Convertoare statice Suport curs Inginerie Electrică și Calculatoare Prof.r.ing. Mihaela Popescu
Cuprins CPRINS 1 NOŢINI INTRODCTIVE 4 1.1. Locul convertoarelor statice în fluxul energetic 1.. Caracterizarea energiei electrice la ieşirea convertorului static 1.3. Clasificarea convertoarelor statice 3 ELEMENTE SEMICONDCTOARE DE PTERE: DIODA ȘI TIRISTORL.1. Introucere.. Dioa.3. Tiristorul.4. Tiristorul cu blocare pe poartă (GTO).5. Tranzistoare bipolare e putere (BPT).6. Tranzistoare cu efect e câmp, e putere (MOSFET e putere).7. Tranzistoare bipolare cu bază izolată IGBT.8. Tiristoare cu cu inucţie statică SITh ALEGEREA ŞI VERIFICAREA ELEMENTELOR SEMICONDCTOARE DE PTERE 3.1. Piererile în elementele semiconuctoare e e putere 3. Alegerea elementelor semiconuctoare e putere 16 38 4 PROTECŢIA ELEMENTELOR SEMICONDCTOARE DE PTERE 5 4.1. Protecţia tiristoarelor la supratensiuni e comutaţie 4.. Protecţia convertoarelor statice conectate la reţeaua e c.a. 4.3. Protecţia tiristoarelor la scurtcircuit 5 C.A. C.C. (REDRESOARE) 97 5.1. Introucere 5.. Principiul şi teoria generală a reresoarelor comanate în fază 5.3. Regimul e curent întrerupt 5.4. Dimensionarea inuctivităţii e filtrare 5.5. Scheme e bază ale reresoarelor comanate 5.6. Reresoare biirecţionale 5.7. Comana reresoarelor cu comutaţie naturală 6 VARIATOARE DE TENSINE ALTERNATIVĂ 141 1
Cuprins 6.1. Principiu 6..Variatoare monofazate 6..1. Principiul, schema e principiu 6... Cazul unei sarcini rezistive 6..3. Cazul unei sarcini pur inuctive 6..4. Cazul unei sarcini rezistiv inuctive 6..5. Mărimi caracteristice 6.3. Variatoare trifazate 7 CICLOCONVERTOARE 156 7.1. Principiul şi schema e principiu 7.. Comana cicloconvertoarelor 7.3. Stuiu e caz cicloconvertor realizat cu reresoare cu 3 pulsuri 7.4. Comana în fază a convertoarelor statice c.a.-c.a. cu comutaţie naturală 8 VARIATOARE DE TENSINE CONTINĂ 165 8.1. Variatorul e tensiune continuă coborâtor 8.1.1. Principiul şi schema e principiu 8.1.. Caracteristicile în regim e curent neîntrerupt 8.1.3. Expresia curentului prin sarcină 8.1.4. Limita zonei e curent întrerupt 8.1.5. Regimul e curent întrerupt 8.1.5.1. Apariţia regimului e curent întrerupt 8.1.5.. Caracteristicile externe şi e comană în regim e curent întrerupt 8.1.6. Elemente e imensionare a inuctivităţii e filtrare 8.1.6.1. Calculul inuctivităţii necesare pentru limitarea pulsaţiilor 8. 1.6.. Calculul inuctivităţii necesare pentru evitarea funcţionării VTC în regim e curent întrerupt 8.1.7. Scheme practice e VTC coborâtor 8.1.7.1. VTC cu tranzistor IGBT 8.1.7.. VTC cu tiristoare şi blocare prin polarizare inversă (VTC-) 8.1.7.3. VTC cu tiristoare și stingere prin evierea curentului (VTC-I) 8.1.7.4. Alte topologii e VTC- şi VTC-I 8.. Variatorul e tensiune continuă coborâtor 8..1. Schema e principiu, comana, funcţionarea 8... Funcţionarea în regim e curent neîntrerupt 8..3. Limita zonei e curent întrerupt 8..4. Caracteristicile în regim e curent întrerupt DE PTERE
Cuprins 8..5 Comana 8.3. Variator e tensiune continuă în patru carane 9 Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență 13 9.1. Principiul şi schema e principiu 9.. Invertoare monofazate cu moulaţie în amplituine 9..1. Principiul, schema e principiu 9... Invertorul monofazat cu punct meian 9..3. Invertorul monofazat în punte 9.3. Invertoare trifazate e tensiune cu moulaţie în amplituine 9.3.1. Schema e principiu, comana, forme e ună 9.3.. Mărimi caracteristice 9.3.3. Analiza armonică a tensiunii e linie 9.3.4. Structura blocului e comană 9.4. Invertoare trifazate e curent cu moulaţie în amplituine 9.4.1. Schema e principiu, comana, forme e ună 9.4.. Mărimi caracteristice 9.4.3. Structura blocului e comană 9.5. Convertoare statice e tensiune şi frecvenţă cu moulaţie în urată 9.5.1 Introucere 9.5.. Moulaţia sinusoială 9.5.3. Invertor e tensiune cu moulaţie sinusoială 9.5.4. Invertor e tensiune cu moulaţie trapezoială 9.5.5 Moulaţia în frecvenţă 9.5.6. Moulaţia vectorială 9.5.7. Strategii e moulare în buclă închisă 3
1. Noţiuni introuctive 1. NOŢINI INTRODCTIVE 1.1 Locul convertoarelor statice în fluxul energetic Convertoarele statice (C.S.) sunt echipamente a căror parte e forţă conţine elemente semiconuctoare e putere. Convertoarele statice necomanate sunt construite cu ispozitive semiconuctoare necomanate (ioe) şi realizează conversia energiei electrice tot în energie electrică, moificânu-i acesteia parametrii, fără a permite reglarea puterii meii transmise sarcinii. Cursul se referă la convertoarele statice comanate care, sunt construite cu elemente semiconuctoare comanate şi care, pe lângă conversia energiei electrice, permit comana puterii meii transmise sarcinii. În fluxul energetic, convertorul static este plasat între generatorul primar e energie (G.P.), care furnizează energia electrică cu parametrii constanţi (amplituinea tensiunii, frecvenţa, etc.) şi sarcina (S), care este un consumator e energie electrică (fig. 1.1). BT GP BID CCI CS EP S Fig 1.1. Explicativă privin locul CS în fluxul energetic G.P. reprezintă sursa primară e energie electrică, furnizân e regulă energie electrică e curent alternativ sau e curent continuu cu parametrii constanţi. Poate fi : - baterie e acumulator; - reţea e alimentare; - transformator; 4
1. Noţiuni introuctive - grup generator inepenent (motor cu arere interna + generator electric ); - microcentrale. S reprezinta sarcina, este un consumator e energie electrică. Aceasta poate fi: - motoare electrice; - cuptoare electrice; - cuptoare cu microune şi alte echipamente electrocasnice. Convertorul static, împreună cu blocul e comană în circuit închis, formează omeniul electronicii e putere (E.P.). Pentru fluxul informaţional se întâlnesc următoarele blocuri: B.I.D. bloc e introucere a atelor, are rolul e a introuce atele iniţiale pentru comană. Este constituit in: - chei; - butoane; - tastatură; - cititoare e informaţie (unitate e isc optic) C.C.I. bloc e comană în circuit închis. Elaborează unul sau mai multe semnale e comană pe baza unei strategii e comană stabilite şi a unor mărimi ce caracterizează funcţionarea întregului sistem (intensitatea curentului, puterea electrică, viteza e rotaţie, etc.) B.T. blocul trauctoarelor are rolul e a converti mărimile culese in sistem în mărimi electrice (tensiuni sau curenţi) compatibile ca formă si valoare cu intrările C.C.I. C.C.I. împreună cu C.S. formează obiectul electronicii e putere. În sistemele moerne funcţiile C.C.I. sunt atribuite unui microprocesor sau unui calculator eicat. CS BC PF Fig 1.. Părţile componente ale convertoarelor statice Convertoarele statice conţin ouă părţi (fig. 1.): P.F. partea e forţă conţine elemente semiconuctoare e putere comanate sau semicomanate şi blocuri e protecţie aferente acestora. 5
1. Noţiuni introuctive B.C. bloc e comană, este realizat cu elemente specifice curenţilor slabi şi are rolul e a genera semnalele e comană necesare elementelor semiconuctoare e putere şi e a le istribui acestora. Există ouă clase e convertoare statice: - Convertoare statice necomanate: partea e forţă este construită cu ioe, iar blocul e comană lipseşte; - Convertoare statice comanate: acestea permit comana puterii ce se stransfera e la G.P. la sarcină. Acestea fac obiectul cursului. Comana transferului e putere se realizează prin moificare parametrilor energiei e ieşire (c.c sau c.a). static 1.. Caracterizarea energiei electrice la ieşirea convertorului Convertoarele statice furnizează energie ai cărei parametri au forme e ună iferite faţă e cele ale surselor clasice. Astfel energia e c.c. nu este caracterizată în regim permanent e tensiune şi curent constante, iar energia e c.a. nu este caracterizată e tensiune şi curent sinusoial. I. Energia e curent continuu Sursa clasică e c.c. este caracterizată e valorile, I (fig.1.3) u i I Fig.1.3. Formele e ună ale curentului şi ale tensiunii ce caracterizează sursa clasică t 6
1. Noţiuni introuctive u i i T t Fig 1.4. Formele e ună ale curentului şi ale tensiunii ce caracterizează convertoarele statice Convertoarele statice cu ieşirea în c.c. au tensiune şi curent variabile în timp, ar perioice (fig.1.4). Astfel, energia e c.c. e la ieşirea unui convertor static este caracterizată e valorile meii ale tensiunii şi curentului. Tensiunea meie se notează cu şi este efinită astfel: (1.1) II. Energia e curent alternativ clasică este caracterizată e valorile tensiunii şi curentului ce au variaţii sinusoiale. u Astfel: Fig 1.5. Forma e ună a tensiunii ce caracterizează sursa clasică une: (1.) 7
1. Noţiuni introuctive u,i valori instantanee;,i valori efective sau eficace;, I - amplituini; pulsaţia, efinită ca fiin: (1.3) α - faza iniţială a curentului. În cazul convertoarelor cu ieşire în c.a., curentul şi tensiunea nu mai au variaţii sinusoiale, ar sunt alternative şi simetrice (fig.1.6). u i i Fig 1.6. Formele e ună ale curentului şi ale tensiunii ce caracterizează convertoarele statice În acest caz tensiunea şi curentul sunt caracterizate e: - valoare efectivă a funamentalei; - valoare efectivă globală sau totală; - factorul total e istorsiune armonică. O tensiune sau curent cu variaţie perioică şi simetrică se poate escompune în serie Fourier : (1.4) Se constată că: - termenii e sub sumă au pulsaţiile:,, 3, n (pulsaţiile sunt multipli ai pulsaţiei funamentale); pulsaţia funamentală corespune frecvenţei tensiunii reale care se escompune. - Ak, Bk se numesc amplituinile componentelor în sinus şi respectiv în cosinus. 8
1. Noţiuni introuctive (1.5) Termenii corespunzători lui k = 1,, 3, n se numesc armonici. Pentru: k = 1 armonică funamentală; k > 1 armonică superioară. k reprezintă valoarea efectivă a armonicii e orinul k şi este: - faza iniţială a armonicii e orinul k (1.6) Valoarea efectivă (totală sau globală) se efineşte astfel: (1.7) (1.8) Factorul total e istorsiune armonică caracterizează graul e eformare al unei respective (tensiune sau curent) faţă e una sinusoială. (1.9) O efiniţie mai veche care există încă în unele stanare este: (1.1) 1.3. Clasificarea convertoarelor statice Există ouă criterii mari în raport cu care se poate clasifica: 9
1. Noţiuni introuctive I. C.S. in punct e veere energetic; II. C.S. in punct e veere al comutaţiei. energetic 1.3.1. Clasificarea convertoarelor statice in punct e veere Reresor Reţea c.a. ~, f Invertor c.c. = Cicloconvertor Variator e tensiune alternativă Convertor inirect e tensiune şi frecvenţă Variator e tensiune continuă c.a. ~, f c.a. ~ 1, f 1 c.c. = 1 Fig.1.7 Fluxul e energie în funcţie e iferitele tipuri e convertoare statice Se au în veere formele energiei electrice e la intrarea şi respectiv, ieşirea convertoarelor. Astfel, se eosebesc patru categorii e convertoare statice. 1. Convertoare statice c.a. c.c. sau reresoare, care realizează conversia energiei e c.a. în energie e c.c., iar prin comană se poate regla valoarea meie a tensiunii reresate (e ieşire). u c, f = ct. ~ = 1
1. Noţiuni introuctive. Convertoare statice c.c. c.a. sau invertoare, care realizează conversia energiei e c.c. în energie e c.a., iar prin comană se poate regla frecvenţa tensiunii e ieşire şi eventual, valoarea efectivă a acesteia. u c =, f = ct. 3. Convertoare statice c.c. c.c. numite şi variatoare e tensiune continuă, care convertec energia e c.c. avân parametrii constanţi, tot în energie e c.c. ar, căreia i se poate regla valoarea meie a tensiunii. Se mai întâlnesc sub enumirea e choppere (enumirea in limba engleză). u c = 1 = 4. Convertoare statice c.a. c.a., care realizează conversia energiei e c.a. avân parametrii constanţi (amplituine şi frecvenţă), tot în energie e c.a., ai cărei parametrii pot fi reglaţi prin comană. u c, f = ct. 1, f 1 ct. Din această categorie fac parte mai multe convertoare. 4.1. Variatoare e tensiune alternativă, care permit comana numai a valorii efective a tensiunii e la ieşire, frecvenţa acesteia fiin constantă şi egală cu cea a tensiunii e la ieşire. 4.. Convertoare statice e tensiune şi frecvenţă (C.S.T.F.), care prin comană permit reglarea atât a valorii efective a tensiunii e la ieşire, cât şi a frecvenţei acesteia. 11
1. Noţiuni introuctive La rânul lor, upă moul în care se realizează conversia c.a. c.a., aceste convertoare sunt e ouă categorii: A) C.S.T.F. irecte, numite şi cicloconvertoare, care realizează conversia c.a. c.a. în mo irect, fără a trece prin forma e c.c.. B) C.S.T.F. inirecte, care realizează conversia în ouă trepte c.a. c.c. c.a. Rezultă că, acestea conţin un reresor şi un invertor, iar între ele se află circuitul intermeiar e c.c. format, în general, intr-o bobină şi un conensator (fig. 1.8). u c1 u c, f = ct. ~ u L C i ~ 1, f 1 ct. R Conversie c.a. c.c. (Reresor) Circuit intermeiar e c.c. O Conversie c.c. c.a. (Invertor) Fig.1.8. Schema e principiu a convertorului static e tensiune şi frecvenţă inirect După caracterul circuitului intermeiar, C.S.T.F. inirecte pot fi: B1. C.S.T.F. e tensiune, cân circuitul intermeiar are caracter e sursă e tensiune, capacitatea C are valoare mare (sute sau mii e F), iar L poate lipsi. În acest caz tensiunea in circuitul intermeiar este practic constantă şi egală cu voaloare sa meie. Invertorul istribuie pe fiecare fază a sarcinii această tensiune şi în consecinţă tensiunea pe sarcină este formată in una sau mai multe trepte ale căror valori sunt proporţionale cu (tensiunea pe sarcină are o formă e ună sintetică). Curentul prin sarcină se formează în funcţie e parametrii sarcinii (spre exemplu, acă sarcina este pur rezistivă, curentul arată ca şi tensiunea). În acest caz, invertorul are o structură specifică şi se numeşte invertor e tensiune. B. C.S.T.F. e curent, cân circuitul intermeiar are caracter e sursă e curent, caracter imprimat prin valoarea importantă a inuctivităţii L, iar C poate lipsi. În acest caz, curentul in circuitul intermeiar este constant si egal cu valoarea sa meie I. Invertorul istribuie acest curent pe fazele sarcinii, astfel curentul e sarcină are forma e 1
1. Noţiuni introuctive ună sintetică (fiecare alternanţă este formată in unul sau mai multe pulsuri reptunghiulare). Invertorul are o structură specifică şi se numeşte, şi el, invertor e curent. Intoteauna, pentru reglarea frecvenţei tensiunii e ieşire, comana se aplică invertorului, iar upă moul în care se reglează valoarea efectivă a tensiunii e la ieşire, C.S.T.F. pot fi: B.a) C.S.T.F.I. cu moulaţie în amplituine. Moificarea valorii efective a tensiunii e ieşire, se face prin moificare amplituinii ei, aică prin moificarea valorii meii a tensiunii in circuitul intermeiar. Rezultă că, reresorul este comanat. B.b) C.S.T.F.I. cu moulaţie în urată (P.W.M). În acest caz, tensiunea sau curentul e la ieşire sunt formate in unul sau mai multe pulsuri e amplituini constante, ar e urate şi/sau frecvenţe moificabile prin comană. Rezultă că reresorul este necomanat, iar comana e moificare a valorii efective a tensiunii se aplică tot invertorului. comutaţiei 1.3. Clasificarea convertoarelor statice in punct e veere al În general în electrotehnică, prin comutaţie se înţelege trecerea curentului e sarcină e pe o ramură e circuit pe o altă ramură e circuit. Pentru realizarea comutaţiei este necesară o energie. În convertoarele statice laturile care comută curentul e sarcina conţin elemente semiconuctoare e putere, iar comutaţia se realizează prin închierea unui element semiconuctor şi eschierea altuia. Acest criteriu are în veere moul în care se asigură energia necesară blocării elementelor semiconuctoare. Există astfel: 1. Convertoare statice cu comutaţie externă sau naturală, la care energia necesară blocării elementelor există în mo natural în circuit şi provine e la o sursă externă (generatorul e putere sau sarcina). În această categorie intră: - reresoarele cu comutaţie naturală; - variatoarele e tensiune alternativă; - cicloconvertoarele; - invertoarele cu comutaţie e la sarcină (invertoare ce alimentează motoare sincrone).. Convertoare statice cu comutaţie internă sau forţată, la care energia necesară comutaţiei trebuie creată în structura convertorului (în cazul tiristoarelor) sau prin comană (în cazul elementelor semiconuctoare complet comanate). În cazul CS cu tiristoare şi 13
1. Noţiuni introuctive comutaţie forţată, energia necesară comutaţiei se obţine prin încărcarea corespunzătoare a unor capacităţi. Din această categorie fac parte: - variatoarele e tensiune continuă; - invertoarele in componenţa CSTF inirect; - reresoarele şi cicloconvertoare cu comutaţie forţată. 3. Convertoare statice cu comutaţie prin zero se mai numesc rezonante sau cu comutaţie "soft". Tensiunea şi/sau curentul prin elementele care comuta au o astfel e variaţie încât perioic trec prin zero. Comutaţia se realizează prin momentele e trecere prin zero ale tensiunii sau curentului. Astfel energia necesara comutaţiei este foarte mică, teoretic zero. Reprezintă o clasă recentă e convertoare statice. (1.11) une: 14 pt reprezintă piererile e comutaţie; WT reprezintă energia necesară comutaţiei. tilizarea tot mai extinsă a elementelor semiconuctoare complet comanate, chiar şi în componenţa reresoarelor, face necesară reconsierarea acestui ultim criteriu e clasificare, conceput cân în construcţia convertoarelor statice se utilizau, în exclusivitate, tiristoare şi ioe. Se propune astfel, rept criteriu, semnalul e sincronizare care etermină intervalul în care comutaţiile pot avea loc. În acest sens, prin convertoare statice cu comutaţie externă (ar nu neapărat naturală), se înţeleg acele convertoare statice la care semnalul e sincronizare se ia in exteriorul convertorului, e la generatorul e putere. Aceste convertoare statice sunt cele care au la intrare energie e c.a.: - reresoarele; - variatoarele e tensiune alternativă; - cicloconvertoarele. Pe e altă parte, prin convertoare statice cu comutaţie internă se înţeleg acele convertoare statice la care momentele e comutaţie nu trebuiesc sincronizate cu o mărime aferentă circuitului e forţă. În această categorie intră convertoarele statice care au la intrare energie e c.c., respectiv:
- variatoarele e tensiune continuă; - invertoarele. 1. Noţiuni introuctive 15
. Elemente semiconuctoare e putere. ELEMENTE SEMICONDCTOARE DE PTERE.1. Introucere Creşterea puterii, atât în tensiune cât şi în curent, comana simplă şi reucerea costurilor elementelor semiconuctoare e putere sunt argumente care, vor etermina în următorii ani, utilizarea convertoarelor statice e putere în noi omenii, ca şi crearea e noi structuri şi topologii. Posibilitatea folosirii elementelor semiconuctoare într-un anume tip e convertor static (C.S.), cu o topologie sau alta, este reliefată e caracteristica curent - tensiune, viteza e comutaţie şi e caracteristicile e comană, ale acestora. Dacă elementele semiconuctoare e putere sunt consierate comutatoare ieale, analiza funcţionării unui C.S. poate fi mult uşurată, evienţiinu-se astfel, mai simplu, principalele particularităţi funcţionale. Elementele semiconuctoare e putere pot fi clasificate în trei grupe, upă posibilităţile e comană: 1. Dioe - la care intrarea şi ieşirea in conucţie sunt eterminate e partea e forţă, respectiv nu sunt comanate.. Tiristoare - la care intrarea în conucţie se face prin comană, ar blocarea se face cu un circuit e putere. 3. Elemente complet comanate - la care atât eschierea cât şi închierea se fac prin comană. În această grupă intră tranzistoarele bipolare (Bipolar Power Transistors - BPT), tranzistoarele MOS cu efect e cåmp (MOS Fiel Effect Transistors - MOSFET), tiristoarele cu blocare pe poartă (Gate Turn Off Thyristors - GTO), tranzistoarele bipolare cu poartă izolată (Insulate Gate Bipolar Transistors - IGBT), tranzistoarele cu inucţie statică (Static Inuction Transistors - SIT), tiristoarele cu inucţie statică (Static Inuction Thyristors - SITh) şi tiristoarele cu comană MOS (Mos Controlle Thyristors - MCT)... Dioa Simbolul şi caracteristicile ioei sunt arătate în fig..1, eosebinu-se, ca terminale, anoul A şi catoul K. Caracteristica curent - tensiune arată că, acă ioa este polarizată în sens irect (uak > ), aceasta este în conucţie, iar curentul prin ea creşte rapi, căerea e 16
. Elemente semiconuctoare e putere tensiune fiin mică (1- V), iar acă este polarizată în sens invers (uak < ), curentul reziual în sens invers este foarte mic, atât timp cât tensiunea nu epăşeşte valoarea maxim amisibilă VRRM, (VRRM - tensiunea repetitivă maxim amisibilă în sens invers), ceea ce corespune stării e blocare. Depăşirea, chiar pentru scurt timp, a acestei valori uce la istrugerea ioei prin străpungere. Avân în veere aceste aspecte, caracteristica poate fi iealizată ca în fig..1., consierânu-se căerea e tensiune nulă pe ioa în conucţie (polarizată în sens irect) şi curentul nul prin ioa blocată (polarizată în sens invers). Dioa poate fi consierată un comutator ieal, eoarece timpii e comutaţie (intrare în conucţie sau blocare) sunt mult mai mici ecât urata regimurilor tranzitorii ce au loc în circuitul e forţă. A i D u AK K a) b) i D i D -V RRM u AK -V RRM u AK c) ) Fig..1 Dioa: a) etalii constructive, b) simbol, c) caracteristica curent tensiune, reală, ) caracteristica curent - tensiune ieală Astfel, la blocarea ioei (fig..) curentul evine negativ un timp reus trr, numit timp e comutare inversă, atingân valoarea maximă negativă IRM. Aria haşurată reprezintă sarcina stocată, care trebuie eliminată in joncţiune. Se menţionează că, trr şi IRM nu influenţează sensibil funcţionarea C.S. şi eci ioele pot fi consierate comutatoare ieale. În construcţia C.S. se utilizează trei tipuri e ioe: 1. Dioe normale (reresoare), caracterizate prin timpi e comutare relativ mari, curenţi e până la câţiva kiloamperi şi tensiuni inverse e orinul kilovolţilor. 17
. Elemente semiconuctoare e putere. Dioe Schottky, caracterizate printr-o căere e tensiune în sens irect mică, (~.3V ) şi tensiuni inverse e 5-1V. 3. Dioe rapie (e comutaţie), estinate a fi utilizate în circuitele e înaltă frecvenţă, în combinaţie cu elemente comanate şi avân timpul e comutare e orinul μs. i D I D t rr t t 1 t t Q rr -I RM u AK t - b -V RM Fig.. Variaţia curentului prin ioă şi a tensiunii pe ioă in timpul blocării.3. Tiristorul.3.1. Caracteristici Tiristorul este un element comanat la intrarea în conucţie, avân trei terminale: anoul A, catoul K şi grila G (fig..3). În absenţa unui curent în circuitul G-K, tiristorul poate bloca, atât în sens irect, cât şi în sens invers, tensiuni până la valorile VDRM, respectiv VRRM. Curenţii reziuali în stare blocată ID, în sens irect, şi respectiv, în sens invers - IR, sunt foarte mici. Depăşirea, chiar pentru scurt timp, a tensiunilor maxim amisibile uce la istrugerea tiristorului. Dacă tiristorul este polarizat în sens irect, el poate intra în conucţie, necesitân injectarea în circuitul G-K a unui curent cu atât mai mare cu cât tensiunea e polarizare este mai mică. Se remarcă valoarea reusă a căerii e tensiune pe tiristorul aflat în conucţie (1 -,5V), şi că, upă intrarea în conucţie, nu mai este necesar un curent e grilă. La scăerea curentului sub valoarea e menţinere (IH) tiristorul se blochează. Caracteristica ieală (fig..3.c) corespune ipotezelor e stuiu, respectiv, în stare blocată curentul prin tiristor este nul, iar în stare e conucţie căerea e tensiune pe tiristor este nulă. 18
. Elemente semiconuctoare e putere A i T i G u AK K a) b) i T i T -VRRM IH ig1> ig= u AK -VRRM u AK ig > ig1 VDRM VDRM c) Fig..3 Tiristorul: a) tipuri constructive ; b) simbol ; c) caracteristica curent tensiune reală; ) caracteristica curent tensiune ieală. ) La blocare, upă anularea curentului prin tiristor (fig..4) şi până cân acesta poate prelua tensiune în sens irect, trebuie să treacă un timp tq, numit timp e revenire. Polarizarea în sens irect a tiristorului, upă un timp mai mic ecât tq, prouce reintrarea acestuia în conucţie fără impuls e comană. i T I T t rq t -I RM u AK t q t -V RM Fig.4 Variaţiile curentului prin tiristor şi a tensiunii la bornele sale, în timpul blocării.3. Comana tiristoarelor Pentru intrarea normală în conucţie a unui tiristor, trebuie îneplinite trei coniţii: - tiristorul să fie polarizat în sens irect (uak > ); 19
. Elemente semiconuctoare e putere - să i se aplice un impuls e comană pozitiv între G şi K, avân un nivel energetic corespunzător; - la ispariţia impulsului e comană, curentul prin tiristor să epăşească valoarea e acroşaj (IL). Cerinţele impuse semnalului e comană sunt ilustrate e caracteristica curenttensiune e grilă (fig..5), care inică o zonă în care, amorsarea tiristorului este sigură. Zona haşurată, eterminată e valorile minime ale curentului şi tensiunii, trebuie evitată, eoarece amorsarea este posibilă numai în anumite coniţii. i G P Gmax I Gmin u GK GKmin Fig..5 Caracteristica e comană a unui tiristor + R 1 C D 1 A Th * * TI T R D K Fig..6 Schema e comană a unui tiristor prin transformator e impuls În C.S. e putere, impulsul e comană nu se aplică irect pe grila tiristorului, fiin necesare, pe e o parte, o amplificare energetică a impulsului, şi pe e alta, o separare între partea e comană şi cea e forţă. Amplificarea se realizează cu unul sau ouă etaje e amplificare, iar separarea, cel mai frecvent, cu ajutorul unui transformator e impuls (fig..6.). Rolul rezistenţei R1 este e a limita curentul prin tranzistorul amplificator, iar ioele D1 şi D permit aplicarea pe grilă,
. Elemente semiconuctoare e putere numai a impulsurilor pozitive (transformatorul fiin un element e erivare) şi isiparea energiei corespunzătoare impulsurilor negative (pe rezistenţa R). Blocarea tiristoarelor nu este posibilă prin comană irectă, ci se poate obţine în următoarele mouri: 1. scăerea naturală a curentului în sens irect, sub valoarea e menţinere IH;. evierea curentului anoic printr-o altă latură e circuit, e impeanţă scăzută; 3. aplicarea unei tensiuni inverse pe tiristor (polarizarea în sens invers). În convertoarele statice cu comutaţie forţată, cu tiristoare, se combină ultimele ouă moalităţi e blocare. Tiristoarele sunt caracterizate e un mare număr e parametri, cei mai importanţi fiin: valoarea meie nominală a curentului (ITAVM), valorile maxime repetitive ale tensiunilor în sens irect (VDRM) şi respectiv invers (VRRM), panta e creştere maxim amisibilă a curentului (i/t) şi panta e creştere maxim amisibilă a tensiunii reaplicate în sens irect (u/t). S-au construit tiristoare normale, avân ITAVM până la 4 A, iar clasa e tensiune (VDRM, VRRM), e 5-7 kv, avân căeri e tensiune în conucţie e 1,5V pentru VDRM < 1 V şi e 3 V pentru VDRM = (5-7) kv..4. Elemente complet comanate: Tiristorul cu blocare pe poartă(gto) Caracteristică tuturor acestor elemente, este posibilitatea blocării prin comană. Simbolul general (fig..7) arată că, în conucţie, un astfel e element este parcurs e curentul it în sensul inicat e săgeată, iar în stare blocată, poate prelua tensiunea ut. i T u T Fig..7 Simbolul general al unui element semiconuctor complet comanat n element complet comanat, ieal, se comportă în felul următor: 1. În stare blocată, curentul este nul atunci cân tensiunea e polarizare se moifică în limitele amise;. În stare e conucţie, tensiunea pe element este nulă; 3. Trecerea in stare blocată în stare e conucţie şi invers, se face instantaneu. 1
. Elemente semiconuctoare e putere Tiristorul cu blocare pe poartă (GTO).4.1. Caracteristici Asimilat în literatura in ţara noastră prin abrevierea numelui în limba engleză (GTO: Gate-Turn-Off Thyristor), tiristorul cu blocare pe poartă (fig..8) este un ispozitiv cu structură pnpn, care poate fi amorsat la fel ca şi tiristorul, respectiv, prin injectarea unui curent pozitiv în circuitul G-K ar, poate fi şi blocat prin extragerea unui curent in circuitul G-K. Practic, pe acelaşi terminal (grila), se aplică un impuls pozitiv pentru intrarea în conucţie şi respectiv, unul negativ pentru blocare. Posibilitatea blocării prin comană pe poartă, conferă GTO un gra sporit e flexibilitate în utilizarea sa în convertoarele statice e putere şi conuce la următoarele avantaje: - iminuarea numărului componentelor electronice e putere; - reucerea gabaritului; - creşterea fiabilităţii; - iminuarea costurilor. A i T i G u AK K a) b) -VRRM i T IH ig1> ig= u AK -VRRM i T u AK ig > ig1 VDRM VDRM c) ) Fig..8 Tiristorul cu blocare pe poartă: a) etalii constructive ; b) simbol ; c) caracteristica curent tensiune reală ; ) caracteristica curent tensiune ieală
. Elemente semiconuctoare e putere Se menţionează necesitatea unei scheme e comană complexe. Pe lângă parametrii ce caracterizează un tiristor, tiristoarele GTO au o serie e parametri specifici, ce caracterizează, în special, procesul e blocare: 1. Curentul anoic, maxim controlabil pe poartă, în regim nerepetitiv (ITQM) este valoarea maximă a curentului anoic care poate fi întrerupt sigur, printr-un impuls negativ aplicat pe grilă.. Curentul anoic, maxim controlabil pe poartă, în mo repetitiv (ITQRM) este valoarea maximă a curentului ce poate fi întrerupt sigur, în mo repetat. Trebuie astfel, precizată şi frecvenţa e comană. Datorită piererilor în comutaţie, ITQRM < ITQM (chiar e ouă ori). 3. Timpul e blocare (tqq) se specifică, e regulă, pentru curentul anoic ITQRM, la temperatura maximă a joncţiunii şi reprezintă timpul care se scurge e la aplicarea impulsului negativ pe grilă, până la blocarea fermă a elementului. 4. Sarcina stocată (Qqq) reprezintă sarcina ce trebuie extrasă prin grilă în timpul tqq. 5. Câştigul operaţional în curent, la blocare, G off I I TQRM GRM, (.1) este raportul intre curentul anoic, maxim controlabil în mo repetitiv şi amplituinea IGRM a curentului corespunzător în circuitul e grilă. Acest parametru are valori cuprinse între 1 şi 4 şi ilustrează unul in principalele ezavantaje ale tiristoarelor GTO, respectiv, necesitatea utilizării unui impuls e curent pentru blocare, avân valoarea e vârf comparabilă cu valoarea curentului ce trebuie blocat. 6. Valoarea critică a pantei e creştere a tensiunii reaplicate în sens irect, la stingerea tiristorului (VD/t)cr. 7. Tensiunea inversă maximă pe poartă (VGRM) reprezintă valoarea maximă absolută a tensiunii negative ce poate fi aplicată pe grilă. Are valori tipice între 7 si V. 8. Rata critică e creştere a curentului invers pe poartă (igr/t)cr, avân valori uzuale între 1A/μs şi 3 A/μs..4.. Comana tiristoarelor GTO Cerinţele circuitelor e amorsare a tiristoarelor GTO sunt similare celor aferente tiristoarelor e construcţie normală. În plus, ţinân seama e valoarea relativ mare a curentului e menţinere IH, este necesară menţinerea unui curent în circuitul grilă-cato, pe toată urata conucţiei. 3
. Elemente semiconuctoare e putere i G I GP I GC t - I GR Fig.9 Variaţia curentului prin circuitul grilă cato, al unui GTO intr-un ciclu e funcţionare În ceea ce privesc cerinţele e comană a blocării, acestea trebuie să ţină seama e mai multe aspecte. 1. Amplituinea (IGRM) şi urata impulsurilor negative e comană sunt superioare valorilor tipice ale parametrilor corespunzători semnalelor e amorsare.. Valoarea maximă a tensiunii inverse este limitată, ceea ce limitează, la rânu-i, amplituinea curentului maxim extras prin grilă. 3. Rezistenţa internă grilă-cato (RGK) "văzută" e etajul final e alimentare a porţii, îşi moifică substanţial valoarea în timpul procesului e blocare, (e la circa 1 mω, la sute e ohmi), ceea ce provoacă reucerea progresivă a curentului extras prin poartă, eoarece VGR este limitată. 4. Panta e creştere a semnalului negativ aplicat pe grilă, trebuie să minimizeze timpul e blocare. Panta (igr/t) epine e puterea tiristorului. Astfel, spre exemplu, acă ITQRM = 6A şi Goff = 3, rezultă IGRM = A şi păstrân aceeaşi pantă e creştere a curentului, e 5A/μs, ca şi la un GTO avân ITQRM=5A, blocarea se obţine în circa 4 μs, ceea ce este inamisibil. Pentru a se realiza pante e creştere e 3 A/μs, se utilizează surse e tensiune constantă e până la 3 V. Într-un ciclu e funcţionare (amorsare - blocare), curentul în circuitul grilă - cato are o variaţie tipică ca în fig..9 evienţiinu-se următoarele aspecte: - pentru amorsare se aplică pentru un timp scurt, (în veerea limitării piererilor), un impuls pozitiv e curent, e amplituine mărită IGP; - eoarece curentul e menţinere IH are valori mari, se menţine, pe toată urata conucţiei, un curent e grilă e valoare reusă IGC. Practic, acest curent se obţine aplicânu-se în circuitul G-K o tensiune e +5V; 4
. Elemente semiconuctoare e putere - în perioaa blocării, în circuitul G-K există un curent negativ cu pantă mare e creştere şi e amplituine IGR. O posibilitate e obţinere a impulsurilor e comană, constă în utilizarea transformatoarelor e impuls. A Dz + R 1 - + C G Th T 1 T R T TI K - Fig..1 Schema e comană a GTO cu transformator e impuls Schema in fig..1 utilizează transformatorul e impuls cu prize meiane, atât în primar, cât şi în secunar, pentru transmiterea unui tren e impulsuri necesar amorsării. Acest tren e impulsuri, se obţine prin comana alternativă, cu frecvenţa trenului e impulsuri, a celor ouă tranzistoare MOSFET, T1 şi T, iar ioa Zener Dz permite existenţa curentului IGC. Impulsul e curent la aprinere, e amplituine IGP este curentul e încărcare a conensatorului C, iar pentru blocare, se comană tiristorul T, prin care se escarcă conensatorul, obţinân astfel o pantă mare e creştere a curentului, cât şi amplituinea necesară..5. Tranzistoare bipolare e putere (BPT).5.1. Caracteristici Tranzistoarele e putere funcţionân în regim e comutaţie, sunt eja folosite pe scară largă în construcţia convertoarelor statice. Caracteristicile curent tensiune (fig..11.c) arată că, în absenţa unui curent pozitiv în baza (B), tranzistorul este blocat, fiin parcurs e un curent foarte mic, practic nul şi putân bloca tensiuni CE într-o plajă largă. Printr-un curent e bază aecvat, se poate obţine curentul I în zona e saturaţie une, căerea e tensiune pe element (CE(sat)) este reusă (1-V). 5
