Tiristores - Aula 3 - Ricardo Pelisson

Notas de Aula de Eletrônica de Potência - Ricardo Pelisson

Aula3
Proteções do SCR

Um SCR exige uma adequada proteção contra sobretensões e sobrecorrentes para oferecer uma operação segura e confiável.
Sob condições anormais, sobrecargas por exemplo, o SCR poderá ser percorrido por uma sobrecorrente suficiente para danificá-lo. Operações inadequadas e transitórios podem provocar sobretensões que ultrapassem os seus limites nominais de tensão.
O dimensionamento do SCR deverá ser feito para as condições normais de operação, levando-se em conta uma certa margem de segurança. Superdimensioná-lo para as possíveis condições anormais seria antieconômico.

Proteção contra Degrau de Corrente di/dt

Quando o SCR começa a conduzir, a corrente de ânodo fica concentrada em uma área relativamente pequena próxima ao gatilho. É necessário um certo tempo para que a condução se espalhe por igual em toda a pastilha semicondutora.
Entretanto, se ocorrer um Degrau de Corrente, rápido crescimento da corrente de ânodo IA, poderão formar-se pontos quentes (hot spots) no semicondutor e queimar o componente por sobre-temperatura. Este Degrau de Corrente é dado pela taxa com que a corrente varia no tempo, ou di/dt (di/dt) e é expresso em Ampères por microssegundos (A/ms).
Limita-se o di/dt com uma pequena indutância em série com o SCR, pois esta se opõe às variações bruscas de corrente, amortecendo a subida da corrente no ânodo. A Indutância requerida pode ser determinada pela equação:

Onde:

L – indutância (ìH0

(di/dt)max – degrau de corrente máximo admissível (A/ìs)

VP – tensão de pico (V)

Proteção contra Degrau de Tensão dv/dt

O Degrau de Tensão, rápido crescimento da tensão VAK, pode disparar indesejavelmente o SCR. Para proteger contra o disparo intempestivo utiliza-se uma rede RC (resistor em série com capacitor) conectada aos terminais de ânodo e cátodo do SCR. Este circuito de proteção, apresentado na Figura 12.1, é chamado de Snubber.
A capacitância é uma oposição à variação de tensão e, portanto, o capacitor CS conectado aos terminais do SCR reduz a taxa na qual a tensão no dispositivo varia.
Quando o SCR estiver bloqueado, o capacitor CS se carregará até o instante em que o dispositivo entrar em condução.
Quando o SCR for acionado, o capacitor descarregará e sua corrente se somará ao di/dt apresentado pelo circuito original. Portanto, uma resistência RS deve ser colocada em série com o capacitor para amortecer a descarga e limitar a corrente transitória no disparo.
Para aumentar a eficiência do Snubber, um diodo DS pode ser ligado em paralelo com RS.
Quando o dv/dt for grande, o diodo curto-circuitará RS, mas quando o di/dt for grande, o diodo estará desligado.

Proteção contra Sobretensão

As sobretensões geralmente são causadas por distúrbios no chaveamento devidos à energia armazenada em componentes indutivos. A sobretensão transitória resultante pode exceder os limites de tensão do SCR podendo causar disparo intempestivo ou queimá-lo por ruptura reversa.
Algumas maneiras de proteger um SCR contra sobretensão:
• Diodo em série com o SCR: para que ambos os componentes compartilhem a tensão inversa. Devido à queda de tensão no diodo, este método pode introduzir perdas de potência significativas em certos circuitos.
• SCR com alto valor de tensão nominal: como margem de segurança, porém, isto pode implicar maiores custos.
• Circuito Snubber RC: em paralelo com a fonte geradora de sobretensão.
• Varistor (resistor não linear): em paralelo com o SCR, fornece um caminho de baixa resistência para o transitório de tensão.

Proteção contra Sobrecorrente

A sobrecorrente ocorre, em geral, por sobrecarga ou curto-circuito e o dispositivo de proteção deverá abrir o circuito antes do superaquecimento do SCR.
As proteções contra sobrecorrente mais usuais são:

• Fusíveis de Ação Rápida: escolhidos através do parâmetro I2t, relativo ao tempo do
  ação, fornecido em catálogos de SCR e de fusíveis.
• Disjuntores de Alta Velocidade.
• Relés de Sobrecorrente.
  
