ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 19 – Comando e proteção de
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EPO I – Aula 19 – Comando e proteção de tiristores UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 19 – Comando e proteção de tiristores Prof. Leandro Michels, Dr. Eng. [email protected] 1 EPO I – Aula 19 – Comando e proteção de tiristores Características dos SCR reais Característica de comutação - SCR ia ig A vak G K vgk 2 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 19 – Comando e proteção de tiristores Características dos SCR reais Parâmetros de catálogo - SCR 3 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 19 – Comando e proteção de tiristores Características dos SCR reais Parâmetros de catálogo - SCR 4 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 19 – Comando e proteção de tiristores Proteção de tiristores Principais tipos de proteção empregados: 1. Derivada de corrente (dia/dt) 2. Derivada de tensão (dvak/dt) 3. Sobretensão vak 4. Sobrecorrente ia 5. Tensão reversa no gate 6. Tensão máxima de gate 7. Corrente reversa no circuito de comando Prof. Leandro Michels 5 EPO I – Aula 19 – Comando e proteção de tiristores Proteção de tiristores 1. Proteção contra derivada de corrente (dia/dt) Limitação da variação abrupta da corrente na entrada em condução do SCR Pode ser usado para limitação da corrente de recuperação reversa Podem ser ia Vp empregados reatores L > L dia saturáveis (pequenas A bobinas) dt max vp G K Prof. Leandro Michels Indutâncias séries ou parasitas suficientemente altas podem evitar seu uso 6 EPO I – Aula 19 – Comando e proteção de tiristores Proteção de tiristores 2. Proteção contra derivada de tensão (dvak/dt) Limitação da variação abrupta da tensão na saída de condução do SCR (snubber) Exemplo → Carga resistiva (RL) A Rs G K Cs Ds VDRM Cs > dvak RL dt max Rs = VDRM dia dt max Ds → Diodo rápido Quando há comutação forçada recomenda-se sempre utilizá-lo. Prof. Leandro Michels 7 EPO I – Aula 19 – Comando e proteção de tiristores Proteção de tiristores 3. Proteção contra sobretensão (vak) Limitação da tensão máxima sobre o SCR Soluções → Sobredimensionamento, snubber, varistor ou combinações destas Melhor solução → varistor (MOV) A vp G K VP < VMOV < VDRM Vs Quando há comutação forçada recomenda-se sempre utilizá-lo. 8 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 19 – Comando e proteção de tiristores Proteção de tiristores 4. Proteção contra sobrecorrente (ia) Limitação da corrente máxima circulando no SCR Soluções → fusível, disjuntor, relé de sobrecorrente Fusível → proteção contra curto-circuito (tipo ultra-rápido específico para a aplicação) ia A vp G K I 2t fusível < I 2t SCR Disjuntor, relé → proteção contra sobrecarga I bk disjuntor < I a max SCR 9 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 19 – Comando e proteção de tiristores Proteção de tiristores 5. Proteção contra tensão reversa de gate (vgk) Limitação da tensão negativa aplicada a junção vgk A Vgkmin (típico) > -5V G K vgk Vgk > Vgk min Recomenda-se empregar sempre este diodo 10 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 19 – Comando e proteção de tiristores Proteção de tiristores 6. Proteção contra tensão direta de gate (vgk) Limitação da tensão positiva máxima aplicada a junção vgk (grampeamento) A Vgk < Vz < Vgk max Vgk (típico) > 0.7V G vz K vgk Vgkmax (típico) > 6V Caso seja usado este diodo zener, não é preciso empregar outro diodo entre K e G 11 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 19 – Comando e proteção de tiristores Proteção de tiristores 7. Proteção contra corrente reversa no circuito de comando (ig<0) Impede que exista uma corrente negativa circulante pelo circuito de comando quando o tiristor está bloqueado A ig Ig > 0 G K Recomenda-se empregar sempre este diodo (rápido) 12 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 19 – Comando e proteção de tiristores Disparo de tiristores Os tiristores (SCR) podem ser disparados das seguintes formas: 1. Corrente de gatilho Ig (usada) 2. Sobretemperatura (indesejada) 3. Sobretensão (indesejada) 4. Degrau de tensão (indesejada) 5. Luz ou radiação (por vezes usada → LASCR) 13 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 19 – Comando e proteção de tiristores Disparo de tiristores Disparo por corrente de gatilho Ig Somente