Gerenciamento de correntes de partida
Um relé de estado sólido de interseção zero pode ser o pior método possível de ligar um transformador ou uma carga altamente indutiva. Há evidências1 de que a ativação de zero-crossover de tais cargas pode causar uma corrente de surto 10 a 40 vezes maior que a corrente de estado constante, enquanto a ativação no pico de tensão resulta em pouco ou nenhum surto.
Correntes de surto de tal magnitude podem encurtar seriamente a vida útil do SSR de zero-crossover, a menos que o SSR tenha uma classificação de corrente bem superior à carga. Elas criam EMI e RFI (ao longo da linha de carga) que podem destruir portões lógicos e causar ativação indesejada de interruptores de semicondutores. Além disso, essas correntes de surto criam estresse térmico e mecânico nos enrolamentos da indução e nas laminações do núcleo do transformador. Esses estresses podem levar à falha precoce do dispositivo.
A causa de correntes de partida de tal magnitude é a saturação do núcleo. Os transformadores são projetados para operar abaixo da junção da curva de saturação do material central que está abaixo do ponto A na figura 1. No entanto, a saturação ocorre, e quando ocorre, a indutância diminui para um valor muito baixo. A impedância, em seguida, cai para pouco mais do que a resistência CC do circuito primário. (Isso pode ser válido para qualquer reação de saturação.)
Quando uma indutância cujo núcleo não contém magnetismo remanente é inicialmente energizada no pico de tensão, a taxa de mudança da corrente (di/dt) gera contra-eletromotriz máxima e, como mostrado em A da Figura 2, não há surto de fluxo. No entanto, se a tensão for aplicada a zero, a contra-eletromotriz é mínima e ocorre "duplicação de fluxo", como mostrado em B da Figura 2. Esta duplicação de fluxo é o resultado de um surto de corrente que pode durar vários meio-ciclos.
O magnetismo remanente no núcleo pode agravar essa condição de surto. É a natureza do material do núcleo reter o magnetismo até certo ponto depois que a tensão magnetizadora for removida. Se a tensão primária do transformador for reaplicada em zero-crossover e em tal direção que o campo crescente suporte fluxo remanente, será resultado um fluxo de 2øm +ør (C da Fig. 2). Este fluxo é inteiramente diferente de zero, e o núcleo está em profunda saturação, como mostrado pela curva de histerese em F da Figura 2. (D e E são as curvas de histerese para as condições A e B, respectivamente.) A corrente de partida, portanto, é muitas vezes normal, como mostrado em G da Figura 2, e pode durar vários meio-ciclos.
Um transformador de 150 VA tem uma resistência CC primária de 120 volts de aproximadamente 1,5 ohm, e um transformador de 500 VA, uma resistência primária de 120 volts de aproximadamente 0,3 ohm. Pode-se pensar que um SSR de 5 amperes de zero crossover seria mais do que suficiente para trocar a corrente do transformador 150 VA. No entanto, durante a saturação do núcleo, a partida de enrolamento primário é de 80 amperes:
I = E sobre R = 120 sobre 1,5 = 80 amperes.
No caso do transformador 500 VA, pode-se pensar que um SSR de 10 amperes pode ser suficiente. Mas, durante a saturação do núcleo, a corrente primária é de 400 amperes:
I = E sobre R = 120 sobre 0,03 = 400 amperes.
Nessas condições, o SSR está severamente sobrecarregado, e o transformador superaquece. (A energia gasta nas primárias durante este surto de 400 amperes seria de aproximadamente 40 KVA.)
Figura 1.
Figura 2.
As figuras 3 e 4 mostram o efeito de um SSR de ativação 90° em corrente de surto do transformador. Na Figura 3A, o transformador secundário está aberto, e o primário está ligado quase na tensão zero. Ocorre uma entrada de meio-ciclo de 200 amperes (leia o escopo da direita para a esquerda). No entanto, quando esse mesmo transformador é ligado no pico de tensão (Fig. 3B), a partida é apenas 17% maior do que a corrente de estado constante. Isto é, partida se 7 amperes.
Figura 3. Transformador de 150 VA, descarregado secundário. O rastreamento superior é a corrente primária; o rastreamento inferior é a tensão primária (120 VCA). (Leia o rastreamento da direita para a esquerda.)
