Aeronautica

Comunicatii

Electronica electricitate

Merceologie

Tehnica mecanica

CONVERTOARE c.a. - c.a.

Electronica electricitate

+ Font mai mare | - Font mai mic

 

a - schcmn cu CS c tirisloarc: b - diagrame l>e,,lm conum.la r.i contro cjr. ,ar,n

Valoarea efectiva a tensiunii in sarcina este:

U_2ef (2)

Unde U_m este amplitudinea tensiunii sursei de alimentare.

Valoarea efectiva a tensiunii U_2ef se poate calcula :

U_2ef = (2)

Puterea furnizata sarcinii este :

, (3)

fiind dependenta de unghiul de comanda

Valoarea maxima a puterii se obtine atunci cand contactorul static cu tiristoare este comandat la , adica in situatia conectarii directe a sarcinii la sursa

P_M=P(0)= (4)

Factorul de reglaj al puterii normate in sarcnia R_p )fig. 4,c= este:

(5)

Dupa cum se poate observa din relatia (5), modificand valoarea lui a, puterea furnizata sarcinii se poate controla in mod progresiv, ceea ce constituie un mod simplu si eficient de reglaj. Curentul sarcinii (ca si cel furnizat de sursa) este distorsionat (diferit de sinusoida), ceea ce influenteaza negativ asupra parametrilor energetici ai sistemului.

Puterea aparenta furnizata de sursa de alimentare este:

S=U_1efI_ef,

(curent furnizat de sursa fiind acelasi cu cel din

sarcina).Inlocuind in expresia puterii aparente (6), relatiile obtinute anterior se obtine:

Aceasta relatie arata ca variatorulul, chiar pentru sarcina rezistiva, consuma o putere P(α), in sarcina diferita de cea furnizata de sursa de alimentare. Diferentele de putere se constituie din puterea reactiva (Q) si cea deformata (D) Intre aceste puteri exista in general relatia:

Regimul de putere se poate caracteriza prin factorul de putere al sistemului λ

λ=. (9)

Factorul de putere λ depinde de unghiul de comanda α(fig. 4,a)

Variator cu comanda intermitenta. Daca variatorul din figura 4, a i se aplica o secventa de comanda ca cea din figura 4, d, adica contactorul primeste comanda la trecerea prin zero a fiecarei semialternante, in intervalul T_C iar aceasta comanda inceteaza in intervalul (T_e-T_c), atunci puterea

furnizata sarcinii este:

(10)

unde :

P₁ este puterea medie absorbita de sarcina pe durata unei perioade T

a tensiunii sursei de alimentare;

m - numarul de perioade (T) in intervalul de conductie;

n - numarul de perioade (T) in intervalul de esantionare.

Din relatia (10) se poate observa ca P in sarcina se poate regla liniar prin modificarea raportului de conductie:

R_p=,

adica raportul dintre intervalul in care sarcina este conectata la sursa (T_c)

si intervalul de esantionare T_e.

in acest caz, reglajul de putere se poate face astfel:

a) mentinand constanta perioada de esantionare T_e si modificand pe

T_e (modulatie in durala);

b) modificandT_e si mentinand T_c constant (cu T_t< T_e) modulatie in

frecventa).

De remarcat ca daca n si m sunt pare, atunci valoarea medie a curentului (componenta continua) este zero, variatorul consumand numai putere de c.a.

La functionarea variatorului cu comanda intermitenta, la sarcina rezistiva la comanda contactorului static la , din cauza frontului abrupt de

comutatie, la inchiderea circuitului, apar armonice de curent, diferite ca frecventa de frecventa retelei. Aceste armonice provoaca perturbatii pe linia de alimentare. Pentru suprimarea acestor armonici se prevad filtre (circuite care atenueaza sau suprima armonicele respective), sau se folosesc circuite de comanda care asigura trecerea in conductie a dispozitivelor de comutatie ale conlactorului static, la momentele de trecere prin zero a tensiunii de alimentare. Acest mod de comanda a variatoarelor de ca. este denumit sincron,sau comanda cu comutatie ta tensiune zero.

