DIFERITE VARIANTE DE SCHEME DE ACTIONARE CU MOTOARE DE CURENT CONTINUU ALIMENTATE PRIN CONVERTOARE DE TENSIUNE CONTINUA

DIFERITE VARIANTE DE SCHEME DE ACTIONARE CU MOTOARE DE CURENT CONTINUU ALIMENTATE PRIN CONVERTOARE DE TENSIUNE CONTINUA

Elementul central al convertorului de tensiune continua il constituie circuitul de stingere al tiristorului principal,care joaca rol de intrerupator de putere.La cele mai simple convertoare condensatorul din circuitul de stingere se incarca intr-un timp care depinde de valoarea curentului de sarcina.Pentru eliminarea acestui dezavantaj se cauta sa se separe complet circuitul de stingere de sarcina,si stingerea sa depinda numai de sursa de alimentare.Evident ca functionarea convertorului este imbunatatita,dar schemele circuitelor se complica.

Exista mai multe variante de convertoare de tensiune continua.Ele s-ar putea clasifica dupa mai multe criterii cum ar fi:numarul tiristoarelor folosite,in timpul comenzii(Te=const.sau T=const.),si dupa dependenta sau independenta circuitului de stingere de sarcina.

O clasificare mai adecvata este aceea dupa numarul tiristoarelor folosite,intrucat permite prezentarea progresiva ca grad de complexitate a diferitelor variante de convertoare.

In fig 4.51 sunt p;rezentate cateva din variantele cele mai representative de convertoare de tensiune continua,cunoscute in literature si sub denumirea de choppere.

In fig 4.51 a sunt prezentate doua variante cu un singur tiristor.

In varianta a tiristorul principal Tp este stins prin circuitul oscilant LC care se deschide odata cu Tp.In montajul a grupul de stingere LC este montat in paralel cu Tp si stingerea are loc in acelasi mod.La ambele variante comanda tensiunii pe motor se face modificand perioada de comanda a tiristorului principal,abdicate=const.,T=variabil.

In figura 4.51, b sunt prezentate patru variante de convertoare de tensiune continua cu doua tiristoare.Montajul b a fost tratat in subcapitolul anterior.Montajul b se deosebeste de primul prin aceea ca circuitul oscilant LC pentru stingere este deschis de Ts.Incarcarea condensatorului C cu polaritatea +,- se face direct de la sursa.Aplicand impuls pe Tp se deschide circuitul principal;stingerea acestuia se face aplicand impuls pe Ts care va deschide circuitul oscilant LC,inversand polaritatea condensatorului,reincarcarea condensatorului facandu-se de la sursa prin comanda tiristorului auxiliary Ta.Montajul bs are circuitul de stingere in paralel cu sarcina.Stingerea tiristorului Tp se face aplicand impuls pe Ts,fapt care duce la descarcarea condensatorului C,ceea ce duce la pozitivarea catodului lui Tp.Incarcarea condensatorului se face prin dioda D,L si C.

Variantele de convertoare cu doua tiristoare prezentate au dezavantajul comun ca incarcarea condensatorului depinde de valoarea curentului de sarcina,ceea ce duce la functionarea nesigura la sarcini mici a motorului.Montajul b are circuitul de stingere independent de sarcina,iar incarcarea condensatorului se face direct de la sursa.Stingerea luiTp se face prin pozitivarea catodului,de aceea schema se mai numeste si convertor cu stingere pe catod.Comanda lor se face la T=const.,Te=variabil.

In fig 4.51,c sunt prezentate doua variante de convertoare de tensiune continua cu trei tiristoare.La montajul c se aplica impuls simultan pe Tp si Ta,deci se deschide circuitul principal si se incarca condensatorul C.Stingerea tiristorului principal se face deschizand circuitul oscilant LC prin tiristorul Ts.Montajul c se comanda in acelasi mod si difera numai prin aceea ca stingerea se face prin negativarea anodului lui Tp.Comanda acestor convertoare se face la T=const.,Te=variabil.   

