Convertoare nereversibile (unidirectionale)

Convertoare nereversibile (unidirectionale)

1. Tipuri de scheme

In actionarile electrice reglabile de curent continuu se utilizeaza urmatoarele tipuri de scheme de convertoare curent alternativ - curent continuu (c.a. -c.c.):

schema in punte monofazata (fig. a.);

schema trifazata cu punct median (fig. b.);

schema in punte trifazata (fig. c.).

Schema in punte mono-fazata complet comandata se utilizeaza in special pentru alimentarea infasurarilor de excitatie sau pentru alimentarea indusului in cazul motoarelor de puteri mici.

Schema trifazata cu punct median complet comandata se foloseste pentru alimentarea indusului. Schema trifazata in punte este, datorita ondulatiei reduse a curentului si tensiunii, cea mai utilizata schema si reprezinta totodata schema de baza pentru convertoarele utilizate la alimentarea cu tensiune si frecventa variabile a masinilor de c.a. si a masinilor de c.c. fara perii.

2. Schema in punte trifazata

Pentru intelegerea fenomenelor vom analiza la inceput o schema in punte trifazata necomandata. O asemenea schema consta din conectarea in serie a doua scheme cu punct median.

O schema anodica si una catodica se conecteaza in serie pe partea de curent continuu (fig. 2.3.).

Forma de unda a tensiunii redresate, pentru ambele scheme necomandate (cu diode) cu punct median, este reprezentata in figura 2.3. Totdeauna conduc acele diode care prezinta, fata de nulul transformatorului, cea mai mare diferenta de potential. Tensiunile de faza u_R, u_S, u_T sunt cuplate succesiv la sarcina de curent continuu (potentialul punctului A devine succesiv egal cu potentialul punctului C, D si E). Tensiunea continua a unei scheme este egala cu diferenta de potential dintre punctele A si B. In asa-numitele puncte de comutatie naturala j k l s.a.m.d., curentul de sarcina trece de pe un ventil pe ventilul urmator.

Pentru puntea trifazata cu diode, reprezentata in figura 2.5., tensiunea redresata u_d este suma tensiunilor redresate a schemei anodice si catodice.

Este caracteristic faptul ca in timpul unei perioade (360⁰ el.) tensiunea redresata este formata din sase pulsuri (q = 6) de tensiune de aceeasi latime (60⁰ el.), asa cum este ilustrat in figura 2.6.b. Durata de conductie a fiecarui ventil este de 120⁰ el., iar pulsurile de curent sunt defazate in orice moment cu 60⁰ el. unul fata de altul. Totdeauna exista doua ventile care participa la conductia curentului de sarcina iar la fiecare 60⁰ el. are loc un proces de comutatie.

Conduc totdeauna diodele cu cea mai mare diferenta de potential. Punctele C, D si E (fig. 2.4.) sunt conectate succesiv la punctele A si B.

Punctele de comutatie naturala k l m s.a.m.d. stabilesc din nou punctele de conectare a ventilelor. Astfel ventilul j poate prelua curentul de sarcina in momentul j, (fig. 2.6.a. si b), si-l poate trece in momentul l pe ventilul l. In acelasi mod, in momentul k, curentul este preluat de pe ventilul o pe ventilul k. Curentii de pe partea de curent alternativ a puntii sunt curenti alternativi care se compun din pulsuri de 120⁰ el. Cu o intrerupere de 60⁰ el. (fig. 2.6. f, g si h). Fundamentalele celor trei curenti i_R, i_S, i_T sunt defazate cu 120⁰ el.

Schemele in punte trifazata pot fi scheme necomandate, semicomandate si complet comandate (fig.2.7.).

La puntile semicomandate o jumatate de punte este echipata cu tiristoare iar cealalta jumatate consta din diode. Ventilele necomandate nu permit o functionare in regim de invertor.

Schema in punte trifazata complet comandata este cea mai utilizata in tehnica actionarilor electrice. Ea se poate folosi si in regim de invertor cu curent de sarcina neintrerupt.

La puntea trifazata complet comandata trebuie sa consideram domeniul posibil de comanda (fig. 2.8.).

