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CAPÍTULO 3 : CONVERSORES CC/CC
3.5 - CIRCUITOS DE COMUTAÇÃO FORÇADA :
3.5.1 - Introdução :
- Os SCR's entram em CONDUÇÃO quando estão diretamente polarizados e é aplicado
um PULSO Positivo em seu gate. Está Condição é válida na utilização dos SCR's em
Conversores CA/CC ( Retificadores ); Conversores CC/CC ( Choppers ); Conversores
CA/CA ( Chaves Estáticas e Cicliconversores ) e Conversores CC/CA ( Inversores );
- Para a COMUTAÇÃO dos SCR's do estado de Condução para o estado de Bloqueio,
tem-se duas condições :
1. COMUTAÇÃO NATURAL
: A Corrente que passa pelo SCR, "Naturalmente"
atinge o ZERO, provocando o Bloqueio do mesmo. Isto ocorre nos Retificadores;
Chaves Estáticas e Cicloconversores onde a fonte de alimentação é em Corrente
Alternada ( CA ). A figura 26 mostra esta condição.
Figura 26 : Comutação Natural.
2. COMUTAÇÃO FORÇADA : Quando a fonte de alimentação é em Corrente
Contínua ( CC ), teoricamente uma vez disparado o SCR, a corrente por ele nunca
se anularia, não permitindo assim o seu bloqueio.
São utilizados então Circuitos que forçam a CORRENTE a se anular ou à se
DESVIAR do SCR ( componente que se quer bloquear ). Este circuitos são
chamados de CIRCUITOS DE COMUTAÇÃO FORÇADA.
Estes Circuitos utilizam Capacitores, Indutores e/ou Resistores de forma a
fornecerem uma característica SUBAMORTECIDA para a Corrente,
proporcionando o instante em que a mesma se anula, provocando a comutação
(Bloqueio) do SCR. Esta técnica é aplicada em Choppers e Inversores.
Esta Técnica é aplicada para SCR's que operam em potências elevadas
(1kV/500A). Para potências menores, a utilização de GTO's e Transistores de
Potência é mais indicada, já que os circuitos de comutação forçada são eliminados.
3.5.2 - Técnicas de COMUTAÇÃO FORÇADA :
- Podem ser classificadas como :
a - Autocomutação;
b - Comutação por Impulso;
c - Comutação por Pulso Ressonante;
d - Comutação Complementar;
e - Comutação por Pulso Externo;
f - Comutação do Lado da Carga;
g - Comutação do Lado da Linha.
3.5.2.1 - Autocomutação :
Neste circuito, o SCR é DESLIGADO devido às Características Naturais do Circuito. As
figura 27a e 27b mostram esta técnica.
a) b)
Figura 27 : Autocomutação, a).V C
(0) = 0V; b) V C
(0) = -V 0
.
A Equação Característica do Circuito, quando T
1
é Disparado, é dada por :
==== ++++ ==== ++++ i.dt ++++ vt ==== 0
C
dt
di
V v v L.
S L C
Para : v C
(t=0) =0 e i(t=0) =0, tem-se que :
v (t) V. (( (( 1 cos .t ))))
.sen .t
L
C
i(t) V.
C S m
S m
ωωωω
ωωωω
Em t t. L.C
0
π ππ
=π
⇒⇒
⇒ i(t = 0 ⇔ ⇔⇔
⇔ SCR T
1
DESLIGA!!
Para v
C
(t=0) = -V
0
e i(t=0) =0, tem-se que :
v (t) V .cos. t
.sen .t
L
C
i(t) V.
C 0 m
0 m
ω ωω
ω
ωωωω
Em t t t. L.C
r 0
==== ==== ==== ππππ ⇒⇒⇒⇒ i(t) = 0 ⇔⇔⇔⇔ SCR T 1
DESLIGA!!
