Convertoare reversibile (bidirectionale)

Convertoare reversibile (bidirectionale)

1. Principiul de functionare

Intr-o schema de actionare electrica cu alimentarea motorului de la un singur convertor se poate stabili orice punct de functionare in semicadranele tensiune-curent, asa cum se arata in fig. 2.14. corespunzator caracteristicilor din fig. 2.13.

Cu un asemenea convertor se pot realiza franari numai in cazul cuplurilor de sarcina potentiale iar masina electrica poate functiona numai in cadranele I si IV. Aceasta se bazeaza pe faptul ca un singur convertor (convertor unidirectional) poate furniza ambele polaritati ale tensiunii in circuitul de sarcina, dar - datorita efectului de ventil - un singur sens al curentului. In actionarile electrice reversibile (actionarea laminoarelor reversibile) motorul de actionare trebuie sa exercite asupra masinii de lucru cupluri in ambele sensuri, adica este necesara franarea recuperativa si inversarea sensului de rotatie.

Cuplul motorului este:

i_a = i_d, datorita efectului de ventil, poate avea un singur sens. In cazul alimentarii motorului de la un convertor unidirectional pentru a obtine o actionare reversibila (functionare in patru cadrane) exista urmatoarele posibilitati [4], [7]:

schimbarea fluxului de excitatie;

utilizarea unui inversor mecanic de sens intre convertor si motor.

Datorita dezavantajelor pe care le prezinta [7] aceste metode nu se pot aplica instalatiilor care necesita un numar mare de reversari (laminoare reversibile).

In asemenea instalatii, motorul de actionare se alimenteaza de la un convertor reversibil (bidirectional) care poate comanda atat ambele polaritati ale tensiunii aplicate indusului cat si ambele sensuri ale curentului prin indusul motorului. Domeniul de lucru al unui convertor reversibil este reprezentat in fig. 2.15.

Un convertor reversibil trebuie sa realizeze functionarea unei actionari electrice in patru cadrane ilustrata in fig. 2.16. Pentru sensul de rotatie - conventional - pe dreapta convertorului bidirectional trebuie sa functioneze in regim de redresor iar masina electrica in regim de motor (primul cadran din fig. 2.16.). Turatia n si cuplul electromagnetic m au acelasi sens. Sensurile tensiunii redresate u_d si ale curentului I_d = I_a se asociaza conform conventiei de la receptoare iar sensul energiei electromagnetice schimbate de motor pe la borne este de la convertor la motor.

Pentru franare recuperativa pe dreapta, masina electrica trebuie sa functioneze in regim de generator iar convertorul in regim de invertor, permitand insa trecerea prin convertor - in sens direct - a curentului prin indus, curent care, fata de situatia precedenta, isi schimba sensul. Prin urmare, schema convertorului trebuie sa corespunda celei figurate in cadranul al doilea (fig. 2.16.).

Turatia n si cuplul m au sensuri diferite iar sistemul de actionare isi micsoreaza turatia pana la oprire. Sensul tensiunii redresate si sensul curentului se asociaza conform conventiei de la generator iar sensul energiei schimbate de masina electrica pe la borne este de la masina (generator) la convertor.

Pentru sensul de actionare pe stanga (cadranul al treilea) masina electrica trebuie sa functioneze din nou ca motor, cu sens invers al curentului prin indus (fata de actionarea pe dreapta), iar convertorul ca redresor. Turatia n si cuplul m au din nou acelasi sens.

De la sensul de actionare pe stanga se trece la regimul de franare recuperativa pe stanga (cadranul al patrulea).

Din explicatiile anterioare rezulta ca un convertor reversibil (bidirectional) trebuie executat sub forma unei combinatii de doua convertoare, fiecare fiind destinat functionarii in doua cadrane (convertoarele I si II din fig. 2.16.).

2. Realizarea practica a convertoarelor reversibile

In practica, pentru convertoarele bidirectionale, se utilizeaza trei conexiuni de baza:

a)     schema paralel in opozitie (cunoscuta si sub denumirea de schema antiparalel);

b)     schema in cruce;

c)      schema H.

In figura 2.17 s-au reprezentat aceste scheme, cele doua convertoare componente avand conexiunea in punte trifazata. Pentru simplificare, s-au reprezentat numai infasurarile secundare ale transformatorului de alimentare.

La schema paralel in opozitie, fara curent de circulatie, fiecare tiristor are in paralel, in opozitie o pereche a sa (fig. 2.17.a). Saltul de tensiune la blocare, care are loc la sfarsitul comutatiei unui tiristor, actioneaza asupra tiristorului pereche ca un salt pozitiv. Este posibil ca gradientul de tensiune (du/dt) sa fie superior celui admis ca limita pentru tiristorul respectiv. Acest salt de tensiune se micsoreaza prin introducerea inductantelor anodice L_a in serie cu tiristorul si prin suntarea tiristorului cu un circuit de protectie RC (nefigurat in schema). Scurtcircuitul produs de intrarea nedorita in conductie a unui tiristor conectat paralel in opozitie se limiteaza prin cate o inductanta L conectata in serie cu fiecare punte.

