Circuito Ressonante para Comutação de SCR

ESPECIFICAÇÃO DO CIRCUITO RESSONANTE
UTILIZADO NA COMUTAÇÃO FORÇADA DE TIRISTORES
Kazuo Nakashima
Valberto F. da Silva
Luiz E.B. da Silva
Escola Federal de Engenharia de Itajubá
Departamento de Eletrônica
Resumo: Este artigo apresenta um roteiro
simples e rápido para especificação do circuito ressonante utilizado na comutação
forçada de tiristores considerando:
•
•
•
•
Tempo de recuperação reversa do tiristor tQ.
Tensão máxima no capacitor VCpmax
Todo processo de comutação ocorre
num intervalo muito pequeno (50 a 200µs)
quando comparado com o intervalo de
chaveamento dos tiristores (2 a 10ms).
Podemos considerar a corrente na carga
(Ia) praticamente constante neste intervalo
de comutação.
Q1
Corrente máxima de comutação IQmax
Variação na tensão de alimentação.
D22
D1
I - INTRODUÇÃO
O procedimento de cálculo apresentado
neste artigo considera a variação na tensão de alimentação além de predeterminar
a tensão máxima no capacitor, VCpmax, e
a corrente máxima de comutação, ICpmax.
II - CIRCUITO ANALISADO
O circuito apresentado na Figura 1 é
amplamente analisado por Dewan [1] motivo pelo qual foi escolhido para análise
neste artigo.
Nesta figura, o circuito auxiliar para comutação forçada do tiristor é apresentada
em trço mais fino em verde.
EFEI-IEE/DON
D11
Q11
Vs
A especificação do circuito ressonante
utilizado para comutação forçada de tiristores através de impulso de corrente nos
choppers e inversores Mc Murray, ou similares, é feita em função da corrente máxima a ser comutada, IQmax, tempo de recuperação reversa do tiristor principal, tQ,
e da tensão de alimentação dc, Vs, geralmente admitido constante.
Ia
+ Vc -
Va
+ VL -
L
C
R
VS
Ia2
intervalo de análise
va
ia
Ia1
tH
tL
Figura 1- Circuito analisado.
A Figura 2 apresenta, passo a passo todo o processo de comutação e a Figura 3
as formas de onda correspondentes.
O capacitor, primeiro armazenador de
energia, é carregado pelo resistor R até atingir a tensão de alimentação VS.
especificação do circuito ressonante utilizado na comutação forçada de tiristores
Intervalo I - O tiristor é disparado fechando-se um curto circuito no circuito
ressonante LC série. A energia armazenada no capacitor é transferida para o indutor e em seguida devolvida ao capacitor. O
objetivo deste processo é inverter a polaridade da tensão no capacitor e prepará-lo
efetivamente para comutação do tiristor
principal.
Intervalo II - Tem início a comutação
efetiva do tiristor. O circuito ressonante
desvia a corrente do tiristor principal até
zerar. O circuito ressonante é curtocircuitado via D11 e Q1. Observe ainda
que o circuito ressonante injeta uma corrente no sentido inverso de condução do
tiristor principal Q1.
Intervalo III - Como o circuito ressonante deve ser projetado para produzir pico de
corrente maior que a corrente a ser comutada,ICp>IQmáximo, o excesso de corrente circula pelo diodo D22. Este intervalo é
de suma importância pois é o intervalo no
qual o tiristor principal recupera o estado
de bloqueio. O circuito ressonante é curtocircuitado via D11 e D22.
Intervalo IV - Neste intervalo a corrente
que circula no circuito ressonante é praticamente constante. É o intervalo para que
o capacitor atinja a tensão VS.
Intervalo V - No instante que a tensão
no capacitor atinge o valor VS, a tensão na
carga atinge zero e o diodo freewheeling
D1 inicia a condução. O circuito ressonante é curto-circuitado via VS e D1 continuando o comportamento senoidal. A diminuição da corrente no circuito ressonante
provoca aumento da corrente no diodo
free-wheeling D1.
Intervalo VI - A corrente de carga circula "livremente" pelo diodo D1. O capacitor
se descarrega até atingir o valor VS via resistor R.
EFEI-IEE/DON
2
A Figura 4 apresenta com mais detalhes
a corrente de comutação e um formulário
completo.
III - PROCEDIMENTO DE CÁLCULO
A ideia básica deste procedimento de
cálculo consiste em transferir todos os resultados de análise apresentado no formulário da Figura 4 para tensão de alimentação nominal (N).
1. Determinar a faixa de XN (nominal)
submetido as três condições.
2. Escolher, quando possível, XN. Máximo
XN para menor tensão de pico no capacitor ou mínimo XN para menor corrente
de comutação (menor corrente de pico
no tiristor auxiliar Q11. Se não for possível, devemos abandonar um dos critérios de projeto.
3. Escolhido XN, calcular C e L do circuito
ressonante para pior condição, ou seja,
VSmin (mínimo). Menor tensão de alimentação implica em menor tempo de
polarização reversa do tiristor a ser comutado. Observe a função:
V
G ( X N . Smin ) = G ( X min )
VSN
4. Para conferir os resultados de VCpmax
e ICpmax, utilizar o valor máximo de
VS, Vsmax.
5. Para conferir o tempo mínimo de bloqueio reverso do tiristor principal, intervalo tIIImin, utilizar o valor mínimo de
VS, Vsmin. Este é o principal item a ser
observado, uma vez que é o responsavel pela garantia do sucesso do bloqueio do tiristor principal.
especificação do circuito ressonante utilizado na comutação forçada de tiristores
Q1
Ia
D22
D11
Q11
Vs
D1
Va
+ VL -
+ Vc -
L
C
R
intervalo I
Q1
Ia
D22
D11
Q11
Vs
D1
+ Vc -
Va
+ VL -
L
C
R
intervalo II
Q1
Ia
D22
D11
Q11
Vs
D1
+ Vc -
Va
+ VL -
L
C
R
intervalo III
Q1
Ia
D22
D11
Q11
Vs
D1
+ Vc -
Va
+ VL -
L
C
R
intervalo IV
Q1
Ia
D22
D11
Q11
Vs
D1
+ Vc -
Va
+ VL -
L
C
intervalo V
R
Q1
Ia
D22
D11
Q11
Vs
D1
+ Vc -
Va
+ VL -
L
C
R
Figura 2- Paso a passo da comutação.
EFEI-IEE/DON
Figura 3- Formas de onda.
3
especificação do circuito ressonante utilizado na comutação forçada de tiristores
ICP
IQ
I
II
d
i(t ) [ V]
dt
1
vC ( t ) = ∫ i(t ) dt [ V]
C
1
E L = LI 2 [J ]
2
1
E C = C V 2 [J ]
2
C
. VS [A ]
I Cp =
L
vL ( t ) = L
X=
I Cp
IQ
(1)
(2)
(3)
(6)
(5)
IV
t II = LC .sen −1 (1 / X ) [S]
[
t III = LC π − 2 .sen −1 (1 / X )
[
(
]
(8)
)]
[S]
t IV = LC 1 − cos sen −1 (1 / X )
π
2
EFEI-IEE/DON
(10)
(11)
G ( X) = π − 2 . sen − 1 (1 / X) [ rad ]
VC = VS (1 + (1 / X ))
(9)
[V ]
(12)
(13)
(14)
VSN
.X min
VS min
VSN
XN >
VCmax − VSmax
I Cpmax
V
X N < SN .
VSmax I Qmax
L=
(7)
VI
XN >
(6)
t I = LC . π [S]
V
XN
V
= SN
Xi
VSi
C=
=1,4 ... 3,0
t V = LC
III
4
X N . I Qmax . t Q
V
VSN . G( X N . Smin )
VSN
VSN . t Q
V
X N . I Qmax . G( X N . Smin )
VSN
(15)
(16)
(17)
[F]
(18)
[H] (19)
C
[A]
VSmax
L

