PROJETO DE UM CONTROLADOR DE FASE DE MEIA ONDA

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Prof. José Roberto Marques - Docente da Universidade de Mogi das Cruzes
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I
Laboratório 3
CONTROLE DE FASE DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETA.
Objetivo:
O objetivo desta experiência é demonstrar o processo de cálculo e a operação dos
controladores de fase de usando tiristores.
Os controladores de fase são circuitos que objetivam controlar o fluxo de
energia elétrica controlando as porções da energia da rede que se deseja aplicar nas
cargas. O controle é realizado através de um circuito de sincronismo, que tem a
finalidade de acionar a chave semicondutora (tiristor) num determinado valor de
ângulo de controle, devidamente ajustado pelo usuário, ou controlado
automaticamente por um circuito de malha fechada de modo a controlar a quantidade
de energia que deve ser aplicada num determinado dispositivo.
Os controladores de fase podem se de meia onda ou onda completa, sendo que este
último, dentro da topologia estudada aqui, pode controlar tanto carga CA como CC,
dependendo da posição da carga no circuito como mostra a figura 1.
O controlador de fase de meia onda CC controla apenas cargas com corrente contínua,
uma vez que sua topologia de circuito não permite o fluxo de energia nos dois
sentidos da carga. A figura 2 mostra um circuito controlador monofásico que será
projetado em seqüência da nossa discussão pré-laboratorial.
Em qualquer dos dois casos, temos um diodo zener cuja finalidade é alimentar o
circuito de disparo, fazendo-o através da onda de tensão da própria rede elétrica em
pulsos quadrados, que quando a rede está ativa(diodo em condução) aciona o circuito
do UJT, que deverá carregar o capacitor gerando o tempo de retardo necessário para
disparar o tiristor.
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A figura abaixo, mostra as formas de onda do circuito de alimentação e
sincronização através do diodo zener, para os dois tipos de controladores de fase
analisados, onde podemos observar que o circuito de temporização e disparo
constituído pelo transistor de unijunção recebe energia da rede sincronizadamente
com cada fase.
O circuito de temporização e disparo, uma vez que receba a energização do circuito
de alimentação sincronizada, começa a carregar o capacitor colocando no mesmo uma
tensão dada por:
t t

 0
vc  1  e  Vz


quando a tensão no capacitor atinge o valor da tensão de pico Vp  Vz ocorre o
disparo do UJT, gerando um pico de descarga da corrente do capacitor sobre o resistor
RB2 e o gatilho do SCR, disparando este. O período de tempo gerado pelo circuito de
temporização é dado por:
T  ( R  RP )C ln(1  ) .
O ângulo de ocorrência do disparo (ângulo de controle) será:
  T rad onde   2f  377 rad/s para f=60Hz
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e deverá ser controlado pelo valor do potenciometro Rp.
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Dado o circuito da figura 1, determine os valores de todos os componentes usando
como critério os seguintes dados:]
1- Circuito controlador de fase de meia onda.
2- Tensão de entrada 220V rms.
3- Diodo zener de alimentação e sincronização 20V/ 0,4W
4- SCR TIC126M
5- Transistor de unijunção 2N2646 (=0,63 RBBmax =9,5k e RBBmin=4,3k)
6- Ângulo de controle mínimo min=30 e max=180.
7- Capacitor do circuito de oscilação C=0,1F.
Cálculos:
Dos dados do diodo zener obtemos:
Pz  0,04W  I zmax 
Pz 0,04

 20mA
Vz
20
Aplicando um fator de segurança de 10% na corrente do diodo termos:
Izoper  09
, Izmax  18mA
Daí teremos que a corrente eficáz no circuito do diodo zener será:
1  2 2Vs sent  Vz 
1  2Vs 







d

t

2 1
Rl
2  Rl 

2
I zoper
onde m 
2 2
 sent  m

2
dt 
1
 Vz 
Vz
 e 2    1
, 1  arcsen
2Vs
 2Vs 
Devido ao valor muito pequeno da relação entre Vz e a tensão de pico da rede, a
relação pode ser simplificada para:
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2Vs
2Vs
220 2
 Rl 

 8,6k
2Rl
2I zoper 2x0,018
I zoper 
A potência que o resistor deverá dissipar pode ser calculada por:
 
PRl  I zoper Rl  0,018 8600  2,8W
2
2
A partir do ângulo de controle mínimo podemos escrever:
Tmin 
min  6

 14
, ms
 377
Como o  do UJT é 0,63 ln(1-)1 daí podemos escrever que
nesta situação Rp=0. Podemos então calcular o valor de R.
R
Tmin  RC , já que
Tmin
0,0014

 14k de modo a obtermos o valor mínimo de alfa, vamos
C 0,0000001
utilizar R  12k .
mesmo cálculo pode ser utilizado para obtermos o valor de Rp usando to tempo
máximo de 8,3ms, que corresponde ao tempo de meio ciclo de uma onda senoidal.
Daí
Rp 
Tmax
0,0083
R
 12000  71k
C
0,0000001
Por questões de componentes laboratoriais, utilizaremos Rp=100k.
Cálculo do resistor RB2.
Esse resistor pode ser calculado pela fórmula fornecida pelo fabricante:
RB2 
10000 10000