comuta quando Vak>0 Tensão de gate para disparo Vgk=Vgk tip (típico 0.7V) ia ig A vak G K vgk Vgk>Vgk min para evitar danificação (Vgd min<0V) Corrente de gate para disparo Ig>Igt min até a corrente Iak>IL 14 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 19 – Comando e proteção de tiristores Disparo de tiristores Disparo por corrente de gatilho Ig A ig vak G vd Rg v gk K Vd > I gm Rg + Vgkm Vgk < Vgk max I g < I g max 15 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 19 – Comando e proteção de tiristores Disparo de tiristores Disparo por corrente de gatilho Ig A Rg Cgk G Rgk K Resistor Rgk • aumenta a capacidade de degrau de tensão (dv/dt) • reduz o tempo de desligamento • aumenta as correntes de retenção e de manutenção Resistor Cgk • aumenta a capacidade de derivada de tensão (dv/dt) • remove componentes de ruídos de alta freqüência Prof. Leandro Michels 16 EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Prof. Leandro Michels, Dr. Eng. [email protected] 1 EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de comando de tiristores Os circuitos de comando de tiristores, em malha aberta, são compostos pelos seguintes sub-circuitos: Circuito de ataque Circuito de sincronismo baseado em tensão da rede Circuito de geração de pulsos Fonte de alimentação CC 2 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de comando de tiristores Fonte Carga Diagrama de blocos: Fonte CC Sensor de tensão Set-point Sincronismo Geração de pulsos P/ gate dos tiristores Ataque 3 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de ataque Propósito do circuito: Amplificar os pulsos de comando oriundo do estágio de geração de pulsos Propiciar o isolamento adequado entre o circuito de geração de pulsos e o tiristor (nem sempre é necessário) Ter característica de fonte de corrente, pois o comando do tiristor é sensível a corrente Impedir que tensão negativa seja aplicada no tiristor 4 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de ataque Duração dos pulsos de gate: Com carga resistivas, pulsos curtos (10μs) são suficientes para disparar o tiristor Para cargas indutivas, a corrente de gate deve ser mantida até que a corrente de anodo atinja o valor da corrente de retenção IL Para carga fortemente indutiva, deve ser respeitada a relação: LI L Δt ≥ E 5 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de ataque Os pulsos de gatilho podem ser pulsos longos ou uma seqüência de pulsos curtos (quando o circuito de ataque usa transformador de pulso) 6 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de ataque Isolação: Necessária quando os anodos dos tiristores estão submetidos em algum instante de tempo a tensões diferentes vT1 100V 100V v T1 T2 0V i1 100V 100V T2 iL 100V 0V 0V vT3 T3 0V vT4 0V T2 e T3 → Conduzindo Prof. Leandro Michels T1 T2 T2 iL I 100V vT3 0V 100V 100V 0V 100V i1 100V 100V T4 100V v vL I 0V vT1 T3 0V vT4 vL 0V T4 0V T1 e T4 → Conduzindo 0V 7 EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de ataque Isolação: T1 e T2 → Não necessita de isolação dos gates entre si Neste exemplo: vT1 T1 vT2 T2 iL i1 I vT3 T3 vT4 T4 T1 e T3 → Necessita de isolação dos gates entre si vL T1 e T4 → Necessita de isolação dos gates entre si T2 e T3 → Necessita de isolação dos gates entre si T2 e T4 → Necessita de isolação dos gates entre si 8 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de ataque Circuito típico (isolado) • Deve ser usada uma seqüência de pulsos curtos na entrada Prof. Leandro Michels 9 EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de ataque Circuito típico (isolado) Tp → Transformador de pulso: isolar o sinal de comando com tensão três vezes superiores a tensão do tiristor. Emprega-se núcleo de ferrite com baixa dispersão (existe dispositivo pronto no mercado) D1, Dz → Desmagnetização do núcleo do transformador T1 → Amplificação de vG (opera em modo comutado) D3 → Proteção do circuito de comando D2 → Proteção do tiristor contra tensão reversa 10 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de geração de pulsos Principais tipos: Circuito com comando vertical → baseado na comparação de uma dente de serra (gerada pelo circuito de sincronismo) com uma tensão proporcional ao ângulo de disparo vC vG vR ⎧0, vC > vR vG ( t ) = ⎨ ⎩1, vC ≤ vR 11 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de geração de pulsos Circuito com comando