Eletrônica Industrial e de Potência: Diodos, SCRs, Proteção de Dispositivos e Circuitos

Prof Dr Marcos Rosa UNIDADE I Eletrônica Industrial Eletrônica de Potência Área que estuda ou sugere a aplicação de dispositivos semicondutores de potência utilizados em sistemas com cargas supridas em baixas frequências com a finalidade de converter ou controlar energia elétrica Componentes eletrônicos Diodo de junção PN Semicondutor produzido com Germânio Ge ou Silício Si SCR Sillicon Controlled Rectifier ou Retificador controlado de silício Devido ao rápido chaveamento pode ser utilizado para controle de potência em circuitos elétricos Definições e componentes básicos Fonte adaptado de Ahmed 1998 Fig 1 Diodo semicondutor a estrutura b Símbolo Fig 2 SCR a estrutura b Símbolo a b P N A K Ânodo Cátodo iA K A vAK a b cátodo porta ânodo A G G A K K N P N P Proteção de dispositivos e circuitos Os transitórios eletromagnéticos efeitos que ocorrem diariamente em sistemas de potência provocam tensões transitórias nos circuitos conversores Essas tensões podem ser associadas ao processo de recuperação reversa dos dispositivos de potência bem como pelos efeitos dos chaveamentos dos componentes não lineares na presença de indutâncias conectadas aos circuitos Os circuitos elétricos estão sujeitos a falhas ou faltas tanto em equipamentos ou componentes quanto falhas provocadas por agentes externos Curtoscircuitos são efeitos que provocam altas correntes em dispositivos e componentes dos circuitos Os componentes devem operar dentro das condições fabris como especificado pelo fabricante Proteção de dispositivos e circuitos Proteção de dispositivos e circuitos Operacionalmente devese criar condições de trabalho adequadas para os dispositivos de potência protegendoos contra Sobretensões Sobrecargas e Superaquecimento As proteções para os dispositivos de potência devem atender a Instabilidade térmica dissipadores de calor Elevadas taxas de variação da tensão e corrente no tempo por circuitos amortecedores snubbers Transitórios de recuperação reversa Transitórios na fonte ou na carga e Condições de falta por fusíveis Proteção de dispositivos e circuitos Fig 3 Dissipadores de calor Fonte httpseletronicadepotenciacomdissipa dordecaloroguiacompleto Resfriamento e dissipadores de calor As perdas provocadas pelos chaveamentos dos dispositivos não lineares geram calor internamente nos dispositivos de potência A sequência de transferência de calor pode ser seguida como O dispositivo de potência gera uma perda média provocando uma temperatura de junção como pode ser verificado na equação e no circuito equivalente abaixo Em que Proteção de dispositivos e circuitos Fonte Rashid 2014 TJ RJC RCS TC PA TS RSA TA potência Resfriamento e dissipadores de calor Os efeitos transitórios provocam reações adversas nos circuitos de potência inclusive nos dispositivos em uso Esses efeitos geram impedâncias térmicas transitórias que podem ser determinadas por meio da resposta em um degrau de um sistema de primeira ordem Sendo a impedância térmica da junçãoencapsulamento em regime permanente RP a impedância térmica temporal ou seja instantânea pode ser determinada com a seguinte equação Com a perda de potência em função de Pd o aumento da temperatura instantânea de junção pode ser calculada por meio da seguinte equação Proteção de dispositivos e circuitos Resfriamento e dissipadores de calor A figura 5 mostra uma perda de potência do