  

Proteção do Circuito de Disparo do Gatilho

O circuito de disparo do gatilho deve ser protegido contra transitórios de tensão e, preferencialmente, ser eletricamente isolado do circuito de alta potência que o SCR controla. Isso pode ser feito com Transformadores de Pulso e de Acopladores Ópticos (Opto-acopladores).

Tiristores - Aula 2 - Ricardo Pelisson

Notas de Aula de Eletrônica de Potência - Ricardo Pelisson

Aula 2

Retificadores Controlados:

Para projetar um retificador controlado ou um retificador controlado por fase,é preciso substituir por SCRs (silicon controlled rectifiers - retificadores controlados de silício) os diodos do circuito do retificador não controlado. Esse novo circuito produz uma tensão de saída DC variável, cuja amplitude é obtida por meio de controle de fase, isto é, com o domínio do período de condução, variando o ponto no qual um sinal na porta é aplicado ao SCR.
Ao contrário do que ocorre com um diodo, um SCR não conduzirá,automaticamente, quando a tensão anodo-catodo ficar positiva - um pulso deverá ser aplicado ao Gate. Se o tempo de retardo do pulso no Gate for ajustado, e se esse processo for executado repetidamente, então as saídas dos retificadores poderão ser controladas. Essa técnica é denominada controle de fase.
Os retificadores controlados, ou conversores, são classificados em dois tipos:
Completamente controlado e semicontrolado. O completamente controlado, ou tipo dois-quadrantes, usa um SCR como dispositivo de retificação. A corrente DC é unidirecional, mas a tensão DC pode ter qualquer uma das duas polaridades. Com uma delas, o fluxo de potência vai da fonte AC para a carga DC, em um processo chamado retificação. Com a inversão da tensão DC pela carga, o fluxo de potêncía vai da fonte DC para a alimentação AC, em um método denominado inversão.
Se metade dos SCRs for substituída por diodos, o circuito passará a ser classificado como semicontrolado ou semiconversor, Esse circuito permite também que o valor médio da tensão ,de saída DC seja variado pelo controle de fase do SCR.
Entretanto, a polaridade da tensão de saída DC e a direção da corrente não podem
mudar, isto é, o fluxo de potência ocorre da fonte AC para a carga DC. Os Conversores desse tipo são também denominados conversores de um quadrante.
Os retificadores, controlados fornecem potência DC para várias aplicações , como controle de velocidade para motores DC, carregadores de baterias e transmissão DC em alta tensão. O controle de fase é usado para freqüências abaixo de 400 Hz ou, mais comumente, 60 Hz. A principal desvantagem do controle de fase é a interferência em radiofreqüência (radio frequency interference - RfI). A onda semi-senoidal cortada produz harmônicos de peso que interferem no rádio, na televisão e em outros equipamentos de comunicação.
Neste capitulo, estudaremos os retíflcadores controlados, desde a configuração mais
simples, o de meia-onda (raramente usado em aplicações de eletrônica de potência
por causa do alto conteúdo de tensão de ondulação na saída), até o circuito retificador com tape central e em ponte.

Retificador Monofásico Controlado de Meia Onda:

Carga Resistiva:


A estrutura básica de um retificador monofásico controlado de meia onda alimentando uma carga resistiva é apresentado abaixo:

Neste circuito, somente os semiciclos positivos da fonte de alimentação, ou parte deles, serão aplicados na carga quando o SCR for disparado. Os semiciclos negativos são integralmente bloqueados.
O SCR é disparado por uma corrente IG em um ângulo α entre 0 e 180º , passando a conduzir e permitindo a aplicação de uma tensão na carga.
Durante o semiciclo positivo da tensão de alimentação, o SCR estará diretamente polarizado e conduzirá se o pulso de acionamento(disparo) for aplicado ao Gate. Se o SCH passar para o estado ligado em I", 'uma corrente Iluirá na carga e a tensão de saída Vo será igual à tensão de entrada. No tempo t = n, a corrente cai naturalmente a zero, urna vez que o SCR estará .inversamente polarizado. Durante o semiciclo negativo, o dispositivo bloqueará o fluxo de corrente e não haverá tensão na carga. O SCR ficará fora até que o sinal seja aplicado novamente na porta em (to + 21t). O período que vai de O a lu, na Figura 6.1b, representa o ternpono serniciclo positivo quando o SCR está desligado. Esse ângulo (medido em graus) é denominado ângulo de disparo ou ângulo de retardo (a). O SCR conduz ele to a 1t;esse ângulo é denominado ânglllo de colldução (8).
A tensão e corrente média na carga pode ser calculada pela equação:


