Introducere in electronica de putere

Introducere in electronica de putere

Schema bloc generala de alimentare in curent continuu pornind de la reteaua de curent alternativ, in care: T-transformator de putere, R-redresor, F-filtru, S-stabilizator, R_S-rezistenta de sarcina.

Transformatorul T are rolul de a modifica tensiunea retelei conform valorii tensiunii continue necesare consumatorului, separand totodata reteaua de circuitul electronic alimentat.

Redresorul R este un circuit care transforma tensiunea alternativa intr-o tensiune pulsatorie. Aceasta tensiune contine in afara componentei continue si componente alternative. Deoarece aparatura electronica necesita o tensiune continua cu componente alternative cat mai mici, la iesirea redresorului se conecteaza un circuit de filtrare sau de netezire, F.

Filtrul are rolul de a micsora componentele alternative acumuland energie in intervalul de timp cand tensiunea creste si cedand energie consumatorului cand tensiunea scade.

Redresoarele se clasifica in: redresoare electronice, redresoare ionice, si redresoare mecanice.

Redresoarele electronice folosesc efectul de redresare dat de emisiunea termoelectronica a unui catod cald (dioda cu vid) sau efectul de redresare care apare la jonctuinea unui semiconkductor de tip n cu unul de tip p (dioda semiconductoare, conductie electrica).

Redresoarele ionice folosesc efectul de redresare dintr-un tub cu descarcari electrice in gaze sau vapori, cu catodul incandescent sau rece (tiratron) sau avand catodul dintr-o baie de mercur, in cazul redresoarelor cu vapori de mercur, polianodice sau monoanodice (excitron, ignitron).

Redresoarele mecanice se bazeaza pe comutarea periodica a legaturilor unui circuit alimentat in curent alternativ, cu ajutorul unui sistem de contacte actionate sincron cu frecventa retelei, pentru a obtine un curent unidirectional. Comutarea se face la trecerea curentului prin valoarea zero. Redresoarele mecanice nu se mai construiesc decat in cazuri cu totul speciale, locul lor fiind luat de redresoarele electronice semiconductoare cu fiabilitate mai mare

1.1 Redresoare polifazate

Redresoarele realizeaza conversia energiei de current alternativ in energie de current continuu.

In cazul puterilor mari de current continuu (peste cativa KW) sunt utilizate in special redresoarele polifazate, care prezinta o serie de avantaje in comparatie cu cele monofazate:

incarcare mai uniforma a retelei de alimentare, ceea ce nu afecteaza functionarea altor tipuri de instalatii conectate la aceeasi retea;

tensiunea redresata prezinta pulsatii de valoaremai redusa, ceea ce conduce evident la eventuala utilizare a unor filtre de netezire mai simple si mai ieftine;

utilizare mai buna a transformatoarelor de alimentare pentru o putere data. Factorul de utilizare al transformatorului este mai ridica si astfel rezuta un pret de cost mai scazut.

In ultimul timp s-au realizat mari progrese in utilizarea dispozitivelor semiconductoare - diode cu siliciu si tiristoare - pentru redresarea puterilor mari si aceasta mai ales datorita randamentului ridicat obtinut.

Dispozitivele redresoare semiconductoare prezinta un grad inalt de siguranta in functionare fata de alte tipuri (de ex.:convertizoare mecanice, tuburi cu vapori de mercur etc.), pret de cost mai redus precum si un gabarit mult mai redus pentru o putere redresata data.

1.2 Redresoare polifazate necomandate

In fig este prezentat un redresor trifazat cu secundarul conectat in stea si primarul in triunghi. In figura 1 sunt prezentate diagramele tensiunilor si curentilor pentru cazul particular m=3, unde m reprezinta numarul de faze al secundarului transformatorului.