tipo pulsante em que a equação da temperatura de junção mostrada anteriormente pode ser utilizada para se construir um gráfico com as respostas em degrau da temperatura de junção Considerando com sendo a duração do nésimo pulso de potência admitese que as impedâncias térmicas correspondentes no início e no final serão e respectivamente A impedância que é análoga à duração de pode ser encontrada a partir das impedâncias térmicas transitórias Proteção de dispositivos e circuitos Fonte Rashid 2014 Fig 5 Temperatura da junção com pulsos retangulares de potência Pt P5 P1 0 Tjt Tj0 0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 tm t Pm P5 P3 t Resfriamento e dissipadores de calor Se os pulsos de potências forem com a temperatura final da junção do nésimo pulso é Os valores negativos dos sinais representam decaimentos da temperatura de junção nos intervalos t2 t4 t6 Se for considerada a temperatura de junção no mésimo pulso a equação abaixo poderá ser utilizada sendo Proteção de dispositivos e circuitos Temperatura inicial de junção impedância ao final nésimo pulso duração perda de potência para o nésimo pulso 0 intervalo de tempo Resfriamento e dissipadores de calor EXEMPLO 1 Considere a perda de potência mostrada na figura abaixo Construa o gráfico do aumento da temperatura instantânea da junção acima da temperatura do encapsulamento Dados Proteção de dispositivos e circuitos Fig 6 Perda de potência do dispositivo PW 1200 800 600 0 1 05 1 05 1 05 tms Fonte Rashid 2014 Resfriamento e dissipadores de calor Resolução EXEMPLO 1 Proteção de dispositivos e circuitos Fonte Rashid 2014 Fig 7 Variação da temperatura de junção ΔTjt 50 40 30 20 10 0 28 8 20 50 41 26 1 15 25 30 4 45 tms PW 1200 800 600 0 1 05 1 05 1 05 tms Proteção contra sobretensão com diodos de selênio e varistores de óxido metálico Diodos de selênio Utilizados para proteção contra sobretensões transitórias Possuem baixa queda de tensão ΔV direta Tensão de ruptura reversa bem definida Ponto de operação antes do joelho da curva Drena pequenos valores de corrente do circuito Quando submetido à sobretensão o ponto do joelho é cruzado e o fluxo de corrente reversa através do componente aumenta subitamente limitando a tensão transitória a 2 vezes a tensão nominal Proteção de surto de tensão por meio de diodos de selênio Fonte Rashid 2014 Fig 8 Características do diodo de selênio Tensão de grampeamento V2 v 0 i v i a Características vi b Símbolo Tensão nominal normalmente 25 V Tensão típica de grampeamento 72 V Proteção de surto de tensão por meio de diodos de selênio Fonte httpswwwnewtoncbragacombrindexphpcomo funciona8567comofuncionaodiododeselenio art1466html Fig 9 Diodos de selênio Exemplo Quantas células de selênio são necessárias para proteger um circuito de 380 Vcc Qual a tensão total de grampeamento Proteção de surto de tensão por meio de diodos de selênio Fig 10 Diodos de selênio Fonte httpsptdreamstimecomretificadoresde selC3AAnioimage111473511 Diodos de supressão de tensão Proteção do circuito CC Circuito de supressão polarizado fig 10 a Em CA circuitos não são polarizados fig 10 b limitam as tensões em ambos os sentidos Em circuitos em CA trifásicos fig 10 c normalmente são ligados em estrela Y Os diodos de selênio não limitam taxa de variação da tensão pois possuem baixa capacitância interna Proteção de surto de tensão por meio de diodos de selênio Varistores Dispositivos de impedância variável não linear Composto