. Elemente semiconuctoare e putere C i C i B B u CE E a) b) i C 1 i C 3 ib croît I B= u CE c) ) Fig..11 Tranzistorul bipolar e putere: a) etalii constructive ; b) simbol; c) caracteristica curent - tensiune (e ieşire) reală; ) caracteristica curent - tensiune (e ieşire) ieală. u CE Curentul e bază necesar este : (.) Se subliniază că, spre eosebire e tiristoare, curentul e bază trebuie menţinut pe toată urata conucţiei, anularea sa proucân blocarea tranzistorului. Deoarece amplificarea în curent are valori uzuale numai 5 1, tranzistoarele e putere se construiesc, e regulă, în montaj Darlington (ublu sau triplu) în acelaşi chip (Darlington monolitic) (fig..1). i C C i C C i B i B T 1 B T 1 T B T E a) b) Fig..1 Tranzistoare în montaj Darlington: a) ublu; b) triplu T 3 E 6
. Elemente semiconuctoare e putere Tranzistoarele nu pot prelua tensiuni în sens invers, motiv pentru care, în CSP se montează cu câte o ioe în antiparalel. Principalii parametrii ce caracterizează funcţionarea unui tranzistor sunt: 1. valoarea meie maximă a curentului e colector IC, în regim permanent;. valoarea e vârf a curentului e colector ICM, în regim tranzitoriu (e regulă pentru o urată e 1ms); 3. valoarea maximă a tensiunii colector emitor, în stare blocată, cu bază nepolarizată (VCE); 4. valoarea maximă a tensiunii colector emitor, în stare blocată, cu baza polarizată negativ (VCEX) care, este mai mare ecât VCE şi arată moalitatea e a creşte capacitatea în tensiune, a unui tranzistor. S-au construi tranzistoare avân VCE până la 14V şi IC e până la 3A; 5. frecvenţa e lucru este situată între.5 şi 5kHz..5.. Comana tranzistoarelor bipolare e putere În convertoarele statice, tranzistoarele lucrează ca întrerupătoare, eci trebuie să fie astfel comanate, încât în regim staţionar să se afle în una in cele ouă stări : saturaţie sau blocare. Trebuie să se ţină seama e trei aspecte: 1. Comana trebuie astfel aplicată încât tranzistorul să fie în saturaţie, pentru un curent e colector suficient e mare. În acelaşi timp, suprasaturarea sa prouce, pe lângă scăerea căerii e tensiune, creşterea timpului e blocare şi eci, cân se lucrează la frecvenţe riicate, curentul e bază trebuie să se moifice continuu, în funcţie e curentul e sarcină;. În perioaa e intrare în conucţie, panta e creştere a curentului e bază este foarte mare şi poate conuce la epăşirea valorii e saturare pentru urate scrute, e 3μs (IB IBsat), (fig.13); 3. În perioaa e blocare, forma e ună a curentului e bază, trebuie să permită anularea, practic instantanee, a curentului colector emitor. Timpul e blocare poate fi minimizat printr-o pantă negativă a curentului e bază, foarte mare (în valoare absolută) şi anularea simultană a curentului e bază şi colector. În acest caz, rezultă însă un curent e bază, negativ, foarte mare, e orinul curentului colector emitor. Au loc totoată şi alte fenomene (joncţiunea colector emitor se polarizează invers) ce pot istruge tranzistorul. 7
. Elemente semiconuctoare e putere O comană care răspune acestor exigenţe este ilustrată în fig..14. Dioa D1 are rolul e a limita suprasaturarea tranzistorului limitân curentul e bază la valori e maxim IBsat în regim tranzitoriu şi la IBsat în regim e conucţie şi e a împieica polarizarea negativă a joncţiunii B C. Dioa D permite, împreună cu D1, menţinerea, în stare e conucţie, a relaţiei CE BE Fig..13 Formele e ună, la comana corecta a unui tranzistor e putere + R 1 C 1 C D AS B 1 T 1 T D 1 B T L D E - R Fig..14 Comana tranzistoarelor e putere, cu forţarea blocării şi ioe antisaturaţie Aaptarea curentului e bază la valoarea curentului e sarcină, astfel încât tranzistorul să nu se suprasatureze, se explică scriin expresia tensiunii e polarizează ioa D1, in 8
ecuaţia e echilibru a tensiunilor. Elemente semiconuctoare e putere Astfel, cân tranzistorul are teninţa e a intra în saturaţie, tensiunea colector emitor scae sub tensiunea ioa D1 se polarisează în sens irect, iar o parte a curentului e comană este erivat prin colector, ceea ce conuce la scăerea curentului e bază. Acest lucru se întâmplă atunci cân curentul e sarcină este mai mic ecât valoare maximă corespunzătoare curentului e comană maxim. Dacă D1 este in conucţie, şi eci, Forţarea blocării se realizează cu o sursă e tensiune negativă, cu rezistenţa internă mică. Limitarea pante şi e scăere a curentului e bază se obţine cu inuctivitatea L. Evient, ioa D3 permite existenţa curentului e bază negativ..6. Tranzistoare cu efect e câmp, e putere (MOSFET e putere).6.1. Introucere Tranzistoarele e tip metal-oxi-semiconuctor, cu efect e câmp (MOSFET), cu mare capacitate în curent în stare e conucţie şi mare capacitate în tensiune în stare blocată, şi implicit utilizarea lor în electronica e putere, s-au ezvoltat începân in anii 198. Ele au înlocuit BPT, în special, în omeniul frecvenţelor înalte..6.. Structura e bază n MOSFET e putere are o structură compusă in patru straturi orientate vertical, straturi ce alternează, fiin opate cu purtători "p" şi respectiv "n". Structura n+pn-n+ este numită în sens larg, MOSFET cu canal n. Poate fi fabricată o structură cu opare inversă şi se numeşte MOSFET cu canal p. Tehnologia e realizare a MOSFET cu canal n este mai simplă şi, in acest motiv, acestea se folosesc în exclusivitate în electronica e putere. Simbolul MOSFET-ului cu canal n, este reprezentat în fig..15.b. Ca şi BPT, MOSFET-ul are trei terminale: D (renă), S (sursă) - terminale e forţă şi G (grilă sau poartă) - terminal e comană. zual, sursa este un terminal comun pentru forţă şi comană. 9
. Elemente semiconuctoare e putere id D a) G uds b) ugs S id ugs4 id ugs3 ugs GS ugs1 ugs < ugs(th) uds uds c) DSM Fig..15 Tranzistorul MOSFET cu canal N: a) etalii constructive ; b) simbol; c) caracteristica curent - tensiune (e ieşire) reală; ) caracteristica curent - tensiune (e ieşire) ieală. ) DSM.6.3. Caracteristici Caracteristicile e ieşire, curent e renă în funcţie e tensiunea renă-sursă, cu tensiunea grilă-sursă ca parametru, sunt arătate în fig..15.c, pentru MOSFET-ul cu canal n. Pentru MOSFET-ul cu canal p, caracteristicile e ieşire sunt similare ar, pentru că atât curentul e renă cât şi tensiunea renă-sursă îşi schimbă polaritatea, ele se vor găsi în caranul III al planului I D - DS. În convertoarele statice, MOSFET-urile sunt folosite ca întrerupătoare comanate, pentru a regla puterea transmisă sarcinii. MOSFET-ul este în stare e blocare acă tensiunea grilă-sursă este inferioară valorii e prag GS(th) şi în stare e conucţie acă tensiunea grilă-sursă este suficient e mare. Pentru a rămâne în conucţie, MOSFET necesită aplicarea continuă pe grilă a unei tensiuni. Curentul e grilă este practic nul, cu excepţia timpilor e comutaţie in stare e blocare în stare e conucţie şi invers, cân capacitatea parazită grilă-sursă se încarcă şi respectiv, se escarcă. Timpii e comutaţie sunt foarte mici, e orinul sutelor e ns, în funcţie e tipul elementului. Rezistenţa renă-sursă în stare e conucţie (r DS(on) ), creşte rapi cu tensiunea maximă e blocare. Rezistenţa pe unitatea e suprafaţă, poate fi exprimată prin: 3
. Elemente semiconuctoare e putere rds(on) = k DSM.5...7, (.3) une k este o constantă ce epine e geometria elementului. Din această cauză, cu creşterea clasei e tensiune rezultă şi creşterea piererilor în conucţie. Oricum, funcţionân la frecvenţe e comutaţie înalte, piererile în conucţie au ponere reusă. Din acelaşi motiv, înlocuirea BPT cu MOSFET, este inicată la frecvenţe e peste 31 khz. MOSFET- urile sunt isponibile la tensiuni e lucru e peste 1 V la curenţi mici (1 A), şi la tensiuni reuse (câteva sute e V), la curenţi e peste 1 A. Tensiunea maximă e comană (grilă-sursă), este e V cu toate că MOSFET-urile pot fi comanate cu semnal e 5V. MOSFET-urile pot fi conectate simplu în paralel, eoarece rezistenţa renă-sursă are coeficient pozitiv e variaţie cu temperatura..6.4. Valori limită absolută MOSFET-urile au ouă valori e tensiuni care nu pot fi epăşite şi anume: - DSM - tensiunea renă-sursă maxim amisibilă; - GSM - tensiunea grilă sursă maxim amisibilă. Deşi, teoretic, MOSFET -urile pot suporta tensiuni grilă-sursă e 51 V, valorile tipice pentru GSM sunt e 3 V. Pentru protecţia la supratensiunile tranzitorii ce pot apare, între G şi S se conectează în serie, invers, ouă ioe zener a căror tensiune e prag trebuie să fie inferioară valorii GSM. Domeniul frecvenţelor e lucru este cuprins între 5 şi 1 khz..6.5. Comana MOSFET Vitezele e variaţie ale curentului şi tensiunii renă-sursă sunt epenente e curentul in circuitul grilă-sursă, în perioaele e încărcare şi escărcare ale capacităţii parazite. La rânul lui, curentul prin capacitatea parazită, la încărcare şi escărcare, epine e tensiunea aplicată în circuitul e comană. Avantajul unor comutaţii rapie constă în reucerea piererilor e comutaţie, ar o comutaţie rapiă etermină un nivel mare al zgomotelor electromagnetice şi apariţia unor supratensiuni în inuctivităţile înseriate cu elementul, rezultân astfel, necesitatea unui compromis. 31
. Elemente semiconuctoare e putere De reţinut că, pentru o comutaţie suficient e rapiă, curentul e grilă poate lua valori e vârf e orinul 1A sau mai mult. Semnalul e comană se obţine e la un circuit logic sau e la un μp, ar acest semnal nu poate fi folosit irect pentru comana MOSFET, eoarece nu poate asigura curentul necesar. Rezultă astfel că, între circuitul logic şi MOSFET se interpune un circuit e amplificare. n circuit e comană simplu, ce poate fi utilizat la frecvenţe e comutaţie reuse, este arătat în fig..16. Cân tranzistorul e ieşire al comparatorului este în conucţie, în circuitul G-S al MOSFET se aplică căerea e tensiune pe tranzistor, care este inferioară valorii e prag GS(th) şi eci MOSFET-ul este blocat. În acest timp, sursa V+ este pusă la masă prin rezistenţa R1, care trebuie să fie mai mare pentru a limita piererile. Cân tranzistorul e ieşire al comparatorului este blocat, tensiunea V+ se aplică în circuitul G-S prin rezistenţele R1, R, în serie. În acest fel, curentul e grilă este mic şi eci timpul e amorsare este mare. Fig..16 Circuit pentru comana MOSFET, la frecvenţe reuse. La blocare, schema nu permite existenţa curentului e grilă negativ (escărcarea capacităţii parazite grilă- sursă) şi timpul e blocare este, e asemenea, mare. Reucerea timpului e blocare se poate obţine prin crearea unui circuit e escărcare a capacităţii parazite grilă-sursă (fig..17). Pe lângă posibilitatea e escărcare a capacităţii parazite grilă-sursă prin tranzistorul pnp T, curentul e grilă maxim al MOSFET este limitat numai e R, imensionată numai 3
. Elemente semiconuctoare e putere în funcţie e valoarea orită a curentului e grilă. Rezultă astfel, posibilitatea obţinerii unor timpi e comutaţie reuşi. Fig..17 Circuit e comană a MOSFET pentru reucerea timpului e blocare Schema poate fi transformată astfel încât să permită aplicarea unei tensiuni negative în circuitul grilă-sursă, pe urata blocării (fig..18). Fig..18 Circuit e comană a MOSFET, cu polarizarea inversă a circuitului G S, pe urata blocării 33
. Elemente semiconuctoare e putere.7. Tranzistoare bipolare cu bază izolată (IGBT).7.1. Introucere BPT şi MOSFET au caracteristici complementare în câteva irecţii. Astfel, BPT au piereri reuse în conucţie, la tensiuni e blocare mari, ar au timpi e comutaţie mari, în special la blocare. MOSFET au timpi e comutaţie reuşi, ar piererile în conucţie sunt mari. De aici, ieea combinării monolitice a BPT şi MOSFET şi apariţia unui nou element - IGBT..7.. Structura e bază Ca şi MOSFET, IGBT prezintă o structură orientată vertical ar, spre eosebire e acesta, s-a aăugat un nou strat p+. Deci, un IGBT este erivat intr-un MOSFET cu canal n şi are o structură n+pn-n+p+. Stratul aăugat p+ constituie rena IGBT-ului. Densitatea e opare a stratului n +, vecin renei, influenţează irect capacitatea e blocare în sens irect şi respectiv timpul e blocare. Cel mai utilizat simbol în literatura e specialitate pentru IGBT este reprezentat în figura.19.b. a) C i C C G u CE b) G c) u GE E Fig..19 Tranzistorul bipolar cu poartă izolată: a) etalii constructive; b) simbol ; c) schema echivalentă E 34
. Elemente semiconuctoare e putere.7.3. Caracteristici Caracteristicile e ieşire (reală şi ieală), curent e renă în funcţie e tensiunea renă-sursă, cu tensiunea grilă-sursă ca parametru, sunt arătate în fig.., pentru un IGBT cu canal n. La polarizarea în sens irect, IGBT este blocat acă tensiunea grilă-sursă este inferioară valorii e prag GS(th). Pentru tensiuni grilă-sursă superioare valorii GS(th), IGBT se comportă, în zona activă, ca o sursă e curent. În CS, IGBT funcţionează în regim e comutaţie, eci punctul e funcţionare trebuie să se găsească pe porţiunea liniar-crescătoare a caracteristicilor, une căerea e tensiune este reusă şi variază puţin în funcţie e curent. La polarizarea în sens invers, cu tensiuni mai mici, în moul, ecât RM, IGBT este blocat. Dacă tensiunea e polarizare în sens irect epăşeşte valoarea maximă amisibilă DSM, curentul renă-sursă creşte necontrolabil, iniferent e valoarea tensiunii grilă-sursă, fenomenul putân prouce istrugerea termică a elementului. Este semnificativ e remarcat că, IGBT îmbină avantajele GTO (capacitate e blocare în sens invers), ale BPT (căere e tensiune mică, în conucţie) şi ale MOSFET (comană în tensiune şi frecvenţă e comană riicată). i C uge4 i C uge3 uge uge croît uge1 uge < uge(th) u CE u CE CEM a) b) Fig.. Caracteristicile externe ale IGBT cu canal n: a) reale; b) ieale. 3..1. Valori limită absolută Ca şi MOSFET-urile, tranzistoarele cu bază izolată au ca valoare limită absolută tensiunea maximă e polarizare în sens irect - DSM, tensiunea maximă în circuitul grilăsursă - GSM, şi curentul maxim I DM. În plus, eoarece IGBT poate prelua tensiuni în sens invers, există şi parametrul RM - tensiunea inversă, maxim amisibilă. 35
. Elemente semiconuctoare e putere De asemenea, IGBT-urile au limitată panta e variaţie a tensiunii în sens irect. Timpul e comutaţie este e orinul 1 4 s iar frecvenţele e lucru între - khz. În prezent se comercializează IGBT avân DSM e până la 18 V şi curenţi I DM e până la A...4. Comana IGBT Necesităţile e comană ale IGBT sunt similare cu cele ale MOSFET, putân fi utilizate circuite similare. Dacă este necesar un curent e grilă mare, poate fi utilizat circuitul e mai jos (fig..1). Pentru a separa partea e comană e cea e forţă se utilizează optocuplorul OC. Tranzistorul optocuplorului constituie etajul pilot al preamplificatorului în contratimp format in tranzistoarele T1 şi T. În momentul aplicării semnalului e comană (semnal logic ) la intrarea OC, tranzistorul pilot se blochează, iar pe bazele tranzistoarelor prefinale se aplică tensiunea sursei e alimentare prin rezistenţa R1. În consecinţă, tranzistorul T va fi blocat iar T1 saturat. Capacitatea poartă sursă a tranzistorului final (IGBT) se va incărca prin rezistenţa R. Constanta e tip a circuitului RC format este epenentă e capacitatea e inatrare a IGBT si R ( = R Cin). Timpul e intrare în conucţie al tranzistorului, eci piererile e comutaţie şi interferenţa electromagnetică prousă, pot fi astfel stabilite in R. + R 1 i C C c OC T 1 T R G u GE E u CE Fig..1 Schema e principiu a circuitului e comană a unui IGBT e putere 36
. Elemente semiconuctoare e putere Pentru blocarea tranzistorului e putere, la intrarea OC se aplică semnal logic 1, tranzistorul pilot intră în saturaţie, tensiunea pe bazele tranzistoarelor prefinale evine zero (ucesat), T1 se va bloca iar T se va satura. Capacitatea tranzistorului e putere se va escărca prin R şi T, iar acesta se va bloca in timpul at e constanta e timp = R Cin. 37
. Alegerea şi verificarea elementelor semiconuctoare e putere 3. ALEGEREA ŞI VERIFICAREA ELEMENTELOR SEMICONDCTOARE DE PTERE 3.1. Piererile în elementele semiconuctoare e putere 3.1.1. Piererile în tiristoare Piererile totale P t care se egajă într-un tiristor şi contribuie la încălzirea acestuia, se obţin prin însumarea mai multor componente: Pt PR PD PT PTT PRQ PSQ PG (3.1) ale căror semnificaţii se prezintă în continuare. - P R - piereri atorate curentului reziual, în sens invers, în stare blocată; - P D - piereri atorate curentului reziual, în sens irect, în stare blocată; - P T - piereri atorate curentului e conucţie (piereri e conucţie); în cazul tiristoarelor lente, acestea au ponerea cea mai mare în piererile totale, existån ouă moalităţi e calcul: - in grafice aecvate, aferente fiecărui tiristor, (fig. 3.1), care inică epenenţa piererilor în conucţie, în funcţie e valoarea meie a curentului prin tiristor - I TAV, unghiul e conucţie într-o perioaă - şi forma e ună - fu a curentului, care poate fi sinusoial sau reptunghiular, PT = (ITAV,, fu) (3.) PT [W] 4 3 = 3 1 18 9 6 T 1 1 3 4 ITAV [A] Fig. 3.1 Piererile în conucţie pentru tiristorul NT3, fabricat e IPRS Băneasa 38
3. Alegerea şi verificarea elementelor semiconuctoare e putere - analitic, pe baza relaţiei P în care, T ν T ITAV rt ITAV F (3.3) v t - căerea e tensiune pe tiristorul aflat în conucţie, corespunzătoare temperaturii maxime a joncţiunii - T jmax ; r t - rezistenţa ohmică a tiristorului aflat în conucţie; F - factorul e formă, reprezentân raportul intre valorile efectivă şi meie, ale curentului prin tiristor; - P TT - piereri atorate procesului e comutaţie, care sunt mici în cazul tiristoarelor lente, ar au ponerea cea mai mare, în cazul tiristoarelor rapie, ce lucrează la frecvenţe e comutaţie mari. Cataloagele inică grafice reprezentân energia totală pe impuls e curent în funcţie e vârful I max al impulsului e curent, şi e urata acestuia (fig. 3.), pentru calculul piererilor totale prin tiristoarele rapie, Wt = (Imax, ) (3.4) apoi, piererile totale se obţin ca prous al energiei totale cu frecvenţa e comană f c, Pt = Wt fc (3.5) - P RQ - piereri atorate procesului e amorsare; - P SQ - piereri atorate procesului e blocare; - P G - piereri atorate curentului e comană. I max [A] 1 4 6 Wt = J 4 1J.6J 1 3.4J.J 6.1J.6J 4.4J.J 1 1-4 8 1-1 4 6 8 4 6 1 1 t[ms Fig. 3. Variaţia energiei totale pentru impuls sinusoial e curent, în funcţie e amplituinea şi urata acestuia, pentru tiristorul rapi T9F3, fabricat e IPRS Băneasa Piererile PR şi PD au valori foarte mici, atorită valorilor foarte mici ale curenţilor reziuali, şi se pot neglija. 39
. Alegerea şi verificarea elementelor semiconuctoare e putere Observân că, pentru tiristoarele rapie se etermină grafic piererile totale, se menţionează că, pentru tiristoarele lente se etermină piererile în conucţie, iar celelalte se aproximează la 1% in acestea, respectiv, P t = 1,1 P T. (3.6) 3.1.. Consieraţii privin piererile în elementele semiconuctoare complet comanate Elementele semiconuctoare comanate lucrează, e regulă, la frecvenţe riicate şi, atorită fenomenelor complexe legate e intrarea şi respectiv ieşirea in conucţie, calculul exact al piererilor este practic imposibil, acestea epinzân e foarte multe mărimi care, la rânul lor, sunt epenente e parametrii circuitului în care este montat elementul semiconuctor. O estimare a piererilor (şi evienţierea principalelor componente) se poate face consierân un circuit simplu (fig. 3.3), care utilizează sursa e c.c. avân tensiunea, ce alimentează sarcina S, cu caracter R, L, C. Dioa ieala D, asigură existenţa curentului prin sarcină, cân elementul semiconuctor T, presupus e asemenea ieal, este eschis. + I S D T i T u T - Fig. 3.3. Schema e principiu, pentru evienţierea piererilor, în elementele semiconuctoare complet comanate Se va consiera că, procesul e amorsare se eclanşează la trecerea semnalului e comană uc pe nivel sus, iar cel e ezamorsare, la trecerea semnalului e comană pe nivel jos (fig. 3.4a). Cân elementul semiconuctor este blocat (eschis), curentul ce îl străbate este nul, iar tensiunea ce îl polarizează este tensiunea sursei, iar cân se afla în conucţie (închis) este parcurs e curentul I, pe el căzân tensiunea vt. S-a consierat, pentru simplificare, că atât la amorsare cât si la ezamorsare, curentul şi tensiunea au variaţii liniare. După aplicarea semnalului pozitiv e comană, creşterea curentului prin element are loc upă un timp scurt, numit timp e întârziere la amorsare ta. 4
3. Alegerea şi verificarea elementelor semiconuctoare e putere u c T c t c t b t a) u T i T u T I P t t a t ci t u v T t t cu t i i T t b) I v TI t ca t c t c) Fig. 3.3. Formele e ună ieale:a) ale semnalului e comană; b) curentului şi tensiunii; c) şi piererilor pentru un ciclu complet e funcţionare, a unui element semiconuctor complet comanat Tensiunea pe element se menţine, până cân curentul creşte la valoarea e regim staţionar I, respectiv pe urata tci, iar scăerea tensiunii la valoarea vt are loc în timpul tsv. Rezultă, neglijân întârzierea la amorsare, timpul total e comutaţie la amorsare tca,. (3.7) Energia corespunzătoare procesului e amorsare (Wa) este aproximativ egală cu aria triunghiului avân baza tca şi înălţimea I, (fig. 3.4c), respectiv,. (3.8) La trecerea semnalului e comană la valoarea negativă, fenomenele sunt similare, evieţiinu-se timpul e întârziere la ezamorsare t, timpul e creştere a tensiunii pe element tcv şi timpul e scăere a curentului tsi, iar timpul e comutaţie la ezamorsare tc va fi. (3.9) Energia isipată în element, în timpul procesului e ezamorsare este (3.1) Pe urata conucţiei, elementul semiconuctor fiin parcurs e curentul constant I, iar căerea e tensiune fiin asemenea constantă, rezultă energia isipată în stare e conucţie,. (3.11) Rezultă astfel, energia totală corespunzătoare unui ciclu e comaă,, (3.1) 41
. Alegerea şi verificarea elementelor semiconuctoare e putere şi respectiv, piererilor totale meii,, (3.13) f fiin frecvenţa e comană. Pentru un element şi o sarcină ate (, I, tca, tc si vt sunt constante), ponerea energiei isipate în conucţie scae cu creşterea frecvenţei e comană şi eci, la frecvenţe riicate, sunt ominate piererilor la amorsare şi blocare. Pentru reucerea acestora, trebuie reusă amplituinea piererilor aferente acestor regimuri, ceea ce se poate obţine acă tensiunea şi curentul nu au, simultan, valori mari. În veerea obţinerii acestui obiectiv, se prevă circuite e protecţie care au următoarele efecte: - reucerea vitezei e creştere a curentului şi creşterea vitezei e scăere a tensiunii pe element, la amorsare; - accelerarea procesului e anulare a curentului şi reucerea vitezei e creştere a tensiunii, la blocare. Se menţionează că, firmele constructoare inică grafice aecvate pentru cele trei componente ale energiei isipate, respectiv, epenenţa acestora e o serie e alţi parametri (curentul e sarcină I, caracteristicile semnalului e comană, valorile elementelor e protecţie aferente). Referinu-se la tiristoarele GTO fabricate e firma MARCONI, în fig. 3.5 3.6, se inică câteva grafice, pe baza cărora, se pot calcula componentele energiei isipate, evienţiinu-se următoarele aspecte: W a[mj] 15 1 5 T j=15 I GP=A C=1,5 F R=7 V D=9V V D=6V V D=4V 1 3 5 6 I T[A] Fig. 3.5. Grafice pentru eterminarea energiei pierute, în timpul amorsării, pentru tiristorul GTO DGT34SE, I TQM=7A, V DRM=13V - piererile în conucţie epin atât e valoarea meie a curentului prin tiristor, e forma e ună, cât şi e valoarea curentului e grilă, e menţinere IGC; 4
3. Alegerea şi verificarea elementelor semiconuctoare e putere W [mj] 3 1 T j=15 C i GR/t=15A/ s C=1,5 F V D=9V V D=75V V D=6V V D=4V 1 3 5 6 I T[A] Fig. 3.6. Grafice pentru eterminarea energiei pierute, în timpul ezamorsării, pentru tiristorul GTO DGT34SE, I TQM=7A, V DRM=13V - energia e amorsare, epine e valoarea tensiunii continue D, e temperatura joncţiunii, e valoarea e vârf a curentului e grilă IGP, şi e valorile C, R al grupului e protectie aferent; - energia la ezamorsare, epine e valoarea e vârf a impulsului e curent, e valoarea tensiunii continue, e temperatura jonctiunii, e panta e variaţie a curentului e grilă şi e valorile grupului e protecţie. 3.. Alegerea elementelor semiconuctoare e putere După stabilirea tipului e element semiconuctor, în funcţie e tipul convertorului în care acesta va funcţiona, alegerea sa se va face, în principiu, pe baza solicitărilor în tensiune şi curent, respectiv: 1. Valoarea e vârf a tensiunii ce solicită elementul respectiv în stare blocată, în sens irect şi, eventual, în sens invers. Se menţionează că, elementele utilizate în construcţia invertoarelor cu caracter e sursă e tensiune, necesită montarea, în antiparalel cu ele, a unor ioe pentru preluarea curenţilor inverşi, astfel că, aceste elemente nu sunt solicitate la tensiuni în sens invers. În acelaşi timp, pentru a se ţine seama e supratensiunile e comutaţie, se aoptă un coeficient e siguranţă e -,5.. Valoarea meie pe o perioaă, a curentului ce parcurge elementul în timpul funcţionării. Valoarea meie nominală (e catalog), a unui element semiconuctor este inicată în coniţiile utilizării ventilaţiei forţate, iar acă se utilizează ventilaţia naturală, se 43
. Alegerea şi verificarea elementelor semiconuctoare e putere ţine seama că elementul respectiv nu poate fi solicitat ecât până la,3 -,4 in capacitatea nominală. Alegerea tipului e ventilaţie se face in consierente economice. Evient, valorile reale ce solicită elementul trebuie să fie mai mici ecât cele corespunzatoare atelor in catalog, respectiv trebuie îneplinite relaţiile: ksi IN Icat ksu b cat (3.14) une, mărimile in membrul stâng al inegalităţilor corespun circuitului în care este montat elementul, iar cele in membrul rept sunt ate e catalog. Semnificaţiile acestora sunt: k su = 1 -,5 - coeficient e siguranţă în tensiune; V ct - valoarea maxim amisibilă a tensiunii ce poate solicita, în mo repetitiv, elementul aflat în stare blocată; b - valoarea maximă a tensiunii, ce solicită elementul, în stare blocată; k si - coeficient e siguranţă în curent. k si 1 pentru ventilaţie forţată k si,5 3 pentru ventilaţie naturală I N - valoarea meie nominală a curentului prin element; I ct - valoarea meie nominală (e catalog) a curentului prin element. 3..1. Verificarea elementelor semiconuctoare, la încălzire Această verificare are rept scop asigurarea că, în coniţiile concrete e meiu şi e ventilaţie în care lucrează elementul, nu se epăşeşte valoarea maxim amisibilă a temperaturii joncţiunii. În general, este necesară verificarea la încălzire, atât în regim staţionar, (valoarea meie a curentului prin element este presupusă constantă), cât şi în regim intermintent (valoarea meie a curentului prin element este variabilă). 3..1.1. Verificarea la încălzire în regim staţionar Orice element semiconuctor e putere se montează pe un raiator, schema termică echivalentă a ansamblului (fig. 3.7), evienţiin mărimile: T j - temperatura joncţiunii; 44 T c - temperatura capsulei;
3. Alegerea şi verificarea elementelor semiconuctoare e putere T r - temperatura raiatorului; T a - temperatura meiului ambiant (a fluiului e răcire); R thj-c - rezistenţa termică joncţiune - capsulă, care este o ată e catalog a elementului; R thc-r - rezistenţa termică capsulă - raiator, care este o rezistenţă e contact, epinzân e calitatea suprafeţelor în contact, (a capsulei şi a raiatorului) şi e forţa e strângere; R thr-a - rezistenţa termică raiator - meiu ambiant, ce epine e suprafaţa şi tipul raiatorului şi e natura, ebitul şi viteza fluiului e răcire. Firmele constructoare inică, pentru un anumit tip e capsulă, valoarea maximă a rezistenţei termice capsulă- raiator, cu respectarea anumitor coniţii e montare. R thj-c T c R thc-r T r T j ~ P t R thr-a T a Fig.3.7 Schema termică echivalentă în regim staţionar, a circuitului e răcire al unui element semiconuctor e putere nele firme inică irect rezistenţa termică capsulă - meiu ambiant, caracteristică unui raiator. Observân (fig. 3.7) că toate rezistenţele termice sunt conectate în serie, temperatura joncţiunii este ată e: j t thjc thcr thra T Ta P R R R (3.15) Relaţia e mai sus poate fi utilizată în ouă scopuri, upă cum, s-a ales sau nu, raiatorul. a) Pentru calculul temperaturii joncţiunii, acă s-a ales corpul e răcire (raiatorul), corespunzător tipului capsulei tiristorului utilizat. Elementul este verificat, acă valoarea calculată a temperaturii joncţiunii este mai mică ecât valoarea maxim amisibilă (inicată în catalog) Tj T jam (3.16) b) Pentru calculul valorii maxime a rezistenţei termice raiator-ambiant şi, pe această bază, se alege sau se imensionează raiatorul, respectiv, punân coniţia (3.16) în (3.15) se obţine: 45
. Alegerea şi verificarea elementelor semiconuctoare e putere R T T jam a thra Rthjc Rthcr (3.17) Pt Se menţionează că, în cazul tiristoarelor, rezistenţa termică joncţiune - capsulă se inică în catalog pentru funcţionare în c.c., iar în cazul conucţiei intermitente, această valoare se majorează cu cantitatea, eterminată grafic, în funcţie e unghiul e conucţie. Pe baza valorii obţinute conform relaţiei (3.17), se poate imensiona raiatorul pe ouă căi: b 1 ) se alege un corp e răcire corespunzător cu tipul capsulei (forma constructivă) a elementului; b ) se alege un profil e raiator, e asemenea corespunzător cu tipul capsulei elementului, şi in grafice aecvate, se etermină lungimea necesară, ca funcţie e rezistenţa termică raiator-mbiant calculată, şi e coniţiile e răcire. 3..1.. Verificarea la încălzire în regim intermitent 3..1..1. Cazul unui puls reptunghiular Datorită sarcinii, elementele semiconuctoare pot fi parcurse e curent variabil, (în cazul funcţionării cu impulsuri e curent cu frecvenţă mare, elementele se află în regim termic intermitent, chiar acă amplituinea impulsurilor este constantă), situaţie în care, temperatura joncţiunii se moifică continuu în jurul valorii meii. Asimilân variaţia curentului prin element cu o variaţie treaptă (fig. 3.8), la apariţia unei suprasarcini, temperatura joncţiunii creşte aproximativ exponenţial. I P t P t I P t1 I 1 t t 1 t T j T jmax t Figure 3.8. Variaţia temperaturii joncţiunii, la o variaţie treaptă a curentului printr-un tiristor Semnificaţiile mărimilor ce intervin în fig. 3.8 sunt: I valoarea meie e suprasarcină (maximă), a curentului prin element; 46
3. Alegerea şi verificarea elementelor semiconuctoare e putere t timpul cât se menţine suprasarcina; Pt piererile totale corespunzătoare curentului I; I1 valoarea meie a curentului prin element, înainte e apariţia suprasarcinii; t1 timpul cât curentul este I1; Pt1 piererile totale corespunzătoare curentului I1; La funcţionarea în regim intermitent, în schema termică echivalentă (fig. 3.7) apar şi capacităţi termice, astfel încât, se obţine o schemă în care, rezistenţele termice sunt înlocuite cu impeanţe termice tranzitorii, cu excepţia rezistenţei termice e contact capsulă raiator, une nu se poate înmagazina călură. Variaţia tipică a unei impeanţe termice se inică în fig. 3.9, observânu-se că, valoarea e regim staţionar a acesteia este tocmai rezistenţa termică şi că, aceasta se atinge upă un timp ts. Astfel, variaţia în timp a temperaturii joncţiunii este ată e: j a tm thja P P Z R Z T T P R (3.18) în care Ptm este meia piererilor, P P t P t t tm thjc thcr thra t1 1 t tm, (3.19) t1 t iar Rthj-a este rezistenţa termică joncţiune ambiant, obţinută ca sumă a tuturor rezistenţelor. Cataloagele inică, pentru un corp e răcire, variaţia impeanţei termice capsulă meiu ambiant, Z thca R Z (3.) thcr thra Evient, valoarea maximă a temperaturii joncţiunii se obţine la momentul t eci, înlocuin în relaţia (3.18) valorile impeanţelor corespunzătoare timpului t. Z th R th t t s Fig. 3.9 Variaţia unei impeanţe termice, în funcţie e timp Elementul semiconuctor este verificat la încălzire în regim intermitent acă: T jmax t Tjam T (3.1) j 47
. Alegerea şi verificarea elementelor semiconuctoare e putere Dacă nu se ispune e variaţia în timp a impeanţei termice a raiatorului, se poate lucra acoperitor, cu rezistenţa termică, sau, se calculează temperatura maximă a joncţiunii cu relaţia: Tjmax Tcmax Ptm R thjc Pt Ptm Z thjc (3.) une, Tcmax se etermină in grafice aecvate, în funcţie e curentul I. Obs. Impeanţa termică tranzitorie (fig. 3.9) atinge valoarea rezistenţei termice (valoarea e regim staţionar), upă un timp ts, astfel că, acă timpul cât urează suprasarcina este mai mare ecât acesta, t t s curentul I nu mai constituie, in punct e veere termic, un regim intermitent şi, elementul semiconuctor trebuie ales în funcţie e acest curent, respectiv, în relaţiile (3.14) se va consiera în locul curentului IN, curentul I. Referitor la relaţia e mai sus, ts = max{ts1,ts} une, ts1 şi ts corespun impeanţelor Zthj-c şi Zthr-a. 3..1... Cazul mai multor pulsuri reptunghiulare Dacă, prin elementul semiconuctor, curentul este o succesiune e pulsuri reptunghiulare, şi piererile aferente variază similar (fig. 3.1.a). Cu notaţiile in fig. 3.1.a temperatura joncţiunii elementului se obţine cu relaţia: T Ta P1 (Z t Z t1) P (Z t4 Z t3 ) P3 (Z t6 Z t5 ) j (3.3) în care Ztk sunt impeanţele termice tranzitorii, la momentele e timp tk. P P 1 P P 3 P t 1 t t 3 t 4 t 5 t 6 t t 1 t t 3 t 4 a) b) Fig. 3.1 Variaţia, în timp, a piererilor printr-un element semiconuctor parcurs e un tren e pulsuri reptunghiulare, e curent : a) oarecare ; b) perioice şi e amplituini egale t 48
