4. DIRIJAREA TENSIUNII REDRESATE

Transcript

1 4. DIRIJAREA TENSIUNII REDRESATE Într-un şir de aplicaţii practice este necesar de a regla nivelul tensiunii redresate. Această reglare poate fi efectuată în câteva modificaţii: variind tensiunea la ieşirea redresorului după curent continuu; variind tensiunea la intrarea redresorului după curent alternativ; cu ajutorul etajelor dirijate (trinistoarelor); metoda combinată ce utilizează concomitent variantele de mai sus Dirijarea tensiunii la ieşirea redresorului Reglarea tensiunii la ieşirea redresorului este efectuată cu ajutorul ului reostat, cuplat serie cu sarcina, sau cu ajutorul unui potenţiometru, cuplat paralel sarcinii. Cu ajutorul reostatului (vezi fig. 4.1,a) este reglat nivelul curentului în circuitul sarcinii şi, respectiv, tensiunea pe sarcina R S. Această tensiune poate fi reglată de la valoare minimă până la valoare maximă. Fig. 4.1 Cu părere de rău, la utilizarea acestei metode tensiunea pe sarcină depinde de nominalul R S, fiindcă căderea de tensiune pe reostat U (Rr) = f(i S ). Dacă micşorăm nominalul rezistenţei reostatului, această dependenţă nu mai importă, însă brusc se micşorează limitele în care reglăm nivelul tensiunii redresate. 78

2 Cu ajutorul potenţiometrului (fig. 4.1,b) tensiunea pe sarcină poate fi dirijată în limitele de la zero până la valoarea maximă. Pentru a micşora influenţa rezistenţei sarcinii asupra valorii tensiunii de ieşire, rezistenţa potenţiometrului este aleasă conform condiţiei: R P < (0,2 0,3)R S. Această metodă de reglare a tensiunii este mai econom decât cea precedentă. Ambele metode descrise mai sus pot fi utilizate practic doar la valori foarte reduse pentru R S, când randamentul redresorului nu are importanţă Dirijarea tensiunii la intrarea redresorului Pentru reglarea tensiunii redresate după curent alternativ primarul transformatorului este conectat serie cu un reostat sau paralel cu un potenţiometru (fig. 4.2). Fig. 4.2 La neajunsurile acestor scheme se referă pierderile enorme de energie. Mult mai efectivă este utilizarea unei bobine de şoc cu miez care permite reglarea valorii inductanţei bobinei. Reglarea valorii inductanţei poate fi efectuată cu ajutorul bobinelor de şoc cu saturaţie (fig. 4.3). În atare caz pe miezul bobinei este înfăşurată o bobină auxiliară ce permite magnetizarea miezului. Cu creşterea valorii curentului în bobina de magnetizare se micşorează permiabilitatea magnetică a miezului (fig. 4.3,b) şi respectiv cade valoarea inductanţei bobinei de şoc (L = KW 2 μ, unde K este un coeficient de proporţionalitate). Astfel, reglând valoarea curentului 79

3 în înfăşurarea de magnetizare cu ajutorul reostatului, dirijăm cu valoarea tensiunii redresate la ieşirea redresorului. Fig. 4.3 Utilizarea bobinelor de şoc cu miez de magnetizare nu aduce la micşorarea randamentului redresorului, însă provoacă distorsiuni ale tensiunii de intrare cu forma sinusoidală. Din aceste considerente această metodă nu se utilizează în redresoarele de putere. Mult mai răspândite sunt schemele cu transformatoare sau autotransformatoare, care permit reglarea coeficientului de transfer al energiei electrice din primarul transformatorului în secundarul lui. Câteva variante ale acestor scheme sunt prezentate în fig Fig