por partícula de óxido metálico separadas por película de óxido Com o aumento da tensão aplicada a película conduz e o fluxo de corrente é aumentado Proteção de surto de tensão por meio de diodos de selênio Fonte Rashid 2014 Fig 11 Diodos de supressão de tensão a Polarizado b Não polarizado c Proteção trifásica polarizada a b c v R L LS VS Diodos de supressão de tensão A proteção dos dispositivos semicondutores podem ser realizadas por meio da escolha adequada da instalação de fusíveis Os fusíveis são instalados em série no circuito a fim de interromper elevados fluxos de correntes Normalmente utilizados fusíveis de ação rápida interrompendo a corrente excessiva em tempos na ordem de milissegundos Quando a corrente de falta cresce a temperatura T no fusível cresce até tempo em que o elo fusível derrete Quando o fusível abre aparecem arcos elétricos e uma tensão de arco aparece sobre o fusível Proteção por sobrecorrente Proteção por sobrecorrente Fig 12 Proteção de dispositivos de potência Fig 13 Corrente no fusível a Retificador controlado b Chopper com GTO Alimentação CA T1 T3 T2 T4 F1 F2 Fusível L R VSCC F1 GTO Dm L R Fonte Rashid 2014 i 0 Tempo de fusão Tempo do arco ta tm tc Tempo de eliminação Corrente máxima de ruptura Corrente real t Corrente presumida falha Diodos de supressão de tensão As curvas de correntes em função do tempo dos dispositivos e fusíveis são utilizadas para a coordenação de um fusível para um dispositivo ação rápida ou retardada Energia do circuito Se R for constante o valor será proporcional à energia fornecida ao circuito Proteção por sobrecorrente Fig 14 Características correntetempo do dispositivo e do fusível Corrente rms I Característica do dispositivo Fusível t s 102 101 1 10 Corrente rms I Característica do fusível Dispositivo Proteção por fusível 0 102 101 1 10 100 t s a Proteção completa b Proteção apenas contra curtocircuito Fonte Rashid 2014 Oscilografias Proteção por sobrecorrente a 90 45 135 180 0 225 315 VBkV IB IC VCkV IA VAkV 270 135 180 225 270 315 0 45 90 10 12 V2 V0 V1 I1 Fonte autoria própria b Fig 15 Oscilografias a Diagrama fasorial b Formas de onda do evento Oscilografias Circuito modelo para cálculo de curtocircuito com as formas de onda de tensão e corrente de CC Proteção por sobrecorrente Concessionária 138 kV Sxxx 800 MVA 10 20 A 30 B 40 TR1 138138 kV 30 MVA Xcc12 L1 4 km Z10 1901 i03714 ΩKm Z10 4913 i12879 ΩKm Fonte autoria própria Imax200 A L2 3 km Z10 1901 i03714 ΩKm Z10 4913 i12879 ΩKm Imax150 A Fonte autoria própria Oscilografias Os gráficos ao lado são conhecidos como coordenogramas Por definição um coordenograma pode ser classificado como um gráfico logarítmico de tempo x corrente Proteção por sobrecorrente Fonte autoria própria Fonte autoria própria Tempo de duração Corrente elétrica Corrente elétrica Tempo de duração Cálculo da corrente de curtocircuito A corrente de curtocircuito é limitada pelas impedâncias dos condutores e da fonte do circuito e varia de acordo com o tempo que a fonte supre o defeito Em corrente contínua Proteção por sobrecorrente Em CA Exemplo Para um circuito suprido por uma fonte DC de 24 Vcc com indutância e resistência interna de 500 mH e 05 Ω respectivamente calcule e plote a corrente de curtocircuito Proteção por sobrecorrente Fonte autoria própria 50 45 40 35 30 25 20 10 15 5 0 0 05 1 15 2 25 35 3 4 45 5 Tempo s Corrente A Para um circuito suprido por uma fonte DC de 24 Vcc com indutância e