3. Alegerea şi verificarea elementelor semiconuctoare e putere În plus, acă pulsurile au amplituini egale şi sunt perioice (fig. 3.1.b), temperatura joncţiunii se poate calcula, acoperitor, consierân creşterea temperaturii atorată numai ultimelor ouă pulsuri, respectiv: T 3 j Ta Ptm (R thj a Z t4 ) P(Z t Z t1) P(Z t4 Z t ) (3.4) În relaţia e mai sus, t t1 Ptm P t 3 t1 sunt piererile meii, pe o perioaă. 49
4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere 4. PROTECŢIA ELEMENTELOR SEMICONDCTOARE DE PTERE În general, elementele semiconuctoare utilizate în construcţia convertoarelor statice, trebuiesc protejate la scurtcircuit şi la pantele e variaţie ale curentului şi tensiunii. Comune tuturor elementelor, sunt supratensiunile atorate fenomenului e comutaţie, iar în cazul convertoarelor conectate la reţeaua e c.a. (reresoare, cicloconvertoare, VTA), apar suplimentar şi supratensiuni provenite in reţea. Fenomenul e comutaţie prezintă particularităţi în funcţie e tipul elementului. Astfel, calculul protecţiilor va fi analizat iniviual sau pe grupe e elemente. Protecţia la scurtcircuit se realizează cu siguranţe fuzibile ultrarapie, pentru tiristoare, sau prin controlul irect al curentului, pentru tranzistoare. În ultimul timp, în special pentru tranzistoare, firmele constructoare livrează moule compacte, care înglobează circuitul e comană cu separare optică (river) şi circuitul e protecţie la supratensiuni e comutaţie (snubber). 4.1. Protecţia tiristoarelor la supratensiuni e comutaţie Iniferent e convertorul în care se utilizează, tiristoarele sunt solicitate la supratensiuni atorate procesului e comutaţie. Supratensiunile e comutaţie apar în procesul tranzitoriu e blocare, iar pentru reucerea supratensiunilor, ca şi a pantei e creştere a tensiunii e polarizare în sens irect, în paralel cu fiecare tiristor se montează un grup serie RC (fig. 4.1). Se presupune că, anularea curentului are loc prin polarizarea tiristorului în sens invers, cu o tensiune e valoare b. Dacă tensiunea e polarizare este variabilă în timp, se consieră cazul cel mai efavorabil, cân comana e blocare se ă la valoarea maximă a tensiunii. Schema echivalentă în timpul comutaţiei (fig. 4.), evienţiază inuctivitatea e comutaţie Lk. 5
4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere R C A K G Fig. 4.1. Montarea circuitului e protecţie a tiristoarelor la supratensiuni e comutaţie 4.1.1. Valoarea maximă a tensiunii la polarizarea în sens invers Pentru imensionarea grupului e protecţie, se poate neglija timpul în care curentul invers prin tiristor (fig. 4..b) scae e la valoarea IRR la zero (la momentul t+, tiristorul se blochează instantaneu şi începe încărcarea conensatorului C). Deoarece la momentul t acest curent se închie prin inuctanţa Lk, iar la t+ tiristorul este blocat, rezultă următoarele coniţii iniţiale: ict IRR; uct ; (4.1) b Teorema a oua a lui Kirchhoff pe circuitul e încărcare a conensatorului, conuce la ecuaţia: ic Lk RiC uc b (4.) t şi ţinân seama e expresia tensiunii pe conensator, 1 u C C ict se obţine ecuaţia: - + L k u C u C ω ξ ωu C ωb (4.3) t t în care s-au evienţiat: T i k i T u T R C i C u C i T I T I RR a) b) N P Fig. 4.. a) Schema echivalentă la blocarea unui tiristor ; b)variaţia curentului prin tiristor, în timpul blocării t M t 51
4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere - pulsaţia proprie: ω 1/ LkC ; - factorul e amortizare: R C ξ. L k Ecuaţia caracteristică a ecuaţiei iferenţiale omogene (4.3) are răăcinile: α jβ, r 1, une: α ω ξ ; β ω 1 ξ Consierân originea timpului la momentul t (t =), pentru ξ<1, se obţine soluţia generală : u αt C e C1cosβt Csinβt b iar in coniţiile iniţiale (4.1), rezultă constantele e integrare, C C ; 1 B I Cβ α β RR b Observân că tiristorul este solicitat e suma tensiunilor pe conensator şi rezistenţă, se obţine: αt C RCαC C T b 1 e RCβ sinβt RCβ RCα 1 cosβt (4.5) b b b În continuare, soluţia se scrie în unităţi relative, introucânu-se următoarele mărimi e raportare: - pentru tensiune b, iar tensiunea relativă este: T u T ; b (4.4) - pentru rezistenţă - B b IRR R, iar rezistenţa relativă este: R r ; R B I b RR - pentru capacitate - CB Lk, iar capacitatea relativă este: 5
4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere C c ; CB - pentru timp - TB L kcb, iar timpul relativ este: t τ. T B Expresia tensiunii în unităţi relative va fi: u r/ξ ξ rξ 1 ξ αt 1 e sinβt r 1cosβt T (4.6) iar panta e variaţie: u t αt rξ ξ 3r/ 1 r/ξ ξ rξ e sinβt cosβt 1 ξ 1 ξ T (4.7) Maximul tensiunii la care este solicitat tiristorul este: u TM 1 e şi se obţine pentru: ξ βτm 1ξ r ξ r 1 (4.8) tgt ξ 1 ξ r/ξ ξ rξ m (4.9) rξ ξ 3r/ 1 Depenenţele valorii maxime a tensiunii pe tiristor în funcţie e parametrii r şi c, permit esprinerea unor conclzuii utile pentru proiectare. Astfel, la rezistenţă constantă, valoarea maximă a tensiunii scae oată cu creşterea capacităţii (fig. 4.3), iar la capacitate constantă (fig. 4.4), se evienţiază existenţa unui optim (minim), în funcţie e rezistenţă. utm.5. r =.6 r = 1. r = 1.4 1.5 1...4.6.8 1. 1. 1.4 Fig. 4.3. Variaţia tensiunii maxime pe tiristor, în unităţi relative, în funcţie e capacitatea relativă c 53
4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere Semnificativ este, e asemenea, că la rezistenţe relative mai mari ecât 1, scăerea tensiunii maxime cu creşterea capacităţii evine nesemnificativă (fig. 4.3), iar la capacitate constantă, tensiunea creşte lent pentru rezistenţe mai mici ecât valoarea optimă şi creşte rapi pentru rezistenţe mai mari ecât valoarea optimă (fig. 4.4). utm. 1.8 1.6 c =.6 c =.8 c = 1. 1.4 1. 1...4.6.8 1. 1. 1.4 1.6 1.8 Fig.4.4. Variaţia tensiunii maxime pe tiristor, în unităţi relative, în funcţie e rezistenţa relativă r 4.1.. Valoarea maximă a pantei e creştere a tensiunii, la polarizarea în sens irect Iniferent e moul în care se obţine tensiunea e polarizare inversă (comutaţia naturală sau comutaţia forţată), upă blocare, la trecerea unui timp cel puţin egal cu timpul e revenire, tiristorul este polarizat în sens irect, iar panta e creştere a tensiunii nu trebuie să epăşească valoarea maxim amisibilă. Panta e variaţie a tensiunii ce polarizează circuitul format in inuctivitatea e comutaţie şi graul e protecţie, epine e tipul convertorului şi e circuitul e stingere utilizat. Pentru obţinerea unor relaţii utile în proiectare, se va consiera cazul cel mai efavorabil, cân, upă încărcarea conensatorului în sens invers cu tensiunea b, se aplică, în sens irect, tensiunea pozitivă b, avân variaţie treaptă. Conensatorul se încarcă prin sarcină şi, consierân curentul e sarcină, constant pe urata procesului e încărcare, se obţine pentru tensiunea pe conensator o ecuaţie inirectă cu (4.3), ar coniţiile iniţiale vor fi: ic() = ; uc() = - b, 54
iar pentru tensiunea inirectă pe tiristor, se găseşte expresia: 4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere αt α RC T b 1 e cosβt sinβt. (4.1) β β Panta e variaţie a tensiunii pe tiristor este : T αt ω be RCωcosβt 1 RCαsinβt, (4.11) t β iar în unităţi relative, folosin aceleaşi mărimi e raportare, are expresia : r u τ 1 ξ 1 ξ T r 1 ξ e ξ cos rτ sin rτ, (4.1) t ξ ξ 1 ξ ξ care are un maxim egal cu : u T t pentru : M r ξ e r τ m, (4.13) 1 ξ 1 4ξ 1 ξ tg rτm. (4.14) ξ ξ3 4ξ Stuiul epenenţelor pantei maxime e creştere a tensiunii, în funcţie e parametrii r şi c, evienţiază următoarele : - există puncte e optim (minim), atât la rezistenţă constantă, cât şi la capacitate constantă (fig. 4.5 şi 4.6) ; (ut / )M 4. 4.5 4. 3.5 r = 1. 3..5. 1.5 r = 1. r =.8 1...4.6.8 1. 1. 1.4 Fig. 4.4. Variaţia pantei maxime a tensiunii irecte, în unităţi relative, în funcţie e capacitatea relativă c 55
4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere - pentru rezistenţe mai mici ecât valoarea optimă, creşterea pantei maxime este nesemnificativă, iar pentru rezistenţe mai mari creşterea este rapiă (fig. 4.6) ; - optimul pantei e creştere a tensiunii în sens irect, se obţine pentru o rezistenţă mai mică ecât cea corespunzătoare minimului tensiunii maxime în sens invers. (ut / )M 18. 16. 14. 1. 1. 8. 6. 4....4.6.8 1. 1. 1.4 1.6 Fig 4.6. Variaţia pantei maxime a tensiunii irecte, în unităţi relative, în funcţie e rezistenţa relativă r c = 1. c =.8 c =.6 4.1.3. Algoritm e imensionare Pentru imensionare, se pot utiliza epenenţele rezisenţei optime pentru care maximul tensiunii are valoare minimă, a tensiunii optime şi pantei maxime (ambele corespunzân rezistenţei optime) în funcţie e capacitatea relativă (fig. 4.7), parcurgânu-se următorul algoritm : - se impune un coeficient e siguranţă ks = 1,3 1,5 şi se calculează valoarea maximă a tensiunii pe tiristor, V RRM TM ; (4.15) ks - se calculează tensiunea maximă relativă (coeficientul e supratensiune) TM utm ; (4.16) b - in fig 4.7 pentru utm, e pe curba 1, se etermină capacitatea c, iar corespunzator acesteia, e pe curbele şi 3, se etermină rezistenţa optimă r şi panta maximă e variaţie a tensiunii (u/ ) - se aoptă pentru rezistenţă o valoare normalizată, 56
b I RR 4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere R r ; (4.17) - se aoptă pentru capacitate o valoare normalizată, C I RR c L k ; (4.18) b utm ro..5(ut / )M utm 1.4 ro 1. c.5 c..4.6.8 1. 1. 1.4 1.6 1.8 Fig 4.7. Variaţiile tensiunii inverse optime, rezistenţei optime, şi pantei tensiunii irecte, în unităţi relative, în funcţie e capacitatea relativă - se calculează panta maximă e variaţie a tensiunii pe tiristor, în unităţi absolute, b T u T ; (4.19) t M LkIRR τ M şi se verifică acă este inferioară valorii maxime amisibile respectiv, T T ; (4.) t M t a - acă relaţia e mai sus nu se verifică, se alege o valoare mai mare pentru capacitate, reluânu-se calculele e la pasul 3. Obs. Curentul invers maxim prin tiristor în procesul e blocare (curentul maxim invers -IRR), poate fi exprimat în funcţie e sarcina stocată şi e panta maximă e variaţie a 57
4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere curentului. Astfel, în fig. 4..b, observân că sarcina stocată este aria triunghiului reptunghic MPN, se obţine it IRR Qsq. (4.1) t Puterea isipată în rezistenţa R în timpul încărcării conensatorului, poate fi calculată pornin e la ecuaţia e tensiuni (4.), care se înmulteşte cu ic şi se integrează pe urata e încărcare ti, obţinân : 58 t i i i i L k ic ict R ict u CiCt b ict. (4.) t t Semnificaţiile tensiunilor sunt următoarele : t t ti b ict bq Cb, (4.3) eoarece sarcina înmagazinată în conensator este t i Q i C t ; (4.4) R ti ict WR, (4.5) reprezintă energia isipată în rezistor ; ti t i u C b u CiCt Cu C t C WC, (4.6) t reprezintă energia înmagazinată în conensator : ti (i t i 1 ti ic 1 ic i C ic (ic )t C ) IRR, (4.7) t ic eoarece, ic(ti)=. Se obţine astfel, energia isipată pe rezistor, Lk b b Lk R Cb IRR C C IRR. (4.8) W Consierân şi procesul e escărcare, în care energia înmagazinată în conensator se isipă pe rezistenţă, rezultă energia totala într-un ciclu e încărcare escărcare, L W iar puterea meie va fi : k Rt C b IRR, (4.9)
P L 4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere k R C b I RR fc, (4.3) une f este frecvenţa e comană a tiristorului. 4.. Protecţia convertoarelor statice conectate la reţeaua e c.a. Convertoarele statice conectate la reţeaua e c.a. trebuiesc protejate împotriva supratensiunilor externe. Cauzele care etermină existenţa acestor supratensiuni sunt: - ecuplarea e la reţea a transformatorului e alimentare; - escărcările electrice. Avân în veere proprietatea conensatoarelor e a înmagazina energie şi e a reuce supratensiunile, protecţia se realizează cu grupuri serie R 1 - C 1, conectate în secunarul transformatorului e alimentare (fig. 4.8). Decuplarea transformatorului este toteauna preceată e inhibarea impulsurilor e comană a tiristoarelor, respectiv transformatorul funcţionează în gol. R 1 C 1 R 1 C 1 R 1 C 1 CS Fig. 4.8 Conectarea grupurilor e protecţie a tiristoarelor, la supratensiuni provenite in reţeaua e alimentare Dimensionarea capacităţii se face in consierente energetice, respectiv se consieră că, energia înmagazinată în transformator înainte e econectarea e la reţea, este preluată e conensator, prin creşterea tensiunii la bornele sale. Luânu-se cazul cel mai efavorabil, cân econectarea se face la valoarea e vârf a curentului e mers în gol, energia înmagazinată în transformator va fi: 59
4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere une : W M I n L I 1 n f Lm 1 f m 1 (4.31) n f - numărul e faze ; L m - inuctivitatea e magnetizare a transformatorului ; I 1 - valoarea efectivă a curentului e mers în gol. Avânu-se în veere schema echivalentă a transformatorului, cu neglijarea rezistenţei şi inuctivităţii e ispersie a primarului, rezultă 1 ωlmi1 in care, exprimânu-se inuctivitatea şi înlocuin în (4.31), se obţine: n f 1 I1 W M (4.3) fiin pulsaţia tensiunii reţelei, iar 1, valoarea efectivă a tensiunii e fază. Puterea aparentă nominală se exprimă: SN n f 1I1N (4.33) in care, înlocuin tensiunea în (4.3), se obţine: SN I1 Wm (4.34) ω I1N Neglijân piererile pe rezistenţa R 1, această energie, la ecuplarea transformatorului, etermină creşterea tensiunii la bornele conensatorului e la valoarea b la valoarea maximă M, respectiv variaţia e energie este: 1 ΔW n f C1 M b (4.35) şi egalân-o cu energia înmagazinată în transformator (4.34), se obţine: SNi C1 n f ω M b (4.36) în care: - I1 i = I1N - este curentul relativ e mers în gol, care poate fi estimat în funcţie e puterea aparentă nominală: - SN [kva].1 3 1 1 5 i.1.5.3.7.5. - M - valoarea e vârf a tensiunii amise pe grupul e protecţie; - b - valoarea e vârf la bornele grupului înainte e econectare (la funcţionarea în gol a transformatorului). 6
4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere Observân că tensiunea la bornele grupurilor e protecţie este, în acelaşi timp, şi tensiunea care solicită tiristoarele în stare blocată şi aoptân pentru valoarea maximă a tensiunii chiar clasa e tensiune a tiristoarelor, se obţine expresia finală: C 1 SNi (4.37) n f ωvrrm b Valoarea rezistenţei R 1 se calculează astfel încât, amortizarea procesului să fie suficient e rapiă. Aoptân factorul optim e amortizare: R ξ C L 1 1 σ 1 rezultă: L σ R1 (4.38) C1 iar puterea acesteia se aoptă e ouă ori mai mare ecât în cazul funcţionării în regim sinusoial. ωc P (4.39) 1 R1 1S În relaţiile (4.38) şi (4.39) mai intervin: - inuctivitatea e ispersie totală, pe fază, raportată la secunar; - s - valoarea efectivă a tensiunii e linie in secunarul transformatorului. Dacă valoarea capacităţii C 1 este prea mare, se poate utiliza un reresor necomanat, conectat în paralel cu convertorul ce trebuie protejat, sarcina acestuia fiin constituită in rezistenţele R', R" şi capacitatea C 1, montate ca în figura 4.9. R 1 C 1 R 1 CS Fig. 4.9 Variantă e protecţie a tiristoarelor, la supratensiuni provenite in reţea, pentru convertoare statice e mare putere Schema prezintă ouă avantaje principale: 61
4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere - permite utilizarea unor conensatoare polarizate, acestea construinu-se la capacităţi mai mari ecât cele nepolarizate; - se reuce e trei ori numărul elementelor utilizate, eşi capacitatea totală este aceeaşi, C1 = 3 C1 Rezistenţa R' are rolul e a limita curentul e încărcare al conensatorului C 1, iar R" permite escărcarea conesatorului. Astfel, ele se aoptă e aceeaşi valoare ca şi R 1 şi e putere 3 P1. 4.3. Protecţia tiristoarelor la scurtcircuit 4.3.1. Mărimi caracteristice Tiristoarele au capacitate e suprasarcină termică reusă şi e aceea, orice scurtcircuit trebuie întrerupt în mai puţin e 1 ms. Acest lucru poate fi realizat numai e către siguranţele ultrarapie. Pentru a evienţia parametrii unei astfel e siguranţe şi corelaţia cu parametrii tiristorului, se consieră un scurtcircuit monofazat, care se prouce la trecerea prin zero a tensiunii e alimentare (u). s MA u s u t I s t 1 I scm I 1S I s t -I t Fig. 4.1 Formele e ună la apariţia unui scurtcircuit, la bornele unui reresor monofazat Anterior acestui moment, curentul prin secunarul transformatorului, şi implicit prin siguranţă, are valoarea -I corespunzătoare alternanţei negative la funcţionarea în sarcină (fig. 4.1). Dacă circuitul prin care se închie curentul e scurtcircuit se consieră pur inuctiv, formele e ună ale tensiunii şi curentului sunt arătate în fig. 4.1. 6
4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere La apariţia scurtcircuitului, curentul prin siguranţă (i s ) începe să crească (fig. 4.1), iar upă timpul e pre-arc (t 1 ) are valoarea I ls (curent limită al siguranţei). Tensiunea pe siguranţă (u s ) creşte, cu o întârziere necesară încălzirii fuzibilului, iar upă timpul t 1, cân valoarea sa este egală cu cea a tensiunii e alimentare, se amorsează arcul electric (începe topirea fuzibilului siguranţei). Tensiunea la bornele siguranţei este limitată la valoarea Ma (tensiunea maximă e arc). După amorsarea arcului electric în siguranţă, curentul începe să scaă, iar upă timpul t (timpul total e funcţionare a siguranţei) e la apariţia scurtcircuitului, se anulează, respectiv circuitul este eshis. I scm (fig. 4.1) reprezintă valoarea e vârf a curentului e scurtcircuit, în absenţa siguranţei. 4.3.. Alegerea siguranţelor ultrarapie Se are în veere montarea siguranţelor pe partea e curent alternativ (în secunarul transformatorului), care constituie soluţia cea mai avantajoasă (număr e siguranţe reus, protecţie mai eficientă) şi cel mai frecvent întâlnită (fig. 4.11). Alegerea siguranţelor ultrarapie se face pe baza valorilor efective ale curentului şi tensiunii. R S T f 1 f f 3 CS Fig. 4.11 Montarea siguranţelor ultrarapie în secunarul transformatorului e alimentare a unui convertor static Astfel, trebuiesc satisfăcute relaţiile: Ns efn I (4.4) Ns I efn în care, mărimile in partea stângă reprezintă valorile nominale ale siguranţei, iar cele in reapta, valorile nominale ale tensiunii şi curentului, in secunarul transformatorului. 63
4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere 4.3.3. Verificarea siguranţelor ultrarapie După alegere, siguranţele ultrarapie trebuiesc verificate în funcţie e coniţiile concrete, ale circuitului pe care trebuie să îl protejeze. Este necesar să se verifice îneplinirea a trei coniţii: ts real I tth real I (4.41) (4.4) Ma V RRM I (4.43) 1s I TSM real Semnificaţiile mărimilor noi, ce apar mai sus, sunt: - integrala e curent a siguranţei, în coniţiile reale e funcţionare; - integrala e curent a tiristorului, în coniţiile reale e funcţionare; - curentul maxim e şoc al tiristorului, în coniţiile reale e funcţionare. Pentru efectuarea verificărilor (4.41), (4.4) şi (4.43) se parcurg următoarele etape: 1. Se calculează valoarea efectivă a curentului e scurtcircuit (I sc ), în absenţa protecţiei (curentul prezumat e scurtcircuit), cu relaţia: I efn Isc (4.44) u sc. Se etermină, in grafice inicate în catalogul e siguranţe, integrala e curent a acesteia, corespunzătoare tensiunii nominale, în funcţie e curentul prezumat e scurtcircuit, în unităţi relative (fig. 4.1). Fig. 4.1 Grafice pentru eterminarea integralei e curent a siguranţei 64
4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere I I t s = I sc Ns (4.45) 3. Se etermină, e asemenea grafic, un coeficient e corecţie a integralei e curent a siguranţei, în funcţie e tensiunea reală e funcţionare (fig. 4.13). k ef Fig. 4.13 Coeficientul e corecţie a integralei e curent a siguranţei k = (efn) (4.46) 4. Se calculează valoarea corectată, a integralei e curent a siguranţei: I ts real k I t s (4.47) 4. Se etermină grafic, timpul total e funcţionare a siguranţei (fig. 4.14) t [s] Ip / IN Fig. 4.14 Grafice pentru eterminarea timpului total e funcţionare al siguranţei 65
4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere I sc t = (4.48) I Ns 6. Se etermină grafic, un coeficient e corecţie a integralei e curent a tiristorului, în funcţie e timpul total e funcţionare a siguranţei, eoarece integrala e curent a tiristorului se ă, în cataloage, pentru 1ms (fig. 4.15). k 1 1..8.6.4. 5 1 t [ms] Fig. 4.15 Graficul pentru eterminarea coeficientului k 1 k1 = (t) (4.49) 7. Se corectează integrala e curent a tiristorului: I tth real k1 I t Th (4.5) 8. Se face verificarea (4.41); 9. Se etermină grafic, valoarea maximă a tensiunii la bornele siguranţei (fig. 4.16). Ma = efn (4.51) 1. Se face verificarea (4.4); Ma [V] efn [V] Fig. 4.16 Grafic pentru eterminarea tensiunii maxime e arc 66
4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere 11. Se etermină grafic, un coeficient e corecţie a curentului e şoc al tiristorului, care e asemenea se inică, în cataloage, pentru 1ms (fig. 4.17). k = (t) (4.5) 1. Se etermină grafic, curentul limită al siguranţei (fig. 4.18). I1s = (Isc) (4.53) 13. Se corectează curentul e şoc al tiristorului ITSM real = k ITSM (4.54) k. 1.8 1.4 1. b = V RRM b = 5 1 t [ms] Fig. 4.17 Graficul pentru eterminarea coeficientului k Ic [ka] Ip [ka] Fig. 4.18 Grafice pentru eterminarea curentului limită al siguranţei 14. Se face verificarea (4.43). Obs. După întreruperea unui scurtcircuit, tiristorul îşi poate piere parţial, sau total, capacitatea e blocare în sens irect (poate intra în conucţie, fără comană, la polarizarea cu tensiuni mai mci ecât V DRM ). Din acest motiv, pentru coeficientul k se inică grafic o zonă 67
4. Protecţia elementelor semiconuctoare e putere cuprinsă între ouă curbe, ce corespun celor ouă situaţii extreme: păstrarea integrală a capacităţii e blocare şi respectiv, piererea totală a acesteia. 68
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) 5. C.A. C.C. (REDRESOARE) 5.1. Introucere Reresoarele comanate transformă energia e curent alternativ în energie e curent continuu, prin comană putânu-se regla valoarea meie a tensiunii, ceea ce înseamnă, reglarea prin comană a puterii meii transmise sarcinii. Reresoarele comanate îşi găsesc o largă aplicabilitate, cel mai important omeniu fiin al acţionărilor electrice cu motoare e c.c.. Din acest motiv, în analiza funcţionării reresoarelor, se va consiera o sarcină, care asigură o valoare meie constantă a curentului ebitat e reresor. Se vor consiera, e asemenea, caracteristicile ieale ale tiristoarelor. 5.. Principiul şi teoria generală a reresoarelor comanate în fază 5..1. Principiul e funcţionare Se consieră un montaj (fig. 5.1) constituit in p tiristoare avân catozii comuni, iar anozii alimentaţi e la un sistem "p" fazat e tensiuni sinusoiale, măsurate faţă e un punct comun "", sarcina fiin conectată între acesta şi punctul comun al catozilor. Tensiunile u 1,u,...,u p sunt efazate cu raiani şi au expresiile (acă se alege ca p origine a timpului trecerea prin zero a tensiunii u1). u sin ωt 1 S u π Ssinωt p u3 π Ssinωt p (5.1)................ u p Ssinωt p iar tiristoarele sunt comanate în orinea numerotării. π p 1 69
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) Se numeşte punct (moment) e comutaţie naturală a unui tiristor, punctul (momentul) începân e la care, tiristorul este polarizat în sens irect, respectiv ar intra în conucţie acă ar fi ioă. T1 L f i u 1 u u 3 T T3 Tp u S u p u Tp Fig.5.1 Schema generală a unui reresor comanat polifazat Pentru a găsi punctul e comutaţie naturală, se aplică teorema a II-a a lui Kirchhoff pe un circuit cuprinzân tiristorul respectiv şi tiristorul aflat în conucţie. Astfel, înainte e comana lui T 1, în conucţie este T p şi, aplicân teorema a oua a lui Kirchhoff pe circuitul u 1 - T 1 - T p - u p, se obţine: u T1 = u 1 - u p (5.) şi ţinân seama e (5.1) rezultă: u T1 u 1 u π Ssin p Punân coniţia: u T1, se obţine: p sin ωt S Ssinωt π p p 1 cos ωt p 1 sin sinωt p 1 S π p π p π π p (5.3) π π ωt π sau, p π π 3π π ωt (5.4) p p Rezultă că, tiristorul T 1 este polarizat în sens irect începân in momentul π π ωt, pe urata a raiani şi eci: p - punctul (momentul) comutaţiei naturale este întârziat cu unghiul : π π β c (5.5) p raiani faţă e trecerea prin "zero" a tensiunii ce urmează a fi reresată (fig. 5.); 7
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) - tiristorul respectiv poate fi comanat oricân, pe urata a raiani, in punctul comutaţiei naturale. Principiul prin care reresoarele comanate permit comana puterii meii transmisă sarcinii, constă în comana fiecărui tiristor cu o întârziere reglabilă, măsurată in punctul e comutaţie naturală, întârziere numită unghi e comană (fig.5.). u1, u i.c.n. u 1 u t Comană π π p π p T 1 T t Fig. 6. Explicativă privin punctul e comutaţie naturală 5... Valoarea meie a tensiunii reresate, la mersul în gol Neglijân procesul e comutaţie (preluarea curentului e sarcină e către tiristorul comanat e la cel aflat în conucţie), se va consiera amorsarea şi blocarea instantanee a ouă tiristoare. În ipoteza existenţei unui semnal e comană pe grilă pe toată urata necesară ( m - une m caracterizează numărul e faze); pentru monofazat m = 3 pentru trifazat amorsarea şi blocarea se prouc instantaneu, numai la funcţionarea în gol a reresorului. Deoarece expresia tensiunii reresate se schimbă la fiecare comană a unui tiristor, rezultă că aceasta este perioică, avân perioaa. p Consierân intervalul cât este închis tiristorul T 1, respectiv: π π π π ωt α, α p p valoarea meie a tensiunii reresate va fi (fig. 5.3), 71
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) p π π π α p π π α p S sin ωt ωt şi transformân iferenţa e cosinusuri în prous se obţine: π Ssin p cosα (5.6) π p Fig. 5.3 Forma e ună, iealizată, a temsiunii reresate, pentru un reresor complet comanat, cu p = 6 Introucân tensiunea meie reresată la mersul în gol şi unghi e comană nul: relaţia (5.6) ia forma: π Ssin p (5.7) π p cosα (5.8) Referitor la forma e ună iealizată a tensiunii reresate (fig. 5.3), aceasta se obţine ţinân seama e intervalele cân sunt închise tiristoarele respective. Astfel, pentru π ωt π p α, π π α p, fiin închis T 1, la bornele sarcinii se va regăsi tensiunea u 1, apoi, pe un nou interval e urată reresată este u şi aşa mai eparte., respectiv pentru p π ωt π p α, π 3π α p, tensiunea Se subliniază că, oată găsit momentul comenzii (închierii) tiristorului T 1 prin măsurarea unghiului in punctul comutaţiei naturale, momentele e comană ale celorlalte 7
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) tiristoare rezultă, în mo univoc, ţinân seama e efazajul e raiani, între aceste p momente, şi e succesiunea e comană ată e orinea numerotării. Forma e ună (fig. 5.3) a tensiunii reresate, reliefează următoarele aspecte: - tensiunea reresată este perioică şi formată in segmente e sinusoiă; - în funcţie e valoarea unghiului e comană, tiristoarele sunt solicitate sau nu, în stare blocată, chiar e valoarea e vârf a tensiunii ce se reresează; - tensiunea reresată poate avea atât valori pozitive, cât şi valori negative, în funcţie e unghiul e comană. 5..3. Regimurile e funcţionare ale unui reresor comanat Puterea instantanee ebitată e reresor este: p a = u i (5.9) iar valoarea sa meie, ţinân seama că: i I ct π π α p 1 p P p a π π α p p respectiv, ţinân seama e (5.8), π π α p ωt u I ωt I π π α p (5.1) P Icosα (5.11) Relaţia obţinută arată că, puterea activă poate fi atât pozitivă cât şi negativă, în funcţie e unghiul e comană. Astfel: π - pentru α,, P >, eci se transmite putere activă e la reresor spre sarcină, regimul e funcţionare numinu-se e reresor; π - pentru α, π, P <, puterea activă se transmite e la sarcină către convertorul static, regimul e funcţionare numinu-se e invertor. π Semnificativ este că, prin comana în regim e invertor α, π, nu se obţine neapărat şi funcţionarea în regim e invertor, acest regim fiin posibil numai acă sarcina este activă, respectiv poate menţine sensul pozitiv al curentului, eşi valoarea meie a tensiunii reresate este negativă. În cazul unei sarcini pasive, comana în regim e invertor uce la funcţionarea în regim e curent întrerupt, fără a se obţine funcţionarea în regim e invertor. 73
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) 5..4. Comutaţia şi fenomenul e suprapunere anoică În general, prin comutaţie se înţelege procesul e preluare (comutare) a curentului e pe o ramură e circuit pe alta. În convertoarele statice, comutaţia se eclanşează prin comana unui element semiconuctor şi este însoţită e amorsarea unui element şi blocarea altuia, astfel că, se mai numeşte şi suprapunere anoică. Se va analiza procesul e preluare a curentului e sarcină e către tiristorul T 1, e la tiristorul T p. Consierân că reresorul este alimentat e la un transformator, schema echivalentă în timpul comutaţiei (fig. 5.4) evienţiază inuctivitatea e comutaţie L k, care este inuctivitatea totală, pe fază, raportată la secunar (se neglijează rezistenţa). ~ u 1 L k i 1 T 1 L f I u p ~ L k i p T p u S Fig. 5.4 Schema echivalentă în timpul comutaţiei Teoremele lui Kirchhoff conuc la ecuaţiile: i 1 ip i L (5.1) k i t i 1 p Lk u1 u p (5.13) t i u1 Lk (5.14) t 1 u Derivân în (5.1) în raport cu timpul, i t 1 i p t înlocuin în (5.13) şi (5.14): i u1 u 1 p L k t u1 up u1 u p u u1 (5.15) şi ţinân seama e (5.3) rezultă: 74
Lk t i 1 = 5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) sin p 1 sin t (5.16) p p Comutaţia începe la comana lui T 1, respectiv la momentul: ωt π π p + şi se încheie upă un unghi, numit unghi e comutaţie, cân curentul e sarcină a fost preluat T1. Rezultă coniţiile: i1 p i p I p i1 I p i p p Variaţia curentului i 1 în timpul comutaţiei se obţine integrân (5.16) e la (5.17) (5.18) π π ωt + p până la un moment oarecare t. Se obţine: p 1 cos cost s i1 sin (5.19) L k p p apoi, punân coniţia e încheiere a comutaţiei (5.18), s I sinp 1 cos cos (5.) L k p şi notân: s I k max sinp 1 (5.1) L k p rezultă: I I k max cos cos (5.) Se obţine epenenţa unghiului e comutaţie, e unghiul e comană şi e curentul e sarcină. I arccos cos (5.3) I k max 75
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) 5..5. Caracteristicile externe şi e comană Expresia analitică a caracteristicilor externe şi e comană reprezintă epenenţa valorii meii a tensiunii reresate, e unghiul e comană şi e valoarea meie a curentului e sarcină, în coniţii reale, ţinân seama e comutaţie. Pe urata perioaei cuprinsă între comana lui T 1 şi comana lui T, tensiunea reresată este ată e (5.15) pe urata comutaţiei şi este u 1 upă aceasta, respectiv, rezultă: u γ u 1 u p π π pentru ωt α, p π π u1 pentru ωt α γ, p π π π p π p α γ α u γ iar valoarea sa meie este, γ rezultă: γ p π p π π π scos sint pentru ωt α, p p p π π ssint pentru ωt α γ, p π π α p u γ π π α p p π π S cos p π π α p π π α p S cos π p π sinωt p π π π α γ p π α p π π α p ωt sinωtωt π π α p π π sin sin sin sin p p S După efectuarea calculelor în acolaă, tensiunea meie reresată evine: γ p π Ssin cosα cosα γ cosα cosα γ (5.4) π p şi înlocuin cos( + ) in (5.) se obţine expresia: în care: usc k k u I γ sc γ cosα (5.5) IN - tensiunea relativă e scurtcircuit a transformatorului e alimentare - coeficient e comutaţie 76
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) Se observă că, atorită comutaţiei, la funcţionarea în sarcină, tensiunea meie reresată se reuce cu: Δ k u I γ sc (5.6) IN numită căere e tensiune. Expresia: R = k u γ sc (5.7) I N se numeşte rezistenţă e comutaţie, tensiunea meie reresată putânu-se scrie: γ cosα R I (5.8) Introucân mărimile relative: - tensiunea meie relativă: * γ γ - curentul meiu relativ: * I I I N relaţia (5.5) se poate scrie, k u γ * γ sc * γ cosα I (5.9) 5..4.1. Caracteristicile externe Caracteristicile externe reprezintă epenenţa intre valoarea meie a tensiunii reresate şi curentul meiu e sarcină, la unghi e comană constant, I α ct γ f sau în unităţi relative, * I αct * f După cum se observă in (5.9), acestea sunt repte cu panta negativă Domeniul în care există caracteristicile externe este elimitat upă cum urmează (fig. 5.5): - superior, e caracteristica corespunzătoare unghiului minim e comană (teoretic min - la reapta, e valoarea maximă a curentului I, e regulă (1.5.. IN) k γ u sc. 77
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) * γ 1.5 -.5 α α π 3 α π α π 3 * I M * I k γ u sc -1 α 1 α max k γ u sc e comutaţie. Fig. 5.5 Caracteristicile externe ale unui reresor comanat - inferior, e caracteristica corespunzătoare unghiului maxim e comană, in motive * f * I αα max Particularizân (5.9) pentru max: se obţine: I cosmax = k u sc 1 I * γ N k γu sc * max -1 I (5.3) Curentul I * M (fig. 5.5) reprezintă valoarea meie maximă a curentului e sarcină, la care mai poate funcţiona reresorul, comanat cu unghiul *. 5..4.. Caracteristicile e comană Caracteristicile e comană reprezintă epenenţa intre valoarea meie a tensiunii reresate şi unghiul e comană, la valoare meie constantă, a curentului e sarcină; γ f α * I ct sau, în unităţi relative, * γ f α * I ct Caracteristicile e comană sunt cosinusoie situate într-un omeniu elimitat upă cum urmează (fig. 5.6): 78
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) * 1 5 I * I * 1 / M 5-11 * max I Fig. 6.6 Caracteristicile e comană ale unui reresor comanat - superior, e caracteristica corespunzătoare mersului în gol, * γ * I cosα - la reapta, e valoarea maximă a unghiului e comană, max = ; - inferior, e caracteristica corespunzătoare curentului maxim amis, in motive e comutaţie, α * γ f * I * I max Particularizân (5.9) pentru I max : I max cos = k u sc 1 I I max IN k u γ sc N cosα 1 rezultă caracteristica e comană pentru I = Imax, * γ k γu sc cosα 1 cosα 1 α * * cosα sin (5.31) I I max k u γ sc nghiul e comană max * (fig. 5.6) reprezintă valoarea maximă a unghiului, la care poate fi comanat reresorul, atunci cân curentul e sarcină este Imax *. 79