O varianta cu patru tiristoare este prezentata in fig 4.51,d.Circuitul de stingere este format din trei tiristoare comandate in secventa Tp si Tb,Ta,Ts.Prin deschiderea lui Tb se incarca condensatorul C cu polaritatea plus sus si minus jos.Impulsul pe Ta,la o distanta invariabila de cel de pe Tb va repolariza condensatorul C cu polaritatea minus sus si plus jos.Deschiderea lui Ts polarizeaza catodul lui Tp si il stinge.Circuitul de stingere este separate de sarcina,iar comanda se face la T=const,Tc=var,unde Tc este distanta intre impulsurile pe Tp si Ts .Montajul descris este unul din cele mai utilizate in practica datorita functionarii sale sigure la orice sarcina.

In figura 4.51 sunt prezentate doua montaje de convectoare cu circuit de stingere in puncte.La varianta e1 tiristoarele T1 si T2 sunt principalele si se comanda simultan.La conectarea motorului prin deschiderea lui T1 si T2 se da impuls si pe T3,incarcand astfel condensatorul C cu polaritatea minus sus si plus jos.Aplicand impuls pe T4,condensatorul C polarizeaza catodul lui T2 si il stinge,deconectand motorul.Secventa de comanda este T1 si T2,T3,T4..la T=constanta si Tc=variabila.Montajul e2 are un singur tiristor principal si patru tiristoare secundare.Secventa de comanda este Tp,T1 si T4,T2 si T3.Si in acest caz ,T=constanta,Tc=variabila.

Ca observatie generala asupra variantoarelor expuse se poate arata ca,pentru o functionare mai sigura la sarcini mici si durata relativa de conectare mare a motorului ,este necesar un circuit auxiliar de reincarcarea condensatorului format dintr-o dioda si o bobina montate in antiparalel cu tiristorul principal.Acest circuit auxiliar ,despre care s-a mai vorbit,este extrem de important la chopperele ale caror circuite de stingere depind de curentul de sarcina.El are rolul de a grabi reincarcarea condensatorului C la aplicarea impulsului pe Ts,reducand astfel timpul de blocare al tiristorului.

REGIMUL DE DOUA CADRANE

Regimul de doua cadrane al sistemului de actionare prin motor de current continuu alimentat prin chopper se poate realize pe doua cai:

-prin inversarea sensului curentului si mentinerea polaritatii tensiunii neschimbata;

-prin inversarea polaritatii tensiunii pe indus si mentinerea neschimbata a sensului curentului.

In primul caz sistemul poate functiona in cadranele 1 si 2.Schema de principiu pentru regimul de doua cadrane (1 si 2)este prezentata in figura 4.52,a.Functionarea in cadranul 1 este asigurata prin comanda contactorului static CS1 si a diodei D1 avand rol de dioda de descarcare.Acest caz fiind deja cunoscut,se trece la functionarea in cadranul 2.Pentru aceasta se blocheaza CS1si se comanda CS2.Motorul intra in regim de franare prin recuperare,explicatia fenomenului fiind urmatoarea:cand CS2 este inchis,indusul fiind scurtcircuitat,curentul im va creste cu o panta determinata de t.e.m. si inductanta masinii.Odata cu acesta creste si cuplul de franare,altfel spus energia cinetica a maselor se transforma in energie magnetica.La deschiderea lui CS2,t.e.m a masinii impreuna cu tensiunea de autoinductie vor deschide dioda D2 si curentul im va circula spre sursa.Deci,energia mecanica transformata in energie magnetica va fi transmisa sub forma de energie electrica in baterie.Formele curentilor sunt reprezentate in figura 4.52,c.

In cazul in care sursa nu permite trecerea curentului invers(functionare ca redresor),aceasta trebuie deconectata si inlocuita cu o rezistenta.In acest caz este vorba de o franare dinamica intrucat energia magnetica acumulata in inductanta datorita energiei mecanice se transforma in caldura prin rezistenta introdusa.

