PROIECT DE CERTIFICARE A COMPETENTELOR PROFESIONALENIVEL 3 DE CALIFICARE SPECIALIZAREA:TEHNICIAN N INSTALAII ELECTRICE

TEMAIA: INSTALATII INDUSTRIALE DE REDRESARE A CURENTULUI ALTERNATIV

COORDONATOR: ELEV:

ANUL SCOLAR 20_/20_

CUPRINSCUPRINS.........................................................................................................................................................2 Argument..........................................................................................................................................................2 CAP. I TIRISTOARE. PROPRIETATI SI UTILIZARE.................................................................................4 CAP. II..............................................................................................................................................................7 ELEMENTE SEMICONDUCTOARE............................................................................................................7 CAP. III...........................................................................................................................................................13 REDRESOARE TRIFAZATE .......................................................................................................................13 CAP. IV..........................................................................................................................................................15 FILTRE DE NETEZIRE ................................................................................................................................15 CAP. V............................................................................................................................................................20 NORME DE PROTECTIE A MUNCII.........................................................................................................20 BIBLIOGRAFIE.............................................................................................................................................25

ArgumentRedresorul face parte din familia mutatoarelor, prin care energia electrica de c.a. de frecventa f se transforma in energie electrica de c.c. Elementele redresoare utilizate azi se pot grupa in doua mari categorii:1.

cu tuburi: dioda cu vid (kenotronul), dioda cu gaz

(gazotronul), trioda cu gaz (tiratronul), etc.

2

2.

cu

semiconductoare: ventil cu cuproxid, dioda cu

seleniu, dioda cu germaniu, dioda cu siliciu, tiristorul. In trecut, pentru redresare se utilizau masini si grupuri de masini electrice rotative (masina comutatoare, grupul convertizor). Astazi, datorita performantelor ridicate dobandite de diodele cu siliciu si de tiristoare, acestea tind sa inlocuiasca instalatiile de redresare dotate cu elemente de miscare. Consumatorii care folosesc energie electrica sub forma de curent continuu sunt in continua crestere. Principalii consumatori in c.c., pe ramuri economice sunt: -in tractiunea electrica : troleibuze, tramvaie, metrou, vehicule electricedin incinte industriale; -in industrie: motoare electrice de c.c. de antrenare a mecanismelor de deplasare si rotire, instalatii de electroliza, instalatii galvanotehnice, instalatii electrie de sudare in c.c., instalatii de semnalizari si comenzi, instalatii de iluminat de siguranta, etc. La scara industriala, obtinera curentului continuu se face prin statii de redresare, care formeaza fie unitati independente, fie unitati incorporate in spatiile cladirilor din perimetrul intreprinderilor. Acestea alimenteaza cu un numar n de faze (3, 6, 12 etc.) dispozitivele redresoare care sunt alcatuite din: elemente redresoare, instalatii de comanda,instalatii de excitatie si instalatii de racire.In unele cazuri, deoarece forma tensiunii redresate obtinuta la bornele elementelor redresoare este pulsatorie si nu satisface cerintele unor tipuri de receptoare de c.c., se introduc filtre de netezire, penru a reduce sub o anumita limita componenta alternativa a tensiunii redresate.

3

CAP. I TIRISTOARE. PROPRIETATI SI UTILIZARETiristorul este un dispozitiv semiconductor cu o structura pnpn, care asigura proprietati cu totul deosebite.4

Intr-o

schema

electrica

tiristorul

poate

fi

intr-una

din

urmatoarelestari: -blocat, cand este polarizat invers(minus la anod si plus la catod). Jonctiunile J1 si J2 fiind polarizate invers nu conduc indiferent de tensiunea de pe electronul de comanda; -blocat, cand este polarizat direct (anodul pozitiv si catodul negativ), iar electrodul de comanda este la potential negativ sau egal cu zero, fatade catod. In acest caz jonctiunea J2 este polarizata invers, decisi in acest caz tiristorul este blocat, curentul direct fiind foarte mic; -in conductie, cand este polarizat direct si pe electronul de comanda se aplica o tensiune pozitiva fata de catod. Prin polarizarea directa a jonctiunii J2 are loc deschiderea tiristorului, astfel ca tensiunea anodcatod scade la circa 1V. Tiristorul, amirsat printr-o comanda, ramane in continuare deschis si daca tensiunea de poarta se anuleaza; aceasta se datoreaza inundarii cu purtatori a spatiului dintre anod si catod, care elimina practic barierele de potential ale jonctiunii. Starea de conductie se mentine pana cand se intrerupe circuitul exterior (dispar purtatorii si se regenereaza barierele de potential), se inverseaza polaritatea instantanee a tensiunii aplicate sau ce micsoreaza curentul direct prin tiristor sub o anumita limita inferioara, cand campul purtatorilor este depasit de cel al jonctiunii. Tiristorul nu poate fi stins prin comanda pe poarta. Tiristoarele se utilizeaza la reglarea puterii in curent continuu sau alternativ (prin redresarea controlata in faza, ceea ce justifica denumirea de dioda comandata data uneori tiristorului), in constructia invertoarelor (care transforma curentul continuu in curent alternativ industrial), la realizarea contactoarelor statice etc.