I Qmax 
 . VSmax =
VCpmax = 1 +

I

Cpmax 
I Cpmax =
= VSmax +
[
(20)
(21)
L
I Qmax
C
]
t II Im in = LC π − 2 sen −1 (1 / X min )
(22)
especificação do circuito ressonante utilizado na comutação forçada de tiristores
Conferindo: IQmax=200 [A]
IV - EXEMPLO
Especificar o circuito ressonante para
IQmax=200[A], tQ=30[µS], Vs=120[V] ±
20%, tensão máxima no capacitor 240[V] e
corrente máxima de comutação = 600[A]
pico.
VS = 96...144 [V]
XN ⟩
120
VSN
.1,4 = 1,75
X min =
96
VSmin
VSN
120
=
= 1,25
XN ⟩
VCmax − VSmax 240 − 144
XN ⟨
VSN I Cpmax 120 600
.
=
.
= 2,5
VSmax I Qmax 144 200
1,75 ≤ X N ≤ 2,5
Para menor
XN=1,75
corrente
de
comutação,
V
G ( X min ) = G ( X N . Smin )
VSN
96
= G (1,75.
) = G(1,4)
120
G (1,4) = π − 2 sen −1 (1 / 1,4) = 1,55038[ rad ]
C=
X N . I Qmax
. tQ
VSN . G ( X min )
1,75. 200
=
.30µ = 56,4µF
120 . G (1,4)
VSN
L=
.tQ
X N . I Qmax . G ( X min )
=
120
. 30µ = 6,6µH
1,75. 200 .1,55038
EFEI-IEE/DON
5
VS
tQ [µs]
ICP [A]
VCP [V]
X
96
120
144
29,91 *
37,14
41,46
280
350
420 *
164,5
188,5
212,5 *
1,4
1,75
2,1
Observamos que o menor tempo de tQ
ocorre para menor tensão de alimentação
e é igual ao menor valor especificado.
O maior valor de corrente de comutação
e da tensão no capacitor ocorre para maior
tensão de alimentação e são menores que
o máximos especificados.
V - McMURRAY DE DOIS QUADRANTES
O chopper de dois quadrantes (Q I-II) e
o inversor Mc Murray original apresentam
comportamento semelhante porem o processo de comutação inicia diretamente no
intervalo II.
D11
Q11
Q1
D2
La
Ra
Vs
D22
Q22
Q2
D1
Ea
VII- COMENTÁRIOS FINAIS
Este procedimento de cálculo pode ser
utilizado para uma primeira estimativa dos
componebtes do circuito auxiliar de comutação uma vez que não considera perdas
nos diodos e tiristores e não considera o
snubber e o indutor utilizado para limitação
do di/dt.
especificação do circuito ressonante utilizado na comutação forçada de tiristores
VIII- REFERÊNCIAS
[1]
S.B.Dewan and A.Straughen,- Power
Semiconductor Circuits. Wiley, Toronto,
1975.
[2]
W.McMurray,- SCR Inverter Commutated by an Auxiliary Impulse. IEEE
Trans. On Communication and Electronics, Vol. 83, No 75, pp. 824-829, November 1964.
Artigo apresentado no V SEMINÁRIO DE PESQUISA DA EFEI
EFEI-IEE/DON
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