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) 5.3. Regimul e curent întrerupt 5.3.1. Expresia curentului reresat Datorită caracterului pulsatoriu al tensiunii reresate, şi curentul are un caracter pulsatoriu, chiar acă sarcina este activă (motor e curent continuu) şi menţine constantă valoarea meie a curentului. Dacă sarcina este un motor e c.c. (fig. 5.7), acesta este caracterizat e: - tensiunea electromotoare E, presupusă constantă (cuplul static şi unghiul e comană al reresorului sunt constante, iar momentul e inerţie este foarte mare); - rezistenţa R a şi inuctivitatea L a, corespunzătoare circuitului înseriat cu reresorul şi presupuse constante. u c L f i u R a L a E Fig. 5.7. Schema echivalentă a unui motor e c.c. alimentat e la un reresor complet comanat Teorema a II-a a lui Kirchhoff conuce la: u i Ri L E, (5.3) t une R este rezistenţa echivalentă in circuit, corespunzătoare şi inuctivităţii e filtrare, iar L este inuctivitatea totală a circuitului. R = Ra + Rf L = La + Lf Consierân funcţionarea în regim e curent neîntrerupt, curentul este perioic, şi integrân (5.3) pe o perioaă a tensiunii reresate şi împărţin la aceasta, se obţine: 1 T T u 1 T T ωt L ωt R i ωt i t 1 T T E Primul termen este valoarea meie a tensiunii reresate, (5.33) T 1 u T ωt În termenul al II-lea in membrul rept s-a pus în evienţă valoarea meie I a curentului, iωt I 8 T 1 T
Integrala in primul termen al membrului rept este nulă, respectiv, T i 5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) ωt ω i ωi T i (5.34) t i i T eoarece curentul este perioic, i i T. Astfel, (5.33) evine: RI E (5.35) Tensiunea şi curentul prin sarcină fiin pulsatorii, se pun în evienţă componentele alternative ale acestora şi, respectiv se scrie: u i I i u ~ ~ (5.36) Componenta continuă a curentului fiin constantă, rezultă: i i~ (5.37) t t ceea ce arată că, atât curentul reresat, cât şi componenta sa alternativă, se obţin ca soluţii ale aceleiaşi ecuaţii iferenţiale. Înlocuin (5.36) şi (5.37) în (5.3) şi ţinân seama e (5.35) se obţine: I i ~ u ~ RI Ri ~ L L E t t e une rezultă, i ~ u ~ Ri ~ L, (5.38) t iar acă se neglijează căerea e tensiune rezistivă atorată componentei alternative a curentului, Ri (5.39) ia forma: i~ u ~ L (5.4) t În continuare, se consieră perioaa în care este reresată tensiunea u 1, respectiv π π π π pentru, ωt α, α şi neglijân comutaţia, in (5.36) expresia componentei p p alternative a tensiunii reresate va fi: u ~ π sin p u Ssin ωt S cosα (5.41) π p 81
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) u -1 1 π 3p 4 π5 p 6 1 i 1.5 1 3 4 5 6 1 i.5 1 3 4 5 6 i u 1 u u t I in I I M t I l I l t a) b) π π α p π π α p π 3π α p I i <I l Fig. 5.8 Variaţia în timp a curentului reresat : a) în regim e curent neîntrerupt ; b) la limita e apariţie a regimului e curent întrerupt; c) în regim e curent întrerupt t c) Apoi, integrân (5.4), i ωl S ωl S ωt π π α p sin ωt π cos π p p - sin π π cosα p ωt I π α cos ωt π p in α ωt p sin π π cosα I p Iin reprezintă valoarea curentului la începutul şi sfârşitul perioaei, eoarece, in (5.4) π π π π Iin i α i α (5.43) p p Expresia (5.4) ilustrează caracterul pulsatoriu al curentului reresat şi, eoarece erivata sa se anulează atunci cân valoarea instantanee a tensiunii reresate este egală cu valoarea meie, curentul are un maxim I M în momentul respectiv (fig. 5.8). 5.3.1. Apariţia regimului e curent întrerupt La unghi e comană constant, pulsaţia curentului, ΔI I I (5.44) M in nu epine e valoarea meie a curentului şi nici e valoarea Iin. Astfel, la scăerea curentului meiu prin sarcină (atorită scăerii sarcinii motorului electric), variaţia curentului 8
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) rămâne similară, ar se eplasează spre abscisă, respectiv scae curentul iniţial. Cân valoarea I in este nulă, curentul prin reresor se anulează exact în momentul cân se comană un alt tiristor (fig. 5.8 b). Există astfel, la începutul şi sfârşitul unei perioae, câte un moment e timp, cân curentul este nul. Aceasta este limita e apariţie a regimului e curent întrerupt, valoarea meie corespunzătoare a curentului numinu-se limită - I l. Cân curentul meiu scae sub valoarea limită, I < Il (5.45) curentul prin sarcină se anulează înainte e aplicarea unei noi comenzi şi există, în fiecare perioaă, câte un interval e timp în care curentul este nul, respectiv toate tiristoarele reresorului sunt blocate (fig. 5.8 c). Acest regim se numeşte regim e curent întrerupt. * 1 α π 6 * I lmax α π 3 α π * I -1 α π 3 Fig. 5.9 Caracteristicile externe în unităţi relative, ale unui reresor comanat ce alimentează un motor e c.c. cu excitaţie separată, ţinân seama şi e regimul e curent întrerupt Regimul e curent întrerupt trebuie evitat, eoarece are următoarele ezavantaje: - caracteristicile externe ale reresorului evin neliniare, iar valoarea meie a tensiunii creşte rapi, la scăerea curentului meiu e sarcină (fig. 5.9); - apar şocuri e cuplu ale sarcinii, eoarece cân curentul este nul şi cuplul ezvoltat e motor este nul. 5.4. Dimensionarea inuctivităţii e filtrare Aşa cum s-a arătat, inuctivitatea e filtrare are ublu rol: - limitarea pulsaţiilor curentului reresat; - evitarea funcţionării în regim e curent întrerupt. Pentru a-şi îneplini acest rol, ea trebuie imensionată în cazurile cele mai efavorabile, atât in punct e veere al sarcinii, cât şi in punct e veere al comenzii. Din punct e veere al comenzii, situaţia critică corespune unghiului e comană pentru care 83
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) pulsaţiile tensiunii reresate sunt maxime şi, efinin amplituinea pulsaţiei tensiunii reresate: Δu u u (5.46) max min se esprin ouă situaţii, în funcţie e tipul reresorului. a) Tensiunea reresată maximă este egală cu maximul tensiunii e alimentare (fig. 5.1 a), umax S u1, u π π α p u max u1, u π π α p u max π π π α p u min t π π α p t u min a) b) Fig. 5.1 Explicativă privin amplituinea pulsaţiilor tensiunii reresate Aceasta se întâmplă numai acă π π p α π, respectiv π α cr (5.47) p şi amplituinea pulsaţiilor va fi: π π Δu S Ssin α (5.48) p Punân coniţia e maxim în raport cu unghiul e comană, Δu α αα cr (5.49) se obţine, π π Scos α (5.5) p cr in care, soluţia cu sens fizic (pozitivă) este: α cr π π (5.51) p şi ţinân seama e (5.47) rezultă: 84 1 (5.5) p
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) respectiv, p = (5.53) Revenin în (5.51), rezultă că pentru reresoarele monofazate, bialternanţă, π α cr (5.54) b) Comana se ă pe porţiunea escrescătoare a tensiunii e alimentare, eci tensiunea reresată este monoton escrescătoare (fig. 5.1 b) şi Δu u u (5.55) p p Δu π π π S sin α sin p π π Ssin cos α p π p α (5.56) şi este maximă pentru π α cr (5.57) Rezultă că, iniferent e tipul reresorului, situaţia critică in punct e veere al comenzii este la unghi e comană egal cu. Pentru unghi e comană critic, expresia curentului reresat evine S π icr cos cos ωt Iin (5.58) ωl p care nu mai conţine componenta proporţională cu timpul, are variaţie cosinusoială şi îşi atinge maximul: π i ωl p la mijlocul perioaei (fig. 5.11). S crm 1- cos Iin (5.59) i I crm I in π p Fig.5.11 Variaţia curentului reresat, pentru unghi e comană critic cr π p t 85
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) 5.4..1. Inuctivitatea pentru evitarea funcţionării în regim e curent întrerupt Din punct e veere al sarcinii, situaţia limită corespune curentului iniţial nul, cân (5.58) evine: S π icrl cos cos ωt (5.6) ωl p iar valoarea meie a curentului se numeşte valoare meie critică limită, eoarece elimitează regimurile e curent neîntrerupt şi respectiv, întrerupt. Aceasta va fi: 86 π π p crl π π p π π p p S p π I crl i ωt cos cos ωt ωt (5.61) π ωl π p După efectuarea calculelor, se obţine: I crl ωl S sin p 1 p π p π ctg p π π p sau, introucân valoarea meie a tensiunii reresate la mersul în gol şi unghi e comană nul, π π Icrl 1 ctg (5.6) ωl p p Pentru evitarea funcţionării în regim e curent întrerupt, se pune coniţia ca valoarea meie a curentului e sarcină să nu scaă sub valoarea critică limită, respectiv, cea mai mică valoare a curentului e sarcină să fie superioară curentului meiu critic limită, I crl I s min (5.63) Exprimân curentul e sarcină minim (e regulă curentul e mers în gol al ansamblului motor electric - maşină e lucru) în funcţie e valoarea nominală, Is min = km1 I (5.64) şi înlocuin, împreună cu (5.6), în (5.64), se obţine π π 1 ctg p p L1 k I ω sau în mh, m1 N π π 1 ctg p p L1 [mh] (5.65) k I ω m1 N
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) Coeficientul 3 π π 1 1 ctg p p k p1 (5.66) ω epine numai e numărul e pulsuri reresate, respectiv e tipul reresorului, iar pentru frecvenţa e 5 Hz are valorile inicate în tabelul 5.1. p 3 6 1 k p1 3.18 1.5.3.85 k p 1.53.57.11.9 Tab. 5.1 Valorile coeficienţilor k p1şi k p pentru frecvenţa e 5 Hz, în funcţie e numărul e pulsuri reresate într-o perioaă Astfel, inuctivitatea totală, necesară pentru evitarea regimului e curent întrerupt se exprimă prin L1 k p1 [mh] (5.67) k m1in 5.4... Inuctivitatea necesară pentru limitarea pulsaţiilor curentului reresat O valoare a acestei inuctivităţi se poate obţine limitân amplituinea pulsaţiilor la o valoare amisibilă am. În cazul unghiului e comană critic, valoarea maximă a pulsaţiilor va fi: S π ΔIcr IcrM Iin 1 cos (5.68) ωl p şi impunân coniţia e limitare: ΔIcr ΔI am (5.69) rezultă ' S π L 1 cos (5.7) ωδiam p Pulsaţiile curentului reresat sunt ezavantajoase, în primul rân, pentru că prouc încălzirea suplimentară a sarcinii. Pe e altă parte, încălzirea suplimentară este ată e valoarea efectivă a componentei alternative a curentului, eci amplituinea pulsaţiilor nu este, în mo irect, măsura acestei încălziri suplimentare. Din acest motiv, se limitează la o ponere in curentul nominal, valoarea efectivă a componentei alternative a curentului reresat, Ief cr km I (5.71) 87
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) în care, km =,1..,15. (5.7) Din (5.36), pentru comana la unghi critic, componenta alternativă a curentului este: 88 i cr ~ i cr I cr ωl S cos π p cos ωt ωl S π sin p π p 1 π p π ctg p π π S cos ωt sin (5.73) ωl p p iar valoarea efectivă: π π p icr~ π π p π π p p S p p π I effcr~ ωt cos ωt sin ωt (5.74) π ωl π π p iar upă efectuarea calculelor se obţine: I effcr~ π π p π sin s p 1 π π π ctg 1 (5.75) ωl π π p p psin p p Introucân tensiunea meie reresată la mersul în gol şi unghi e comană nul, (5.75) evine: I effcr~ 1 π π π ctg 1 (5.76) ωl π psin p p p şi punân coniţia e limitare (5.71), se obţine expresia inuctivităţii: 1 π π π ctg 1 π p sin p p p L (5.77) k min ω Exprimân inuctivitatea în mh şi introucân coeficientul epenent e tipul reresorului: k p 3 1 1 π π π ctg 1 (5.78) ω π psin p p p inuctivitatea pentru limitarea încălzirii suplimentare a sarcinii ia forma finală:
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) L k p [mh] (5.79) k min Valorile coeficienţilor k p1 şi k p (tab. 5.1), ilustrează ezavantajul major al reresoarelor monofazate. Astfel, în aceleaşi coniţii e funcţionare a unei sarcini, pentru evitarea regimului e curent întrerupt, valoarea inuctivităţii necesare este e peste zece ori mai mare acă se utilizează un reresor monofazat bialternanţă, ecât în cazul unui reresor trifazat bialternanţă, iar pentru limitarea încălzirii suplimentare, valoarea inuctivităţii necesare este e aproape patrusprezece ori mai mare. Acesta este principalul motiv pentru care, la puteri mari, utilizarea reresoarelor monofazate nu poate fi luată în consieraţie, eoarece ar rezulta valori foarte mari ale inuctivităţilor, nerealizabile practic în coniţii economice. Pentru a se evita funcţionarea în regim e curent întrerupt şi pentru limitarea, simultană, a încălzirii suplimentare, se va utiliza o inuctivitate totală e valoare: L = L, max (5.8) 1 L respectiv, inuctivitatea e filtrare: Lf L La (5.81) 5.5. Scheme e bază ale reresoarelor 5.5.1. Reresorul monofazat cu punct meian (MM) Acest reresor are cea mai simplă structură (fig. 5.1), conţinân numai ouă tiristoare T 1 şi T care au catozii comuni, iar anozii conectaţi la extremităţile înfăşurării secunare a unui transformator monofazat. i 1 T 1 i T1 L f i u s1 u 1 u T1 u u s S i T T Fig. 5.1 Schema e principiu a reresorului monofazat cu punct meian Conectarea sarcinii se face printr-o bobină e filtrare L f, între catozii comuni şi punctul meian al înfăşurării secunare a transformatorului. Transformatorul este necesar atât pentru aaptarea tensiunii la valoarea cerută e sarcină, cât şi pentru limitarea puterii e scurtcircuit, respectiv, a curentului e scurtcircuit. Acest ultim aspect este impus e faptul că, tiristoarele pot suporta un curent mult mai mare ecât valoarea nominală (curentul e şoc), un 89
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) timp limitat (maxim 1 ms). Dacă nu este necesară aaptarea nivelului tensiunii, fie se foloseşte un transformator cu raportul e transformare unitar, fie se înseriază, între reţea şi reresor, bobine e limitare a curentului e scurtcircuit. Din acelaşi motiv, transformatoarele estinate alimentării reresoarelor se eosebesc, constructiv, e cele e uz general şi au tensiunea relativă e scurtcircuit mult mai mare: usc.5.1. Tensiunile u s1 şi u s sunt egale şi în opoziţie e fază, astfel că, prin închierea alternativă a celor ouă tiristoare, într-o perioaă, tensiunea reresată este: u s1 T1 1 u (5.8) u s T 1 Rezultă că se reresează p = pulsuri într-o perioaă, eci întârzierea punctului e comutaţie naturală faţă e tensiunea ce se reresează este nulă, β c π π (5.83) p c-ă u T1 T u T1 t t us1 us u T1 t i T1 I i T I i 1 I / k -I / k Fig. 5.13 Formele e ună, iealizate, ale reresorului cu punct meian t t t iar comutaţia are loc între tiristoarele T 1 şi T. 9
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) Luân ca origine a timpului trecerea prin zero, spre valori pozitive, a tensiunii u s1 şi consierân tiristoarele elemente ieale, iar curentul e sarcină constant (Lf ), rezultă următoarele: - pentru ωt α, π α, T 1 este închis iar T este blocat, respectiv, u T1 = ; u = us1 ; i T1 = I ; i T = (5.84) - pentru ωt π α, π α, T 1 este blocat, iar T este În conucţie, respectiv, u T =; u T1 =u s1 - u s ; u =u s ; i T = I ; i T1 = (5.85) Curentul in primarul transformatorului se obţine observân că, prin cele ouă segmente ale înfăşurării secunare se închi curenţii i T1 şi respectiv i T. Astfel, ţinân seama e raportul e transformare k şi e sensurile aoptate rezultă, i T1 I acă T1 conuce ; i k k 1 (5.86) i I T acă T conuce. k k Analizân formele e ună (fig. 5.13), se esprin următoarele: - tensiunea reresată are pulsaţii mari şi conţine, inevitabil pentru α, atât valori pozitive, cât şi valori negative; - valoarea maximă a tensiunii ce solicită un tiristor, în stare e blocare, este ublul amplituinii tensiunii ce se reresează, b u s1 us s (5.87) max - fiecare tiristor conuce π raiani într-o perioaă, curentul avân formă e ună reptunghiulară; - curentul în primarul transformatorului este alternativ, simetric, reptunghiular. 5.5.. Reresorul monofazat în punte (MCP) Reresorul propriu-zis (fig. 5.14) cuprine patru tiristoare, câte ouă pe fiecare braţ al punţii şi este alimentat e la un transformator monofazat. 91
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) i 1 i s i T1 P L f i T 1 u T1 T 3 u 1 u s T 4 T u S N Fig. 5.14 Schema e principiu a reresorului monofazat în punte, complet comanat Pentru existenţa curentului e sarcină, se vor afla simultan în conucţie tiristoarele T 1 şi T, respectiv T 3 şi T 4, care vor fi, e asemenea, comanate simultan. Impulsurile e comană ale celor ouă grupe e tiristoare, vor fi efazate cu raiani, iar comutaţia are loc, simultan, între tiristoarele T 1 şi T 3 şi respectiv, T şi T 4. Dacă se alege ca origine a timpului trecerea prin zero a tensiunii us, rezultă că punctele e comutaţie naturală coinci cu trecerile tensiunii, prin zero. Deoarece tiristoarele sunt comanate cu întârzierea, rezultă următoarele secvenţe e funcţionare, (fig. 5.15): c-ă u T1, T T3, T4 u T1, T t t us -us u T1 t i T1 I i T4 t I i s I -I t t Fig. 5.15 Formele e ună iealizate ale reresorului monofazat în punte 9
- pentru ωt α, α π, în conucţie se află T 1 şi T, respectiv 5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) u = u s ; i T1 = i T = I ; i T3 = i T4 = ; i s = I ; u T1 = ; (5.88) - pentru ωt π α, π α, în conucţie se află T 3 şi T 4, respectiv, u = -u s ; i T1 = i T = ; i T3 = i T4 = I ; i s = -I ; u T1 = u s (5.89) Formele e ună (fig. 5.15), sunt ientice cu cele ale reresorului monofazat cu punct meian, astfel că rezultă aceleaşi concluzii, excepţie făcân valoarea maximă a tensiunii ce solicită tiristoarele în stare e blocare, care este egală cu maximul tensiunii ce se reresează, b s (5.9) 5.5.3. Reresorul trifazat în stea (TS) Schema impune ca secunarul să fie conectat în stea, eoarece sarcina se alimentează între punctul comun tiristoarelor (anozii sau catozii), şi nulul înfăşurării, (fig. 5.16). Primarul se conectează în triunghi, pentru a nu transmite în reţea, componenta continuă, care apare atorită existenţei unei singure alternanţe a curentului în înfăşurările secunare. R S T ir is it i1a i1b i1c ua ub uc T 1 u T1 T T 3 u ia ib ic L f S i Fig. 5.16 Schema e principiu a reresorului trifazat în stea Se reresează câte o alternanţă a sistemului trifazat p = 3 (5.91) iar punctele e comutaţie naturală sunt efazate faţă e tensiunile e fază ale secunarului cu unghiul: β c π π π raiani. (5.9) p 6 Consierân succesiunea irectă a sistemului e tensiuni u a, u b, u c, tiristoarele se comană în orinea numerotării, iar impulsurile e comană sunt efazate cu raiani. 3 93
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) Comutaţia se prouce e la T 1 la T, e la T la T 3 şi e la T 3 la T 1, respectiv procesul e blocare a unui tiristor se eclanşează la comana tiristorului următor. Luân ca origine a timpului tensiunea u a şi neglijân comutaţia, pe urata unei perioae se isting următoarele secvenţe: c-ă T 1 T T 3 T 1 t / 3 / 3 u c t u T1 u ac u ab t i T1=i a I t i 1a I / 3k -I / 3k t i 1b t i 1c t i R I / k t -I / k Fig. 5.17 Formele e ună iealizate ale reresorului trifazat în stea, cu transformatorul în conexiune /Y π 5π - ωt α, α, în conucţie este tiristorul T 6 6 1 şi u T1 = ; i T1 = i a = I ; i T = i T3 = ; u =u a ; u T = u b - u a ; i R ia I (5.93) 3k 3k 5π 3π - ωt α, α, în conucţie este tiristorul T 6 şi u T1 = u a - u b ; i T1 = I T3 = ; i T = i b = I ; 94 u =u b ; i R ib I (5.94) 3k 3k
3π 13π - ωt α, α, în conucţie este tiristotul T 6 3 şi u T1 = u a - u c ; i T3 = i c = I ; i T1 = i T = ; 5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) I u = u c ; i R (5.95) 3k Din analiza formelor e ună (fig. 5.17), se esprin următoarele: - tensiunea reresată are şi valori negative, numai acă unghiul e comană este mai mare ecât 3 şi are pulsaţii mai mici ecât la schemele monofazate; - valoarea maximă a tensiunii ce solicită tiristoarele în stare blocată, este maximul tensiunii e linie, b 6 s (5.96) - fiecare tiristor conuce maxim raiani într-o perioaă, iar curentul este reptunghiular; 3 - curentul in secunarul transformatorului conţine o singură alternanţă, e urată 3 raiani; - curentul absorbit in reţea este alternativ, ar nesimetric, alternanţa pozitivă avân urata e 4 raiani, iar cea negativă avân amplituinea e ouă ori mai mică şi urata e 3 3 raiani. 5.5.4. Reresorul trifazat în punte (TCP) Reresorul trifazat în punte este cea mai utilizată schemă e reresare, eoarece îmbină avantajele reresării unui număr mare e pulsuri (p = 6), cu cele ale folosirii unui număr, relativ reus, e tiristoare (fig. 5.18). P L f R S T ir ua ub uc u T1 i T 1 T 3 T 5 ia u S T 4 T 6 T Fig. 5.18 Schema e principiu a reresorului trifazat în punte N 95
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) Pentru succesiunea irectă a sistemului trifazat e tensiuni in secunarul transformatorului, tiristoarele trebuie comanate în orinea numerotării, cu impulsuri efazate cu raiani. Pentru amorsarea iniţială a schemei şi pentru ca schema să poată funcţiona şi în 3 regim e curent întrerupt, fiecare tiristor mai primeşte un impuls e comană, numit secunar, la raiani upă primul (fig. 5.19). Rezultă aşaar că, simultan se comană ouă 3 tiristoare, câte unul e pe fiecare parte (pozitivă - P şi negativă - N). La funcţionarea în regim e curent neîntrerupt, intre aceste ouă tiristoare, unul este găsit în stare e blocare şi intră în conucţie, iar celălalt este găsit în stare e conucţie, comana neavân nici o influenţă asupra sa (fig. 5.19). Tiristorul care se amorsează, etermină blocarea tiristorului aflat în conucţie, pe aceeaşi parte cu el. La pornirea schemei, sau în regim e curent întrerupt, ambele tiristoare comanate sunt găsite în stare e blocare, iar amorsarea lor permite existenţa unui circuit închis pentru curentul e sarcină. Comutaţia are loc, e la tiristorul T 1 la T 3, e la T 3 la T 5 şi e la T 5 la T 1, pe partea P şi e la T la T 4, e la T 4 la T 6 şi e la T 6 la T, pe partea N. Rezultă i GT1 i GT / 3 t t i GT3 t i GT4 t i GT5 t i GT6 t 96 astfel că, în regim e curent neîntrerupt, fiecare tiristor conuce raiani. 3 Pentru obţinerea formelor e ună iealizate, trebuie ţinut seama că, pe intervale e urată 3 raiani, în conucţie se află, simultan, câte un tiristor e pe fiecare parte, e pe faze iferite, rezultân că se reresează ambele alternanţe ale tensiunilor e linie. Se vor reprezenta eci, tensiunile e linie şi opusele lor (-u ab, -u bc, -u ca ). Punctele e comutaţie naturală sunt efazate, cu 3 raiani, faţă e tensiunile e linie. Fig. 5.19 Structura şi istribuirea impulsurilor e comană pentru patru intre tiristoarele unui reresor trifazat în punte
Consierân unghiul e comană: < 6 5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) (5.97 se isting următoarele intervale (fig. 5.): 5π - ωt,α α,π, în conucţie se află tiristoarele T 3 4 şi T 5, iar mărimile electrice au expresiile: u = u ca ; u T1 = -u ca ; i T1 = ; i T4 = I ; i a = -I (5.98) π - ωt α, α, în conucţie se află tiristoarele T 3 5 şi T 6, iar mărimile electrice au expresiile: u = -u bc ; u T1 = -u ca ; i T1 = i T4 = i a = (5.99) π π - ωt α, α, conuc tiristoarele T 3 3 1 şi T 6, iar mărimile electrice au expresiile: u = u ab ; u T1 = ; i T1 = I ; i a = I (5.1) π - ωt α, π α, conuc tiristoarele T 3 1 şi T, iar mărimile electrice au expresiile: u = -u ca ; u T1 = ; i T1 = I ; i a = I (5.11) 4π - ωt π α, α, conuc tiristoarele T 3 şi T 3, iar mărimile electrice au expresiile: u = u bc ; u T1 = u ab ; i T1 = i T4 = (5.1) 4π 5π - ωt α, α, conuc tiristoarele T 3 3 3 şi T 4, iar mărimile electrice au expresiile: u = -u ab ; u T1 = u ab ; i T1 = ; i T4 = I ; i a = -I (5.13) 5π - ωt α,π α, conuc tiristoarele T 3 4 şi T 5, iar mărimile electrice au expresiile: u = u ca ; u T1 = -u ca ; i T1 = ; i T4 = I ; i a = -I (5.14) Din analiza formelor e ună iealizate (fig. 5.), se esprin următoarele: - tensiunea reresată are şi valori negative acă unghiul e comană este mai mare ecât 3 şi are pulsaţii mai mici, comparativ cu schemele anterioare; - valoarea maximă a tensiunii ce solicită tiristoarele, în stare e blocare, este egală cu amplituinea tensiunii ce se reresează, b s, (5.15) 97
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) în care s este valoarea efectivă a tensiunii e linie; c-ă P T 1 T 3 T 5 T 1 T 3 t c-ă N u a u b u c T T 4 T 6 T u a u b u c t t u c=/3 u t u ba u ca u cb u ab u ac u bc u ba u ca u T1 u ab u ac t i T1 I t i T1 I t i a I t -I Fig. 5. Formele e ună iealizate ale reresorului trifazat în punte, complet comanat - fiecare tiristor conuce, în regim e curent neîntrerupt, raiani, iar 3 curentul este reptunghiular; - curenţii în secunarul şi primarul transformatorului sunt alternativi, simetrici şi reptunghiulari. 5.5.5. Mărimi caracteristice ale reresoarelor comanate Pentru evienţierea mărimilor ce caracterizează un reresor comanat, se au în veere schemele e bază şi se fac următoarele ipoteze: 1. Se neglijează comutaţia, consierânu-se tiristoarele elemente ieale; 98
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare). Se consieră, ca sarcină, un motor e curent continuu care asigură un curent I constant (inuctivitatea e filtrare este infinită); 3. Tensiunea reresată este perioică şi are perioaa T, (5.16) p în care p este numărul e pulsuri reresate într-o perioaă a tensiunii e alimentare a reresorului; 4. Curentul printr-un tiristor este perioic, reptunghiular, e perioaă, iar urata pulsului e curent este: c (5.17) m 5. Curentul în secunarul transformatorului este reptunghiular, alternativ şi simetric, fiecare alternanţă avân urata c, şi se alege originea timpului astfel încât, variaţia acestuia să fie impară (fig. 5.1). Mărimile ce caracterizează funcţionarea reresorului trifazat în punte şi intervin în calculele e proiectare se referă la valori ale curenţilor, tensiunii reresate şi puterii transformatorului şi se vor prezenta în continuare. i s π m I -I π π m π π m π Fig. 5.1 Forma e ună iealizată, impară, a curentului e fază în secunarul transformatorului π t 1. Valoarea meie a curentului printr-un tiristor este: ITAV = i t 6 I t 1 5 I I 6 6 3 1 5 1 T 6 (5.18) eoarece numai o alternanţă a curentului in secunarul transformatorului se închie printr-un tiristor (fig. 5.1).. Valoarea efectivă a curentului printr-un tiristor, 1 1 5 ITef = i t 6 I t T 6 1 I 5 6 6 I 1 3 (5.19) 3. Valoarea efectivă a curentului prin secunarul transformatorului, 99
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) 1 5 Is = i t 6 I t s 6 1 I 5 6 6 I 3 (5.11) 4. Valoarea efectivă a armonicii funamentale a curentului prin secunarul transformatorului. Referinu-ne la forma e ună in fig. 5.1, care este impară, ezvoltarea în serie Fourier conţine numai termeni în sinus şi eci, valoarea efectivă a armonicii funamentale este: I s1 π π I π i s sin ωt cos ωt 5π 6 π 6 ωt I sin ωt ωt π π I 5π 6 π 6 sin π 6 (5.111) 5. Valoarea efectivă a tensiunii reresate. Consierân forma e ună a tesiunii reresate (fig. 5.1), se obţine: ef S 6 π p π π π α 6 π π α 6 π α 3 π α 6 3 1 sin ωt ωt sin ωt ωt 1- S cosωt 3 π 3π π 3 ωt 1 sin cosα S S π α π α 3 (5.11) Pentru efectuarea integralei, s-a scris sinusul în funcţie e cosinusul arcului ublu. 6. Valoarea maximă a tensiunii ce solicită tiristoarele, în stare e blocare. Aceasta se obţine in expresia tensiunii pe tiristorul T 1, înainte e comană, punân coniţia e maxim sin t 1 (5.113) 3 şi are expresia: π b s sin (5.114) 6 sau, introucân tensiunea, π b (5.115) 3 5. Puterea aparentă a transformatorului e alimentare. Deoarece, curenţii în primar şi secunar sunt alternativi, simetrici puterea aparentă a transformatorului se aproximează cu cea in secunar. 1
Ţinân seama că s este tensiune e linie, 5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) St = 3 sis 3 si (5.116) 3 şi introucân tensiunea, St = I 1,4 I (5.117) 3 5.5.6. Inici e performanţă Aşa cum s-a arătat, la intrarea unui reresor comanat, curentul nu este sinusoial. De asemenea, atorită procesului e comutaţie şi acţiunii grupurilor RC e protecţie, şi tensiunea prezintă eformaţii mai mari sau mai mici faţă e una sinusoială. Prezenţa armonicilor superioare, mai ales e curent, ca şi comutarea forţată a curentului, la un moment cerut e puterea meie ce trebuie transmisă sarcinii, fac să existe o seamă e efecte nefavorabile asupra reţelei e alimentare, efecte apreciate printr-o serie e inici sintetici, numiţi inici e performanţă sau e calitate. Se au în veere următoarele ipoteze: - curentul e sarcină este constant şi egal cu valoarea sa meie (I); - tensiunea e alimentare se consieră sinusoială; - se neglijează procesul e comutaţie; - se consieră alimentarea reresorului printr-un transformator fără piereri, cu raportul e transformare unitar, astfel încât curenţii in primar şi secunar iferă numai ca fază. În general, ezvoltarea în serie Fourier a curentului i s e intrare în reresor este: l1 i I a cos kt b sin kt (5.118) s s k k în care: 1 I s i st (5.119) este valoarea meie; 1 a k i s cos ktt (5.1) este amplituinea componentei în cosinus; 1 b k i s sin ktt (5.11) este amplituinea componentei în sinus. 11
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) De regulă, curentul este simetric faţă e abscisă, şi eci, valoarea sa meie este nulă, respectiv: k1 i I sin kt (5.1) s sk une valoarea efectivă a armonicii e orinul k este: I sk k a k b k (5.13) iar unghiul e efazaj k, este: a k k arctg (5.14) b k În funcţie e valorile efective ale armonicilor, valoarea efectivă a curentului e intrare în reresor (în secunarul transformatorului e alimentare) va fi: I s 1 i s t Is1 Is Is3... (5.15) În continuare, se efinesc inicii e calitate ce caracterizează performanţele reresoarelor. 1. Factorul total e istorsiune (FTD) Dacă curentul ar fi sinusoial, ar conţine numai componenta funamentală. Astfel, se efineşte componenta e istorsiune, CD k I sk I s I s1 (5.16) O măsură mai bună a graului e istorsiune, se obţine raportân componenta e istorsiune la valoarea efectivă a funamentalei, respectiv prin factorul total e istorsiune, CD Is Is1 Is FTD 1 Is1 I s1 I (5.17) s1 Pentru reresorul trifazat in punte, F are valoarea,96. 3. Factorul e putere global - FP 1 Este evient că, un reresor va fi cu atât mai bun, cu cât FTD se apropie e zero.. Factorul e utilizare a transformatorului F Este efinit ca raportul intre puterea activă meie transmisă sarcinii, la unghi e comană nul, şi puterea aparentă a transformatorului, P S F (5.18) t
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) Factorul e putere al ansamblului reresor - sarcină, văzut la intrare este P FP (5.19) S t în care, P Pcosα (5.13) este puterea activă transmisă sarcinii, la unghi e comană. Cu (5.47) se obţine: FP = F cos (5.131) 4. Factorul e putere pe funamentală - FPF Reprezintă cosinusul unghiului e efazaj intre funamentalele curentului şi tensiunii - 1, FPF = cos1 (5.13) Consierânu-se că puterea activă se transmite numai pe funamentală, se poate scrie puterea activă în funcţie e puterea aparentă pe funamentală St1, P = St1 cos1 (5.133) Cum: P = P cos Rezultă: P cos = St1 cos1 FPF = cos1 = P S t1 cos Deoarece, la unghi e comană nul, funamentala curentului prin secunarul transformatorului este în fază cu funamentala tensiunii, puterea activă transmisă sarcinii este egală cu puterea aparentă absorbită in reţea. Rezultă: St1 = I = P FPF = cos Rezultă că, în coniţiile enunţate, efazajul intre funamentalele curentului şi tensiunii este chiar unghiul e comană. Acesta este principalul ezavantaj al reresoarelor comanate, respectiv, funcţionarea cu un factor e putere cu atât mai mic, cu cât unghiul e comană este mai apropiat e. 13
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) 5.6. Reresoare biirecţionale 5.6.1. Principiul şi schema e principiu Reresoarele complet comanate analizate, nu permit inversarea sensului curentului prin sarcină, eoarece tiristoarele au proprietatea e conucţie unilaterală. În acelaşi timp, prin comana în regim e invertor, se realizează schimbarea semnului tensiunii meii reresate şi eci, aceste reresoare pot funcţiona în caranele I şi IV ale sistemului (I, ). Pentru a obţine funcţionarea în toate cele patru carane, se conectează în antiparalel ouă reresoare complet comanate, ientice (fig. 5.). Conectarea se face prin intermeiul unor inuctivităţi (Lc), care au rolul e a limita curentul e circulaţie care apare între cele ouă reresoare. L c i A i B L c i L f A u A u B L c S L c B Fig. 5. Schema e principiu a reresoarelor biirecţionale Reresorul care asigură curentul e sarcină se numeşte activ, iar celălalt se numeşte pasiv. Dacă reresoarele sunt alimentate e la o sursă comună (secunarul unui transformator), schema se numeşte antiparalel, iar acă sunt alimentate e la surse inepenente (secunare ale aceluiaşi transformator sau ale unor transformatoare iferite), schema se numeşte în cruce. 5.6.. Reresoare biirecţionale cu curenţi e circulaţie Presupunân că reresoarele sunt comanate simultan, teoremele lui Kirchhoff aplicate în schema e principiu (fig. 8.1), cu neglijarea rezistenţelor, conuc la relaţiile: IA = ib + i (5.134) i i u B (5.135) t A B L c L c u A t 14
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) Ecuaţia (5.134) arată că, prin convertorul activ, (A), se închie atât curentul e sarcină, cât şi curentul care parcurge convertorul pasiv (B). Acest curent, care nu se închie prin sarcină, ci numai între cele ouă convertoare, se numeşte curent e circulaţie. Presupunân curentul e sarcină constant şi egal cu valoarea sa meie i = I = ct erivân (5.134) şi înlocuin în (5.135) se obţine ecuaţia i B 4L c A t u u (5.136) ib B π p π p t Fig. 5.3 Forma curentului e circulaţie Aceasta, prin împărţire la perioaa tensiunii reresate (T) şi integrare pe urata acesteia, evine 1 T i T T B 1 1 4 L c t u At u Bt (5.137) T t T T în care s-au pus în evienţă valorile meii ale tensiunilor reresate (A şi B). Impunân să existe în permanenţă curent e circulaţie, acesta fiin perioic, membrul stâng al relaţiei (5.4) este nul T i i b t t i B T B i B i B T i B (5.138) Astfel, (5.137) se poate scrie A + B = (5.138) iar prin înlocuirea tensiunilor meii reresate (cu neglijarea comutaţiei), A cosα - pentru reresorul (A) B cos - pentru reresorul (B) relaţia (5.6) evine cosα cos (5.139) Transformân suma e cosinusuri în prous, se obţine 15
