CS VTA 14

Convertoare statice c.a.- c.a. cu comutaie natural

153

Modulul 14

Obiectivele modulului:

Convertoare statice c.a.- c.a. cu comutaie natural VTA monofazate VTA trifazate Cicloconvertoare

CONVERTOARE STATICE C.A.- C.A. CU COMUTAIE NATURAL

Convertoarele statice c.a.-c.a. sunt echipamente electronice care realizeaz

conversia energiei de c.a. cu parametri constani (amplitudine i frecven), tot n

energie de c.a., dar cu parametri variabili (reglabili prin comand). Aceste

convertoare se pot clasifica n dou mari categorii:

- variatoare de tensiune alternativ (VTA), care permit reglarea valorii

efective a tensiunii de la ieire, frecvena rmnnd constant i egal cu a

tensiunii de alimentare (fig. 14.1. a);

- convertoare directe de frecven, care permit obinerea unei mrimi de

ieire avnd frecvena fundamentalei ntr-un raport subunitar sau supranunitar cu

frecvena mrimii de intrare, iar valoarea efectiv reglabil;

- convertoare statice de tensiune i frecven (CSTF), care permit reglarea

att a valorii efective a tensiunii de ieire, ct i a frecvenei acesteia (fig. 14.1. b).

Acestea se mai numesc convertoare de frecven cu faz intermediar.

Fig. 14.1. Convertoare statice c.a.-c.a.

a) b)

Convertoare statice. Curs introductiv Modulul 14

154

Variatoarele de tensiune alternativ VTA sunt convertoare statice care

transform energia de c.a. tot n energie de c.a., prin comand modificndu-se

valoarea efectiv a tensiunii furnizate. Funcioneaz, de regul, n regim de

comutaie natural, deoarece tensiunea aplicat fiind alternativ, curentul prin

elementele semiconductoare de comutaie (tiristoare, triace) se anuleaz n mod

natural, la trecerea prin zero a acestuia.

Comanda variatoarelor, n scopul reglrii valorii efective a tensiunii de ieire,

se realizeaz dup dou principii:

- reglajul de faz (phase control), folosind perechi de tiristoare conectate

antiparalel sau triace;

- controlul numrului de perioade de conducie (on-off control), folosind

dispozitive semiconductoare complet comandate (GTO, tranzistoare de putere

bipolare sau MOSFET, IGBT, MCTh etc.).

Reglajul (controlul) de faz este metoda cea mai utilizat deoarece

presupune o schem de comand a tiristoarelor foarte simpl. n aceast lucrare

vor fi analizate numai variatoarele de tensiune alternativ cu reglaj de faz.

Variatoarele de tensiune alternativ (VTA) au numeroase aplicaii, dintre

care amintim: reglarea intensitii surselor de iluminat, reglajul puterii instalaiilor de

nclzire, al temperaturii cuptoarelor, reglajul vitezei mainilor electrice etc.

14.1. VTA monofazate

Principiul de funcionare al variatoarelor de tensiune alternativ (VTA) este

urmtorul: deoarece ele trebuie s permit circulaia curentului prin sarcin n

ambele sensuri, nseamn c dispozitivele semiconductoare de comutaie de pe

fiecare cale de curent trebuie s fie dispozitive bidirecionale. Acestea pot fi triace

sau, pentru puteri mai mari, perechi de tiristoare conectate antiparalel. Comanda

lor se face, de regul, prin reglaj (control) de faz, impulsurile de comand fiind

aplicate cu aceeai ntrziere de radiani fa de trecerile prin zero ale tensiunii de

intrare i fiind defazate ntre ele n mod corespunztor (fig. 14.3).

Un variator de tensiune alternativ (VTA) monofazat este constituit din unul

sau mai multe dispozitive de comutaie bidirecionale (triac sau pereche de

tiristoare conectate antiparalel), montate ntre sarcin i sursa de tensiune

alternativ (fig. 14.2).


