Notiuni generale - convertoare

Notiuni generale - convertoare

Pentru a asigura modificarea in limite largi a vitezei motoarelor de curent continuu (prin comanda pe indus si pe excitatie) este necesar sa dispunem de o sursa de tensiune continua variabila. In general, energia electrica este transmisa consumatorului sub forma energiei de curent alternativ prin reteaua de alimentare. Din acesta cauza se impune folosirea unui convertor, care sa transforme energia de c.a. de tensiune si frecventa constante in energie de c.c. de tensiune variabila.

Initial, tensiunea continua variabila se obtinea tot de la o masina de c.c., functionand ca generator, antrenata de un motor de c.a. Tensiunea generatorului era aplicata direct la bornele motorului de c.c. a carei turatie trebuia modificata. Variatia tensiunii generatorului se realiza prin modificarea tensiunii de excitatie. Acest sistem s-a numit grup generator-motor (Ward-Leonard) sau convertizor rotativ.

Odata cu dezvoltarea electronicii si aparitia dispozitivelor semiconductoare de putere au aparut si s-au dezvoltat convertoarele statice. Dispozitivele semiconductoare de putere, care echipeaza aceste convertoare, functioneaza ca un comutator (ventil) comandat electronic si se mai numesc elemente de comutatie.

Primul dispozitiv cu functionare in comutatie a fost asa-numitul silicon controlled rectifier (SCR) cunoscut sub numele de tiristor. Odata cu aparitia tiristoarelor s-a nascut un nou domeniu al ingineriei electrice denumit electronica de putere. Aplicatiile electronicii de putere s-au extins cu rapiditate in multe domenii: convertoare pentru actionari electrice, surse de putere pentru echipamente electronice, convertoare de inalta frecventa pentru electronica de aviatie etc.

Cu dezvoltarea tehnologiei fabricarii semiconductoarelor, noi dispozitive au inceput sa-si faca aparitia: triacul, tiristoare cu comanda pe poarta (GTO), tranzistoare bipolare de putere (BJT), tranzistoare cu efect de camp si substrat de oxizi metalici (MOSFET), transzistoare bipolare cu poarta izolata (IGBT), tranzistoare cu inductie statica (SIT), tiristoare cu inductie statica (SITH), si tiristoare cu substrat de oxizi metalici (MCT).

Schemele cu diode care se numesc scheme necomandate permit convertirea energiei de c.a. in energie de c.c. fara posibilitatea reglarii acesteia. Schemele cu tiristoare, triac-uri, tranzistoare de putere etc., denumite scheme complet comandate si schemele care contin aceste elemente dar si diode numite scheme semicomandate permit convertirea energiei de c.a. in energie de c.c. cu posibilitatea reglarii parametrilor acesteia.

Procesele de comutatie din convertor dureaza un timp extrem de scurt. Curentul de sarcina al convertorului (prin motor) datorita inductivitatii circuitului de sarcina se considera constant in analiza proceselor de comutatie din convertor.

Acest curent trebuie totdeauna sa se inchida prin elementele de comutatie in conductie ale convertorului. Prin comutatie se intelege deci transferul periodic al curentului de sarcina de pe un element de comutatie (ventil) pe elementul urmator.

In comutatia ideala curentul de sarcina scade brusc, printr-un element care a condus si creste in urmatorul (fig 2.1.a). In realitate curentul scade cu o anumita panta di/dt prin elementul care a condus si creste prin elementul urmator, astfel incat curentul de sarcina sa fie permanent (fig. 2.1.b).

Exista prin urmare un timp, respectiv un unghi ωt, in care ambele elemente conduc. Acest unghi se numeste unghi de suprapunere. Cele trei elemente (ventile) s-au considerat montate cate unul pe fiecare faza secundara a unui transformator trifazat cu punct median (schema trifazata cu punct median). Procesul real de comutatie va reprezenta pentru reteaua de alimentare un scurtcircuit temporar iar curentul va fi limitat de reactantele de scapari pe faza ale transformatorului.

Conectarea convertorului la reteaua de alimentare este necesara pentru adaptarea tensiunii fixe a retelei la tensiunea nominala a sarcinii (motorului). Daca aceasta adaptare nu este necesara, convertorul se conecteaza la retea prin intermediul unor asa-numite bobine de retea care preiau rolul inductivitatilor transformatorului. Din cele prezentate rezulta clar ca nu este permisa conectarea directa a convertorului la retea.

Exista si situatii cand avem la dispozitie o retea de c.c. cu tensiune constanta (tramvaie, troleibuze) sau baterii de acumulatoare (electromobile, electrocare etc.). Prin urmare, convertoarele statice destinate alimentarii motoarelor de c.c. se pot clasifica in:

convertoare curent alternativ - curent continuu (c.a. - c.c.),

convertoare curent continuu - curent continuu (c.c. - c.c.).

In cazul alimentarii convetorului de la o retea de curent alternativ puterea reactiva necesara comutarii curentului este furnizata de sursa de tensiune externa (reteaua de alimentare). Din aceasta cauza un asemenea convertor se numeste cu comutatie externa, sau cu comutatie naturala, sau cu comutatie de la retea.

In cazul alimentarii convertorului de la o retea de curent continuu, reteaua nu poate furniza puterea reactiva necesara procesului de comutatie. Energia reactiva necesara trebuie obtinuta de la convertor, care - in acest caz - trebuie sa fie cu comutatie proprie sau cu comutatie fortata.

In concluzie, modul de comutatie indica sursa de unde este obtinuta puterea reactiva necesara functionarii convertorului [7].

Pentru convertoarele cu tiristoare cu comutatie de la retea, frecventa impusurilor de comanda - aplicate pe grilele tiristoarelor - trebuie sincronizata cu frecventa retelei. Convertorul se numeste cu comanda externa, sau mai exact, comandat de retea.

La convertoarele cu comutatie proprie, frecventa impulsurilor de comanda - aplicate tiristoarelor principale si de stingere - este proportionala cu tensiunea de comanda aplicata unui convertor tensiune - frecventa. Frecventa tensiunii de iesire a convertorului cu tiristoare este proportionala cu tensiunea de comanda si nu depinde de sarcina convertorului sau de retea, fiind realizata in convertor. Un asemenea convertor se numeste cu comanda proprie.

In concluzie, modul de comanda arata felul in care se formeaza frecventa de lucru a convertorului. Pentru a nu trage concluzii gresite, trebuie mentionat ca nu toate convertoarele cu comutatie externa trebuie sa fie si cu comanda externa dupa cum nu toate convertoarele cu comutatie proprie trebuie sa fie si cu comanda proprie [11].