4 La neajunsurile acestor scheme se referă fiabilitatea redusă din cauza sistemului de contacte şi gabaritele transformatoarelor utilizate. Mult mai efectiv poate fi reglată tensiunea redresată la utilizarea redresoarelor comandate Redresoare comandate Redresor comandat este numit un astfel de redresor la care pentru valoare constantă a tensiunii de intrare se poate comanda valoarea tensiunii redresate prin dirijarea timpului de transfer al curentului prin dioda redresoare. Principiul de dirijare se manifestă în modul următor. Fie că avem un generator de tensiune al curentului alternativ u 2 = U 2m sinωt cu rezistenţa interioară egală cu zero. Să conectăm la acest generator sarcina R S prin intermediul unei chei (dirijarea cheii este efectuată cu ajutorul semnalului u d ). Dacă în semiperioada întâi, începând cu momentul de timp ωt = α cheia este cuplată, iar în a doua semiperioadă decuplată, atunci curentul circulă prin sarcină doar perioada de timp (π - α). Respectiv pe sarcină cade tensiune, polaritatea căreia este indicată în fig. 4.5,b. Dacă sarcina posedă rezistenţă pur activă, forma curbei tensiunii şi curentului vor fi identice. Luând în considerare că procesul se repetă fiecare perioadă a tensiunii de alimentare, putem afirma că tensiunea pe sarcină posedă caracter pulsatoriu. Această tensiune prezintă o funcţie periodică în timp care satisface condiţiile de descompunere în şirul Fourier. Rezultă U 0α U2 = ω ω = 2π π m sin td t α U cos α 2, (4.1) unde U0 = ( 1/ π )U2m este valoarea medie a tensiunii redresate în regim de funcţionare al redresorului necomandat (α = 0). 81

5 Fig. 4.5 Variind unghiul de întârziere (dirijare) α de la 0 până la π putem comanda nivelul tensiunii redresate. În aşa mod pentru a comanda 82

6 nivelul tensiunii redresate este necesar de a sincroniza funcţionarea cheii cu frecvenţa reţelei şi a asigura o valoare concretă pentru unghiul de dirijare Principiul de construire al redresoarelor comandate Redresoarele comandate sunt construite conform principiilor utilizate în schemele redresoarelor necomandate (fig. 4.6). Fig

7 Fig

8 Deosebirea constă doar în faptul că fazele sunt conectate cu o întârziere dirijată de unghiul α. De regulă, redresoarele comandate funcţionează cu sarcina ce posedă caracter inductiv. Din aceste considerente este utilizată dioda nulă (VD 0 ), care permite obţinerea unui coeficient de putere major. Funcţionarea acestei diode o analizăm cu ajutorul schemei prezentate în fig. 4.6,b şi a diagramelor energetice (fig. 4.7). În momentul de timp ω t1dioda comandată VS1 se deschide şi prin ea în perioada ω t 1... π circulă curentul i 1 (în figură forma acestui curent corespunde valorii L ce tinde spre infinit). În această perioadă dioda VD 0 este blocată, deoarece ea este polarizată indirect. În momentul de timp ω t 2 polaritatea tensiunii U 2 se schimbă dioda VS1 se blochează, iar dioda VD 0 se deschide. Bobina de şoc L cedează sarcinii energia electrică acumulată prin dioda VD 0. Bobina se descarcă pe sarcină (curentul i VD 0 ), perioada de timp α până la momentul de timp ω t3, adică până când nu începe să conducă VS2. Când VS2 se deschide, dioda VD 0 se blochează. Dioda VS2 conduce perioada de timp ω t3... ω t 4 şi apoi intră în funcţie dioda VD 0. Funcţionarea diodei VD 0 asigură un defazaj între armonica de bază a curentului din primarul transformatorului şi tensiune egal cu α / 2. Dacă dioda VD 0 nu este în schemă, atunci acest defazaj este egal cu α. Rezultă, că schemele cu diodă nulă (VD 0 ) asigură un randament mai înalt. Concomitent dioda VD 0 permite reducerea ondulaţiilor tensiunii redresate, fiindcă curentul sarcinii nu este întrerupt Relaţiile de bază în redresorul comandat m-fazat Dacă sarcina redresorului m-fazat posedă caracter pur activ, curentul sarcinii poate fi neîntrerupt sau întrerupt. În funcţie de valoarea unghiului de dirijare funcţionarea redresorului poate să treacă dintr-un regim în altul. Trecerea de la regim de curent 85