155

n fig. 14.2.a este prezentat un VTA realizat cu o pereche de tiristoare

conectate antiparale i n seria cu sarcina de c.a., iar n fig. 14.2.b perechea de

tiristoare a fost nlocuit cu un triac. Aceste dou topologii de VTA monofazate

permit o comand simetric, bidirecional, pe ambele semialternane ale tensiunii

sinusoidale de alimentare, a celor dou tiristoare (triacului).

Impulsurile de comand furnizate de un circuit de comand sunt defazate

ntre ele cu radiani i sunt distribuite alternativ, atunci cnd se folosesc tiristoare.

Ele sunt ntrziate cu unghiul fa de trecerile prin zero ale semialternanelor

tensiunii de alimentare (comand n faz). Momentul blocrii tiristoarelor depinde

de caracterul sarcinii.

T1

T2 vo vin

SA

RC

INA

T1 T2 vo

vin

vin

vo

SA

RC

INA

a)

c)

b)

SA

RC

INA

T1 T2vin

SA

RC

INA

d)

T1 vovin

e)

SA

RC

INA

D1

vo

Fig. 14.2. Topologii de VTA monofazate

n fig. 14.2.c este prezentat o topologie de VTA realizat cu dou perechi

diod-tiristor conectate antiparalel, care sunt conectate n serie. Conectarea n

comun a catozilor celor dou tiristoare simplific schema de comand a acestora,

deoarece nu mai este necesar izolarea generatoarelor de comand.

Pentru reducerea costurilor se poate folosi schema de VTA monofazat din

fig. 14.2.d, care folosete o punte de diode care are n diagonala de c.c. un tiristor.

Aceast schem este caracterizat de pierderi mai mari, deoarece n serie cu

sarcina se afl n permanen dou diode i tiristorul.


156

Schema din fig. 14.2.e, cunoscut sub denumirea de thryode controller,

permite controlul unidirecional, asimetric, pe o semialterna a tensiunii de intrare

i din acest motiv introduce o component de c.c. n sarcin i un coninut mare de

armonici. Aceasta face ca schema s fie folosit doar la mic putere, de regul

pentru nclzire.

Cazurile tipice de studiu pentru variatoarele de tensiune alternativ

monofazate (fig. 14.2.a) vor fi:

- cazul sarcinii rezistive (R),

- cazul sarcinii rezistiv inductive (RL)

- cazul sarcinii puternic inductive (L).

n toate cazurile se va considera c tensiunea de intrare vin este o tensiune

sinusoidal de forma vin = 2 Vinsint, iar comanda tiristoarelor se va face prin

reglaj de faz. Unghiul de comand , respectiv +, reprezint, n acest caz,

ntrzierea cu care sunt aplicate impulsurile de comand pe porile celor dou

tiristoare fa de momentele trecerilor prin zero ale tensiunii de intrare vin.

n cazul acestei topologii realizate cu tiristoare, tiristorul T1 va conduce pe

durata semialternanelor pozitive ale tensiunii vin, iar tiristorul T2 pe durata

semialternanelor negative ale acesteia. Prin sarcin curentul va circula alternativ,

sub forma unuri pulsuri avnd forma unor segmente de sinusoid.

Tensiunea aplicat sarcinii va fi constituit din segmente de sinusoid,

avnd durata - radiani (fig. 14.3).

a) b)

Fig. 14.3. Formele de und i intervalele de conducie n cazul

variatorului din fig. 14.2.a, pentru sarcin

pur rezistiv (a) i pur inductiv (b) [2]


157

Din figur se poate observa c n cazul sarcinii pur rezistive curentul este n

faz cu tensiunea. Expresia lui este:

Modificnd unghiul de comand ntre 0 i , se poate regla valoarea

efectiv a tensiunii la bornele sarcinii.

n cazul sarcinii pur inductive L1, un tiristor nu poate fi introdus n conducie

att timp ct cellalt este n conducie, deoarece acesta din urm l-ar pune n

scurtcircuit. Pentru t > , aplicnd teorema a II-a a lui Kirchoff pe ochiul format,

se obine:

din care rezult prin integrare:

Curentul se va anula dac:

cos - cost = 0

adic atunci cnd este ndeplinit condiia:

Din aceast condiie rezult momentul anulrii curentului:

t = 2 -

Deoarece durata maxim a conduciei unui tiristor este radiani, relaia de

mai sus poate furniza valoarea minim a unghiului de comand min punnd

condiia:

2 - min - min =

Se obine astfel valoarea minim a unghiului de comand pentru care exist

permanent curent prin sarcin:

min = /2

Deoarece max = , dup care tiristorul care a condus este polarizat invers,

se poate deduce plaja de valori n care poate varia unghiul de comand :

dt

diLtU

s

s 1sin2 =

( ) ( )tL

Uttd

L

Ui

st

s

s

coscos2

sin2

==

02

sin2

sin2 =+ tt

,2

[ ] [ ]

[ ] [ ]+=

+

=

,,00

2,,sin2

tpentrui

tpentrutVi

o

ino

Convertoare statice. Curs introductiv Modulul

158

obine regimul de curent ntrerupt pentru

reducerea intervalului de variaie a unghiului de comand

unde

prezentat n fig. 14.4.


158



unde





unde reprezint unghiul de defazaj dintre curentul i tensiunea pe sarcin.


Formele de und

a)


Pentru


n cazul sarcinii rezistiv


reprezint unghiul de defazaj dintre curentul i tensiunea pe sarcin.

Schema folosit pentru a simula funcionarea VTA monofazat este


Formele de und

a) Sarcin pur rezistiv


Pentru







Formele de und

Sarcin pur rezistiv


Pentru







Fig. 14.4

Formele de und

Sarcin pur rezistiv

Fig. 14.5


>







Fig. 14.4

Formele de und

Sarcin pur rezistiv

Fig. 14.5

ale tensiunii


> /2, innd se







Fig. 14.4

Formele de und

Sarcin pur rezistiv

Fig. 14.5. Formele de und ale tensiunii de intrare

ale tensiunii


/2, innd se






Sarcina generic este o sarcin RL

Fig. 14.4. Schema

Formele de und

Sarcin pur rezistiv

. Formele de und ale tensiunii de intrare

ale tensiunii


/2, innd se







. Schema

Sarcin pur rezistiv


ale tensiunii


/2, innd se







. Schema

Sarcin pur rezistiv


ale tensiunii u


/2, innd seama c i







. Schema PSPICE

Sarcin pur rezistiv


us i curentului


ama c i


n cazul sarcinii rezistiv-inductive, inductivitatea sarcinii determin





PSPICE

45


i curentului


ama c i


inductive, inductivitatea sarcinii determin





PSPICE

45


i curentului


ama c is t






PSPICE folosit pentru simulare


i curentului


s se anuleaz la momentul

[2






folosit pentru simulare


i curentului i


se anuleaz la momentul

-








is prin sarcin



,








prin sarcin



+








prin sarcin



+ ].





Sarcina generic este o sarcin RL.



prin sarcin



]. inductive, inductivitatea sarcinii determin






prin sarcin [8




la intervalul [




. Formele de und ale tensiunii de intrare u

[8]




la intervalul [




uin i


se anuleaz la momentul (2


la intervalul [



i


(2


la intervalul [




-


la intervalul [

reprezint unghiul de defazaj dintre curentul i tensiunea pe sarcin. Schema folosit pentru a simula funcionarea VTA monofazat este


), se


,


14

), se


],


), se


],


b) Sarcin rezistiv

c) Sarcin rezistiv

Sarcin rezistiv

Sarcin rezistiv

Sarcin rezistiv

Fig. 14.6

cu sarcin pur rezistiv, pentru

Sarcin rezistiv

Convertoare statice c.

Sarcin rezistiv

Fig. 14.6


Sarcin rezistiv

Fig. 14.7

cu sarcin rezistiv

onvertoare statice c.

Sarcin rezistiv

Fig. 14.6


Sarcin rezistiv

Fig. 14.7

cu sarcin rezistiv


Sarcin rezistiv

Fig. 14.6. Formele de und n cazul VTA monofazat


Sarcin rezistiv

Fig. 14.7

cu sarcin rezistiv


Sarcin rezistiv

. Formele de und n cazul VTA monofazat


Sarcin rezistiv-inductiv

Fig. 14.7. Formele de und n

cu sarcin rezistiv


Sarcin rezistiv



inductiv

. Formele de und n

cu sarcin rezistiv


120



inductiv

. Formele de und n

cu sarcin rezistiv


120



inductiv

. Formele de und n

cu sarcin rezistiv - inductiv, pentru

onvertoare statice c.a.-



inductiv

. Formele de und n

inductiv, pentru

c.a.