Comutatia de la ventilul n, care a condus curentul de sarcina, la ventilul urmator j, care preia acest curent, este posibila numai intr-un domeniu al tensiunii pozitive de comutatie. Deci tensiunea fazei R care se aplica in sens direct ventilului j trebuie sa fie mai mare decat tensiunea fazei T care a fost aplicata ventilului n. In punctul A ar avea loc, la ventilele necomandate, comutatia naturala.

Pentru ca un tiristor sa intre in conductie este necesar ca potentialul anodului sa fie mai pozitiv decat al catodului si sa se aplice pe grila un impuls pozitiv de comanda. Acest moment poate fi intarziat fata de punctul de comutatie naturala, A, cand ar conduce o dioda.

Pentru ventilele comandate unghiul de intarziere la aprindere (de comanda) α se socoteste din acest punct. Domeniul de comanda teoretic A . E = 180⁰ el. se limiteaza printr-un unghi de siguranta in regimul de functionare ca invertor (si uneori chiar in regimul de functionare ca redresor).

Pentru functionarea ca redresor, cu α = 0⁰ el., trebuie realizata schema de distributie a impusurilor de comanda (fig. 2.9.).

In punctul A trebuie sa conduca acele tiristoare care sunt solicitate in sensul conductiei in fazele R si S si care pot sa conduca curentul de sarcina i_d: acestea sunt tiristoarele si . La curent neintrerupt dupa 60⁰ el., in punctul a, tiristorul ar trebui sa conduca in continuare, in timp ce curentul de sarcina trebuie trecut de pe tiristorul pe tiristorul conectat la faza T. Tiristorul trebuie aprins (comandat) deci, in punctul a, pentru a se garanta comutatia de la la . Pentru siguranta functionarii (pornirea puntii si functionarea in curent intrerupt) tiristorul primeste si in punctul a un impuls de aprindere, asa-numitul impuls auxiliar la 60⁰ el. In urmatorul interval de 60⁰ el. (de la a la B) conduc tiristoarele si In punctul B curentul de sarcina trebuie preluat de tiristorul deoarece comuta fazele R si S. Tiristorul primeste impuls principal iar tiristorul impuls auxiliar la 60⁰ el.

Notarea tiristoarelor in punte a fost aleasa astfel incat sa se obtina o schema simpla a impusurilor:

semipuntea superioara , , ;

semipuntea inferioara , .

Se poate aranja urmatoarea schema a impulsurilor:

In figura 2.8. s-a reprezentat domeniul posibil de comanda pentru tiristorul . Pentru tiristorul ca tensiune de sincronizare ne sta la dispozitie tensiunea de linie u_R-T. Consideratii analoge asupra altor tiristoare rezulta din figura 2.9. Tensiunile de linie u_R-T, u_S-R si u_T-S sunt tensiuni de sincronizare pentru dispozitivele de comanda pe grila (DCG) care furnizeaza un impuls de comanda la fiecare 180⁰ el. Pentru producerea impusurilor principale si a impusurilor auxiliare la 60⁰ ajung deci trei dispozitive de comanda pe grila. Daca dispozitivele de comanda pe grila furnizeaza un impuls la fiecare 360⁰ el., sunt necesare sase dispozitive de comanda conectate la tensiunile de sincronizare respective. Forma de unda a tensiunilor pentru un redresor in punte trifazata complet comandata (α = 34⁰) este reprezentata in fig. 2.10.

Punctul aprinderii naturale - ωt = π/6 - pentru tiristorul j este punctul de referinta pentru unghiul de comanda α, unghi care poate fi modificat intr-un domeniu 0 ≤ α α_max. Valoarea maxima trebuie astfel stabilita - in functie de unghiul de comutatie si de timpul de revenire a tiristorului - pentru a evita bascularea in regim de invertor.

2.1. Caracteristica de comanda

Caracteristica de comanda reprezinta dependenta valorii medii a tensiunii redresate de unghiul de comanda U_d(α

(2.1.)

unde:

este valoarea medie a tensiunii redresate;

U_dio este valoarea medie a tensiunii redresate la mersul in gol si fara comanda .

In general, pentru orice tip de schema, valoarea medie a tensiunii redresate la mersul in gol si fara comanda, U_dio, se calculeaza cu relatia, [8]:

, q ≠ 1 (2.2)

unde:

q este numarul de pulsuri a tensiunii redresate pe o perioada a tensiunii alternative de alimentare;

U_sm - valoarea maxima a tensiunii alternative care produce pulsul de tensiune redresata.