horizontal → baseado na comparação de uma dente de serra (gerada pelo circuito de sincronismo) com uma tensão proporcional ao ângulo de disparo vR vG α α ⎧0, vR < 0 vG ( t ) = ⎨ ⎩1, vR ≥ 0 12 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de geração de pulsos Conversão do pulso longo em uma seqüência de pulsos curtos → Operação lógica E do pulso gerado com uma forma de onda quadrada vG ( t ) = v4 & v5 13 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de sincronismo Principais tipos: Rampa sincronizada por cruzamento por zero → usado para gerar sincronismo vertical v1 vR 14 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de sincronismo Circuito de sincronismo vertical 15 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de sincronismo Rampa sincronizada por comparação da referência retificada e ângulo de disparo → usado para gerar sincronismo horizontal |v1| vC vR 16 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de sincronismo Circuito de sincronismo horizontal 17 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de sincronismo Tensão de referência linearizada Compensação do efeito não-linear do conversor com relação ao ângulo de disparo Circuito de disparo → relação linear VC α=π VM Conversor → relação não-linear Exemplo: retificador a tiristor ponte completa: VLmed = 0.9Vo cos α 18 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de sincronismo Desta forma a tensão de saída é não-linear: ⎛ VC ⎞ VLmed = cos ⎜ π ⎟ V 0.9Vo ⎝ M⎠ É possível se criar uma função de referência linearizada substituindo-se a dente de serra por uma função cossenoidal: VM − 2VC cos α = VM VLmed VM − 2VC = 0.9Vo VM Prof. Leandro Michels 19 EPO I – Aula 20 – Comando e proteção de tiristores Circuito de sincronismo Exemplo: 20 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 21 – Comando e proteção de tiristores UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 21 – Comando e proteção de tiristores Prof. Leandro Michels, Dr. Eng. [email protected] 1 EPO I – Aula 21 – Comando e proteção de tiristores Sincronização - Retificador 1φ Ponte mista (0<α<180º) vT1 vT2 i1 T1 iL T2 v1 R D3 G1 K1 G2 K2 Comando v1 vL D4 vT1 vT2 vT3 vT4 α 2 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 21 – Comando e proteção de tiristores Sincronização - Retificador 1φ Ponte completa (0<α<180º) vT1 i1 vT2 T1 iL T2 v1 R vT3 T3 v T4 G1 K1 G2 K2 G3 K3 G4 K4 Comando v1 vL T4 vT1 vT2 vT3 vT4 α 3 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 21 – Comando e proteção de tiristores Sincronização - Retificador 3φ Ponto médio 4 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 21 – Comando e proteção de tiristores Sincronização - Retificador 3φ Ponto médio 5 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 21 – Comando e proteção de tiristores Sincronização - Retificador 3φ Ponte mista (0<α<150º) T1 T2 T3 6 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 21 – Comando e proteção de tiristores Sincronização - Retificador 3φ Ponte mista 7 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 21 – Comando e proteção de tiristores Sincronização - Retificador 3φ Ponte completa T1 T6 T2 T4 T3 T5 8 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 21 – Comando e proteção de tiristores Sincronização - Retificador 3φ Ponte completa (0<α<180º) É preciso manter os pulsos por 120º 9 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 21 – Comando e proteção de tiristores Módulos de comando integrados Circuito integrado TCA785 Fabricante → Siemens Configura-se o ângulo de disparo pela tensão no pino 11 Fornece até 250mA de corrente Prof. Leandro Michels 10 EPO I – Aula 21 – Comando e proteção de tiristores Módulos de comando integrados Circuito integrado TCA785 11 Prof. Leandro Michels EPO I – Aula 21 – Comando e proteção de tiristores Circuito de acionamento microprocessado Fonte Carga Representação em blocos Sensor de tensão Set-point Fonte CC μC P/ gate dos tiristores Ataque Sincronismo e geração de pulsos por software Pode incluir funções de controlador digital Prof. Leandro Michels 12 EPO I – Aula 21 – Comando e proteção de tiristores Controle em malha fechada Exemplo → retificador 1φ - ponte mista vT1 i1 vT2 T1 iL T2 Z v1 vL D3 G1 K1 D4 G2 K2 Setpoint v1 Comando PI - vL r + Controlador pode ser analógico ou digital Resposta dinâmica deve ser bem lenta Prof. Leandro Michels 13
