VARIATOARE DE c.a. MONOFAZATE

VARIATOARE DE c.a. MONOFAZATE

Variatoarele de c.a. permit modificarea valorii medii a tensiunilor de iesire, frecventa tensiunilor de iesire fiind aceeasi cu a tensiunilor de intrare. Ele pot fi realizate cu ventile ionice, tiristoare, triacuri si fototiristoare, deosebindu-se variatoare de c.a. monofazate si trifazate.

Pentru analiza fenomenelor care au loc la variatoarele de c.a. monofazate se va considera: un variator de ca. monofazat cu ventile ideale, legate in antiparalel (fig.1); tensiunea de alimentare sinusoidala; parametrii sarcinii R, L constanti. Ventilul V₁ este comandat cu un sir de impulsuri, cu perioada 2p si defazate fata de tensiunea U₁ cu unghiul a (unghiul de comanda), iar ventilul V₂ cu un sir de impulsuri cu perioada 2p si defazat fata de primul sir de impulsuri cu p Dispozitivul de comanda DC permite modificarea unghiului a de la 0 la p

Ecuatia    diferentiala a circuitului este:

Solutia ecuatiei (2.1)    corespunzatoare intervalului wt[a a_B] este:

Fig.2 Variatoare de c.a. monofazate: schema (a), forme

de unda (b,c,d)

unde:

Pentru cazul unei sarcini pur rezistive ( φ=0)

iar pentru sarcina pur inductiva;

Ventilul V₁ se blocheaza in momentul trecerii curentului prin 0 unghiul de blocare a_1B rezultand din relatia:

Solutiile ecuatie sunt date in figura 3.

Daca unghiul de conductie λ=a_B a al ventilului v₁este < p atunci la aplicarea impulsului de comanda ventilului V₂acesta poate trece in stare de conductie, ventilul V₁aflanduse in stare de conductie,numai dupa blocarea impulsului V₁ daca impulsul de comanda aplicat ventilului V₂ are o latime.

Cat timp unul din ventile conduce, celalalt nu poate fi trecut in stare de conductie, din cauza tensiunii anod-catod negative.

Variatoarele de c.a. monofazate functioneaza, de obicei, cu  <p In acest caz, in intervalul de conductie al ventilului V₂ ecuatia circuitului este tot ecuatia cu solutia:

Fig.3 Graficul functiei a_1B=f(a) pentru φ=constant

Daca la functionarea simetrica a variatorului de c.a. se modifica unghiul de comanda a ventilelor, are loc modificarea valorii medii a tensiunii si curentului si deci, a puterii medii transmise sarcinii. Modificarea progresiva a unghiului de comanda a ventilelor variatoarelor de c.a., in scopul modificarii puterii medii transmise sarcinii, poarta denumirea de comanda progresiva sau cu control de faza. La comanda progresiva a variatoarelor de c.a. unghiul de comanda poate fi modificat in intervalul a a p), unde unghiul limita a rezulta din conditia: pentru a a p , sau pentru ωt=a p, i = 0.

Valoarea medie a tensiunii u₂ aplicate sarcinii, pentru cazul sarcinii pur rezistive    este:

Fig.4. Graficul e_med=f(a) pentru cazul sarcinii pur resistive si dependenta V_m1 si V₁₀ in functie de unghiul de comanda

Raportand valoarea medie a tensiunii u₂, la valoarea medie maxima U_20med (a=0), rezulta:

De asemenea se obtine:

La modificarea unghiului de comanda, curentul de sarcina este distorsionat. Continutul in armonici a curentului de sarcina depinde de unghiul de comanda. in figura 4 este data dependenta amplitudinii armonicii fundamentale, raportata la valoarea maxima si a fazei armonicii de baza in functie de unghiul de comanda.

Din figura 4, rezulta ca exista un defazaj al armonicii fundamentale a curentului, pentru a # 0, chiar pentru cazul sarcinii pur rezistive, defazaj care creste odata cu cresterea unghiului de comanda. Datorita acestui defazaj, apare o putere reactiva, numita putere reactiva de comanda..

Armonicile superioare ale curentului de sarcina produc perturbatii suparatoare in functionarea canalelor de telecomunicatii, a aparatelor electronice de masurat si control sau a altor echipamente din vecinatate. Pentru evitarea acestor perturbatii, se recomanda ca variatoarele de c.a. cu puteri mai mari de 250 W, sa fie prevazute cu filtre pentru reducerea armonicilor.