45

. Formele de und n

inductiv, pentru

. cu



45

. Formele de und n

inductiv, pentru

u co


>

. Formele de und n cazul variatorului

inductiv, pentru

omu


> /3 (

cazul variatorului

inductiv, pentru

utai


/3 (

cazul variatorului

inductiv, pentru

ie n


120

cazul variatorului

45

natu


120

cazul variatorului

45

ural


120) [8

cazul variatorului

[8]


[8]

159159


160

fundamentala curentului prin sarcin este defazat n urma tensiunii sursei

ceea ce nseamn c

demonstra c acest defazaj depinde de unghiul de comand

/2) cnd unghiul de comand se modific ntre (0;

reactiv consumat de VTA depinde de unghiul de comand

putere reactiv de comand.

coninut mare de armonici,

reea. Acest fapt constituie, mpreun cu consumul de putere reactiv (de

comand), dou dezavantaje notabile ale VTA.


160


ceea ce nseamn c










ceea ce nseamn c









d) Sarcin pur inductiv

Concluzii

Din analiza formelor de und se pot desprinde urmtoarele concluzii:

1. Chiar n cazul sarcinii pur


ceea ce nseamn c





2.






Concluzii




ceea ce nseamn c





2. Curentul absorbit de la reea n cazul sarcinii pur rezistive are un






Fig. 14.8

sarcin pur inductiv, pentru

Concluzii




ceea ce nseamn c





Curentul absorbit de la reea n cazul sarcinii pur rezistive are un






Fig. 14.8


Concluzii




ceea ce nseamn c











Fig. 14.8





ceea ce nseamn c











Fig. 14.8. Forma de und n cazul VTA monofazat





ceea ce nseamn c VTA











. Forma de und n cazul VTA monofazat





VTA






coninut mare de armonici, ceea ce face ca VTA s fie o










VTA este un consumator de energie reactiv





ceea ce face ca VTA s fie o










este un consumator de energie reactiv























120















120




1. Chiar n cazul sarcinii pur inductive, se constat (fig. 14.8














inductive, se constat (fig. 14.8












>













/2 (













/2 (













120






/2) cnd unghiul de comand se modific ntre (0; ). Deoarece i puterea



ceea ce face ca VTA s fie o surs de perturbaii pentru




120






). Deoarece i puterea



surs de perturbaii pentru




) [8





demonstra c acest defazaj depinde de unghiul de comand , el variind ntre (0;


, ea se mai numete





cu

[8]





, el variind ntre (0;


, ea se mai numete











, ea se mai numete








este un consumator de energie reactiv. Se poate



, ea se mai numete








. Se poate



, ea se mai numete





inductive, se constat (fig. 14.8) c

fundamentala curentului prin sarcin este defazat n urma tensiunii sursei u

. Se poate



, ea se mai numete




14

) c

uin,

. Se poate



, ea se mai numete




) c

,

. Se poate



, ea se mai numete




sursa de alimentare este n acel

avea un coninut de armonici superioare cu att mai mare cu ct unghiul de

comand este mai mare (fig. 14.9

faz a

secundarul unui transformator

alternativ

var

variatoare monofazate independente.



omand este mai mare (fig. 14.9

faz a


alternativ

variatoare de tensiune alternativ trifazate


n ceea ce privete coninutul de armonici, deoarece curentul absorbit de la




faz a


alternativ

iatoare de tensiune alternativ trifazate






Un variator de tensiune alternativ trifazat se obine conectnd pe fiecare

faz a sistemului trifazat de alimentare


alternativ,

n fig. 14.10 sunt prezentate topologiile posibile stea sau triunghi


Configuraiile






Fig. 14.9


sistemului trifazat de alimentare


, constituit dintr



Configuraiile






Fig. 14.9

VTA monofazat cu sarcin rezistiv, pentru diferite




constituit dintr



Configuraiile







Fig. 14.9





constituit dintr



Configuraiile







Fig. 14.9. Coninutul de armonici al curentului furnizat de un





constituit dintr



Configuraiile din fig. 14.10. a i b







. Coninutul de armonici al curentului furnizat de un





constituit dintr-



din fig. 14.10. a i b









14.2. Variatoare trifazate




-o pereche de tiristoare conectate antiparalel.