Conform celei de a doua metode se poate asigura un regim de functionare in cadranele 1 si 3.

    Schema de principiu pentru regimul de doua cadrane cu inversarea polaritatii tensiunii este reprezentata in figura 4.53,a si b .Motorul este alimentat prin doua contactoare statice CS1,CS2,montate in serie si comandate simultan.Cand CS1 si CS2 sunt inchise,tensiunea pe Indus este egala cu +Ua si curentul este absorbit din baterie.La blocarea lui CS1 si CS2,tensiunea de autoinductie deschide diodele D1 si D2 si curentul din indus se descarca prin sursa(fig.4.53,a).In acest caz,tensiunea pe indus are valoarea-Ua.Prin modificarea duratei relative de conectare a contactoarelor statice se poate obtine o valoare medie Um reglabila intre +Ua si -Ua,dupa cum urmeaza:

Um= -1

in care T este durata relative de conectare.

Modificand T intre 0 si 1, se obtine caracteristica de comanda a variatorului de tensiune(figura 4.54,d).Examinand forma caracteristicii de comanda se remarca analogia cu caracteristica de comanda a redresorului cu tiristoare.

Pentru 0>T> ,Un>0 si motorul functioneaza in cadranul 1.

Pentru >T>1,Um<0 si motorul functioneaza in cadranul 4 in regim de franare cu recuperare.

Raman valabile si aici consideratiile legate de cazul cand sursa nu permite current invers.

REGIMUL DE PATRU CADRANE

Regimul de patru cadrane al sistemului de actionare cu motor de current continuu alimentat prin chopper este posibil daca se conecteaza in antiparalel doua choppere de doua cadrane.Fiecare chopper de doua cadrane este cu inversarea polaritatii tensiunii si mentinerea neschimbata a sensului curentului.

In figura 4.54,a este prezentata schema de principiu pentru regimul de patru cadrane.Contactoarele statice CS1 si CS2 comandate simultan formeaza chopperul pentru sensul pozitiv al curentului prin motor(cadranele 1 si 4),iar CS2 si CS4 comandate si ele simultan formeaza chopperul pentru sensul negativ al curentului prin motor(cadranele3,2).Sensul curentilor indicat in figurile 4.54,b si c corespunzator functionarii celor doua choppere se intuieste usor cunoscand regimul de doua cadrane descries anterior.Chopperul pozitiv(CS1,D1,CS3,D3)da o tensiune medie:

Um13=(2T13-1),U0 (4.101) ,iar chopperul complementar(CS2,D2CS4,D4)fin montat in antiparalel,va da o tensiune: Um24=(2T24-1)Ua. (4.103)

Evident ca cele doua choppere vor functiona exclusive,existand din acest punct de vedere analogia cu functionarea motorului de current continuu alimentat prin redresor de patru cadrane fara current de circulatie.

Caracteristicile externe ale chopperului de patru cadrane sunt reprezentate in fig.4.54,d pentru valori ale duratelor relative de conectare T13 si T24 cuprinse intre 0 si1.

Pentru inversarea miscarii,se blocheaza chopperul pozitiv care functiona la T13> si se comuta curentul pe chopperul negative la T24< ,asigurand in acest fel regimul de franare cu recuperare al motorului.T24 este adus treptat la o valoare mai mare ca si motoru isi inverseaza sensul de rotatie ajungand in cadranul 3.

Pentru a asigura continuitatea curentului de reversare este necesar ca cele doua choppere sa fie comandate asfel incat tensiunile lor sa fie opuse,adica:Um13=-Um24; (4.104).

Inlocuind expresiile(4.102)si(4.103) rezulta legea de comanda a chopperulu8i de patru cadrane:T13+T24=1,(4.105)relatie cu care poate fi interpretata in acelasi mod ca aceea de la redresoarele de patru cadrane(x1+x2=180).