 793  820
VBB 0,6320
.
Cálculo de RB1:
A ddp gerada sobre o resistor em questão deve ser bem menor que a tensão VGT de
disparo do transistor, que para o TIC 126 é de 3,0V. De modo que podemos escrever:
VG 
RB1
RB1
VBB 
V
RB1  RB2  RBBmin
RB2  RBBmin BB
já que RBB1  RB2  RBBmin e sabendo que para evitar o disparo do tiristor VG VGT
podemos escrever:
RB1
RB!
VBB  VGT 
203
RB2  RBBmin
820  4300
Daí podemos escrever que:
RB1 
3
820  4300 fazendo esta relação de desigualdade igual a 10 vezes,
20
podemos escrever:
10RB1 
3
820  4300  RB1  768
,  ou comercialmente RB1  68
20
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Procedimento experimental
1- Monte o circuito projetado (fig. 2).
2- Utilize como carga, uma lâmpada de 220V/60W.
3- Usando um osciloscópio, devidamente calibrado e em CC, meça a tensão entre os
pontos AG (ponta negativa em G), verifique o valor da tensão de alimentação e
sincronismo de disparo e o período de tempo que a tensão permanece em nível
alto (20V).
4- Com o osciloscópio, verifique a forma de onda entre os ponto BG (ponta negativa
em G), variando o valor do potenciômetro de modo a verificar como o UJT e seu
circuito promovem o período de retardo para gerar o ângulo de disparo.
5- Ainda com o osciloscópio, verifique a forma de onda da tensão de gatilhamento
entre os pontos CG, ajuste uma intensidade maior para visualizar o pulso de
gatilhamento bastante estreito.
6- Com o osciloscópio gatilhado em linha, coloque a ponta atenuada em 10X, entre
os pontos DG e verifique a forma de onda entre o ânodo e cátodo do SCR. Ajuste
o valor de alfa e preencha a tabela abaixo, medindo a tensão média na carga com o
DMM (Digital MultiMeter) ou voltímetro de bobina móvel na escala CC e a
tensão eficáz com o voltímetro de ferro móvel. Preencha a tabela abaixo:
Tempo de
condução em ms
ÂNGULO de
controle (graus)
tmaximo
mínimo
6,7
36
5,8
54
5,0
72
4,2
90
3,3
108
2,5
126
1,7
144
0,8
162
0
180
tmaximo  0,0083 
Vrms (ferro
móvel)
min 
377 180
Vcc (bob.
móvel)
,
Após preencher a tabela, comprove os valores obtidos usando as seguintes relações:
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Para o valor médio da tensão (instrumento de bobina móvel):
Vmedio 
2Vs
(1  cos)
2
Para o instrumento de ferro móvel:
Vrms 
2Vs     sen 2  



2  2
4 
7- Após preencher devidamente a tabela, substitua a carga (lâmpada) pelo seguinte
circuito:
Meça o ângulo de extinção (), a tensão eficáz e a tensão média na carga.
Com base no valor de , determine o cos (ver ábaco com família de curvas) e o
valor da indutância da reator.
Para o relatório:
Faça um projeto de um controlador de fase controlada de onda completa
utilizando os dados fornecidos para o retificador de meia onda projetado pelo
professor. A entrega do projeto deverá ocorrer juntamente com o relatório desta
experiência.
COMO MEDIR ÂNGULO EM GRAUS NO OSCILOSCÓPIO.
1- Entre com uma onda senoidal (de um transformador de 18V) na entrada do
osciloscópio.
2- Ajuste o controle de ganho horizontal (freqüência) de modo a colocar um
semiciclo inteiro nas dez divisões horizontais. Feito isto, cada divisão
corresponderá a 18 e cada subdivisão interna corresponderá a 3,6. Após esta
calibração não se deverá mexer nos controle de ganho horizontal do osciloscópio.
LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA INDUSTRIAL
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Exp. N. 5 PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UM CONTROLADOR DE FASE
DE ONDA COMPLETA.
Usando a teoria desenvolvida no laboratório n. 4, projete um controlador de fase de
onda completa e teste a sua operação tanto em corrente contínua como em corrente
alternada, repetindo todo o procedimento experimental do projeto n. 4, tanto para a
parte CC como para a parte CA.
Na sua montagem experimental, haja com muito cuidado
evitando a ocorrência de curtos-circuitos devido a falta de atenção,
alerte seus colegas sobre todos os procedimentos que você considerar
perigosos.
DICAS DO PROFESSOR:
1- Comece a montagem somente do circuito do UJT, faça-o funcionar
devidamente gerando as oscilações dente de serra do emissor e os
pulsos de gatilhamento no resistor da base 1 (68 Ohms).
2- Após o UJT estar funcionando devidamente, coloque o SCR e a carga
de corrente contínua, deixando os pontos da carga de corrente
alternada curto-circuitados, e teste o seu funcionamento.
3- Após as experiências e medições com a carga de corrente contínua,
desligue o circuito e transfira a carga para o ponto de corrente
alternada, curto-circuitanto os pontos da carga de corrente contínua e
termine seu experimento.