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) α α cos cos (5.14) în care, ţinân seama că unghiurile e comană au valori în intervalul (, ), se poate anula numai primul cosinus, rezultân α π (5.141) Aşaar, acă unghiurile e comană ale reresoarelor satisfac relaţia (5.3), rezultă următoarele: - valorile meii ale tensiunilor reresate sunt egale şi e semne contrare; - nu există curent e circulaţie cauzat e componenta continuă; - curentul e circulaţie este prous e iferenţa valorilor instantanee ale tensiunilor reresate şi este pulsatoriu şi perioic (fig. 5.3); - cele ouă reresoare funcţionează unul ca reresor, iar celălalt ca invertor (fig. 5.4); - curentul e sarcină îşi poate schimba sensul, eoarece există în permanenţă o cale e închiere a sa; - ca urmare a schimbării sensului curentului e sarcină, convertorul care a fost activ evine pasiv şi invers (fig. 5.4 b). A B A1 B1 π 1 B Reresor Invertor π 1 A π reresor A pasiv invertor B activ invertor A pasiv reresor B activ reresor A activ invertor B pasiv invertor A activ reresor B pasiv I a) b) Fig. 5.4 Explicativă privin funcţionarea reresoarelor biirecţionale avân curent e circulaţie : a) caracteristicile e comană la mersul în gol ; b) regimurile e funcţionare. Existenţa curentului e circulaţie prezintă avantajul că elimină funcţionarea în regim e curent înterupt şi, în consecinţă, caracteristicile externe sunt liniare iniferent e valoarea curentului e sarcină (fig. 5.6). 16
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) B = - A = A creste I B creste B = A = - Fig. 5.6. Caracteristicile externe ale reresoarelor biirectionale cu curenti e circulatie Figura 5.7 prezintă schemele în antiparalel și în cruce, realizate cu reresoare trifazate în punte (p=6). L f i L f i L c L c L c ' T 1 ' T 3 ' T 5 '' T 4 '' T 6 '' T ' T 1 ' T 3 ' T 5 '' T 4 '' T 6 '' T S S ' T 4 ' T 6 ' T '' T 1 '' T 3 '' T 5 ' T 4 ' T 6 ' T '' T 1 '' T 3 '' T 5 L c L c L c a) b) Fig. 5.7 Scheme practice e reresoare biirecționale cu p=6 : a) schema în antiparal ; b) schema în cruce 17
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) 5.7. Comana reresoarelor cu comutaţie naturală 5.7.1. Structura blocului e comană Blocul e comană se realizează cu componente specifice curenţilor slabi şi permite prelucrarea, cu viteză mare, a unui mare volum e informaţii, trebuin să aibă o fiabilitate riicată. În general, blocul e comană cuprine cinci unităţi funcţionale (fig. 5.8.): CVM - comana valorii meii; GT - generatorul e tact; DI - istribuitorul e impulsuri; FI - formatorul e impulsuri; CS - circuitele e supraveghere. R S u c CVM GT DI FI CS Fig. 5.8. Schema e principiu a blocului e comană al unui reresor Procesele e comutaţie necesare sunt iniţiate e un şir e impulsuri, numite impulsuri e tact. La reresoarele cu comutaţie naturală, tactul este obţinut in reţea, procesul elaborării semnalului e tact în funcţie e reţea purtân numele e sincronizare. De cele mai multe ori, valoarea meie a mărimii e ieşire in convertor trebuie să fie reglabilă, acest lucru realizânu-se în blocul e comană a valorii meii, care este comanat in exterior. Semnalele e tact, emise e generatorul e tact sub controlul unităţii e comană a valorii meii, sunt istribuite elementelor semiconuctoare ale convertorului, într-o anumită succesiune eterminată e topologia sa. Această funcţie este realizată e istribuitorul e impulsuri, a cărui ieşire este valiată e unitatea e supraveghere, semnalele elaborate e aceasta avân prioritate faţă e celelalte semnale. 18
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) Aaptarea parametrilor impulsurilor la cerinţele ispozitivelor semiconuctoare se realizează în formatorul e impulsuri, care preia şi funcţia e separare galvanică între blocul e comană şi partea e forţă. Transformatoarele e impuls sunt cele mai frecvent întâlnite în această unitate, ar se pot utiliza şi cuploarele optice. Se menţionează că, există circuite integrate specializate care preiau funcţiile unităţilor e comană a valorii meii şi e generare a impulsurilor e tact. 5.7.. Comana valorii meii Există trei moalităţi e comană a valorii meii a mărimii e ieşire intr-un reresor cu comutaţie naturală, respectiv, e comană a puterii furnizate sarcinii: 1. comana prin fază;. comana prin zero cu referinţă constantă în timp; 3. comana prin zero cu referinţă liniar variabilă în timp. În forma cea mai simplă, un circuit pentru comana unui reresor necesită următoarele semnale (tensiuni): - u c - tensiunea e comană, proporţională cu valoarea meie a tensiunii reresate sau cu puterea furnizată sarcinii; - u r - tensiunea e referinţă; - u s - tensiunea e sincronizare, care este obţinută in tensiunea reţelei şi trece prin zero, în punctele e comutaţie naturală. Tensiunea e referinţă u r este în general eterminată, ca mo e variaţie, e tensiunea e sincronizare şi se compară cu tensiunea e comană u c. 5.7..1. Comana în fază În acest caz, tensiunea e referinţă este liniar variabilă şi sincronizată cu tensiunea e sincronizare, în sensul că, unei semiperioae a tensiunii u s îi corespune o perioaă a tensiunii e referinţă (fig.5.9). Consierân principiul comenzii în fază, pentru elaborarea unui impuls e comană sunt necesare trei semnale (fig. 5.9) : un semnal e sincronizare, us, alternativ care poate avea variaţie sinusoială şi este în fază cu tensiunea ce se reresează (trece prin zero în momentul comutaţiei naturale, (fig. 5.9a); 19
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) un semnal e referinţă, ur, care cel mai aesea este liniar variabil şi este elaborat pe baza semnalului e sincronizare pe fiecare semiperioaă a acestuia (fig. 5.9a); un semnal e comană, uc, avân variaţie continuă şi a cărui valoare etermină mărimea unghiului e comană (fig. 5.9b). Impulsurile e comană se generează la coincienţa semnalelor ur şi uc pe panta escrescătoare a primului (fig. 5.9c). Se observă că prin moificarea tensiunii e comană, uc, între rmax şi rmin, unghiul e comană se moifică în intervalul [,π]. Din consierente legate e sarcina reresorului, în general, unghiul e comană se moifică în intervalul [αmin, αmax], cu αmin > şi αmax < π. a b c us 4 - π -4.5.1.15..5.3.35.4.45 1 uc ur rmax c 5 T1,T T3,T4 π π 3π.5.1.15..5.3.35.4.45 α.5.1.15..5.3.35.4.45 α.1..3.4 Pornin e la această iee se pot concepe iferite circuite e comană. Inustria electronică prouce un circuit integrat, specializat pentru comana tiristoarelor unui reresor comanat, numit βaa 145. π Fig. 5.9. Formele e ună la generarea impulsurilor e aprinere ale tiristoarelor, comform principului comenzii în fază 3π ωt ωt ωt ωt 11
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) 5.7... Comana prin zero cu referinţă fixă În acest caz, tensiunea e referinţă are valoare constantă, iar atunci cân uc<ur, la fiecare trecere prin zero a tensiunii e sincronizare, se generează impulsuri e comană (fig. 5.3). u s u r, u c u c u r i G t t t u T - T + T - T + T - T + t Fig. 5.3 Variaţiile în timp ale tensiunilor, impulsurile e comană a tiristoarelor şi tensiunea reresată, pentru un reresor monofazat bialternanţă, la comana cu ună plină şi referinţă constantă În acest fel, tensiunea reresată conţine un număr întreg e semialternanţe, comana numinu-se cu ună plină. Rezoluţia e putere este limitată inferior e puterea corespunzătoare unei semialternanţe. Tensiunea e referinţă fiin constantă, variaţia tensiunii e comană contează, numai în măsura în care este mai mare sau mai mică ecât ur. Această ualitate e stări (generate e impulsuri acă uc<ur şi inhibare acă uc>ur) a făcut ca acest mo e comană să fie numit în limba engleză two points river. Dezavantajele acestui mo e comană sunt eterminate e rezoluţia e putere limitată şi întârzierea cu care se obţine regimul staţionar al puterii comanate, eoarece, chiar în regim staţionar, tensiunea e comană este variabilă în timp. 5.7..3. Comana prin zero cu referinţă variabilă În acest caz, tensiunea e referinţă este liniar variabilă pe urata câtorva zeci e semialternanţe ale tensiunii e sincronizare (fig. 5.31). Intervalele e timp în care nu se generează impulsuri e comană, sunt eterminate nu numai e epăşirea unei anumite valori a tensiunii e comană, ci şi e valoarea sa. Cân uc este mare, intersecţia cu ur se face către vârful acesteia, iar timpul cât uc>ur (eci cân nu se generează impulsuri) este mai mare (fig. 5.31). Se elimină astfel, apariţia unor suprareglări mari ale puterii, care apar în moul e comană escris anterior. Datorită faptului că puterea transmisă sarcinii este proporţională cu 111
5. Convertoare statice c.a. c.c. (reresoare) uc, această metoă e comană este numită în literatura în limba engleză proporţional river. Comana este tot cu ună plină, ar permite atingerea mai rapiă a regimului staţionar. u s t u r, u c u r u c t i G t T - T + T - T + T - T - T + T - T + T - T - T + T - u t Fig. 5.31 Variaţiile în timp ale tensiunilor, impulsurile e comană a tiristoarelor şi tensiunea reresată, pentru un reresor monofazat bialternanţă, la comana cu ună plină şi referinţă constantă 11
6. Variatoare e tensiune alternativă 6. VARIATOARE DE TENSINE ALTERNATIVĂ 6.1 Principiu Variatoarele e tensiune alternativă sunt convertoare statice care transformă energia e c.a. tot în energie e c.a. iar prin comană se poate moifica valoarea efectivă a tensiunii furnizate. Acestea funcţionează în comutaţie naturală, eoarece curentul prin fiecare element semiconuctor se anulează, în mo natural, la trecerea prin zero a acestuia. Din reprezentarea ca obiect orientat (Fig. 6.1), un VTA este alimentat cu o tensiune sinusoială e valoare efectivă 1 şi frecvenţă f1 constante şi furnizează la ieşire o tensiune alternativă formată in segmente e sinusoiă ale tensiunii e alimentare, a cărei valoare efectivă poate fi moificată prin comană şi a cărei frecvenţă este constantă şi egală cu a tensiunii e alimentare. Fig. 6.1 Reprezentarea VTA ca şi element orientat Principiul e comană al VTA este principiul comenzii în fază ( ca şi la reresoare), respectiv tiristoarele in componenţa sa sunt comanate cu un unghi e întârziere reglabil, măsurat in punctul comutaţiei naturale a tiristorului respectiv. Din punct e veere al conexiunii, VTA se montează în serie, între sursa e alimentare şi sarcină. 6.. Variatoare monofazate VTA monofazate sunt alimentate e la o sursă e tensiune sinusoială monofazată şi îşi găsesc aplicabilitate în instalaţiile reglabile e iluminat, în echipamente electrocasnice (fiare 113
6. Variatoare e tensiune alternativă e călcat) şi la pornirea motoarelor monofazate e c.a. 6..1. Principiul, schema e principiu n VTA monofazat este constituit intr-un ansamblu biirecţional (ouă tiristoare conectate în antiparalel sau un triac), montat între sursa e tensiune alternativă şi sarcină (fig. 6.). u is DC us S Fig. 6. Schema e principiu a unui VTA monofazat, cu tiristoare Dispozitivul e comană DC asigură impulsuri e comană, efazate cu raiani între ele, care se istribuie alternativ celor ouă tiristoare. Aceste impulsuri sunt întârziate, cu unghiul faţă e momentul trecerii prin zero a celor ouă semialternanţe, eoarece, fiin o schemă monofazată, punctele comutaţiei naturale ale celor ouă tiristoare coinci cu trecerile prin zero ale tensiunii e alimentare. Momentele blocării tiristoarelor epin numai e caracterul şi parametrii sarcinii. Pentru analiza care urmează, se fac următoarele ipoteze: - sursa e tensiune u este ieală şi furnizează o tensiune sinusoială e forma u 1sinωt (6.1) în care 1 este valoarea efectivă, iar pulsaţia acesteia; - tiristoarele se comportă ca şi întrerupătoare ieale (se neglijează comutaţia, căerea e tensiune în stare e conucţie şi curentul reziual în stare blocată). Se subliniază că, atorită conexiunii în antiparalel a celor ouă tiristoare, în funcţionarea VTA apare o particularitate importantă. Astfel, cân un tiristor este în conucţie, căerea e tensiune e pe el (1,5V-3V) polarizează celălalt tiristor în sens invers. În consecinţă, acesta nu poate intra în conucţie. Consecinţa cea mai importantă a acestui fapt este că la VTA regimul e curent întrerupt (intervale e timp cân curentul prin sarcină este nul) este inevitabil. 114
6. Variatoare e tensiune alternativă 6... Cazul unei sarcini rezistive Consierân o sarcină pur rezistivă, şi ţinân seama că tiristorul T1 poate intra în conucţie pe alternanţa pozitivă, la momentul t, iar T pe alternanţa negativă la momentul t=, expresiile tensiunii şi curentului vor fi: (6.) 1 sinωt pt.ωt [α, π] [π α,π] i R s (6.3) pt.ωt [, π] [π, π α] Intervalele e conucţie ale celor ouă tiristoare se obţin ţinân seama că fiecare intră în conucţie în momentul comenzii şi se blochează natural la anularea curentului ce le străbate. Astfel, anulân expresia curentului se obţine. Rezultă că T1 conuce în prima perioaă pe intervalul iar T pe intervalul. u, u s PCNT1 u s u t i s PCNT t Con. T 1 T T 1 T t (PCNT1 şi PCNT). Fig.6.3 Formele e ună şi intervalele e conucţie ale tiristoarelor, pentru un VTA monofazat, cu sarcină pur rezistivă Formele e ună obţinute pe baza relaţiilor (6.) şi (6.3) sunt reprezentate în fig. 6.3. În figura 6.3 s-au marcat punctele e comutaţie naturală ale celor ouă tiristoare Orine în care se obţin formele e ună este: 1. Se reprezintă cele trei sisteme e axe;. Se reprezintă tensiunea e alimentare; 3. Se ientifică punctele e comutaţie naturală şi se măsoară un unghi orit ; 4. Se marchează intervalele e conucţie ale celor ouă tiristoare, în sistemul e axe cel mai e jos; 5. În sistemul e axe al lui us, se ientifică porţiunile e sinusoiă care coinci cu 115
6. Variatoare e tensiune alternativă intervalele e conucţie; acestea reprezintă forma e ună a tensiunii e ieşire; 6. În sistemul e axe al lui is, se reprezintă curentul e sarcină care este şi curentul prin sursă. 6..3. Cazul unei sarcini pur inuctive În această situaţie, se va ţine seama că, un tiristor nu poate fi introus în conucţie atât timp cât celălalt este în conucţie, acesta in urmă polarizânu-l pe primul în sens invers. Pentru t > s, aplicân teorema a II-a a lui Kirchhoff pe ochiul format, se obţine i sinωt L, in care, prin integrare, rezultă t ωt i s sinωt (ωt) cos α cos ωt (6.4) ω L ωl α Curentul se va anula acă cos α cos ωt, respectiv, ωt α α ωt sin sin. (6.5) Din această coniţie, se etermină momentul anulării curentului, ωt π α (6.6) Deoarece urata maximă e conucţie a unui tiristor este raiani, relaţia (6.6) furnizează valoarea unghiului e comană minim ( min ) punân coniţia e conucţie maximă π α α π. π Se obţine α min, pentru care există permanent curent prin sarcină. În acelaşi timp, eoarece α max (upă care, T 1 este polarizat în sens invers), se euce intervalul e variaţie a lui, π α, π. (6.7) Pentru > π/, ţinân seama că i S se anulează la momentul π-, se obţine regim e curent întrerupt pentru ωt π α, π α (fig.6.4). Construcţia formelor e ună se face similar ca în cazul sarcinii rezistive. 6..4. Cazul unei sarcini rezistiv - inuctive În această situaţie, sarcina este caracterizată e rezistenţa R şi inuctivitatea L, înseriate. Comana fiin simetrică, este suficient să se stuieze funcţionarea în timpul unei semiperioae. Teorema a II- a a lui Kirchhoff, aplicată pentru t (intervalul e conucţie al lui T1), conuce la 116
6. Variatoare e tensiune alternativă is Ris L sinωt. t Prin împărţire la R, ecuaţia iferenţială ia forma is T is sinωt, (6.8) t R une T = L/R este constanta electromagnetică a circuitului. u, u s u s u t i s t Con. T T 1 T T 1 T t Fig.6.4 Formele e ună şi intervalele e conucţie ale tiristoarelor, pentru un VTA monofazat, cu sarcină pur inuctivă Ecuaţia iferenţială neomogenă (6.8) are o soluţie care conţine ouă componente: t -i T s Ce, soluţie a ecuaţiei omogene (termen exponenţial amortizat); - isp sin(ωt ), soluţie particulară a ecuaţiei neomogene (curent R ω L sinusoial corespunzător regimului staţionar), în care, arctgωt este efazajul introus e circuitul respectiv. Soluţia generală este t i i i Ce T s so sp sinωt. (6.9) R ω L Constanta C se etermină in coniţia iniţială is(α)=. Se obţine astfel α ωt C e sin(α ) R ω L Revenin în (6.9) se obţine expresia finală a curentului, 117
6. Variatoare e tensiune alternativă 1 (ωtα) i sin(ωt ) e ωt s sin(α ). (6.1) R ω L Fiecare tiristor conuce până la momentul t 1 e anulare a curentului i S, care poate fi eterminat in coniţia 1 ωt (ωt α) 1 sin(ωt ) e sin(α ). (6.11) 1 În funcţie e semnul iferenţei (), se isting mai multe cazuri. a) φ α În acest caz, sin(α-φ) şi ecuaţia (6.11) arată că sin(ωt1-φ), eci ωt1 +φ +α. Se obţine că, momentul t 1 al blocării lui T 1 este anterior momentului (+α)/ω al intrării în conucţie a lui T. Formele e ună (fig.6.5), evienţiază că: u, u s u u s t 1 t i s i sp is i s t Con. T T 1 T t Fig. 6.5Formele e ună corespunzătoare unui VTA monofazat, cu sarcină R-L, pentru cazul - pentru α = φ, fiecare tiristor conuce câte o semiperioaă şi VTA funcţionează cu ună plină; această situaţie constituie limita regimului e curent întrerupt; - pentru α > φ, VTA funcţionează în regim e curent întrerupt. În concluzie, inuctivitatea sarcinii etermină reucerea intervalului e variaţie a unghiului e comană la ], în veerea reglării valorii efective a tensiunii pe sarcină e la maximul său la zero. b) α < φ 118
6. Variatoare e tensiune alternativă Cu această coniţie, ţinân seama e ecuaţia (6.11), sin(ωt1-φ) <, eci ωt1 > +φ > +α. Aceasta înseamnă că, la momentul, e comană a lui T, T 1 este încă în conucţie şi, polarizânu-l în sens invers pe T, împieică intrarea în conucţie a acestuia. În funcţie e tipul e comană utilizat, există ouă posibilităţi: b1) Dacă tiristoarele se comană cu impulsuri unice, e scurtă urată, comana lui T nu etermină intrarea sa în conucţie şi funcţionarea variatorului este anormală, în regim e reresor monofazat monoalternanţă (fig. 6.6). u, u s u u s t 1 t i s i s i s i sp t Con T t Fig.6.6 Formele e ună corespunzătoare unui VTA monofazat, cu sarcină R-L, pentru cazul şi comană prin impulsuri unice e scurtă urată b) Dacă tiristoarele sunt comanate cu trenuri e impulsuri sau impulsuri e lăţime mare, la momentul t 1 al blocării lui T 1, T fiin comanat, permite existenţa alternanţei negative a curentului (fig. 6.7). Astfel, în orice moment, unul in cele ouă tiristoare este în conucţie, iar, în regim staţionar (upă anularea termenului i S ), curentul prin sarcină este cel care s-ar obţine în regim permanent, i s sin(ωt ). (6.1) R ω L VTA se comportă, în acest caz, ca un întrerupător închis în permanenţă, tensiunea u S la bornele sarcinii fiin egală tot timpul cu tensiunea u e alimentare. În concluzie, funcţionarea normală a variatorului şi reglarea valorii efective a tensiunii u S nu este permisă ecât acă. 119
6. Variatoare e tensiune alternativă u, u s u u s t 1 t i s i s i s i sp t Con T t Fig.6.7 Formele e ună corespunzătoare unui VTA monofazat, cu sarcină R-L, pentru cazul şi comană cu trenuri e impulsuri T În cazul în care sarcina este caracterizată printr-un efazaj variabil, pentru a evita aplicarea unor impulsuri e comană, inutile, tiristoarelor, trebuie să se controleze, în permanenţă, unghiul ' e întârziere a comenzii unui tiristor faţă e trecerea prin zero a curentului sau faţă e momentul în care tensiunea la bornele sale evine pozitivă (fig. 6.4). nghiul ' se numeşte unghi practic e comană şi este at e relaţia α' π α ωt 1 (6.13) tilizân unghiul practic e comană, cân acesta variază e la la, valoarea efectivă a lui u S variază între şi. 6..5. Mărimi caracteristice Cazul alimentării unei sarcini pur rezistive e la un VTA, este frecvent întâlnit în multe omenii: reglarea puterii instalaţiilor e încălzire, reglarea temperaturii cuptoarelor, reglarea intensităţii surselor e iluminat, etc. Din acest motiv şi pentru a evienţia, mai simplu, principalele caracteristici ale unui VTA, se va avea în veere o sarcină pur rezistivă. a) Valoarea efectivă a tensiunii la bornele sarcinii, 1 π 1 1 1 s sinωt (ωt) π α sinα. (6.14) π π α b) Valoarea efectivă a curentului prin sarcină, 1 1 1 1 I s s π α sinα I π α sinα. (6.15) R R π π une I= /R.
6. Variatoare e tensiune alternativă c) Caracteristicile e comană Depenenţele s () şi I s () reprezintă caracteristicile e comană ale VTA, care, în unităţi relative, sunt ientice. 1.8 s/.6.4..5 1 1.5.5 3 3.5 alfa Fig. 6.8 Caracteristica e comană în unităţi relative a VTA monofazat cu sarcină rezistivă Din caracteristica e comană se constată că, prin moificarea unghiului e comană între şi, valoarea efectivă a tensiunii la ieşirea VTA se moifică continuu, între s şi. ) Funamentala curentului e sarcină Curentul nu are o formă particulară, pară sau impară, şi e aceea, trebuie calculate atât componenta în sinus, cât şi cea în cosinus. Amplituinea componentei în sinus este π π 1 I 1 A 1 issinωt(ωt) sin ωt(ωt) I π α sinα, (6.16) π π π α iar cea a componentei în cosinus, π π 1 I B 1 iscosωt(ωt) sinωtcosωt(ωt) I sin α. (6.17) π π π I s1 Valoarea efectivă a armonicii funamentalei va fi α A1 B1 1 1 4 π α sinα sin α. (6.18) π e) Defazajul intre funamentala curentului prin sursă şi tensiunea sursei, B1 sin α 1 arctg arctg. (6.19) A 1 1 π α sin α 11
6. Variatoare e tensiune alternativă Se constată că, acă se obţine, ceea ce arată că, eşi sarcina este pur rezistivă, curentul este efazat în urma tensiunii şi, în consecinţă, VTA este un consumator e energie reactivă. Prezenţa puterii reactive se explică observân comportarea ansamblului variator-sarcină, care, atorită comenzii, preia o tensiune iferită e zero la curent nul, ca şi o bobină. Se constată (fig. 6.9) că, efazajul variază între şi atunci cân se moifică în intervalul (,). Datorânu-se unghiului e comană, această putere se numeşte putere reactivă e comană. Puterea reactivă poate fi eliminată, similar reresoarelor cu factor e putere unitar, prin comutarea forţată a curentului. [] [] Fig.6.9 Depenenţa efazajului intre componenetele funamentale ale tensiunii şi curentului, în funcţie e unghiul e comană, pentru un VTA cu sarcină rezistivă. f) Factorul e putere Puterea aparentă absorbită este S= Is, iar puterea activă (care se transmite numai pe funamentală), P I s1 cos. (6.) Astfel, factorul e putere global este at e P I 1 FP 1 s cosφ1 (6.1) S Is Consierân factorul total e istorsiune a curentului, raportul curenţilor se exprimă I I s s1 1 FTD, iar (6.1) evine 1
FP cos 1 1 FTD 6. Variatoare e tensiune alternativă, (6.) relaţie care evienţiază cele ouă cauze care contribuie la iminuarea factorului e putere: - puterea reactivă e comană (prin cos ); - prezenţa armonicilor superioare e curent (prin FTD). 6.3. Variatoare trifazate Variatorul e tensiune alternativă trifazat se obţine conectân, pe fiecare fază a sursei e alimentare, cel mai frecvent secunarul unui transformator, câte un variator monofazat (fig.6.1). u a u b u c T 4 T 6 T T 1 T 3 T 5 i sa i sb i sc Faza a u sa Faza b u sb Faza c u sc ua, ub, uc sunt tensiunile e fază, sinusoiale, furnizate e sursă, şi au expresiile: u a sinωt ; π u b sinωt ; 3 Fig. 6.1 Schema e principiu a unui VTA trifazat cu tiristoare 4π u c sinωt. 3 Se va consiera sarcina echilibrată, conectată în stea. Fiecare tiristor este comanat cu o întârziere reglabilă faţă e punctul e comutaţie naturală. Punctele e comutaţie naturală se găsesc similar ca şi la reresorul trifazat în punte. Avân în veere efazajele intre tensiunile sistemului trifazat e alimentare, vor rezulta aceleaşi efazaje între impulsurile e comană ale tiristoarelor. Astfel, între impulsurile tiristoarelor T 1, T 3, T 5, respectiv T, T 4, T 6 13
6. Variatoare e tensiune alternativă va fi un efazaj e /3 raiani, iar între tiristoarele e pe aceeaşi fază, un efazaj e raiani. În funcţie e valoarea unghiului e comană α, există mai multe mouri e funcţionare. Cazul I.. În conucţie sunt trei sau ouă tiristoare. Pentru într-o perioaă şi (fig. 6.11), fiecare tiristor este în conucţie un interval e (π-α) raiani (6.3) Fig. 6.1. Intervalele e conucţie ale tiristoarelor şi forma e ună a tensiunii e fază pe sarcină pentru un VTA trifazat cu sarcină rezistivă şi α < π/3 14
6. Variatoare e tensiune alternativă Dacă α =, variatorul e tensiune alternativă funcţionează cu ună plină, fiecare tiristor conucân câte o semialternanţă şi, în fiecare moment, sunt în conucţie trei tiristoare (câte unul e pe fiecare fază). Cazul II.. În acest caz, în orice moment, sunt în conucţie ouă tiristoare, uratele e conucţie fiin e π/3 raiani într-o perioaă (fig. 6.1). Fig. 6.1. Intervalele e conucţie ale tiristoarelor şi forma e ună a tensiunii e fază pe sarcină pentru un VTA trifazat cu sarcină rezistivă şi α = 5π/1 Aceasta, eoarece comana unui tiristor etermină blocarea tiristorului e aceeaşi polaritate. Spre exemplu, presupunân T1 şi T6 în conucţie, comana lui T1 la momentul α, etermină intrarea acestuia în conucţie, care implică blocarea lui T5, eoarece conucţia tuturor celor trei tiristoare ar etermina, pentru ωt > π/3, un curent isc= uc/r <. Tensiunea e fază pe sarcină este: 15
6. Variatoare e tensiune alternativă (6.4) Cazul III. În această situaţie, în conucţie sunt fie ouă tiristoare, fie niciunul (fig. 6.13). Fig. 6.13. Intervalele e conucţie ale tiristoarelor şi forma e ună a tensiunii e fază pe sarcină pentru un VTA trifazat cu sarcină rezistivă şi α = π/3 Limita inferioară a acestui interval este eterminată e faptul că, spre exemplu, tiristoarele T5 şi T6 nu pot conuce împreună ecât până la momentul ωt=π/, cân, tensiunea ucb, ce întreţine curentul prin fazele c şi b, evine negativă. Deoarece comana unui tiristor este ată upă anularea curentului prin celelalte ouă faze, existenţa curentului e sarcină nu este posibilă ecât acă se comană simultan ouă tiristoare: cel care trebuie comanat în mo normal (T1 spre exemplu) şi cel care fusese comanat cu T/6 înainte (T6). Pentru aceasta, fiecare tiristor poate fi comanat fie cu un tren e impulsuri pe o urată e π/3 raiani, fie cu câte ouă impulsuri, unul principal şi unul secunar, efazat în urmă cu π/3 faţă e primul. 16
6. Variatoare e tensiune alternativă Forma e ună a tensiunii e fază pe sarcină (fig. 6.13) este obţinută ţinân seama e (6.). Cazul IV. În acest caz toate tiristoarele rămân blocate şi sarcina este econectată e la sursă. Este evient că o astfel e situaţie este anormală şi comana este inutilă. 6.3.1. Cazul unei sarcini e tip R-L Ca şi la VTA monofazat, funcţionarea normală nu este posibilă ecât acă. Ţinân seama şi e funcţionarea VTA trifazat cu sarcină rezistivă, plaja e variaţie a unghiului e comană este şi apar următoarele particularităţi: - nu mai există nici o valoare a unghiului e comană α, pentru care, în orice moment, să fie în conucţie oar ouă tiristoare (moul e funcţionare e la VTA cu sarcină rezistivă), eoarece caracterul inuctiv al sarcinii nu permite anularea bruscă a curentului; - trecerea e la primul mo e funcţionare la al treilea are loc pentru o valoare limită α1 a unghiului e comană, care epine e efazajul φ; - acă sarcina este un curent electric e c.a., atunci, pe lângă caracterul R-L, apare şi caracterul capacitiv, atorat tensiunii electromotoare care are variaţie aproximativ sinusoială; în acest caz, curentul mai conţine încă o componentă sinusoială, iar stuiul funcţionării sistemului variator-motor, poate fi făcut numai pe cale numerică. 17
7. Cicloconvertoare 7. CICLOCONVERTOARE 7.1. Principiul şi schema e principiu Cicloconvertoarele realizează conversia energiei e c.a. cu parametrii constanţi, în mo irect, tot în energie e c.a., ai cărei parametri pot fi moificaţi prin comană. Funcţionarea cicloconvertoarelor se bazează pe principiul reresoarelor biirecţionale, obţinute prin conectarea în antiparalel a ouă reresoare ientice, complet comanate (în fig. 7.1 este prezentată schema e principiu a unui cicloconvertor ce alimentează o sarcină monofazată). L c i A i B L c A i u A u u B S B A L c L c B Fig. 7.1. Schema e principiu a unui cicloconvertor monofazat Pentru a obţine funcţionarea sarcinii în toate cele patru carane, se conectează în antiparalel ouă reresoare complet comanate, ientice. Conectarea se face prin intermeiul unor inuctivităţi (Lc), care au rolul e a limita curentul e circulaţie care apare între cele ouă reresoare. Diferenţa faţă e reresoarele biirecţionale constă în comana celor ouă reresoare, eoarece tensiunea u pe sarcină trebuie să fie alternativă. Se urmăreşte ca, valorile meii ale tensiunilor reresate e cele ouă reresoare să aibă o evoluţie cât mai apropiată e o sinusoiă. Cu şi s-au notat unghiurile e comană ale tiristoarelor reresorului A, respectiv B. Cicloconvertoarele pot avea curent e circulaţie, caz în care α A α π, (7.1) B sau pot funcţiona fără curent e circulaţie. Se va consiera, în continuare, că unghiurile e comană satisfac relaţia (7.1). 18
7. Cicloconvertoare 7.. Comana cicloconvertoarelor Pentru a ientifica moul e comană necesar, se presupune că tensiunea e referinţă in circuitul e comană este cosinusoială, e forma u r rmaxcosωt. (7.) Ţinân cont e faptul că cele ouă reresoare sunt ientice, rezultă că, între valorile meii corespunzătoare unei perioae a tensiunilor reresate, există relaţia A B. (7.3) Pentru evienţierea moului e comană, este suficient să se urmărească oar tensiunea furnizată e reresorul A, care se consieră, convenţional, pozitivă. Neglijân căerea e tensiune atorată comutaţiilor in reresoare, valoare meie a tensiunii reresate e reresorul A este: A cos α, (7.4) în care este valoarea meie a tensiunii reresate la mersul în gol şi unghi e comană nul, comună ambelor reresoare (reresoarele sunt ientice). Impulsurile e comană se generează în circuitul e comană, la coincienţa valorilor tensiunilor e referinţă şi e comană, respectiv pentru t =. Ţinân cont e (7.), rezultă u c rmaxcosα, e une, u c cosα. (7.5) rmax Înlocuin (7.5) în (7.4), rezultă u c A. (7.6) rmax Relaţia (7.6) evienţiază faptul că, în cazul consierat, respectiv tensiunea e referinţă e formă cosinusoială, între valoarea instantanee a tensiunii e comană şi valoarea meie a tensiunii pe sarcină există o epenenţă liniară. În concluzie, pentru a alimenta o sarcină e c.a., A trebuie să fie alternativă, ceea ce se obţine acă tensiunea e comană este alternativă. Consierân tensiunea e comană e forma u c cmaxsinω t, se obţine 19
7. Cicloconvertoare cmaxsinω t. (7.7) A rmax Relaţia (7.7) inică posibilităţile e comană ale cicloconvertoarelor: - amplituinea valorii meii a tensiunii pe sarcină se reglează prin moificarea amplituinii tensiunii e comană ( cmax ); - frecvenţa tensiunii pe sarcină fiin egală cu frecvenţa tensiunii e comană, este controlată prin aceasta. Tensiunea obţinută astfel, în valori instantanee, este formată in segmente ale sinusoielor tensiunilor e alimentare ale reresoarelor, eci este puternic istorsionată (fig. 7.4.b). Consierân oar valoarea meie a tensiunii reresate ( A ) şi armonica funamentală a curentului prin sarcină (I 1 ), rezultă regimurile e funcţionare ale celor ouă reresoare (fig. 7.). I 1 t 1 I 1 t t 3 t 1 t A B R I P A P I R A P A Fig. 7.. Regimurile e funcţionare ale reresoarelor unui cicloconvertor Semnificaţia notaţiilor este: R - regim e reresor; I - regim e invertor; A - convertor activ; P - convertor pasiv. Este numit activ, convertorul care furnizează curentul e sarcină. Acesta suportă însă şi curentul e circulaţie, ce se închie prin convertorul pasiv, ale cărui tiristoare rămân închise pe toată urata lor e conucţie. Regimurile e funcţionare au rezultat în funcţie e semnele tensiunii şi curentului, astfel: - pe intervalele cân >, convertorul A - reresor, iar convertorul B - invertor; - pe intervalele cân <, convertorul A - invertor, iar convertorul B - reresor; 13
7. Cicloconvertoare - pe intervalele cân I 1 >, convertorul A - activ, iar convertorul B - pasiv; - pe intervalele cân I 1 <, convertorul A - pasiv, iar convertorul B - activ; Curentul e circulaţie este eterminat nu oar e iferenţa între valorile instantanee ale tensiunilor reresate e cele ouă convertoare, ci şi e tensiunile e autoinucţie ce apar în bobinele L c, care sunt parcurse e curentul alternativ al sarcinii. De aceea, bobinele e limitare a curentului e circulaţie sunt mai mari ecât la reresoarele biirecţionale. 7. 3. Stuiu e caz cicloconvertor realizat cu reresoare cu 3 pulsuri Pentru evienţierea formei e ună, puternic istorsionată, a tensiunii u, se va consiera un cicloconvertor monofazat, obţinut prin cuplarea în antiparalel a ouă reresoare trifazate în stea, complet comanate (fig. 7.3). Se face observaţia că, acest tip e montaj a fost ales oar in motivul exemplificării teoretice, în practică, utilizânu-se cel puţin reresoare complet comanate în punte (p 6). ua ub uc u S uta1 A TA1 TA TA3 Lc B TB1 TB TB3 Lc Fig. 7.3. Cicloconvertor monofazat cu reresoare trifazate în stea Consierân în continuare oar reresorul A, tiristoarele T A1, T A, T A3 conuc alternativ. La un moment at, neglijân comutaţia, există un singur tiristor în conucţie, reresânu-se tensiunea e fază. Punctele e comutaţie naturală ale tiristoarelor se găsesc la intersecţiile alternanţelor pozitive ale tensiunilor e fază (fig. 7.4b.). Tensiunile e referinţă au începutul perioaei în punctele e comutaţie naturală şi variază pe urata a raiani (fig. 7.4c.) Impulsurile e comană ale tiristoarelor se generează la coincienţa intre semnalul e comană şi tensiunea e referinţă corespunzătoare (fig. 7.4a şi c). 131
7. Cicloconvertoare Fig.7.4 Formele e ună corespunzătzoare cicloconvertorului monofazat cu reresoare în stea: a) comana tiristoarelor; b) tensiunile e fază şi tensiunea pe sarcină; c) tensiunile e referinţă şi e comană Astfel, la momentul t =, are loc intersecţia între tensiunea e referinţă u rc şi tensiunea e comană, eterminân comana tiristorului T A3. Acesta intră în conucţie, tensiunea pe sarcină fiin uc (fig. 7.4b), până la comana tiristorului T A1. După comana acestuia, T A3 se blochează, tensiunea pe sarcină fiin u a ş.a.m.. 13