Deosebirea dintre schema paralel in opozitie si schema in cruce (fig. 2.17.b) consta in faptul ca cele doua punti ale schemei in cruce sunt alimentate de la infasurari secundare separate (transformator cu doua secundare sau doua transformatoare identice).

Schema H prezinta unele avantaje. La aceasta schema exista de asemenea doua infasurari secundare ale transformatorului.

Tiristoarele care lucreaza simultan (pentru acelasi sens al curentului prin motor) sunt asezate in cele doua punti in diagonala.

Componentele curentului continuu trec totdeauna in acelasi sens prin infasurarile secundare inseriate si prin inductanta L conectata galvanic intre punctele neutre ale secundarelor (fig. 2.17.c.).

Aceasta unica bobina serveste ca:

inductanta pentru netezirea curentului de circulatie (in cazul schemei cu curenti de circulatie) si pentru limitarea curentului de scurtcircuit in cazul schemelor cu si fara curenti de circulatie;

inductanta de filtrare pentru motor;

inlocuitor pentru inductantele anodice.

Bobina L montata intre punctele neutre ale infasurarilor secundare si circuitele RC montate in paralel cu tiristoarele micsoreaza valorile du/dt si di/dt astfel incat solicitarea tiristoarelor este micsorata.

3. Comanda convertoarelor reversibile

Pentru determinarea conditiilor de comanda ale convertoarelor care compun convertorul reversibil se utilizeaza schema simplificata din figura 2.18.

3.1. Comanda cu curenti de circulatie

Daca pentru un anumit sens de rotatie curentul prin indusul motorului trebuie sa fie I_a, va trebui sa conduca convertorul I si deci I_a = I_d. La celalalt sens al curentului prin indus va trebui sa conduca convertorul II.

La un curent nul prin motor in fiecare latura se poate sa apara curentul I_d = I'_d . Acest curent - care produce pierderi - poate fi micsorat la zero daca la cuplare se comanda cele doua convertoare astfel incat valoarea medie a tensiunilor redresate sa fie:

adica:

Acest lucru se realizeaza cand:

()

adica atunci cand convertorul I este comandat in regim de redresor iar convertorul II este comandat - la aceeasi tensiune medie - in regim de invertor. Pentru celalalt sens de rotatie convertorul II se comanda in regim de redresor iar convertorul I in regim de invertor. Pentru functionarea in regim de invertor unghiul maxim de comanda se limiteaza la 150⁰.

O particularitate importanta a convertorului reversibil (bidirectional) este curentul de circulatie, care apare datorita faptului ca valorile instantanee ale tensiunilor redresate ale ambelor convertoare pot sa fie diferite cu toate ca valorile lor medii sunt egale (α_I α_II = 180⁰). Diferenta celor doua tensiuni este tensiunea de circulatie, o tensiune alternativa a carei forma de unda este dependenta de unghiul de comanda [7].

Curentul de circulatie prezinta un avantaj important deoarece constituie o sarcina permanenta a convertorului; acest curent nu se intrerupe pentru o anumita portiune a domeniului de comanda atat timp cat α_I α_II

Cercetand caracteristicile externe ale convertorului reversibil cu curenti de circulatie (rezultate din compunerea caracteristicilor individuale ale convertoarelor componente) se poate arata ca in domeniul curentilor mici caracteristicile rezultante nu urmaresc pe cele individuale ci au aceeasi panta datorita existentei curentului de circulatie [7]. Inductantele de filtrare se dimensioneaza astfel incat curentul de circulatie - la unghiurile de comanda pentru care se atinge valoarea cea mai mare - sa fie de cca. (10 . 20)% din curentul nominal. La valori mai mari ale curentului de sarcina curentul de circulatie nu este necesar; el ar putea sa fie eliminat pentru a nu incarca suplimentar tiristoarele si transformatorul. In practica, curentul de circulatie este reglat - prin intermediul unui circuit de reglare automata - in functie de curentul motorului, astfel incat la o sarcina mare curentul de circulatie sa ia o valoare mica [7].

3.2. Comanda fara curenti de circulatie

In cazul comenzii fara curenti de circulatie cele doua convertoare componente nu sunt simultan in functiune (cand unul functioneaza, celalalt este blocat).

In figura 2.19. este explicat un ciclu de reversare a motorului de curent continuu alimentat de la un convertor reversibil fara curenti de circulatie; notatiile corespund celor utilizate in figura 2.16. Cand convertorul I functioneaza in regim de redresor masina de curent continuu functioneaza in regim de motor cu sensul de rotatie pe dreapta. La inceputul franarii se blocheaza convertorul I.

Un timp foarte scurt (necesar restabilirii capacitatii de blocare a convertorului I) cele doua convertoare raman blocate iar motorul nu este alimentat (aceasta situatie nu este prezentata in fig. 2.19.). Turatia si tensiunea electromotoare ale motorului raman practic constante deoarece pauza este de ordinul milisecundelor. Urmeaza comanda convertorului II in regim de invertor avand o tensiune medie mai scazuta decat tensiunea electromotoare a masinii de curent continuu. Masina functioneaza in regim de generator recuperativ si se franeaza (situatia din cadranul al doilea al fig. 2.16.). Cand turatia scade la zero se comanda convertorul II in regim de redresor iar masina - in regim de motor - accelereaza pentru celalalt sens.