5

Marcarea tiristoarelor se face conform unui cod, astfel ca se cunosc rapid principalele performante: T inseamna tiristor, prin primul numar s-a indicat curentul (in amperi) ce poate trece prin dispozitiv, N sau R precizeaza timpii de comutatie (normali sau rapizi), iar ultimul numar arata cate sute admite tiristorul fara strapungere, in stare blocata. Desi in timpul conductiei tensiunea la borne este mica, totusi tiristoarele de putere (ce conduc de la 3 A in sus) se incalzesc in timpul functionarii. Pentru a nu se supraincalzi, anodul este legat electric la carcasa metalica a capsulei, care este prevazuta si cu posibilitati de montare pe radiatoare. Triacul este echivalent cu doua tiristoare orientate invers si montate in aceeasi capsula, avand un singur electrod de comanda. Triacul functioneaza sau blocat pentru ambele alternante ale curentului alternativ, sau deschis tot timpul, indiferent de polaritate, daca poarta este adusa la un potential oarecare ( ce poate fi pozitiv sau negativ fata de catod ). Utilizarile triacului sunt similare cu cele ale tiristorului. Diacul consta practic dintr-un triac fara electrod de comanda, el este blocat in ambele senduri atat timp cat tensiunea aplicata nu depaseste o anumita valoare, specifica fiecarui tip. Daca tensiunea de amorsare este depasita, diacul se deschide si tensiunea la borne scade brusc, astfel ca in circuitul exterior apar impulsuri de curent destul de intens, ce pot fi utilizate pentru comanda tiristoarelor sau triacurilor.

6

CAP. II ELEMENTE SEMICONDUCTOAREPrincipalele elemente semiconductoare sunt: germaniul, siliciul si seleniul. Telurul, fosforul, arseniul, antimoniul, grafitul sunt de asemenea semiconductoare dar cu proprietati mai slabe.

Generalitati despre compusii semiconductoriPe langa elementele semiconductoare in tehnica sunt folosite si combinatii semiconductoare ca: sulfura de zinc, sulfura de catniu, carbura de siliciu oxidul cupros sau cuproxidul, amestecul de oxizi. Sulfurile sunt substante florescente, adica prezinta proprietatea de a emite o radiatie luminoasa un anumit timp dupa ce au primit o radiatie de excitatie (raze X, ultraviolete, catodice ,fascicule de particule nucleare). Datorita acestei proprietati materialele fluorescente sunt utilizate in iluminatul modern prin descarcari in gaze, pentru fabricarea ecranelor osciloscoapelor , televizoarelor . Carbura de siliciu isi micsoreazamult rezistivitatea cu cresterea tensiunii.Carbura de siliciu este folosita pentru realizarea rezistoarelor utilizate pentru protectia liniilor electrice impotriva supratensiunilor. Oxizii isi micsoreaza rezistivitatea cu cresterea temperaturii si sunt folositi in fabricarea termistoarelor, utilizate la masurari de temperaturi, limitarea curentului intr-un circuit electric (ca, de exemplu, limitarea curentului la pornirea motoarelor electrice).