9 neîntrerupt la regim de curent întrerupt este dirijată de unghiul critic de dirijare α cr. = ( π / 2 ) ( π / m). La valori reduse ale unghiului de dirijare ( α < α cr. ) în regim de curent neîntrerupt valoarea medie a tensiunii redresate π / m+ α U π 0α = U m cos ω tdω t = 2m 2 π / m+ α π π = U 2 m sin cos α = U 0 cos α, (4.2) m m unde U 0 este componenta continuă a tensiunii redresate pentru valoarea α = 0. Pentru valori α > α cr. şi regim întrerupt al curentului π / m+ α U π 0α = U m cos ω tdω t = 2m 2 π / m+ α m π = U α = π 1 2 m sin 2 m 1 sin( α π / m) = U0. (4.3) 2sin π / m Luând în considerare că pentru sarcina cu caracter pur activ curba curentului redresat repetă forma curbei tensiunii putem utiliza relaţiile următoare: U0 α / U0 = I0α / I0 = cos α pentru α < α or ; (4.4) 1 sin( α π / m) U0 α / U0 = I0α / I0 = pentru α > α or., 2sin π / m care prezintă caracteristicile de dirijare ale redresorului comandat cu un număr de faze m > 2. Asupra regimului de funcţionare al redresoarelor comandate polifazate acţionează foarte puternic inductanţa bobinei de şoc a 86

10 filtrului (L B.Ş. ) şi inductanţa de pierderi ale înfăşurărilor transformatorului de putere (L S ). În redresorul cu filtru inductiv în circuitul catodului pentru ω L > R S şi L S = 0 curentul redresat circulă neîntrerupt, însă are loc o mărire a perioadei de circulaţie a curentului prin dioda redresoare (fig.4.8,a). Dacă inductanţa bobinei de şoc este mică, atunci la valori înalte ale unghiului de dirijare putem atinge regimul de funcţionare al redresorului când curentul sarcinii este întrerupt periodic. În atare caz fiecare fază redresoare funcţionează o perioadă de timp λ mai mică decât 2 π / m. Rezultă că fiecare diodă funcţionează în regim de redresare monofazat şi π / m+ α m sin( α + λ ) sin( α π / m) U0 α = U m cos ω tdω t = U π π. π / m+ α 2sin m (4.5) Ca rezultat al acţiunii inductanţei de pierderi ale înfăşurărilor transformatorului ( LS > 0) forma curbelor curentului şi tensiunii este distorsionată (fig.4.8,b). Suprapunerea curenţilor fazelor provoacă micşorarea valorii medii a tensiunii redresate: mω LS U 0α = U0α.m.g. U0 = U0 cos α I0. (4.6) 2π Această ecuaţie descrie caracteristica externă pentru redresorul comandat. Analiza formei tensiunii redresate indică că în redresoarele comandate ondulaţiile tensiunii la intrarea filtrului sunt mai mari decât pentru schemele necomandate, fiindcă curba tensiunii este distorsionată din cauza că diodele sunt cuplate cu întârziere. 87

