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Tipologia: Notas de estudo
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O QUE É UM CONVERSOR ELÉTRICO ESTÁTICO
O conversor elétrico estático Tiristherm é um equipamento destinado para o controle de potência de processos industriais que utilizam aquecimento através de resistências elétricas. Sua função é permitir a passagem de energia elétrica em níveis controlados para o aquecimento. Também pode ser utilizado para controle de luminosidade (lâmpadas), controle da tensão sobre elementos de aquecimento por indução, calhas vibratórias, cargas indutivas (transformador), etc.
É um equipamento formado por diversos componentes agregados, tais como:
O conversor elétrico estático Tiristherm trabalha em conjunto com controladores de processos, CLP, entre outros, os quais captam as oscilações de temperatura do processo e enviam um sinal de comando variável ao conversor de acordo com a demanda de potência (ex.: 4...20mAcc), e o conversor controla a passagem de energia elétrica de acordo com este sinal. Ex.: 4mA = 0% de potência 20mA = 100% de potência
O comando eletrônico de disparo é o componente do conversor que recebe este sinal de comando e envia um sinal de disparo aos gatilhos dos tiristores ou triacs que passam a conduzir a corrente proporcionalmente.
A função dos tiristores ou triacs, que são elementos de estado sólido, é a condução da energia, possibilitando uma alta frequência no chaveamento da mesma, e obtendo maior precisão no resultado final de controle do processo. Apresentam também a vantagem de não se desgastarem mecanicamente como os contatores magnéticos.
O dissipador térmico de alumínio é utilizado para manter os elementos tiristores (ou triacs) sempre em temperatura abaixo da máxima permitida. São utilizados dissipadores com formatos e tamanhos diferentes para atender a necessidade de dissipação térmica de cada conversor, de acordo com sua corrente nominal máxima. Em alguns casos, são utilizados também exaustores ou serpentinas com água para auxiliar na refrigeração do conversor.
Como proteção para evitar excesso de temperatura nos dissipadores (por problema decorrente da carga ou por falta de ventilação no painel) é utilizado um termostato de proteção, instalado sobre o dissipador, que inibe o funcionamento do conversor.
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Sistema trem de impulso Monofásico (W1C) - uma fase controlada e uma direta Trifásico (W3.2C) - duas fases controladas e uma direta Trifásico (W3C) - três fases controladas
Sistema ângulo de fase Monofásico (W1C) - uma fase controlada e uma direta Trifásico (W3C) - três fases controladas
Resistiva Indutiva
110Vac 220Vac 380Vac 440Vac 460Vac 480Vac (48...62 Hz) ±10% Outras tensões, sob consulta.
0...20mAcc 4...20mAcc 0...5Vcc 1...5Vcc 0...10Vcc 2...10Vcc Outros sinais, sob consulta.
1000 - 1200 ampères Outros valores, sob consulta.
Circuito monofásico: 6 à 63 ampères (refrigeração natural) 80 à 630 ampères (refrigeração forçada através de 1 exaustor)
Circuito trifásico com 2 fases controladas: 6 à 36 ampères (refrigeração natural) 50 à 160 ampères (refrigeração forçada através de 1 exaustor) 200 à 630 ampères (refrigeração forçada através de 2 exaustores)
Circuito trifásico com 3 fases controladas: 10 à 25 ampères (refrigeração natural) 36 à 160 ampères (refrigeração forçada através de 1 exaustor) 200 à 630 ampères (refrigeração forçada através de 3 exaustores)
Refrigeração à água para correntes maiores.
