Redresoare - Redresoare monofazate

Redresoare

1. Generalitati

Redresoarele au rolul de a transforma energia de c.a in energie de c.c.. Ele fac parte dintr-o gama mai larga de instalatii numite mutatoare. Mutatoarele transforma, prin elemente neliniare unidirectionale, energia electromagnetica primita la intrare cu anumiti parametri, in energie electromagnetica debitata la iesire cu alti parametri. Principalele circuite care intra in categoria mutatoarelor sunt:

redresoarele (fig.9.36a) transforma c.a in c.c.

- invertoarele sau onduloarele (fig.9.36b) au rolul de a obtine, pornind de la o sursa de tensiune continua, un curent alternativ cu o forma suficient de apropiata de cea sinusoidala pentru a fi utilizat industrial. Un ondulator poate fi autonom, atunci cand debiteaza intr-un circuit independent de alte circuite de c.a. sau neautonom, atunci cand debiteaza intr-o retea cu frecventa constanta (cum sunt retelele din sistemul energetic national). Un ondulator neautonom poate indeplini si functia de redresor, dupa regimul de lucru care se impune circuitului (fig.9.36c).

- convertizoarele statice de frecventa transforma c.a. de o anumita frecventa, in c.a. de alta frecventa. Daca se urmareste obtinerea unei tensiuni cu o frecventa variabila, pornind de la reteaua industriala cu frecventa de 50 Hz, ceea ce corespunde celor mai frecvente aplicatii ale acestor circuite, se utilizeaza o schema cu ondulator autonom (fig.9.36d).

- convertizoarele de curent continuu transforma tensiunea continua prin urmatoarele operatii: tensiunea continua de intrare este transformata de un invertor in tensiune alternativa, care se aplica la infasurarea primara a unui transformator, iar tensiunea secundara se aplica unui redresor, obtinandu-se o tensiune continua diferita de cea de intrare (fig.9.36e).

Redresoarele sunt cele mai raspandite circuite din categoria mutatoarelor. Ele pot fi: necomandate, atunci cand tensiunea continua obtinuta la iesire nu poate fi reglata prin elementele componente ale redresorului, sau comandate, cand redresorul este conceput cu elemente si dupa scheme ce permit ajustarea tensiunii continue de iesire.

Dupa principiul de functionare, redresoarele se impart in doua categorii: redresoare mecanice si redresoare electrice.

La redresoarele mecanice circuitul de utilizare este intrerupt sau comutat simultan cu schimbarea polaritatii sursei de tensiune alternativa. Procesul de redresare este similar cu cel efectuat de colectorul generatoarelor de c.c.

Aceste redresoare prezinta dezavantajul ca au piese in miscare, deci sunt supuse uzurii si prezinta dificultati in comutarea curentilor mari. Datorita acestor dezavantaje, utilizarea redresoarelor mecanice este din ce in ce mai redusa, fiind folosita numai la curenti foarte mici si tensiuni ridicate, in instalatii cu durata de functionare redusa.

Redresoarele electrice sunt formate din doi electrozi: un anod si un catod, separati printr-un mediu cu proprietati speciale (permite ca sarcinile negative sa circule numai de la catod la anod, circulatia in sens invers fiind oprita, iar sarcinile pozitive pot circula numai de la anod la catod, circulatia in sens invers fiind de asemenea oprita ).

Reprezentarea simbolica a unui redresor electric este data in fig.9.37 (A-anodul si K-catodul). Prin redresor curentul circula de la anod la catod, sens direct.

Redresoarele electrice se impart in mai multe grupe, in functie de caracteristicile fizice ale mediului care separa cei doi electrozi.

Astfel se deosebesc:

- redresoare cu semiconductoare (redresoare uscate)

- redresoare electronice

- redresoare ionice.

Ca elemente redresoare se pot folosi: diode cu catod cald cu vid inaintat (kenotroane), diode cu catod cald cu gaze (gazotroane), triode cu catod cald cu gaze (tiratroane), tuburi redresoare cu arc de mercur, elemente redresoare semiconductoare (cu seleniu, cu oxid cupros, diode cu siliciu, diode cu germaniu, tiristoare, etc.).

Dupa felul tensiunii alternative de intrare, redresoarele pot fi monofazate sau polifazate. Redresoarele monofazate se construiesc de obicei la puteri mici. Redresoarele polifazate (trifazate, hexafazate, etc.), de regula comandate, se construiesc la puteri medii si mari, care in general sunt utilizate la alimentarea motoarelor de c.c..

