar na figura 11. O valor de IL é em geral de duas a três vezes a corrente de manutenção IH. É por este motivo que dizemos que o SCR é uma Chave de Retenção (ou Travamento) porque uma vez em condução. mesmo sem corrente no gatilho (IGK). O disparo por aumento de temperatura deve ser evitado. o que pode levar o SCR ao estado de condução. Figura 11 – Disparo por degrau de tensão Num capacitor a corrente de carga relaciona-se com a tensão pela expressão: 6 . A aplicação de uma sobretensão reversa. as barreiras de potencial formam-se novamente e o SCR entrará em Bloqueio. Uma vez retirada a corrente de gatilho. Sobretensão: Se a tensão direta ânodo-cátodo VAK for maior que o valor da tensão de ruptura direta máxima VDRM (VBO).ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Corrente de Retenção e Corrente de Manutenção Para entrar em condução o SCR deve conduzir uma corrente suficiente. permanece neste estado enquanto a Corrente de Ânodo IA for maior que a Corrente de Manutenção (IA > IH). deve ser evitado. Em polarização direta a Junção J2 está reversamente polarizada e se comporta como um capacitor carregado. Degrau de Tensão dv/dt (ΔV/Δt): Se a taxa de crescimento da tensão ânodo-cátodo VAK no tempo for alta (subida muito rápida da tensão VAK) pode levar o SCR ao estado de condução. podendo atingir energia suficiente para provocar a avalanche e disparar o SCR. a mínima Corrente de Ânodo IA para manter o SCR em condução é chamada Corrente de Manutenção IH (Holding Current). portanto. O disparo por sobretensão direta diminui a vida útil do componente e. fluirá uma corrente de fuga suficiente para levar o SCR ao estado de condução. O SCR não entrará em condução se a Corrente de Gatilho IGK for suprimida antes que a Corrente de Ânodo IA atinja o valor da Corrente de Retenção IL. Sobretemperatura: O aumento brusco da temperatura aumenta o número de pares elétrons-lacunas no semicondutor provocando maior corrente de fuga.  Para um SCR comutar. ou seja. O circuito de proteção é chamado de Snubber e será estudado adiante. provocando maior corrente de fuga. 7 . uma vez disparado e conduzindo. durante um certo tempo (tempo de desligamento tq). ANALOGIA COM 2 TRANSISTORES: A figura 12 apresenta um circuito com dois transistores complementares (PNP e NPN) que permitem uma analogia ao funcionamento do SCR e demonstra a ação de retenção (travamento) devido à realimentação positiva no circuito. realimenta a corrente de base de Q2 e assim sucessivamente até ambos os transistores entrarem em saturação.  O tempo de desligamento é da ordem de 50 a 100s para os SCR normais e de 5 a 10μs para os SCR rápidos. É o caso do SCR ativado por luz. toff. prótons. O valor máximo de dv/dt é dado pelo fabricante em catálogos. com polarização direta. O SCR é uma chave de retenção. também chamado de bloqueio. passar do estado de condução para o estado de não condução. Esta. raios gama. por sua vez. Devemos portanto lembrar:  Diodos e SCR’s somente bloqueiam quando praticamente é extinta a corrente entre ânodo-cátodo e não por aplicação de tensão reversa. chamado foto-SCR ou LASCR (Light-Activated Silicon Controlled Rectifier). o gatilho perde o controle. elétrons ou raios X) nas junções do semicondutor. a Corrente de Ânodo IA deve ser reduzida a um valor abaixo do valor da corrente de manutenção IH. A única forma de bloquear um SCR é reduzir a corrente de ânodo IA para um valor menor que o valor da corrente de manutenção IH durante um certo tempo. o que pode levar o SCR ao estado de condução. haverá maior combinação de pares elétronslacunas. Esta corrente no gatilho pode ser suficiente para disparar o SCR. Este é o tempo necessário para o desligamento do SCR.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Assim. Luz ou Radiação: Se for permitida a penetração de energia luminosa (luz) ou radiante (fótons. Figura 12 – Modelo de um SCR com dois transistores complementares BLOQUEIO OU COMUTAÇÃO DO SCR O desligamento de um SCR é chamado de Bloqueio ou Comutação. quando for aplicada uma tensão VAK a capacitância da Junção J2 fará circular uma corrente no gatilho tanto maior quanto maior for a variação da tensão no tempo ( v/ t). De uma maneira simplificada. ou seja. a injeção de um sinal de corrente no gatilho do circuito provoca um efeito de realimentação em que o aumento da corrente na base de Q2 aumenta a corrente de fuga no coletor de Q2 e da base de Q1 e. conseqüentemente. nêutrons. O disparo por degrau de tensão deve ser evitado pois pode provocar queima do componente ou disparo intempestivo. a corrente de coletor de Q1. 8 . A figura 14 apresenta um circuito para Comutação Forçada onde a chave Ch1 permitirá um caminho que drenará a corrente do SCR levando-o ao bloqueio. Figura 14 – Comutação forçada por chave A Figura 15 apresenta um circuito para Comutação Forçada através de um capacitor. por exemplo).ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Comutação Natural: A Comutação Natural acontece quando a Corrente de Ânodo IA for reduzida a um valor abaixo da Corrente de Manutenção IH. A Corrente de Manutenção é cerca de 1000 vezes menor que a corrente nominal do SCR. Isso já é suficiente para o bloqueio do SCR em freqüências comerciais (50 ou 60Hz). Como a corrente não diminui naturalmente. Em circuitos de corrente alternada a corrente passa por zero em algum momento do ciclo.  Aplicando-se tensão reversa e forçando-se a operação na região de polarização reversa. Figura 13 – Circuito para comutação natural do SCR Comutação Forçada: Em circuitos de corrente contínua a tensão permanece positiva no ânodo. A figura 13 apresenta um circuito em que ocorre a Comutação Natural. Devemos lembrar que o SCR deverá conduzir durante o tempo necessário para que o capacitor esteja totalmente carregado e que a chave pode ser um outro semicondutor (um outro SCR ou um transistor. deve-se provocar a redução da Corrente de Ânodo através da Comutação Forçada. Quando a chave Ch1 for fechada. Há duas formas para isso:  Desviando-se a corrente por um caminho de menor impedância provocando IA < IH. Nesse momento IA < IH e o SCR bloqueia. Fechada a chave Ch1 e pulsando a chave Ch2 o SCR entra em condução e permanece até que o momento em que a corrente passe por zero no ciclo alternado. Note que isso também fará IA < IH. o capacitor aplicará tensão reversa levando o SCR ao bloqueio. Podemos.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 15 – Comutação forçada por capacitor CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DO SCR: Existem limites de tensão e corrente que um SCR pode suportar. A Tabela 1 apresenta os principais parâmetros nominais dos SCR. Tais limites constituem as características estáticas reais como mostra a Figura 16. enquanto as curvas 1 e 3 mostram as características para o SCR com Corrente de Gatilho IGK.1. para ambas as polarizações. 9 . então. As curvas 1 e 2 apresentam as características para o SCR no estado de bloqueio. que a curva característica de um SCR real apresenta três regiões distintas:  Bloqueio em Polarização Reversa – curva 1  Bloqueio em Polarização Direta – curva 2  Condução em Polarização Direta – curva 3 Figura 16 – Características estáticas reais do SCR. verificar na Figura 8. onde VCC é a fonte que alimentará a resistência de carga através do SCR. Considere que no instante inicial t0 a chave Ch1 é fechada e a fonte VG fornece a corrente IGK ao gatilho. A fonte VG fornecerá a corrente de gatilho IGK através da resistência limitadora RG. 10 .ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS CARACTERÍSTICAS DINÂMICAS DO SCR As características dinâmicas do SCR estão ligadas diretamente com o comportamento transitório do componente durante os processos de entrada em condução e de bloqueio. Características Dinâmicas no Disparo: A figura 17 mostra o circuito para o estudo do disparo do SCR. Figura 18 . Entre o fechamento da chave Ch e a efetiva condução do SCR há um tempo necessário para que a corrente de gatilho IGK provoque o decaimento da tensão ânodo-cátodo VAK e a elevação da corrente de ânodo IA. O tempo de decaimento da tensão ânodo-cátodo tr independe da corrente IGK. é o tempo necessário para que o SCR comece a conduzir efetivamente a partir do disparo. O tempo de retardo td (delay time) é a maior componente do tempo de fechamento e depende principalmente da amplitude da corrente de gatilho IGK e da velocidade de crescimento da referida corrente. 11 .Representação do atraso no disparo do SCR. O tempo de retardo é chamado de td (delay time) e o tempo de decaimento tr. O tempo de fechamento ton = td + tr. O indutor Lp representa uma indutância parasita que influencia no decaimento da corrente do SCR.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 17 – Circuito para o estudo do disparo do SCR As formas de onda de interesse para o disparo são mostradas na figura 18. Apenas as características de fabricação do componente interferem no decaimento de VAK. que acrescenta uma fonte de tensão reversa Vr e a chave Ch2 ao circuito da Figura X. Características Dinâmicas no Bloqueio: Para o estudo da dinâmica de bloqueio utilizamos o circuito da figura 19. No instante t = t1.Característica dinâmica de bloqueio do SCR. para que o SCR possa bloquear efetivamente é necessário manter a tensão reversa por um tempo igual ou maior do que tq. Isto é necessário para que o SCR possa alcançar o equilíbrio térmico e permanecer bloqueado até ser aplicada corrente em seu gatilho. a chave Ch2 encontra-se aberta. A corrente reversa máxima (IRM) tem valor limitado e que depende das características do SCR e do circuito. a freqüência de operação. Podemos observar o processo dinâmico de bloqueio do SCR pela figura 20. inicia-se o processo de bloqueio do SCR. Figura 20 . em t = t0 . conseqüentemente de energia): 12 .ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 19 – Circuito para estudo do bloqueio do SCR Enquanto o SCR conduz a corrente de carga. um SCR apresenta as seguintes perdas de potência (e. a chave Ch2 é novamente aberta e o SCR encontra-se bloqueado. mostrando o tempo mínimo de aplicação de tensão inversa tq. a chave Ch2 é fechada. Os fabricantes fornecem os valores nominais associados à velocidade através da freqüência máxima fmax bem como os tempos de ligação ton e de desligamento tq ou toff. Portanto. O tempo tq varia desde 5 μs para os SCR rápidos (SCR Inversores) até 50 a 400 μs para os SCR lentos (SCR Controladores de Fase). PERDAS TÉRMICAS EM CONDUÇÃO: Durante o ciclo de chaveamento. Quando. ou velocidade de chaveamento requerida num circuito definirá o tipo de SCR a ser utilizado. Após o tempo de recuperação do SCR trr. as Perdas por Chaveamento também são pequenas e podem ser desconsideradas. mostrado na figura 21. que apresentam baixas Correntes de Manutenção IH. Analogamente a um diodo. Em baixas freqüências (<400Hz). Mantendo-se esta condição e conectando-se também o gatilho no terminal positivo do multímetro. Em altas freqüências. sob condições normais de operação as Perdas em Bloqueio e por Acionamento do Gatilho são pequenas o suficiente para serem desprezadas. o que poderia danificá-lo. as perdas aumentam significativamente. Figura 21 . onde E0 (VF ou VTO) representa a queda de tensão e r0 (rF ou rT) representa a resistência quando o componente está em condução. como mostra a seqüência de testes na figura 22. O terminal positivo do multímetro é ligado ao ânodo e o negativo ao cátodo para que a bateria interna do instrumento polarize diretamente o SCR. 13 . podemos representar o SCR por seu circuito elétrico equivalente. especialmente na entrada em condução do SCR.Circuito equivalente do SCR em condução. O SCR conduzindo dissipa uma potência elétrica (em Watts) na forma de calor que pode ser calculada por: onde: PSCR – perda de potência no SCR durante a condução (W) E0 – tensão ânodo-cátodo durante a condução (V) r0 – resistência em condução (mΩ) Imed – valor médio da corrente de ânodo (A) Ief – valor eficaz da corrente de ânodo (A) A determinação das Perdas em Condução do SCR tem importância fundamental no chamado “Cálculo Térmico” para o dimensionamento dos Dissipadores de Calor e Sistemas de Refrigeração. A leitura do ohmímetro deverá indicar um valor substancialmente baixo e manter-se neste valor após o gatilho ser removido do terminal positivo do multímetro. o teste pode ser feito com um Multímetro na função Ohmímetro. A principal fonte de perdas de potência são durante a condução do SCR. O seu correto dimensionamento permite que o componente controle o máximo de potência sem sobreaquecimento. Esta é a condição de bloqueio direto e a leitura do ohmímetro deve ser um valor muito alto.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS     Perdas de Potência em Condução Perdas de Potência em Bloqueio (direto e reverso) Perdas de Potência por Chaveamento (comutação) Perdas de Potência por Acionamento do Gatilho Em Geral. a bateria do instrumento fornecerá o sinal de corrente para disparar o SCR. Para os SCR de pequeno porte. TESTANDO UM SCR COM MULTÍMETRO: Os SCR devem ser testados em polarização direta e acionando-se a porta com um sinal de corrente e observando-se se ele permanece conduzindo após essa corrente ser removida. A referência [5] apresenta uma boa discussão a respeito. isso indicará um curto-circuito entre ânodo e cátodo. Em polarização reversa a leitura do ohmímetro deve ser sempre muito alta. mesmo com a conexão do gatilho. o SCR estará aberto. Se estiver conduzindo e voltar ao bloqueio quando do gatilho for desconectado.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 22 – Testando um SCR com Multímetro Se em polarização direta e sem a conexão do gatilho. a leitura do ohmímetro for baixa. Nota: 14 . sua condição de operação será duvidosa pois talvez a corrrente fornecida pela bateria do instrumento não seja suficiente para atingir a corrente de manutenção (IH). Se ao conectar o gatilho a leitura do ohmímetro não diminuir. O teste mais adequado deve ser feito com um instrumento traçador de curvas. O dimensionamento do SCR deverá ser feito para as condições normais de operação. Quando o SCR estiver bloqueado. Proteção contra Degrau de Corrente di/dt (ΔI/Δt): Quando o SCR começa a conduzir. o capacitor CS conectado aos terminais do SCR reduz a taxa na qual a tensão no dispositivo varia. portanto. se ocorrer um Degrau de Corrente. A capacitância é uma oposição à variação de tensão e. pois esta se opõe às variações bruscas de corrente. É necessário um certo tempo para que a condução se espalhe por igual em toda a pastilha semicondutora. Super dimensioná-lo para as possíveis condições anormais seria antieconômico.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Este método deve ser usado com cautela pois a tensão do ohmímetro aplicada ao gatilho pode ser alta o suficiente para danificar o componente. Para um determinado degrau de tensão. os componentes do circuito Snubber podem ser calculados pela equação: A equação abaixo fornece o valor mínimo para RS: 15 . rápido crescimento da corrente de ânodo IA. poderão formar-se pontos quentes (hot spots) no semicondutor e queimar o componente por sobretemperatura. rápido crescimento da tensão VAK. sobrecargas por exemplo. amortecendo a subida da corrente no ânodo. o capacitor descarregará e sua corrente se somará ao di/dt apresentado pelo circuito original. uma resistência RS deve ser colocada em série com o capacitor para amortecer a descarga e limitar a corrente transitória no disparo. o capacitor CS se carregará até o instante em que o dispositivo entrar em condução. pode disparar indesejavelmente o SCR. A Indutância requerida pode ser determinada pela equação: Onde: L – indutância (μH0 (di/dt)max – degrau de corrente máximo admissível (A/μs) VP – tensão de pico (V) Proteção contra Degrau de Tensão dv/dt (V/t): O Degrau de Tensão. Este Degrau de Corrente é dado pela taxa com que a corrente varia no tempo. Quando o SCR for acionado. apresentado na figura 23. levando-se em conta uma certa margem de segurança. Este circuito de proteção. ou di/dt (ΔI/Δt) e é expresso em Ampères por microssegundos (A/μs). o SCR poderá ser percorrido por uma sobrecorrente suficiente para danificá-lo. Limita-se o di/dt com uma pequena indutância em série com o SCR. Entretanto. Portanto. PROTEÇÕES DO SCR: Um SCR exige uma adequada proteção contra sobre-tensões e sobre-correntes para oferecer uma operação segura e confiável. Sob condições anormais. Operações inadequadas e transitórios podem provocar sobre-tensões que ultrapassem os seus limites nominais de tensão. a corrente de ânodo fica concentrada em uma área relativamente pequena próxima ao gatilho. é chamado de Snubber. Para proteger contra o disparo intempestivo utiliza-se uma rede RC (resistor em série com capacitor) conectada aos terminais de ânodo e cátodo do SCR. fornecido em catálogos de SCR e de fusíveis. relativo ao tempo do ação. um diodo DS pode ser ligado em paralelo com RS. Devido à queda de tensão no diodo.  Disjuntores de Alta Velocidade.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Para aumentar a eficiência do Snubber. Algumas maneiras de proteger um SCR contra sobre-tensão:  Diodo em série com o SCR: para que ambos os componentes compartilhem a tensão inversa. ser eletricamente isolado do circuito de alta potência que o SCR controla. mas quando o di/dt for grande. As proteções contra sobrecorrente mais usuais são:  Fusíveis de Ação Rápida: escolhidos através do parâmetro I2t. fornece um caminho de baixa resistência para o transitório de tensão. Proteção contra Sobrecorrente A sobre-corrente ocorre. o diodo estará desligado.  Relés de Sobrecorrente.  Varistor (resistor não linear): em paralelo com o SCR. em geral. isto pode implicar maiores custos. Proteção do Circuito de Disparo do Gatilho O circuito de disparo do gatilho deve ser protegido contra transitórios de tensão e. preferencialmente. porém. Quando o dv/dt for grande. 16 . o diodo curto-circuitará RS. este método pode introduzir perdas de potência significativas em certos circuitos.  Circuito Snubber RC: em paralelo com a fonte geradora de sobre-tensão. por sobrecarga ou curto-circuito e o dispositivo de proteção deverá abrir o circuito antes do superaquecimento do SCR.  SCR com alto valor de tensão nominal: como margem de segurança. Isso pode ser feito com Transformadores de Pulso e de Acopladores Ópticos (Opto-acopladores). Figura 23 – Circuito Snubber Proteção contra Sobretensão As sobre-tensões geralmente são causadas por distúrbios no chaveamento devidos à energia armazenada em componentes indutivos. A sobre-tensão transitória resultante pode exceder os limites de tensão do SCR podendo causar disparo intempestivo ou queimá-lo por ruptura reversa. Para aumentarmos a capacidade de bloqueio de tensão.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS ASSOCIAÇÕES DE SCR: Os valores nominais de corrente direta e de bloqueio de tensão determinam a potência máxima de carga que um SCR pode controlar.  Em associações de SCR.  Sinais AC. ou ter uma fonte própria.  Evitar ocorrência de disparos indesejados por sinais falsos ou ruídos. Na prática: tG > ton.  O controle deverá ser suficientemente preciso. devemos associar SCR em série e para aumentarmos a capacidade de corrente. São. 17 . Basicamente. requisitos fundamentais no projeto de um circuito de disparo de SCR:  O sinal de gatilho deverá ter amplitude adequada e tempo de subida suficientemente curto. como em linhas de transmissão de energia em corrente contínua. No mercado podem ser encontrados SCR com valores nominais de tensão e de corrente bastante altos (5kV e 5kA). Os circuitos de disparo com sinais CC podem fazer uso da própria fonte de tensão que alimenta a carga. em algumas aplicações esses limites não são suficientes. Essas diferenças propiciam um complicador no projeto de circuitos com associações de SCR e devem ser equalizadas. Como qualquer outro componente. as características de dois SCR de mesmo tipo. são diferentes. garantir a defasagem de 120o nos sinais dos gatilhos. como mostra a figura 24. como é o caso das linhas da Usina Itaipu. se ela for CC. Porém.  