7

Diode semiconductoare. Proprietati si utilizariDiodele semiconductoare contin o singura jonctiune pn , introdusa intr-o capsula etansa din sticla,ceramica,material plastic sau metal. Valorile admisibile pentru diversele marimi sunt indicate de producatori in cataloage. Diodele redresoare utilizeaza proprietatea jonctiunii pn de a conduce la polarizarea directa si de a nu conduce la polarizarea inversa. Sunt folosite pentru a transforma curentul alternativ in curent continuu. Conectarea diodelor in circuit pentru a obtine curent continuu se poate face in mai multe feluri. Fiecare mod de conectare constitue un montaj sau o schema redresoare. Simbolul diodelor redresoare este prezentat in figura 2. Triunghiul reprezinta zona dopata p, numita ANOD (notata A), iar liniuta zona dopata n, numita CATOD (notata K). Dioda nu conduce curentul decat in alternante pozitive; tensiunea la bornele rezistentei de sarcina si curentul in circuit sunt continue. Valoarea tensiunii , masurata cu un voltmetru de curent continuu,la bornele sarcinii este: Umed=0,45 US Unde US este tensiunea efectiva din secundarul transformatorului (masurata cu un voltmetru de curent alternativ). Valoarea curentului ce strabate dioda este: Id = Imed = Umed/R Tensiunea inversa, in stare de blocare, pe dioda este:U i = 2 2 U s

8

Redresorul bilaternanta este reprezentat in fig.3. Fata de punctul median al infasurarii transformatorului, la cele doua capete ale infasurarii secundare tensiunile sunt in opozitie. Diodele D1 si D2 sunt polarizate direct pe rand, fiecare in cate o alternanta. Tensiunea la bornele rezistentei de sarcina este continua si pulsatorie. Valoarea ei , Umed, masurata cu un voltmetru de curent continuu, fata de cea din secundarul transformatorului Us satisface relatia: Umed = 0,9 Us Schema de redresoare bialternanta este deci mai avantajoasa, intrucat nu apar pauzele in timp ale tensiunii si curentului redresat, care sunt specifice redresarii monoalternanta. Valoarea curentului continuu ce strabate o dioda este: Id = Imed/2, Iar tensiunea inversa la bornele diodei in stare de blocare este tot

Ui = 2 2 U s

O varianta mult utilizata de redresare este redresorul in punte, care este tot un redresor bialternanta, avand schema din figura 4.

9

Fig.1La aparitia alternantei pozitive a tensiunii in secundarul transformatorului conduc diodele D2 si D3, polarizate direct, curentul inchizandu-se pe traseul marcat. La aparitia alternantei negative conduc diodele D1 si D2, care sunt polarizate direct, iar D2 si D3 sunt blocate. Tensiunea la bornele sarcinii si curentul prin rezistenta sunt pulsatorii, la fel ca la redresorul cu punct median . Reresorul in punte este avantajos, intrucat transformatorul are o singura infasurare seunara.

Diminuarea pulsatiilor tensiunii redresateOptocuplorul permite deci transmiterea unor semnale intre circuite independente intre ele, fara legatura galvanica (deci izolate electric). Tensiunea existenta intre cele doua circuite poate fi de 1000-2000 V. Optocuploarele se utilizeaza in schemele de comanda a circuitelor de automatizare sau a robotilor, ca element de separare intre calculatoare (sensibile la paraziti) si circuitele de forta comandate.

10

Tranzistoare. Proprietati si utilizariDenumirea de tranzistor provine de la termenul TRANsfer reZISTOR, din limba engleza (rezistenta la transfer). Dupa materialul semiconductor, tranzistoarele se impart in tranzistoare cu germaniu si tranzistoare cu siliciu. Tranzistorul bipolar este un dispozitiv semiconductor cu doua jonctiuni, ce delimiteaza trei regiuni, numite, emitor baza si colector. Dupa tipul doparii celor trei zone exista tranzistoare npn si goluri la pnp. Simbolurile celor doua tipuri de tranzistoare sunt cele din figura 2. In functionare, jonctiunea polarizata in mod direct este jonctiunea emitor-baza, iar cea baza-colector este polarizata in sens invers. Aceasta se asigura cu doua surse exterioare conectate ca in figura 2,a sau printr-o structura adecvata a circuitului, asa cum se va vedea in paragraful urmator. Regiunea emitor este denumita astfel datorita functiunii pe care o indeplineste; ea este puternic dopata si emite purtatori majoritari prin jonctiunea polarizata directa. Acesti purtatori sunt in marea lor majoritate colectati de catre colector, strabatand regiunea bazei (care este foarte subtire0. O mica parte dintre electronii injectati de emitor se recombina cu golurile din regiunea bazei (constituind curentul de baza ). Modificarea tensiunii de polarizare modifica debitul de electroni ce traverseaza jonctiunea polarizata direct, deci numarul de electroni ce trec spre colector. Factorul de amplificare are valori de urdinul zecilor sau sutelor, fiind indicat de fabricant. Tranzistorul de tip pnp functioneaza similar cu cel npn, numai ca purtatorii majoritari sunt golurile (fig. 2). Structura de semiconductor este incapsulata in capsule metalice sau din material plastic.