Circuitul energetic al variatoarelor de ca. poate avea una din structurile prezentate in figura 5.

Variatorul de c.a. cu doua tiristoare in antiparalel (fig. 5. a) are o structura simpla, dar prezinta urmatoarele dezavantaje:

- necesita doua dispozitive de comanda izolate galvanic intre ele;

- in cazul aparitiei unei supratensiuni dinspre retea sau din cauza sarcinii, exista pericolul distrugerii tiristoarelor. In adevar, daca la aparitia unei supratensiuni, tiristorul care este polarizat direct nu amorseaza ca urmare a depasirii tensiunii de basculare de nul, sau prin efect d_u d_t, celalalt tiristor se poate strapunge. Schema din figura 5. b, are avantajul ca foloseste un singur tiristor, in schimb, nu permite reglarea puterii decat in domeniul: P_max/2-P_max In plus, reglarea puterii este insotita de aparitia unei componente continue a curentului, a carei valoare este cu atat mai pronuntata cu cat unghiul de comanda al tiristorului este mai mare.

Fig.5 . Structura circuitului energetic al variatoarelor

de c.a.

In figura 5.c, este reprezentat circuitul energetic al unui variator de c.a. la care catozii tiristoarelor sunt legati direct, iar fiecare tiristor are montat in antiparalel, cate o dioda. Prezenta diodelor in antiparalel nu permite aparitia unor tensiuni inverse pe tiristoare si deci asigura protectia tiristoarelor la supratensiuni. Un alt avantaj al schemei este acela ca permite utilizarea unui singur dispozitiv de comanda, deoarece tiristoarele au catodul comun.

Schema unui variator de c.a. cu un singur tiristor montat in bratul unei punti cu diode este data in figura 5 d. Un dezavantaj al schemei este acela ca, la functionarea variatorului cu sarcina rezistiva inductiva, in momentul iesirii din conductie a tiristorului. pe tiristor apare brusc tensiunea sursei, cu valoarea instantanee corespunzatoare momentului blocarii tiristorului . Tiristorul abia iesit din conductie, poate amorsa la o valoare a lui d_u/d_t mai mica, decat daca ar face parte din structura unui variator cu doua tiristoare. Schema cu tiristor montat in bratul puntii cu diode are si neajunsul ca, la functionarea cu sarcina rezistiv-inductiva, poate avea loc si pierderea controlului asupra comenzii tiristorului, acesta ramanand in conductie tot timpul.

Fig.6. Comanda tiristoarelor prin foto tiristoare

Variatoarelor de c.a. pot fi realizate si cu triacuri (fig. 5.c) triacul fiind un element semiconductor care indeplineste functia a doua tiristoare in antiparalel. De asemenea, se construiesc variatoare de c.a. cu fototiristoare (fig.5.f), fototiristoarele prezentand avantajul de-a imbina rolul de traductor lumina-curent si element de comutatie. Pentru comanda unor puteri mai mari decat acelea pe care le pot controla fototiristoarele, se construiesc variatoare de c.a. cu tiristoare comandate prin fototiristoare. In functie de modul de legare a fototiristorului cu tiristorul de putere, grupa de clemente poate indeplini functia unui ventil normal inchis (fig. 6, a) sau de ventil normal deschis (fig.6. b).

Din punctul de vedere al caderii de tensiune pe ventile, cea mai mica cadere de tensiune o au schemele din figura 5, a, 5,b si cea mai mare schema din figura 5.e.f

Structura dispozitivului de comanda DC al variatoarelor de c.a. depinde de natura ventilelor (tiristoare, triacuri), de destinatia variatorului si de regimul de functionare.

In functie de modul in care se modifica marimea de intrare a dispozitivului de comanda, variatoarele de c.a. pot indeplini functia de comanda manuala sau automata a tensiunii sau curentului din circuitul energetic sau functia de reglare a tensiunii sau curentului .

Bibliografie

1. Dimitrie Alexa si colectivul - Convertoare de putere cu circuite rezonante, Editura Tehnica Bucuresti 1998
2. Florin Ionascu si colectivul - Electronica de putere. Convertoare statice, Editura Tehnica Bucuresti 1998
3. Arpad Kelemen - Electronica de putere. Editura didactica si pedagogica, Bucuresti 1998