- fig.1 -

Se considera pentru simplificarea analizei cantitative a proceselor de redresare, ca transformatorul trifazat nu are pierderi si nici scapari si ca dispozitivele redresoare sunt fara pierderi in sensul de conductie si cu o rezistenta infinita in sensul de blocare. La aceasta se adauga o inductanta de filtraj de valoare infinita, astfel incat curentul redresat in consumatorul rezistiv este in mod practic constant.

Toate aceste ipoteze simplificatoare permit o analiza cantitativa a proceselor ce au loc in redresoarele polifazate cu rezultate suficient de bune fata de masuratorile experimentale. Analiza functionarii redresoarelor polifazate cu secundarul in stea, numite si cu punct median, poate fi extinsa si la alte tipuri de scheme de redresare. Deoarece in schema din fig sunt utilizate dispozitive redresoare necomandate, aceasta reprezinta in fapt un redresor cu comutatie de la retea, la care momentele de comutare se obtin din diagrama tensiunilor (figura 2) unde tensiunile de faza s-au notat cu u₂₁, u₂₂, u₂₃, iar tensiunea redresata cu u_d .

In figuraadmitand ca tensiunile din secundar formeaza un sistem simetric (in continuare raportul de transformare w a tensiunii se va considera unitar), din cele trei diode va conduce numai aceea al carui anod, la momentul considerat, se gaseste la potentialul cel mai ridicat fata de punctul neutru, curentul distribuindu-se in mod egal pe cele trei faze, in intervalul de conductie. Pe baza simplificarilor admise, deoarece nu exista inductante de scapari, se realizeaza o comutatie instantanee a curentului intre doua faze, care conduc in mod succesiv, deci fronturile crentilor prin dispozitivele redresoare sunt nule.

Tensiunea redresata in aceasta situatie va fi data de infasurarea pozitiva a tensiunilor de faza ale secundarului transformatorului (fig).

Pentru un secundar cu trei faze (m≡3) durata de conductie este π radiani in fiecare perioada, pentru fiecare dispozitiv redresor.

- fig. 2 -

Analiza regimului stationar al redresoarelor polifazate cu m faze

Pentru calcularea valorii medii a tensiunii redresate se alege originea argumentelor (0) ca in expresia 2 deci functia tensiunii redresate este para, continand numai componente in cosinus.

Valoarea medie a tensiunii redresate in cazul unui redresor cu m faze devine:

U_d0 = U₂cosωtd(ωt)=U₂ (1)

Unde U₂ este valoarea efectiva a tensiunii in secundarul transformatorului; indicele "0" caracterizand situatia unui redresor ideal. Relatia de mai sus este valabila pentru

m=2, 3, .

Pentru m lim U_d0=U₂ (2)

Valoarea efectiva a tensiunii redresate, daca se alege acelasi punct de referintase calculeaza astfel:

U_d0ef=    (3)

Insa: cos²=. (4)

Expresia 3 devine:

U_d0ef = = U₂ (5)

Cand m , lim U_d0ef = U₂. (6)

m

Din relatiile (2) si (6) se observa ca atat valoarea medie, cat si valoarea efectiva a tensiunii redresate in cazul cand m , tind sa se apropie de valoarea de varf a tensiunii de alimentare.

Pentru a calcula continutul de armonici al tensiunii redresate, daca se alege punctul de referinta conform figurii----- rezulta o dezvoltare Fourier cu termeni in cosinus.

Amplitudinile spectrale se calculeaza cu relatia generala:

B_n = (7)

In cazul considerat, deoarece intr-o perioada sunt m segmente identice rezulta:

B_n =2 (8)

Dar,   

cos= (9)

Rezultatul expresiei (8) devine:

B_n =     (10)

Amplitudinea armonicii de ordinul n, in care n=km (k=1, 2, l) si tinand cont de faptul ca termenii sin devine:

(11)

Cu mentiunea ca cosk=

Valoarea relativa a diverselor armonici componente, multipli intregi (n=km), se calculeaza:

(12)

Din expresia de mai sus rezulta ca este avantajos a se mari numarul de faze, deoarece in acest mod scade continutul de armonici si creste frecventa primei armonici din spectru (n=km), ceea ce evident conduce la un filtru de netezire mai putin pretentios, cu componente de valori mai mici, cu un pret de cost mai redus.