3.3. Comanda deplasata (deviata)

O alta metoda, denumita comanda deplasata (deviata) consta in comanda convertoarelor componente astfel incat tensiunile lor - in orice conditie - sa nu produca curenti de circulatie. Acest lucru se realizeaza daca unghiurile de comanda ale celor doua convertoare componente indeplinesc conditia:

(2.4.)

Inexistenta tensiunii de circulatie, in acest caz, se constata prin trasarea grafica a tensiunilor de iesire ale fiecarui convertor la toate unghiurile de comanda. Caracteristicile de comanda (unghiurile α_I si α_II in functie de tensiunea de comanda a regulatorului) arata ca exista o zona moarta intre cele doua caracteristici, cauzata de faptul ca relatia 2.4. nu este satisfacuta. Spre deosebire de cazul schemelor cu curenti de circulatie, in cazul comenzii deplasate nu este necesara limitarea unghiului α α_max = 150⁰) pentru functionarea corecta in regim de invertor.

4. Reprezentarea convertoarelor in schemele de reglare

Datorita puterii mari de iesire precum si posibilitatii de a fi usor comandate, convertoarele cu comanda externa (comandate de retea) sunt utilizate ca elemente de executie in actionarile electrice reglabile. Un avantaj deosebit este acela ca dispozitivele de comanda pe grila pot fi comandate de regulatoare electronice care sunt construite cu elemente de comutatie asemanatoare si care au aproximativ aceeasi putere.

La conceperea unui circuit de reglare, care contine un convertor, se pune firesc intrebarea: cum se pot descrie matematic proprietatile dinamice ale convertorului? Dificultatile constau in faptul ca procesul de comanda a tiristoarelor reprezinta un proces discret (unghiul de comanda nu este o functie continua de timp) si ca functiile care descriu dispozitivul de comanda pe grila si convertorul sunt neliniare. Exista multe incercari de asimilare cu sistemele cu modulatie in latime si cu sistemele cu modulatie in faza, dar lipseste o teorie clara si unitara.

O analiza precisa a proceselor dinamice din convertor este complicata; se obtin ecuatii diferentiale neliniare care nu se pot rezolva. O liniarizare a ecuatiilor diferentiale neliniare este permisa numai pentru deviatii mici in jurul punctului de functionare stationar. Aceasta metoda conduce la un rezultat simplu: daca se utilizeaza un regulator cu comportare integrala iar circuitul de reglare prezinta proprietati "trece jos", adica armonicile de pe partea de curent continuu sunt atenuate, un convertor - in domeniul normal de functionare - poate fi inlocuit printr-un element proportional [1]. In mod obisnuit, aceste conditii sunt indeplinite de actionarile electrice reglabile. In apropierea limitei de stabilitate insa, aceste simplificari nu mai pot fi acceptate.

In practica s-a introdus un alt model de reprezentare: convertorul si dispozitivul de comanda pe grila se descriu printr-un timp mort dintre momentul modificarii marimii de comanda si deplasarea corespunzatoare a impulsului de comanda urmator. Acest timp mort depinde de momentul modificarii marimii de comanda. Pentru un convertor in punte trifazata acest timp poate varia intre zero si 20/6 = 3,33 ms; se poate adopta o valoare medie T_m = 1,67 ms.

In functie de tipul conexiunii convertorului, timpul mort, in secunde, se calculeaza cu relatia [10], [11]:

(2.5.)

unde:

f este frecventa, in Hz;

q - numarul de pulsuri a conexiunii convertorului.

Pentru f = 50 Hz:

q = 2, deci T_m = 5 ms, pentru convertorul monofazat in punte;

q = 3, deci T_m = 3,33 ms, pentru convertorul trifazat cu punct median;

q = 6, deci T_m = 1,67 ms, pentru convertorul trifazat in punte.

In aceste conditii, tinand seama ca un element cu timp mort poate fi inlocuit cu un element inertial de ordinul I [6], rezulta, pentru convertor si dispozitivul de comanda pe grila reprezentarea din figura 2.20.

Fie un circuit inductiv de curent continuu care contine si o tensiune contraelectromotoare, circuit alimentat de la un convertor trifazat in punte (fig. 2.21.a.).

Cu ajutorul unui circuit de reglare a curentului, curentul continuu i trebuie mentinut constant, la o valoare impusa i_i, indiferent de marimile perturbatorii care influenteaza tensiunea contra-electromotoare e.

Aceasta reprezentare descrie aproximativ comportarea unei masini de c.c. alimentata pe indus de la un convertor. Schema-bloc simplificata este reprezentata in figura 2.21.b.

Daca presupunem un regulator PI, functia de transfer aproximativa a circuitului deschis este:

unde: T_a = L/R.