resistência interna de 500 mH e 1 Ω respectivamente calcule o valor que a corrente de curtocircuito atingirá caso o fusível atue em 500 ms Escolha a alternativa correta Interatividade Para um circuito suprido por uma fonte DC de 24 Vcc com indutância e resistência interna de 500 mH e 1 Ω respectivamente calcule o valor que a corrente de curtocircuito atingirá caso o fusível atue em 500 ms Escolha a alternativa correta Resposta Alternativa correta Retificador hexafásico Um sistema hexafásico pode ser obtido por meio de um transformador com alimentação trifásica no primário e com seu secundário constituído por seis bobinas ligadas em estrela defasadas de 60 A figura 16 apresenta um retificador de meia onda apesar do secundário do transformador possuir seis fases Já a figura 17 mostra um retificador de onda completa Note na figura 17 que o retificador possui 12 pulsos Retificador hexafásico de meiaonda Fonte SenaiSP Fig 17 Circuito retificador hexafásico de onda completa Fig 16 Circuito retificador hexafásico de meiaonda Fonte ptscribdcom Retificador hexafásico O retificador pode ser considerado como seis unidades monofásicas em que cada unidade conduz durante π3 radianos ou 60 Os enrolamentos 14 25 e 36 estão defasados de 180 pois há uma tomada central comum para os enrolamentos como apresentado na figura 15 É possível verificar as diferenças entre os sinais de saída das figuras 18 e 19 Retificador hexafásico de meiaonda Fonte autoria própria Fig 19 Circuito retificador trifásico de 6 pulsos e formas de onda da tensão de entrada e saída Fonte ptscribdcom Fig 18 Formas de onda da tensão de saída de um retificador hexafásico Retificador hexafásico A tomada central dos enrolamentos secundários permite aproveitar os 2 semiciclos da tensão A tensão AA do primário contribui para a corrente de saída entre π3 e 2π3 D1 e entre 4π3 e 5π3 D4 A figura b mostra além das tensões secundárias as correntes que circulam nos diodos retificadores Retificador hexafásico de meiaonda Fig 20 Retificador hexafásico a retificador redesenhado b Formas de onda por períodos de condução a b iCC iA A iB B iBB B A iAA iC C iCC C U4 iD4 U1 iD1 U2 iD2 iD5 U5 U6 iD6 U3 iD2 ud id RL id1 id6 id2 id4 id3 id5 L RL π3 2π3 4π3 5π3 2π 7π3 π a π3 2π3 4π3 5π3 2π 7π3 π 5 1 6 2 4 3 5 US Um id Fonte Souza 2002 Retificador hexafásico A tensão média na carga para o retificador hexafásico pode ser obtida por meio da seguinte equação Retificador hexafásico de meiaonda Retificador hexafásico Para os diagramas da figura abaixo reproduzida nesse slide levandose em consideração a não existência do neutro N no primário as correntes nos diodos retificadores podem ser encontradas com os seguintes equacionamentos Retificador hexafásico de meiaonda Considerando a relação de transformação α1escrevemse as equações das correntes instantâneas do primário e secundário de forma relacionada ou seja Cada diodo conduzirá a corrente de carga denominada de Id a iCC iA A iB B iBB B A iAA iC C iCC C U4 iD4 U1 iD1 U2 iD2 iD5 U5 U6 iD6 U3 iD2 ud id RL L RL Retificador hexafásico Períodos de condução dos diodos De π3 a 2π3 60 a 120 Retificador hexafásico de meiaonda Premissa Subst em 2 vem Subst iBB e iCC em 1 vem Resolvendo p iAA vem Resolvendo p iBB como Vem que Da mesma forma id1 id6 id2 id4 id3 id5 π3 2π3 4π3 5π3 2π 7π3 π a π3 2π3 4π3 5π3 2π 7π3 π 5 1 6 2 4 3 5 US Um id Retificador hexafásico Períodos de condução dos diodos De 2π3 a π 120 a 180 Retificador