In acest fel tipul conexiunii intervine numai la stabilirea lui q si la definirea lui U_sm.

Pentru schema in punte monofazata

q = 2; - valoarea maxima a tensiunii alternative a secundarului transformatorului monofazat.

Pentru schema trifazata cu punct median

q = 3; - valoarea maxima a tensiunii alternative de faza a secundarului transformatorului trifazat.

Pentru schema in punte trifazata

q = 6; - valoarea maxima a tensiunii alternative de linie a secundarului transformatorului trifazat (fig. 2.6.b.).

Caracteristica de comanda (caracteristica de transfer) U_d(α) este reprezentata in figura 2.11.a.

Dupa cum am aratat, domeniul teoretic de comanda este de 180⁰ el. (fig. 2.8.).

Pentru: asociind sensurile tensiunii si curentului la bornele sarcinii (motorului) conform conventiei de la receptoare (fig. 2.12.a.), rezulta, conform relatiei 2.1.), U_d > 0, I_d > 0. Puterea P_d = U_dI_d schimbata pe la borne este de la convertor la sarcina. Convertorul transforma energia de c.a. primita din retea in energie de c.c. si deci functioneaza in regim de redresor.

Pentru: conform relatiei (2.1.), U_d < 0, I_d > 0; datorita efectului de ventil, curentul continuu nu isi poate schimba sensul. Puterea P_d = U_dI_d schimbata pe la borne este de la sarcina la convertor (fig. 2.12.b.). Convertorul transforma energia de c.c. primita de la sarcina in energie de c.a. pe care o restituie in retea si deci functioneaza in regim de invertor.

Trebuie observat ca functionarea in regim de invertor este posibila numai cand sarcina este activa (contine o sursa de t.e.m.).

Din cele prezentate anterior, unghiul de comanda α se limiteaza in regim de invertor la o valoare α_max. Pentru actionarile electrice reglabile un unghi α_max = 150⁰ este suficient.

Un convertor static comandat reprezinta o sursa de tensiune comandabila cu unghiul α, sursa care poate functiona in doua cadrane ale planului I_d0U_d (fig. 2.11.b.).

Un asemenea convertor se numeste convertor nereversibil sau unidirectional si poate furniza sarcinii ambele polaritati ale tensiunii aplicate dar, datorita efectului de ventil, un singur sens al curentului prin sarcina.

Deoarece defazarea impulsului de comanda se realizeaza pe cale electronica, un convertor static comandat reprezinta un element de executie foarte rapid.

Caracteristica externa

La alimentarea motorului de c.c. de la un convertor, datorita ondulatiei tensiunii aplicate indusului si curentul prin motor va fi ondulat.

La cupluri de sarcina mici, deci la valori reduse ale curentului prin indus, apare o situatie limita cand, in momentul comenzii unui tiristor, curentul prin faza anterioara se anuleaza. Curentul mediu corespunzator acestei situatii se numeste curent critic I_dc. Daca cuplul de sarcina scade in continuare atunci in faza precedenta curentul se anuleaza inainte ca faza urmatoare sa intre in conductie. Acest regim se numeste regim de curent intrerupt deoarece curentul prin motor are intreruperi.

Caracteristica externa a unui convertor reprezinta dependenta valorii medii a tensiunii redresate de curentul de sarcina U_d(I_d).

In figura 2.13. sunt reprezentate caracteristicile externe ale convertorului trifazat in punte complet comandata pentru diferite unghiuri de comanda. Si aici apare un domeniu de curent intrerupt in care caracteristicile sunt neliniare si inclinate puternic. Printr-o alegere corespunzatoare a bobinei de filtrare, domeniul de functionare cu curent intrerupt se muta spre valori mici ale lui I_d, astfel incat acest domeniu se situeaza in zona mersului in gol al motorului si nu se atinge in functionarea stationara.

La o alta scara caracteristicile externe ale convertorului reprezinta caracteristicile mecanice stationare (la comanda pe indus) ale motorului de c.c. alimentat de la un convertor.

In regim stationar, neglijand caderea de tensiune pe indus:

si:

deci la o alta scara obtinem caracteristicile Ω(M).