Onde :
L.C
m
ωωωω ====
também pode ser dado por :
V v R. i
. i.dt v (t 0 )
C
v (t)
S C
C C
⇒ vC (t=0) = -V
0
= -V
S
, logo :
−−−−
R.C
t
C S
v (t) V. 1 2 .e
(t=t OFF
) = 0, t OFF
é :
t R.Cln( 2 )
OFF
- Para se acelerar a descarga do Capacitor C e garantir que t OFF
seja independente da
corrente de carga I m
, permitindo a comutação do SCR T 1
, utiliza-se o circuito da
figura 30. O Diodo D 1
e o Indutor L 1
são ligados em série e conectados em antiparalelo
com o SCR T
1
Figura 30 : Circuito acelerador de descarga do Capacitor C.
- As Equações de Corrente e Tensão no Capacitor C e do Tempo de Bloqueio t OFF
, são
dadas por :
(t=0) = I m
; vC(t=0) = -V 0
= -V S
−−−−
m 1
0
1
OFF 1
1
1
1 0 1
1
C m
1 m 1
1
C 0
L
C
I
V
t L.C.tan.
L.C
.sen .t V .cos .t
C
L
v (t) I.
.sen .t I .cos .t
L
C
i (t) V.
ωωωω
ωωωω ωωωω
ωωωω ωωωω
3.5.2.3 - Comutação por Pulso Ressonante :
- O Capacitor C é inicialmente carregado com uma tensão V
0
, com polaridade indicada
na figura 31;
1
está conduzindo e a corrente por ele é a corrente de carga I
m
;
Figura 31 : Comutação por Pulso Ressonante.
é disparado, é formado um circuito ressonante L, C, T 1
e T 2
. A
corrente ressonante e a tensão no Capacitor, são dadas por :
v (t) V .cos. t
.sen .t I .sen .t
L
C
i(t) V.
C 0 m
0 m P m
ω ωω
ω
ωωωω ωωωω
Em t = t
1
, a corrente i(t) é igual à I
m
⇔ i
T
⇔ SCR T
1
COMUTA. O tempo t
1
ocorre quando i( t=t 1
) = I m
:
−−−−
C
L
V
I
t L.C.sen
0
m
1
1
1
), a tensão no Capacitor é :
C 1 1 0 m 1
v (t t ) V V .cos .t
ω ωω
ω ==== ====−−−− ====−−−−
O Capacitor C descarrega e, em t = t
2
, sua tensão é igual à + V
S
. Neste instante, o
Indutor L transfere a energia armazenada para o Capacitor C fazendo com que a sua
tensão final ( t = t
0
), seja da pela equação :
V V
C
L
v (t t ) V I.
C 0 S m S
3.5.2.4 - Comutação Complementar :
- Esta comutação é utilizada para TRANSFERIR a corrente entre duas cargas. O
DISPARO de um SCR comuta o outro;
1
conecta a carga R
1
à fonte V
S
e, carrega o Capacitor C
comuma tensão V
S
, com a polaridade indicada na figura 33a;
coloca o Capacitor C em paralelo com o SCR T 1
, provocando
a sua COMUTAÇÃO por Tensão Reversa ( ou por Impulso ). Ao mesmo tempo, a
carga R
2
é conectada à fonte V
S
. A tensão no Capacitor é então invertida para -V
S;
provoca a COMUTAÇÃO do SCR T 2
e o ciclo se repete;
- Como cada SCR é Comutado por Impulso, este método de comutação também é
chamado de Comutação por Impulso Complementar****. A figura 33b mostra as formas de
onda das tensões e das correntes, para R 1
= R 2
= R.
a) Circuito. b) Formas de Onda.
Figura 33 : Comutação Complementar.
- Supondo que o Capacitor C está carregado com uma tensão V
S
, as equações de
corrente i C
(t), da tensão no Capacitor v C
(t) e do tempo de Comutação t OFF
, são dadas
por :
R. C
t
S
C
.e
R
2 .V
i (t)
− −−
−
−−−−
R.C
t
C S
v (t) V. 1 2 .e
t R.Cln( 2 )
OFF
3.5.2.5 - Comutação por Pulso Externo :
- O Pulso de Corrente é obtido a partir de uma tensão externa usada para COMUTAR
um SCR que está conduzindo;
- A figura 34 mostra este tipo de circuito. V
S
é a fonte de alimentação principal e V é a
fonte auxiliar ( provocar a Comutação );
Figura 34 : Comutação por Pulso Externo.