A largura do pulso de gatilho (o tempo de duração do pulso tG) deve ser maior que o tempo necessário para a corrente ânodo-cátodo passar o valor da corrente de retenção IL. pois o componente pode queimar pelo aumento da corrente de fuga reversa. devemos associar SCR em paralelo. operando com tensões de 1200kV ( bipolo de 600kV). Em projetos adequados as tensões e correntes entre os SCR devem ser compartilhadas igualmente entre eles. levando ao sobre-aquecimento o que reduz a vida útil do componente. REQUISITOS BÁSICOS PARA OS CIRCUITOS DE DISPARO: Os circuitos de disparo devem proporcionar ao SCR o sinal adequado e no instante desejado para que o componente entre em condução corretamente.  Quando reversamente polarizado é desaconselhável haver sinal de gatilho.  Sinais Pulsados.  O sinal de gatilho deve ser removido após o disparo. Sinal contínuo aumenta as perdas de potência. garantir o acionamento simultâneo. portanto. existem 3 tipos usuais de sinais de disparo:  Sinais CC.  Em circuitos trifásicos. CIRCUITOS DE DISPARO COM SINAIS CC Geralmente os parâmetros de acionamento de um SCR são fornecidos em relação à tensão e corrente médias CC. Sendo a tensão VG de 15V. Não é recomendado o uso de sinal de gatilho CC para disparar SCR em aplicações CA porque um sinal positivo durante o semiciclo negativo aumenta a corrente de fuga reversa IR e pode danificar o componente. b) Circuito de Disparo CC com fonte própria. A grande vantagem é que este processo mantém o sinal de gatilho sincronizado com o ciclo de acionamento do tiristor.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 24 – a) Circuito de Disparo CC com a mesma fonte da carga. Em alguns casos. O método mais comum em aplicações de corrente alternada é derivar o sinal de disparo a partir da própria fonte principal CA. o sinal de gatilho pode ser removido pela abertura da chave Ch1. Uma vez conduzindo. com a possibilidade de controlar o instante em que essa corrente será injetada no gatilho. Num dado instante a tensão VCA proporciona uma tensão e. O resistor Rg limita a corrente no gatilho e o diodo D limita a amplitude de um possível sinal negativo no gatilho em aproximadamente 1V. CIRCUITOS DE DISPARO COM SINAIS CA – CONTROLE DE FASE: Um circuito de disparo sincronizado para o controle de fase é capaz de gerar e injetar uma corrente no gatilho do SCR para dispará-lo. em função da fonte Vg e da tensão máxima de gatilho admitida pelo componente: Exemplo1: O SCR da figura 24(a) apresenta uma corrente máxima de gatilho de 100mA e máxima tensão VGK de 2V. uma resistência mínima de 130Ω deverá ser conectada. Circuito de Disparo CA com Rede Resistiva A figura 25 mostra um circuito bastante simples para o controle de fase a partir do sinal CA e de uma rede resistiva no gatilho. conseqüentemente. Ao fecharmos a chave Ch1 o SCR entra em condução pois uma corrente CC é aplicada no gatilho. uma corrente no gatilho suficiente para disparar o SCR. que está diretamente polarizado pela fonte VCC. o diodo D pode ser substituído por um resistor RGK com a função de proteção do gatilho. determine a resistência RG que fornecerá corrente suficiente para o disparo. quando polarizado diretamente. Aplicando a Lei das Tensões de Kirchhoff podemos determinar o valor da resistência Rg para limitar a corrente de gatilho. É o chamado CONTROLE DE FASE. Durante o semiciclo positivo o SCR está em bloqueio direto. como visto no item sobre proteção do SCR. pripiciando o controle do ângulo de fase α onde o SCR dispara. 18 . Assim. Esse instante pode ser controlado pelo potenciômetro R1. Figura 26 – Equivalente Thèvenin no gatilho do SCR Seja Rx = R1 + R2 e aplicando a técnica do Equivalente Thèvenin.1. determinar o valor da resistência R1 e do potenciômetro P1 tal que proporcionem uma corrente no gatilho suficiente para disparar o SCR em 2o. Usando a técnica do Equivalente Thèvenin para os ramos do circuito de controle.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 25 – Circuito de disparo CA com rede resistiva Exemplo: Para o circuito de disparo CA com rede resistiva da figura 16. temos o circuito equivalente da figura 26. Dados: Solução: O objetivo é determinar as resistências que fazem com que a tensão em RGK seja suficiente para provocar a corrente mínima para disparo do SCR. IGK. temos: 19 . 60o e 90º. 30o. 15o. 5 193. O potenciômetro controla a defasagem e o tempo em que a tensão no capacitor leva para atingir o valor suficiente para disparar o SCR. podemos determinar finalmente o valor dos componentes: R1 = 6. Como queremos disparar o SCR em diversos ângulos. ou seja.8kΩ R2 = 220kΩ Circuito de Disparo CA com Rede Defasadora RC: No circuito RC da figura 27 a tensão no gatilho está atrasada da tensão de alimentação devido o capacitor e as resistências do resistor e do potenciômetro.38 111. onde: 20 . podemos deduzir os valores mínimos e máximos para a resistência Rx: Rx mínimo = 7.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Como queremos determinar o valor de Rx que suprem a corrente necessária IGK para o disparo do SCR. como indicam as formas de onda na figura 28. R2 será o valor de Rx – R1: Dentre os valores comerciais disponíveis.8 155.3 46. encontramos. Concluimos.75 Desta tabela.75Ω O valor mínimo é dado pelo resistor R1 e o valor máximo pela soma das resistências R1+R2.5 179. encontramos: Substituindo os valores conhecidos de RGK . determinamos a corrente que ele fornece ao gatilho: Substituindo nesta equação as equações para o cálculo de Vth e de Rth e isolando Rx. que a resistência necessária é função da tensão instantânea v(t). então. basta determinarmos qual o valor da tensão instantânea nestes ângulos e finalmente a resistência Rx que proporciona a corrente de disparo nestes mesmos ângulos: α(°) 2 15 30 60 90 v(t)V 6. analisando a malha do Equivalente Thèvenin. O objetivo é atrasar a tensão que irá comandar o disparo do tiristor.62 223.13 57. A tensão se disparo ocorrerá mais tarde no semiciclo.5 89.6 Rx ( Ω ) 7. IGK e VGK.13Ω Rx máximo = 223. Isso garante que no início de cada semiciclo positivo. como podemos observar na curva característica da figura 29. Variando R2 varia o ângulo φ e portanto varia também o ângulo de disparo α’ do SCR.atraso proporcionado pela rede defasadora (RC) θ . O diodo em série com o gatilho garante a unidirecionalidade do sinal de disparo evitando assim. mantendo a regularidade do disparo. por um ângulo φ.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS α . Diretamente polarizado só entra em condução quando a tensão atingir um determinado valor. D1 garante que só haverá corrente no gatilho no semi-ciclo positivo. preservando o SCR. Ou seja. A tensão de disparo. 4] Durante o semi-ciclo negativo o SCR se mantém em bloqueio reverso. O valor dessa defasagem depende da constante de tempo de carga do capacitor: τ = R. está atrasada em relação à tensão da rede. carregando C1 com tensão negativa.ângulo de disparo proporcionando pela senóide da fonte α’. Seu comportamento é de um SCR sem gatilho preparado para disparar por sobretensão direta. D2 conduz no semi-ciclo negativo. sobre o capacitor. Circuito de Disparo CA com Diodo Schokley ou Diac: O Diodo Schokley é um componente semicondutor de quatro camadas (PNPN).13 [ref. Quando conduzindo sua tensão é bem menor que a tensão de disparo. sinais no gatilho no semi-ciclo negativo. como indica a sua curva característica na figura abaixo.C = (R1 + R2).ângulo de disparo proporcionado pela rede defasadora (RC) φ . a chamada Tensão Schokley.C1. o capacitor sempre esteja carregado com uma tensão fixa (negativa). reversamente polarizado não conduz. 21 .defasagem entre o ângulo de disparo normal e o ângulo de disparo com rede defasadora Assim: α’= α + θ Figura 27 – Circuito de disparo CA com rede defasadora RC Figura 28 – Formas de Onda para o circuito da figura 14. o diodo estará cortado e o SCR não entrará em condução. Controlando a defasagem τ entre a tensão da rede e a tensão no capacitor. O capacitor provocará um pulso de corrente suficiente para disparar o SCR. Figura 31 – Símbolo e curva característica do Diac 22 . ou seja. preparado para disparar tanto por sobretensão direta como reversa. Assim. A figura 31 mostra o símbolo e a curva característica do Diac.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 29 – Curva característica do Diodo Schokley A figura 30 apresenta um circuito de disparo com sinal CA usando um diodo Schokley. o diodo entrará em condução e proporcionará um caminho de baixa impedância para a descarga do capacitor através do gatilho do SCR. varia-se o ângulo de disparo α. O Diac se comporta como um Diodo Schokley bidirecional. Os terminais são identificados por terminal 1 e 2 (Main Terminal). Figura 30 – Circuito de disparo CA com Diodo Schokley Quando a tensão no capacitor atingir a tensão Schokley. o diodo Schokley no circuito da figura 30 pode ser substituído por um Diac. Enquanto a tensão no capacitor for menor que a tensão Schokley. como um Triac semgatilho. os circuitos de disparo com sinais pulsados devem ser sincronizados com o sinal senoidal.1kΩ. apresenta três terminais: Emissor (E). A figura 32 apresenta o símbolo. devem oscilar em relação ao zero da senóide. este dispara conduzindo entre emissor e base 1. Figura 33 – Curva característica do Transistor Unijunção [ref. na região de resistência negativa. em vez de um sinal CC contínuo. ou um trem de pulsos. Oscilador de Relaxação com Transistor Unijunção O Transistor Unijunção (Unijunction Transistor). fabricado desde 1948. • reduzir ruídos e transitórios que podem disparar intempestivamente o componente. Figura 32 – Simbologia. o transistor unijunção corta. Quando a tensão de emissor decair ao ponto de vale. 4] 23 . ou seja. o diagrama equivalente e a estrutura interna do transistor unijunção. Isto apresenta algumas vantagens tais como: • permite controle mais preciso do ponto de disparo do tiristor • facilita o acoplamento e o isolamento elétrico entre o circuito de disparo e o circuito de potência que o SCR aciona. O isolamento elétrico pode ser feito através de transformadores de pulso ou de acopladores ópticos. Quando a tensão de emissor atingir a tensão de pico do transistor unijunção. diagrama equivalente e estrutura interna do TUJ O transistor unijunção atua como uma chave controlada por tensão. gerem um único pulso. Para o controle de fase adequado..ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS CIRCUITOS DE DISPARO COM SINAIS PULSADOS: Para reduzir a dissipação de potência no gatilho. Entre B1 e B2 o transistor unijunção apresenta uma resistência na faixa de 4. A figura 33 apresenta a curva característica para um transistor unijunção.7 a 9. é aconselhável que os circuitos de disparo de SCR. Base 1 (B1) e Base 2 (B2). Ele produz um trem de pulsos estreitos na base 1. Quando a tensão no capacitor atingir o valor da tensão de pico do transistor unijunção. fluindo uma corrente de emissor para o primário do transformador de pulso e aplicando um sinal no gatilho do SCR. este entra em condução entre emissor e base1. O carregamento do capacitor C1 se dá através da fonte Vcc e é controlado pelo resistor Rf e o potenciômetro P1.TUJ Figura 35 – Formas de Onda para o Oscilador de Relaxação 24 . já estudado. Isto pode ser solucionado pelo circuito snubber RC. o que pode levar um SCR a não se manter em condução. o transistor unijunção corta e o processo se repete. Tabela 2 – Teste de um Transistor Unijunção com Multímetro Ponteira Positiva (+) Ponteira Negativa (-) Resistência B2 B1 RB1 + RB2 B1 B2 RB1 + RB2 E B1 RB1 B1 E Aberto (∞) E B2 RB2 B2 E Aberto (∞) Um oscilador de relaxação com transistor unijunção. A figura 35 mostra as formas de onda para este oscilador. A largura do pulso é dada pelo valor do capacitor.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS A tabela 2 mostra um procedimento simplificado de teste com a função ohmímetro de um multímetro para o transistor unijunção. Quando a tensão no capacitor C1 cair para o valor da tensão de vale. A desvantagem deste circuito é a curta duração dos pulsos. Figura 34 – Oscilador de Relaxação com Transistor Unijunção . apresentado na figura 34 é um circuito comum para a produção de pulsos para disparo de SCR. ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS No circuito da figura 36. Quando o transistor unijunção Q1 cortar. O diodo D1 é um diodo com efeito roda-livre. Figura 37 – Etapa de sincronismo para controle de fase Figura 38 – Forma onda do oscilador sincronizado Oscilador com Diodo Schokley e com Diac O circuito da figura 39 apresenta um oscilador para o disparo de um SCR utilizando um Diac. Figura 36 – Oscilador de Relaxação com TUJ e driver de corrente A figura 37 apresenta uma etapa de sincronismo a ser conectada como fonte de alimentação para o oscilador. 25 . O transistor Q2 opera como um driver de corrente. induzindo um sinal no gatilho do tiristor. para desmagnetizar o transformador de pulso. o transistor bipolar Q2 corta e cessa o sinal no gatilho. Este circuito melhora a largura do pulso e o seu tempo de subida. O resistor RZ limita a corrente no Zener. sincronizada com a senóide do secundário. este satura e a tensão de alimentação será aplicada ao primário do transformador de pulso. O circuito oscilará somente enquanto houver tensão aplicada e o disparo do tiristor será no primeiro pulso gerado no instante determinado pelo tempo de carga controlado pelo potenciômetro do oscilador. A constante RC define o tempo de carga do capacitor através da fonte de tensão Vcc. A figura 38 mostra o oscilador gerando os pulsos sincronizados com o sinal senoidal aplicado. O diodo D1 retifica em meia onda o sinal do secundário do transformador e o diodo Zener DZ mantém a tensão a ser aplicada ao oscilador que será praticamente uma onda quadrada. quando o pulso proveniente do transistor unijunção Q1 for aplicado à base do transistor bipolar Q2. geralmente maiores de 100V. Figura 39 – Disparo de SCR usando um Diac Outros Circuitos Pulsados Existem muitos outros circuitos pulsados para o disparo de tiristores. O circuito de potência que o tiristor controla é submetido a tensões elevadas. O diodo DRL (diodo de roda livre) conduz para desmagnetizar o transformador de pulso. Os transformadores de pulso têm a vantagem de proporcionar um circuito de controle simplificado e isolado eletricamente do circuito de potência. Quando o pulso for removido. A figura 40 apresenta um circuito para acoplamento magnético. • outros ISOLAMENTO E ACOPLAMENTO Em circuitos tiristorizados existem diferentes tensões em diversos pontos. Construtivamente. Este circuito requer baixa potência da fonte Vcc para carregar o capacitor e fornece uma potência alta em um curto intervalo de tempo. esse tipo de acoplamento é adequado para pulsos de 50 a 110μs. As formas de onda são semelhantes às da figura 35. Transferem os pulsos com baixas perdas. Quando um pulso é aplicado à base do transistor chaveador Q1. • Via programação (software) em circuitos microcontrolados e microprocessados. Q1 corta e uma tensão de polaridade oposta é induzida no primário. se descarrega através deste injetando uma corrente de disparo no SCR. A isolação e o acoplamento podem ser feitos por: • Acopladores Magnéticos: transformadores de pulso (pulse transformers) • Acopladores Ópticos: opto-acopladores (opto-couplers) Acoplamento Magnético O isolamento elétrico e o acoplamento magnético é feito através de Transformadores de Pulso. A diferença é que o núcleo é de ferrite e a relação de transformação geralmente é de 1:1 ou de 1:2. é necessário um circuito que isole eletricamente o tiristor e seu circuito de controle e os mantenha acoplados. Já o circuito de controle do disparo é alimentado com baixas tensões. Durante este processo uma tensão reversa correspondente é induzida no secundário. evitando disparos indesejáveis gerados por realimentação do circuito de potência para o comando. o disparo do SCR. os transformadores de pulso são semelhantes aos transformadores comuns: possuem dois (ou mais) enrolamentos eletricamente isolados. pequenas dimensões e enrolamentos isolados. tipicamente. garantindo assim. O núcleo do transformador de pulso saturará devido à corrente CC aplicada. Um capacitor para aumentar a largura do pulso pode ser ligado em paralelo com R1. Portanto. • Circuito Integrado dedicado a disparos de tiristores TCA-785 da Siemens. tipicamente até 30V. como por exemplo: • Oscilador com o circuito integrado 555.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Quando carregado com a tensão de disparo do Schokley (ou do Diac). repetindo o processo. Rapidamente o capacitor se descarrega e faz o Schokley (ou o Diac) cortar. Portanto. este satura e a tensão Vcc é aplicada ao primário do transformador de pulso induzindo uma tensão pulsada no secundário que é aplicada entre o gatilho e o cátodo do SCR. 26 . etc. que pode ser um foto-transistor.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 40 – Circuito para Acoplamento Magnético Acoplamento Óptico Os acopladores ópticos foram desenvolvidos na década de 70 com a finalidade de acoplar e isolar circuitos que operam com diferentes níveis de potência. geralmente um LED. um foto-DIAC. e de um elemento foto-sensor (foto-receptor). um foto-diodo. o que aumenta o volume. um foto-SCR. Esse tipo de acoplamento requer uma fonte auxiliar Vcc para alimentar o opto-acoplador. peso e custo do circuito. A figura 41 apresenta um circuito para o acoplamento óptico a partir de uma fonte VCC. o fotoemissor. que disparará o foto-receptor. A luz é acoplada ao sensor através de um material isolante transparente ao através do ar. Consistem de uma fonte de radiação (luz). com alta sensibilidade na faixa de freqüência da radiação emitida. A figura 42 apresenta o acoplamento óptico a partir da própria fonte do circuito de potência VCA. Um circuito gerador de pulsos é ligado no foto-emissor do opto-acoplador. Figura 41 – Acoplamento óptico com fonte VCC dedicada Figura 42 – Acoplamento Óptico a partir da fonte VCA 27 . 2. 28 .4. como indica a figura 43.3. Determine o valor de uma indutância L a ser incluída no circuito para limitar o degrau de corrente em 20A/μs. qual o valor comercial da resistência RG a ser conectada ao gatilho? Explique. sendo: RGK -aumenta a capacidade de degrau de tensão (dv/dt) -reduz o tempo de desligamento -aumenta as correntes de retenção e de manutenção DGK -protege o gatilho contra tensões negativas CGK -remove componentes de ruídos de alta freqüência -aumenta a capacidade de degrau de tensão (dv/dt) R1 -limita a corrente de gatilho -amortece quaisquer oscilações transitórias D1 -garante a unidirecionalidade (um só sentido) da corrente de disparo PROBLEMAS PROPOSTOS P.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Proteção do Gatilho Os circuitos de disparo e os acopladores devem ser conectados aos gatilhos dos SCR através de um ou mais componentes de proteção. P. O SCR tem uma corrente de manutenção de 200mA. Determine a corrente eficaz em um circuito com um SCR quando um amperímetro CC indica 100A com um ângulo de condução de 60o. Uma fonte de tensão de 220Vef aciona uma resistência de carga de 10Ω através de um SCR. Determine o valor máximo da resistência de carga que vai assegurar a condução do SCR no circuito abaixo.: 270A. P. Resp. Explique. Sabendo que a corrente mínima para disparo de um SCR é de 15mA e que o circuito proporciona uma tensão de 5V. Resp.: 1040Ω. Figura 43 – Componentes de proteção do gatilho do SCR Na figura 43 cada componente possui uma ou mais funções.6μH P. Resp.: 15. cada qual com sua função.1. 14.5V P.H. Quais os tipos de proteção adequados para um SCR? P. O que é e como se evitam os degraus de tensão e de corrente? P. P.1 para os seguintes SCR: TIC-106D. Aegis A5F1000.16. c) calcule a tensão média e eficaz. Em um teste com multímetro.17.10.6. Dimensione os valores mínimos para o circuito snubber para que não ocorra acionamento intempestivo. Compare um SCR a um Diodo de Potência.5kΩ. Descreva os circuitos de disparo.13. Semikron SKT16/04C e BT151-500R. P. Aegis A1N60. bem como a potência média na lâmpada.8.1.22.5mΩ. P. Qual o valor mínimo da indutância L para proteger um SCR contra dv/dt sendo seu valor de 10A/μs e a tensão de 220V? Como deve ser conectado? P.9. Em que condições de teste um transistor unijunção apresenta defeito? 