Fusíveis ultra-rápidos para proteção de sobre corrente (fornecidos avulsos) Termostato para proteção de sobre temperatura (acionamento em torno de 70ºC no corpo do dissipador) RC - filtro para proteção de sobre tensão
Com potenciômetro para limitação máxima de corrente em torno de 40%, que funciona com o emprego adicional do dispositivo de valor médio modelo THD 569
Os conversores estáticos são providos com uma entrada externa para um sinal de bloqueio (contato seco livre de potencial)do disparo
SISTEMA DE DISPARO (TREM DE IMPULSO)
O conversor elétrico estático sistema trem de impulso envia pacotes de senóide com intervalos, em níveis controlados, variando em conformidade com o sinal de comando energizando e interrompendo a tensão sempre no zero da senóide (zero crossing), aumentando ou diminuindo a corrente média. A saída de potência varia linearmente na condução de energia. Utilização: em circuitos com resistências elétricas metálicas cujo valor ohmico entre estado frio e quente tenha uma variação inferior a 50%, ou com comando de disparo específico para circuitos indutivos (transformadores com indução abaixo de 1.3 TESLA). Possui a vantagem de evitar picos de tensão e distúrbios na rede elétrica, elimina a RFI, bem como, transientes de perturbação refletidas de volta ao sistema da rede de alimentação. A sua maior vantagem hoje em dia é sobre o mercado consciente no aproveitamento de energia, pois libera um fator de potência próximo a (cosphi = 1) sobre a carga resistiva.
4 mA
8 mA
12 mA
16 mA
20 mA
Exemplo de condução de energia no sistema trem de impulso com um sinal de 4...20mAcc:
Exemplo: 4 mA = potência 0% 20 mA = potência 100%
Sinal de comando (%)
Potência de saída (%)
20% 40%^ 60%^ 80%^ 100%
OS CONVERSORES ESTÁTICOS SISTEMA TREM DE IMPULSO PODEM SER FORNECIDOS COM: Circuito monofásico “W1C” (uma fase controlada e uma fase direta) Circuito trifásico “W3.2C” (duas fases controladas e uma fase direta) Circuito trifásico “W3C” (três fases controladas)
OBSERVAÇÕES SOBRE AS LIGAÇÕES DOS CONVERSORES ESTÁTICOS NO SISTEMA TREM DE IMPULSO:
Em ligação ESTRELA SEM O NEUTRO ATERRADO, não é necessário um circuito com 3 fases controladas podendo ser utilizado um circuito com 2 FASES CONTROLADAS apenas (vide figuras 1 e 3).
Em ligação ESTRELA COM O NEUTRO ATERRADO, é necessário utilizar um circuito com 3 FASES CONTROLADAS (exceto em cargas indutivas). Caso se utilize apenas 2 fases controladas (R - T) a fase S conduz energia via fase / terra deixando a carga ligada permanentemente (vide figura 2).
Para aplicação dos conversores estáticos Tiristherm EM TRANSFORMADORES solicitamos: Entrar em contato com nossa engenharia para averiguação da viabilidade técnica. Na alimentação do conversor, observar a sequência positiva das fases (R S T). A carga deve ser desligada com o disparo do tiristor inibido (corrente nula) para se evitar picos de tensão inversos. Os transformadores ligados após os tiristores sob forma de carga, quando trifásicos, devem ter seu primário em ligação estrela não aterrada. O secundário pode ser ligado em estrela ou triângulo. Os transformadores de carga devem ter uma indução nominal abaixo de 1,3 TESLA (13.000 Gauss) e possuírem núcleo com grãos orientados laminados a frio. Os tiristores trifásicos não podem ser ligados à transformadores do tipo SCOTT.
Em ligação TRIÂNGULO não é necessário um circuito com 3 fases controladas podendo ser utilizado um circuito com 2 FASES CONTROLADAS apenas (vide figuras 5 e 7).