Variatoarele de curent alternativ cu comanda intermitenta sunt utilizate in acele situatii cand receptoarele (sarcina) alimentate prezinta inertie suficient de mare, pentru a permite reglarea puterii prin comutarea lenta a circuitului (de exemplu, in cazul reglarii puterii furnizate cuptoarelor electrice).

1.2 Variatoare c.a.-c.a. trifazate

in cazul unor sarcini de putere mare - alimentate de la reteaua de tensiune trifazata - sunt necesare variatoare c.a.-c.a. trifazate. Aceste variatoare sunt de asemenea realizate cu contactoare statice de curent alternativ (v. fig. 3)

Structurile tipice din figura 5 difera atat prin modul de conectare a sarcinii, cat si al contactoarelor statice. Toate conexiunile ilustrate pot fi folosite atat la reglarea cu control de faza, cat si la reglarea intermitenta.

Comenzile aplicate celor trei contactoare statice sunt decalate intre ele cu 2/3, corespunzator decalajului tensiunii de alimentare:

iar comenzile in cadrul aceluiasi contactor static (de exemplu pentru tiristoarele T₁₁ si T₁₂) sunt decalate cu asigurandu-se astfel functionarea corecta a variatorului(vezi tabelul 1).

Conexiunea din figura 5,a este realizata in esenta prin sinteza a trei variatoare monofazate, circulatia de curent fiind insa decalata pe fiecare

faza cu 2/3.

Conexiunea din figura 5,b are sarcina conectata in stea, iar cea din

figura 5,c in triunghi.

Conexiunile din figura 5,d au sarcina conectata la retea, contactoarele

statice fiind distribuite in triunghi.

Fig. 5 Variatoare c.a.-c.a. trifazate a-conexiune cu punct de nul si sarcina in stea; b-conexiune fara punct de nul si sarcina in stea; c-conexiune cu sarcina in triunghi; d-conexiune cu CS in triunghi; e-conexiune cu tiristoare in triunghi

Tabelul 1 Secventele de comanda a variatorului c.a.-c.a. trifazat

In schema din figura 5, e se poate observa ca numarul de dispozitive de comutatie (tiristoare) care compun variatorul este jumatate fata de celelalte scheme, fapt ce constituie un avantaj.

Fiecare variator este realizat cu contactoare statice de curent alternativ, permitand circulatia curentului prin sarcina in ambele sensuri, fiind comandate conform programului din tabelul 1, in care este unghiul de comanda, tiristorului de referinta T₁₁ (T₁).

In cazul variatorului trifazat realizat cu tiristoarele T₁₁ : T₃₂ (de exemplu

schema din figura 5,a ), comenzile pentru cele patru dispozitive suni generate la unghiuri de comanda α, avand ca origine trecerea prin 0 spre valori pozitive a tensiunilor respective u₁ ,u₂, u₃ pentru T_i2, (i 1,2, 3). Astfel rezulta decalaje de comanda de 120 (2/3) pentru tiristoarele cu acelasi sens de conductie(de exemplu T₁₁ si T₂₁) si de 180() pentru tiristoarele conectate in antiparalel ale aceluiasi contactor static (de exemplu T₁₁ si T₁₂ )

In cazul variatorului realizat cu 3 tiristoare(fig. 5,e) evident sunt generate numai comenzi pentru T₁, T₂, T₃ si care sunt decalate cu ().

De remarcat ca durata comezii este cu 1 mai mare de 60^o, aceasta asigurand functionarea schemei, adica se creeaza posibilitatea ca cel putin doua tiristoare cu sensuri diferite de conductie sa fie comandate simultan si deci sa se asigure inchiderea circuitului de curent.

Functionarea variatorului c.a.-c.a. trifazat (fig. 5,a). Pentru a exemplifica regimul de functionare se considera sarcina simetrica si rezistiva (z₁=z₂=z₂=R). Cele sase tiristoare primesc comezile conform programului din tabelul 1. In diagramele de tensiune din figura 6, tiristoarele sunt comandate la , fiecare tiristor conducand pana la anularea tensiunii de faza pe care este conectat. In sarcina se obtin tensiunile u_z1, u_z2, u_z3 esantionate si decalate cu ; in interiorul suprafetelor hasurate din figura sunt notate tiristoarele aflate in conductie.