7. Cicloconvertoare Se observă că, unghiurile e comană ale tiristoarelor se moifică în permanenţă pe parcursul unei perioae, eterminân astfel evoluţia sinusoială a valorilor meii ale tensiunii reresate pe fiecare perioaă a tensiunii e alimentare (fig. 7.4b). Valoarea maximă a funamentalei tensiunii pe sarcină, poate fi aproximată cu valoarea maximă a tensiunii meii într-o perioaă a tensiunii e alimentare, respectiv 1max. (7.8) max Analiza armonică a tensiunii e ieşire, tratată în literatură, evienţiază existenţa, pe lângă funamentala e pulsaţie, şi a ouă familii e armonici superioare, e pulsaţii ωn1 3(k 1)ω k' ω ; şi ωn 6kω (k' 1)ω, une k N * iar k N. În cazul cicloconvertoarelor realizate cu reresoare avân p=6, tensiunea e ieşire va conţine oar armonici e pulsaţii ω 6kω (k', n3 1)ω iar în cazul utilizării reresoarelor cu p=1, ω 1kω (k'. n4 1)ω La frecvenţă constantă a tensiunii e comană, pulsaţiile tensiunii pe sarcină, respectiv conţinutul e armonici superioare, sunt cu atât mai mici, cu cât numărul e pulsuri este mai mare. Din acest motiv, la realizarea cicloconvertoarelor, se utilizează numai reresoare cu p=6 sau p=17. Deformarea tensiunii pe sarcină creşte oată cu creşterea frecvenţei tensiunii e comană (a funamentalei tensiunii pe sarcină). Din acest motiv, frecvenţa maximă e comană este limitată la 1/3 in frecvenţa tensiunii e alimentare, f f 1. (7.9) 3 7.4. Comana în fază a convertoarelor statice c.a.-c.a. cu comutaţie naturală 7.4.1. Structura blocului e comană Blocul e comană al reresoarelor are rolul e a genera impulsurile e aprinere a tiristoarelor, iar impulsurile generate sunt semnificative prin informaţia pe care o conţin şi asigură comana transferului e energie e la convertor la sarcină. 133
7. Cicloconvertoare Blocul e comană se realizează cu componente specifice curenţilor slabi şi permite prelucrarea, cu viteză mare, a unui mare volum e informaţii, trebuin să aibă o fiabilitate riicată. În general, blocul e comană cuprine cinci unităţi funcţionale (fig. 7.4): CVM - bloc e comană a valorii meii; GT - generatorul e tact; DI - istribuitor e impulsuri; FI - formator e impulsuri; BS bloc e sincronizare. CS S u c CVM GT DI FI BS Fig. 7.4 Schema e principiu a blocului e comană în fază Procesele e comutaţie necesare sunt iniţiate e un şir e impulsuri, numite impulsuri e tact. La convertoarele cu comutaţie naturală, tactul este obţinut in reţea, procesul elaborării semnalului e tact în funcţie e reţea purtân numele e sincronizare. De cele mai multe ori, valoarea meie a mărimii e ieşire in convertor trebuie să fie reglabilă, acest lucru realizânu-se în blocul e comană a valorii meii, care este comanat in exterior. Semnalele e tact, emise e generatorul e tact sub controlul unităţii e comană a valorii meii, sunt istribuite elementelor semiconuctoare ale convertorului, într-o anumită succesiune eterminată e topologia sa. Această funcţie este realizată e istribuitorul e impulsuri, a cărui ieşire este valiată e unitatea e supraveghere, semnalele elaborate e aceasta avân prioritate faţă e celelalte semnale. Aaptarea parametrilor impulsurilor la cerinţele ispozitivelor semiconuctoare se realizează în formatorul e impulsuri, care preia şi funcţia e separare galvanică între blocul e comană şi partea e forţă. Transformatoarele e impuls sunt cele mai frecvent întâlnite în această unitate, ar se pot utiliza şi cuploarele optice. Se menţionează că, există circuite integrate specializate care preiau funcţiile unităţilor 134
e comană a valorii meii şi e generare a impulsurilor e tact. 7. Cicloconvertoare 7.4.. Comana valorii meii Există trei moalităţi e comană a valorii meii a mărimii e ieşire intr-un convertor cu comutaţie naturală, respectiv, e comană a puterii furnizate sarcinii: 1. Comana prin fază;. Comana prin zero cu referinţă constantă în timp; 3. Comana prin zero cu referinţă liniar variabilă în timp. În forma cea mai simplă, un circuit pentru comana unui reresor necesită următoarele semnale (tensiuni): - u c - tensiunea e comană, proporţională cu valoarea meie a tensiunii reresate sau cu puterea furnizată sarcinii; - u r - tensiunea e referinţă; - u s - tensiunea e sincronizare, care este obţinută in tensiunea reţelei şi trece prin zero, în punctele e comutaţie naturală. Tensiunea e referinţă u r este în general eterminată, ca mo e variaţie, e tensiunea e sincronizare şi se compară cu tensiunea e comană u c. 7.4..1. Comana în fază De cele mai multe ori, tensiunea e referinţă este liniar variabilă şi sincronizată cu tensiunea e sincronizare, în sensul că, unei semiperioae a tensiunii u s îi corespune o perioaă a tensiunii e referinţă (fig. 7.5). Impulsurile e comană sunt generate la fiecare coincienţă a tensiunii e comană cu tensiunea e referinţă u r (pe panta escrescătoare a acesteia). Din forma e ună a tensiunii reresate, se observă că se poate obţine o rezoluţie foarte fină, putânu-se sesiza variaţii foarte mici ale tensiunii e comană. Generarea e armonici superioare constituie principalul ezavantaj al acestui mo e comană. În acelaşi timp, întregul omeniu e variaţie a unghiului e comană (,) este acoperit prin moificare tensiunii e comană între valorile extreme ale tensiunii e referinţă (rmin, rmax). Nu în ultimul rân, limitarea valorilor minimă şi maximă ale unghiului e comană, în funcţie e caracterul şi particularităţile sarcinii, se poate face simplu limitân valorile minimă şi maximă ale tensiunii e comană. 135
7. Cicloconvertoare a b us 4 - π π 3π -4.5.1.15..5.3.35.4.45 1 rma c 5 T1,T c T3,T uc ur π π 3π.5.1.15..5.3.35.4.45 α.5.1.15..5.3.35.4.45 α ωt Fig. 4. Formele e ună la generarea impulsurilor e aprinere ale tiristoarelor, conform principului comenzii în fază.1..3.4 ωt ωt ωt Datorită ezavantajelor legate e istorsiunea tensiunii şi curentului, ar, mai ales e introucerea puterii reactive e comană, în ultimul eceniu s-a introus comana în urată şi pentru reresoare, VTA şi cicloconvertoare. Este e la sine înţeles că, în acest fel, aceste convertoare nu mai funcţionează cu comutaţie naturală ci, cu comutaţie forţată. 136
8. Variatoare e tensiune continuă 8. VARIATOARE DE TENSINE CONTINĂ 8.1 Variatorul e tensiune continuă coborâtor 8.1.1. Principiul şi schema e principiu Variatorul e tensiune continuă (VTC) transformă energia e c.c. tot în energie e c.c. iar prin comană, se poate moifica valoarea meie a tensiunii e la ieşire. Practic, un VTC transformă o tensiune continuă şi constantă, într-un tren e impulsuri, a cărui urată şi/sau frecvenţă, pot fi moificate prin comană. Elementul e forţă in componenţa sa (fig. 8.1), este un contactor static (CTS) ce se închie şi se eschie cu o anumită frecvenţă. Aşa cum se va veea, inuctivitatea Lf, e valoare importantă înseriată cu sarcina, are ublu rol: Limitarea pulsaţiilor curentului prin sarcină; Evitarea funcţionării VTC în regim e curent întrerupt. Dioa e nul Dn (sau e rum liber) are rolul ea permite existenţa curentului prin sarcină atunci cân contactorul static este eschis. Aşa cum se vee, ea este montată în antiparalel pe ieşirea VTC. În fig. 8.1, au fost notate: - tensiunea, continuă e alimentare a VTC presupusă constantă; u c - tensiunea e comană a contactorului static, în funcţie e care, rezultă 137
8. Variatoare e tensiune continuă intervalele e timp cât acesta este eschis şi închis; În analiza funcţionării mai intervin: Tc - perioaa e comană a contactorului static; t1, t- intervalele e timp cât contactorul static este închis, respectiv eschis. În analiza funcţionării se fac următoarele ipoteze: 1. VTC funcţionează e un timp suficient e lung astfel încât regimul energetic este staţionar;. Frecvenţă e comană a VTC este constantă şi intervalele e timp t1 şi t e asemenea constante; 3. Curentul e sarcină este permanent iferit e zero (regim e curent neîntrerupt) şi pozitiv; 4. Valoarea meie a curentului e sarcină este constantă; 5. Sarcina este e tip R-L. În funcţionarea VTC se isting ouă secvenţe (fig. 8.). u D i ud i I M I m i D I M t 1 t T t I m i T I M t I m t Fig.8. Formele e ună ale tensiunii şi curenţilor I. CTS este închis pe urata t 1 Aplicân teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul - CTS - D n, pe urata t 1, neglijân căerea e tensiune pe CTS, se obţine tensiune la ieşirea VTC, u D =. (8.1) În acest interval, atorită caracterului R-L al circuitului, curentul i prin sarcină, creşte exponenţial (Fig. 8.). După câteva cicluri e funcţionare, curentul i evoluează între ouă valori extreme (I m şi I M ). 138
8. Variatoare e tensiune continuă Dioa e nul este polarizată în sens invers şi, în consecinţă este blocată iar curentul e sarcină se închie prin CTS fiin asigurat e sursa e alimentare. II. CTS este eschis pe urata t La eschierea contactorului static, bobina Lf, e valoare importantă, împreună cu inuctivitatea sarcinii, etermină apariţia unei tensiuni electromotoare e autoinucţie e acelaşi sens ca şi curentul prin sarcină. Această tensiune, polarizează în sens irect ioa Dn care preia curentul e sarcină, rezultân, în ipoteza unor ventile ieale, ud =. (8.) În acest interval, curentul e sarcină i scae exponenţial e la IM la Im şi nu parcurge sursa e alimentare (Fig. 8.). 8.1. Caracteristicile în regim e curent neîntrerupt Caracteristicile variatorului e tensiune continuă reprezintă epenenţa tensiunii meii e ieşire, în funcţie e factorul e comană sau e curentul e sarcină. Dacă ioa D n nu se blochează natural înainte e o nouă comană e închiere a contactorului static CTS, prin sarcină va exista curent în permanenţă, respectiv, la orice moment, i, funcţionarea numinu-se în regim e curent neîntrerupt. Aplicân teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul D n - L f - S rezultă une, u i t D L u, (8.3) L=L f + L a, (8.4) este inuctivitatea totală in circuitul sarcinii. În ecuaţia (8.3) s-au neglijat căerile e tensiune rezistive, respectiv s-au neglijat rezistenţele in circuit. Integrân pe o perioaă e comană şi împărţin la aceasta, rezultă 1 T 1 T i T 1 u D t L t u t. (8.5) T T t T Dar: 1 T T u D t este valoarea meie a tensiunii pe ioă; D (8.6) 139
8. Variatoare e tensiune continuă 1 T T u t este valoarea meie a tensiunii pe sarcină. Primul termen in membrul rept este nul, (8.7) T i i T t i i T i t. (8.8) i Rezultă că, D =, (8.9) respectiv, valorile meii ale tensiunilor pe ioă şi pe sarcină sunt egale, iniferent e regimul e funcţionare. Conform principiului e funcţionare expus, tensiunea pe ioa e nul, în valori instantanee, este pentru t, t1 u D (8.1) pentru t t1, T Înlocuin (8.1) în (8.6) şi ţinân cont e (8.9), rezultă 1 t 1 t1 D t (8.11) T T Se introuce factorul e semnal (e comană sau e umplere), t1 ε ;,1 (8.1) T Astfel, expresia tensiunii meii pe sarcină are expresia, ε, (8.13) şi reprezintă ecuaţia caracteristicilor externe şi e comană în regim e curent neîntrerupt. Împărţin (8.13) la se evienţiază tensiunea meie în unităţi relative, *, (8.14) obţinânu-se ecuaţia caracteristicilor externe şi e comană în unităţi relative,. (8.15) 8.1..1. Caracteristicile e comană Caracteristicile e comană sunt efinite ca fiin epenenţele intre tensiunea meie la ieşirea VTC şi factorul e comană, la valori constante ale curentului meiu e sarcină, respectiv, ε f, (8.16) I ct. 14
sau în unităţi relative, * f ε I ct. 8. Variatoare e tensiune continuă (8.17) În relaţiile e mai sus, s-a notat cu I, valoarea meie a curentului e sarcină. În expresiile (8.13) şi (8.15),, respectiv *, nu epin e I, eci, în ipotezele avute în veere, va exista o singură caracteristică e comană (fig. 8.3). Aceasta evienţiază epenenţa liniară a tensiunii meii pe sarcină în funcţie e factorul e comană. Caracteristica e comană în unităţi relative are aceeaşi alură (fig. 8.3) cu cea în unităţi absolute. Ţinân cont e efinirea factorului e comană (8.1), există trei metoe e comană a variatorului e tensiune continuă: - comana în urată, cân se menţine constantă perioaa e comană (T) şi se moifică t1, teoretic, în intervalul [T]; - comana în frecvenţă, cân se menţine constantă urata e conucţie a contactorului static (t 1 ) şi se moifică perioaa e comană, teoretic, în intervalul [t 1 ); - comana în urată şi frecvenţă, cân se moifică atât t 1, cât şi T, comana realizânu-se în funcţie e alte mărimi funcţionale, e cele mai multe ori prin controlul curentului e sarcină i, care evoluează între ouă limite prestabilite. 8.1... Caracteristicile externe Caracteristicile externe sunt efinite ca epenenţele intre tensiunea meie la ieşirea VTC şi 141
8. Variatoare e tensiune continuă curentul meiu e sarcină, la valori constante ale factorului e comană, respectiv, I εct. f, (8.18) sau, utilizân tensiunea relativă, f I εct. *. (8.19) 3 4 4 = 1 = 3/4 = 1/ = 1/4 I Fig 8.4 Caracteristicile externe ale VTC, în regim e curent neîntrerupt, în unităţi absolute şirelative Conform (8.13) şi (8.15), caracteristicile externe în regim e curent neîntrerupt, atât în unităţi absolute, cât şi în unităţi relative, sunt repte paralele cu abscisa şi intersectează oronata în punctele e cooronate (,), respectiv (,) pentru caracteristicile în unităţi relative (fig. 8.4). În realitate, ţinân cont e rezistenţele in circuit, caracteristicile externe nu sunt paralele cu abscisa, ci puţin căzătoare (reptele punctate), atorită căerilor rezistive e tensiune. 8.1.3. Expresia curentului prin sarcină Se au în veere următoarele ipoteze: - se neglijează rezistenţele in circuit; - curentul meiu, prin sarcină, este constant; - tensiunea pe sarcină este constantă şi egală cu valoarea meie, u ε. (8.) ltimele ouă ipoteze corespun cazului în care sarcina este un motor electric. În această situaţie, tensiunea meie la bornele sale este egală cu tensiunea electromotoare corespunzătoare vitezei meii e rotaţie. Particularizân (8.3) pentru intervalul t (, T) şi ţinân cont e (8.4), (8.1) şi (8.), rezultă, i 1 ε (8.1) t L 14
8. Variatoare e tensiune continuă Integrân şi punân coniţia ca la t= i să aibă valoarea Im, se obţine că i are variaţie liniară în timp, Im 1 εt, (8.) L i în care I m este valoare minimă a curentului prin sarcină, respectiv cea in momentul închierii contactorului static (fig. 8.5). u D i u D I M i I I m t t 1 t T Fig 8.5. Forma e ună a curentului i, în cazul neglijării rezistenţelor Pentru intervalul t (T, T), particularizarea ecuaţiei (8.3) conuce la i ε (8.3) t L După integrare şi consierarea coniţiei iniţiale i(t)=im, se obţine ε i IM L t εt (8.4) Valorile minimă şi maximă ale curentului prin sarcină nu sunt inepenente, între ele existân o relaţie ată e continuitatea curentului la momentul t=t. Particularizân (8.) pentru t = T, se obţine i εt IM Im 1 εεt (8.5) L Legătura intre valoarea meie a curentului prin sarcină (I ) şi valorile minimă şi maximă, rezultă in consierente grafice, respectiv egalitatea ariilor mărginite e valoarea meie I şi e variaţia lui i, pe o perioaă, I T I T I m M I m T (8.6) Explicitân I M in (8.6) şi înlocuin în (8.5) se obţine 143
8. Variatoare e tensiune continuă şi apoi, I I m M I I 1 εεt L 1 εεt L (8.7) (8.8) 8.1.4. Limita zonei e curent întrerupt Dacă sarcina, respectiv curentul meiu e sarcină I, scae, forma e ună a curentului i se translatează spre valori mai mici, ar iferenţa (I M -I m ) rămâne constantă, pentru factor e comană constant. Va exista o valoare a curentului meiu e sarcină (I cr ), pentru care valoarea minimă este nulă I m =. (8.9) Rezultă că, ioa e nul (D n ) se blocheză exact în momentul unei noi comenzi e închiere a contactorului static CTS (fig. 8.6). Aceast regim e funcţionare constitue limita apariţiei regimului e curent întrerupt. În planul (,I ), curba care separă regimurile e curent întrerupt şi neîntrerupt, se efineşte ca epenenţa tensiunii meii pe sarcină, în funcţie e curentul meiu e sarcină, la limita apariţiei regimului e curent întrerupt, f I Im Particularizân (8.) pentru situaţia consierată, se obţine i (8.3) 1 εt (8.31) L Valoarea maximă critică a curentului, se obţine pentru t = T, I Mcr i (εt) 1 εεt (8.3) L Legătura intre valoarea maximă critică a curentului, şi valoarea meie critică (corespunzătoare situaţiei limită, cân I m = ), se poate stabili ţinân cont e efiniţia valorii meii şi e semnificaţia grafică a integralei (aria mărginită e graficul funcţiei, axa absciselor şi limitele e integrare). Rezultă că I cr T T i t, respectiv IMcr IcrT T (8.33) 144
Înlocuin (8.3) în (8.33), se obţine 8. Variatoare e tensiune continuă Icr 1 εεt 1 εε (8.34) L Lf Expresia (8.34), reprezintă epenenţa valorii meii critice a curentului e sarcină (pentru care apare regimul e curent întrerupt), în funcţie e factorul e comană. În planul (, I ) aceasta separă zona e curent întrerupt e zona e curent neîntrerupt. Din punct e veere grafic, curba este o parabolă (fig. 8.7), care are un maxim, ce rezultă ca soluţie a I ecuaţiei cr. ε Derivân (8.34), se obţine I cr T (1 ε) (8.35) ε L in care rezultă 1 ε cr. (8.36) Pentru această valoare a factorului e comană, se obţine valoarea maximă a curentului meiu critic T Icrmax, (8.37) 8L respectiv situaţia cea mai efavorabilă in punctul e veere al apariţiei regimului e curent întrerupt. Pentru a obţine limita zonei e curent întrerupt în planul caracteristicilor externe, (I, ), se exprimă factorul e comană in (8.) şi se înlocuieşte în (8.34), rezultân Icr 1 T L (8.38) care, in punct e veere grafic, este tot o parabolă (fig. 8.8). Limita zonei e curent întrerupt, în unităţi relative, se obţine explicitân in (8.38), 1 8I crl (8.39) T Împărţin apoi relaţia obţinută la şi ientificân al oilea termen e sub raical cu I crmax, se obţine 145
8. Variatoare e tensiune continuă * 1 * 1 1 I cr (8.4) în care s-a introus şi curentul relativ I * cr Icr (8.41) Icr max Regim e curent neîntrerupt Regim e curent întrerupt / Regim e curent întrerupt Regim e curent neîntrerupt Fig 8.7. Limita zonei e curent întrerupt în planul (, I ) Fig 8.8. Limita zonei e curent întrerupt în planul (I, ) I Relaţia (8.4) reprezintă ecuaţia curbei ce elimitează zona e curent întrerupt, în unităţi relative. 8.1.5. Regimul e curent întrerupt 8.1.5.1. Apariţia regimului e curent întrerupt În ipotezele expuse, curentul e sarcină evoluează perioic între limitele I m şi I M, valoarea meie (I ) fiin eterminată e sarcină. De exemplu, acă sarcina variatorului e tensiune continuă este un motor e c.c., curentul absorbit e acesta epine e cuplul static la arbore, nefiin influenţat e factorul e comană Scăerea curentului meiu e sarcină sub valoarea critică, va face ca ioa e nul să se blocheze, atorită anulării curentului prin ea, înainte e o nouă comană e închiere a contactorului static CTS. Din punct e veere grafic, forma e ună a curentului i, se translatează spre valori mai mici, fără a exista însă posibilitatea e închiere a unui curent negativ (fig..9). În consecinţă, vor apare intervale cân curentul e sarcină este nul. Acest regim poartă numele e regim e curent întrerupt. 146
8. Variatoare e tensiune continuă i I Mi I T T T t Fig. 8.9 Variaţia curentului în regim e curent întrerupt Funcţionarea în regim e curent întrerupt etermină ezavantaje în funcţionarea sarcinii (piereri suplimentare, şocuri e cuplu, neliniaritate pronunţată a caracteristicilor externe). Pentru evitarea acestui regim, se utilizează bobina e filtrare L f înseriată cu sarcina. 8.1.5.. Caracteristicile externe şi e comană în regim e curent întrerupt La funcţionarea în regim e curent întrerupt, pe intervalul e conucţie a ioei e nul, curentul e sarcină se anulează înainte e închierea contactorului static, respectiv, ioa e nul va fi în conucţie, pe urata unei perioae, un timp mai mic ecât t=(1 - )T. Se notează urata e conucţie a ioei e nul cu T (fig. 8.1). u D i T T T t Fig. 8.1 Funcţionarea în regim e curent întrerupt Pe intervalul cât ioa e nul este blocată, iar contactorul static nu a primit o nouă comană e închiere, toate elementele variatorului sunt blocate, iar tensiunea la bornele ioei e nul este egală cu valoarea meie a tensiunii. Dacă sarcina este un motor electric, pe acest interval, tensiunea la bornele motorului este tensiunea electromotoare. Tensiunea la bornele ioei, în valori instantanee, va fi 147
8. Variatoare e tensiune continuă, ε β βt T t εt u D t εt, (8.4) t ε T, Ţinân cont e (8.9), tensiunea meie la bornele sarcinii este = respectiv, ε 1 T T T = t t ( )T 1 ε β 1 T = εt T(1 ) (8.43) ε (8.44) ε β Aplicân teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul D - L f - S pe intervalul t T, (+)T], cât conuce ioa e nul, se obţine i L (8.45) t care, prin integrare, conuce la soluţia i t εt k (8.46) L Constanta e integrare rezultă in coniţia iniţială i(+) = i(-) = IMi (8.47) iar (8.46) evine i I Mi t εt (8.48) L Se pune coniţia ca, la finalul intervalului e conucţie al ioei e nul, curentul prin sarcină să se anuleze, i I ε βt I T Mi Mi L, obţinân βt (8.49) L De asemenea, in consierente grafice, rezultă legătura intre valoarea meie a curentului în regim e curent întrerupt şi valoarea maximă a curentului e sarcină I I T Mi ε β T, in care se obţine, I I Mi (8.5) Ientificân (8.49) cu (8.5), rezultă 148
I L βt 8. Variatoare e tensiune continuă (8.51) Din relaţia (8.44), se explicitează termenul (+), ε ε β (8.5) care se înlocuieşte în (8.51), obţinân I βt (8.53) L Din (8.53), se explicitează I L (8.54) T care, prin înlocuire în (8.44), conuce la expresia caracteristicilor externe şi e comană, în regim e curent întrerupt, ε (8.55) IL ε ε T Obs. Intervalul T caracterizează urata e conucţie a ioei e nul. Pentru a nu apare regimul e curent întrerupt el trebuie să fie egal cu (1-)T. Relaţia (8.54) inică faptul că aceasta se poate realiza, fie prin creşterea inuctivităţii bobinei e filtrare, fie prin scăerea perioaei e comană a contactorului static, respectiv creşterea frecvenţei e comană. Caracteristicile externe în regim e curent întrerupt, sunt puternic neliniare, iar in punct e veere grafic sunt hiperbole concurente în punctul e cooronate (,) (fig. 8.11). Acest aspect rezultă observân că pentru I = (mersul în gol ieal al sarcinii), rezultă = iniferent e factorul e comană Calculân valoarea meie a tensiunii (8.55) pentru I cr, se obţine =, ceea ce înseamnă continuitatea caracteristicilor externe la limita apariţiei regimului e curent întrerupt. Limitarea zonei e curent întrerupt şi evitarea acestui regim se poate face prin imensionarea corectă a bobinei e filtrare (L f ). Relaţia (8.55) reprezintă şi ecuaţia caracteristicilor e comană, în regim e curent întrerupt. În planul (, ), limita zonei e curent întrerupt se obţine punân coniţia ca numitorul expresiei (8.55) să fie unitar, această coniţie conucân la soluţiile 149
8. Variatoare e tensiune continuă 1 8I L 1, 1 1 (8.56) T 3 4 4 Curent întrerupt = 1 Limita zonei e curent întrerupt = 3/4 = 1/ = 1/4 Curent neîntrerupt I crmax I Fig 8.11 Caracteristicile externe ale VTC Pentru valori ale factorului e comană în afara segmentului mărginit e cele ouă răăcini (8.56), caracteristicile e comană se suprapun cu cea in regim e curent neîntrerupt. Între cele ouă răăcini, caracteristicile e comană sunt neliniare (fig. 8.1), atât limitele regimului e curent întrerupt, cât şi neliniaritatea caracteristicilor epinzân e curentul e sarcină. Curent întrerupt I < Icrmax Curent neîntrerupt 1 Fig 8.1 Caracteristicile e comană ale VTC Expresia caracteristicilor externe şi e comană, în regim e curent întrerupt, în unităţi relative, se obţine in (8.55), prin împărţire la. Rezultă, ţinân seama e (8.41), ε (8.57) Icr ε 4ε * * 15
8. Variatoare e tensiune continuă În regim e curent neîntrerupt, ecuaţia caracteristicilor externe şi e comană, în unităţi relative, este (8.15), iar caracteristicile externe, în unităţi relative, în tot omeniul e variaţie a curentului e sarcină sunt: ε *,I 4(1 ) * cr * I cr ε (8.58) 4ε *,Icr 4(1 ) iar cele e comană: ε 1 * 1 *, 1 1 I, 1 1 I * I cr * ε 4ε (8.59) 1 * 1 *,, 1 1 I 1 1 I,1 8.1.6. Elemente e imensionare a inuctivităţii e filtrare Inuctivitatea Lf înseriată cu sarcina, are ublu rol: A. Limitarea pulsaţiilor curentului prin sarcină; B. Evitarea funcţionării VTC în regim e curent întrerupt. 8.1.6.1. Calculul inuctivităţii necesare pentru limitarea pulsaţiilor curentului prin sarcină Pulsaţiile curentului prin sarcină (Fig. 8.5) sunt efinite ca iferenţa intre valorile minimă şi maximă, ale curentului şi se obţin in relaţia (8.5), (8.6) şi sunt epenente e valoarea factorului e comană. Valoarea maximă se obţine pentru valoarea critică a factorului e comană, cr=1/. Rezultă astfel,. (8.61) Dacă se impune coniţia ca această valoare să fie mai mică sau egală ecât o valoare maxim amisibilă,, Se obţin valorile inuctivităţii totale necesare pentru limitarea pulsaţiilor curentului: 151
8. Variatoare e tensiune continuă. (8.6) 8.1.6.. Calculul inuctivităţii necesare pentru evitarea funcţionării VTC în regim e curent întrerupt Punctele e funcţionare a VTC, pe o caracteristică sau alta, sunt eterminate e valoarea factorului e comană şi e valoarea curentului e sarcină. Observân fig. 8. 11 se constată că, pentru a nu funcţiona în regim e curent întrerupt iniferent e valoarea factorului e comană, curentul e sarcină minim trebuie să fie mai mare sau egal cu valoarea maximă a curentului critic, respectiv,. (8.63) Înlocuin expresia curentului critic maxim şi explicitân inuctivitatea se obţin valorile inuctivităţii totale necesare pentru evitarea funcţionării VTC în regim e curent întrerupt,. (8.64) Desigur, pentru a fi îneplinite ambele cerinţe, se alege valoarea rezultată in intersecţia celor ouă soluţii, respectiv,. (8.65) 8.1.7. Scheme practice e VTC coborâtor 8.1.7.1. VTC cu tranzistor IGBT tilizarea unui tranzistor e tip IGBT pentru a realiza contactorul static comanat conuce la cea mai simplă şi fiabilă schemă e VTC coborâtor (Fig. 8.13). ate fiin puterile până la care se realizează astăzi tranzistoarele IGBT, schema poate fi realizată chiar până la puteri e orinul sutelor e kw. Dioa Dp nu este obligatorie şi are rolul e protecţie la conectare inversă. n alt avantaj important al schemei este că poate lucra cu frecvenţe e comană suficient e mari, astfel încât, inuctivitatea e filtrare să fie foarte mică sau chiar să lipsească. Deoarece timpii e amorsare şi blocare ai IGBT sunt mici (zeci-sute e ns), formele e ună şi caracteristicile aferente acestei scheme sunt ientice cu cele e la schema e principiu. 15
8. Variatoare e tensiune continuă Fig. 8.13. Schema e forţă a variatorului e tensiune continuă cu tranzistor IGBT 8.1.7. VTC cu tiristoare şi blocare prin polarizare inversă (VTC-) 8.1.7..1. Schema e principiu, funcţionare Pentru funcţionare la frecvenţe riicate şi in consierente e proiectare, se preferă tiristoarele rapie. O schemă clasică, cu blocare prin polarizare inversă, caracterizată e o mare siguranţă în funcţionare, este prezentată în fig. 8.14. u Tp i T L f i u C i C C T p T s L p i Ts i D L a u Ts D s i Ds u S u D D L n s CT S u Ds Fig 8.14 Schema e forţă a variatorului e tensiune continuă cu tiristoare, cu stingere prin polarizare inversă Elementele încarate cu linie punctată, constituie contactorul static. Tiristorul principal (T p ), asigură închierea curentului e sarcină pe intervalele e conucţie ale contactorului static, iar celelalte elemente formează circuitul e stingere al tiristorului principal. Pentru o funcţionare corectă, este necesară preîncărcarea conensatorului şi, e 153
8. Variatoare e tensiune continuă aceea, primul impuls e comană se aplică tiristorului e stingere (T s ). Acesta intră în conucţie, formânu-se circuitul oscilant - C - T s - L p - L f - S, prin care conensatorul C se încarcă. În momentul anulării curentului e încărcare a conensatorului, tiristorul T s se blocheză natural, tensiunea pe conensator este şi rămâne constantă, până la comana lui T p. Oscilaţia are o urată mică şi nu influenţează sarcina. Se poate apoi comana, oricân, tiristorul T p, iar upă intrarea în conucţie a acestuia, se formează ouă circuite: - - T p - L f - S, prin care se închie curentul e sarcină; - T p - L s - D s - C, prin care se reîncarcarcă conensatorul C. Pe circuitul e reîncărcare poate exista numai alternanţa negativă a curentului, atorită prezenţei ioei D s. În momentul anulării curentului prin conensator, ioa D s se blocheză natural, conensatorul rămânân încărcat cu tensiunea in acest moment (- ). Şi această oscilaţie urează puţin în comparaţie cu urata e conucţie a tiristorului principal T), care este parcurs e curentul e sarcină. Cân se oreşte blocarea tiristorului principal (upă T e la amorsare), se comană T s. Imeiat upă intrarea acestuia în conucţie, eoarece căerea e tensiune pe el este nulă, u Tp =-, ceea ce face ca tiristorul principal să se blocheze. Totoată, se formează un circuit similar celui in prima etapă, ceea ce etermină reîncărcarea conensatorului la tensiunea. Apoi, fenomenele se repetă. 8.1.7... Funcţionarea circuitului e stingere Se presupune că schema nu a mai funcţionat, eci conensatorul C este escărcat, u c (8.66) Aplicân teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul - C - T s - L f - S, la t = _, rezultă u c u Ts (8.67) şi, ţinân cont e (8.1), rezultă u Ts (8.68) Rezultă că, tiristorul T s este polarizat irect şi, upă ce va fi comanat (la momentul t = ), va intra în conucţie, formânu-se circuitul oscilant e încărcare a conensatorului, - C - T s - L f - S. Cu sensurile convenţional pozitive in fig. 8.14, teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul oscilant format, conuce la 154
u i t 8. Variatoare e tensiune continuă c c L (8.69) în care, L este inuctivitatea totală in circuitul sarcinii. Dar, uc ic C (8.7) t iar prin erivare, ic t uc C (8.71) t Comană T s T p T s T p t u C i C i D I Cω p I t 1-3 3 4 T 1 - T Fig 8.15. Formele e ună aferente circuitului e stingere al VTC in fig. 8.14 Înlocuin (8.71) în (8.69), rezultă uc LC t u (8.7) c Introucân pulsaţia proprie a circuitului e încărcare a conensatorului, 1 ω 1 (8.73) LC se obţine ecuaţia iferenţială 155
8. Variatoare e tensiune continuă 156 1 ω 1 u c u c (8.74) t 1 a cărei ecuaţie caracteristică r 1, are soluţiile complex conjugate r 1, jω1. ω iniţiale vor fi Astfel, soluţia euaţiei (8.7) este u c 1 1 1 C cos ω t C sin ω t (8.75) 1 Deoarece curentul i C se închie printr-un circuit ce conţine inuctivităţi, coniţiile C u i c u c i c. 1 (8.76) c (8.77) Particularizân (8.74) pentru t =, cu (8.76), rezultă Cu aceasta, se obţine expresia curentului prin conensator ic 1 1 1 1 C ω sin ω t CC ω cosω t. (8.78) Din coniţia iniţială (8.77), se etermină C, rezultân soluţiile: u c 1 1 cos ω t ; (8.79) ic C ω1sin ω1t (8.8) Încărcarea conensatorului C, se realizează pe alternanţa pozitivă a oscilaţiei sinusoiale e curent, eoarece, la anularea curentului T s se blocheză natural. Aceasta se prouce la momentul 1 (e la comana lui Ts), pentru care, τ i 1 c, respectiv 11 = şi π τ1. (8.81) ω 1 La acest moment, tensiunea la bornele conensatorului are valoarea c τ1 u, (8.8) şi rămâne neschimbată, până la comana lui T p (fig. 8.15). Teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul - T p - L f - S conuce la u Tp, (8.83) care arată că, tiristorul principal este polarizat irect şi poate intra în conucţie. La aplicarea impulsului e comană, T p se va amorsa, formânu-se circuitul T p - L s - D s - C prin care, conensatorul se escarcă şi apoi se încarcă în sens invers. Aplicân teorema a II-a a lui Kirchhoff pe acest circuit, se obţine
8. Variatoare e tensiune continuă i Ds Ls u c t (8.84) Dar, pe acest interval, cu sensurile convenţional pozitive figurate, există relaţia u c i Ds i C -C t (8.85) care, prin erivare, conuce la ecuaţia u c LsC u c (8.86) t Înlocuin pulsaţia proprie, 1 ω. (8.87) L C s Apoi, translatân originea timpului în momentul comenzii tiristorului T p, soluţia ecuaţiei (8.7) este u c 1 C cos ω t C sin ω t. (8.88) Coniţiile iniţiale pentru această etapă sunt: u i c u c i c, (8.89) c, (8.9) eoarece, şi pe acest interval, curentul prin conensator se închie printr-un circuit ce conţine inuctivităţi (L s ). Particularizân (8.88) pentru t = şi ţinân cont e (8.89), rezultă C1 =. Înlocuin (8.88) în (8.85), se obţine curentul e reîncărcare C ω sin ω t CC ω cosω t, (8.91) ic iar cu coniţia iniţială (8.5), constanta C are valoarea zero, C. Variaţiile tensiunii pe conensator şi curentului sunt ate e: u c cos ωt ; (8.9) C ω sin ω t. (8.93) ic Rezultă că în această secvenţă, curentul prin conensator este e sens schimbat faţă e primul interval. Cu (8.85), rezultă că, prin ioa D s, curentul este pozitiv şi există un timp (e la comana lui T p ), pentru care IDs() =, respectiv =, şi 157
8. Variatoare e tensiune continuă rezultă π τ. (8.94) ω La acest moment, tensiunea la bornele conensatorului C are valoarea u c τ, (8.95) care arată că şi-a schimbat polaritatea. După blocarea ioei D s, tensiunea la bornele conensatorului rămâne constantă. Aplicân teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul T p - T s - C, upă momentul,, u Ts u, (8.96) c in care se esprin ouă concluzii: - valoarea maximă a tensiunii ce solicită tiristorul T s în stare blocată este bts = ; (8.97) - tiristorul T s este polarizat irect. După timpul T e la comana tiristorului T p, pentru blocarea acestuia, se comană tiristorul T s. Acesta va intra în conucţie şi, consierân originea timpului translatată în acest moment, rezultă uts(+) =. (8.98) Teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul T p - T s - C, conuce la Tp = uc, respectiv, utp(+) = uc(+) = -. (8.99) Se observă că: - tiristorul T p este polarizat invers şi se va bloca; - valoarea maximă a tensiunii ce solicită tiristorul T p în sens invers, în stare blocată, este btp = -. (8.1) Cu teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul - C - D, se obţine u D u, (8.11) c care, particularizată pentru momentul iniţial al comenzii tiristorului T s, cu (8.34), evine u D u c 3. (8.1) Se constată că: - ioa e nul este polarizată în sens invers, eci este blocată şi nu poate prelua curentul e sarcină; - valoarea maximă a tensiunii ce solicită ioa e nul în sens invers este 158