3
carrrega o Capacitor C com a tensão da fonte V. Se C está
inicialmente descarregado, há uma ressonância entre L e C com uma corrente de
ressonância máxima de :
L
C
I V.
P
- O Capacitor C é então carregado com uma tensão de V
C
= 2.V;
1
está conduzindo e a corrente de carga é Im, e o SCR T
3
também, o
DISPARO do SCR T
2
aplica uma tensão reversa sobre o SCR T
1
, provocando a sua
Comutação;
V V 2. V
RT S
1
1
é COMUTADO, o Capacitor C descarrega através da Carga em
função da corrente I m
...
- Durante o período de Comutação, o Indutor L conduz a Corrente de Carga I m
,
conforme o circuito equivalente mostrado na figura 36;
Figura 36 : Circuito equivalente no período de Comutação.
As equações da corrente e da tensão no Capacitor, em função das condições inicias do
circuito, são dadas por :
- condições iniciais : i( t = 0 ) = I m
e v C
( t = 0 ) = -2.V S
L. C
.sen .t 3 .V .cos .t V
C
L
v (t) I.
.sen .t
L
C
i (t) I .cos .t 3 .V.
i.dt v (t 0 )
C
dt
di
V L.
m
C m m S m S
C m m S m
S C
ωωωω
ω ωω
ω ω ωω
ω
ω ωω
ω ω ωω
ω
- O tempo de Comutação t OFF
é obtido para a condição de v
C
( t = t
OFF
) = 0 e
considerando a relação do parâmetro x para o cálculo de L e C :
− −−
− − −−
−
9 .x 1
x
t L.C.tan 3 .x sen
L
C
I
V
x
2
1 1
OFF
m
S
O tempo de Condução do SCR T
2
é definido para a condição de i( t = t
1
) = 0, e é dado
por :
−−−− −−−−
3. x
L.C. tan
3 .x
t L.C.tan
1 1
1
ππππ
= 0 e x é infinito, o valor de t OFF
e de t 1
, são dados por :
t. L. C
t 1 , 231. L.C
1
OFF
====ππ ππ
3.5.3 - Choppers com Comutação Forçada :
- Os Conversores CC/CC ( Choppers ) que utilizam SCR's com circuitos de Comutação
Forçada, são aplicados em Sistemas de Potência Elevados e especialmente no Controle
de Motores de Tração ( Motores de Corrente Contínua ).
3.5.3.1 - Chopper Comutado por Impulso :
- Utiliza dois SCR's para o processo de Comutação - Chopper Clássico****. O circuito é
mostrado na figura 37;
Figura 37 : Chopper Comutado por Impulso.
- Análise : A análise é feita considerando que o Capacitor C está, inicialmente
carregado com uma tensão V S
, com a polaridade indicada na figura 37. A corrente de
carga I m
também deve ser considerada CONSTANTE, durante todo o processo de
Comutação dos SCR's. A análise é dividida em cinco MODOS de Operação :
MODO 02 : O circuito equivalente para este MODO é mostrado na figura 39;
Figura 39 : Circuito Equivalente - MODO 02.
é DISPARADO. A tensão do Capacitor C ( -V
C
) é aplicada sobre o SCR T
1
,
provocando a sua COMUTAÇÃO;
- O Capacitor C descarrega através da carga de -V C
até ZERO. Este tempo de descarga
é dado por t
OFF
que depende da corrente de carga I m
., e deve ser MAIOR que t
q
(tempo de bloqueio do SCR) ;
m
C
OFF
I
V .C
t ====
do Capacitor C, é dado por :
m
S
d
I
V .C
t ====
- O tempo Total para o Capacitor C Descarregar e Recarregar é chamado de Tempo de
Comutação t
C
. Neste instante a tensão com Capacitor C é +V
S
e o Diodo de
Comutação D
m
inicia sua Condução;
C OFF d
t ==== t ++++ t
MODO 03 : O circuito equivalente para este MODO é mostrado na figura 40;
Figura 40 : Circuito Equivalente - MODO 03.