Marimile ce caracterizeaza un redresor sunt:

- tensiunea redresata, in sarcina U_o;

- curentul redresat, in sarcina I_o;

- tensiunea de strapungere, definita ca tensiunea limita in perioada de neconductie (deci tensiunea inversa, care strapunge spatiul dintre anod si catod);

- curentul invers, definit drept curent limita admis in perioada de neconductie;

- randamentul, definit ca raportul dintre puterea data sarcinii si puterea primita de redresor in perioada de conductie.

Principalele caracteristici ale unui redresor de uz general sunt:

- puterea nominala a redresorului - egala cu puterea pe care o poate debita in sarcina, in regim nominal de functionare, fara a exista pericolul deteriorarii redresorului datorita depasirii temperaturii de functionare sau a unor valori maxime admise pentru elementele schemei;

- tensiunea nominala a redresorului - egala cu tensiunea la bornele de iesire atunci cand redresorul functioneaza la puterea nominala. Cunoscand puterea nominala si tensiunea nominala rezulta curentul nominal al redresorului:

(9.8)

- caracteristica externa a redresorului - reprezinta dependenta tensiunii redresate U_o, in functie de curentul redresat I_o, atunci cand curentul variaza intre zero si I_on . Modificand rezistenta de sarcina R_s (fig.9.38) se obtine dependenta U_o(I_o) a carei forma de variatie este reprezentata in fig.9.39.

2. Redresoare monofazate

Dupa modul de utilizare a celor doua semialternante, redresoarele monofazate pot fi: monoalternanta si dubla alternanta.

Schema redresorului monoalternanta este data in fig.9.40. In timpul semialternantei pozitive prin elementul redresor R curentul trece in sens direct, iar in timpul semialternantei negative curentul va fi zero (in cazul unui element redresor ideal). Curbele de variatie a tensiunilor u₂(t) si u₀(t) si a curentului i₀(t) sunt date in fig.9.41.

Tensiunea u₂ fiind de forma :

, (9.9)

valoarea medie(componenta continua) a tensiunii redresate va fi:

0,45 U₂

Transformatorul intermediar, montat in majoritatea schemelor de redresare, are rolul sa schimbe valoarea tensiunii alternative a sursei de alimentare, astfel ca dupa redresare aceasta sa aiba valoarea dorita.

Pentru redresarea ambelor alternante ale curentului se utilizeaza doua scheme fundamentale:

- schema cu priza mediana la transformator (fig.9.42)

- schema in punte(fig.9.43).

Se observa ca cele doua tensiuni ale infasurarilor secundare, U_0a si U_0b se afla in opozitie de faza. Pentru una din semiperioade cand tensiunea din infasurarea ab actioneaza in sens pozitiv, borna "b" este pozitiva fata de punctul 0 si prin urmare, curentul trece prin elementul redresor 1 (sageata figurata cu linie continua). In aceasta semiperioada borna "a" a infasurarii 0a este negativa fata de priza mediana si prin urmare, elementul redresor 2 nu conduce. In perioada urmatoare, cand tensiunile din infasurarea primara si cea secundara isi inverseaza sensul, curentul va trece prin elementul redresor 2 (sageata figurata cu linie intrerupta), iar elementul redresor 1 se blocheaza.

Variatia tensiunilor si a curentilor din circuitul reprezentat in fig.9.42 este dat in fig. 9.44. Curentul care trece prin rezistenta de sarcina (I_o) are o variatie dublu pulsativa in intervalul unei perioade si constituie curentul redresat.

Valoarea medie a tensiunii redresate U_o se calculeaza in mod analog, ca in cazul redresarii unei singure alternante si rezulta evident:

(9.11)

unde U₂=U_0b=U_0a reprezinta valoarea efectiva a tensiunii de la bornele celor doua portiuni ale infasurarii secundare a transformatorului.

In cazul schemei in punte exista patru elemente redresoare, care pot fi legate direct la retea, fara intermediul transformatorului, cu conditia ca tensiunea inversa admisibila a elementelor redresoare sa fie mai mare decat (U este valoarea efectiva a tensiunii retelei).

Elementele redresoare se conecteaza astfel incat intr-o semiperioada sa conduca redresoarele 1 si 2 (sensul curentului este figurat cu sageata cu linie continua), iar in cealalta semiperioada sa conduca redresoarele 3 si 4 (sensul curentului este figurat cu sageata cu linie intrerupta). Curentul I_o trece prin rezistenta de sarcina R_s tot timpul in acelasi sens, variatia fiind dublu pulsativa (fig.9.44.b).