Formele de unda si valorile curentilor de faza in secundar si prin rezistenta d sarcina depind de natura sarcinii. Pentru cele doua situatii extreme L_s= si L_s=0 calculam valorile medii si efective ale curentilor:

a)     L_s=

Valoarea medie a curentilor de faza in secundar (ca si a curentilor prin dispozitivele redresoare pentru conexiunea mentionata) este:

(13)

unde I_da este curentul prin sarcina.

Valoarea efectiva are expresia:

(14)

b)    L_s=0

In aceasta situatie, deoarece sarcina este rezistiva, valoarea medie si valoarea

efectiva rezulta direct din expresia valorilor corespunzatoare ale tensiunilor:

(15)

(16)

Valoarea medie a curentului de faza in secundar este:

(17)

iar valoarea efectiva:

(18)

Pentru a putea caracteriza functionarea unui redresor este necesara definirea unor parametri ca: factorul de redresare, factorul de forma al tensiunii redresate, factorul de utilizare al transformatorului, etc.

Raportul:

(19)

se numeste factor de redresare si este exprimat prin catul dintre valoarea medie si valoarea de varf a tensiunii redresate.

Se poate observa ca atunci cand

(20)

limita care exprima apropierea valorii medii de valoarea de varf a tensiunii redresate pentru redresoare cu m faze.

Factorul de forma al tensiunii redresate are expresia:

(21)

Pentru

(22)

Factorul de forma poate, de exemplu, reprezenta o masura a erorii c se poate face la masuraraea tensiunii medii redresate su un instrument electromagnetic (care indica valoarea medie a tensiunii masurate), eroare cu atat mai mare cu cat K_f este mai mic decat unitatea.

In succinta analiza efectuata s-a constatat ca transformatoarele redresoarelor sunt alimentate de la tensiuni sinusoidale, insa in realitate, deoarece dispozitivele redresoare sunt pronuntat neliniare, atat primarul cat si secundarul sunt parcursi de curenti pronuntat nesinusoidali, redresorul fiind deci o sursa deformata pentru reteaua de alimentare.

Factorul de utilizare al transformatorului, atat pentru infasurarile primare cat si pentru cele secundare, este definit ca raportul dintre puterea utila transmisa sarcinii si puterea aparenta a acelei infasurari.

Un factor de utilizare mai mare reprezinta un gabarit si un pret de cost mai redus la o putere utila ceruta.

Factorul de utilizare al secundarului transformatorului este:

(23)

unde P_d0 este puterea de curent continuu in secundar, deci in sarcina, iar S₂ - puterea aparenta a secundarului transformatorului.

Pentru cazul redresoarelor conectate in stea, deci cele cu punct median, raportul (23) devine:

(24)

Factorul de utilizare al primarului transformatorului este definit de raportul dintre puterea medie disipata in sarcina, P_d0 si puterea aparenta S₁ a infasurarilor primare:

(25)

U₁ si I₁ sunt valorile efective ale tensiunii si curentului infasurarii primare, m₁ este numarul de faze primare.

In general atat K₁ cat si K₂ difera de la un tip de redresor la altul. Pentru a dimensiona gabaritul transformatorului se introduce notiunea de putere de gabarit sau de calcul:

(26)

In tabel sunt date valorile factorului de redresare, factorului de forma si a celui de utilizare, functie de numarul m de faze secundare pentru redresoarel cu secundarul in stea (cu punct median).

Din tabel rezulta ca, desi D_r si K_f tind catre valorile lor optime atunci cand numarul de faze creste, K₂ are valoarea optima pentru m=3.

Aceste avantaje si dezavantaje pot fi conjugate prin utilizarea unor conexiuni speciale de redresare in punte care vor fi stabilite ulterior, obtinandu-se astfel concomitent valori optime pentru D_r, K_f cat si K₂.