A tensão média na carga é função do ângulo de disparo α. Ao variar-se α estamos variando automaticamente a tensão na carga.

Forma de onda

Para o cálculo da Tensão, Corrente eficaz e potência média na carga, empregam-se as expressões abaixo:

Para esta estrutura, as correntes que circulam na carga são as mesmas que circulam pelo SCR.
Para um dimensionamento correto é necessário o conhecimento da tensão reversa máxima e corrente máxima sobre o SCR.

Exercício de fixação:

Em o circuito retificador controlado monofásico de meia onda, o valor eficaz da tensão da fonte de alimentação é 100 V. Calcular:
a) Os valores médio e eficaz da corrente na carga , a potencia média na carga ,e desenhar as formas de onda da tensão na carga e no SCR para α = 45º e α =135º e R = 10 ohms.
b) Calcule a resistência térmica do dissipador a ser empregado para manter a temperatura da junção abaixo do limite especificado, considerando o dispositivo especificado abaixo:

TIRISTOR SRC modelo: SCR SKT 16/06 C (SEMIKRON)
TENSÃO REVERSA MÁXIMA (VRRM) 600V
TENSÃO DIRETA EM CONDUÇÃO (E0) 1,0V
RESISTÊNCIA EM CONDUÇÃO (rF) 20mΩ
CORRENTE MÉDIA (IDmed) 16A
CORRENTE DE DISPARO MÍNIMA (IG) 100mA
TENSÃO DE GATILHO (VG) 3,0V

c) Especifique um circuito de disparo que atenda às exigências mínimas de disparo.

As formas de onda de tensão no SCR para a = 45o e a =135o são apresentadas abaixo:

Carga Indutiva:

A maioria dos acionamentos industriais que empregam conversores estáticos contém cargas do tipo RL. Tais cargas apresentam um funcionamento típico devido a presença do indutor. Como sabemos, os indutores provocam um atraso na corrente elétrica devido ao fato de que estes constituem-se em elementos armazenadores de energia. Sempre que uma corrente percorre um indutor, parte da energia elétrica é transformada em energia magnética e fica retida (armazenada) sob forma de campo magnético no indutor. Quando deseja-se interromper a corrente é necessário que toda a energia armazenada pelo indutor seja evacuada pois, os indutores não possuem a capacidade de, quando desconectados do circuito (circuito aberto), reterem a energia que acumularam.
Então, quando se alimenta uma carga RL através de um retificador monofásico de meia onda, existirá sempre um atraso devido ao indutor forçar a circulação de corrente mesmo após o início do semiciclo negativo. Em conseqüência disto, o SCR não mais se bloqueia em ωt = p, ou seja, quando a tensão passa por zero e torna-se negativa. O SCR então permanece conduzindo enquanto a corrente de carga não se anula, permitindo tensões instantaneamente negativas sobre a carga e fazendo com que a tensão média diminua.
O diagrama de um circuito retificador monofásico de meia onda com carga Indutiva é mostrado abaixo:

As formas de onda na carga pode ser vista abaixo:

O SCR conduz então por um ângulo(Ângulo de Condução) γ = β - α,

onde β é o ângulo de extinção e π < β <>






A tensão e a corrente média na carga são dadas em função de a e de β pelas equações abaixo, onde Vo = Vef:

Observação: Devido ao indutor armazenar e evacuar a energia em cada ciclo de funcionamento, a tensão média sobre ele é nula. Por esta razão é que se pode calcular a corrente média sobre a carga de acordo com a expressão acima.