O Diodo D
m
começa a Conduzir. A energia armazenada em L
S
é transferida para o
Capacitor C. A corrente neste período i
S
(t) e a tensão no Capacitor C v
C
(t) são dadas
por :
.sen. t
C
L
v (t) V I.
i (t) I .cos .t
S
S
C S m
S m S
ωωωω
ωωωω
a corrente no Capacitor C é ZERO. Assim, o SCR T
2
COMUTA e a tensão
V C
(t =t S
) = V x
, é dada por :
C
L
V I.
V (t t ) V V V
t t 0 , 5.. L .C
S
m
C S x S
S S
π ππ
π
As formas de onda de interesse do Chopper, com este método de comutação, são
mostrada na figura 43;
Figura 43 : Formas de Onda.
A tensão média no Chopper é :
O C C S
O S C C S
k 0 V (k 0 ) 0 , 5 .f.t .V V
.V V
.V .k.T t.
T
V
Se o SCR T
1
tem que ser ligado por um tempo mínimo t
r
para garantir a carga inversa
do Capacitor C, tem-se que :
k t .f. L. C
t k .T. L .C
min r m
r min m
ππππ
ππππ
- A tensão de saída mínima V
O(min)
, que pode ser variada controlando-se a frequência do
Chopper, é dada por :
(((( )))) [[[[ (((( ))))]]]]
O min min S C C S S r C C S
V ==== k .V ++++ 0 , 5 .t .V ++++ V .f ==== f.V .t ++++ 0 , 5 .t .V ++++ V
- A tensão de saída máxima V
O(max)
, é determinada à partir do máximo valor do ciclo de
trabalho k. Este valor de k deve permitir que o Capacito C descarregue e carregue
novamente. Assim :
V k .V 0 , 5 .t .V V .f
T
t t t
k .T T t t t k 1
O(max) max S C C S
C S u
max C S u max
a - O SCR T
1
tem de conduzir a corrente de inversão ressonante, o que aumenta a sua
especificação de corrente máxima, limitando a tensão mínima de saída;
b - Os tempos de carga e descarga do Capacitor C são dependentes da corrente de carga,
limitando a operação em alta frequência;
c - O Chopper Ideal utilizando SCR's, não deve Ter limites para : tempo de condução
mínimo; tempo de condução máximo; tensão de saída mínima e frequência de operação
máxima;
d - O tempo de bloqueio t
OFF
deve ser independente da corrente de carga I
m
.
Existem quatro MODOS de Operação para este Chopper;
é DISPARDO e a carga é conectada à fonte de alimentação. O
DISPARO simultâneo do SCR T
3
permite inverter a carga do Capacitor C;
é DISPARADO e o Capacitor C descarrega e recarrega através
dacarga num intervalo de tempo que depende a corrente de carga;
- MODO 03 : O Capacitor C está carregado com a tensão da fonte V S
e o Diodo D
m
CONDUZ. Neste período o Capacitor C tem uma sobrecarga devido à energia
armazenada no Indutor L S
. Quando a corrente de carga cai à ZERO, o SCR T 2
COMUTA;
continua a conduzir a corrente de carga, até que seja iniciado
o novo ciclo de trabalho.
- Os circuitos equivalentes para os quatro modos de operação são mostrados na figura
46.
Figura 46 : MODOS de Operação - Circuitos Equivalentes.
- A inversão ressonante é independente do SCR T 1
e o tempo mínimo de condução não é
limitado;
é dependente da corrente de carga e a operação em alta
frequência é limitada.
- As equações utilizadas na análise do Chopper com Comutação por Impulso podem ser
utilizadas, com algumas restrições.
3.5.3.3 - Chopper de Pulso Ressonante :
- O Chopper de Pulso Ressonante é mostrado na figura 47. O Capacitor C é carregado
com uma tensão V C
, assim que a fonte de alimentação V S
é ligada, pelo circuito
formado por V
S
; L
S
; C; L
m
; D
1
e CARGA;
Figura 47 : Chopper de Pulso Ressonante.
- Existem seis MODOS de Operação para este Chopper com seus respectivos circuitos
equivalentes, mostrados na figura 48;
Figura 48 : MODOS de Operação - Circuitos Equivalentes.