29 . 45. Como pode haver disparos intempestivos? Como evitar? P. 62. onde RGK=1.12. Descreva os circuitos de comutação. b) simule em computador para obter as formas de onda das tensões na lâmpada para cada ângulo de disparo do SCR. Um SCR tem VDRM de 600V. Cite as condições necessárias para disparo e para o bloqueio de um SCR. para cada ângulo de disparo do SCR (considere que a lâmpada mantém a sua resistência nominal) Dados: TIC 116 D IGK = 5mA (min) e 20mA (máx) VGK = 1. a carga é uma lâmpada de 220V/100W e o SCR é o TIC116D: a) calcule R1 e R2 para os seguintes ângulos de disparo do SCR: 5. Resp.5. P. Sendo a tensão aplicada de 311V.15. O que é tempo de desligamento de um SCR? P. 20. Considerando o circuito de fase com SCR da figura 16. Determine os valores dos componentes de um circuito snubber para as condições: VRRM = 200V (dv/dt)max = 200V/μs (di/dt)max = 100A/μs Rcarga = 10Ω a) Explique sua conexão e funcionamento. TIC-116E. degrau de tensão máximo de 25V/μs. 60.10. P. 4.20.19. b) Desenhe os esquemas para conectar quatro SCR em série e em paralelo. Obtenha os parâmetros da tabela 8. quais as condições que um SCR pode estar defeituoso? Porque? P.18. Como deve ser o sinal adequado de disparo de um SCR? Porque? P.: 0. qual a resistência mínima para limitar a descarga em 5A? Explique.24μF. Quais as vantagens? P.2Ω. degrau de corrente máximo de 30A/μs e é usado para acionar uma carga resistiva de 100Ω. Qual a relação entre a corrente de retenção e manutenção? P.11. P. Qual a relação entre a tensão de disparo e a corrente de gatilho? P.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS P.20HY.7. 90 e 150 graus.21. na saída de 3. produzido inicialmente pela Siemens e atualmente encontrado sob várias outras marcas. • Entrada para tensão de controle:  Valor de tensão de entrada ajustável que é fornecido ao pino 11.  Ser disponibilizado para uso externo ao CI. • Entrada de sincronização.s desenvolvidos para controlar o ângulo de disparo de tiristores em retificação controlada é o TCA 785.I. podendo ser diretamente por um potenciômetro (o que é o caso do módulo MP-4) ou. o qual a partir da tensão de VCC externa.1V regulado. com amplitude indo de + 0. P. O CI possui 16 pinos em encapsulamento dual in-line.  O sinal no pino 5 tem uma forma de onda próxima à forma de onda quadrada. Explique como e porque se pode controlar a freqüência de um oscilador de relaxação com transistor unijunção. O objetivo deste regulador interno é:  Ser usado internamente na fonte de corrente constante para carga do capacitor de rampa (ver item: Geração e Calibração da rampa).23.  Normalmente varia de 0V até o valor de topo da rampa. distribuídos e caracterizados como mostra a seguir: Pinagem do TCA 785: • Entrada de alimentação:  Provido por fonte externa ligada ao pino 16 (VCC) e 1 (GND). O TCA 785 é um circuito integrado com estrutura interna monolítica.1V.24. por circuitos reguladores feitos com amplificadores operacionais. sendo parte linear e parte digital.A. podendo estes pulsos ser deslocados desde 0º até 180º.  Esta amostra é obtida através de um Circuito Ceifador (um resistor em série e dois diodos contrapostos em paralelo) e fornecida ao circuito Detector de Zero. Como se pode sincronizar os circuitos de disparo com sinais pulsados para se fazer o controle de fase adequado? TCA785 Introdução: Um dos C. tem sua saída regulada para 3. Neste caso é normalmente é usado para alimentar o potenciômetro da tensão de controle (potenciômetro que varia o ângulo de disparo). Ele é entendido como um CI de Controle de Fase.. neste caso isto significa simplesmente que ele produz em suas saídas. no caso de sistemas de controles realimentados.  Aceita valores na faixa de 8V a 18V.1V regulada: Internamente ao TCA 785 existe um circuito regulador de tensão.  A passagem por 0V tanto na borda de subida quanto na borda de descida determinará o início da rampa. 30 .  Para que o TCA possa prover os pulsos de disparo dentro da faixa de operação adequada e no momento angular preciso é necessário que ele receba no pino 5 uma amostra do sinal da rede de C.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS P. pino 8. pulsos que são sincronizados com a CA da rede.7Vp até –0. • Saída de 3.7Vp.  Alimentação típica: 15V. o controle em sua mais ampla extensão (desde 0º até 180º). desde seu valor mínimo até seu valor máximo. Por operar em malha aberta. • A tensão da rampa é maior que a tensão de controle. limitado apenas pelas características construtivas internas do amplificador operacional. diferentemente do que é observado quando um capacitor é carregado por uma fonte de tensão constante em série com um resistor. do resistor do pino 9.A.  O tempo que dura o estado de condução do transistor de descarga é muitíssimo pequeno.  O fato de o capacitor do pino 10 se carregar por meio de uma fonte de corrente constante faz com que tensão sobre o capacitor durante o transitório de carga tenha um comportamento linear em função do tempo.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS • Geração e Calibração da rampa (Trimpot: Rampa):  O TCA 785 possui internamente uma fonte de corrente constante a qual fornece uma corrente que sai pelo pino 10. e este imediatamente corta o transistor de descarga.  Este amplificador diferencial opera em malha aberta.  Em série com o resistor fixo do pino 9 normalmente existe um trimpot que nos permite calibrar a inclinação da rampa. pois assim que a carga do capacitor chega a zero. levará a tensão de saída ao seu valor extremo (saturação da saída). ou seja.  Deste modo temos duas situações possíveis: • A tensão da rampa é menor que a tensão de controle. teoricamente. a fim de gerar nova rampa. Assim qualquer diferença entre as tensões de entrada. colocando este em condução plena (saturação). que deve ser ≤ 0. quando o sinal de sincronismo mudará novamente de estado (uma nova passagem por zero). a rampa começa a ascender e continuará ascendendo linearmente até o final deste semiciclo. Por outro lado a tensão da rampa que vem do pino 10 esta permanentemente variando de valor. nunca se estabilizando em valor algum. fazendo com que a tensão da rampa caia instantaneamente de seu valor máximo para zero. repetindo-se para cada semiciclo da C. que nos permite determinar a amplitude da rampa entre seus valores mínimo e máximo (Vpp da rampa). ou seja.  A inclinação da ascendência da rampa depende do valor do próprio capacitor do pino 10. e atua sobre a Unidade Lógica produzindo o pulso de disparo. e. no exato instante que se inicia um determinado semiciclo. tenha a forma de uma rampa linear. quando a tensão sobre o capacitor tem um crescimento de formato logarítmico natural.  Assim a rampa passa a ser executada periodicamente (como um dente de serra).5 μF. imediatamente o monitor de carga de C10 avisa ao registrador de sincronismo.  Imagine a tensão de controle que está presente no pino 11 (que vem do potenciômetro) como um valor de tensão contínua constante (digamos que o eixo do potenciômetro se encontra imóvel em uma posição qualquer). por menor que seja esta diferença. o ganho do amplificador é altíssimo. o comparador de controle compara a tensão da rampa que vem do pino 10 com a tensão de controle que vem do pino 11. • Saídas de disparo:  Internamente ao TCA. Deste modo o capacitor é descarregado abruptamente. ou seja.  Um valor ótimo para calibração da amplitude Vpp da rampa é que o seu valor seja igual a faixa de ajuste da tensão de controle (tensão do potenciômetro – pino 11). sem um resistor de realimentação que limite e determine o seu ganho. provocando o carregamento do capacitor que se encontra externamente conectado ao pino 10. ou seja.  O comparador de controle é um amplificador operacional operando como comparador de tensão cujo principio de funcionamento baseia-se em um amplificador diferencial (um Amp Op é essencialmente um amplificador diferencial que possui duas entradas e a tensão de saída é uma cópia amplificada da diferença entre as tensões de entrada). da rede.  O capacitor começa a se carregar o momento em que é detectada a passagem por zero do sinal de sincronismo.  Nesta nova passagem por zero do sinal de sincronismo o registrador de sincronismo comanda a base do transistor de descarga (ambos se encontram no interior do CI TCA 785). 31 . Desde modo o processo de carga do capacitor automaticamente se reinicia. para que possamos exercer. digamos que o ganho é algo em torno de 10 6. cujo valor deverá ser: 20KΩ ≤ R9 ≤ 500KΩ . conectando-se o pino 6 ao terra (GND). Diagrama Elétrico TCA 785 e Componentes Periféricos: O circuito integrado TCA 785 e seus componentes periféricos (diagrama do módulo produzido pela Probit com alterações: (ver notas)).  Inserindo-se um resistor do pino 13 ao VCC pode-se expandir a largura dos pulsos de disparo na saída A1 e A2 ( barrados). Capacitor do pino 12 ( pF) Largura do pulso (μs) 100 80 220 130 330 200 680 370 1000 550  Pode-se expandir a largura dos pulsos nas saídas A1 e A2 para um valor máximo (com duração de desde de o início do disparo até o fim do semi-ciclo). ascendendo atinja um valor igual ao presente na entrada da tensão de controle.  Para trabalhar com triacs podemos utilizar a saída Z (pino 7). ou seja. Apresentam os pulsos para disparo invertidos. ligando-se o pino 13 ao terra. para cada uma das situações alistadas.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS  Assim a saída do comparador de controle terá um comportamento digital. Figura 44  Os pulsos de saída do comparador de controle comandam a lógica de controle de modo que os pulsos de disparo para os tiristores ocorram nas saídas A1 e A2 no exato instante que ocorre a borda de descida do sinal de comando. no exato instante em que a rampa. são do tipo coletor aberto. ou seja. que é a NÃO-OU de A1 e A2 ( barrados ). 32 .  As saídas A1 e A2 são do tipo seguidor de emissor podendo fornecer até 80 mA. • Definição da largura dos pulsos:  A largura de pulso padrão é de 30 μ s nas saídas A1 e A2. ligando-se o pino 12 ao terra. respectivamente.  Inserindo-se um capacitor ao pino 12 pode-se expandir a largura dos pulsos para disparo nas saídas A1 e A2. nível lógico 1 ou nível lógico 0. limitado para 1.5 mA.  Pode-se expandir a largura dos pulsos de A1 e A2 ( barrados 0 para um valor máximo (com duração que vai desde de o início do disparo até o fim do semi-ciclo). • Habilitação das saídas:  As saídas podem ser inibidas.  No semiciclo positivo o pulso para disparo é enviado através da saída A2 (pino 15) e no semiciclo negativo através da saída A1 (pino 14).  Saídas A1 e A2 ( barrados ): Pino 4 e pino 2 respectivamente. necessitando de um resistor para VCC e de baixa potência. . para 120 k. . não necessariamente estabilizada.PINO 14 → Saída de pulso positivo no semiciclo positivo.25Vef)/R9 V10 = (1..Temperatura ambiente .25tVef )/(R9C10) Diagrama de tempos do TCA 785: 33 .PINO 09 → Potenciômetro de ajuste de rampa ( 20<R9>500K).1V estabilizado. .I.Tensão de Alimentação .PINO 13 → Controla a largura dos pulsos de saídas 14 e 15.PINO 16 → Alimentação CC.PINO 11 → Entrada de Tensão de controle (nível/CC).PINO 03 → Saída de pulso positivo.PINO 05 → Entrada de Sincronismo (diodos em antiparalelo).PINO 02 → Saída complementar do pino 15.Corrente de consumo (sem carga) . Dados técnicos de operação . . . que por ventura venham a decorrer da inversão da polaridade da fonte externa de alimentação.PINO 04 → Saída complementar do pino 14.PINO 15 → Saída de pulso positivo no semiciclo negativo.PINO 01 → Terra.PINO 07 → Saída em coletor aberto para acionar Triacs.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 45 (1) Incluído para evitar danos ao C. . uma vez que a saída da fonte regulada de 3. (2) Alterado de 22 k. . em coletor aberto.Freqüência de trabalho .PINO 10 → Capacitor de formação de rampa (C10 ≤ 0.1v. . . é usualmente usada realimentando a entrada da tensão de controle (via POT1).I. em coletor aberto.PINO 08 → Fornece 3. .). .PINO 12 → Controla a largura dos pulsos de saídas 14 e 15.PINO 06 → Inibe todas as saídas (quando aterrado).5μF ). .Tensão de controle (pino 11) . para permitir ajustes do topo de rampa para valores menores que 3. .Tensão de rampa CC 08 a 18 V 10 a 50 Hz 0° a 70° 02 a 15 V 05 a 10mA I10 = (1. . em coletor aberto. Funções resumidas pino a pino: . .1v (disponível no pino 8 do C.Corrente de carga . ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 47 Circuito de Acoplamento dos Sinais de Disparo: Como não convém que as saídas dos pulsos de disparos (pinos 14 e 15 do CI) sejam ligadas diretamente aos gates dos tiristores da unidade de potência. Os transistores Q1 e Q2 atuam como acionadores do transformador de pulso. com enrolamentos construídos sobre um núcleo de ferrite de formato toroidal (anel circular fechado). o qual limita a elevação da tensão no coletor do transistor Q1 (ou Q2). Assim sendo os transformadores de pulso TR1 e TR2 provêm uma isolação galvânica entre o delicado circuito de comando de disparo e o circuito de potência. excitando o enrolamento do primário sempre que entram em condução. o qual pode estar manipulando mesmo correntes de até centenas de ampéres. no momento do corte. O diodo D2 (ou D6) atua. o qual prove o atributo de alta velocidade para a indução eletromagnética. como um circuito grampeador. juntamente com o diodo zener DZ1 (ou DZ2). O diagrama completo do circuito de acoplamento entre as saídas de pulsos do CI e os terminais de gate dos tiristores é dado a seguir: 34 . tendo-se assim um acoplamento indutivo. O transformador de pulso é um transformador especial. 49 mostra um circuito de polarização para o TCA 785. 35 .49 – Circuito de polarização para o TCA 785 Para garantir a condução do tiristor. aplica-se um trem de pulso (e não apenas um pulso) após o instante α. A figura 50 mostra a inclusão do oscilador 555 que gera um trem de pulso a partir do ângulo de disparo α.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 48 A fig. uma vez que. sugerido pelo fabricante e baseada nas características elétricas do componente. dada a natureza indutiva da carga o tiristor não conduza no exato instante de disparo α. Fig. a partir da região P+. Princípio de funcionamento A estrutura do IGBT é similar à do MOSFET. Os modernos componentes não apresentam problemas relativos a este elemento indesejado. em princípio semelhante à dos transistores bipolares. ou seja. permitindo operação em dezenas de kHz. A construção do dispositivo deve ser tal que evite o acionamento deste tiristor. 36 . Sua velocidade de chaveamento. O controle de componente é análogo ao do MOSFET. a qual relacionase à região do gate do tiristor parasita. Em termos simplificados pode-se analisar o IGBT como um MOSFET no qual a região N. nos componentes para correntes na faixa de algumas dezenas de Ampéres. Também para o IGBT o acionamento é feito por tensão. conclui-se que um IGBT não suporta tensões elevadas quando polarizado reversamente. Os IGBTs apresentam um tiristor parasita.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Fig. uma vez que J1 está diretamente polarizada. especialmente devido às capacitâncias associadas à região P. como se vê na figura 51. Esta maior condutividade produz uma menor queda de tensão em comparação a um MOSFET similar. A máxima tensão suportável é determinada pela junção J2 (polarização direta) e por J1 (polarização reversa). pela aplicação de uma polarização entre gate e emissor. mas com a inclusão de uma camada P+ que forma o coletor do IGBT. tem crescido nos últimos anos. Como J1 divide 2 regiões muito dopadas.50 – Circuito de disparo do TCA que gera trem de pulso a partir de α IGBT IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) O IGBT alia a facilidade de acionamento dos MOSFET com as pequenas perdas em condução dos TBP.tem sua condutividade modulada pela injeção de portadores minoritários (lacunas). os quais podem ser: • De meia onda. Características de chaveamento A entrada em condução é similar ao MOSFET. indo até 1200V/500A. no entanto. sendo um pouco mais lenta a queda da tensão Vce. • Em Ponte Semicontrolada. Assim. tais portadores devem ser retirados.Estrutura básica de IGBT. especialmente para os IGBTs têm se ampliado rapidamente em função do intenso trabalho de desenvolvimento que tem sido realizado. as lacunas presentes em N+ recombinam-se com muita rapidez. 37 . por difusão. as perdas em condução dos TBPs e dos IGBTs são sensivelmente menores que as dos MOSFET. ficando. apressando a extinção da carga acumulada na região N-. tipicamente entre: 100V/200A e 1000V/20A. uma vez que isto depende da chegada dos portadores vindos da região P+. forem substituídos por tiristores. passa-se a trabalhar com cargas que exijam maior potência. Tais limites. Outro importante critério para a seleção refere-se às perdas de potência no componente. o que não é possível nos IGBTs. Alguns critérios de seleção entre transistores Um primeiro critério é o dos limites de tensão e de corrente. Já os TBP e IGBT atingem potências mais elevadas. devido ao acionamento isolado. Desta forma. No entanto. Em freqüências mais baixas. Para o desligamento. qualquer dos 3 componentes podem responder satisfatoriamente.refluam. Se num retificador trifásico todos os diodos (ou ao menos três deles). na qual a taxa de recombinação é bastante mais elevada do que na região N-. resultarão em circuitos retificadores controlados. em detrimento dos TBP. fazendo com que. as lacunas existentes na região N. Nos TBPs isto se dá pela drenagem dos portadores via base. seu uso tem sido crescente. Como regra básica: em alta freqüência: MOSFET em baixa freqüência: IGBT Retificadores Controlados Trifásicos Introdução: Deve-se optar por retificadores trifásicos controlados a medida que precisando-se manipular a tensão na saída do retificador (VCMED). possibilitando o restabelecimento da barreira de potencial e o bloqueio do componente. aplicações em alta freqüência (acima de 50kHz) devem ser utilizados MOSFETs.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 51 . A solução encontrada foi a inclusão de uma camada N+. Como o acionamento do IGBT é muito mais fácil do que o do TBP. • Em Ponte Totalmente Controlada. Os MOSFET possuem uma faixa mais reduzida de valores. Note que para uma carga resistiva pura a faixa de comando deve se restringir de α=0º até α=150º. quando a respectiva fase deixa de ser positiva com relação ao neutro. esse tipo de circuito é empregado para suprir alimentação para motores de CC. tendo assim a inconveniência de saturar mais facilmente o núcleo do transformador. A figura a seguir representa na parte escura a faixa de comando para carga indutiva. 38 . Figura 52 A análise será feita para uma carga altamente indutiva. a corrente continua a fluir no tiristor no sentido direto. conduzindo a corrente a partir de uma das fases. Apenas para cargas indutivas o disparo pode ser retardado até o momento em que a respectiva fase passe a ser mais negativa dentre as três fases. Mas devido ao tempo de duração da comutação do tiristor não é tecnicamente recomendável que os disparos ocorram muito próximos de θ=180º.