unghiuri de comand [2]





o pereche de tiristoare conectate antiparalel.







sursa de alimentare este n acelai timp i curentul prin sarcin, rezult c el va


omand este mai mare (fig. 14.9).







trifazat








ai timp i curentul prin sarcin, rezult c el va








trifazat
















trifazat, cte un variator monofazat





variatoare monofazate independente. Pentru v

c.a.









sistemului trifazat de alimentare,

, cte un variator monofazat



iatoare de tensiune alternativ trifazate [9]

din fig. 14.10. a i b, de exemplu,

Pentru v

. cu









care poate fi




[9].

, de exemplu,

Pentru v

u co









care poate fi




, de exemplu,

Pentru variatorul din fig. 14.10.a

omu









care poate fi




, de exemplu,

ariatorul din fig. 14.10.a

utai









care poate fi




, de exemplu,


ie n








care poate fi




, de exemplu, sunt realizate cu


natu







care poate fi reeaua trifazat sau




sunt realizate cu


ural







reeaua trifazat sau




sunt realizate cu








reeaua trifazat sau




sunt realizate cu







reeaua trifazat sau

, cte un variator monofazat de tensiune



sunt realizate cu







reeaua trifazat sau

de tensiune



sunt realizate cu

ariatorul din fig. 14.10.a tiristoarele





reeaua trifazat sau

de tensiune


sunt realizate cu cte

tiristoarele

161





reeaua trifazat sau

de tensiune

n fig. 14.10 sunt prezentate topologiile posibile stea sau triunghi,

cte

tiristoarele

161





reeaua trifazat sau

de tensiune

de

cte 3

tiristoarele





reeaua trifazat sau

de tensiune

de

3

tiristoarele


162

trebuie s fie alese astfel nct s poat conduce curenii de linie necesari i s

suporte n blocare tensiunea de faz, iar pentru cel din fig. 14.10.b trebuie s poat

conduce curenii de faz i s suporte n blocare tensiunea de linie. Unghiul de

comand n cazul sarcinilor rezistive poate lua valori ntre 0 i 180.

Fig. 14.10. Topologii de VTA trifazate

realizate cu tiristoare [12]

n cazul variatorului din fig. 14.10.a, fiecare tiristor este comandat cu o

ntrziere reglabil fa de trecerea prin zero a semialternanei corespunztoare

a tensiunii de faz. Impulsurile de comand vor fi defazate ntre ele cu acelai

defazaj ca i tensiunile sistemului trifazat, adic ntre impulsurile de comand ale

tiristoarelor T1, T3, T5, respectiv T2, T4, T6 va fi un defazaj de 2/3 radiani, iar

ntre tiristoarele de pe aceeai faz - radiani.

conectate n stea

exist mai multe moduri de funcionare [2]:

(

und plin, iar fiecare tiristor conduce cte o semialternan i n fiecare moment

sunt n conducie cte 3 tiristoare

2

conectat la sursa de energie alternativ

monofazate, funcionarea normal nu este posibil dect dac este ndeplinit

condiia:

adic unghiul de comand trebuie s fie mai mare dect unghiul de defazaj dintre

tensiunea i curentul din sarcin.

conectate n stea


-



/3 radiani;



condiia:



conectate n stea


) radiani (fig. 14.11



/3 radiani;


n cazul sarcinilor inductiv rezistive R


condiia:



Considernd cazul cel mai simplu

conectate n stea


a) Cazul 0 <


n cazul particular



b) Cazul

/3 radiani;

c)

d) Cazul




condiia:




conectate n stea


Cazul 0 <


n cazul particular



Cazul

/3 radiani; Cazul

Cazul







conectate n stea


Cazul 0 <


n cazul particular



Cazul

Cazul

Cazul


Fig. 14.1







conectate n stea se constat c, n funcie de valoarea unghiului de comand


Cazul 0 <


n cazul particular



/3

Cazul /2 <

Cazul > 5


Fig. 14.1







se constat c, n funcie de valoarea unghiului de comand


Cazul 0 <


n cazul particular



/3 5


Fig. 14.1









<

) radiani (fig. 14.11)

n cazul particular



<

/2 < < 5

> 5/6 cnd toate tiristoarele rmn blocate i sarcina


Fig. 14.11. Formele de und n cazul VTA monofazat,

cu sarcin pur rezistiv i









/3 cnd n conducie sunt 2

= 0, variatorul de tensiune alternativ funcioneaz cu



/2 cnd n conducie sunt 2 tiristoare, fiecare conducnd

< 5

/6 cnd toate tiristoarele rmn blocate i sarcina


. Formele de und n cazul VTA monofazat,















/6 cnd n conducie sunt fie 2 tiristoare, fie niciunul;
















sunt n conducie cte 3 tiristoare (cte unul pe fiecare faz).


















(cte unul pe fiecare faz).





















conectat la sursa de energie alternativ.






c.a.











.






. cu

cel al sarcinii pur rezistive, echilibrate,











n cazul sarcinilor inductiv rezistive R-L, ca i la variatoarele de tensiune



u co












L, ca i la variatoarele de tensiune



omu











<




utai











< /3




ie n



tiristoare, fiecare conducnd








/3 [2]




natu






(cte unul pe fiecare faz). /2 cnd n conducie sunt 2 tiristoare, fiecare conducnd




[2]




ural






















































/6 cnd toate tiristoarele rmn blocate i sarcina nu este




163








nu este




163


se constat c, n funcie de valoarea unghiului de comand ,





/6 cnd n conducie sunt fie 2 tiristoare, fie niciunul; nu este





,





nu este





164

14.3. Cicloconvertoare

Spre deosebire de variatoarele de tensiune alternativ studiate n

seciunea precedent, cicloconvertoarele realizeaz conversia energiei de c.a. cu

parametrii constani tot n energie de c.a., dar ai crei parametri pot fi modificai

prin comand, n mod direct. n esen, este vorba de un tip de convertoare cu

comutaie natural care permit modificarea amplitudinii i a frecvenei tensiunii de

ieire. Ele se mai numesc i convertoare de frecven directe, cu demultiplicarea

frecvenei tensiunii de intrare [6].

Funcionarea cicloconvertoarelor se bazeaz pe principiul redresoarelor

bidirecionale, obinute prin conectarea n antiparalel a dou redresoare identice,

complet comandate. Diferena fa de redresoarele bidirecionale const n

comanda celor dou redresoare, deoarece tensiunea v0 pe sarcin trebuie s fie

alternativ. Pentru exemplificare, dei n practic este rar utilizat, se va folosi un

cicloconvertor monofazat (fig. 14.12). Prin comand se urmrete ca valorile medii

ale tensiunilor redresate de cele dou redresoare s fie ct mai apropiate de o

sinusoid.

Fig. 14.12. Schema de principiu a unui cicloconvertor

monofazat n punte

Dac P i N sunt unghiurile de comand ale tiristoarelor redresorului P

respectiv N, se constat c cicloconvertoarele pot avea un curent io de circulaie,

dac:

P + N =

sau pot funciona fr curent de circulaie.

corespunztoare unei perioade a tensiunilor redresate exist relaia:

de referin din circuitul de comand este cosinusoidal, de forma:

consider convenional pozitiv

co

n care V

comand nul, comun ambelor redresoare, P i N, considerate identice [6].

circuitul de comand la coincidena valorilor tensiunilor de ref

respectiv pentru




comutaie, are valoarea:

n care V

comand nul, comun ambelor redresoare, P i N, considerate identice [6].

circuitul de comand la coincidena valorilor tensiunilor de ref

respectiv pentru




mutaie

CS VTA 14

Documents

Transcript of CS VTA 14