hexafásico de meiaonda Premissa Subst em 3 vem Subst iAA e iBB em 1 vem Resolvendo p iCC vem Resolvendo p iAA e iBB com vem Nesse período iCC circula no sentido inverso ao indicado na fig 19 a Da mesma forma id1 id6 id2 id4 id3 id5 π3 2π3 4π3 5π3 2π 7π3 π a π3 2π3 4π3 5π3 2π 7π3 π 5 1 6 2 4 3 5 US Um id Retificador hexafásico Períodos de condução dos diodos De π a 4π3 180 a 240 Retificador hexafásico de meiaonda Premissa 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 AA BB CC AA d BB d CC d AA d BB d CC d i i i i i i i i i i i i i i i Subst em 2 vem Subst iAA e iCC em 1 vem Resolvendo p iBB vem Resolvendo p iAA como vem Da mesma forma id1 id6 id2 id4 id3 id5 π3 2π3 4π3 5π3 2π 7π3 π a π3 2π3 4π3 5π3 2π 7π3 π 5 1 6 2 4 3 5 US Um id Retificador hexafásico Períodos de condução dos diodos De 4π3 a 5π3 240 a 300 Retificador hexafásico de meiaonda Premissa Subst em 3 vem Subst iBB e iCC em 1 vem Resolvendo p iAA vem Resolvendo p iBB e iCC com vem Nesse período iAA circula no sentido inverso ao indicado na fig 19 a Da mesma forma id1 id6 id2 id4 id3 id5 π3 2π3 4π3 5π3 2π 7π3 π a π3 2π3 4π3 5π3 2π 7π3 π 5 1 6 2 4 3 5 US Um id Retificador hexafásico Períodos de condução dos diodos De 5π3 a 2π 300 a 360 Retificador hexafásico de meiaonda Premissa 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 AA BB CC AA d BB d CC d AA d BB d CC d i i i i i i i i i i i i i i i Subst em 2 vem Subst iAA e iBB em 1 vem Resolvendo p iCC vem Resolvendo p iAA como vem Da mesma forma id1 id6 id2 id4 id3 id5 π3 2π3 4π3 5π3 2π 7π3 π a π3 2π3 4π3 5π3 2π 7π3 π 5 1 6 2 4 3 5 US Um id Retificador hexafásico As correntes de linha iA iB e iC podem ser encontradas pela lei de Kirchhoff em A B e C como pode ser verificado na figura 20 a com recorte nesse slide Retificador hexafásico de meiaonda Portanto como pode ser verificado na figura 20 as correntes nos diodos retificadores mostram a condução e suprimento da carga Fonte Souza 2002 Fig 21 Formas de ondas das correntes de entrada do retificador hexafásico Id3 π3 2π3 π 2Id3 4π3 2Id3 π3 2π3 π π 2π3 4π3 π3 π3 2π3 π 4π3 5π3 4π3 5π3 c iAAiCC iBBiAA 2π3 π3 π 4π3 5π3 iCCiBB 5π3 4π3 π 2π 7π3 7π3 2π 2π3 π3 7π3 2π 2π 7π3 5π3 2π 7π3 iC iB Id iA Id Id3 Id3 iCC Id3 iBB Id3 Id3 iAA 5π3 2Id3 2π 7π3 iA iB iC iCC A iAA A B iBB B iCC C C Encontre as correntes iAA iBB e iCC para os períodos de condução De 2π a 7π3 360 a 420 Interatividade Escolha a alternativa correta id1 id6 id2 id4 id3 id5 π3 2π3 4π3 5π3 2π 7π3 π a π3 2π3 4π3 5π3 2π 7π3 π 5 1 6 2 4 3 5 US Um id Encontre as correntes iAA iBB e iCC para os períodos de condução De 2π a 7π3 360 a 420 Resposta Premissa Subst em 3 vem Subst iAA e iCC em 1 vem Resolvendo p iBB vem Resolvendo p iAA e iCC com vem Nesse período iBB circula no sentido inverso ao indicado na fig 19 a Alternativa correta id1 id6 id2 id4 id3 id5 π3 2π3 4π3 5π3 2π 7π3 π a π3 2π3 4π3 5π3 2π 7π3 π 5 1 6 2 4 3 5 US Um id AHMED A Eletrônica de potência São Paulo Pearson 1998 ALMEIDA J L A Dispositivos semicondutores Tiristores São Paulo Érica 2007 BOYLESTAD R L NASHELSKY L Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos São Paulo Pearson 2013 COMO FUNCIONA O DIODO DE SELÊNCIO Instituto NBC 2014 Disponível em httpswwwnewtoncbragacombrindexphpcomofunciona8567comofuncionaodiododeselenio art1466html Acesso em 30 maio 2022 MORAES C Dissipador de calor o guia completo Eletrônica de potência 2021 Disponível em 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