Calculo do duty cicle da onda de comando

Electrónica Industrial
2006/07
Trabalho Prático nº2:
Sistema de Conversão CA/CA
CA/CC
Realizado por:
Carlos José Rangel Vieira Ribeiro, 0105032591. Introdução
Sistema de Conversão CA/CA CA/CC
2006/2007
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
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O circuito em Psim que traduz a topologia anterior

Simulação V1/V2

Simulação V2/V3

Simulação I2/I3
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
Simulação V3/V4

Simulação Vtiristor1/Vtiristor2
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1.3
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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 (I ef2) 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
250
 26,6 A
9,4
 13,3 A
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.
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
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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
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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.
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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  33,3s  f  30kHz
15
Tendo em conta este valor da equação f 
1,44
, e arbitrando
( R A  2 RB )  C
RA=1KΩ e RB=2k2Ω, calculamos que C=5,3nF

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
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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)
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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.
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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.
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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.
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