LIGAÇÕES DE CARGAS RESISTIVAS E INDUTIVAS EM ESTRELA
CIRCUITOS TRIFÁSICOS - SISTEMA TREM DE IMPULSO
R S T
Contatora de segurança
Fusíveis ultra rápidos
Figura 1
R
R
S
S
T
T
Contatora de segurança
Fusíveis ultra rápidos
Transformador
Figura 4
R S T
Contatora de segurança
Fusíveis ultra rápidos
Figura 2
R S T
Contatora de segurança
Fusíveis ultra rápidos
Transformador
Figura 3
LIGAÇÕES DE CARGAS RESISTIVAS E INDUTIVAS
CIRCUITOS MONOFÁSICOS - SISTEMA TREM DE IMPULSO
R S (N)
Contatora de segurança
Fusíveis ultra rápidos
CARGA RESISTIVA FASE/FASE OU FASE/NEUTRO
Figura 9
R S (N)
Contatora de segurança
Fusíveis ultra rápidos
CARGA INDUTIVA FASE/FASE OU FASE/NEUTRO
Transformador
Figura 10
SISTEMA DE DISPARO (ÂNGULO DE FASE)
SISTEMA ÂNGULO DE FASE O conversor elétrico estático sistema ângulo de fase executa por meio de cortes na senóide em vários ângulos um controle da tensão variando em conformidade com o sinal de comando. No controle do ângulo de fase do tiristor desde 0 até 180º elétricos, a tensão sobre a carga varia de zero volts (condução com ângulo 180º elétricos) até tensão plena sobre a carga (0º elétrico de ângulo de condução) em todos os estágios. Utilização: em cargas não lineares (resistências de carbeto de sílicio ou tungstênio), cargas indutivas (transformadores com indução abaixo de 1.3 TESLA), ou em sistemas de controle de iluminação (aquecimento através de lâmpadas infravermelho). Não é aplicado para acionamento de motores elétricos. As vantagens do modo de disparo por ângulo de fase são as seguintes: permite obter um disparo inicial suave (soft start) bem como poder limitar a corrente máxima sobre a carga. Este sistema pode gerar ruídos e harmônicas na rede elétrica, interferências de rádio frêquência (RFI) durante o disparo do tiristor bem como baixar sensivelmente o fator de potência (cosphi) com reflexos sobre a remuneração da energia elétrica.
4 mA
12 mA
20 mA
Exemplo de condução de energia no sistema ângulo de fase com um sinal de 4...20mAcc:
Exemplo: 4 mA = potência 0% 20 mA = potência 100%
Sinal de comando (%)
Potência de saída (%)
25% 50% 75% 100%
OS CONVERSORES ESTÁTICOS SISTEMA ÂNGULO DE FASE PODEM SER FORNECIDOS COM:
Circuito monofásico “W1C” (uma fase controlada e uma fase direta) Circuito trifásico “W3C” (três fases controladas)
OBSERVAÇÕES SOBRE AS LIGAÇÕES DOS CONVERSORES ESTÁTICOS NO SISTEMA ÂNGULO DE FASE: Para aplicação dos conversores estáticos Tiristherm EM TRANSFORMADORES solicitamos: Entrar em contato com nossa engenharia para averiguação da viabilidade técnica. Na alimentação do conversor, observar a sequência positiva das fases (R S T). A carga deve ser desligada com o disparo do tiristor inibido (corrente nula) para se evitar picos de tensão inversos. Os transformadores ligados após os tiristores sob forma de carga, quando trifásicos, devem ter seu primário em ligação estrela não aterrada. O secundário pode ser ligado em estrela ou triângulo. Os transformadores de carga devem ter uma indução nominal abaixo de 1,3 TESLA (13.000 Gauss) e possuírem núcleo com grãos orientados laminados a frio. Os tiristores trifásicos não podem ser ligados à transformadores do tipo SCOTT, nem utilizados para acionamento de motores elétricos.