Para cálculo da corrente eficaz na carga utiliza-se a seguinte equação, onde Vo = Vef:




Onde: Ief é obtida em função do ângulo f e do ângulo a , através do gráfico abaixo:



Corrente Eficaz na carga (IRLef) em função de a para vários valores do ângulo de carga f.


Exercício de fixação:

Em o circuito retificador controlado monofásico de meia onda, alimentando uma carga indutiva, o valor eficaz da tensão da fonte de alimentação é 100 V, a freqüência da tensão de alimentação é 60 hz e a indutância é 26,5mH.
Calcular:
a) Os valores médio e eficaz da corrente na carga , a potencia média na carga ,e desenhar as formas de onda da tensão na carga e no SCR para α = 45º e α =135º e R = 10 ohms.
b) Calcule a resistência térmica do dissipador a ser empregado para manter a temperatura da junção abaixo do limite especificado, considerando o dispositivo especificado abaixo:

TIRISTOR SRC modelo: SCR SKT 16/06 C (SEMIKRON)
TENSÃO REVERSA MÁXIMA (VRRM) 600V
TENSÃO DIRETA EM CONDUÇÃO (E0) 1,0V
RESISTÊNCIA EM CONDUÇÃO (rF) 20mΩ
CORRENTE MÉDIA (IDmed) 16A
CORRENTE DE DISPARO MÍNIMA (IG) 100mA
TENSÃO DE GATILHO (VG) 3,0V

c) Especifique um circuito de disparo que atenda às exigências mínimas de disparo.

Retificador Monofásico Controlado de Onda Completa com derivação central ou Center Tape:

Carga Resistiva:


A estrutura do retificador monofásico de onda completa com ponto médio é apresentada na Fig. 2.35. Este retificador emprega obrigatoriamente um transformador , devido a necessidade de uma derivação central que possibilite manter a tensão positiva sobre a carga quando a tensão da fonte inverte seu sentido.

A estrutura apresenta duas seqüências de funcionamento. Durante o semiciclo positivo da tensão de alimentação o SCR T1 é responsável, após o disparo em um dado ângulo a, pela condução da corrente de carga (i1). Durante o semiciclo negativo, T1 bloqueia enquanto T2 será responsável, após o disparo em a + p, pela corrente de carga (i2). Podemos notar que ambas as correntes tem o mesmo sentido e, portanto, a corrente na carga será contínua. A figura 2.36 apresenta as formas de onda de tensão e corrente na carga para o retificador da figura 2.35.

Podemos calcular os valores de tensão e corrente média na carga através das seguintes expressões, onde V2 = Vef:

Para o cálculo da tensão e corrente eficaz na carga, empregam-se as expressões abaixo, onde V2 = Vef:

As componentes média e eficaz da corrente sobre cada SCR em função das correntes média e eficaz na carga são expressa por:

A tensão de pico sobre cada SCR é igual a soma das tensões de pico dos dois enrolamentos do secundário do transformador. O fato da tensão sobre cada diodo ser o dobro da tensão na carga constitui uma das desvantagens desta estrutura.

As formas de ondas do circuito são mostradas abaixo:




Exercício de fixação:

Em o circuito retificador controlado monofásico de meia onda, alimentando uma carga indutiva, o valor eficaz da tensão da fonte de alimentação é 100 V, a freqüência da tensão de alimentação é 60 hz. Calcular:
d) Os valores médio e eficaz da corrente na carga , a potencia média na carga ,e desenhar as formas de onda da tensão na carga e no SCR para α = 45º e α =135º e R = 10 ohms.
e) Calcule a resistência térmica do dissipador a ser empregado para manter a temperatura da junção abaixo do limite especificado, considerando o dispositivo especificado abaixo:

TIRISTOR SRC modelo: SCR SKT 16/06 C (SEMIKRON)
TENSÃO REVERSA MÁXIMA (VRRM) 600V
TENSÃO DIRETA EM CONDUÇÃO (E0) 1,0V
RESISTÊNCIA EM CONDUÇÃO (rF) 20mΩ
CORRENTE MÉDIA (IDmed) 16A
CORRENTE DE DISPARO MÍNIMA (IG) 100mA
TENSÃO DE GATILHO (VG) 3,0V



Carga Indutiva:

Quando o retificador monofásico de onda completa alimenta carga indutiva, pode ocorrer condução contínua ou descontínua, dependendo dos valores de resistência e indutância de carga. Devido aos SCRs serem comandados com ângulos complementares (a e a + π ), quando a carga apresentar indutância, a corrente se manterá mesmo após os SCRs serem polarizados reversamente.

