Prof.Dr.Ing. Dan FLORICAU

1

CURS 6

Cap.2. STRUCTURI DE CONVERSIE CONTINUU-CONTINUU

Clasificare:

- Dupa modul de separare galvanic: - convertoare continuu-continuu far separare galvanic; -convertoare continuu-continuu cu separare galvanic.

- Dup modul de transfer a puterii:

-convertoare continuu-continuu unidirecionale (1 cadran); -convertoare continuu-continuu bidirecionale (2 cadrane:

bidirecionale n curent i unidirecionale in tensiune, bidirectionale n tensiune i unidirecionale n curent, 4 cadrane: bidirectionale n tensiune i bidirecionale n curent).

- Dup numrul nivelelor de tensiune: - structuri de conversie cu 2 niveluri de tensiune; - structuri de conversie multinivel.

2.1. Structuri de conversie unidirecionale

Se studiaz 4 structuri de baz reprezentative far separare galvanic. Aceste convertoare cu comutaie permit controlul transferului de energie ntre o surs i o sarcin, care este de natur capacitiv (surs de tensiune) sau de natur inductiv (surs de curent).

Chopper continuu serie

(Buck)

Chopper continuu

parallel (Boost)

Chopper continuu cu acumulare inductiv

Chopper continuu cu acumulare capacitiv

Fig.1. Diferite structuri de choppere unidirecionale.

n contextul transferului de putere unidirecional i innd cont de caracterul unidirecional al surselor de energie, constituirea celulei de comutaie prezint ntotdeauna 2 cofiguraii: una de tip P (Fig.2a) i una de tip N (Fig.2b).

Prof.Dr.Ing. Dan FLORICAU

2

Ui +

k1=T

k2=D

is

uk2

ik1

ik2

uk1

a)

Ui +

k1=T

k2=D

is

uk2

ik1

ik2

uk1

b) Fig.2. Configuraii de choppere de tensiune continu serie (Buck):

a) cu celul de comutaie de tip P; b) cu celul de comutaie de tip N. Cele 2 configuraii sunt alctuite din 2 ntreruptoare elementare cu caracteristici statice ideale n 2 segmente. Unicitatea semnului mrimilor electrice face ca perechea de ntreruptoare s fie tot timpul o asociere ntre un ntreruptor comandat (k1=T) i o diod (k2=D). Din p.d.v. al comenzii, ntreruptoarele k1 i k2 nu pot s fie simultan deschise (deoarece sursa de curent ar fi n gol) i nu pot s fie simultan inchise (deoarece sursa de tensiune ar fi scurtcircuitat). Constituirea acestei reele electrice conduce la existena urmtorului sistem de ecuaii:

skk

ikkiiiUuu

=+=+

21

21 (1)

Chopperele cu ieire n curent (chopperul serie i cu acumulare capacitiv) se pot transforma n surse dinamice de tensiune cu ajutorul unui condensator care se conecteaz n paralel pe sarcin (filtraj de ordinul 2). n cadrul acestei seciuni, chopperele sunt comandate la o frecvena de comutaie constant (fix) i timpul de conducie (raportul de conducie ) al ntreruptorului comandabil T este variabil. 2.1.1. Chopperul serie (Buck) cu filtru LC de ieire

A) Principiul de funcionare n conducie continu Structura de principiu a chopperului serie cu filtru LC de ieire este prezentat n Fig.3. ntreruptorul T este nchis n timpul fraciunii Tp din perioda de comutaie Tp. Sursa primar furnizeaz energie sarcinii R i inductorului L. Atunci cnd T este blocat, dioda de regim liber D asigur continuitatea curentului i descarc inductorul L (energia magnetic) n sarcina R. Formele de und n conducie continu sunt reprezentate n Fig.4. Tensiunea

Prof.Dr.Ing. Dan FLORICAU

3

la ieire poate fi reglat prin modificarea raportului ciclic . n regim permanent tensiunea medie la bornele inductorului L este nul ( 0=LU ) i curentul mediu prin condensator este zero ( 0=CI ). Aceasta impune: siD UUu == (2) Prin definiie 10 , ceea ce nseamn c montajul este de tip cobortor de tensiune (Buck).