LIGAÇÕES DE CARGAS RESISTIVAS E INDUTIVAS
CIRCUITOS MONOFÁSICOS - SISTEMA ÂNGULO DE FASE
R S (N)
Contatora de segurança
Fusíveis ultra rápidos
CARGA RESISTIVA FASE/FASE OU FASE/NEUTRO
Figura 15
R S (N)
Contatora de segurança
Fusíveis ultra rápidos
CARGA INDUTIVA FASE/FASE OU FASE/NEUTRO
Transformador
Figura 16
CÓDIGO DE CLASSIFICAÇÃO
TH 6 1 2 3 A 100
Sistema de disparo 0 = trem de impulso 1 = ângulo de fase
Tensão da carga 1= 110 Vac 2 = 220 Vac 3 = 380 Vac 4 = 440 Vac
Circuito
Sistema trem de impulso 1 = monofásico 2 = trifásico com 2 fases controladas 3 = trifásico com 3 fases controladas
Sistema ângulo de fase 1 = monofásico 3 = trifásico com 3 fases controladas
Corrente nominal (ampères) 10 - 16 - 20 - 25 - 36 - 50
TH 6 2 0 0 A 10
SISTEMA TREM DE IMPULSO – CARGA RESISTIVA (dimensões em milímetros)
Corrente
SISTEMA TREM DE IMPULSO – CARGA INDUTIVA (dimensões em milímetros)
Corrente
SISTEMA ÂNGULO DE FASE (dimensões em milímetros)
Corrente
INSTRUÇÕES DE MONTAGEM
Recomendamos observar os seguintes pontos durante a montagem do equipamento:
Tensão da rede: verificar se corresponde a tensão indicada na etiqueta do conversor.
Tensão de alimentação do comando eletrônico e ventilador: verificar se corresponde a tensão indicada na etiqueta do conversor.
Sinal de controle: verificar se corresponde ao sinal de controle indicado na etiqueta do conversor.
Posicionamento: o conversor deve ser montado de modo que suas aletas de refrigeração permaneçam na posição vertical e o exaustor de resfriamento (se houver) fique na posição superior.
Disposição no painel: dispor os componentes no painel de maneira a não impedir a circulação normal ou forçada do ar para refrigeração dos tiristores. Para tanto, deixar um espaço livre de no mínimo 100 mm em torno do conversor.
Grades de ventilação: prever no lado inferior e superior da porta frontal do painel, aberturas de ventilação para a constante troca de ar afim de melhorar a dissipação do calor. As aberturas de ventilação devem possuir filtros apropriados para reter a poeira em suspensão no ambiente.
Alinhamento: dispor os conversores num alinhamento horizontal (um a lado do outro e não um acima do outro verticalmente) para não prejudicar o resfriamento dos conversores.
Disposição da cablagem: os cabos de força devem ser montados longe dos cabos de comando de sinalização e nunca na mesma canaleta.
Cabos blindados: os sinais de corrente contínua (mV ou mA), inclusive o sinal de inibição do disparo do tiristor e o sinal de retorno devem ser transmitidos por cabos bipolares com os condutores trançados. Estes cabos devem ser blindados e aterrados em um único ponto próximo aos terminais. Usar sempre fio blindado com isolamento externo. Quando as unidades de disparo são montadas separadamente dos conversores, os cabos de gatilhamento (amarelo = gatilho / vermelho = catodo) devem ser bipolares com os dois condutores trançados e blindados com aterramento em um único ponto.
Canaletas: devem ser projetadas de modo a possibilitar uma montagem isolada para cada tipo de nível e intensidade de sinal. O sinal do controlador para o conversor nunca deve passar na mesma canaleta com sinais de corrente alternada.
Sequência de fases: os conversores disparados pelo sistema ângulo de fase ou ligados a transformador (carga indutiva), sempre devem ser ligados na sequência positiva das fases (R-S-T).
Polarização: verificar a correta polarização do sinal de comando e do gatilhamento. Uma inversão do sinal do gatilho com o catodo leva imediatamente a destruição do tiristor.