8. Variatoare e tensiune continuă bd = 3. (8.13) Consierân că tiristorul T p se blochează instantaneu în momentul polarizării în sens invers, respectiv itp(+) =, (8.14) şi aplicân teorema I a lui Kirchhoff în noul A (fig. 8.14), în ipoteza i = I = ct. (în timpul comutaţiei), se obţine ic(+) = its(+) = I. (8.15) Conensatorul se încarcă eci, pe circuitul - C - T s - S, la curent constant, I. Rezultă u c I t k. (8.16) C Constanta k, e integrare, se obţine in coniţia iniţială (8.13), rezultân soluţia u I C c t. (8.17) Acest proces urează până la eblocarea ioei e nul, respectiv un timp 3, upă care u D =. Se obţine astfel: uc(3) =, (8.18) 3 C τ3. (8.19) I După eblocarea ioei e nul, aplicân teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul - C - D n, rezultă u i t c c Lp, (8.11) care este similară cu (8.86), ar cu pulsaţia proprie 1 ωp. L C p Ecuaţia (8.11) va avea o soluţie similară, ar cu alte coniţii iniţiale. Consierân translatarea originii timpului la finalul intervalului 3, acestea sunt: u i c c u c ; (8.111) ic I. (8.11) Particularizân soluţia pentru pulsaţia proprie op şi coniţiile iniţiale, se obţin constantele e integrare 159
8. Variatoare e tensiune continuă C 1, I C. Cω p şi respectiv, soluţiile finale I u c sin ωpt, (8.113) Cω c p p i I cos ω. (8.114) Curentul i C există atât timp cât este pozitiv, respectiv un timp, upă care tiristorul T s se va bloca natural. Din coniţia e anulare a curentului, se obţine p4 =, respectiv, π τ4. (8.115) ω p La acest moment, tensiunea la bornele conensatorului va fi u c τ 4 I. (8.116) Cωp Pe intervalul, aplicân teorema I a lui Kirchhoff în noul A, rezultă id = ID its = ID - ic. Situaţia, la finalul intervalului, este similară celei e la sfârşitul intervalului, iar în continuare, fenomenele se repetă. 8.1.7..3. Comana Pentru comana în urată, schema bloc a circuitului e comană (fig. 8.4), furnizează impulsurile necesare celor ouă tiristoare. Blocurile componente realizează următoarele funcţii: - GT generator e tact cu frecvenţă fixă (frecvenţa e comană a tiristorului principal); - FI1, FI formatoare e impulsuri, ce furnizează câte un impuls e urată fixă, la fiecare front pozitiv al semnalului e intrare (Fig. 8.5); acestea sunt circuite monostabile, triggerate pe front pozitiv; - GTLV generator e tensiune liniar variabilă, cu perioaa egală cu cea a semnalului u1; 16
8. Variatoare e tensiune continuă - C circuit comparator, ce compară semnalul u3 cu semnalul e comană uc; rezultatul comparării (u4), este un semnal cu factor e umplere variabil, în funcţie e valoarea semnalului e comană uc; După amplificarea corespunzătoare, semnalele u1 și u5 se aplică tiristorului principal și, respectiv, secunar. Fig. 8.16 Schema bloc a circuitului e comană a VTC cu tiristoare Fig. 8.17 Formele e ună ale circuitului e comană a VTC 161
8. Variatoare e tensiune continuă 8.1.7..4. Algoritm e imensionare Pentru imensionarea VTC se parcurge următorul algoritm e mai jos. 1. Se alege frecvenţa e comană, în omeniul 5 Hz khz.. Se stabilesc limitele e variaţie ale factorului e comană,, existân ouă posibilităţi. a) Se ispune e o sursă e c.c. care îneplinește coniţia > N (N este tensiunea nominală a sarcinii). Se va pune coniţia ca, valoarea maximă a tensiunii meii la ieșirea VTC, să asigure tensiunea nominală a sarcinii și să acopere căerile e tensiune in circuit (pe conuctoarele e legătură, respectiv bobina e filtrare și căerea e tensiune, în conucţie, pe tiristorul principal). Astfel, (8.117) in care se obţine: (8.118) b) Nu se ispune e o sursă e c.c. În acest caz, se fixează, (8.119) și se etermină valoarea minimă necesară a tensiunii e alimentare: (8.1) Factorul minim e comană, se etermină astfel încât să asigure sarcinii cu tensiunea minimă necesară (min), care rezultă in omeniul e reglare impus variatorului, (8.11) 3. Se imensionează inuctivitatea e filtrare în funcţie e obiectivul urmărit (limitarea pulsaţiilor sau/și evitarea funcţionării în regim e curent întrerupt). 4. Se alege și se verifică tiristorul principal, ţinân seama că: - este tiristor rapi; - valoarea meie a curentului prin tiristor este: ; (8.11) - clasa e tensiune trebuie să fie, ; (8.1) - valoarea maximă a pulsului e curent este:, (8.13) 16
8. Variatoare e tensiune continuă une IN este valoarea nominală a curentului e sarcină, iar Δi este pulsaţia reală a curentului e sarcină, corespunzătoare inuctivităţii e filtrare calculate; - urata pulsului e curent este: (8.14) 5. Se imensionează bobina Lp, e protecţie a tiristorului e stingere, in coniţia ca panta e creștere a curentului prin aceasta să nu epășească valoarea maximă (e catalog), (8.15) 6. Se calculează capacitatea conensatorului e stingere, punân coniţia ca tiristorul principal să fie polarizat invers, un timp mai mare ecât timpul său e revenire (tq). După comana lui Ts, Tp este polarizat invers un timp mai mare (Fig. 8.3), până cân. Din (8.4) se obţine: Timpul e polarizare inversă este minim, pentru curent e sarcină maxim și punân coniţia:, rezultă (8.16) 7. Se verifică coniţia ca tensiunea maximă pe conensatorul e stingere să nu epășească,. (8.17) Ţinân cont e expresia pulsaţiei și e faptul că, situaţia cea mai efavorabilă corespune curentului e sarcină maxim (Imax), rezultă: (8.18) Se alege un conensator e comutaţie e capacitate C, care să respecte coniţiile (8.16) şi (8.18), iar tensiunea sa nominală să fie mai mare ecât. În continuare, se va lucra cu valoarea e catalog a conensatorului ales. 8. Se calculează inuctivitatea Ls, in coniţia ca intervalul εmint să fie suficient e mare, pentru a se încheia reîncărcarea conensatorului, respectiv: Rezultă: 163
8. Variatoare e tensiune continuă (8.19) 9. Se verifică coniţia e reîncărcare a conensatorului, upă comana tiristorului Ts, în cazul cel mai efavorabil, respectiv: (8.13) Dar, Dacă Imin = sau foarte mic, se va consiera: 1 Dacă relaţia nu este satisfăcută, se scae fie frecvenţa e comană, fie factorul maxim e comană și se reiau calculele. 1. Se verifică frecvenţa limită, corespunzătoare situaţiei în care, într-o perioaă, conensatorul se reîncarcă permanent: (8.131) 11. Se alege și se verifică tiristorul e stingere, avân în veere că: - este un tiristor rapi; - valoarea meie a curentului prin tiristor este: ; (8.13) - clasa e tensiune trebuie să fie, (8.133) - valoarea maximă a pulsului e curent este ; - urata pulsului e curent este: 1. Se alege și se verifică ioa in circuitul e stingere, cunoscân că: - este ioă e comutaţie; - valoarea meie a curentului prin ioă este: (8.134) ; (8.135) - clasa e tensiune trebuie să fie: ; (8.136) - valoarea maximă a pulsului e curent este: ; (8.137) - urata pulsului e curent este. 164
8. Variatoare e tensiune continuă 13. Se alege și se verifică ioa e nul, ţinân seama că: - este ioă e comutaţie; - valoarea meie a curentului prin ioă este: ; (8.138) - clasa e tensiune trebuie să fie, ; (8.139) - valoarea maximă a pulsului e curent este: ; - urata pulsului e curent este:. (8.14) 8.1.7.3. VTC cu tiristoare și stingere prin evierea curentului (VTC-I) 8.1.7.3.1. Schema, funcţionare Schema e forţă a VTC-I (Fig. 8.18), evienţiază utilizarea, e asemenea, a unui circuit e stingere (C, Ls, Ts, Ds, Dr) necesar stingerii tiristorului principal Tp. Fig. 8.18. Schema e forţă a variatorului e tensiune continuă cu tiristoare, cu stingere prin evierea curentului Funcţionarea poate fi escrisă, pe baza formelor e ună in Fig. 8.19. 165
8. Variatoare e tensiune continuă Fig. 8.19 Formele e ună aferente circuitului e stingere al VTC in Fig. 8.18 Consierân că schema nu a mai funcţionat, la alimentarea ei cu tensiunea, conensatorul C rămâne escărcat. La momentul τ, este comanat tiristorul Tp, care intră în conucţie și asigură, pe e o parte, alimentarea sarcinii cu tensiunea, iar pe e altă parte, închierea circuitului oscilant e încărcare a conensatorului ( Tp Ds Ls - C). După timpul, ioa Ds se blochează natural, valoarea finală a tensiunii uc fiin. Tiristorul Tp rămâne în conucţie, asigurân curentul e sarcină pe intervalul εt, la finalul căruia este comanat tiristorul Ts. Intrarea acestuia în conucţie, permite formarea unui alt circuit oscilant (C Ls Ts Lf S). Consierân curentul e sarcină constant pe urata oscilaţiei, curentul prin tiristorul Tp scae, fiin preluat e circuitul oscilant Ls C. În momentul în care curentul oscilant atinge valoarea curentului e sarcină, curentul prin tiristorul principal se anulează. Curentul oscilant crește în continuare, eterminân ca, 166
8. Variatoare e tensiune continuă supracurentul să se inchiă prin ioa Dr și sursă, ceea ce etermină polarizarea, în sens invers, a tiristorului Tp. Rezultă că, pentru blocarea acestuia, timpul e revenire (tq) trebuie să fie mai mic ecât urata e conucţie a ioei. La momentul τ 4, curentul oscilant are, in nou, valoarea curentului e sarcină, eterminân blocarea naturală a ioei Dr. Din acest moment, tensiunea pe sarcină evine egală cu tensiunea pe conensator, întreg curentul e sarcină fiin asigurat e conensator. Acesta se va escărca la curent constant (intervalul τ 4 - τ 5), tensiunea la bornele sale scăzân liniar. La momentul τ5, conensatorul este complet escărcat, tensiunea pe sarcină este nulă, iar ioa e nul intră în conucţie. În bobina Ls este înmagazinată însă, energia, care se va transfera conensatorului pe circuitul Ls Ts Lf S C. Aceasta se prouce oscilant (intervalul τ5 - τ6), astfel încât. La momentul τ6, întreg curentul e sarcină se închie prin ioa e nul, curentul oscilant se anulează, tiristorul Ts se blochează natural, iar conensatorul C rămâne încărcat cu o tensiune negativă, proporţională cu curentul e sarcină. Această preîncărcare a conensatorului, va permite stingerea unui curent prin Tp, mai mare, în următoarea perioaă e comană. 8.1.7.3.. Analiza circuitului e stingere Analiza funcţionării circuitului e stingere se va face în următoarele ipoteze: - se consieră curentul e sarcină constant, în timpul comutaţiei: i = I = ct.; - se neglijează rezistenţele in circuit; - la analiza fiecărui interval, originea timpului se translatează la începutul lui. 1. Intervalul (τ, τ 1) La momentul τ, se comană tiristorul Tp care intră în conucţie, și, aplicân teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul Tp Ds Ls C, se obţine:. (8.141) Introucân pulsaţia proprie a circuitului e stingere,, se obţine soluţiile:, (8.14). (8.143) 167
8. Variatoare e tensiune continuă La anularea curentului ic, ioa Ds se blochează natural, urata procesului e încărcare fiin:, (8.144) iar conensatorul rămâne încărcat cu tensiunea:. (8.145). Intervalul e comutaţie (τ, τ 4) Comutaţia începe la momentul τ, cân este comanat Ts. Tensiunea și curentul prin conensator sunt escrise e aceleași ecuaţii (8.14), respectiv (8.143), până la momentul τ4, cân ic reevine egal cu I. Se face observaţia că, sensul curentului ic este opus celui in intervalul (τ, τ1), ca și panta tensiunii pe conensator. Durata τ4 τ se etermină punân coniţia: (8.146) în ecuaţia (8.79), in care se obţine:, (8.147) sau, ţinân seama că, (8.148). (8.149) La momentul τ4, tensiunea pe conesator va fi încă pozitivă,, (8.15). (8.151) 3. Intervalul (τ4, τ5) Pe acest interval, conensatorul se escarcă la curentul constant I, iar tensiunea este ată e: (8.15) Punân coniţia e anulare a tensiunii,, (8.153) rezultă urata intervalului,. (8.154) 168
8. Variatoare e tensiune continuă 4. Intervalul e preîncărcare a conensatorului, (τ 5, τ 6) Pe acest interval, ecuaţia iferenţială a tensiunii este:, (8.155) și ţinân cont e coniţiile iniţiale: rezultă soluţiile: ; (8.156) ; (8.157), (8.158). (8.159) Procesul urează până la anularea curentului ic, repectiv până la blocarea naturală a tiristorului Ts, care se prouce la momentul. (8.16) La acest moment, tensiunea pe conensator va fi:. (8.161) Se observă că, acă pentru prima perioaă e funcţionare, coniţiile iniţiale au fost nule, pentru a oua perioaă și următoarele, coniţia iniţială pentru tensiunea pe conensator va fi:, (8.16) ceea ce face ca, soluţiile (8.78), (8.79) să evină:, (8.163). (8.164) Expresia (8.164) evienţiază faptul că amplituinea oscilaţiei e curent in intervalul (τ, τ4) este mărită, putânu-se comuta curenţi mai mari. 8.1.7.3.3. Dimensionarea circuitului e stingere Dimensionarea circuitului e stingere (Ls C), se face ţinân seama e cerinţele impuse oscilaţiei e curent in intervalul (τ, τ4), respectiv: - o semiperioaă a oscilaţiei trebuie să asigure, polarizarea inversă a lui Tp, un timp mai mare ecât timpul e revenire (tq); - amplituinea oscilaţiei trebuie să fie mai mare ecât cel mai mare curent e sarcină (Imax), ce trebuie comutat (Fig. 8.). 169
8. Variatoare e tensiune continuă Fig. 8. Oscilaţii e curent ce asigură comutarea curentului I și polarizarea inversă a tiristorului principal Dar, (Fig. 8.), există o infinitate e perechi e valori Ls C, pentru care oscilaţiile îneplinesc cerinţele enunţate. n criteriu e alegere a pulsului optim, îl reprezintă minimizarea energiei transmise e la sursă, circuitului e stingere. Expresia acesteia este: (8.165) Se obţine: (8.166) Cu notaţiile in fig. 8., se poate exprima:, (8.167) în care,. (8.168) Explicitân ωs și înlocuin în (8.166) se obţine: (8.169) Minimul expresiei în raport cu δ se obţine in coniţia e anulare a erivatei, obţinânu-se: (8.17) Ecuaţia este transcenentă, rezolvarea iterativă conucân la soluţia, (8.171) rezultân, (8.17) 17
8. Variatoare e tensiune continuă ceea ce înseamnă că, pulsul sinusoial optim are amplituinea cu 53% mai mare ecât valoarea maximă a curentului ce trebuie comutat. Legătura între pulsaţia proprie şi timpul minim e polarizare, în sens invers se obţine înlocuin (8.171) în (8.167), rezultân. (8.173) Ținân seama e amplituinile oscilaţiilor e curent şi expresia pulsaţiei, se obţine, (8.174) pentru primul puls, respectiv,, (8.175) pentru al oilea şi următoarele. Explicitân Ls, se obţine, (8.176) respectiv,, (8.177) iar inuctivitatea Ls,, (8.178) pentru primul puls, respectiv,, (8.179) pentru al oilea şi următoarele. Dacâ circuitul e stingere se imensionează astefel, trebuie ţinut seama că, în funcţionare, în prima perioaa, apmlituinea oscilaţiei e curent este, (8.18) ceea ce arată că, circuitul trebuie să pornească în gol, cu sarcină progresivă. 8.1.7.4. Alte topologii e VTC- şi VTC-I Există și alte scheme e VTC cu tiristoare, câteva fiin prezente în fig. 8.1. 171
8. Variatoare e tensiune continuă D r L 1 D 1 T p L f T p L f C L s D s T s D S C D s L s T s D S D a) b) D r T p L f T p L f C C L s T s D S D S T s L s T 1 T 1 c) ) D r T p L f T p L f D D s T D s s D S L s L s T s L s D S C C e) f) Fig 8.1 Topologii e VTC cu tiristoare a), c), e) cu comutaţie I; b),),f) cu comutaţie 8.. Variatoare e tensiune continuă riicătoare 8.1.1. Schema e principiu, comana, funcţionarea În aplicaţii e tipul surselor stabilizate e tensiune e putere sau pentru realizarea frânării cu recuperare la acţionările cu motor e c.c., se pot utiliza variatoare e tensiune continuă riicătoare ( VTCR ). Schema e principiu (fig. 8.), utilizează un contactor static (CTS), comanat în funcţie e curent care se află în conucţie, un interval t1, pe urata unei perioae. Dioa D, e separare, are rolul e a izola circuitul e ieşire, pe intervalele e conucţie ale contactorului static. 17
8. Variatoare e tensiune continuă u L i L u D i D CTS C S Fig. 8. Schema e forţă e principiu a variatorului e tensiune continuă riicător Conensatorul e filtrare C, se presupune e valoare suficient e mare astfel încât, tensiunea la ieşire să poată fi consierată constantă şi egală cu valoare meie. (8.181) În analiza funcţionării se consieră CTS întrerupător ieal, se neglijează rezistenţele in circuit şi se aoptă originea timpului la începutul fiecărei secvenţe. Pe intervalele e timp cât CTS este în conucţie, cu teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul CTS-D-S, se obţine, (8.18) care arată că ioa este polarizată invers (blocată) şi separă sarcina e contactorul static. Teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul -L-CTS, conuce la. (8.183) Consierân originea timpului în momentul închierii contactorului static, integrân (8.183) se obţine. (8.184) Aşaar, curentul prin bobina L creşte liniar (fig. 8.3), valoare maximă ( Imax ) atingânu-se în momentul eschierii contactorului static. În acest moment, tensiunea electromotoare e autoinucţie in bobină, împreună cu tensiunea sursei e alimentare, polarizează irect ioa D furnizân energia circuitului e ieşire. Pe intervalele cât contactorul static este eschis, aplicân teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul -L-D-C, rezultă. (8.5) 173
8. Variatoare e tensiune continuă Comana CTS u L CTS= 1 CTS= t t - i L I max I i t t 1 T t Fig. 8.3 Formele e una ale VTC riicător Ţinân seama că >, rezultă 1 <, eci curentul scae liniar. (8.186) 8... Funcţionarea în regim e curent neîntrerupt Regimul e curent neîntrerupt este caracterizat e existenţa, în permanenţă, a unui curent prin bobina L (fig.8.3), respectiv, comana e intrare în conucţie a contactorului static se ă înainte e anularea curentului il. Particularizân expresia curentului il (8.184) pentru momentul t1 se obţine, (8.187) şi punân, în (8.186), coniţia e contiuitate pentru momentul t, rezultă. (8.188) Înlocuin (8.187) în (8.188) se obţine, (8.189) respectiv. (8.19) Împărţin (8.19) cu T, introucân factorul e comană şi ţinân seama că 174
8. Variatoare e tensiune continuă, (8.191) se obţine =(1- ), respectiv. (8.19) Relaţia (8.19) reprezintă ecuaţia caracteristicilor externe şi e comană ala VTC riicător, în regim e curent neîntrerupt. Caracteristicile externe, sunt liniare (fig. 8.4), obţinânu-se oar tensiuni mai mari ecât cea e alimentare. Caracteristica e comană, este puternic neliniară (fig. 8.5), avân asimptotă verticală reapta =1. Fig. 8.4 Caracteristicile externe ale VTC riicător în regim e curent neîntrerupt Fig. 8.5 Caracteristicile e comană ale VTC riicător în regim e curent neîntrerupt 8..3. Limita zonei e curent întrerupt Regimul e curent întrerupt se caracterizează prin existenţa unor intervale, în care curentul prin L este nul. Aceasta se atorează, la factor e comană constant, scăerii curentului e sarcină şi etermină creşterea pronunţată a tensiunii e ieşire. La limita apariţiei regimului e curent întrerupt (fig. 8.6), Ii =, respectiv, contactorului static i se ă o nouă comană e închiere, exact în momentul anulării curentului prin bobină. Avân în veere interpretarea grafică a integralei efinite, in consierente grafice, ţinân cont e (8.187) şi că Ii=, rezultă. (8.193) 175
8. Variatoare e tensiune continuă u L i L u L I max i L I L t t 1 T Fig. 8.6 Funcţionarea la limita apariţiei regimului e curent întrerupt Ţinân seama şi e (8.8), pentru Ii= se obţine. (8.194) Dacă se neglijează piererile puterile active la intrarea şi la ieşirea VTC sunt egale, respectiv, IL=I, respectiv (8.195) (8.196) Înlocuin IL in (8.13) şi in (8.14) în (8.15) se obţine. (8.197) Expresia obţinută, reprezintă ecuaţia curbei ce elimitează zona e curent întrerupt în planul (, I). Aceasta are un maxim (fig. 8.7) care se obţine ca soluţie a ecuaţiei. Rezultă = 1/3 care, înlocuit în (8.197), etermină valoare maximă a curentului meiu prin sarcină, pentru care apare regimul e curent întrerupt,. (8.198) Relaţia obţinută arată că, regimul e curent întrerupt apare la un curent I, cu atât mai mare, cu cât tensiunea necesară la ieşire este mai mare şi frecvenţa e comană mai mică. Pentru a exprima limita zonei e curent întrerupt în planul caracteristicilor externe, în relaţia (8.17) se înlocuieşte factorul e comană in (8.19) obţinânu-se,. (8.199) Aceasta prezintă un maxim pentru =3/ (=1/3) şi are alura in fig. 8.8. 176
8. Variatoare e tensiune continuă I IcrM Regim e curent neîntrerupt Regim e curent întrerupt cr Fig.8.7 Limita zonei e curent întrerupt în planul (,I ) Regim e curent întrerupt Regim e curent neîntrerupt 3/ IcrM Fig.8.8 Limita zonei e curent întrerupt în planul (,) I 8..4. Caracteristicile în regim e curent întrerupt Regimul e curent întrerupt apare în cazul în care, curentul prin bobină se anulează, înainte e a se a o nouă comană e închiere contactorului static. Consierân constante tensiunea e alimentare şi factorul e comană, acest regim apare, atunci cân tensiunea e ieşire creşte atorită scăerii curentului e sarcină. Dioa D nu va mai conuce t=(1- )T, ci un timp T ( fig. 8.9). 177
8. Variatoare e tensiune continuă u i L u I max I L T i L T - t T Fig. 8.9 Funcţionarea în regim e curent întrerupt În intervalul t (, T), e conucţie a contactorului static, in (8.188 ), rezultă. (8.) Pentru intervalul t ( T,( + )T), punân în (8.7) coniţia il( T)=, se obţine. (8.1) Înlocuin apoi, (8.) în (8.1), aceasta evine sau, (8.). (8.3) Ţinân seama e (8.186), in (8.3) rezultă. (8.4) Legătura intre valoarea meie a curentului prin bobina (IL) şi valoarea maximă (Imax), rezultă in consierente grafice,, respectiv, (8.5) care, înlocuită în (8.4 ), conuce la. (8.6) În practică, în majoritatea aplicaţiilor, se oreşte păstrarea constantă a tensiunii meii e ieşire la variaţii ale tensiunii e alimentare. Din acest motiv, se va exprima factorul e comană în funcţie e curentul meiu e sarcină, pentru iferite valori ale raportului /. Pentru aceasta, se explicitează factorul e comană in (8.6),, (8.7) şi prousul Lf in expresia (8.198), 178
8. Variatoare e tensiune continuă. (8.8) Prin înlocuire în (8.7), se obţine, (8.9) iar cu explicitat in ( 8.4 ),, (8.3) rezultă. (8.31) Dacă tensiunea meie la ieşirea VTCR trebuie menţinută constantă, reprezentarea grafică a epenenţei = f(i/icr max) la variaţii ale tensiunii e alimentare şi ale curentului e sarcină (carcteristici e reglaj). Caracteristicile externe,, se obţin egalân (8.5) cu expresia curentului IL, obţinută in (8.16),, (8.3) e une rezultă. (8.33) Expresia (8.33) reprezintă ecuaţia caracteristicilor externe şi e comană, în regim e curent întrerupt. Caracteristicile externe (8.33), sunt hiperbole şi, particularizate pentru Icr evin, ceea ce înseamnă că, la limita zonei e curent întrerupt, caracteristicile externe sunt continue (fig. 8.3). 8..5 Comana Comana în urată sau PWM, se obţine e la un generator e semnale reptunghiulare cu frecvenţă fixă, ar cu factor e umplere moificat inamic. Aceasta înseamnă că un astfel e semnal PWM constă în coarea informaţiei în lăţimea impulsului obţinut. Factorul e umplere (sau factorul e comană) al unui semnal PWM, se reglează fiin variabil în intervalul (,1). n moulator PWM are rolul e a comana un comutator (contactor static CTS) şi este o parte importantă şi complexă a unui regulator e tensiune şi/sau e curent folosit în comutaţie. 179
8. Variatoare e tensiune continuă Limita zonei e curent întrerupt 3/ 3 =/3 =1/3 Curent neîntrerupt I cr max I Fig. 8.3 Caracteristicile externe ale VTCR Principiul e realizare a unui astfel e moulator PWM constă în alcătuirea unei scheme electronice care să conţină un generator în inte e ferăstrău, un amplificator e eroare şi un comparator upă cum se poate observa în figura 8.31. Generator in inti e fierastrau Sawtooth Wave Generator Vf - semnal e reactie + - Amplificator e Eroare + Vref - Vr Va + - Comparator Vpwm Blocul comutator Tranzistorul e putere Fig. 8.31 Schema simplificată utilizată pentru generarea semnalului PWM Diagrama e semnale aferentă schemei (Fig. 8.31) este reprezentată în figurile 8.3 şi 8.33. În figura 8.33 se exemplifică moificarea factorului e umplere al semnalului PWM atunci cân sarcina este variabilă, astfel încât tensiunea e ieşire să rămână constantă. 18
8. Variatoare e tensiune continuă Vref Va T PWMout t T t 1 T Fig. 8.3 Moul e funcţionare a schemei logice in figura 8.31 Fig. 8.33 Moificarea semnalului PWM în funcţie e sarcină Pentru a genera semnalul PWM conform schemei in figura 8.1, schema electronică e comană foloseşte circuitele integrate e tipul CD446BE ca oscilator controlat în tensiune, HEF481BP, CD469BE, CD44BE, DAC-8BLCN, ouă amplificatoare operaţionale 741 şi un comparator e precizie tip LM339. Comparatorul prelucrează şi informaţia preluată e la regulatoarele e curent şi tensiune, asigurân la ieşire un impuls moulat corespunzător încărcării circuitului e sarcină, impuls transmis mai eparte prin intermeiul unui circuit integrat CD417, la ispozitivul e comană pe grilă (DCG). Circuitul CD417 mai are şi rolul e a bloca impulsul e comană atunci cân informaţia preluată e la regulatoare o impune (e exemplu, atunci cân s-a atins pragul prescris la supracurent sau la supratensiune). 181
8. Variatoare e tensiune continuă 8.3. Variator e tensiune continuă în patru carane Variatorul e tensiune continuă prezentat anterior asigură o singură polaritate a tensiunii pe sarcină şi un singur sens al curentului prin sarcină. Pentru aplicaţii e tipul acţionărilor electrice, ce necesită frånări şi reversări e sens, variatorul e tensiune continuă trebuie să fie capabil să asigure ambele polarităţi ale tensiunii pe sarcină şi ambele sensuri ale curentului, respectiv posibilitatea funcţionării în toate cele patru carane ale planului (, I ). n astfel e VTC (fig. 8.34), este constituit in patru contacte biirecţionale conectate în punte, sarcina fiin conectată între punctele meiane ale braţelor punţii. Contactele biirecţionale sunt realizate prin conectarea în antiparalel a unui contactor static, care e cele mai multe ori este un element semiconuctor complet comanat, şi a unei ioe. Există ouă posibilităţi e comană ale elementelor semiconuctoare. Alegerea uneia intre ele se face în funcţie e puterea sarcinii şi e caracteristicile inamice impuse variatorului. Astfel, la puteri meii şi mari, une piererile e comutaţie în elementele semiconuctoare sunt semnificative, se recomană aşa-numita comană unipolară a tensiunii. Pentru obţinerea polarităţii pozitive a tensiunii meii, se comană în permanenţă elementul T 1, reglarea tensiunii meii realizånu-se prin comana perioică a elementului iagonal (T 4 ). Tesiunea pe sarcină (fig. 8.35), evoluează între şi, valoarea meie reglånu-se prin moificarea factorului e comană al elementului T 4. Pe intervalele e conucţie ale elementului T 4 (T in cazul VTC), curentul e sarcină se închie prin circuitul - T 1 - S - L f - T 4. Pe intervalul cåt elementul este eschis, curentul e sarcină se închie prin circuitul T 1 - S - L f - D, eci, D are rolul ioei e nul in schema e principiu a unui VTC. Fig. 8.34 Schema e principiu a variatorului e tensiune continuă în patru carane 18
8. Variatoare e tensiune continuă Pentru funcţionare în caranul II al planului (, I ), se anulează comana elementelor T 1 şi T 4, iar T 3 este comanat un interval, avån rolul contactorului static in schema e principiu a VTCR (variatorul e tensiune continuă riicător). Curentul e sarcină se închie prin circuitul S - T 3 - D 4 - L f, bobina e filtrare L f avån rolul bobinei L in schema e principiu a VTCR. La eschierea elementului T 3, curentul e sarcină se va închie prin circuitul - D 4 - L f - S - D 1, rolul ioei e separare fiin luat e ioa D 1. Pentru obţinerea celeilalte polarităţi a tensiunii meii pe sarcină, rolurile elementelor semiconuctoare se inversează, respectiv: T - comanat în permanenţă; T 3 - comanat, un interval pentru reglarea tensiunii; D 1 - ioa e nul; D - ioa e separare, tensiunea reglånu-se în omeniul [-, ]. Fig. 8.35 Formele e ună ale variatorului e tensiune continuă în patru carane, cu comană unipolară Pentru aplicaţii ce necesită performanţe inamice bune, cu frånări şi reversări e sens rapie şi frecvente (acţionări ale roboţilor inustriali, mecanismele e poziţionare ale maşinilor unelte), se preferă o altă variantă e comană şi anume, elementele iagonale sunt comanate simultan, iar cele e pe acelaşi braţ, sunt comanate în opoziţie. Tensiunea pe sarcină se moifică în permanenţă între şi - (fig. 8.36). Prin moificarea factorului e comană în omeniul [,1], tensiunea meie pe sarcină se reglează 183
8. Variatoare e tensiune continuă în omeniul [-, ], tensiune meie nulă obţinånu-se pentru factor e comană = 1. Fig. 8.36Formele e ună ale variatorului e tensiune continuă în patru carane şi comană bipolară: a) la valori mari ale curentului e sarcină; b) la valori mici ale curentului e sarcină Duratele e conucţie ale elementelor epin e valoarea curentului meiu e sarcină. Metoa are avantajul moificării continue a tensiunii meii în omeniul [-, ], fără a se controla sensul curentului prin sarcină pentru a se etermina elementele ce trebuiesc comanate. Dezavantajul constă în faptul că tensiunea se moifică în permanenţă între şi -, ceea ce etermină solicitări ale sistemului e izolaţie al sarcinii, atorită pantelor mari e variaţie ale tensiunii. ðe asemenea, inuctivitatea pentru limitarea pulsaţiilor curentului, este e ouă ori mai mare ecåt în cazul comenzii unipolare. 184
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență INDIRECTE DE TENSINE ȘI FRECVENȚĂ 9.1 Principiul şi schema e principiu Marea majoritate a aplicaţiilor invertoarelor, o reprezintă convertoarele statice inirecte e tensiune şi frecvenţă (CSTF), ce transformă energia e c.a. cu parametri constanţi (1, f1), în energie e c.a. cu parametri reglabili (, f), trecânu-se prin starea intermeiară, e energie e c.c. Acest tip e CSTF este compus (fig. 9.1) intr-un reresor (R), un circuit intermeiar e c.c. (CI) şi un invertor (I). Fig. 9.1 Structura unui CSTF inirect În funcţie e caracterul circuitului intermeiar, convertoarele statice inirecte e tensiune şi frecvenţă sunt e ouă tipuri. 1. CSTF inirecte sursă e curent CSTF e curent, cân circuitul intermeiar are caracter e sursă e curent, caracter imprimat prin valoarea importantă a inuctivităţii L (zeci şi chiar sute e mh), iar C poate lipsi. Invertorul are o structură specifică şi se numeşte, şi el, invertor e curent. Elementele semiconuctoare in componenţa invertorului comută curentul in circuitul intermeiar şi îl istribuie pe fiecare fază a sarcinii. În consecinţă, curentul prin sarcină are formă reptunghiulară (sintetică) iar tensiunea se formează în funcţie e caracterul sarcinii.. CSTF inirecte sursă e tensiune, cân circuitul intermeiar are caracter e sursă e tensiune, caracter imprimat e valoarea importantă a capacităţii C (sute până la mii e µf), iar L poate lipsi. Şi ín acest caz, invertorul are o structură specifică şi se numeşte invertor e tensiune. Elementele semiconuctoare in componenţa invertorului comută 185
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență tensiunea constantă in circuitul intermeiar şi o istribuie pe fiecare fază a sarcinii. În consecinţă, tensiunea pe sarcină are formă reptunghiulară (sintetică) iar curentul se formează în funcţie e caracterul sarcinii. Moificarea frecvenţei la ieşirea CSTF se realizează prin comana invertorului, respectiv prin intermeiul semnalului u c. În ceea ce priveşte moificarea valorii efective ( ) a tensiunii e la ieşirea invertorului, există ouă moalităţi. După moalitatea e comană a valorii efective a tensiunii e la ieşirea invertorului există ouă tipuri e CSTF inirecte. 1. CSTF inirecte cu moulaţie ín amplituine, cân reglarea valorii efective, a tensiunii e ieşire, se face prin reglarea valorii meii a tensiunii in circuitul intermeiar. Rezultă că, reresorul este comanat. Referinu-ne la un CSTF sursă e tensiune, fiecare alternanţă a tensiunii e ieşire este formată intr-un singur puls, a cărui amplituine se poate moifica. Convertorul şi invertorul se numesc cu moulaţie în amplituine.. Cu moulaţie ín urată, cân fiecare alternanţă a tensiunii e ieşire este formată in unul sau mai multe pulsuri, ale căror lăţimi se pot moifica, şi e amplituine constantă, proporţională cu valoarea meie a tensiunii in circuitul intermeiar. Rezultă că reresorul este necomanat, iar comana e reglare a valorii efective a tensiunii se aplică tot invertorului. Convertorul şi invertorul se numesc cu moulaţie în urată (PWM). 9.. Invertoare monofazate cu moulaţie în amplituine 9..1. Principiul, schema e principiu Invertoarele sunt convertoare statice care transformă energia e c.c. în energie e c.a., prin comană putânu-se moifica parametrii energiei furnizate. Pentru a ilustra principiul e funcţionare al invertoarelor, se va consiera un invertor monofazat, reprezentat ca un cuaripol (fig. 9.). i C Invertor monofazat u Fig.9. Explicativă la principiul invertoarelor 186