Valorile medii ale tensiunii redresate sunt aceleasi ca si in schema precedenta (U₂=U_ab).

Redresoarele dubla alternanta au urmatoarele avantaje fata de cele monoalternanta:

- tensiunea redresata U_o este de doua ori mai mare fata de tensiunea data de redresorul monoalternanta;

- componenta alternativa din tensiunea redresata este mai mica si are frecventa dubla fata de frecventa tensiunii redresate.

3. Filtrarea tensiunii redresate

Netezirea pulsatiilor tensiunii redresate se face cu ajutorul filtrelor. Filtrele se conecteaza dupa blocul redresor propriu zis si au rolul de a pondera cat mai mult componenta alternativa din tensiunea redresata.

Cea mai simpla schema de redresoare cu filtru este cea din fig.9.45 (filtru compus dintr-un condensator legat in paralel fata de sarcina). Functionarea schemei se poate urmari din diagrama data in fig.9.46.

Aplicand teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul secundarului transformatorului rezulta:

u₂ = u_a+u_c

in care tensiunea de la bornele condensatorului u_c este egala cu tensiunea de la bornele rezistentei de sarcina R_s.

Tensiune anodica u_a, de la bornele elementului redresor este

u_a = u₂-u_c

Urmarind functionarea schemei din momentul aplicarii tensiunii de alimentare, se constata ca pe portiunea de crestere a tensiunii u₂ din prima semiperioada, avem si deci . Elementul redresor va conduce si condensatorul C se incarca de la secundarul transformatorului. Rezistenta de incarcare a condensatorului fiind foarte mica (intervine numai rezistenta ohmica a infasurarii secundare a transformatorului si rezistenta in sens direct a elementului redresor, considerata egala cu zero, prin idealizare), constanta de timp a circuitului este mica si deci incarcarea condensatorului se va face foarte rapid, urmarind indeaproape tensiunea u₂. In momentul t₁ avem u₂ = u_c, deci u_a = 0, iar in momentul urmator u₂ scade sub u_c, deci . Elementul redresor se blocheaza si condensatorul C se va descarca pe rezistenta de sarcina R_s. Constanta de timp la descarcare , este mai mare si rezulta o scadere lenta a tensiunii u_c.

In momentul t = t₂ avem din nou u₂ = u_c, deci u_a = 0, iar in momentul urmator tensiunea u_a devine pozitiva si elementul redresor va conduce, permitand incarcarea rapida a condensatorului C, pana la t = t₃. In continuare condensatorul se descarca, pana cand elementul redresor va conduce din nou, si asa mai departe.

Tensiunea u_c are mici oscilatii in jurul valorii constante U_o, care reprezinta, in acelasi timp, tensiunea continua de la bornele rezistentei de sarcina. Se remarca faptul ca U_o are o valoare mai mare decat tensiunea U_o din schema redresorului monoalternanta fara filtru (vezi fig.9.41). In acelasi timp, in cazul redresorului cu filtru, componenta alternativa (oscilatie in jurul valorii U_o) rezulta mult mai mica.

In schema redresorului cu filtru capacitiv, elementul redresor conduce numai in intervalul de timp cand u₂ mai mare decat u_c (0-t₁; t₂-t₃; etc.); curentul prin elementul redresor i_a avand forma data in fig.9.46.

Performantele redresorului cu filtru depind de valoarea rezistentei de sarcina R_s. In fig.9.47 este reluata diagrama din fig .9.46 pentru o rezistenta R_s mai mica. Constanta de timp de descarcare () este mai mica, deci descarcarea condensatorului se face mai rapid.

Tensiunea U₀ scade, iar componenta alternativa creste fata de cazul precedent. Pentru acelasi tip de filtru performantele sunt mult mai bune in cazul redresorului dubla alternanta. Acest lucru se poate remarca in fig.9.48, unde se da variatia tensiunii u_c in cazul redresarii ambelor alternante cand constanta de timp de descarcare a condensatorului are aceeasi valoare ca in cazul diagramei din fig.9.47.

Pentru ca eficienta filtrarii sa fie buna este necesar ca valoarea capacitatii condensatorului de filtrare sa fie cat mai mare. Din acest motiv, in schemele filtrelor se utilizeaza condensatoare electrolitice, care pot functiona la valori mari ale capacitatilor.