Ui +

T

D

is

uD=Ui

iT

iD

uT

R

L iL

iCuL C us

Fig.3. Schema de principiu.

Ui iD, uD

iD uD

iL ILM Is ILm

t

t

t Tp Tp

Ui iT, uT

iL is

iT uT

is

Fig.4. Forme de und pentru chopperul continuu serie (Buck).

B) Ondulaii ale curentului i ale tensiunii

Ondulaia curentului n inductorul L este calculat considernd c ondulaia tensiunii de ieire us este neglijabil fa de valoarea sa medie sU , caz n care tensiunea uL are forma de und din Fig.5.

Prof.Dr.Ing. Dan FLORICAU

4

iL, uL

ILM Is ILm

t Tp Tp -Us

iL is Ui-Us

uL

Fig.5. Forme de und pentru calculul ondulaiilor de curent.

Calculul ondulaiilor de curent. Dimensionarea lui L. - intervalul: pTt 0 , ntreruptorul T este nchis:

dtdiLu LL = (3)

siL UUu = (4) Se nlocuiete (2), (3) n (4) i rezult:

pLL

iiiL TiL

tiLUUUu

=== )1( (5)

Din relaia (5) se obine ondulaia curentului prin inductorul L:

( )p

iLmLML fL

UIIi == 1 (6)

Expresia (6) se poate utiliza pentru dimensionarea bobinei L.

Ondulaia curentului este maxim pentru =0.5: ( )

p

imaxL fL

Ui = 4 (7)

Forma lui iL() este reprezentat n Fig.6. iL

Ui 4Lfp

0 0.5 1 Fig.6. Ondulaiile curentului n funcie de .

Prof.Dr.Ing. Dan FLORICAU

5

Presupunnd curentul de sarcin constant, ondulaiile tensiunii (us) sunt produse de componenta alternativ a curentului iL (iL). Pornind de la forma de und iL, cu ajutorul relaiei (8) se poate deduce forma ondulaiei de tensiune (Fig.7).

( )dtudCii sLC

== (8) iL iL/2

t Tp

iL t1 t2

-iL/2 Tp

us

U2

U1 us

aria A

Fig.7. Forma ondulaiei de tensiune.

Valoarea de vrf a ondulaiei de tensiune (us) se exprim astfel: ( ) ( )1212 tutuUUu sss == (9) Relaia (9) poate fi pus sub forma:

( ) dtdtudu

t

t

ss = 2

1

(10)

innd cont de expresia (8) se obine (aria A):

p

LpLt

tLs fC

iTiC

dtiC

u === 8222

111 2

1

(11)

Se nlocuiete expresia ondulaiei curentului iL (6) n (11) i se obine: ( ) 28

1

p

is

fCLUu = (12)

Aceast ondulaie este maxim pentru =0.5: ( ) 232 p

imaxs fCL

Uu = (13)

Cu ajutorul relaiei (12) se poate calcula valoarea condensatorului C. Aceast metod conduce la rezultate foarte bune dac ondulaiile sunt mici n raport cu componentele continue ale mrimilor considerate. n principiu, cea mai mare parte a alimentrilor prin decupare prezint acest avantaj. Invers, acest

Prof.Dr.Ing. Dan FLORICAU

6

mod de calcul devine imprecis atunci cnd se lucreaz cu ondulaii relative de nivel ridicat. C) Constrngeri impuse asupra ntreruptoarelor

ntreruptor T ntreruptor D uTmax = Ui

( )p

ismaxT fL

UII += 21 uDmax = Ui

( )p

ismaxD fL

UII += 21