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență Se presupune că, tensiunea e ieşire u este suficient e bine filtrată, astfel încât să nu conţină ecât funamentala, iar sarcina cu caracter R-L, ceea ce va etermina efazarea curentului i în urma tensiunii u. Formele e ună ale celor ouă mărimi (fig. 9.3), evienţiază regimurile e funcţionare ale invertorului. u i u i t 4 1 3 4 Fig. 9.3. Formele e ună filtrate ale mărimilor la ieşirea invertorului Invertorul se alimentează e la o sursă e c.c., care permite reglarea valorii meii a tensiunii şi, implicit, reglarea valorii efective a tensiunii u. Reglarea frecvenţei tensiunii u se obţine prin moificarea frecvenţei e comană a invertorului. Consierân numai funamentalele tensiunii şi curentului la ieşirea invertorului, în funcţie e semnele lor, într-o perioaă se isting patru zone e funcţionare. 1. Zonele 1 şi 3, une u şi i au acelaşi semn, iar puterea la ieşirea invertorului, p = u i >, ceea ce arată că, sensul e circulaţie a energiei este inspre circuitul e c.c. către sarcină, regimul e funcţionare fiin e invertor.. Zonele şi 4, în care u şi i au semne opuse, rezultân p = u i <, ceea ce înseamnă că, sensul e circulaţie a energiei este inspre sarcină spre circuitul e c.c., regimul e funcţionare fiin e reresor. Rezultă eci, că invertorul trebuie să poată funcţiona, într-o perioaă, în toate patru caranele planului (u, i ). Aceasta se poate obţine oar acă invertorul este realizat cu elemente biirecţionale, care să asigure ambele polarităţi ale tensiunii u, iniferent e sensul curentului i. Practic, această coniţie este asigurată prin conectarea în antiparalel, pe fiecare element semiconuctor, a câte unei ioe. Se va exemplifica principiul e funcţionare al invertoarelor pe baza unei scheme 187
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență simple, şi anume, invertorul monofazat cu punct meian. 9... Invertorul monofazat cu punct meian 9...1. Schema e principiu, forme e ună Acest invertor (fig. 9.4) este realizat cu ouă elemente biirecţionale, înseriate. În circuitul e c.c. se crează un punct meian (O), prin înserierea a ouă conensatoare ientice. Sarcina se conectează între punctul meian al circuitului e c.c. şi punctul meian al braţului e elemente, care sunt comanate în opoziţie. i i C+ i + A u C+ C + u T+ D + T + K + O Sarcina i u C- i C- C - u T - D - K - i - B Fig. 9.4 Schema e forţă a invertorului monofazat cu punct meian Se efinesc următoarele noţiuni: - element închis - este elementul la care tensiunea între terminalele e forţă este nulă; această stare a elementului, se obţine prin comana corespunzătoare pe terminalul e comană; - element în conucţie - este elementul închis, ce este parcurs e curent. Rezultă că nu orice element închis este în conucţie. Pe intervalele cât T+ este comanat, eci închis, tensiunea u se găseşte aplicân teorema a II-a a lui Kirchhoff pe ochiul T+ - S - C+, obţinânu-se u = /; ut+ = ; i+ = i ; ut- = ;i- =. Pe intervalele cât T- este comanat, teorema a II-a a lui Kirchhoff pe ochiul T- - S - C-, conuce la u = -/; ut+ = ; i+ = ;ut- = ;i+ = -i. Consierân că fiecare element este închis un interval e raiani într-o perioaă, tensiunea la ieşirea invertorului se va moifica între / şi -/, în funcţie e elementul comanat (fig. 9.5). Sarcina însă, fiin e c.a., se va comporta cu atât mai bine, cu cât curentul ce o parcurge este mai puţin istorsionat, respectiv are un conţinut e armonici mai reus. 188
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență Aceasta se poate obţine acă armonicile tensiunii au amplituini cât mai mici sau sunt e orin cât mai mare. Dacă se urmăreşte calea e închiere a curentului e sarcină, pe urata primei perioae (fig. 9.5), se ientifică necesitatea şi rolul ioelor conectate în antiparalel cu fiecare element comanat. Astfel: - pentru, eşi T1 este închis, el nu poate prelua curentul e sarcină care este negativ; în consecinţă acesta se va închie prin D1; - pentru, T1 este închis şi preia curentul e sarcină care este pozitiv; - pentru, eşi T este închis, el nu poate prelua curentul e sarcină care este pozitiv; în consecinţă acesta se va închie prin D; - pentru, T este închis şi preia curentul e sarcină care este negativ. u t i φ IM t ut+ t i+ IM t i- D + T+ D- T- IM t i I M t Fig. 9.5 Formele e ună ale invertorului monofazat cu punct meian Faptul că ioele conuc curentul e sarcină cân acesta are sens invers sensului e conucţie al elementului semiconuctor comanat care este închis, face ca aceste ioe să se 189
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență mai numească şi ioe e sens invers. 9... Mărimi caracteristice Mărimile caracteristice furnizează informaţii asupra calităţii energiei furnizate sarcinii şi intervin în calculele e proiectare. Se vor calcula principalele mărimi, in acest punct e veere. 1. Valoarea efectivă a funamentalei tensiunii pe sarcină. Dezvoltarea în serie Fourier a tensiunii u (fig. 9.5), avân în veere că tensiunea are formă e ună impară, conuce la T π 1 u sinωtωt sin ωtωt (9.1) T π π π Este evient că tensiunea pe sarcină se poate regla oar prin moificarea tensiunii in circuitul intermeiar, şi este proporţională cu aceasta.. Valoarea efectivă totală a tensiunii pe sarcină. 1 T T u t 1 u t (9.) 3. Tensiunea e c.c. se poate calcula în ouă mouri..a. Se pune coniţia ca valoarea eficace a funamentalei tensiunii e ieşire (9.1), să fie egală cu tensiunea nominală a sarcinii ( N ), e une se obţine π N, (9.3).b. Se pune coniţia ca valoarea eficace a tensiunii e ieşire ( ), (9.) să fie egală cu tensiunea nominală a sarcinii, e une se obţine,. (9.4) De remarcat că prima moalitate e calcul, respectiv (9.1) conuce la o valoare mai mare a tensiunii in circuitul intermeiar. 4. Valorile maxime ale tensiunii ce solicită elementele ( bt, bd ), sunt bt. bd Introucân tensiunea nominală a sarcinii (9.3) şi (9.4), se obţin valorile 19
bt bt bd bd. N N ; 9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență (9.5) 5. Curentul meiu prin elementele semiconuctoare comanate (I TAV ), se calculează consierân curentul e sarcină i sinusoial, e valoare eficace I N (curentul nominal al sarcinii), în fază cu tensiunea u (cazul cel mai efavorabil.p..v. al elementelor comanate) Fiecare intre elemente va conuce câte o semiperioaă a curentului i şi eci, T π 1 1 1 I TAV itt iωt I Nsinωtωt IN (9.6) T π π π φ 6. Curentul meiu prin ioe (I FAV ), se calculează în funcţie e efazajul maxim max ) intre tensiunea u şi curentul i, respectiv, φmax φ I max N 1 cos φ max I FAV iωt sinωt ωt IN (9.7) 1 π π π Principalul ezavantaj al invertoarelor cu punct meian îl constituie clasa e tensiune mare a elementelor semiconuctoare, e cca. ori tensiunea nominală a sarcinii (9.5). 7. Factorul total e istorsiune a tensiunii pe sarcină. În conformitate cu efiniţia, factorul total e istorsiune a tensiunii pe sarcină este,, (9.8) acă s-e aproximează cu 1. Distorsiunea totală e 5% este mare şi reprezintă un alt ezavantaj important al invertoarelor cu punct meian. 9..3. Invertorul monofazat în punte Invertorul cu punct meian poate furniza la ieşire, tensiune alternativă e valoare maximă /. La puteri mari, utilizarea unui astfel e invertor va etermina solicitări mari, în tensiune, ale elementelor semiconuctoare. O soluţie mai avantajoasă, in acest punct e veere, o reprezintă invertorul monofazat în punte (fig.9.6). Elementele semiconuctoare ale unei laturi vor fi comanate în opoziţie, pe urata a raiani într-o perioaă, rezultân că sunt închise, simultan, elementele în iagonală (T 1 şi T 4 ; T şi T 3 ). 191
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență i T1 D1 T D C A i Sarcină B T3 D3 u T4 D4 Tensiunea la bornele sarcinii este pentru T 1, T4 închise - pentru T, T închise (9.9) pentru alte cazuri u 3 u Fig. 9.6 Schema e forţă a invertorului monofazat în punte t - i φ IM t ut+ t i+ i- D 1 D 4 IM T1, T4 D D3 T,T3 IM t t i I M t Fig. 9.7 Formele e ună ale invertorului monofazat în punte Tensiunea la ieşirea invertorului va fi compusă intr-o succesiune e impulsuri reptunghiulare, e amplituine (fig. 9.7). Consierentele privin moificarea amplituinii 19
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență şi frecvenţei tensiunii e ieşire sunt aceleaşi ca la invertorul cu punct meian. La aceeaşi putere ebitată sarcinii, solicitarea în curent a elementelor semiconuctoare este jumătate faţă e cea a elementelor invertorului cu punct meian, eoarece amplituinea funamentalei tensiunii pe sarcină, T T 1 u sin tt sin tt 4, (9.1) este ublă (9.1). Pentru o sarcină cu aceeaşi tensiune nominală, va rezulta o tensiune e alimentare ( ), cu 5% mai mică ecât în cazul invertorului cu punct meian. Valorile maxime ale tensiunii ce solicită elementele ( bt, bd ) sunt egale şi, în consecinţă, utilizarea elementelor semiconuctoare este mai eficientă în cazul invertorului monofazat în punte. Valorile meii ale curenţilor prin elemente şi ioe au expresiile (9.8), (9.9). Secvenţele şi căile e închiere a curentului e sarcină sunt: - pentru, eşi T1 şi T3 sunt închise, ele nu pot prelua curentul e sarcină care este negativ; în consecinţă acesta se va închie prin D1 şi D3; - pentru, T1 şi T3 sunt închise şi preiau curentul e sarcină care este pozitiv; - pentru, eşi T şi T4 sunt închise, ele nu pot prelua curentul e sarcină care este pozitiv; în consecinţă acesta se va închie prin D şi D4; - pentru, T şi T4 sunt închise şi preiau curentul e sarcină care este negativ. Factorul total e istorsiune a tensiunii pe sarcină are valoarea 5%, aceiaşi ca şi la invertorul monofazat cu punct meian. 9.3. Invertoare trifazate e tensiune cu moulaţie în amplituine 9.3.1 Schema e principiu, comana, forme e ună Schema e principiu a unui invertor trifazat e tensiune (fig. 9.8), este realizată intr-o punte e elemente biirecţionale (T 1 - T 6, în antiparalel cu D 1 - D 6 ). Contactele T 1 - T 6 nu sunt solicitate la tensiune inversă şi, e aceea, pot fi realizate cu tranzistoare e putere. Pentru obţinerea unui sistem e tensiuni, trifazat simetric, momentele închierii 193
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență elementelor T 1 - T 6 sunt efazate cu raiani şi se istribuie succesiv elementelor e pe 3 părţile P şi N ale invertorului, e pe faze iferite. Sunt posibile ouă succesiuni e comană: 1. în orinea numerotării elementelor, rezultân la ieşirea invertorului un sistem trifazat e succesiune irectă; 3. în orinea inversă numerotării (T 1 -T 6 -T 5 -T 4 -T 3 -T ), care etermină obţinerea la ieşirea invertorului, a unui sistem trifazat e tensiuni, e succesiune inversă. i P T1 D1 T3 D3 T5 D5 C ua T4 D4 T6 D6 ua1 ub1 uc1 T D N A uab B ubc C ia ua ub Fig. 9.8 Schema e principiu a invertorului trifazat e tensiune uc Contactele pot rămâne închise fie, fie raiani. O utilizare mai eficientă a 3 elementelor se obţine acă fiecare element rămâne închis raiani într-o perioaă. În acest fel, elementele e pe o fază se găsesc permanent în stări inverse. Stările elementelor T 1 - T 6 vor etermina, în mo univoc, tensiunile e linie u AB, u BC şi u CA. Pentru obţinerea formelor e ună iealizate se parcurg secvenţele escrise în continuare. 1. Se reprezintă cele şase sisteme e axe coespunzătoare cu oronatele aliniate şi avân pe abscise pulsaţia corespunzătoare frecvenţei e comană a invertorului (a tensiunii e ieşire), respectiv: a) intervalelor e închiere a elementelor e pe partea P; b) intervalelor e închiere a elementelor e pe partea N; c) tensiunii e linie uab; 194
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență ) tensiunii e linie ubc; e) tensiunii e fază ua; f) curentului e fază ia.. Se reprezintă (marchează) intervalele e închiere a elementelor e pe partea P, alegân originea timpului la comana lui T1 şi ţinân seama că urata e închiere a fiecăruia este raiani şi că efazajele semnalelor e comană succesive pe aceiaşi parte este /3 raiani. 3. Se reprezintă (marchează) intervalele e închiere a elementelor e pe partea N, ţinân seama că urata e închiere a fiecăruia este raiani, că semnalul e comană al lui T este efazat cu /3 faţă e comana lui T1 şi că efazajele semnalelor e comană succesive pe aceiaşi parte este /3 raiani. 4. Se reprezintă tensiunile e linie uab şi ubc. Pentru obţinerea acestora, se va aplica teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul format e fazele respective şi elementele închise e pe acestefaze. Astfel, pentru obţinerea tensiunii e linie u AB, ţinân seama e comenzile elementelor (fig. 9.9 a, b), rezultă: - pentru intervalul t (, ), sunt închise, pe fazele A şi B, contactele T1 şi 3 T 6 şi, aplicân teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul T 1 - faza A - faza B - T 6 - C, se obţine, uab = ; - pentru intervalul t (, ), sunt închise, pe fazele A şi B, contactele T1 şi 3 T 3 şi aplicân teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul T 1 - faza A - faza B - T 3 se obţine, uab = ; 5 - pentru intervalul t ( ), sunt închise, pe fazele A şi B, contactele T4 şi 3 T 3, iar teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul T 4 - A - B - T 3 - C, conuce la uab = -. 195
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență Comană Comană P T 5 T 1 T 3 T 5 T 1 T 3 T 5 t a) N u AB T 6 T T 4 T 6 T T 4 t b) t c) - u BC t ) - u A /3 /3 t e) i A φ t f) T1 T4 T1 T4 D1 D4 D1 D4 Fig 9.9 Formele e ună aferente invertorului trifazat e tensiune cu moulaţie în amplituine : a,b) comenzile elementelor ; c,) tensiunile e linie u AB şi u BC ; e) tensiunea e fază u A; f) curentul e fază i A În general, tensiunea e linie este nulă pe intervalele cân sunt închise elementele e pe aceeaşi parte, e pe fazele respective, şi este pe intervalele cân sunt închise elemente ale fazelor respective, e pe părţi iferite (fig. 9.9 c, ). 5. Se reprezintă tensiunea fazei A ţinânu-se seama că tensiunile e fază sunt eterminate e cele e linie. Astfel, utilizân efiniţia tensiunii e linie: uab = ua - ub; (9.11) ubc = ub uc (9.1) uca = uc ua. (9.13) Explicitân u c in (9.13) şi înlocuin în (9.1), rezultă ubc = ua + ub, (9.14) apoi eliminân u B in (9.11) şi (9.14), se obţine 196 1 u AB u BC. (9.5) 3 ua =
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență Rezultă că tensiunea e fază u A, pe baza relaţiei (9.15), este formată in trepte e amplituini şi 3 3 (fig. 9.9 e). 6. Se reprezintă curentul fazei A ţinânu-se seama că tensiunea e fază este formată in trepte e tensiune constantă, ceea ce face ca, atorită caracterului RL al sarcinii, curentul e sarcină să fie format in segmente e exponenţială. Duratele segmentelor e exponenţială sunt egale (/3), iar iferenţa intre valorile extreme este proporţională cu treapta variaţie a tensiunii. Caracterul inuctiv al sarcinii etermină efazarea trecerilor prin zero ale curentului faţă e trecerile prin zero ale trensiunii, în urmă, cu unghiul. Pe baza formelor e ună ale tensiunii şi curentului e fază, se pot face următoarele observaţii: 1) - pentru calculul valorilor meii ale curenţilor prin elemente şi ioe, curentul e fază poate fi aproximat cu o variaţie sinusoială; ) - pe intervalul t (), elementul T 1 este închis, ar curentul e fază fiin invers sensului e conucţie al acestuia, se va închie prin ioa D 1 ; 3) - pe intervalul t (), elementul T 1 este închis, iar curentul e fază este pozitiv, eci se închie prin T 1. 4) - pe intervalul t (), rolul elementului T 1 este prelut e T 4, iar al lui D 1 e D 4 ; 5) - fiecare element conuce, într-o perioaă, () raiani, iar ioele un unghi raiani; pentru calculul valorilor meii ale curenţilor prin elemente, se consieră cazurile cele mai efavorabile, respectiv min = pentru elemente şi max pentru ioe, fiin valabile relaţiile e la invertoarele monofazate; 6) - acă sarcina este un motor asincron, ce poate funcţiona în regim e frână, efazajul maxim intre tensiune şi curent poate fi mai mare e. Acoperitor, se poate consiera max =. 3 9.3.. Mărimi caracteristice 1. Valoarea eficace a funamentalei tensiunii e linie 197
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență Se va consiera originea timpului astfel încât, tensiunea e linie să fie funcţie impară (să conţină numai armonici în sinus) (fig. 9.1). Fig. 9.1 Explicativă pentru calculul valorii eficace a funamentalei tensiunii e linie Valoarea eficace a funamentalei tensiunii e linie este π 1 6 1 u ABsinωtωt sinωtωt (9.16) π π π 5π 6 π/6. Valoarea eficace a tensiunii e linie, ef 1 π π π 3 1 u ωt ωt AB π (9.17) 3 3. Tensiunea in circuitul e c.c. ( ), se poate calcula egalân una in valorile (9.6) sau (9.7) cu tensiunea nominală a sarcinii ( N ), 1 = N, sau ef = N, obţinânu-se π N, 6 (9.18) respectiv 3 N. (9.19) 4. Valorile meii ale curenţilor prin elemente (I TAV ) şi ioe (I FAV ) se calculează în aceleaşi ipoteze avute în veere în cazul invertorului monofazat cu punct meian, fiin valabile relaţiile (9.16) şi (9.17). 5. Valoarea meie a curentului in circuitul e c.c. (I ). 198
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență Ţinân seama e faptul că circuitul e c.c. furnizează, în orice moment, suma alternanţelor pozitive ale celor trei curenţi e fază, consierân curenţii perfect sinusoiali şi efazajul nul, se obţine I 1 o i A t 3 o i t 9.3.3. Analiza armonică a tensiunii e linie C 3 3 i Bt I N. (9.) Valoarea efectivă a armonicii e orinul k (eoarece tensiunea conţine numai componente în sinus), este k 1 u ABsin kωt ωt sin kωt ωt π kπ π cos π k 6 π 5π cos k 6 5π 6 π/6 kπ sin k π sin k 3 π, (9.1) Se observă că se anulează termenii pari ( sinq ) şi multiplii e trei ( sin3q ). Rezultă că, tensiunea e linie, ca şi cea e fază, conţine numai armonicile 3 e orin 5, 7, 11, 13,..., respectiv pentru k = (6q), q N+. Amplituinea armonicilor este invers proporţională cu orinul lor (fig. 9.11). 1.8.6.4. 5 1 15 5 3 35 4 45 5 Fig. 9.11 Armonicile tensiunii e linie la invertorul trifazat e tensiune, cu moulaţie în amplituine Factorul total e istorsiune a tensiunii pe sarcină. Ţinân seama e relaţiile (9.16) şi (9.17), factorul total e istorsiune a tensiunii pe sarcină este,. (9.) 199
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență Se constată o reucere semnificativă a istorsiunii tensiunii pe sarcină, e la 5% în cazul invertoarelor monofazate, la 33%. 9.3.4. Structura blocului e comană În cazul în care invertorul este realizat cu elemente semiconuctoare complet comanate, e tip tranzistor, circuitul e comană trebuie să asigure semnale e comană pe toată urata cât contactele sunt închise. În plus, între comenzile elementelor e pe aceeaşi ramură, trebuie să existe un interval necesar blocării elementului ce a conus, numit timp e gară. Structura circuitului e comană (fig. 9.1), evienţiază blocurile componente. Fig. 9.1 Schema bloc a circuitului e comană a invertorului e tensiune cu moulaţie în amplituine GT - este generator e tact, ce oscilează comanat e tensiunea e comană u c şi furnizează la ieşire un semnal reptunghiular, a cărui frecvenţă este proporţională cu tensiunea e comană şi este e şase ori mai mare ecât frecvenţa ce se oreşte la ieşirea invertorului (fig. 9.13). Este, practic, un oscilator comanat în tensiune (OCT). DI - este istribuitor e impulsuri. Acesta istribuie câte o perioaă a semnalului u 1, succesiv şi ciclic pe fiecare in cele şase ieşiri. Se obţin astfel, şase semnale egale, isjuncte, fiecare avân urata e raiani. Este, practic, un ivizor e frecvenţă cu şase, ce 3 poate fi realizat, e exemplu, cu un numărător Johnson. BL - este bloc logic, care realizează însumarea logică a câte trei semnale u, succesive, u31 = u1 u u3, u3 = u u3 u4,............. u36 = u6 u1 u.
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență Fig. 9.13 Semnalele aferente circuitului e comană in fig. 9.1 Fig. 9.14 Structura blocului logic (BL) Se obţin astfel, şase semnale, fiecare cu urata e raiani şi efazate între ele cu 3 raiani. Acest bloc poate fi realizat cu şase porţi SA cu trei intrări (fig. 9.14); CI - reprezintă un circuit e întârziere, care realizează întârzierea fiecărui semnal u 3, cu timpul e gară. Este realizat, practic, cu şase circuite monostabile triggerate pe front pozitiv şi şase porţi ŞI cu ouă intrări (fig. 9.15). Durata impulsurilor furnizate e monostabile este timpul e gară (t g ); 1
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență Fig. 9.15 Structura şi formele e ună aferente unui canal al CI Necesitatea existenţei unui efazaj între momentul anulării semnalului e comană al unui element semiconuctor şi momentul aplicării semnalului e comană pe elementul aflat pe aceiaşi fază cu primul, este eterminată e faptul că elementele e pe aceiaşi fază nu trebuie să se afle, simultan închise, eoarece ar pune circuitul intermeiar în scurtcircuit. Astfel, e la momentul anulării semnalului e comană al elementului semiconuctor care se blochează şi până la momentul aplicării semnalului e comană pe elementul aflat pe aceiaşi fază, trebuie să treacă un timp cel puţin egal cu timpul e blocare a primului element. AF - constituie amplificatorul final, ce asigură nivelul energetic necesar comenzii elementelor şi separarea galvanică între circuitul e comană şi cel e forţă. Separarea galvanică se realizează, obligatoriu, cu optocuploare. 9.4. Invertoare trifazate e curent cu moulaţie în amplituine 9.4.1 Schema e principiu, comana, forme e ună n astfel e invertor, furnizează sarcinii un sistem trifazat e curenţi, a căror amplituine şi frecvenţă pot fi moificate prin comană. Fiin cu moulaţie în amplituine, rezultă că, amplituinea curenţilor se reglează prin moificarea curentului in circuitul intermeiar (I), respectiv, prin comana reresorului. Circuitul intermeiar trebuie să aibă caracter e sursă e curent, caracter imprimat e bobina L, e valoare importantă (sute e mh), nefiin necesară prezenţa unui conensator. Schema e principiu (fig. 9.16), reprezintă o punte trifazată e elemente, ce pot fi realizate practic cu una in variantele prezentate în figură.
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență L I P T 1 T 3 T 5 T 4 T 6 T i A N i B i C A B C Fig 9.16. Schema e principiu a invertorului trifazat e curent Momentele intrării în conucţie a elementelor semiconuctoare sunt efazate cu 3 raiani, iar pentru a exista în permanenţă curent pe cel puţin ouă faze ale sarcinii, comenzile se istribuie alternativ pe părţile P şi N ale invertorului. Ca şi la invertorul e tensiune, există ouă succesiuni posibile e comană a elementelor: prima coincie cu orinea numerotării elementelor şi etermină succesiunea irectă pentru sistemul trifazat e curenţi e la ieşirea invertorului, iar cea e-a oua este T 1 -T 6 -T 5 -T 4 -T 3 -T şi etermină obţinerea sistemului e succesiune inversă. Pentru a se evita conucţia simultană a elementelor e pe aceeaşi fază, care ar provoca scurtcircuitarea circuitului intermeiar, fiecare element este comanat astfel încât să conucă un interval e raiani într-o perioaă (fig.9.17). 3 Presupunân că inuctivitatea L are o valoare suficient e mare, astfel încât pulsaţiile curentului reresat să fie neglijabile, respectiv valoarea instantanee a curentului in circuitul intermeiar (i ), să poată fi aproximată cu valoarea meie (I ), forma e ună a curentului e sarcină va fi reptunghiulară, e amplituine I şi e urate raiani (fig. 9.17). 3 Pentru obţinerea formelor e ună iealizate se parcurg secvenţele escrise în continuare. 3
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență 7. Se reprezintă cele cinci sisteme e axe coespunzătoare, cu oronatele aliniate şi avân pe abscise pulsaţia corespunzătoare frecvenţei e comană a invertorului (a curentului e ieşire), respectiv: g) intervalelor e închiere (conucţie) a elementelor e pe partea P; h) intervalelor e închiere (conucţie) a elementelor e pe partea N; i) curentul ia; j) curentul ib; k) curentul ic. 8. Se reprezintă (marchează) intervalele e închiere a elementelor e pe partea P, alegân originea timpului la comana lui T1 şi ţinân seama că urata e închiere a fiecăruia este /3 raiani şi că efazajele semnalelor e comană succesive pe aceiaşi parte este /3 raiani. 9. Se reprezintă (marchează) intervalele e închiere a elementelor e pe partea N, ţinân seama că urata e închiere a fiecăruia este /3 raiani, că semnalul e comană al lui T este efazat cu /3 faţă e comana lui T1 şi că efazajele semnalelor e comană succesive pe aceiaşi parte este /3 raiani. 1. Se reprezintă curentul ia, pe baza relaţiei, (9.3) Astfel, pe faza A, există următoarele intervale e funcţionare: t,, pentru care T 3 1 este în conucţie, eci i A = I ; t,, pentru care T 3 1 şi T 4 sunt blocate, eci i A = ; 5 t,, pentru care T 3 4 este în conucţie, eci i A = -I. 11. Se reprezintă curentul ib, pe baza relaţiei, (9.4) 4
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență 1. Se reprezintă curentul ic, pe baza relaţiei, (9.5) Comană P T 1 T 3 T 5 T 1 T 3 T 5 4 8 1 Comană 3 3 3 3 N T 6 T T 4 T 6 T T 4 T 6 i A I -I i B I 3 5 3 T 1 T 1 7 3 9 3 T 4 T 4 T 3 T 3 -I T 6 T 6 i C I -I T T 6 T 5 T 5 T 11 3 t t t t t a) b) c) ) e) Fig 9.17. Formele e ună aferente invertorului trifazat e curent cu moulaţie în amplituine: a,b) comenzile elementelor; c) curentul e fază, i A Pe baza formelor e ună ale tensiunii şi curentului e fază, se pot face următoarele observaţii: 1. Intrarea în conucţie a unui element coincie cu blocarea altui element, e pe aceiaşi parte ceea ce reuce posibilitatea scurtcircuitării circuitului intermeiar;. Dacă se neglijează timpii e comutaţie, la orice moment e timp sunt în conucţie ouă elemente semiconuctoare, situate pe faze iferite şi părţi iferite; 3. Curenţii e fază coinci cu cei e linie eoarece sarcina este conectată în stea; 4. Curenţii sunt reptunghiulari şi simetrici, iar fiecare alternanţă are urata e /3 raiani; 5
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență 5. Forma e ună a curenţilor e linie este ientică cu forma e ună a tensiunii e linie e la invertorul e tensiune. 9.4.. Mărimi caracteristice Pe baza formei e ună a curentului e fază (fig. 9.17), se pot calcula mărimile caracteristice, necesare imensionării invertorului. 1. Valoarea meie a curentului prin element, I TAV π 3 π 1 1 I itωt Iωt. (9.6) π π 3. Valoarea eficace a curentului prin element, π 3 1 I I TRMS I ωt π. (9.7) 3 3. Valoarea eficace a curentului printr-o fază a sarcinii, π 3 1 I ef I ωt I π. (9.8) 3 4. Valoarea eficace a armonicii funamentale a curentului prin sarcină (I 1 ) Se alege originea timpului astfel încât, curentul e fază să fie o funcţie impară, respectiv, ezvoltarea în serie Fourier să conţină oar termeni în sinus. Rezultă 5π 6 π 1 6 I 1 iasin ωt ωt I sin ωt ωt I, (9.9) π π π/6 π 5. Valoarea nominală a curentului in circuitul intermeiar (I N ) Se poate calcula în ouă mouri: 1. Se pune coniţia ca valoarea eficace nominală a curentului prin sarcină (I efn ), să fie valoarea nominală a curentul sarcinii (I N ). Această coniţie are în veere să existe, aproximativ, aceleaşi solicitări termice ale sarcinii, ca şi în cazul alimentării în regim sinusoial. Se obţine: 3 IN I N ; (9.3). Se pune coniţia ca valoarea eficace nominală a funamentalei curentului prin sarcină (I 1N ) să fie valoarea nominală a curentului sarcinii. Această coniţie presupune 6
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență obţinerea, aproximativ, a aceloraşi performanţe electromecanice ale sarcinii, ca şi în cazul alimentării în regim sinusoial şi conuce la π IN I N. (9.31) 6 Obs. Valoarea curentului obţinută in (9.31) este mai mare ecât cea calculată cu (9.3), eci solicitările termice în acest caz vor fi mai mari. Din acest motiv, calculul valorii nominale a curentului in circuitul intermeiar, folosin relaţia (9.31), se recomană oar în cazul sarcinilor special proiectate pentru a lucra în regim nesinusoial. Referitor la conţinutul e armonici şi la valoarea factorului total e istorsiune armonică, acestea sunt ientice ca cele corespunzătoare tensiunii e linie e la invertorul e tensiune. Desigur, cauza o constituie formele e ună ientice. 9.4.3. Structura blocului e comană În cazul în care invertorul e curent este realizat cu elemente semiconuctoare complet comanate, e tip tranzistor, blocul e comană trebuie să asigure semnalele e comană evienţiate în fig. 9.18 a şi b. Fig. 9.18 Schema bloc a circuitului e comană a invertorului e curent cu moulaţie în amplituine Structura circuitului e comană (fig. 9.19) este similară celei pentru comana invertorului e tensiune cu moulaţie în amplituine, iferenţe apărân în configuraţia blocului logic (BL), une, circuitul e întârziere (CI) nu mai este necesar. Blocurile GT, DI şi AF au aceleaşi funcţii şi configuraţii. 7
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență Fig. 9.19 Structura blocului logic (BL), în cazul invertorului e curent cu moulaţie în amplituine Blocul logic BL (fig. 9.19), realizează însumarea logică a oar ouă semnale u succesive, fiin realizat cu şase porţi SA cu ouă intrări. Formele e ună (fig. 9.) ale semnalelor aferente circuitului e comană in fig. 9.18 evienţiază comana fiecărui element pe urata a raiani într-o perioaă, orinea e 3 comană fiin cea corespunzătoare succesiunii irecte a sistemului trifazat e curenţi la ieşirea invertorului. Fig. 9. Semnalele aferente circuitului e comană in fig. 9.18 8
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență 9.5. Convertoare statice e tensiune şi frecvenţă cu moulaţie în urată 9.5.1 Introucere Progresele tehnologice în omeniul elementelor semiconuctoare cu timpi e comutaţie reuşi, au permis ezvoltarea tehnicilor e moulaţie în lăţime a impulsurilor, a căror aplicabilitate este, în particular, interesantă pentru invertoarelor trifazate e tensiune estinate alimentării maşinilor e c.a., permiţân un control al tensiunii e ieşire atât în amplituine cât şi în frecvenţă. Se precizează că, schemele e forţă ale invertoarelor cu comană PWM, sunt similare celor ale invertoarelor cu moulaţie în amplituine. Particularităţi apar în structura circuitelor e stingere ale invertoarelor cu tiristoare. Strategiile e comană PWM pot fi analizate comparativ, acă se consieră rept principale criterii e performanţă maximul funamentalei tensiunii e ieşire a invertorului şi factorul total e istorsiune armonică. Pentru comana PWM a invertoarelor, strategiile e comană existente pot fi împărţite în următoarele categorii: 1. Moularea prin semnale e comană variabile;. Moularea prin momente e comutaţie prestabilite, în funcţie e criterii ca: eliminarea anumitor armonici in tensiunea e ieşire, minimizarea pulsaţiei curentului sau a cuplulului electromagnetic al maşinii; este o metoă care se pretează bine unei realizări igitale, cu microprocesor; 3. Moularea prin comană irectă, care face apel la regulatoare cu acţiune cu ouă poziţii, care formează un sistem e reglare trifazat; acestea in urmă reglează în mo obişnuit curenţii trifazaţi, prin prescrierea unor curenţi cu variaţii sinusoiale în funcţie e timp. Comana PWM clasică (prin semnale e comană variabile, numită şi moulaţie suboscilantă) are la bază eterminarea momentelor e comutaţie a elementelor semiconuctoare prin compararea unor semnale purtătoare (e referinţă), e regulă triunghiulare, e frecvenţă f r şi amplituine rmax, cu semnale moulatoare (e comană), e regulă sinusoiale, e frecvenţă f c şi amplituine cmax şi este caracterizată prin următorii factori: - factorul e moulare în frecvenţă (inicele e moulare), 9
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență m f = f f r c, (9.3) care etermină conţinutul e armonici al tensiunii e ieşire; pentru valori mari ale acestuia, este posibil să se reucă un anumit număr e armonici superioare; - factorul e moulare în amplituine (graul e moulare), m a = c max r max - graul e moulare normalizat,, sau (9.33) în care: PWM; m an = 1, (9.34) 1a - 1 este amplituinea funamentalei tensiunii e fază în cazul comenzii - 1a este amplituinea funamentalei tensiunii e fază în cazul moulaţiei în amplituine. Graul e moulare normalizat etermină amplituinea funamentalei tensiunii e ieşire şi poate varia între zero şi o valoare maximă, caracteristică metoei e moulare. Acest coeficient caracterizează şi graul e utilizare a tensiunii in circuitul intermeiar e curent continuu. În funcţie e valoarea lui m f, se isting ouă cazuri. 1. m f este întreg (f r multiplu e f c ), moulaţia numinu-se sincronă. În acest caz, acă m f este impar, cele ouă alternanţe ale tensiunii e ieşire sunt simetrice, iar ezvoltarea în serie Fourier a acestuia nu conţine ecât armonici e orin impar. De aceea, în cazul invertorului monofazat, se utilizează valori impare ale lui m f. La acest tip e moulaţie, prin corelarea semnalului e referinţă faţă e cel e comană, forma e ună a tensiunii e ieşire poate prezenta simetrii. Astfel, acă u r are un maxim sau un minim în mijlocul alternanţelor lui u c, alternanţele tensiunii e ieşire sunt simetrice în raport cu mijlocul lor, iar corelarea este optimală. Obţinerea corelării optimale este influenţată e valorile lui m f (pare sau impare) şi e semnul semnalului e referinţă pe intervalul m f e la trecerea prin zero a semnalului e comană (fig. 9.1). Astfel, pe acest interval, u r poate avea: 1.a. acelaşi semn (fig. 9.1 a şi b); 1
9. Convertoare statice inirecte e tensiune și frecvență 1.b. semn contrar cu u c (fig. 9.1 c şi ).. m f este un număr raţional, moulaţia numinu-se asincronă. În acest caz, forma e ună a tensiunii e ieşire nu mai este simetrică. Fig. 9.1 Explicativă la corelarea optimală În continuare, se va consiera moulaţia sincronă, semnalul e referinţă corespunzător cazului 1.a. şi corelarea optimală. 9.. Moulaţia sinusoială Principiul moulaţiei sinusoiale pure, caracterizate printr-un semnal e referinţă triunghiular şi un semnal e comană sinusoial, constă în comana elementelor T+ şi T-, e pe aceeaşi fază, pe intervalele în care u c > u r, respectiv în care u c < u r (fig. 9. a, b,c). Se constată că tensiunea e ieşire a invertorului (fig. 9. ) nu este sinusoială. Pentru a ilustra posibilitatea moificării, prin comana invertorului, a frecvenţei şi amplituinii tensiunii pe sarcină, se va consiera o valoare suficient e mare a factorului e moulare în frecvenţă, astfel încât, într-o perioaă a tensiunii e referinţă, tensiunea e comană să poată fi consierată constantă (fig. 9.3). Se va calcula valoarea meie, într-o perioaă a tensiunii e referinţă, a tensiunii pe sarcină (). Rezultă T 1 r 1 u t t1 t t1 Tr Tr (9.35) t t1. (9.36) Tr Din asemănarea triunghiurilor ABC şi A'BC', se obţine rmax rmax u in care se euce c Tr 4 t, (9.37) 1 11