A Figura 4 mostra o oscilograma do mesmo transformador com o secundário conectado a um resistor de 250 ohm. Como pode ser visto comparando as Figs. 3A e 4A, um secundário carregado não tem efeito apreciável na corrente de partida primária.
Correntes de surto como as mostradas nas Figuras 3A e 4A podem ser destrutivas para um SSR de zero-crossover.
Figura 4. Transformador de 150 VA, secundário conectado através do resistor de 250 ohm, 240 VCA. O rastreamento superior é a corrente primária; o rastreamento inferior é a tensão primária (120 VCA).
Um SSR "zero-crossover" nem sempre é ligado precisamente na tensão zero. É preciso talvez um milissegundo ou mais para o circuito reagir. Portanto, o interruptor de carga pode não estar totalmente ligado até que a tensão de carga seja talvez de 15 a 20 volts. Nesse caso, a corrente de surto não é tão grande, mas ainda é potencialmente destrutiva. Além disso, um SSR de ativação aleatória pode, às vezes, ligar em ou perto de zero-crossover. O melhor método de ligar transformadores e outras cargas saturáveis e altamente indutivas é usando um dispositivo de ativação de tensão de pico. A ativação na tensão de pico resulta em um surto mínimo, se de fato houver algum.
SSRs de zero crossover são excelentes comutadores para cargas capacitivas resistivas e ligeiramente indutivas. Mesmo assim, a corrente de partida deve ser levada em consideração. Ou seja, uma lâmpada incandescente pode puxar uma corrente de partida de "filamento frio" 10 a 20 vezes maior que a corrente de "filamento quente" de estado constante. Um motor pode puxar uma corrente de "rotor bloqueado" possivelmente 6 vezes maior que a corrente atual. E a partida de um capacitor, ou de um circuito no qual a capacitância perdida significativa está presente, é limitada apenas pela resistência CC do circuito.
Referências
1. “Alternating Current Machines,” Halsted Press, John Wiley & Son, “Inductively Loaded SSRs Control Turn-On to Eliminate First-Cycle Surges,” Electronic Design, March 15, 1979. “Controlling Transformer Inrush Currents,” EDN, July, 1966. “The Great Zero Cross-over Hoax,” NARM Proceedings, May, 1974.
Gerenciamento de correntes de partida
Um relé de estado sólido de interseção zero pode ser o pior método possível de ligar um transformador ou uma carga altamente indutiva. Há evidências1 de que a ativação de zero-crossover de tais cargas pode causar uma corrente de surto 10 a 40 vezes maior que a corrente de estado constante, enquanto a ativação no pico de tensão resulta em pouco ou nenhum surto.
Correntes de surto de tal magnitude podem encurtar seriamente a vida útil do SSR de zero-crossover, a menos que o SSR tenha uma classificação de corrente bem superior à carga. Elas criam EMI e RFI (ao longo da linha de carga) que podem destruir portões lógicos e causar ativação indesejada de interruptores de semicondutores. Além disso, essas correntes de surto criam estresse térmico e mecânico nos enrolamentos da indução e nas laminações do núcleo do transformador. Esses estresses podem levar à falha precoce do dispositivo.
A causa de correntes de partida de tal magnitude é a saturação do núcleo. Os transformadores são projetados para operar abaixo da junção da curva de saturação do material central que está abaixo do ponto A na figura 1. No entanto, a saturação ocorre, e quando ocorre, a indutância diminui para um valor muito baixo. A impedância, em seguida, cai para pouco mais do que a resistência CC do circuito primário. (Isso pode ser válido para qualquer reação de saturação.)
Quando uma indutância cujo núcleo não contém magnetismo remanente é inicialmente energizada no pico de tensão, a taxa de mudança da corrente (di/dt) gera contra-eletromotriz máxima e, como mostrado em A da Figura 2, não há surto de fluxo. No entanto, se a tensão for aplicada a zero, a contra-eletromotriz é mínima e ocorre "duplicação de fluxo", como mostrado em B da Figura 2. Esta duplicação de fluxo é o resultado de um surto de corrente que pode durar vários meio-ciclos.
