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.
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:
vc e V t t z 1 0
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 detemporização é dado por:
T (R R CP) ln(1
). O ângulo de ocorrência do disparo (ângulo de controle) será:e deverá ser controlado pelo valor do potenciometro Rp.
PROJETO DE UM CONTROLADOR DE FASE DE MEIA ONDA
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=0,1F.
Cálculos:
Dos dados do diodo zener obtemos:
P W I P V mA z zmax z z 0 04 0 04 20 20 , ,
Aplicando um fator de segurança de 10% na corrente do diodo termos:
I
zoper
0 9
,
I
zmax
18
mA
Daí teremos que a corrente eficáz no circuito do diodo zener será:
I V t V R d t V R t m d t zoper s z l s l
1 2 2 1 2 2 1 2 2 2 2 1 2
sen sen ondem
V
V
z s
2
,
1 2 arcsen V V z s e
2
1Devido ao valor muito pequeno da relação entre Vz e a tensão de pico da rede, a relação pode ser simplificada para:
I
V
R
R
V
I
x
k
zoper s l l s zoper
2
2
2
2
220 2
2 0 018
,
8 6
,
A potência que o resistor deverá dissipar pode ser calculada por:
P
Rl
I
zoper 2R
l
0 018 8600 2 8
,
2
,
W
A partir do ângulo de controle mínimo podemos escrever:
T
min
min
ms
6
377
14
,
Como o do UJT é 0,63 ln(1-)1 daí podemos escrever que Tmin RC, já que nesta situação Rp=0. Podemos então calcular o valor de R.
R
T
C
k
min
0 0014
0 0000001
14
,
,
de modo a obtermos o valor mínimo de alfa, vamosutilizar R12k.
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
R
T
C
R
k
p max
0 0083
0 0000001
12000 71
,
,
Por questões de componentes laboratoriais, utilizaremos Rp=100k.
Cálculo do resistor RB2.
Esse resistor pode ser calculado pela fórmula fornecida pelo fabricante:
R V B BB 2 10000 10000 0 6320 793 820
, . 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:
V R R R R V R R R V G B B B BBmin BB B B BBmin BB 1 1 2 1 2
já que RBB1RB2 RBBmin e sabendo que para evitar o disparo do tiristor VGVGT
podemos escrever: R R R V V R B B BBmin BB GT B 1 2 820 4300 20 3 !
Daí podemos escrever que:
RB1 3
20 820 4300
fazendo esta relação de desigualdade igual a 10 vezes, podemos escrever:
10 3 20 820 4300 76 8 1 1 RB RB , ou comercialmente RB1 68Procedimento 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) Vrms (ferro móvel) Vcc (bob. móvel) 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 min 0 0083 377 180 ,
,Para o valor médio da tensão (instrumento de bobina móvel):
Vmedio 2Vs 2
(1 cos )
Para o instrumento de ferro móvel:
Vrms V s 2 2 2 2 4
sen
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.
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.