METODA DE COMANDA

Dupa cum s-a constat un variator de tensiune se poate reduce la un circuit format dintr-un comutator static CS si o dioda de descarcare D0.Functiile acestor elemente fiind deja cunoscute,se poate trece la abordarea variatorului de tensiune ca un convector de energie la care marimea de intrare este Ua,marimea de iesire Um,iar marimea de comanda este T0.

Metodele de comanda ale variatoarelor se bazeaza pe posibilitatea de a regal durata relative de conductie T,intre valoarea 0 si 1.Din punct de vedere al contactorului static,aceasta inseamna reglarea momentului decuplarii fata de momentul cuplarii contactorului.Pentru simplificare se va considera contactorul static ideal,iar timpul de comutare neglijabil.In acest fel relatia care leaga marimea de iesire de marimea de intrare si de comanda este Um=TUa.Tensiunea de iesire va avea o forma dreptunghiulara,iar curentul prin sarcina va avea o forma practic neteda datorita filtrajului si a diodei de descarcare.Curentul debitat de sursa va avea insa o forma dreptunghiulara.Puterea absorbita este:Pa=UaIa (4.106),iar puterea utila a variatorului este:Pm=UmIm=TUaIm. (4.107)

Variatorul fin considerat element ideal,Pa=Pn,ceea ce conduce la relatia intre curenti:Ia=Tim. (4.108).

In concluzie,se poate spune ca variatorul de tensiune continua reprezinta un transformator de energie de curent continuu.

Exisista trei metode de principiu pentru comanda variatorului.

a.Comanda in durata impulsului.Inseamna comanda la frecventa constanta(T=constanta) si durata de conectare variabila(Te=variabila).Acest mod de comanda este avantajos datorita frecventei constante in special cand e vorba de sisteme de actionari in circuit inchis.Raportul intre perioada de comanda T si constanta de timp electromagnetica Te a sarcinii se poate mentine constant,ceea ce permite limitarea continutului de armonici ale curentului de sarcina,prin conditia T<<Te,si implicit functionarea sigura a variatorului in toata gama de comanda.

Un sistem de actionare in circuit-inchis cu variator de tensiune continua comandat prin modificarea duratei impulsurilor este prezentat in figura 4.55,a.

Un generator de tact GT emite impulsuri de frecventa constanta care comanda deschiderea tiristorului Ts prin impulsurile formate de formatorul de impulsuri FI1.Aceste impulsuri sunt transformate in impulsuri de tensiune in forma de dinti de ferastrau(fig.4,55) si comparate cu tensiunea de comanda Ue,care este subordonata buclelor de turatie si curent.Abatarea ni-nm este prelucrata de regulatorul turatiei Rn ,care emite semnalul de referinta ii pentru regulatorul de curent Ri.In momentul coincidentei tensiunii de comanda Uc cu tensiunea in dinti de ferestrau se emite un impuls,care comanda deschiderea tiristorului principal Tp prin formatorul FI2.Blocul care realizeaza forma tensiunii in dinti de ferestrau o compara cu tensiunea de comanda Uc si emite un impuls la coincidenta este blocul de comanda a latimii impulsului BL.In figura 4.55,c este prezentata situatia in cazul a doua valori ale tensiunii de comanda. Se observa ca o data cu cresterea lui Uc creste si tensiunea pe Indus Um.Acest sistem de comanda este cel mai frecvent utilizat pentru o gama foarte larga de puteri.

b.Comanda in frecventa a impulsurilor.Se realizeaza Tc=constanta,si T=variabila.Variatoarele de acest tip au avantajul ca sunt mai simple,ele putand fii construite cu un singur tiristor.Durata de conectare Tc este o constanta care depinde de parametrii variatorului I,C;prin urmare,reglajul duratei relative de conectare se face prin modificarea perioadei de comanda.Acest tip de comanda are doua dezavantaje esentiale:

-conditia T<<Te nu poate fii respectata pe toata gama de comanda,ceea ce limiteaza domeniul de turatii;

-cu cresterea puterii motorului,bobina si condensatorul devin foarte mari nejustificand utilizarea acestui variator.

