Acionamento de cargas por ângulo de fase e por trem-de-pulso

Publicado em 25 de setembro de 2023 por Thiago Paredi

Controladores de potência ou módulos de potência são os equipamentos destinados ao controle da quantidade de energia aplicada diretamente sobre a carga de processos diversos. A quantidade de energia a ser aplicada, a carga, é definida pelo controlador do processo que, através de seu sinal de saída, repassa a informação ao controlador de potência.

O controlador de potência atua sobre seus tiristores, que são componentes internos de alta capacidade de condução de corrente elétrica. Estes atuam como chaves elétricas e, como tais, são dispositivos de apenas dois estados: ligado ou desligado. Como, então, entregar a carga do processo em quantidades de energia diferentes de 0 % (tiristor desligado) e 100 % (tiristor ligado)?

A resposta está na técnica de modulação da tensão elétrica da rede que alimenta a carga. Ligando e desligando os tiristores em momentos criticamente específicos, é possível obter sobre a carga valores médios de potência proporcionais ao definido pelo controlador de processo.

Duas técnicas são tradicionalmente utilizadas:

1 – Modulação da tensão por Ângulo de Fase

Cada ciclo da rede elétrica AC é dividido em dois semi-ciclos e esses são sub-divididos em graus, num total de 180° para cada semi-ciclo.

Na modulação por ângulo de fase, o acionamento dos tiristores se dá a cada semi-ciclo da rede. A modulação acontece ligando o tiristor no ângulo que corresponde ao percentual de potência elétrica definido pelo sinal de entrada do controlador de potência. O desligamento acontece no próximo cruzamento por zero. É repassada para a carga apenas parte de cada semi-ciclo.

Por exemplo: para uma potência de 50 %, definida pelo sinal de entrada, o tiristor liga em 90° e desliga em 180° (cruzamento por zero). Veja o gráfico abaixo:

Abaixo, outros valores de potência aplicados sobre a carga:

Neste tipo de modulação, torna-se possível um controle mais refinado do processo. Valores baixos de sinal de entrada promovem baixos valores de tensão sobre a carga. Essa característica é importante em processos em que há necessidade de limitar a corrente elétrica nos primeiros momentos de processo ligado. O exemplo representa o tipo de acionamento indicado para ser instalado no lado primário de transformadores. Nessas aplicações, é contraindicado utilizar valores de potência elétrica menores de 25% para evitar problemas no desligamento da carga.

2 – Modulação da tensão por ciclo integral (equivalente ao trem-de-pulso)

Neste tipo de modulação o controle da potência elétrica acontece pela limitação do número de ciclos da rede aplicados à carga. O controlador de potência determina o número de ciclos de rede que serão repassados à carga. Por exemplo: para 10% de potência, definidos por seu sinal de entrada, o controlador de potência aplica sobre a carga 1 ciclo a cada 10 ciclos de rede. Para 25%, aplica 1 ciclo a cada 4. Para 50 %, aplica 1 a cada 2. Veja os gráficos abaixo:

Assim, a carga é sempre acionada nos cruzamentos de zero da tensão da rede elétrica e seu desligamento acontece no cruzamento por zero da corrente elétrica da carga. Esta característica traz vantagens importantes à instalação pois não são gerados ruídos nem harmônicos.

Outra vantagem importante desse tipo de modulação é a possibilidade de um acionamento mais linear da carga. Como esta técnica não necessita de um período de ciclo (cycle time), não há grandes intervalos sem o acionamento da carga.

Por exemplo: numa modulação por trem-de-pulso com o período de ciclo definido em 1 segundo, quando o controlador de potência aplica 25% de potência à carga temos 0,25 segundo de carga ligada e 0,75 segundo de carga não ligada. Deste modo, tem-se uma espécie de “batimento”. Lâmpadas incandescentes, nestas condições, permaneceriam piscando. Com a técnica sem o período de ciclo, a carga liga 16,6 ms (1 ciclo) e permanece desligados por outros 49,8 ms (3 ciclos de rede).

Controladores de potência PCW e PCWE

Nos controladores de potência NOVUS das séries PCW e PCWE, o encontra-se essas duas técnicas de acionamento de cargas elétricas em um mesmo equipamento. A seleção de qual técnica adotar é feita durante a configuração do controlador. Além desta vantagem, os controladores NOVUS apresentam as seguintes características:

Tensão de carga: 180~440 Vca; 50/60 Hz
Sinal de comando: 0-20 mA, 4-20 mA, 0-5 V, 1-5 V, 0-10 V, 2-10 V e Potenciômetro de 10 k
Alimentação de controle: 220 Vac; 50/60 Hz
Alarme com relé SPST; 3 A / 250 Vca
Rigidez dielétrica entre partes: 2500 V
Temperatura de Operação: -10 a 60 ºC
Gabinete plástico: ABS+PC / UL-94V0
Para redes de 220/380V
Gabinete compatível com as normas NR10
Trem-de-pulso e Ângulo de fase em um mesmo modelo
Múltiplos sinais de comando
Fusíveis incorporados