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Retificador Trifásico Controlado de Meia-Onda: É denominado também de retificador controlado em estrela e de retificador trifásico controlado unidirecional pois todo retorno de corrente é feito pelo neutro. por força da reação da carga altamente indutiva. uma vez que normalmente. assim a faixa de comando vai desde α=0º (que corresponde a θ=30º) até α=180º (que corresponde a θ=210º). A chamada faixa de comando de um retificador controlado é a faixa dentro da qual o disparo cíclico dos tiristores pode ser ajustado. pois existe sobre os respectivos tiristores tensão positiva para que o mesmo possa permitir fluir uma corrente direta de valor igual ou superior a corrente de manutenção (I H) para o tiristor. após θ=180º. Cada um dos tiristores poderá ser disparado a qualquer instante. mas somente a partir do momento que ocorre o ponto de comutação natural (ex. Por esse motivo se faz necessário ajustar o início dos disparos no circuito de comando de disparo.: θ=30º para a fase R) ou seja. e a corrente direta já não é mais possível. Vale lembrar que. é bom que se reserve uma pequena margem de segurança. apesar da tensão ser negativa. Apenas um dos tiristores estará em condução de cada vez. que atrasa a corrente em relação à tensão. momento em que a fase relacionada se torne a mais positiva dentre as três fases e que pode ser visto no gráfico da figura a seguir como sendo o momento da intersecção entre duas fases (T e R). em seguida pela resistência de carga e prosseguindo retorna pelo neutro para o transformador. neste caso temos que o comando esta permitindo retificar 100% da tensão possível. passando pelo valor 0 V em α=90º (θ=120º). o valor da tensão média varia de um valor máximo positivo em α=0º (θ=30º) até um valor máximo negativo em α=180º (θ=210º). para carga resistiva. Já para cargas indutivas. sendo que em α=90º. Se todos os tiristores. T3 e fase 3 (T). • Para a fase 2 (S) � α = 0º quando θ = 150º. três pulsos de tensão retificados na carga. assim teremos no intervalo total de 360º. o valor da tensão contínua média pode ser dado pela expressão: Para cargas indutivas. • Para a fase 3 (T) � α = 0º quando θ = 270º. e. o instante mais tarde é α=180º (θ=210º). daí o fato da tensão média ser igual a zero. a corrente fluirá pela fase 1 (R). forem disparados em α = 0º. ou seja. a porção negativa da forma de onda de VCMED é igual à porção positiva. 10. Fato semelhante ocorre para os demais tiristores e para as demais fases. Disparando-se o tiristor T1 em um momento qualquer dentro da sua faixa de comando. no exato instante da comutação natural. Neste caso. obtém-se a máxima tensão contínua. cada qual em sua própria faixa de comando. respectivamente T2 e fase 2 (S). passando pelo tiristor T1.2.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Assim o instante mais cedo para que um tiristor seja disparado é o instante da comutação natural. Já o instante mais tarde possível é teoricamente quando α=150º (θ=180º). onde: • Para a fase 1 (R) � α = 0º quando θ = 30º.1 Operação: O valor médio da tensão na carga varia em função do ângulo de disparo α. 39 . A seguir é apresentada uma figura representando a forma de onde de V CMED para α=90º. a potência tem um comportamento similar ao da tensão sendo que: • De α=0º até α=90º ela é positiva. e o retificador está enviando energia da rede para a carga indutiva (motor) e. Figura 53 - 40 . quase CC pura. não sendo possível a reversão do sentido da corrente. quando se trata de uma carga altamente indutiva.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Embora. para cargas indutivas. como a potência é o produto da tensão pela corrente. Como a corrente. tenhamos uma porção da forma de onda da tensão sobre a carga negativa. pois temos o motor em processo de frenagem. devolvendo energia para a rede elétrica através do retificador. a corrente apresentará um comportamento contínuo. pois os tiristores só conduzem em um sentido. então. • De α=90º até α=180º a potência é negativa. considerando que se tem uma carga altamente indutiva na saídas do retificador. e. A corrente é ainda quase constante. para cargas indutivas. é praticamente constante. α=0º no instante do período da CA em que um diodo no lugar do tiristor assumiria a condução natural. a corrente de saída do retificador é praticamente constante. no instante em que a fase em que o mesmo está ligado (R) se torna a mais positiva dentre as três fases. cada tiristor será disparado duas vezes. No entanto como nenhum tiristor da parte superior da ponte poderia conduzir sem que um tiristor da parte inferior conduza juntamente. ou seja. para a fase S. que está ligado à fase (S) que ora é a mais negativa dentre as três fases. No entanto pode operar igualmente como retificador. ou seja.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Retificador Trifásico em Ponte Totalmente Controlado: Este circuito é de grande importância devido ao seu largo emprego em acionamentos de máquinas CC. Figura 55 - 41 . pela carga e retornando por T6. mas a tensão é dependente do ângulo de disparo. Figura 54 A cada período de 360º. Observe o diagrama a seguir: Primeiramente o tiristor T1 é disparado (G1) em α R=0º. É composto de seis tiristores e difere parcialmente de funcionamento em relação ao retificador unidirecional devido à ausência de conexão com o neutro. Assim teremos corrente vindo da fase R. O instante de comutação natural (θ =30º) é a referência para o ângulo de disparo (α = 0º). devolvendo energia da carga para a rede. transmitindo energia da rede à carga ou como inversor. Alimentando um motor CC. incluindo máquinas de maior porte. disparase então também o tiristor T6 (G6). passando por T1. uma vez definido um valor para o ângulo de disparo α. A seguir é apresentada uma forma de onda representado a forma de onde de VCMED para os tiristores disparados em α=0º e com carga puramente resistiva. assim. passando por T1. e por falta de corrente de manutenção T6 corta automaticamente. por gerar pulsos de disparo longos.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Decorridos 60º. ocorre da fase T se tornar mais negativa que a fase S. Assim. cada tiristor é disparado uma única vez em cada período da CA. o tiristor T1 sofreu dois disparos. pela carga e retornando por T4 à fase T. Simultaneamente. devendo para isso ser considerada a fase (R. seguindo essa lógica. um novo pulso de disparo é dado em T1 (G1) para garantir que na troca de caminho de T6 por T2. positivo ou negativo. sendo que a corrente em seu gate é sustentada até após que haja a troca de seu “parceiro condutor”. esse valor é adotado para todos os tiristores. Repare que. e que cada tiristor e mantido em condução por dois intervalos consecutivos de 60º de duração cada. Mas repare que os tiristores possuem diferentes referências para α=0º. S ou T) a qual o tiristor está ligado e também a qual semiciclo. Uma outra técnica de disparos. automaticamente faz com que T1 corte. dispara-se o tiristor T2 (G2). Ex: o tiristor T1 conduz por 120º. Em ambos os casos. um dado tiristor usa diferentes “parceiros condutores”. assim. O tiristor T1 não mais sofrerá disparos até que se termine totalmente o atual ciclo da CA. T1 não deixe de conduzir. Em cada um dos dois intervalos de 60º que lhe compete conduzir. Figura 56 - 42 . um inicial em α=0º e outro de garantia em α=60º. Com T3 disparando. Repare que no instante em que a fase S se torna mais positiva (α S=0º) que a fase R. ou seja há sempre dois tiristores conduzindo conjuntamente. evita a necessidade da re-ignição. Agora temos corrente vindo da fase R. Simultaneamente a re-ignição de T2 é feita para garantir a manutenção de sua condução. a cada 60º um par de tiristores é disparado. O disparo de T2 provoca tensão reversa em T6. T3 será disparado (G3). de duração maior que 60º. sendo que os primeiros 60º a condução ocorre em conjunto com o tiristor T6 e os 60º restantes a condução ocorre junto com o tiristor T2. o mesmo está associado. a partir da referência (α=0º comutação natural) ou seja. para cargas indutivas. devolvendo energia para a rede elétrica através do retificador. podendo o disparo (e isso apenas para cargas altamente indutivas) ser retardado para ocorrer no máximo até o momento em que a respectiva fase passe a ser mais negativa dentre as três fases. então. a potência tem um comportamento similar ao da tensão sendo que de α=0º até α=90º ela é positiva. ou seja. Como a corrente. e a corrente direta já não é mais possível. tem-se que. momento da intersecção entre duas fases. Figura 57 Para os limites teóricos de carga.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Cada um dos tiristores poderá ser disparado a qualquer instante. e o retificador está enviando energia da rede para a carga indutiva (motor) e de α=90º até α=180º a potência é negativa. como a potência é o produto da tensão pela corrente. Note que para carga resistiva pura a faixa de comando deve se restringir de α=0º até α=120º. pois temos o motor em processo de frenagem. e. para carga puramente ôhmica e para carga puramente indutiva. a interdependência entre o valor da tensão contínua (V CMED) e o ângulo de disparo (α) pode ainda ser indicada com relativa facilidade: CONVERSOR CA / CC 43 . assim a faixa de comando vai desde α=0º até α=180º. quando a respectiva fase deixa de ser positiva com relação à fase do outro tiristor que está conduzindo em conjunto. é praticamente constante. instruções para mudarmos os rumos de nossos atos. sejam estes voluntários (decide vestir um agasalho quando sente frio) ou involuntários (é o hipotálamo que controla a temperatura corporal Homeostase no corpo humano). pois os nossos sentidos (visão. permanentemente. em quanto a variável manipulada deve variar de valor e se variará aumentando ou diminuindo. • Outra a qual chamamos de sinal de referência. Malhas de Controle de um Conversor CA/CC Regulado Introdução: O conceito de controle é bastante antigo e utilizado a todo o instante pelo ser humano. Todo trabalho de um sistema de controle consiste em. Tomemos como exemplo um conversor CA/CC. o qual pode ter os seguintes comportamentos: • Se a diferença é zero (erro igual a zero). paladar) nos fornecem a todo instante. A esta diferença chamamos de sinal de erro. audição. buscar e manter a condição estável. tato. Comparando estas duas informações obtém-se a diferença aritmética entre elas. percebemos que em todo o momento estamos fazendo um controle das nossas atividades. • Se a diferença é diferente de zero. Conversores cuja freqüência operacional é definida pelo próprio conversor são chamados de autocontrolados. que é um sinal provindo de um sensor que informa o estado atual (valor atual) da variável que o sistema está controlando (variável controlada). 44 . e a isso chamamos de condição estável do sistema de controle. Se analisarmos nossas atividades do dia-a-dia. então o comparador produz em sua saída uma informação que significa de que maneira a variável de saída final do controlador (variável manipulada) deve responder. ou seja.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Os quatro tipos básicos de conversão de energia são mostrados abaixo: Figura 58 A conversão de corrente alternada em corrente continua com valores de tensão fixos tanto na entrada quanto na saída do conversor estático pode ser conseguida com diodos retificadores. isto ocorre porque a variável controlada tem o valor atual igual ao valor desejado. ou seja. que é um sinal preestabelecido ajustado para informar o valor desejado para a variável controlada. teremos o chamado conversor controlado pela rede. a fim de buscar estabilizar novamente o sistema. Caso a amplitude e a freqüência da tensão alternada em retificadores ou inversores for definida pela rede. que são denominados retificadores não controlados. na forma como o conhecemos até o presente e momento: • A unidade de potência é constituída de componentes controláveis. Com retificadores controlados pode-se obter de uma tensão alternada constante uma tensão contínua variável de zero até um valor máximo. tiristores do tipo SCR. olfato. significa que existe erro. Os sistemas de controle automático artificiais funcionam sob esse mesmo princípio: eles recebem em sua entrada duas informações: • Uma que chamamos de sinal de realimentação. para que haja um sistema de controle. os quais retornam informações da planta para o controlador. ou seja. por um taco-gerador. Já para evitar sobrevelocidade é necessário monitorar a velocidade real através de uma realimentação fornecida. por exemplo. Figura 59 - Sistema de Controle: Consiste num conjunto de elementos interligados em malha fechada. controlá-la! Um conversor como o descrito acima permite exercer a variação da velocidade de um motor. é necessário que haja no mínimo uma linha de realimentação a partir de um sensor. para evitar o centelhamento entre a escova e o coletor do motor é necessário controlar a corrente de armadura (I A). ou seja. compensações por variações térmicas. isto é. Todavia. através da variação do sinal de referência (potenciômetro). informações estas que são fornecidas por sensores e transdutores. efetivamente. por exemplo. as informações processadas nestes elementos apresentam um único sentido: da entrada para a saída.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS • O circuito de disparo permite o ajuste (variação) do ângulo de disparo em uma ampla faixa de operação. efetivamente controlá-la. isto é. mas sim. não se deseja apenas poder variar a velocidade. Assim. tais como: • Flutuações aleatórias da amplitude da tensão da rede elétrica CA. Sistema de Comando X Sistema de Controle: Sistema de Comando: Consiste em um conjunto de elementos interligados em malha aberta. Isto só é conseguido através da existência de sinais de realimentação. que se varie o valor a tensão contínua média de saída (V CMED). • Variações do conjugado resistente (da carga mecânica do motor). Este circuito poderá com facilidade permitir que se manipule o valor da sua variável de saída final. sem que exista realimentação. num grande número de aplicações industriais. no entanto sem exercer um efetivo controle sobre tal velocidade. da saída para a entrada. como por exemplo. Em um conversor CA/CC que aciona um motor. 45 . • Mas o funcionamento é em um sistema de malha aberta. • E secundariamente outras compensações. não existe um sinal de realimentação que informa o estado atual da velocidade do motor. existe outro fluxo no sentido contrário. além do fluxo de informação no sentido direto: da entrada para a saída. o qual chamamos de realimentação. a qual combata os efeitos da influência de perturbações típicas do sistema. de modo a prover uma compensação automática. mas é importante se notar que: Poder manipular a variável de saída é diferente de se poder. O diagrama a seguir representa genericamente a estrutura de um sistema de controle: Figura 61 - 46 . as quais podem ser até mesmo a razão da existência do próprio sistema.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 60 Enfim. sempre que se deseja mantê-lo sob certas condições esperadas. as malhas de realimentação de regulação e controle são indispensáveis. Malhas de Controle de um Conversor: Estabelece-se um controle sobre um sistema. nas aplicações com máquinas de CC modernas. Denominamos de bloco controlador a associação de um bloco comparador e um bloco regulador. Sendo implementado segundo o diagrama a seguir: Figura 63 O bloco denominado “controle” no diagrama acima engloba os blocos comparadores e os blocos reguladores de ambas as malhas bem como o circuito de disparo dos tiristores.Malha de controle de corrente (i). 47 .Malha de controle de velocidade (n). uma para cada sinal de realimentação. compondo assim múltiplas malhas de controle. . O sistema de controle de um conversor de energia para acionamento de Motor CC é tipicamente composto de duas malhas de realimentação: .ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 62 Sistemas de controle mais complexos podem trabalhar com mais de um sinal de realimentação. os reguladores podem ser implementados por circuitos eletrônicos lineares com o emprego de Amplificadores Operacionais (AOs). Um regulador tipicamente é um bloco que recebe em sua entrada um sinal elétrico. o qual passa a ser apresentado na saída após sofrer instantaneamente uma certa modificação. isto é. que poderá ser: . dinâmico ou combinado. um controlador é constituído de blocos. Dependendo de como os componentes externos são ligados ao Amplificador Operacional. . podendo assumir qualquer um dos infinitos valores possíveis compreendidos entre os limites máximo e mínimo da zona diferencial. Tipos de Ação dos Reguladores: Em termos de circuitos eletrônicos. Entretanto. onde se destacam os blocos denominados de reguladores. englobando um total de seis possíveis tipos de ação. Sistema de Controle Automático Contínuo: Os sistemas de controle automático em malha fechada normalmente apresentam um controlador cuja saída varie continuamente. . . Um comparador também pode ser provido por um amplificador operacional. eles definirão o tipo de ação do regulador.Ação proporcional (P) – controle estático. • Aplica um determinado “tipo de ação” com um determinado “sentido” ao sinal resultante (função do regulador).Ação derivativa (D) – controle dinâmico. A modificação sofrida pelo sinal original é determinada pelo tipo de ação e pelo sentido da ação empregada pelo regulador. os mesmos reguladores podem também constituir-se por algoritmos implementados em software que rodam em microcontroladores.Ação Integral (I) – controle dinâmico. Do ponto de vista didático esta é uma opção que propicia uma visão bastante interessante para prover conhecimento sobre os reguladores.Ação composta (PI – PD – PID) – controle combinado. Dependendo da forma como a informação de erro é processada. Em nossos ensaios práticos utilizaremos um equipamento de funcionamento puramente eletrônico linear baseado em Amplificadores Operacionais.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 64 Cada malha de controle possui pelo menos um comparador e um regulador com a função de: • Realizar a operação de comparação entre os sinais de referência e de realimentação (função do comparador). podemos dispor de um sistema de controle estático. implementado no modo de amplificador diferencial e com ganho unitário. Assim o bloco comparador produzirá em sua saída um 48 . Geralmente. É comum trabalhar-se com percentagem – de 0 a 100 % . ao receber em sua entrada um sinal de erro enviado pelo comparador. Um regulador de ação proporcional que trabalhe com um único sinal de entrada. O valor real da variável controlada (sinal de realimentação) é denominado “Process Value”. ou CO. a qual pode ser direta ou reversa e existem reguladores de diferentes sentidos de ação para todos os tipos de ação Esse regulador pode ser constituído por um amplificador operacional (AO) que. A este sinal chamamos de sinal de erro (ε). responde imediatamente acionando os estágios de saída visando re-estabilizar o sistema. utiliza-se controladores de propósito geral. nada mais é do que um AO configurado como amplificador inversor. seu sinal de saída pode ser entregue diretamente ao elemento final de controle. Já ao sinal de saída do controlador denomina-se “Controller Output”. A saída de um regulador de ação proporcional pode assumir qualquer valor compreendido entre os limites mínimo e máximo da zona diferencial. cujo ganho é negativo e que fornece uma saída de valor VS = 0V no ponto quiescente: Figura 65 - 49 . sendo que sua saída pode assumir qualquer valor compreendido em os valores mínimo e máximo de saída (zona diferencial). Em instrumentação. Um bloco controlador pode entregar o seu sinal de saída para um próximo estagio de bloco controlador. segundo a fórmula: O ganho de um regulador pode ser positivo ou negativo. empregando-se a sigla “SP”. Sua resposta não inclui variáveis dependentes de tempo. Os reguladores feitos a partir de amplificadores operacionais muitas vezes trabalham com fonte de alimentação simétrica (V+ e V-). caso que acontece quando se tem um sistema com múltiplas malhas de controle (controle em cascata). Nestas aplicações o sinal de referência é comumente denominado de “Set-Point”. ou ser entregue a um circuito que converta a resposta linear em pulsos de comutação. como é o caso do conversor que enfocaremos. operando na região linear (sem saturar o amplificador) Circuito Regulador de Ação Proporcional ( P ): O regulador de ação proporcional (P) produz um sinal de saída de amplitude proporcional ao sinal de entrada (sinal de erro = ε). cuja sigla é “PV”.ao se referir ao valor do sinal de saída de um regulador. O sinal do ganho define o “sentido da ação” do regulador. Se o controlador for o último estágio.