Desta forma, pode ocorrer três modos de condução:

# Descontínua - β < α + π .

# Crítica - β = α + π ( a indutância que provoca tal situação é dita indutância crítica);
# Contínua - β > α + π .
As formas de onda de corrente e tensão na carga para os modos contínuo e descontínuo são apresentadas, respectivamente, pela figura A abaixo.

Como a tensão média sobre o indutor é nula, pode-se calcular as componentes média de tensão e corrente na carga empregando-se as expressões:



A tensão eficaz na carga pode ser calculada por:

Exercício de fixação:

Em o circuito retificador controlado monofásico de meia onda, alimentando uma carga indutiva, o valor eficaz da tensão da fonte de alimentação é 100 V, a freqüência da tensão de alimentação é 60 hz e a indutância é 26,5mH.
Calcular:
f) Os valores médio e eficaz da corrente na carga , a potencia média na carga ,e desenhar as formas de onda da tensão na carga e no SCR para α = 45º e α =135º e R = 10 ohms.
g) Calcule a resistência térmica do dissipador a ser empregado para manter a temperatura da junção abaixo do limite especificado, considerando o dispositivo especificado abaixo:

TIRISTOR SRC modelo: SCR SKT 16/06 C (SEMIKRON)
TENSÃO REVERSA MÁXIMA (VRRM) 600V
TENSÃO DIRETA EM CONDUÇÃO (E0) 1,0V
RESISTÊNCIA EM CONDUÇÃO (rF) 20mΩ
CORRENTE MÉDIA (IDmed) 16A
CORRENTE DE DISPARO MÍNIMA (IG) 100mA
TENSÃO DE GATILHO (VG) 3,0V

Retificador Monofásico Controlado de Onda Completa em Ponte completa:

Neste retificador , pares de SCRs opostos na diagonal passam juntos para. o estado ligado ou para o desligado. A operação é similar à do circuito de Onda completa com terminal central discutido anteriormente. A tensão média de saída DC controlada vai de zero a um valor máximo positivo, dependendo da variação do ângulo de disparo.
O retificador em ponte completa e suas duas seqüências de funcionamento são apresentados na figura abaixo. Como a ponte completa emprega quatro SCRs ela é também chamada de ponte totalmente controlada.


O retificador monofásico em ponte apresenta como vantagem sobre o de ponto médio, o fato de não necessitar de um transformador para o seu funcionamento. Porém, este tipo de retificador emprega quatro semicondutores, o que pode aumentar o custo da estrutura.
As tensões e correntes na carga são representadas pelas mesmas expressões estudadas no retificador monofásico controlados com center tape.
A tensão de pico sobre cada SCR é expressa por:

Retificador Monofásico Controlado de Onda Completa em Ponte Mista:

Um retificador monofásico Controlado de onda completa em Ponte Mista utiliza diodos e SCRs para sua construção.
As configurações possíveis são mostradas na figura abaixo:

A principal vantagem das pontes semi-controladas é o uso de apenas 2 tiristores, sendo indicadas quando o fluxo de energia será apenas da fonte para a carga. Neste circuito a tensão de saída, vo(t) pode assumir apenas valores (instantâneos e médios) positivos. Sempre que a tensão de saída tender a se inverter haverá um caminho interno que manterá esta tensão em zero, desconectando a carga da rede.
A ponte mista não apresenta a possibilidade de tensão negativa na carga.

Fotos do níver de WR

É na simplicidade que nos divertimos e

demonstramos que o verdadeiro valor da

amizade é tão enorme que nem

se unirmos todas as palavras de todas as

gramáticas existentes no universo conseguiriamos definí-lo.