11 Dispozitive pentru dirijarea fazei diodelor comandate Dispozitivul pentru dirijarea fazei diodelor comandate trebuie să asigure îndeplinirea următoarelor funcţii: a) formarea impulsurilor de dirijare; b) devierea fazei impulsurilor de dirijare în concordanţă cu semnalul de dirijare; c) multiplicarea impulsurilor de comandă conform numărului de diode comandate. În fig. 4.9 este prezentată schema unui redresor comandat trifazat în care reglarea cu unghiul α al este efectuată cu ajutorul unui circuit de defazaj cuplat la trei faze ale redresorului în secundarul transformatorului prin diodele VD1. Principiul de funcţionare al sistemului de dirijare este ilustrat în fig Tensiunea redresată este aplicată la dioda Zener VD2, pe care se formează un semnal cu forma trapez u z. Sub acţiunea tensiunii u z condensatorul C se încarcă până la tensiunea de cuplare a dinistorului VS. După cuplarea dinistorului VS impulsul curentului de descărcare i VS este aplicat la electrozii de comandă ai trinistoarelor. Se deschide acel trinistor pentru care este aplicată tensiune de polarizare directă. Fiindcă în momentul de timp analizat la dispozitivul de dirijare este aplicată aceeaşi tensiune anodică ca şi la trinistor, atunci când unul din trinistoare se deschide, tensiunea u Z devine practic nulă şi dinistorul VS se blochează. Atare situaţie se păstrează până la începutul semiperioadei în următoarea fază redresoare. Apoi procesele se repetă cu un defazaj de Analogic se deschide al treilea trinistor cu un defazaj de Reglarea unghiului de dirijare este efectuată prin intermediul variaţiei constantei de timp în circuitul de încărcare a condensatorului C (prin intermediul rezistorului R p ). 88

12 Fig

13 Fig

14 Fig

15 Regulatoare de fază Regulatoarele de fază pentru redresoarele dirijate pot fi construite pe baza circuitelor RC şi LC. Să analizăm funcţionarea unui regulator de fază cu circuit RC (fig. 4.11). Fig Regulatorul de fază poate fi prezentat sub formă de punte, în care două părţi laterale sunt formate de înfăşurările secundarului transformatorului, iar celelalte două de reostatul R şi condensatorul C. Fig Tensiunea de ieşire U ieş. Posedă un defazaj α faţă de tensiunea pe secundarul transformatorului U 2. Tensiunea U 2 este aplicată la 92

16 circuitul RC prin care circulă curentul I. Acest curent întrece tensiunea U 2 cu un defazaj ϕ, fiindcă circuitul RC posedă caracter capacitiv. Tensiunea pe reostatul R coincide după fază cu curentul I, iar tensiunea pe condensator întârzie cu Să analizăm diagrama vectorială a regulatorului de fază (vezi fig. 4.12). Punctele 1 4 ale diagramei corespund punctelor indicate în schemă. Începutul vectorului tensiunii pe reostat U R se află în punctul 1 şi este deplasat faţă de vectorul U 2 cu unghiul ϕ. Vectorul tensiunii pe condensator începe în punctul 2 şi este perpendicular pe vectorul U R. Geometric suma vectorilor UR + UC = U 2. Tensiunea de ieşire U ieş. este aplicată din punctele 3 şi 4. Din aceste considerente vectorul tensiunii U ieş. Începe în punctul 3, iar capătul lui se plasează în punctul 4. Vectorii U R şi U C sunt perpendiculari tot timpul şi capătul vectorului U ieş. trasează o circumferinţă cu raza U ieş.. Dacă modificăm valoarea rezistenţei reostatului de la maxim la minim, putem obţine un defazaj între U 2 şi U ieş. Plasat în gama În fig este prezentată schema unui regulator de fază tip RL, iar în fig diagrama lui vectorială. Fig

17 Fig Curentul în circuitul RL întârzie după fază de tensiunea U 2 cu valoarea ϕ. Vectorul U R coincide cu vectorul curentului I, iar vectorul tensiunii U L este perpendicular pe vectorul U R. Suma acestor vectori este egală cu vectorul tensiunii U 2. Variind rezistenţa reostatului, putem dirija unghiul de întârziere de la 0 valoarea α = 90 pentru ω L = R max. până la pentru R = 0. Dacă concomitent cu variaţia rezistenţei reostatului vom varia şi valoarea inductanţei L, atunci putem obţine o dirijare a unghiului α în gama În calitate de inductanţă reglabilă se utilizează bobine de şoc cu saturaţie, în care inductanţa este variată cu ajutorul unei bobine de magnetizare a miezului. 94