OBS: para aplicação do conversor junto a transformadores, recomendamos:
Em caso de dúvidas, entrar em contato com nosso depto. Técnico através do tel (11) 5643-0440 ou do e-mail: [email protected]
Precisão: menores oscilações da temperatura programada pelo fato da demanda elétrica ser proporcional a demanda térmica, e portanto, melhora da qualidade do produto tratado. Aumento da vida útil das resistências: mantém a temperatura no valor do set point evitando sobrecargas provocadas pela oscilação da tensão da rede, diminuindo o desgaste das resistências. Não apresenta o problema de desgaste mecânico como no caso de contatores, pois os tiristores são peças em estado sólido. Economia de energia elétrica: com a limitação automática da demanda elétrica, elimina-se sobrecargas de tensão que provocam desperdício de energia.
No caso de aplicação de contatora convencional para controle de temperatura em fornos ou estufas, há uma flutuação muito grande da temperatura resultando em perdas por radiação e produtos finais de baixa qualidade submetidos à estas variações.
FATOR CONVERSOR ESTÁTICOTIRISTORIZADO CONTATOR MAGNÉTICO
Frequência de comutação Muito alta Baixa Tipo de controle usual Contínuo 4...20mA PI On-off P Tipo de controle possível Contínuo 4...20mA PID On-off PI Qualidade controle Muito alta Baixa Oscilação na temperatura Nenhuma Inevitável Valor da oscilação na temperatura Zero: estabiliza Não estabiliza: 1 a 5% Ações para reduzir oscilação Não aplicável Aumentar o ganho Consequência do aumento de ganho
Não aplicável Aumento frequência de comutação Consequência do aumento da frequência
Não aplicável Aumento do desgaste/redução da vida Desgaste mecânico Zero Depende da frequência de comutação Desgaste elétrico: contatos Zero Depende da frequência de comutação Possibilidade de não abrir o circuito
Tiristor em curto Contato colado
Probabilidade de não abrir o circuito
Muitíssimo baixa Baixa
Possibilidade de não fechar o circuito
Gate do tiristor aberto Bobina queimada, baixa tensão, sujeira Probabilidade de não fechar o circuito
Muitíssimo baixa Baixa
Durabilidade: vida útil Ilimitada Iimitada: 100.000 a 250. operações Confiabilidade Alta Média MTBF (Mean Time Between Failure) 25.000 horas 5.000 horas MTFR (Mean Time For Repair) 1 hora 2 horas Necessidade de manutenção preventiva
Anual Mensal
Fases controladas Duas Três Resistência a curto na saída Baixa Alta Custo dos fusíveis Médio Baixo Necessidade de seccionadora sob carga
Sim Não
Espaço no painel Menor Maior (muito maior se estrela/triângulo)
Apresentamos abaixo um estudo comparativo entre os conversores elétricos estáticos tiristorizados e contatores magnéticos no controle de temperatura em fornos elétricos. Destacamos as seguintes vantagens do conversor elétrico estático em relação aos contatores:
Custo aquisição normal O mesmo O mesmo, se bem dimensionado Custo aquisição estrela/triângulo Menor Maior Custo das peças reserva Menor Maior Vibração mecânica Nenhuma Grande Peso Menor Maior Estrutura suporte Simples Reforçada Estado da arte Atual Superada Expectativa de evolução Alta Baixa Vida útil do elemento aquecedor Alta Baixa Tempo de resposta Pequeno Grande Temperatura superficial média do elemento
Menor Maior
Corrente do “inrush” Pequena Grande Faiscamento Nenhum Grande Tipo de comutação Sempre na tensão zero Em qualquer tensão interferência na rede Pequena Média Exige supressor de ruído na rede Não Sim Corrente do “inrush”na bobina Não aplicável Grande Exige supressor de ruído no comando
Não Sim
Divisão do forno em zonas Fácil Difícil Número de fios controlador- atuador
2 2 (3 se estrela-triângulo)
Distância do controlador-atuador Qualquer Qualquer Controle de elementos de carbureto de silício
Possível Impossível
Eliminação de transformador abaixador
Sim Não
Permite limitação da corrente Sim Não Unidade maior é reserva para menor
Sim Não
Demanda elétrica Menor Maior Fator de carga elétrico Maior Menor Custo do kWh médio Menor Maior
