Controle de potência trifásico (ART269)

Na indústria, muitas máquinas e equipamentos são alimentados por fontes trifásicas de energia elétrica. O controle de potência de tais máquinas usando dispositivos de estado sólido tais como SCRs e TRIACS exige configurações especiais. Neste artigo descrevemos um circuito básico de controle de potência trifásico, cujo princípio de funcionamento permite que ele seja adaptado facilmente para aplicações de potências mais elevadas.
Os circuitos trifásicos são mais difíceis de trabalhar quando pretendemos controlá-los porque temos sinais com fases diferentes, os quais são aplicados a uma carga.
Este fato se reflete nos projetos de controles de potência usando SCRs ou outros dispositivos semicondutores, onde precisamos disparar estes componentes com diferenças de fases de 120 graus para obter um controle correto de seu funcionamento.
Como projetar um controle de potência para uma carga alimentada por uma rede trifásica é justamente nossa proposta com este projeto simples, cuja potência pode ser alterada pela troca dos SCRs usados.



FUNCIONAMENTO
A configuração básica para o controle trifásico de potência é mostrada na figura 1.



Conforme podemos observar, precisamos usar um SCR para cada fase com seu circuito de disparo independente, que deve atuar no ângulo correto para aplicar à carga a potência desejada de acordo com o ângulo de condução daquela fase específica.
Isso significa que, para termos um controle de potência de 0 até 100% da potência máxima, cada SCR deve ser disparado em ângulos que variam entre 0 e 180 graus dentro do ciclo de alimentação correspondente àquela fase.
Se os três SCRs forem disparados ao mesmo tempo em diversos ângulos de condução, a potência pode ser controlada, mas a faixa de atuação vai variar entre 25 e 100%.
Na figura 2 apresentamos um diagrama que mostra os instantes de condução com 3 SCRs disparados, no primeiro caso em ângulos diferentes e no segundo caso no mesmo instante.




Se a carga controlada não exigir um controle de 0 a 100%, mas puder operar com redução de potência do máximo até 25% de sua potência máxima, um controle de potência trifásico fica sensivelmente simplificado já que os três SCRs podem ser disparados ao mesmo tempo.
Esta é justamente a nossa proposta inicial com o circuito que apresentamos.


COMO FUNCIONA

O circuito fornecido na figura 3 pode ser considerado uma das possibilidades mais simples de termos um controle parcial de potência para uma carga alimentada por rede trifásica.




Conforme podemos ver, os três SCRs são disparados ao mesmo tempo em ângulos que são determinados pelo disparo de dois transistores unijunção.
Neste circuito o diodo D1 fornece a tensão de alimentação para o circuito de controle. A tensão ficará em torno de 20 V, valor este determinado pelo diodo zener D2.
R2 controla o ângulo de disparo de Q1 pelo ajuste do tempo de carga de C1. A tensão de pulso que aparece em R1 quando Q1 descarrega através de C1 é acoplada simultaneamente às comportas dos três SCRs através de R10, R11 e R12.
O circuito formado por Q2 e Q3 tem por finalidade evitar que Q1 dispare em qualquer ângulo de disparo maior que 120 graus. 
O bom desempenho deste circuito depende do fato de Q3 manter o ângulo de disparo o mais próximo possível de 120 graus. Isso é conseguido conectando-se a base 2 do transistor unijunção Q3 através de R5 a um ponto separado da tensão regulada por D2, através do resistor R8. Isso faz com que o ciclo de temporização de Q3 seja fixado com precisão em um pouco menos de 120 graus.
O resistor R8 também tem outra finalidade. Ligando a base 2 de Q1 a este componente, temos uma regulagem da tensão que compensa as variações da tensão da rede.
Com alimentação numa rede de 110 V este circuito mantém as tensões na carga na faixa de 40 a 150 V, o que corresponde a uma faixa de aproximadamente 3,75 : 1.



MONTAGEM

Os SCRs devem ser escolhidos de acordo com a potência que deve ser controlada.
Sugerimos que os SCRs sejam instalados em dissipadores de calor com a conexão através de fios de espessura apropriada com a carga a ser controlada.
A placa de circuito impresso apenas para o circuito de controle é mostrada na figura 4.



Os transistores unijunção são do tipo 2N2646 que ainda são bastante comuns neste tipo de aplicação.
O resistor de 33 ohms deve ser de fio com 2 W de dissipação e os capacitores devem ser de poliéster com uma tensão de trabalho de pelo menos 100 V.
Os potenciômetros R7 e R8 devem ser de fio.
Lembramos que este circuito tem conexão direta com a rede de energia e que por isso precauções com as partes expostas devem ser redobradas no sentido de se evitar choques.

Os ajustes são:
R8 - para a compensação das flutuações da tensão da rede de energia.
R2 - Controle de tensão
R1 - Ajustar para um ângulo de disparo bem próximo de 120 graus.


LISTA DE MATERIAL

Semicondutores:
SCR1, SCR2, SCR3 - TIC106B para correntes, até 3 ampères por fase.
D1 - 3 diodos 1N4004
D2 - Zener de 20 W x 1 W
D3 - 1N4004 ou 1N4007 - diodos (para cargas indutivas)
D4, D5, D6 - 1N5404 - diodos de silício - para cargas até 3 A
Q1, Q3 - 2N2646 - transistor unijunção
Q2 - BC547 ou equivalente - transistor NPN de uso geral

Resistores:
R1 - 10 k ohms - potenciômetro
R2 - 20 k ohms - potenciômetro
R3 - 470 ohms, 1/2 W
R4 - 100 ohms, 1/2 W
R5, R6 - 390 ohms, 1/2 W
R7 - 33 ohms, 2 W
R8 - 500 ohms, 2 W - potenciômetro de fio
R9 - 100 ohms, 1/2 W
R10, R11, R12 - 25 ohms, 1/2 W

Capacitores:
C1 - 470 nF - poliéster
C2 - 1 µF - poliéster


Diversos:
Placa de circuito impresso, radiadores de calor para os SCRs, botões para os potenciômetros, fios, solda, etc.


Obs: Este artigo foi publicado em 1999. Os transistores unijunção quase não mais são usados e por isso existe certa dificuldade para sua obtenção. Verifique antes a disponibilidade deste componente antes de montar o circuito.

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