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS sinal cuja tensão corresponde à diferença algébrica das tensões presentes na entrada. ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Em caso de haver múltiplos sinais de entrada, a configuração do AO é de um amplificador somador: a saída é sempre proporcional à somatória das entradas: Figura 66 Algumas literaturas de instrumentação usam ainda o termo banda proporcional ao invés de ganho. A banda proporcional, expressa em percentagem, é o inverso do ganho: Caso o sinal de erro exceda a banda proporcional , o regulador satura (a saída fica limitada em um dos dois extremos da zona diferencial). Isso ocorre tanto para erros positivos como para erros negativos, os quais sejam excedentes. O ponto quiescente (VS = 0V) corresponde a um valor de saída de 50%, ao passo que, desta forma o regulador tem condições de corrigir erros simetricamente, tanto elevando a saída, até um limite máximo de 100%, quanto reduzindo a saída, até um mínimo de 0%, com V S variando, por exemplo, de +10V até -10V, respectivamente. Controladores de ação puramente proporcional somente podem ser utilizados em processos que permitam um reposicionamento manual do valor desejado (do sinal de referência ou Set-Point), pois desta maneira consegue-se eliminar o erro residual que pode ser provocado por sucessivas mudanças de carga. Circuito Regulador de Ação Integral ( I ): Os reguladores de ação integral ( I ), são considerados de ação dinâmica (contínuos) pois o sinal de saída dos mesmos é uma função do tempo de permanência da variável de entrada (ε). O sinal de saída de um regulador de ação integral é proporcional à integral do sinal de erro (ε), ao longo do tempo de integração (TI). Sua fórmula é: A figura ao lado demonstra para um regulador I de ação direta, como diferentes valores da constante de integração (KI) produzem diferentes valores de resposta de saída (S) em função do tempo, 50 ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS para o surgimento repentino um sinal de erro (ε) fixo. Devemos observar que nos casos reais a situação de sinal de erro constante pode ser obtida por manter-se a malha de realimentação aberta 1: Observa-se que quanto maior for a constante de integração (K I), tanto menor será o tempo total da integração, tornando-se assim, a variação propiciada ao sinal de saída, uma variação de inclinação mais ascendente. Essa comparação de diferentes constantes de integração é feita para um mesmo sinal de erro. A integração se inicia no instante que surge o erro, ou seja, em t 0. O sinal de saída também pode ser caracterizado como sendo a somatória das áreas contidas sob a forma de onda do sinal de entrada em cada instante (definição de integral), dando como resultado uma rampa, a qual pode ser obtida eletronicamente com um circuito regulador integrador com AO, que tem como princípio a constante de tempo de carga e descarga de um circuito RC série. Figura 67 A presença de um bloco regulador integrador em um sistema provoca uma reação mais lenta na resposta, pois ao aparecer uma tensão de erro na entrada, a tensão no capacitor sai do zero e vai se ajustando gradativamente de acordo com a constante de tempo. Com exceção do sinal que provém direto de um potenciômetro de ajuste de referência, que deve sofrer uma integração para evitar variações bruscas do potenciômetro por parte do operador, em controles normalmente não se usa reguladores com ação somente integral, pois isso significaria se querer tão somente um controle de atuação lenta. Normalmente a ação integral (I) é utilizada em composição com a ação proporcional (P) formando uma atuação - PI, ou ainda uma composição que inclua ação proporcional e derivativa - PID. (1) Note que em malha fechada, como um sistema de controle de fato normalmente trabalha, a forma de onda seria diferente da apresentada, pois à medida que a saída vai se alterando para mais devido ao erro, ocorre que a variável controlada por sua vez irá se estabilizando. Isso afeta o próprio sinal de erro que conseqüentemente vai se tornando cada vez menor. Como conseqüência a ascendência da rampa do sinal de saída também vai se tornando cada vez menos acentuada, formando uma curva logarítmica e o próprio erro tende a se tornar uma rampa que retorna a zero. Circuito Regulador de Ação Derivativa ( D ): Os reguladores de ação derivativa ( D ), também são considerados de ação dinâmica, sendo o sinal de saída do regulador é proporcional à velocidade de variação do sinal de erro na entrada. Sua fórmula é: Esse tipo de bloco regulador também é constituído por amplificador operacional, e, dentro da faixa de variação do erro, pode produzir correções antes que o erro se torne demasiadamente grande. O circuito do bloco regulador derivativo básico é mostrado a seguir: 51 ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 68 A presença de um regulador derivativo em um sistema torna a resposta do sinal de saída abrupta (a resposta corresponde a um tranco). Este tipo de regulador não é usado separadamente, pois a saída deste regulador apresenta sinal de saída zero tanto na situação em que o sinal de erro seja realmente zero, quanto na situação em que o sinal de erro permanece constante por um longo tempo. Nos sistemas de conversão regulada CA/CC para acionamento de motores, devido a características próprias do sistema, o qual geralmente não pode levar trancos, o controle derivativo, mesmo que combinado com algum outro tipo de ação, seja PD ou PID, é normalmente evitado. O regulador de maior relevância para o nosso tipo de aplicação é o PI (Proporcional Integral). Circuito Regulador de Ação Proporcional-Integral ( PI ): Este modo de controle é resultado da combinação entre os modos proporcional e integral. Sua formula consiste na combinação das equações que definem a ação integral e a ação proporcional: Figura 69 A curva resultante consiste na somatória da curva proporcional com a cutrva integral, fazendo com que o erro retorne a zero. Note que a componente proporcional tem a mesma forma, porem invertida, em relação ao erro. A principal vantagem deste modo de controle composto PI, é a relação de correspondência ponto a ponto entre o erro e o sinal de saída, definida pela ação proporcional, juntamente com a ausencia da 52 que passa a ser compensado pela ação integral.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS necessidade de reposicionamento (típico do controle P) devido ao erro residual. Quando cessa o sinal de erro na entrada. vemos que no instante em que aparece o sinal de erro na entrada. este é então mais comum de ser encontrado. possibilita a operação estável da máquina nas condições de degraus de conjugados de carga e na referência de velocidade. em função do tempo de integração. Este modo de controle pode ser utilizado em processos que possuem como característica uma grande variação de carga. pois não haverá erro residual. Malha de Corrente: 53 . Esse nível se mantém na saída devido à carga do capacitor. A diferença de ambos é que o caso da esquerda. A figura a seguir mostra dois exemplos de regulador PI de aplicação industrial. há uma queda na saída. Deste momento em diante o valor da saída continua aumentando enquanto durar o sinal de erro na entrada. coisa que quase sempre não convém. pois isto pode provocar oscilações na variável controlada. Isso já não ocorre no circuito da direita. No entanto é recomendável que estas variações de carga não sejam bruscas. O diagrama funcional e a fórmula do regulador PI baseada nos valores dos componentes do circuito são apresentadas a seguir: Figura 70 Observando as formas de onda do sinal de entrada e saída. possibilitando uma resposta rápida e ótima da máquina a estes distúrbios. Figura 71 O ajuste otimizado dos reguladores de velocidade e de corrente e dos filtros. referente à ação proporcional e mantém-se um desnível que é referente ao tempo de duração do erro ocorrido. ao calibrarmos podemos zerar o valor do potenciômetro e então o regulador se torna de ação puramente integral. a saída responde rapidamente com um valor que é proporcional ao da entrada de erro. ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS É composta de um regulador PI o qual efetua o controle da corrente de armadura (i A) e sua saída atua diretamente sobre o circuito de disparo dos tiristores, o qual por sua vez comanda a unidade de potência, ou seja, o retificador controlado. A regulação é feita pela diferença comparativa entre o valor desejado de corrente, ou seja, o sinal correspondente ao valor de referência (i REF) e o sinal de realimentação de corrente, a qual corresponde ao valor atual da corrente iA, que pode ser fornecido, por exemplo, pela queda de tensão sobre uma carga resistiva de pequeno valor ôhmico, sendo que essa se encontra instalada em série com o enrolamento de armadura do motor. Damos a esta carga resistiva o nome de resistor “shunt”. Há também a possibilidade de se utilizar transformador de corrente (TC) para o sensoriamento da corrente I A. A figura a seguir mostra duas possíveis técnicas de sensoriamento da corrente I A, por resistor “shunt” e por transformador de corrente (TC): Figura 72 - A realimentação da corrente I A a partir de um shunt em série no circuito de armadura, necessita de um amplificador, pois a D.D.P. fornecida pelo shunt é da ordem de milivolts, mesmo quando temos corrente nominal no motor e mesmo que esta corrente seja da ordem de muitas dezenas de ampères. Faz se necessário também prover uma isolação galvânica entre o shunt e o conversor, isto é, é desejável uma isolação galvânica entre a armadura, que trabalha com centenas de volts, e o circuito de controle, onde se encontram os reguladores e circuito de disparo, feitos com circuitos integrados. Esta isolação pode ser provida por um acoplador ótico. Caso utilizemos uma realimentação de corrente provida por um transformador de corrente (TC), a isolação galvânica é provida pelo próprio TC, que tem princípio de funcionamento baseado em acoplamento indutivo. Temos uma forma de onda pulsante no primário do TC, apesar do alisamento da corrente provocado pela alta indutância do motor. Isso garante a devida indução no secundário, sendo necessário um circuito retificador após o TC, para entregar um sinal de tensão contínua para o regulador. A saída do regulador da malha de corrente produz um sinal de tensão que atua diretamente no controle do circuito de disparo dos tiristores (no caso, é a tensão de controle do CI TCA 785), provocando variação no ângulo de disparo (α) e conseqüentemente manipulando o valor da tensão média (V CMED) presente na saída do retificador controlado a qual é aplicada ao motor, provocando e determinando a magnitude da corrente de armadura (iA). VCMED e IA, por sua vez, definem a velocidade de operação: Esta relação é verdadeira se considerarmos um motor que tenha intensidade de fluxo (�C) constante (é o que ocorre com os motores de imã permanente, como é o nosso caso), e o motor deve possuir ainda carga mecânica constante. 54 ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Podemos, portanto, no regulador de corrente, limitar a velocidade máxima (n MAX) e a velocidade mínima (nMIN) de operação do motor, pelo ângulo de disparo mínimo (α MIN) e o ângulo de disparo máximo (αMAX) fornecido pelo circuito de disparo, ou seja, pelo nível máximo e mínimo do sinal fornecido pelo regulador de corrente Malha de Velocidade: A malha de velocidade (n), assim como a de corrente (i), compõe-se de um regulador do tipo PI, que controla a velocidade a partir do comando de referência (valor desejado), comparando-a com a realimentação vinda do taco gerador (valor atual). Na comparação resulta a diferença entre ambas. Essa diferença é o erro (ε). Na saída do comparador PI, a tensão é proporcional a esse erro. Visando proteger o motor e o conversor contra condições anormais de operação, como por exemplo, ausência do tacogerador, o que faria com que o regulador forçasse a corrente no motor ao extremo, a saída do regulador PI de velocidade está submetida ao regulador PI de corrente, que estará estabelecendo para proteção do sistema um limite de corrente máxima na saída do conversor. Tacogerador Aplicações e Construção: O tacogerador é projetado para ser aplicado no servocontrole de máquinas operatrizes de controle numérico, de acionamento de máquinas têxteis, aceleradores, freio de elevadores, comando e regulagem para ajustes finos que dependem da variação da velocidade e outras aplicações que requerem velocidade contínua e extremamente controlada. O tacogerador fornece um sinal de tensão contínua correspondente ao valor real da velocidade da máquina elétrica a qual ele está acoplado. O tacogerador possui ímãs permanentes no estator, com a função de produzir um campo magnético. No rotor bobinado é gerada uma tensão contínua de amplitude proporcional à rotação e de polaridade que depende do sentido de giro. Existem tacogeradores os quais possuem flange e eixo com chaveta, sendo o seu acoplamento realizado com uso de acoplamento flexível, sendo que para isso os motores CC devem possuir sempre a ponta de eixo apropriada para acoplar o tacogerador, muito embora em carcaças maiores possa ser necessário utilizar um arrastador como prolongamento do eixo. Os eixos do tacogerador e da máquina em que ele for acoplado devem formar absoluto paralelismo e concentricidade, para não transmitir vibrações ao tacogerador. Nos tacogeradores deste tipo a tampa traseira deverá ser montada de forma que o cabo de ligação saia da parte inferior, para assim evitar penetração de líquidos. Estes tacogeradores, devido à característica dos ímãs permanentes utilizados em sua construção, não deve ser desmontado, pois ao retirar-se o rotor de dentro do estator os ímãs se desmagnetizam parcialmente e o tacogerador não mais fornecerá valor nominal de tensão. Alguns destes tacogeradores possuem caixa de ligação e pés. Outros tacogeradores são de eixo oco, sendo seu rotor instalado sobre um prolongamento cônico do eixo da máquina a qual é acoplado. A sua carcaça possui um encaixe para fixação na tampa traseira da máquina onde é acoplado. O material magnético dos ímãs é AlNiCo estabilizado, que não se desmagnetiza ao se desmontar ou montar o tacogerador. Colocação em Funcionamento e Manutenção do Tacogerador: Antes da montagem, girar o rotor normalmente e verificar se está livre de esforços estranhos à máquina, pois isto impediria a boa marcha do rotor. Antes da partida, verificar se os cabos de saída, parafusos e porcas, estão firmemente ligados. As escovas devem assentar-se perpendicularmente ao comutador, mover-se livremente no portaescovas e ter bom contato com o comutador, qualquer corpo estranho ou pó das escovas deve ser removido. O tacogerador deve ser tratado com cuidado na manutenção ou instalação, pois é um instrumento de medição e como tal é sensível a batidas e vibrações excessivas. Uma inspeção regular em intervalos dependentes das condições de serviço é o melhor meio para evitar paradas custosas e reparos demorados. O tacogerador deve ser mantido livre de pó das escovas e eventual penetração de qualquer material estranho. O bom estado do comutador é fundamental para o bom comportamento do tacogerador. Por isso, é importante a sua observação periódica. O comutador deve ser conservado livre de óleo e os sulcos entre as lâminas devem ser mantidos limpos. 55 ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Uma coloração marrom escura ou levemente negra revela um bom funcionamento do comutador. Se a superfície está basicamente lustrosa ou áspera, então provavelmente ha algum problema com o tacogerador. Se a superfície está coberta por uma pátina negra espessa, ela deve ser removida por meio de lixa d’água n.º 220, ou por meio de pedra-pomes artificial. Após um período de 2500 horas de funcionamento contínuo, recomenda-se a inspeção nas escovas, terminais, etc., eliminando eventual acúmulo de pó de carvão proveniente das escovas. Deve-se remover as escovas das portas-escovas e limpá-las, para assegurar que se movam livremente. Tacogeradores normais utilizam 4 escovas de eletrografite e tacogeradores especiais, para alta linearidade de tensão de saída utilizam escovas de prata-grafite. No mesmo tacogerador não devem ser instaladas qualidades distintas de escovas. Quando gastos 2/3 do comprimento das escovas, estas devem ser substituídas. Antes de introduzi-las nos porta-escovas, elas devem ser lixadas de forma a arredondar sua extremidade na periferia, assim tangenciando corretamente o comutador. As escovas são encaixadas no porta-escovas e pressionadas por meio de mola helicoidal, sendo fixadas através de travas. Externamente possuem uma tampa protetora. Nos tacogeradores por acoplamento flexível, em hipótese alguma o rotor deverá ser desmontado, pois isso provocaria a desmagnetização parcial dos imãs. Portanto, o serviço somente poderá ser feito na fábrica ou em assistente técnico credenciado para tacogeradores. Nos tacogeradores os rolamentos utilizados têm lubrificação permanente, desta forma não necessitando de manutenção. Em caso de desgaste, quebra, etc., deve ser substituído por um novo. Circuitos de compensação de temperatura para tacogeradores são constituídos por dispositivos eletrônicos e comportam-se como circuitos resistivos. Sabendo-se que a resistência varia linearmente com a temperatura, este circuito mantém a tensão de saída constante mesmo quando ocorre variação da temperatura ambiente. São montados sobre os terminais do porta-escovas dos tacogeradores, aonde recebe e compensa o sinal de tensão vindo do comutador. Figura 73 - Rampa de Controle de Aceleração e Desaceleração: A energia do sistema mecânico que o motor movimenta, incluindo, quando for o caso, o próprio redutor acoplado ao seu eixo, definem um tempo chamado de tempo de resposta do sistema (Tempo de Inércia). A aceleração ou a desaceleração só pode ser obtida em tempos iguais ou maiores do que o tempo de inércia, mas nunca menores. Para controlar esse tempo, inclui-se ao controle, mais precisamente na entrada do regulador de velocidade, um gerador de rampa de inclinação proporcional ao degrau de tensão gerado pela atuação do potenciômetro da referência (nREF). Isso pode ser obtido pela inclusão de um circuito integrador simples entre o sinal da referência de velocidade (nREF) e o regulador PI de velocidade. Este recurso garante partidas, acelerações e desacelerações suavizadas, evitando trancos e solavancos. Otimização do Controle: 56 ou seja com o menor intervalo de tempo para estabilização e sem grandes oscilações em torno do valor final. por corresponder de fato a um menor intervalo de tempo para a estabilização final do sinal. sub-amortecido (1).ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Otimizar o sistema consiste em se ajustar os reguladores para que se obtenha uma resposta ótima. Todo sistema de controle pode se comportar segundo a figura a seguir. uma perfeita estabilização. pois a falta de um dos dois ganhos equivale ao excesso do outro: 57 . ou seja. Figura 74 A colocação do motor na velocidade desejada (ou otimização do sistema). Deve haver após um breve intervalo de tempo. Os ganhos devem ser ajustados em comprometimento um com outro. ou seja. consiste em se ajustar os reguladores de corrente e de velocidade de modo a obtermos uma resposta ótima do sistema.Excesso de ganho integral provoca sobre-amortecimento. De fato a situação considerada normalmente ótima é o caso da situação 3. temos a curva de aceleração do motor em um tempo menor possível. sobre-amortecido (2). com precisão e estabilidade.Excesso de ganho proporcional provoca oscilação e sub-amortecimento. o amortecido. pois o sinal de saída não se estabiliza. A cada mudança de velocidade solicitada. A velocidade obtida é função da magnitude dos dois tipos de ganho: o integral e o proporcional. No caso de falta de ajuste pode ocorrer: . ou seja. amortecido (3) e oscilatório (4). . Já a situação 4 é de todas a mais indesejável. deve esta ser executada pelo motor sem que a velocidade do mesmo oscile em torno do valor de referência. permanecendo em oscilação. motor e carga). dos métodos de Ziegler-Nichols com suas variações mais modernas. ao mesmo tempo em que estas informações devem ser suficientes para possibilitar um ajuste adequado do controlador. Métodos de Ziegler-Nichols: Vários métodos de ajuste de controladores PID são conhecidos e utilizados na prática de sistemas de controle contínuo. que fornecerá a resposta do sistema. no entanto mais costumeiramente em alguma forma modificada. Estas fórmulas foram determinadas de maneira empírica por meio de ensaios de processos industriais típicos. Os métodos de Ziegler-Nichols foram introduzidos já em 1942 e hoje são considerados clássicos. De uma forma simplificada. se necessário for. 58 . a quantidade adequada de informação a ser obtida do processo deve ser selecionada de forma a obter um compromisso entre simplicidade e desempenho do controlador. tendo seus campos de aplicação definidos em função destas: • O método da resposta ao salto é simples e direto. o ajuste pela alocação dos pólos dominantes e o ajuste por método da resposta em freqüência. em alguns casos. para facilitar o ajuste. só aplicável a sistemas com tempos muito curtos. mesmo em sua forma original. • Já o método do período crítico.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 75 Para proceder-se o ajuste deve-se levar em consideração o tempo de cada etapa do sistema. ou seja. porém a implementação do ensaio com relé no qual este método está baseado é menos prática e direta. Estes métodos continuam a ser largamente aplicados até hoje. basta recorrer a fórmulas extremamente simples para calcular os ganhos do controlador. O sucesso destes métodos na prática industrial de ajuste de controladores PID deve-se essencialmente ao fato de que eles obtêm um compromisso adequado entre desempenho e simplicidade. ou seja. podemos reduzir o nosso controle a dois reguladores: um de corrente e um de velocidade. é menos limitado. ou método do período crítico. ou método do domínio do tempo. se comparado com o método da resposta ao salto. baseado em informações que podem ser obtidas para qualquer processo. costuma-se colocar um registrador na saída do taco-gerador. • Já o método da realimentação por relé. e diferem no que diz respeito à natureza da informação sobre a dinâmica do processo que é exigida por cada um deles: • O método da resposta ao salto. utilizando-se um método adequado para ajuste de reguladores. Cada um destes métodos requer algum tipo de informação sobre a dinâmica do processo a ser controlado e a natureza desta informação é que caracteriza cada um destes métodos. os quais poderão ser posteriormente pesquisados para maiores detalhes. ajustam-se os ganhos dos reguladores até obter-se a resposta desejada. deve ser possível obter estas informações a partir de ensaios simples sobre o processo. e. e também comentados o ajuste pelo método do período crítico (também Ziegler-Nichols). é pouco preciso devido a sua sensibilidade a ruídos e seu caráter gráfico. requer o conhecimento de duas grandezas que caracterizam a resposta ao salto de um processo. um traçador de gráfico que registra o comportamento da variável controlada. o que está ligado diretamente ao circuito de disparo. A seguir é apresentado o método da resposta ao salto. Uma vez obtidas estas informações. Aplicações de cada método: Cada um dos métodos apresentados acima apresenta vantagens e desvantagens. exige o conhecimento de duas grandezas características da resposta em freqüência do processo. No “start-up” do sistema (conversor. mas isso é muito raro. A tensão de saída do último regulador. Pode-se. Logo. através desta informação. Os dois métodos básicos de ajuste de Ziegler-Nichols visam obter uma mesma resposta pré-especificada para um dado sistema em malha fechada. no entanto. chega a ponto de estabilizar. após um tempo se as condições de carga e de rede ficarem estáveis. bem como se as referências de corrente desejada (se houver) e de velocidade desejada (i REF e nREF) se mantiverem. A fim de obter um método prático de ajuste. limitado pela sua própria simplicidade. recorrer à aplicação de uma ação derivativa de reguladores. Ajuste Fino Resposta em Freqüência Ajuste Manual Obtenção do Modelo Complexidade Projeto - do Método da Resposta ao Salto: O procedimento normal no ajustamento dos parâmetros por este método. os quais podem ser uma função de transferência. Estas informações são usualmente dadas na forma de modelos. bem como o projeto em si. Alto Desempenho. Robustez. - Processos não Oscilatórios. Alocação de Pólos Flexibilidade. nos quais a etapa de projeto consiste em aplicação simples de fórmulas prontas. Alto Desempenho. Desempenho. ao contrário dos métodos de Ziegler-Nichols que não são baseados em modelos. Robustez. consiste na abertura da malha para que não haja realimentação e na obtenção da sua resposta a uma variação da referência do tipo salto.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Os ajustes obtidos a partir destes ensaios simples são muitas vezes suficientes para processos industriais. Por outro lado. no entanto existem aplicações em que maior precisão e desempenho são exigidos. o desempenho que pode ser obtido por um projeto mais criterioso utilizando estes modelos é bastante superior àquele obtido por meio dos outros métodos. Processos Sem Atraso Significativo. Nestes casos é preciso basear o ajuste em uma maior quantidade de informação sobre o processo. Eletromecânicos. Sist. Processos Genéricos. ou de um diagrama de resposta em freqüência. A resposta típica de um processo industrial a um salto unitário na sua entrada é apresentada na figura a seguir: 59 . Com Baixos Requisitos de Desempenho. Processos Simples. Método Resposta ao Salto Vantagens Desvantagens Aplicações Simplicidade Período Crítico (modif. A obtenção de tais modelos requer certo grau de conhecimento teórico e pode ser bastante trabalhosa. Sensibilidade a Ruído. Desempenho.) Simplicidade. o ponto em que a taxa de variação da resposta é máxima. Esta resposta pode ser caracterizada por dois parâmetros: o atraso aparente (L) e a constante de tempo (T). Em função destas características. Enquanto a rejeição a perturbações muitas vezes apresenta um comportamento satisfatório. A Tabela a seguir apresenta fórmulas que proporcionam uma resposta mais adequada. outras fórmulas foram propostas e diversas modificações sobre o método são utilizadas. Ziegler e Nichols propuseram as seguintes fórmulas para cálculo dos parâmetros do controlador a partir dos parâmetros (L e a): As fórmulas originalmente propostas por Ziegler e Nichols fornecem uma resposta que foi posteriormente considerada insatisfatória. Os parâmetros são dados então pela interseção desta reta com os eixos coordenados. ou seja. Estes parâmetros são obtidos traçando uma reta tangente à curva de resposta no seu ponto de inflexão. 60 .ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 76 A resposta deverá ter uma forma em S (em situação contrária o método não é aplicável). conforme indicado na Figura. Os valores nesta Tabela foram determinados de forma empírica de forma a obter uma resposta com amortecimento de 1/4 na resposta à referência para processos industriais típicos. Diferentes fórmulas foram então propostas com base nos mesmos ensaios. este amortecimento usualmente não é satisfatório na resposta à referência. sendo neste caso necessário normalizar o ganho integral equivalente dividindo-o pela amplitude deste salto. obtendo-se assim um melhor desempenho. Um salto de amplitude diferente da unidade pode ser usado. causando em muitos casos um “overshoot” excessivo e baixa tolerância a variações na dinâmica do processo. ao invés de ser submetido a transição brusca. ajustável conforme a aplicação. Estes equipamentos eletrônicos vem assumindo significativamente o lugar de sistemas previamente desenvolvidos. Consultar a Tabela determinando valores para o gango proporcional (Kp). dos seguintes passos: 1. para a constante de integração (Ti) e para a constante derivativa (Td). Por outro lado. Um dos mais claros exemplos são os sistemas de acionamento para motores de indução. 3. seja ele residencial ou industrial. apresentada anteriormente. uma técnica que tornou-se muito utilizada na atualidade. Está claro que este método limita-se a plantas cuja resposta pode ser razoavelmente aproximada pela forma da figura da característica da resposta ao salto do processo. em grande parte representados por sistemas eletromecânicos. por exemplo. Sistemas tipicamente oscilatórios. Funcionamento A chave de partida a estado sólido consiste de um conjunto de pares de tiristores (SCR’s) na configuração anti-paralela ou combinações de tiristores/diodos para cada fase do motor. largamente utilizado em quase todos os segmentos. principalmente levando em consideração conceitos e tendências voltados a automação industrial. particularmente em aplicações com baixa relação sinal-ruído. consegue-se manter 61 . 2. Anotar o valor da saída e de sua taxa de variação neste instante de tempo. portanto.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS O método da resposta ao salto consiste. Ainda assim. Este comportamento é. o método baseia-se em identificação de formas de onda. chamado de partida suave (soft-starter). O ângulo de disparos de cada par de tiristores é controlado eletronicamente para aplicar uma tensão variável no motor durante a aceleração. 5. 4. o método é adequado para grande número de processos industriais. No final do período de partida. Olhando para o passado podemos claramente perceber o quanto estas técnicas tem contribuído para este fim. SOFT-STARTER Introdução Com a crescente necessidade na otimização de sistemas e processos industriais. Em particular neste capítulo nós iremos analisar e avaliar. Encontrar o instante de tempo em que a taxa de variação da saída atinge o seu valor máximo. o que pode ser problemático na prática. a tensão atinge um valor pleno após uma aceleração suave ou uma rampa ascendente. algumas técnicas foram desenvolvidas. Registrar a resposta ao salto do processo. como ocorre com o método de partida por ligação estrela triângulo. muitas vezes. Com isso. as chaves de partida suave (soft-starters). Calcular o atraso aparente (L) e o ganho integral equivalente (a). não se enquadram nesta categoria. Na figura 77 temos um gráfico da curva característica de torque e corrente do motor com partida suave: Figura 77 – Curva característica de torque e corrente. COMPARATIVO ENTRE OS MÉTODOS DE PARTIDA Figura 78 - 62 . também. motor com soft-starter 1 – Corrente de Partida Direta 2 – Corrente de Partida com Soft-Starter 3 – Conjugado com Partida Direta 4 – Conjugado com Soft-Starter 5 – Conjugado da Carga Além da vantagem do controle da corrente durante a partida. a chave eletrônica apresenta. Este é um dos pontos fortes das chaves eletrônicas.). como nas chaves eletro-mecânicas. etc. como recurso adicional. cabos.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS a corrente de partida próxima da nominal e com suave aceleração. Ainda. pois sua vida útil é mais longa. assim como dos componentes e acessórios (fusíveis. como desejado. a soft-starter apresenta a possibilidade de efetuar a desaceleração suave para cargas de baixa inércia. a vantagem de não possuir partes móveis ou que gerem arco elétrico. contatores. A seguir faremos uma análise mais atenciosa de cada uma das partes individuais desta estrutura. ou melhor. Circuito de Potência Este circuito é por onde circula a corrente que é fornecida para o motor. a soft-starter controla a tensão da rede através do circuito de potência. onde variando o ângulo de disparo dos mesmos. suas proteções e os TC´s ( transformadores de corrente ). conforme uma programação feita anteriormente pelo usuário. variamos o valor eficaz da tensão aplicada ao motor.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Partida Suave (Soft-Starter) Vantagens: • Corrente de partida próxima a corrente nominal • Não existe limitação no número de manobras/hora • Torque de partida próximo do torque nominal • Longa vida útil pois não possui partes eletromecânicas móveis • Pode ser empregada também para desacelerar o motor Desvantagens: • Maior custo na medida em que a potência é reduzida. e tem como função fazer a proteção dos SCRs contra dv/dt. 63 . constituído por seis SCRs. o circuito de potência e o circuito de controle. É constituído basicamente pelos SCR´s . Esta estrutura é apresentada na figura 79 da página seguinte: Figura 79 – Bloco diagrama simplificado da soft-starter Como podemos observar na figura acima. que é comandada através de uma placa eletrônica de controle. o funcionamento das soft-starters está baseado na utilização de tiristores ( SCR´s ). Como já foi abordado anteriormente. já que notamos nitidamente que podemos dividir a estrutura acima em duas partes. a fim de ajustar a tensão de saída. de uma ponte tiristorizada na configuração anti-paralelo. • Os transformadores de corrente fazem a monitoração da corrente de saída permitindo que o controle eletrônico efetue a proteção e manutenção do valor de corrente em níveis pré-definidos (função limitação de corrente ativada). • O circuito RC representado no diagrama é conhecido como circuito snubber. uma tensão eficaz gradual e continuamente crescente até seja atingida a tensão nominal da rede. sendo assim. Abaixo iremos descrever algumas das mais importantes destas funções: • Rampa de tensão na aceleração As chaves soft-starters tem uma função muito simples. que é através do controle da variação do ângulo de disparo da ponte de tiristores. Alguns fabricantes ainda produzem alguns modelos com controle analógico. Tanto o valor do pedestal de tensão. respectivamente.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Circuito de Controle É no bloco de controle que estão os circuitos responsáveis pelo comando. e de tensão de partida (pedestal). implicando que o motor não produza nenhum conjugado na carga que por sua vez. A melhor aproximação poderá ser alcançada através do cálculo do tempo de aceleração do motor. a soft-starter leva a tensão de saída instantaneamente a zero. gerar na saída da mesma. Principais Características e Funções Além das características mostradas anteriormente as soft-starters também apresentam funções programáveis que permitirão configurar o sistema de acionamento de acordo com as necessidades do usuário. sinalização e interface homem-máquina que serão configurados pelo usuário em função da aplicação. até que toda energia cinética seja dissipada. bem como os circuitos utilizados para comando. A equação abaixo nos mostra matematicamente como expressar esta forma de energia : 64 . monitoração e proteção dos componentes do circuito de potência. como por exemplo : sistema de acoplamento. Atualmente a maioria das chaves soft-starters disponíveis no mercado são microprocessadas. irá perdendo velocidade. Não existe uma regra prática que possa ser aplicada para definir qual deve ser o valor de tempo a ser ajustado. atuação da função de limitação de corrente. Podemos observar este efeito através do gráfico da figura 80: Figura 80 – Rampa de tensão aplicada ao motor na aceleração Temos que observar que. Na parada por inércia. • Rampa de tensão na desaceleração Existem duas possibilidades para que seja executada a parada do motor. quando ajustamos um valor de tempo de rampa. etc. momento de inércia da carga refletida ao eixo do motor. quanto o de tempo de rampa são valores ajustáveis dentro de uma faixa que pode variar de fabricante para fabricante. por inércia ou controlada. e qual o melhor valor de tensão de pedestal para que o motor possa garantir a aceleração da carga. mais no sentindo de oferecer uma opção mais barata para aplicações onde não sejam necessárias funções mais sofisticadas. Isto na realidade dependerá das características dinâmicas do sistema motor/carga. totalmente digitais. isto não significa que o motor irá acelerar de zero até a sua rotação nominal no tempo definido por ta (tempo de aceleração). No caso particular das bombas centrífugas é importantíssimo este tipo de parada pois minimiza bastante o efeito do ´´golpe de aríete´´ . comprometendo componentes como válvulas e tubulações. normalmente a soft-starter precisa aplicar no motor uma tensão maior que aquela ajustada na rampa de tensão na aceleração. inclusive o do próprio sistema de acionamento. este irá perder conjugado. Se o motor perde velocidade a carga acionada também perderá. etc. Podemos citar como exemplo bombas centrífugas. 65 . comprometer a definição com relação ao seu uso. é que reduzindo-se a tensão aplicada ao motor. que pode provocar sérios danos a todo o sistema hidráulico. Esta função faz com que seja aplicado no motor um pulso de tensão com amplitude e duração programáveis para que o motor possa desenvolver um conjugado de partida suficiente para vencer o atrito. Este tipo de recurso é muito importante para aplicações que devem ter uma parada suave do ponto de vista mecânico. e assim acelerar a carga. a corrente de partida irá atingir valores muito próximos daqueles registrados na placa do motor ou folha de dados do motor. A perda de conjugado reflete no aumento do escorregamento e o aumento do escorregamento faz com que o motor perca velocidade. transportadores. Podemos observar melhor este tipo de parada na figura 81 na página que segue : Figura 81 – Comportamento da tensão na desaceleração O que acontece neste caso. Deve-se ter muito cuidado com esta função. Como a tensão de partida poderá ser ajustada próximo da tensão nominal. desta forma. Neste casos.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Onde. além da própria bomba. mesmo que por um pequeno intervalo de tempo. • Kick Start Existem cargas que no momento da partida exigem um esforço extra do acionamento em função do alto conjugado resistente.m2) W = velocidade angular (rad/s) Na parada controlada a soft-starter vai gradualmente reduzindo a tensão de saída até um valor mínimo em um tempo pré-definido. por exemplo o compressor. Devemos observar alguns aspectos importantes relacionados com esta função. já que a mesma poderá ser mal interpretada e. K = energia cinética (Joules) J = momento de inércia total (kg. isto é possível utilizando uma função chamada ´´Kick Start´´ . pois ela somente deverá ser usada nos casos onde seja estritamente necessária. A figura 82 nos mostra o gráfico desta função. Figura 83 A limitação de corrente também é muito utilizada na partida de motores cuja carga apresenta um valor mais elevado de momento de inércia. as chaves compensadoras. seja eletricamente ou seja mecanicamente. Não sendo isto de forma alguma fator proibitivo na escolha do sistema de partida. impedindo assim o funcionamento normal de toda a instalação. Normalmente nestes casos a condição de corrente na partida faz com que o sistema de proteção da instalação atue. Esta função faz com que o sistema rede/soft-starter forneça ao motor somente a corrente necessária para que seja executada a aceleração da carga. Ocorre então a necessidade de se impor um valor limite de corrente de partida de forma a permitir o acionamento do equipamento. ou quando realmente ficar óbvia a condição severa de partida.