2. CONVERTOARELE DE FRECVENTA INDIRECTE

In cazul unor sarcini de putere mare si medie se utilizeaza convertoare c.a.-c.a. indirecte. In schema bloc generata a unui asemenea convertor (fig. 7), primul bloc este in principal un redresor, iar al doliea un invertor.

In functie de tipul filtrului - facand parte din circuitul intermediar de c.c. - sursa de alimentare a invertorului poate fi de tensiune (fig. 7, a) cu filtru capacitiv (C, sau de curent (fig. 7,b) cu filtru inductiv (L).

Structurile optime ale redresorului si invertorului sunt determinate atat de tipul filtrului cat si de natura sarcinii. Daca, de exemplu, sarcina este un motor de curent alternativ - cu posibilitatea de reversare a sensului de rotatie ( pozitiv sau negativ) cat si a sensului de transmitere a energiei

Fig. 7 Convertoare de frecventa indirecte: a-cu filtru intermediar capacitiv,Uf = const.; b - cu filtru intermediar inductiv, If = const.

(reprezentate de cuplul M)pozitiv sau negativ) - un convertor c.a.-c.a. ideal trebuie sa asigure functionarea in toate cele patru cadrane (fig. 8)

O asemenea functionare este posibila daca:

a) invertorul alimentat in tensiune (u_f = const.) permite prin intermediul unor diode de curenti inversi sa retrocedeze energie sursei de c.c., aceasta energie putand sa fie in continuare retrocedata sursei de c.a. printr-un invertor conectat in antiparalel cu redresorul (sau prin functionarea aceluiasi redresor comandat, in regim de invertor (fig. 7, a);

b) invertorul este cu alimentare in curent, (I_f = const.), iar redresorul are posibilitatea de functionare in regim de invertor, schimbarea sensului de transfer al energiei catre sursa de c.a. facandu-se la schimbarea polaritatii tensiunii aplicate filtrului, nu si curentului prin acesta (fig. 7, b).

Convertorul din figura 7, b este mai avantajos deoarece necesita mai putine componente (lipsesc: invertorul conectat in antiparalel pe redresor si diodele pentru curenti inversi prin invertorul de iesire). Ambele variante pot asigura atat regimul reversibil de motor/generator, cat si franarea cu recuperare de energie. Daca sarcina nu este o masina electrica reversibila, structura convertorului c.a.-c.a. indirect este mai simpla intrucat el nu trebuie sa asigure transferul bidirectional de energie (retea - sarcina - retea).Reglarea tensiunii sarcinii U₂ se realizeaza prin intermediul redresorului sau al invertorului, iar reglarea frecventei f₂ prin intermediul invertorului de iesire, putandu-se mentine, in anumite limite, raportul

U₂/f₂= const., necesar pentru optimizarea regimului de functionare al masinii electrice.

3. CONVERTOARE DE FRECVENTA DIRECTE

(CICLOMOTOARE)

Acest tip de convertor c.a.-c.a. functioneaza in principiu prin conectarea/deconectarea ciclica a fazelor sarcinii direct la fazele retelei (sursei) de alimentare de c.a., prin intermediul unei retele de contactoare statice de c.a., caracterizate prin:

- randament de conversie ridicat (avantaj important, mai ales in cazul unor sarcini de putere mare);

posibilitatea reglarii directe a frecventei f₂, si tensiunii U₂ de iesire (in general simultan);

realizarea contactoarelor statice aproape in exclusivitate pe baza tiristoarelor conventionale sau bioperationale(GTO) , iar in ultimul timp cu dispozitive de tip MOS; complexitatea circuitelor de comanda a amorsarii/dezamorsarii este direct proportionala cu numarul de dispozitive actionate.

La baza functionarii cicloconvertorului se afla convertorul cu functionare in patru cadrane U(I) (fig. 9), capabil sa realizeze atat ambele polaritati ale tensiunii de iesire u₂, cat si ambele sensuri ale curentului i₂, in circuitul de sarcina. Un asemenea convertor se poate realiza prin conectarea in paralel a doua convertoare complet comandate cu tiristoare, fiecare avand posibilitatea de functionare in doua cadrane U(I), atat in regim de redresor cat si invertor.

