Electrónica Industrial 2006/07 Trabalho Prático nº3: Sistema de Conversão CA/CA/ CA/CC. Elaborado por: Amândio Oliveira Campos Pereira, ee01121 Vasco Cardoso Espinheira Rio, ee04196 1. Introdução Este trabalho tem como principais objectivos consolidar o conceito de controlo por fase, bem como a conversão de CA/CA e CA/CC. Neste trabalho também se pretende apresentar Circuitos Integrados (neste caso o TCA785) que realizam as funções principais deste tipo de controlo. Também será implementado um isolamento eléctrico entre os circuitos de controlo de potência. 1. Realização experimental 1.1 Topologia do controlador de potencia A topologia a implementar para o simulador CA/CA CA/CC é a seguinte: Esta topologia permite perceber de modo simples como se efectua a conversão de tensão alternada em tensão continua. Antes de realizar o trabalho na prática, optamos pela simulação no PSIM. 1.2 Circuito Psim O circuito em Psim que traduz a topologia anterior Simulação V1/V2 Simulação V2/V3 Simulação I2/I3 Simulação V3/V4 Simulação Vtiristor1/Vtiristor2 1.3 Dimensionamento dos semicondutores Após a simulação do circuito no PSim, e com base nos resultados obtidos é altura de dimensionar os diversos componentes. Tirístor O tirístor a utilizar devera ser capaz de aguentar uma tensão máxima aos seus terminais de 2 vezes a tensão nominal (110V), logo Vmax=220V. Sabendo este valor é necessário calcular a corrente eficaz (Ief2) e a corrente media (IAV) que por ele irá passar. Deste modo: P Vef I ef I ef 250 2,27 A 110 I P2 I P 4,54 A 4 I P I AV 1,45 A I ef2 I AV Tendo estes valores em conta, optamos pelo BT151. Diodos Vmax 12 2 2 33,94V (deve suportar 2X a tensão de funcionamento) VP 2VP 10,8 VQuedadiodo 9,4V P Vef I ef I ef I av I ef 2 13,3 A 250 26,6 A 9,4 Deste modo a nossa escolha recai sobre uma ponte de diodos, SB354, que é uma ponte de rectificação capaz de suportar 35V de tensão inversa e 30A de corrente. Dissipador para o tirístor Características do tirístor: Rjd= 60 º/W PD= 5W Tºjunçao= 125 ºC Tºdissipador= 80 ºC Tºambiente= 40 ºC PDissipada = Pconduçao 5W T J TD 125 80 = PD = 5 RD + RPasta = 9 RD + RPasta RD + RPasta RD = 9 2.5 = 6,5º / W Uma vez que vamos utilizar 2 tirístor temos de multiplicar este factor por 2, logo o dissipador devera ser capaz de dissipar 13º/W. Dissipador dos diodos Características da ponte de diodos: Rjc= 2 º/W PD= 1,1*35 = 38,5W Tºjunçao= 125 ºC Tºdissipador= 80 ºC Tºambiente= 40 ºC T J TD 125 80 = PD = 38,5 RD + RPasta = 11,17 RD + RPasta RD + RPasta RD = 11,17 2,5 = 9,2º / W 2.4 Circuito de controlo TCA785 Este circuito tem como função principal o controlo do ângulo de disparo. Este controlo é possível através da detecção da passagem por zero da tensão da rede (pino 5), que irá sincronizar a passagem por zero de uma onda triangula. Seguidamente essa onda triangular é interceptada por um sinal DC, de onde irá resultar o ângulo de disparo. O dimensionamento dos componentes relativos a este integrado esta segundo a datasheet da Siemens. Esquema de montagem do TCA NE555 Existe a necessidade de utilizar este circuito associado a um CI de portas AND lógicas (CD4048), para comparar o sinal dado pelo TCA785 com os impulsos gerados por este, de modo a evitar a saturação do transformador de impulsos. Calculo de frequência de oscilação para o NE555: Uma vez que o transformador de impulsos tem VT=0,5mVs, podemos calcular a frequência de oscilação VT 0,5mVs T 0,5m T 33,3s f 30kHz 15 1,44 , e arbitrando ( R A 2 RB ) C RA=1KΩ e RB=2k2Ω, calculamos que C=5,3nF Tendo em conta este valor da equação f Transformador Transformador de Impulsos – tem como função a criação de massas virtuais para evitar curto-circuitos entre as duas fases a controlar Uma vez que a corrente dada pelo CD4041 não é suficiente para alimentar o transformador de impulsos foi necessário utilizar um tbj ( capaz de fornecer a corrente requerida pelo transformador. Adicionamos também uma resistência de potência (10Ω 4W) na entrada do primário do transformador para evitar, que quando o BD139 entra em condução não passe uma corrente excessiva pelo transformador. Foi também necessário adicionar uma resistência de polarização na gate do tiristor, de modo a garantir a corrente mínima para entrada em condução. Cálculos: 15 0,7 5xIGT 5x2m 10mA R G RG 1,43K 10m 2. Resultados e discussão: Após o dimensionamento do circuito e respectiva implementação, fomos medir os diferentes sinais envolvidos no controlo e respectivos sinais resultantes desse controlo. Sinal da rede mais onda dente de serra (pino 10 TCA) devidamente sincronizados. Impulsos à saída do TCA (pino 14/15) Sinal de comando à saída do AND para as arcadas positivas do sinal de rede, para um ângulo de disparo de 0º. Sinal de comando à saída do AND para as arcadas negativas do sinal de rede. Trem de impulsos para entrada em condução dos tirístor. Sinal a entrada dos diodos, para um ângulo de disparo de aproximadamente 90º Sinal da tensão na carga. Como se pode constatar, a frequência é o dobro da rede eléctrica. 3. Conclusão Neste trabalho foi efectuada uma análise sistemática de soluções existentes ao nível das topologias dos conversores CA/CC, com factor de potência quase unitário e corrente de alimentação quase sinusoidal. Para verificação experimental da análise teórica deste conversor, foi concebido e executado o protótipo. Os circuitos de rectificação a díodos ou tirístor são muito utilizados numa grande variedade de aplicações, sobretudo como conversores de interligação à rede eléctrica. A utilização deste tipo de rectificadores é muito atractivo devido à sua inerente robustez e simplicidade. Estes circuitos de rectificação não necessitam de muitos elementos semicondutores, e no caso dos rectificadores a diodos não são necessários circuitos de controlo. Contudo, este tipo de rectificadores apresenta características de carga não lineares, pelo que, perturbam a corrente das linhas de alimentação alternada deixando de ser sinusoidal e passando a conter harmónicas para além da fundamental. A presença destas harmónicas na corrente em redes de energia eléctrica, origina perturbações das tensões alternadas devido ao facto da impedância de curtocircuito a montante do rectificador ser não nula. No sentido de minimizar as harmónicas existentes nas redes de energia eléctrica, são normalmente utilizadas técnicas tais como a associação de rectificadores e/ou a utilização de filtros. Contudo, com a utilização de elementos semicondutores totalmente controlados e a aplicação das técnicas de comutação forçada é foi possível resolver o problema das harmónicas de corrente ao nível do próprio conversor de potência.