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Isto é claramente indesejável. então neste caso particular é utilizada uma função denominada limitação de corrente. ou mesmo quando for necessário ajustar uma rampa de tensão (para aceleração da carga) de tal forma que a tensão de partida (pedestal) fique próxima aos níveis de outros sistemas de partida. Este recurso é sempre muito útil pois garante um acionamento realmente suave e torna-se ótimo para a viabilização de partidas de motores em locais onde a rede encontra-se no limite de sua capacidade. Desta forma podemos considerar este recurso como sendo aquele que deverá ser usado em última instância. • Pump control Esta função é utilizada especialmente para a aplicação de partida com soft-starter em sistemas de bobeamento. No gráfico abaixo mostramos este tipo de função. pois a utilização da soft-starter nestes casos advém da necessidade de garantir-se uma partida suave. Trata-se na realidade de uma configuração especifíca (pré-definida) para atender este tipo de 66 . Figura 82 – Gráfico da função Kick Start • Limitação de corrente Na maioria dos casos onde a carga apresenta uma inércia elevada. podemos dizer que esta função é a que deverá ser utilizada após não obter-se sucesso com a rampa de tensão simples. Em termos práticos. bem como de toda a indústria. por exemplo. haverá uma redução do conjugado com uma redução de tensão. o ponto de operação passará a ser o ponto A´ . uma rampa de tensão na desaceleração e a habilitação de proteções. Proteções A utilização das soft-starters não fica restrita exclusivamente a partida de motores de indução. pois neste caso estaríamos falando de motores muito sobredimensionados. prejudicial ao sistema como um todo. Por ser um motor onde o conjugado desenvolvido é proporcional ao quadrado da tensão aplicada. São habilitadas também as proteções de seqüência de fase e subcorrente imediata ( para evitar o escorvamento ). a demanda de corrente reduzirá e o ponto de operação se moverá junto à curva para o ponto B. 67 . • Economia de energia Uma soft-starter que inclua características de otimização de energia simplesmente altera o ponto de operação do motor. onde normalmente é necessário estabelecer uma rampa de tensão na aceleração . o ponto de operação será definido pelo ponto A. o que atualmente em virtude da crescente preocupação com o desperdício de energia e redução de custos. Quando a tensão no motor está em seu valor nominal e a carga exige o máximo conjugado para o qual o motor foi especificado. A seguir estão relacionadas as principais proteções que as soft-starters oferecem : • Sobrecorrente imediata na saída Esta função ajusta o valor de corrente que a soft-starter permite fluir para o motor por período de tempo pré-ajustado (via parametrização). quando aplicada aos terminais do motor de modo que a energia necessária para suprir o campo seja proporcional à demanda da carga. isto vem sendo evitado. Esta função. Se a carga diminui e o motor for alimentado por uma tensão constante. é muito difícil encontrar motores operando de tal forma. A rampa de tensão na desaceleração é ativada para minimizar o ´´golpe de aríete´´. pois estas também podem garantir ao motor toda a proteção necessária. Mas. a velocidade (rotação) aumentará ligeiramente. conforme figura 84 a seguir: Figura 84 Em termos práticos pode-se observar uma otimização com resultados significativos somente quando o motor está operando com cargas inferiores a 50% da carga nominal. Normalmente quando uma proteção atua é emitida uma mensagem de erro especifica para permitir ao usuário reconhecer o que exatamente ocorreu.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS aplicação. Caso esta tensão seja devidamente reduzida. A figura 85 mostra o gráfico desta função. Esta função é muito utilizada para a protecao de cargas que não possam operar em vazio ou cargas bem abaixo do seu valor mínimo. sistemas de bobeamento (bombas centrífugas). A figura 86 mostra o gráfico desta função: Figura 86 – Proteção de sobcorrente imediata • Sobrecarga na saída ( Ixt ) Supervisiona as condições de sobracarga conforme classe térmica selecionada parametrização). A figura 87 mostra o gráfico desta função: (via 68 . protegendo o motor termicamente contra sobrecargas aplicadas ao seu eixo.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 85 – Proteção de sobrecorrente imediata • Sobcorrente imediata Ajusta o mínimo valor de corrente que a soft-starter permite fluir para o motor por período de tempo pré-ajustado (via parametrização). por exemplo. ventiladores. • Falta de fase na rede Detecta a falta de uma fase na alimentação da soft-starter e bloqueia os pulsos de disparo dos tiristores. Uma desvantagem dos modelos que são sensíveis a mudança da seqüência de fase. Caso exista. Caso a temperatura do dissipador superar 90º C. enviando um mensagem de erro que será mostrada no display. como exemplo. • Falha nos tiristores Detecta se algum dos tiristores esta danificado. compressores. • Falta de fase no motor Detecta a falta de uma fase na saída da soft-starter e bloqueia os pulsos de disparo dos tiristores. bloqueia os pulsos de disparo dos e envia uma mensagem de erro através do display. etc. • Seqüência de fase invertida Alguns modelos de soft-starters só permitem a operação se a seqüência de fase estiver correta. o termostato irá comutar fazendo com a CPU bloqueie imediatamente os pulsos de disparos dos tiristores. 69 .ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 87 - • Sobretemperatura nos tiristores ( medida no dissipador ) Monitora a temperatura no circuito de potência através de um termostato montado sobre o dissipador de alumínio. Esta proteção pode ser habilitada para assegurar que cargas a inversão do sentido de giro não sejam danificadas ou prejudiquem o processo devido a sua inversão. onde também estão montados os tiristores. é que qualquer operação de reversão deverá ser feita na saída da chave. podemos citar os acionamentos de bombas. M Figura 88 – Diagrama simplificado de um acionamento básico 70 . chave de nível. • Erro de programação Não permite a aceitação da alteração de um valor seja alterado incorretamnte através da porta de comunicação serial. São associados dispositivos de proteção externos para atuarem sobre esta entrada. sondas térmicas.H. etc. • Defeito externo Atua através de uma entrada digital programada (via parametrização). serão bloqueados os pulsos de disparos dos tiristores e será enviada uma mensagem de erro através do display. seja aceito. relés auxiliares. • Acionamento típico Na página seguinte veremos um modelo de digrama no constitui um exemplo de aplicação com acionamento tipicamente configurável nas chaves soft-starers .: Interferência eletromagnética também pode causar a atuação desta proteção. pressostatos. Obs. • Acionamento básico / convencional sugestivo com comandos por entradas digitais a dois fios. leituras e monitoração de status feitos via I. como por exemplo. Caso haja alguma irregularidade. a CPU executa uma rotina de auto diagnose e verifica os circuitos essenciais. Todos os comandos.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS • Erro na CPU (watchdog) Ao energizar-se. imaginemos um circuito formado por um interruptor de ação muito rápida e uma carga que deve ser controlada. ela faz com que o componente usado no controle seja capaz de dissipar elevadas potências. portanto. A maneira tradicional. fontes chaveadas e muitos outros circuitos utilizam a tecnologia do PWM (Pulse Width Modulation) ou Modulação de Largura de Pulso como base de seu funcionamento. mesmo para potências relativamente baixas). conforme mostra a figura 89 abaixo. Além desta perda ser inadmissível. torna-se caro e grande (normalmente reostatos ou potenciômetros de fio. principalmente quando circuitos de alta potência estão sendo controlados. O uso de transistores ou circuitos integrados em um controle mais elaborado. pode ser maior que a própria potência aplicada ao dispositivo. é que a queda de tensão no reostato multiplicada pela corrente que ele controla representa uma grande quantidade de calor gerada. ou mais simples de se controlar uma carga de potência é através de um reostato em série. este tipo de controle de potência linear não é conveniente. Esta potência depende da corrente e da queda de tensão no dispositivo e. Figura 90 – Um reostato eletrônico usando um transistor de potência. sendo requisitadas outras configurações de maior rendimento como as que fazem uso das tecnologias PWM.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS PWM Os controles de potência. inversores de frequência. ou seja. Para entendermos como funciona o PWM. conforme a figura 91 71 . Figura 89 – Controle linear de potência. a potência aplicada a ela. Embora o potenciômetro usado no controle dissipe pequena potência. Desta forma. O controle passa a dissipar (e pedir) mais potência que a aplicada na própria carga em determinadas posições do ajuste. pois a corrente nele é menor. Variando-se a resistência apresentada pelo reostato pode-se modificar a corrente na carga e. Na eletrônica moderna. este tipo de controle ainda tem um problema: a potência dissipada pelo dispositivo que controla a corrente principal é elevada. denominado “linear”. da mesma forma. Este tipo de controle ainda é encontrado nas lâmpadas de painéis de alguns carros mais antigos. pode ser feito conforme ilustra a figura 90 . em certas posições do ajuste. o rendimento com pequenas perdas e a ausência de grandes dissipadores que ocupem espaço é fundamental. conversores para servomotor. A grande desvantagem deste tipo de controle. que ainda varie linearmente a potência aplicada pelo controle direto da corrente. conforme a figura VL (%) t1 = t2 ( 50 % do ciclo ativo ) t t1 t1 Figura 92 A potência média e. a carga recebe a tensão total da fonte e a potência aplicada é máxima. e um intervalo entre pulsos pelo tempo que ele fica aberto. definem o período e. portanto. (t1/t )x 100 = ciclo ativo t T1 t Figura 93 - 72 . A relação entre o tempo em que o pulso e a duração de um ciclo completo de operação do interruptor nos defini ainda o ciclo ativo. teremos metade do tempo com corrente e metade do tempo sem corrente. portanto. 50 % da potência aplicada na carga. conforme mostrado na figura. uma freqüência de controle. como faremos.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS controle CARGA Figura 91 O circuito acima funciona do seguinte modo: quando o interruptor está aberto não há carga e a potência aplicada é nula. em média. Observamos que o interruptor fechado pode definir uma largura de pulso pelo tempo em que ele fica nesta condição. Os tempos juntos. Quando o interruptor é fechado. a própria tensão média aplicada à carga é neste caso 50 % da tensão de entrada. Isto significa que. por exemplo. E se quisermos.? A idéia é fazermos com que a chave seja aberta e fechada rapidamente de modo a ficar 50 % do tempo aberta e 50 % do tempo fechada. Portanto. utilizam-se conversores CC-CC e CC-AC. pois o que se busca na saída é uma tensão alternada. é necessário compará-lo com um sinal de tensão. chamado sinal de referência. Nos conversores CC-CC.Sinal de Portadora. a referência é um sinal de tensão contínuo. Em conversores CC-CA Trifásicos existe a necessidade de utilização de três sinais senoidais defasados de 120°.Tempo Morto Sinal de Referência Para se obter um sinal na saída do acionamento de forma desejada. resultando em um sinal alternado com freqüência fixa e largura de pulso variável. Isso é possível controlando-se a tensão na saída. pois o que se deseja obter é justamente uma tensão contínua na saída do conversor. . que consiste na comparação de dois sinais de tensão.Modulador .Geração de Sinal Complementar . Para isso. Figura 94 – Sinal de referência para um conversor CC-CC Já nos conversores CC-CA o sinal de referência é senoidal.Sinal de Referência. no caso de motores CA. se é desejado uma freqüência de 60Hz na saída. conforme figuras abaixo. . deve-se aplicar um sinal de referência com as mesmas características. conforme figura 94. que seja a imagem da tensão de saída buscada. um de baixa freqüência (referência) e o outro de alta freqüência (portadora).ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Modulação PWM Na maioria das aplicações industriais necessita-se ter variação de velocidade no motor a ser acionado. Os parâmetros da Modulação PWM a seguir estudados. Figura 95 – Sinal de referência para um conversor CC-CA 73 . no caso de motores CC ou controlando-se a tensão e a freqüência. Uma técnica largamente aplicada nesses acionamentos é a modulação por largura de pulso. serão: . é utilizado um sinal dente-de-serra como portadora. conforme figura 98. normalmente utiliza-se como portadora um sinal triangular. A largura do pulso na saída do modulador varia de acordo com a amplitude do sinal de referência em comparação com o sinal portador. Na figura 99 tem-se um exemplo de circuito modulador. 74 . é necessário pelo menos 10 vezes para que se tenha uma boa reprodução do sinal na saída do conversor. Em conversores CC-CC. na ordem de KHz que é responsável pela definição da freqüência de chaveamento e razão cíclica. conforme figura 97.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 96 – Sinais de referência para um conversor CC-CA Trifásico Sinal de Portadora É um sinal de alta freqüência. Figura 97 – Sinal dente-de-serra Já em Conversores CA-CA. Tem-se assim a modulação por largura de pulso – PWM. Figura 99 – Geração de Sinal Modulado. Este sinal será responsável pela freqüência de chaveamento dos interruptores (semicondutores) do circuito de potência do acionamento. Figura 98 – Sinal triangular Modulador É o circuito responsável em comparar o sinal de referência com a portadora. do inglês Pulse Width Modulation. mas na prática. Deve ser no mínimo 2 vezes maior que o sinal de referência (Teorema de Nyquist). pode-se utilizar uma porta lógica NOT. por exemplo. quando Q2 conduz. Figura 101 – Sinal de saída do modulador: Conversor CC-AC Através desses gráficos pode-se concluir que o fator que determina a razão cíclica D é a amplitude da tensão de referência. ou seja. existem dois interruptores (semicondutores) configurados em braço. Em conversores trifásicos. utilizam se 3 moduladores PWM. Geração de sinal complementar O sinal complementar é necessário quando. Q2 está cortado (não está em conduzindo). O acionamento das chaves é feito de maneira inversa. Q1 fica cortado e assim sucessivamente. O sinal complementar consiste em inverter o sinal modulador. quando Q1 conduz. 75 . para um conversor CC-CC. estão demonstradas na figura 100. conforme figura 102. Figura 100 – Sinal de saída do modulador: Conversor CC-CC Na figura 101 podemos ver as formas de onda para um conversor CC-AC.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS As formas de onda nas entradas e saída do comparador. Para isso. um tempo morto Tm (figura abaixo) deve ser introduzido. evitando a queima dos mesmos. é necessário assegurar que dois interruptores de um mesmo braço não sejam acionados ao mesmo tempo.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 102 – Obtenção do sinal complementar Tempo Morto Na configuração de interruptores em braço. garantindo o bom funcionamento e segurança do acionamento. Figura 103 – Circuito típico para a obtenção do tempo morto - + VC C + Figura 104 – Diagrama simplificado do circuito PWM 76 . O tempo morto é medido desde o instante em que um semicondutor comuta para seu estado bloqueado até o instante em que o semicondutor oposto comuta para o seu estado de condução. Para evitar um efeito de curto-circuito no braço do acionamento. já apresentada na figura 8. . Pelas vantagens descritas acima. .C.C.custo inferior . . 77 . Os inversores foram desenvolvidos para trabalhar com motor A C.ausência de escovas comutadoras..ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS V DENTE DE SERRA V NÍVEL DC t t PWM PWM t t Figura 104 – Formas de onda do processo PWM Pulso “estreito” “gerador” de PWM Interface de potência Pulso “largo” Menor potência Carga Interface de potência Maior potência “gerador” de PWM Carga Figura 105 – Circuito simplificado do controle de potência através do PWM INVERSORES DE FREQÜÊNCIA A função do inversor de freqüência é a mesma do conversor C.baixo ruído elétrico . .velocidade de rotação superior. . As vantagens do motor A C. .ausência de faiscamento . são: .baixa manutenção . em relação ao motor D. regular a velocidade de um motor elétrico mantendo o seu torque. A diferença está no motor usado. isto é. as indústrias foram levadas a desenvolver um sistema capaz de controlarpotência ( torque + velocidade ) de um motor A C.. Portanto.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS A fórmula a seguir mostra que a velocidade de rotação de um motor A C. Suponhamos agora que a lógica ligue os transistores 2 a 2 na seguinte ordem: .primeiro tempo : transistores T1 e T4 ligados e transistores T3 e T2 desligados.M. ao variarmos a freqüência de alimentação. Assumindo que o número de pólos de um motor A C seja fixo ( determinado na sua construção ). maior a rotação e vice – versa. Neste caso a corrente circula conforme figura 108 ( A para B ). que gera uma tensão DC. A figura 106 mostra o diagrama em bloco de um inversor trifásico. Figura 107 – Diagrama em bloco de um inversor monofásico Comparando as duas figuras acima. de “inversor de freqüência” . O barramento Dc alimenta os quatro transistores IGBT. 78 . Isto é evidentemente uma aproximação grosseira. Analisaremos agora o inversor monofásico. A Segunda etapa consiste de transistores IGBT e a terceira etapa da lógica de controle. f = freqüência da rede. Figura 106 – Diagrama em bloco de um inversor trifásico A figura 107 mostra o diagrama em bloco de um inversor monofásico. em Hz p = número de pólos do motor.P. vemos que as duas estruturas são praticamente iguais. depende da freqüência da rede de alimentação. o inversor de freqüência pode ser considerado como uma fonte de tensão alternada de freqüência variável. N = 120 * f p onde: N = rotação em R. . porém dá uma idéia pela qual chamamos um acionamento C A . A primeira etapa é o módulo de retificação e filtragem. variamos na mesma proporção sua velocidade de rotação. Quanto maior for a freqüência. temos 8 combinações possíveis. Caso aumentemos a freqüência desses transistores. a tensão na carga ( motor ) passa a ser alternada.segundo tempo : transistores T3 e T2 ligados e transistores T1 e T4 desligados. Na figura 110 os IGBT”s estão representados como chaves. Temos 6 transistores. 79 .ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 108 – Sentido da corrente: A para B . também aumentaremos a velocidade de rotação e vice – versa. de modo a formar uma tensão de saída ( embora quadrada ). e devemos ligá-los 3 a 3. pois em um inversor é assim que eles funcionam. mesmo estando conctada a uma fonte DC. A lógica de controle agora precisa distribuir os pulsos de disparos pelos 6 IGBT’s. porém 6 serão válidas. ( B para A ). Como os transistores operam como chaves ( corte ou saturação ). Figura 109 – Sentido da corrente B para A Ao inverter o sentido da corrente. Observe o sentido da corrente. a forma de onda da tensão de saída do inversor é sempre quadrada. alternada e defasada 120 ° uma da outra. Analisaremos agora o inversor trifásico. .V/2 – V/2 = .ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 110 – IGBT’s como chaves A lógica de controle proporcionará as seguintes combinações de pulsos para ligar ( ativar ) os IGBT’s: .V/2 ) = + V Vtr = . T5 e T4 . T2 . T3 . T3 . Vst e Vtr devem estar defasadas 120 °. T6 . Para o 1 º tempo de chaveamento temos: Vrg = + V/2 – V/2 = 0 Vst = + V/2 – ( . T3 . Analisaremos agora uma das condições acima: .V Analisando os outros tempos teremos a seguinte tabela: Vrs 0 T1 . portanto temos + V/2 e – V/2 como tensão DC. O fato da forma de onda ser quadrada e não senoidal não compromete o bom funcionamento do motor. T6 .1º tempo .4º tempo . T6 . T5 . O barramento DC possui uma referência central ( terra ). portanto essa é uma condição proibida para o inversor.d. T4 .5º tempo . pois ligam todas as fases do motor no mesmo potencial.3º tempo . T3 T4 T5 T6 T1 T2 Vst +V Vtr -V 1° tempo -V +V 0 2° tempo -V 0 +V 3° tempo 0 -V +V 4° tempo +V -V 0 5° tempo +V 0 -V 6° tempo Se colocarmos a tabela acima em diagrama de tempo teremos o gráfico da figura 111.2º tempo .p.6º tempo T1 T2 T3 T4 T5 T6 T2 T3 T4 T5 T6 T1 T3 T4 T5 T6 T1 T2 As possibilidades T1 . T5 . T1 . T2 e T3 estão ligados e os restantes desligados. Para o motor AC funcionar bem as tensões das linhas Vrs . T2 não são válidas. não há energia para movimentar o motor.. 