Prin comanda progresiva a fazelor impulsurilor de amorsare si ale tiristoarelor (in raport cu tensiunea de intrare u₁) se poate obtine la bornele sarcinii o tensiune medie redresata u_d, continuu reglabila, de ambele polaritati [deci o tensiune alternativa u₂(t)].

Este cunoscut faptul ca valoarea medie a tensiunii redresate la iesirea unui redresor comandat este (rel. 8):

Daca α=90, U_d=0 si corespunzator tensiunea de iesire a cicloconver-torului este zero, acesta fiind punctul static de functionare Daca are o variatie sinusoidala in jurul punctului static de functionare, atunci si la iesirea convertorului se obtine o tensiune cu o importanta componenta sinusoidala. Cele doua convertoare C+ si C- trebuie comandate astfel incat ceea ce conduce la conditia:

,

adica atunci cand unul functioneaza in regim de redresor, celalalt functioneaza in regim de invertor (fig. 4.9, b).

Generatoarele echivalente u₂⁺ si u₂^- produc tensiuni alternative avand aceeasi amplitudine, frecventa si faza, iar tensiunea de iesire u₂ este alternativ egala cu aceea furnizata de generatoarele echivalente u₂=u₂⁺, u₂^-.

. Convertoarele cu functionare in patru cadrane (cicloconvertoare) pot fi de doua tipuri, in functie de modul de functionare al convertoarelor C⁺ sau C^- :

convertoare fara curenti de circulatie, la care unul din cadranele de functionare este realizat de un singur convertor C⁺ sau C^- (fig. 9,a)

convertoare de curenti de circulatie la care functioneaza simultan cele doua convertoare C⁺ si C^-, existand componenta de curent(de circulatie) care se inchide prin cele doua convertoare.

In continuare ne vom limita la convertoarele fara curenti de circulatie ale caror diagrame explicative ale regimurilor de functionare, dependente de caracterul sarcinii, sunt redate in figura 9, c, d. La acest tip de cicloconvertor circuitele de comanda trebuie sa asigure blocarea si respectiv deblocarea fiecarui convertor cu functionare in doua cadrane (C⁺ sau C^-), in functie de sensul curentului prin sarcina, astfel incat cele doua convertoare sa functioneze pe rand. In plus, pentru evitarea discontinuitatii pronuntate de curent i₂, la trecerea conductiei de pe un convertor pe altul este necesar ca pauza de comutatie intre cele doua convertoare sa fie cat mai mica posibil.

Cicloconvertoarele pot fi clasificate si in functie de numarul de faze intrare (m) - iesire (n) si de tipul de modulatie (legea de variatie a unghiurilor de comanda α).

Cele mai uzuale configuratii de cicloconvertoare (in functie de numarul de faze) sunt:

cicloconvertoare mono-fazate (m=n=1)

cicloconvertoare tri-monofazate (m=3, n=3)

cicloconvertoare tri-fazate (m=3, n=3)

Tensiunea de iesire a cicloconvertorului u₂(t) depinde de modul de variatie al unghiurilor de comanda . Astfel se pot obtine tensiuni de iesire :

u₂(t) - cvasitrapezoidala [α are numai doua valori distincte, de exemplu α⁺=0,  si α^-=, (0)], anvelopa tensiunii de iesire aproximeaza un trapez(v. fig. 10,b, fig. 11,b);

u₂(t) - cvasisinusoidala

Daca unghiul de comanda α are o lege de variatie sinusoidala (α=α sin 2f₂t) (fig. 10, c, fig. 11, c) la iesirea cicloconvertorului se obtine o tensiune

u₂(t) - cvasisinusoidala. Ca si in cazul anterior prezentat, tensiunea de iesire u2(t) evident nu este sinusoidala, fiind formata din segmente de sinusoida; linia punctata din figura reprezinta locul geometric al punctelor reprezentative ale valorilor medii corespunzatoare fiecarui impuls in conductie (de durata unghiulara ,,")si corespunde unei componente fundamentale

sinusoidale f₂<f₁.