O magnetismo remanente no núcleo pode agravar essa condição de surto. É a natureza do material do núcleo reter o magnetismo até certo ponto depois que a tensão magnetizadora for removida. Se a tensão primária do transformador for reaplicada em zero-crossover e em tal direção que o campo crescente suporte fluxo remanente, será resultado um fluxo de 2øm +ør (C da Fig. 2). Este fluxo é inteiramente diferente de zero, e o núcleo está em profunda saturação, como mostrado pela curva de histerese em F da Figura 2. (D e E são as curvas de histerese para as condições A e B, respectivamente.) A corrente de partida, portanto, é muitas vezes normal, como mostrado em G da Figura 2, e pode durar vários meio-ciclos.
Um transformador de 150 VA tem uma resistência CC primária de 120 volts de aproximadamente 1,5 ohm, e um transformador de 500 VA, uma resistência primária de 120 volts de aproximadamente 0,3 ohm. Pode-se pensar que um SSR de 5 amperes de zero crossover seria mais do que suficiente para trocar a corrente do transformador 150 VA. No entanto, durante a saturação do núcleo, a partida de enrolamento primário é de 80 amperes:
I = E sobre R = 120 sobre 1,5 = 80 amperes.
No caso do transformador 500 VA, pode-se pensar que um SSR de 10 amperes pode ser suficiente. Mas, durante a saturação do núcleo, a corrente primária é de 400 amperes:
I = E sobre R = 120 sobre 0,03 = 400 amperes.
Nessas condições, o SSR está severamente sobrecarregado, e o transformador superaquece. (A energia gasta nas primárias durante este surto de 400 amperes seria de aproximadamente 40 KVA.)
Figura 1.
Figura 2.
As figuras 3 e 4 mostram o efeito de um SSR de ativação 90° em corrente de surto do transformador. Na Figura 3A, o transformador secundário está aberto, e o primário está ligado quase na tensão zero. Ocorre uma entrada de meio-ciclo de 200 amperes (leia o escopo da direita para a esquerda). No entanto, quando esse mesmo transformador é ligado no pico de tensão (Fig. 3B), a partida é apenas 17% maior do que a corrente de estado constante. Isto é, partida se 7 amperes.
Figura 3. Transformador de 150 VA, descarregado secundário. O rastreamento superior é a corrente primária; o rastreamento inferior é a tensão primária (120 VCA). (Leia o rastreamento da direita para a esquerda.)
A Figura 4 mostra o oscilograma do mesmo transformador com o secundário conectado a um resistor de 250 ohm. Como pode ser visto comparando as Figs. 3A e 4A, um secundário carregado não tem efeito apreciável na corrente de partida primária.
Correntes de surto como as mostradas nas Figuras 3A e 4A podem ser destrutivas para um SSR de zero-crossover.
Figura 4. Transformador de 150 VA, secundário conectado através do resistor de 250 ohm, 240 VCA. O rastreamento superior é a corrente primária; o rastreamento inferior é a tensão primária (120 VCA).
Um SSR "zero-crossover" nem sempre é ligado precisamente na tensão zero. É preciso talvez um milissegundo ou mais para o circuito reagir. Portanto, o interruptor de carga pode não estar totalmente ligado até que a tensão de carga seja talvez de 15 a 20 volts. Nesse caso, a corrente de surto não é tão grande, mas ainda é potencialmente destrutiva. Além disso, um SSR de ativação aleatória pode, às vezes, ligar em ou perto de zero-crossover. O melhor método de ligar transformadores e outras cargas saturáveis e altamente indutivas é usando um dispositivo de ativação de tensão de pico. A ativação na tensão de pico resulta em um surto mínimo, se de fato houver algum.
SSRs de zero crossover são excelentes comutadores para cargas capacitivas resistivas e ligeiramente indutivas. Mesmo assim, a corrente de partida deve ser levada em consideração. Ou seja, uma lâmpada incandescente pode puxar uma corrente de partida de "filamento frio" 10 a 20 vezes maior que a corrente de "filamento quente" de estado constante. Um motor pode puxar uma corrente de "rotor bloqueado" possivelmente 6 vezes maior que a corrente atual. E a partida de um capacitor, ou de um circuito no qual a capacitância perdida significativa está presente, é limitada apenas pela resistência CC do circuito.
Referências
1. “Alternating Current Machines,” Halsted Press, John Wiley & Son, “Inductively Loaded SSRs Control Turn-On to Eliminate First-Cycle Surges,” Electronic Design, March 15, 1979. “Controlling Transformer Inrush Currents,” EDN, July, 1966. “The Great Zero Cross-over Hoax,” NARM Proceedings, May, 1974.
