4. Choppere de putere

4.1. Generalit ăţi - Chopperul este o instalaţie electronică folosită la modificarea valorii medii a tensiunii la bornele unui consumator, alimentarea lui fiind realizată de la o sursă de tensiune continuă de valoare fixă. Schema:

CS – contactor static – ansamblu de tiristoare la care prin aplicarea unei comenzi tensiunea de intrare se regăseşte la bornele sarcinii iar la o altă comandă contactorul este adus în stare de blocare. Se deosebesc două moduri de modificare a valorii medii a tensiunii la bornele consumatorului.

a) modificarea valorii medii prin modificarea duratei de conducţie Tc a contactorului static păstrând T ct.

b) modificarea densităţii impulsurilor păstrând durata de conducţie aceeaşi dar modificând frecvenţa.

În ambele cazuri valoarea medie a tensiunii la ieşire este:

,

U1 U2 RS

i1 i2

CS

+

-

U1 Tc

TU2 t

t

t

t

TC’

U2

a

U1

U1

U1

U2

U2

b

K

unde K poartă denumirea de factor de comandă al chopperului.Funcţia de contactor static o îndeplinesc circuitele cu tiristoare pentru că ele asigură un raport

mare între curentul prin chopper în stare de conducţie şi cel în stare de blocare. Din acest punct de vedere chopperul poate fi echivalat cu un întrerupător care debitează în sarcină un curent I 2 pulsatoriu. Un astfel de curent nu este acceptat de consumator, de aceea în majoritatea cazurilor chopperul este prevăzut cu un filtru de ieşire.

Configuraţia:

Dioda D permite realizarea unui curent neîntrerupt. Circuitul de sarcină fiind de tip RL, circulaţia curentului atât în intervalul de timp cât contactorul este în conducţie respectiv în stare de blocare de formă exponenţială.

În diagramă variaţia liniară corespunde unei valori mari a inductivităţii filtrului.

Dacă frecvenţa de comandă a chopperului este suficient de mare, în intervalul de timp cât acesta este blocat, curentul prin dioda de nul nu ajunge să se anuleze şi se poate obţine un curent de sarcină a cărui pulsaţii la o inductivitate dată pot fi reduse substanţial prin alegerea corectă a frecvenţei de lucru.

Puterea absorbită de la sursa de alimentare este:

U1

U2

C.S.

D RS U2

Li2I1

+

-

u2

U1

t

t

t

I2I2 maxI2 min

i2

i1

În majoritatea cazurilor se doreşte ca chopperul să fie astfel comandat încât curentul prin sarcină să fie constant. Dacă neglijăm pierderile de putere pe tiristoarele chopperului se poate spune că

U1I1=U2I2 U1I1=KU1I2 I1=KI2 .

Menţinerea unui curent cât mai constant prin sarcină (cu pulsaţii cât mai mici) e posibilă prin realizarea dispozitivului de comandă al chopperului în aşa fel încât să furnizeze impulsuri de amorsare (blocare) în concordanţă cu limitele impuse curentului de sarcină. Aceasta se realizează dacă prin circuitul de sarcină se introduce un traductor de curent.

La t = t0 se consideră amorsat contactorul static şi curentul de sarcină creşte exponenţial până la valoarea maximă I2 impusă de consumator. În acel moment (t = t1) circuitul de comandă furnizează impulsuri pentru blocarea chopperului iar curentul de sarcină scade exponenţial până la limita minimă I2

’’ impusă de consumator, când se dă din nou comanda de aducere în conducţie a chopperului.În mod uzual consumatorii solicită un curent la care să fie cât mai mic.Traductorul de curent sesizează variaţiile curentului de sarcină şi va genera impulsurile de

comandă funcţie de limitele I2’ şi I2

’’. Pentru ca aceste limite să fie apropiate de valoarea medie trebuie corelate momentele de generare a impulsurilor de comandă cu constanta de timp

Această corelare se pune în evidenţă prin diagrama :

C.C.

C.S.T.C.

D

U2

L

RSU1

i2

+

-

DN DN DNCS CS

t0 t1 t2 t3 t4t

I2

I2

I2’

I2’’

Diagrama scoate în evidenţă modul în care trebuie comandat un chopper pentru a avea un curent cu aceleaşi pulsaţii pentru valori diferite ale puterii cerute de consumator. Există 3 situaţii distincte :

1. Dacă chopperul trebuie furnizeze un curent de sarcină de valoare apropiată de cea maximă admisă se obţine o variaţie lentă a acestuia când chopperul este deschis deci chopperul trebuie să fie un interval de conducţie t1 mai mare ca durata de blocare.

2. Curentul de sarcină e mic rezultând o viteză de variaţie a curentului în chopperul deschis mare şi mică dacă dioda de nul e în conducţie. Rezultă o durată de blocare tr mai mare ca t1.

3. La valori medii ale lui Is se obţin durate pentru conectare şi deconectare ale chopperului aproximativ egale între ele deoarece vitezele de variaţie a curentului în stare de conducţie şi de blocare sunt aproximativ egale.

4.2. Chopper de putere cu stingere automată

t1t2 t1

t2mI

I2

2

t1 t2 mII

2

2

mII

2

2t2t1 t1

max2

2

I

I

0,5

t

RS

U2

U1L

TUT

i1

+ -

C(-) (+)

Funcţionare   : La t = t0 chopperul se conectează la sursă şi condensatorul se încarcă pri L şi Rs cu polaritatea fără paranteze din figură. El rămâne în această stare până la t = t1 când e adus în conducţie tiristorul.

Condensatorul se descarcă prin tiristor şi inductivitate şi când tensiunea la bornele sale se anulează (t = t2) curentul de descărcare este maxim. În această stare, prin tiristor se stabilesc doi curenţi:

- un curent dat de sursa de tensiune U1;- un curent dat de descărcarea oscilantă.După t = t2 circulaţia de curent este asigurată pe seama energiei înmagazinate în inductivitate şi

fiind vorba de un proces oscilant condensatorul se va reîncărca cu polaritate opusă. Schimbarea polarităţii tensiunii condensatorului determină polarizarea inversă a tiristorului şi scăderea curentului prin tiristor. Când curentul prin tiristor devine egal cu curentul de autoinducţie, acesta va bloca.

Fie t = t4 momentul când tiristorul blochează.Tensiunea sursei U1 apare la bornele circuitului format din L, C şi Rs iar condensatorul se va

reîncărca până la t = t6 cu polaritatea avută iniţial.Determinarea duratei de conducţie a tiristorului precum şi durata impulsurilor de tensiune de la

bornele sarcinii se face punând condiţia ca suma celor doi curenţi prin tiristor să se anuleze.iC + iRS = 0

uc

U1

t0

iC

iT

u2

t1 t2 t3

t4

t5 t6t

U1

iCM

S

1

R

U

TC

TC

U1

t

t

t

Se observă că durata de conducţie a tiristoarelor dacă elementele de stingere L şi C nu se modifică depinde de valoarea Rs ceea ce este un mare dezavantaj.

Rezultă că singura posibilitate de a modifica valoarea medie a tensiunii la bornele R s e de a modifica frecvenţa de lucru a chopperului.

Această frecvenţă este limitată superior de durata de polarizare inversă necesară tiristorului. De la o anumită frecvenţă nu se mai îndeplineşte condiţia de stingere şi tiristorul rămâne în conducţie permanent (regim de avarie).