3.1 Cicloconvertor mono-monofazat(m=n=1)

In figura 10, a sunt reprezentate circuitul de putere, alimentat de la o sursa de c.a. monofazata (m=1), sarcina fiind de asemenea monofazata. Diagramele de tensiune (intrare si iesire) cu specificarea intervalelor de conductie (diagramele de stare) a dispozitivelor de comutatie - tiristoare

sunt prezentate in figura 10, b.

Circuitul de putere contine cele doua convertoare echivalente C⁺ si C^-, fiecare dintre ele fiind de fapt un convertor (redresor) cu punct median. Sarcina R este conectata intre punctul median al secundarului transformatorului de alimentare si iesirea comuna a celor doua convertoare C⁺ si C^-.

Daca unghiul de comanda ia numai valori α=0, atunci la iesirea convertorului se obtine o tensiune cu o anvelopa cvasitrapezoidala (fig. 10, b), tiristoarele fiind comandate in mod alternat, si conducand fiecare intervale , conform diagramelor de stare. Se poate usor constata din figura 10, b ca raportul dintre frecventa tensiunii de iesire si cea de intrare este f₂/f₁₌=l/3. Frecventa f₂ poate fi modificata numai in trepte, ca si puterea comunicata sarcinii. in diagrama din figura 10, b este comandat primul T₁, care conduce pe prima alternanta pozitiva, apoi T₂ din convertorul C⁺, dupa care sunt comandate T₁ si T₂ pe rand in portiunea negativa a tensiunii de iesire u₂.

Daca unghiurile de comanda a ale celor doua convertoare echivalente

C si C^- variaza dupa o lege sinusoidala, atunci la iesirea cicloconvertorului se obtine o tensiune cvasisinusoidala (fig. 10, c).

3.2. Cicloconvertor tri-monofazat

In figura 4.11, a este reprezentat circuitul de putere al unui cicloconvertor, avand intrarea(sursa) trifazata (m=3) si iesirea(sarcina) monofazata (n=l), care comparativ cu cicloconvertorul mono-monofazat permite reglarea tensiunii si frecventei de iesire in limite mai largi. in intervalul pozitiv al tensiunii de iesire sunt comandate tiristoarele T₁ T₂, T₃ ale convertorului echivalent C⁺, iar in cel negativ T₁ T₂, T₃, ale lui C^-. Cele doua convertoare echivalente sunt interconectate prin intermediul unei bobine de soc L, care are rolul de a prelua diferenta de potential existenta la un moment dat intre punctele 1-2

Prin comandarea tiristoarelor conform diagramelor de stare indicate,

obtine:

u₂(t) - cvasitrapezoidala (fig. 11,b)

u₂(t) - cvasisinusoidala (fig. 11, c)

Fig. 10, Cicloconvertor mono-monofazat a - schema; b - regim de functionare cu tensiune de iesire cvasitrapezoidala; c - regim de functionare cu tensiune de iesire cvasisinusoidala

Ca si in cazul precedent, frecventa f2 a tensiunii de iesire este o fractiune din f₁ si poate fi reglata: in primul caz in trepte, iar in al doilea caz continuu (deoarece si α se regleaza continuu); forma de unda a tensiunii u₂ este mai apropiata de sinusoida, ceea ce constituie un avantaj important fata de convertorul mono-monofazat.

3.3 Cicloconvertor tri-trifazat

La acest cicloconvertor intrarea este trifazata u₁₁, u₁₂, u₁₃ si iesirea de asemenea trifazata u₂₁, u₂₂, u (m = n = 3). O astfel de conexiune, cum usor se poate observa din figura 12, se poate realiza prin sinteza a trei convertoare trimonofazate, de tipul celui din figura 11, a. Aceste convertoare au ,,functionarea" decalata cu 120, furnizand la iesire tensiunile u₂₁, u₂₂, u

Performantele de reglaj in frecventa si putere permit utilizarea cicloconvertoarelor in actionari electrice la reglarea turatiei motoarelor de curent alternativ, in domeniul incalzirii inductive in masa a metalelor (topire) s.a.

Schema bloc a cicloconvertorului tri-trifazat