80 . T2 .no 1º tempo T1 . Não havendo d. T4 . colocamos o V/F no maior valor que ele pode fornecer. Isto pode ser visto na curva V/F. Quando um inversor precisa operar em altas rotações e com torques não tão altos. A faixa de variação da freqüência num inversor é de 5 à 300 Hz ( aproximadamente ). A figura 113 mostra um diagrama em blocos de um inversor de freqüência típico. o inversor precisa manter o torque ( conjugado ) constante para não provocar alterações na rotação.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 111 – Formas de onda da tensão Como foi visto. CURVA V / F CONSTAN TE ( FUNÇÃO LINEAR ) 380 V 300 V 50 Hz 60 Hz Figura 112 – Curva tensão x freqüência Quando o inversor necessita de um grande torque. O inversor deve manter constante a razão V/F para que o torque realmente fique constante. 81 . alteramos na mesma proporção a velocidade de rotação do motor. o valor V/F pode ser parametrizado num inversor. melhorando o rendimento em baixas velocidades e um alto torque. e encontraremos o melhor rendimento para essa outra situação. quando o motor estiver com carga. Além de controlar a velocidade do motor AC. porém com velocidade baixa. parametrizamos um V/F menor. se variarmos a freqüência da tensão de saída no inversor. através de uma lógica de controle coerente. Executa a função mais vital para o funcionamento do inversor. Figura 114 – IHM 82 . É neste bloco que todas as informações estão armazenadas. gerando pulsos de disparo. É neste bloco que todas as informações estão armazenadas. 2 º bloco – IHM É através desse dispositivo que podemos visualizar o que está ocorrendo no inversor ( display ). e parametrizá-lo de acordo com a aplicação ( teclas ).10 Vcc Analógico A I/O DIGITAL 1 º D 2 º I H M CPU - 4 º IGBT ’s DI N ~ - ~ W U V M 3~ Figura 113 – Diagrama em blocos de um inversor de freqüência Podemos dividi-lo em quatro blocos principais. para os IGBT’s. e onde também há uma memória integrada a esse conjunto.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS 3 º RS48 5 INTERFACE SERIAL 0 . 1 º bloco – CPU A CPU ( unidade central de processamento ) de um inversor pode ser formada por um microprocessador ou por um microcontrolador. A figura 114 mostra uma IHM típica. A rede elétrica nunca deve ter uma variação maior do que +/. L3 ). Quanto maior o número de recursos que o inversor oferece. Não há inversor que resista. Os principais bornes.10 % em sua amplitude. já que na maioria dos inversores essas entradas podem assumir diversas funções. S e T ( ou L1 . informá-lo em que condições de trabalho ele irá operar. que alimenta ( através de um circuito intermediário chamado “barramento DC” ) o circuito de saída do inversor ( módulo IGBT ). a saída ( normalmente ) vem indicada U . Para se comandar a velocidade de um motor AC ( referência de velocidade ) usa-se um sinal analógico de referência na entrada analógica. deve ser o menor possível. A figura 115 mostra a instalação básica de um inversor. independente do modelo e fabricante. caso possua. 4 º bloco – ETAPA DE POTÊNCIA A etapa de potência é constituída por um circuito retificador. O inversor é comandado por um CNC. maior o número de parâmetros disponíveis. Através de parâmetros de programação podemos programar as entradas digitais para funções específicas. Sempre que possível. Figura 115 – Instalação de um inversor Os terminais identificados como R . O aterramento deve estar bem conctado ao inversor e ao motor. utilizar cabos de comando blindados. Cuidados que devem ser tomados na instalação de um inversor: a) b) c) d) e) f) g) Nunca inverter a alimentação da rede com a saída para o motor. são as entradas digitais e analógicas e as saídas digitais e analógicas. Deve haver ventilação suficiente no inversor. referem-se à entrada trifásica da rede elétrica. Para diferenciar a entrada da rede para a saída do motor. O tamanho do cabo para a interface RS232.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS 3 º bloco – Interfaces A maioria dos inversores pode ser comandada através de dois tipos de sinais: analógicos e digitais através das interfaces digitais e analógicas. Evitar colocar dentro da mesma canaleta ou eletroduto cabos de potência com cabos de comando. Após a instalação do inversor. L2 . VeW. isto é. para que o mesmo opere corretamente. 83 . temos que parametrizá-lo. dependendo da programação realizada nas entradas. Além da potência temos os bornes de comando. O inversor vetorial. c) Freqüência mínima de saída. Ao variar-se a freqüência de alimentação de um motor. i) Tipo de entrada. Ao analisarmos a curva V / F. O inversor vetorial não tem uma curva V / F pré – estabelecida ( parametrização ). O torque é função da corrente de alimentação. o inversor escalar deve estar. Os parâmetros mis usuais são os seguintes: a) Tensão nominal do motor. através do controle da corrente de magnetização ( IM ) e da corrente do rotor ( IR ). deverá manter a curva V / F constante. e o seu valor ideal depende da aplicação. possui circuitos que variam a tensão e a freqüência do motor. proporcionalmente. e) Tempo de partida. essa curva varia de acordo com a solicitação do torque. h) Liberação de alteração de parâmetros. o torque também cai. Na verdade. Figura 116 - 84 . causará problemas na carga acionada. a tensaão de alimentação. As informações básicas para o dimensionamento do inversor são: tensão de entrada ( alimentação ). portanto. para que o torque na carga se mantenha constante. A curva V / F pode ser parametrizada no inversor escalar. A figura 116 mostra a diferença significativa na curva torque x rpm dos dois tipos de inversores. Caso a curva V / F não se mantenha constante. O inversor escalar. na mesma proporção.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Alguns parâmetros básicos são disponíveis em todos os inversores. j) Freqüência de PWM. corrente nominal de trabalho da aplicação. tipo ( escalar ou vetorial ). d) Freqüência de JOG. f) Tempo de parada. vemos que o inversor escalar não pode oferecer altos torques em baixa rotação. o que. o motor funcionará com “ sobressaltos “ de potência. O dimensionamento correto do inversor para a minha aplicação é um fator importante para a vida útil do mesmo. Devo levar em consideração as condições de trabalho em que o mesmo irá atuar. b) Freqüência máxima de saída. e como temos de abaixá-la ( devido a redução da tensão ) proporcionalmente a freqüência. ESCALAR x VETORIAL A diferença entre o escalar e vetorial está na filosofia de controle. g) Tempo de frenagem. pois o torque é função direta da corrente de alimentação. a curva que estabelece a relação entre a Tensão de Saída [V] e Freqüência de Saída [f]. a tensão não pode mais ser elevada e o torque passa a ser reduzido. as quais são aplicadas diretamente aos enrolamentos do estator do motor trifásico assíncrono fornecendo ao motor uma certa relação V/f correspondente. acima disso. de forma efetiva. pode ser parametrizada. O inversor escalar é indicado para partidas suaves. de modo algum. tem a inconveniência de não oferecer altos torques em baixas rotações. Assim. motores especiais devem ser encomendados.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS A figura 117 mostra a diferença na resposta dinâmica entre os dois tipos de inversores. o torque disponível no motor é mantido de certa forma constante devido à relação V/f constante (exceção se faz para velocidades baixas. Esta relação de V/f é fornecida de forma proporcional. não pode mais ser aumentada. no caso do Brasil. manipula-se a variável Tensão de Saída e a variável Freqüência de Saída. operação acima da velocidade nominal do motor e operação com constantes reversões. Operando em freqüências bem baixas o motor se torna muito resistivo (a baixa freqüência degrada a parcela indutiva pois e. igual a 60 Hz) e da tensão nominal de alimentação do motor. Os conversores de freqüência têm a capacidade de elevar a freqüência de saída acima da freqüência de inflexão. por isso para freqüências acima da freqüência de inflexão (acima de 60Hz). tendo alcançado o valor nominal (valor máximo). No modo de controle Escalar (também conhecido como V/f). em aplicações que o usuário deseje velocidades maiores. a qual busca manter a relação f/V em valor constante. mas para freqüências acima da de inflexão (acima de 60Hz). desde a freqüência mínima até a freqüência de inflexão. mas ele busca manter também o torque regulado. 85 . Assim a freqüência mínima costuma ser limitada a 3 Hz. DEGRAU DE TORQUE SOLICITADO PELA CARGA ESCALAR VETORIAL TRANSIENTE DE TORQUE DESPREZÍVEL TRANSIENTE DE TORQUE LONGO O motor vai buscar o novo ponto de trabalho Resposta Dinâmica O inversor vetorial controla diretamente o torque no motor Figura 117 A tecnologia do modo de controle de velocidade do conversor de freqüência escalar. abaixo da qual um conversor escalar não conseguiria desenvolver torque no motor. para qualquer situação de velocidade. Atualmente considera-se que a função de um conversor de freqüência não se limita apenas a regular a velocidade de um motor CA. a relação V/f deixa de ser constante. Também a tensão do motor não deve exceder. portanto este controle possui uma atuação que faz variar a tensão e a freqüência do motor. pois a tensão já tendo atingido o seu valor nominal. a tensão nominal do motor. No conversor de freqüência escalar. a performance do modo de controle de velocidade do conversor de freqüência escalar não mais consegue recuperar o torque. porém os motores comuns podem operar somente até 100Hz. freqüências abaixo de 18Hz o motor nas quais o motor perde torque por se tornar muito resistivo). na verdade o controle atua fazendo com que essa curva varie de acordo com a demanda de torque. por ser um controle em função das variáveis Tensão [V] e Freqüência [f] da alimentação do estator. Por sua vez o conversor de freqüência vetorial não possui uma curva parametrizável. através das variáveis de controle corrente de magnetização (IM) e corrente do rotor (IR). Mas isso somente é possível. até o limite da freqüência de inflexão (freqüência nominal da rede. com conversores de freqüência que disponham de modo de controle vetorial. Figura 118 A queda do torque do motor trifásico assíncrono ocorre devido às características físicas do próprio motor e não devido às características do conversor (a tensão nominal do motor não deve ser excedida). nesse ponto. continuando a aumentar a freqüência (desde que não se aumente a tensão de rede . a faixa de rotação exigida no eixo do motor é de 400 a 2000 rpm e o conjugado exigido nessa faixa é de 14 Nm. lembrando que ainda não conhecemos o modo de controle Vetorial. principalmente em baixas freqüências de saída. O ajuste do escorregamento do motor é feito de modo a forçar o mostrador a apresentar um valor de velocidade mais próximo da velocidade mecânica (velocidade assíncrona). Esta otimização tem por objetivo minimizar o efeito de perda de torque. Por seu lado a potência do motor cresce linearmente com o aumento da freqüência até a freqüência fN (Freqüência Nominal = 60 Hz) chegando. as características do motor e sua aplicação ao Conversor de Freqüência. Compensação do Escorregamento: O mostrador de velocidade apresenta um valor (em rpm) que é relativo à velocidade síncrona (velocidade do campo girante). com objetivo principal de aumentar o torque de partida. IxR e Escorregamento (compensação). sendo responsáveis por: Compensação de Boost: Alteração da curva característica V/f. a fim de compensar as perdas na parcela resistiva do motor. com o aumento da tensão de saída em toda extensão da faixa de freqüência de saída abaixo da freqüência de inflexão. ao valor da potência nominal do motor e a partir daí. Por outro lado.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Em outras palavras. é possível sim se obter sobre-velocidades. com um conversor de freqüência de modo escalar. Os parâmetros Boost. Estes ajustes visam ajustar da melhor maneira possível. mas não sem prejuízo do torque. Compensação IxR: Alteração da curva característica V/f. com aumento da tensão de saída na faixa de freqüência abaixo de 30% da freqüência nominal (abaixo de 18 Hz). Há a possibilidade de ajustes de otimização da curva através de parâmetros. mas como através do modo de controle Escalar não é possível efetuar o controle de torque.alimentação do conversor) a potência do motor permanece a mesma. Vamos imaginar uma situação hipotética onde haja um transportador simples cuja característica é de conjugado exigido constante em toda a faixa de rotação e acima da freqüência de inflexão. 86 . Normalmente são ajustes com valores médios para atender a uma gama de motores. são alguns destes parâmetros de otimização. A maior parte dos conversores de freqüência existentes são pré-ajustados na fabricação. não há a possibilidade de corrigir esse efeito no motor. Há também a possibilidade de se otimizar alguns ajustes e estes podem ser alterados através de software de comunicação PC-Conversor ou por meio de um controle manual acoplado ao conversor de freqüência. é comum um sobre-dimensionamento de até 50% para conversores que acionam cargas da 2ª categoria. Por outro lado. rotação 1720 [rpm] e tensão de alimentação de [V] Potência: Considerar que o torque máximo só é garantido até a rotação nominal.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS 2) Selecionar o motor: Trifásico. Normalmente a corrente nominal é especificada para uma temperatura 87 . até 1720 rpm e com a freqüência nominal de 60 Hz. entretanto. Quando o motor estiver em 2000 rpm. como das necessidades de regime (2ª categoria). A freqüência de chaveamento também influi na corrente nominal do inversor. Conversores de freqüência especificados para acionar cargas da 1ª e 2ª categorias precisam ser razoavelmente sobre-dimensionados. ou seja. o CRE é constante. O inversor deverá ter sempre a sua corrente nominal igual ou maior que a corrente nominal do motor. • Na terceira categoria. o ruído acústico de origem magnética gerado pelo motor é menor. o CRE é diretamente proporcional à velocidade (n). mais forma de onda da corrente de saída se aproxima de uma senóide perfeita e. o CRE é inversamente proporcional à velocidade (n). ele estará em regime de sobre velocidade e como conseqüência o torque estará degradado. daí deve-se avaliar pela sua curva. independe da velocidade (n). • Na segunda categoria. o CRE é diretamente proporcional ao quadrado da velocidade (n). Assim. por isso. com rotor do tipo gaiola de esquilo. é necessário um sobredimensionamento da potência exigida proporcional à sobre-velocidade necessária: 3) Características dos Inversores . Algumas cargas não se enquadram exatamente em nenhuma categoria. a corrente é a principal grandeza elétrica limitante no dimensionamento. a qual categoria ela mais se aproxima. pela corrente do motor.Selecionar o Conversor de Freqüência: As seguintes características devem ser observadas quando for utilizado um inversor de freqüência: Corrente nominal: Por via de regra. O dimensionamento pela potência do motor pode também ser feita. Quanto maior a freqüência de chaveamento do inversor. os conversores são dimensionados mais precisamente. • Na quarta categoria. Deve-se cuidar porque um mesmo inversor poderá ter várias correntes nominais diferenciadas em função do tipo de carga e do comportamento do seu conjugado resistente (C RE) e da freqüência de chaveamento. Número de pólos 4. as perdas no inversor são maiores devido ao aumento na freqüência de operação dos transistores (perdas devido ao chaveamento). tanto em função das exigências da partida (1ª e 2ª categorias). ou seja. Normalmente existem quatro categorias de tipos de carga: • Na primeira categoria. 9 Hz a 69. 4) Escolher a curva de funcionamento do conversor de freqüência. tensão de alimentação de acordo com a rede de alimentação 380[V].4[kW]. e alguma compensação de boost deve também ser requerida. Ver conclusão anterior. veremos um pouco sobre o modelo elétrico do motor de indução ( figura 21 ). Por sua vez. Acima destes valores deverá ser aplicado um fator de redução na corrente nominal. Esta escolha deve levar sempre em consideração o tipo de carga Com cargas da 1ª e 2ª categorias. deverá haver sempre uma compensação IxR bem acentuada.8 Hz: Como o inversor é escalar ( V/f ⇒constante ) o fluxo e por conseqüência o torque se mantém constante para freqüências abaixo de 60 Hz. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM INVERSOR VETORIAL Antes de vermos o funcionamento do inversor vetorial. Para alimentação trifásica deve-se cuidar para que o desbalanceamento entre fases não seja maior do que 2%. A desvantagem da alimentação monofásica é o desequilíbrio de corrente causado na rede de distribuição (trifásica) e a maior geração de correntes harmônicas na rede. Conclusão: Potência do conversor deve ser compatível com a selecionada para o motor 3.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS máxima de 40ºC e uma altitude máxima de 1000m. o fluxo magnético é proporcional a corrente de magnetização do estator. Tensão nominal: A tensão nominal do inversor é a mesma do motor. 5) Determinar a faixa de freqüência de trabalho do motor: 6) Determinar o conjugado fornecido pelo motor na faixa de 13. Até 3cv pode-se ter alimentação monofásica ou trifásica. Com isso feito podemos garantir o torque ≥ 14Nm em toda faixa de operação. uma vez que um desbalanceamento maior pode provocar um grande desbalanceamento de corrente na entrada. Desta forma concluímos que o torque é proporcional a duas correntes: a de magnetização ( IM ) e a rotórica ( IR ). A curva V/f pode ser constante (com freqüência de inflexão em 50 Hz ou 60 Hz) ou pode ser ajustável (com freqüência de inflexão diferente do padrão nominal). 88 . A alimentação do conversor é trifásica para potências acima de 5cv. danificando os diodos de entrada. A figura 22 mostra de que forma o torque é proporcional ao fluxo magnético e a corrente rotórica. No entanto alguma compensação IxR será necessária para não degradar o torque nas freqüências mais baixas. S ). o controle vetorial fornece a corrente correta para o controle de torque do motor I  Figura 121 O inversor vetorial. Ele ainda pode operar em malha fechada ( com encoder para monitoramento da rotação).RPM  F x (  .IM IR Rotor I|= IM + IR . F I | Estator Flux . através do controle dessas correntes ( figura 121 ).Torque   x IR = IM x IR .ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS V. Estrutura de um inversor A figura 122 mostra a estrutura do inversor vetorial vetorial IGB T R S T Encod er M 3  Lógica de controle vetorial Sensor de I Rotação ( malha fechada ) 89 . onde S = escorregamento Figura 120 - | I |= I R IR² + IM²  = tg -1 IR/IM Através da determinação do módulo de defasagem de I. ou em malha aberta ( sem encoder ). Quando está em malha fechada sua precisão é ainda maior. estabelece o acionamento dos IGBT’s de potência. nem toda aplicação é crítica o bastante para o uso do vetorial.torque regulável ( ex: tração elétrica ) Uma observação importante é a de que sempre um inversor vetorial pode substituir um escalar. Apesar disso. mas nem sempre o escalar pode substituir o vetorial.operação acima da velocidade nominal ( ex: furadeiras. Fresadoras ) . A figura 123 mostra um diagrama em bloco de um inversor vetorial 90 .ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS Figura 122 A tabela a seguir mostra as aplicações típicas de cada modelo INVERSOR ESCALAR .partidas suaves ( ex: motores com alta carga de inércia ) .operação com constante reversões ( ex: eixos coordenados de máquina – ferramenta ) INVERSOR VETORIAL .torque elevado com baixa rotação ou rotação zero ( ex: ponte rolante ) .controle preciso de velocidade ( ex: eixo-árvore de máquinas operatrizes ) . c) 2 3 Sintetizador de comando de corrente Sensor de corrente ia sib s E ic s Controlador de corrente Sensor de posição do eixo Processador de torque e fluxo ESQUEMA DE UM INVERSOR REAL 91 .b.ACIONAMENTOS ELETRÔNICOS inversor Velocidade desejada  +  Controlador limitador de velocidade X P I T + iq X- - Link DC Composer ângulo/ amplitude T is  +  Enfraquecimento de campo X  - P I id +  X - 3M ~ Is (a.