In afara filtrelor cu un condensator se pot utiliza filtre cu inductante de filtraj. In acest caz blocul de filtraj din fig.9.45 cu bornele de intrare 1-1^' si bornele de iesire 2-2', se inlocuieste cu un bloc avand schema data in fig.9.50. Bobina are o rezistenta ohmica practic neglijabila, insa reactanta inductiva fiind mai mare va duce la diminuarea transmiterii la sarcina a componentei alternative din tensiunea redresata. Bobina de filtraj se mai numeste si bobina de soc sau drosel.

Filtrele cu condensator si inductanta sunt filtre elementare, fara performante deosebite. Principalul criteriu de apreciere a calitatii unui filtru este factorul de ondulatie a tensiunii de la iesirea filtrului:

in care U_1meste amplitudinea primei armonici din tensiunea de iesire, iar U₀ este componenta continua. Pentru obtinerea unor factori de ondulatie mai mici se utilizeaza filtre combinate: L-C sau C-L-C (fig9.50). Deoarece bobinele de filtraj sunt elemente costisitoare, in multe scheme care nu necesita performante deosebite ele se inlocuiesc cu rezistoare, obtinandu-se filtre de tip R-C sau C-R-C (fig.9.51).

4. Redresoare trifazate

Redresoarele trifazate se construiesc pentru puteri nominale mari. Cea mai simpla schema de redresor trifazat (fig 9.52) utilizeaza un transformator trifazat, avand secundarul conectat in stea. Functionarea schemei se poate urmari in diagrama din (fig 9.53). La un moment oarecare conduce elementul redresor care are anodul la potentialul cel mai ridicat.

Curentul de sarcina este:

i₀ = i₁ + i₂ + i₃ (9.12)

si are, in cazul sarcinii rezistive, o forma pulsatorie.

Tensiunea redresata u₀, de la bornele rezistorului R_s, este egala cu tensiunea pe faza in care elementul redresor conduce si are forma curbei cu linie intarita (in intervalul unei perioade exista trei pulsuri) din fig.9.53.In momentele t₁, t₂, t₃ se produce comutarea conductiei de pe o faza pe alta.

Valoarea medie a tensiunii redresate U₀, de la bornele rezistorului R_s, se obtine din relatia:

Rezulta: (9.13)

unde U_f este valoarea efectiva a tensiunii pe faza de la bornele secundarului transformatorului.

In schema considerata, tensiunea inversa la bornele unui element redresor este determinata de tensiunea intre fazele infasurarii secundare.

Valoarea maxima a tensiunii inverse este egala cu valoarea maxima a tensiunii intre faze:

(9.14)

Infasurarea primara a transformatorului trifazat se leaga fie in stea, fie in triunghi. Fiecare din aceste conexiuni introduce anumite particularitati in functionarea schemei.

O alta schema foarte des folosita in practica datorita performantelor superioare pe care le prezinta, este schema de redresare trifazata in punte (fig.9.54). In aceasta schema, la un moment oarecare conduc doua elemente redresoare: elementul redresor cu anodul supus la potential cel mai ridicat si elementul redresor cu catodul supus la potentialul cel mai scazut. Astfel, in intervalul t₁-t₂ conduc elementele redresoare 1 si 5 ; in intervalul t₂-t₃conduc redresoarele 1 si 6 ; in intervalul t₃-t₄ conduc redresoarele 2 si 6 etc. Se remarca faptul ca frecventa comutarilor este de doua ori mai mare decat in cazul redresorului trifazat obisnuit, deci perioada pulsatiilor tensiunii redresate este de doua ori mai mica.

In fig.9.55 sunt prezentate diagramele de variatie ale tensiunilor pe faza de la secundarul transformatorului , ale curentilor i₁ , i₂ , i₃ prin elementele redresoare , diagrama curentului redresat si a tensiunii redresate.

T/6

T

Uo

uo

io

Tensiunea redresata u_o , de la bornele rezistentei de sarcina R_s corespunde diferentei potentialelor intre acele borne ale infasurarii secundare la care sunt legate elementele redresoare in conductie(u_o corespunde segmentelor verticale cuprinse intre curbele trasate cu linie intarita in fig.9.55 ).

Valoarea medie a tensiunii continue U_o este de doua ori mai mare decat in cazul redresorului trifazat simplu:

_f 2,34 U_f (9.15)