Ca atare ,sistemul este putin folosit in practica. c.comanda bipozitionala.In acest caz nici T si nici Tc nu sunt constante,iar durata relative de conectare se stabileste prin includerea variatorului intr-o bucla de reglare a curentului(fig.4.56,a).Pentru functionare este necesar sa se renunte la conditia T<<Te,ceea ce face ca la inchiderea si deschiderea contactorului static sa apara cresteri si descresteri ale curentului de sarcina si prin urmare ia nastere o componenta de current alternativ.Regulatorul curentului RI este de tip bipozitional, adica emite comanda inchidere sau deschidere a contactorului static CS in functie de valorile intre care oscileaza curentul masurat.Cu cat pragul caracteristicii de tip releu a regulatorului este mai mic ,cu atat frecventa de comanda a variatorului este mai mare ,si rezulta un continut mai redus de armonici ale curentului de sarcina.Frecventa de comanda depinde nu numai de pragul releului,ci si de constanta de timp a sarcinii,precum si de marimea valorii impuse a curentului.Spre exemplificare se vor considera trei valori ale curentului de referinta pentru un prag de 5% din curentul de sarcina maxim(fig.4.56,c).

Se mentioneaza ca in sistemele de actionare marimea impusa a curentului este subordonata buclei turatiei,deci comanda variatorului se face de fapt prin nimp sinu prin iimp.

Durata de conectare este data de relatia:

Tc= 4.109) iar durata de deconectare este data de relatia:

Td=T-Tc=    ; )rezulta frecventa de comanda:

f= =

(1- ). (4.111)

La o valoare impusa mica a curentului Iimp1,curentul creste rapid in banda de reglare I din cauza ca,conform relatiei(4.108),Tc este mic(Ua-Um este mare).Deci contactorul static CS ramane conectat foarte putin dupa care este deconectat o durata Td mai mare,dupa cum se poate constata din relatia 4.109(Um este mic).Frecventa de comanda este mica.La o valoare ceva mai mare a curentului impus Iimp2,Tc si Td sunt sensibil egale ceea ce duce la o frecventa de comanda mai mare.La o marime impusa Iimp3 mare ,situatia se inverseaza,adica creste timpul de conectare Tc si scade timpul de deconectare Td,rezultand o valoare Um apropiata de Ua si in acest caz,frecventa de comanda este mai mica.Acest sistem de comanda este mai putin utilizat in actionarile electrice,fiind mai potrivit pentru comanda unor sarcini R,L.

Domenii de utilizare.Unul din cele mai importante domenii este alimentarea motoarelor de curent continuu pe Indus sau pe excitatie.Un mare avantaj al utilizarii variatoarelor de tensiune continua se obtine in tractiunea electrica,folosind ca sursa de energie baterii.Variatoarele asigura o utilizare foarte buna a bateriei datorita pornirilor fara pierderi si a franarilor cu recuperare.Variatoarele sunt avantajoase si in tractiunea electrica,fiind utilizate ca si convertizoare statice de energie fara pierderi,fara contacte.

Variatoarele se mai folosesc in instalatii de actionare cu motoare de curent continuu asigurate printr-o baterie tampon contra caderii tensiunii retelei.Un alt domeniu de utilizare este ca element component al convertoarelor statice de frecventa cu circuit intermediary de tensiune continua constanta.In sfarsit ,variatoarele se pot folosi la comanda prin impulsuri a rezistentelor pentru pornire,la reglarea turatiei motoarelor asincrone sau pentru franarea motoarelor de curent continuu.

In prezent variatoarele de tensiune continua,care au la baza tiristoare,functioneaza pe principiul comutatiei fortate pentru o gama de puteri de la ordinul watilor pana la megawati.La puteri mici variatoarele se pot realize cu tranzistoare de putere sau cu elemente semiconductoare noi cum ar fi tiristorul cu stingere pe poarta .Acesta permite simplificarea considerabila a partii de forta,si prin perfectionarea lui si marirea gamei de puteri pentru care se va fabrica,tinde sa se generalizeze.