11

Cateva dintre cele mai folosite tipuri s-au reprezentat in figura 2. In afara tranzistoarelor exista si alte tipuri de tranzistoare, printre care: 1. tranzistoare unifunctionale tranzistoare cu efect de camp (denumite si TEC) tranzistoare metal-oxid-semiconductor(MOS)

2.3.

C

B1 p

E1 n

C Jonciunea emitorului Jonciunea colectorului

n Si-i

Fig.2 Utilizarea tranzistorului se face in doua variante: -Ca amplificator de semnal, situatie in care un semnal de intrare de valoare mica produce la iesire un semnal de valoare mare;drept element de comutatie, situatie in care functioneaza numai in doua stari: de conductie si respectiv de blocare. -Ca amplificator se face prin aplicarea semnalului de intrare intre doua terminale, semnalul de iesire se culege si el intre doua terminale. In consecinta, unul dintre terminale este comun.

12

CAP. III REDRESOARE TRIFAZATEPentru obtinerea puterilor mari ce depasesc sute de wati se folosesc redresoare trifazate. Schema unui astfel de redresor este redata in figura 3. In aceasta schema numita redresor in Y sau in stea conduce pe rand cate o dioda, in timp ce celelalte doua sunt blocate. Tensiunile celor trei infasurari ale transformatorului sunt decalate intre ele la 120. Pe rand, pe anodul cate uneia dintre diode se aplica tensiune mai mare decat pe anozii celorlalte doua si aceasta dioda se deschide mai mult. Redresorul are un factor de ondulatie de valuare mai mica decat a redresorului dubla alternanta, iar frecventa componentei alternative aflate in tensiunea redresata este de trei ori mai mare decat frecventa retelei, ceea ce usureaza eliminarea ei. Redresorul ofera avantajul unei incarcari echilibrate a celor trei faze, ceea ce este de mare importanta in cazul puterilor mari.

13

Fig. 3

Redresoare comandateRedresoarele comandate au proprietatea de a-si putea varia relativ usor valoarea tensiunii continue sau a curentului continuu de la iesire. Aceasta se realizeaza cu ajutorul unui dispozitiv de tipul tiristorului, folosit ca element redresor, a carui mdeschidere se poate varia cu ajutorul unor tensiuni de comanda aplicate la momente de timp convenabil alese. In figura 4 se reprezinta schema unui redresor comandat folosind un tiristor, ca si forma tensiunii obtinute la aplicarea unor impulsuri de comanda defazate cu fata de tensiunea alternativa de intrare.

14

Fig. 4

CAP. IV FILTRE DE NETEZIREPentru imbunatatirea formei tensiunii pulsatorii redresate, in vederea aducerii cat mai aproape de o tensiune continua se folosesc circuite electrice, de tipul unor cuadripoli, numite filtre de netezire. Rolul acestora este de a micsora (teoretic pana la 0) componenta variabila, numita pulsatie, care se mentine in tensiunea de iesire, dupa redresare. Aceasta componenta variabila este periodica, avand frecventa (fp) numita fundamentala, care este un multiplu al frecventei retelei; in cazul redresorului monoalternanta fp=100 Hz, iar in cazul redresoarelor trifazate fp=150 Hz (pentru redresoare trifazate cu punct comun) si fp=300 Hz (pentru cele in montaj tip punte). Aprecierea calitatii unui redresor se refera si la valoarea pulsatiilor, folosindu-se raportul dintre amplitudinea componentei avand frecventa fundamentala, numita componenta fundamentala (U1) si valoarea medie (continua) a tensiunii redresate (U0): Kp = U1/U2 * 100 %15

Acest raport poarta numele de factor de pulsatie, se exprima in procente si reprezinta parametrul al redresorului.Eficacitatea unui filtru de netezire (celula de filtraj) se apreciaza prin raportul dintre factorul de pulsatie al tensiunii aplicatela intrarea sa Kpr si factorul de pulsatie pe care il asigura la iesire Kps : Knet = Kpr /Kps Acest coeficient poarta numele de coeficient de netezire si valoarea lui determina calitatea celulei de filtraj folosite. Cele mai folosite filtre sunt: -filtre simple (cu bobina sau condensator); -filtre compuse (de tip LC).

FILTRELE CU BOBINAFolosirea acestui tip de filtru se bazeaza pe proprietatea bobinei de a se opune variatiei de curent si deci tendintei ei de a mentine curentul constant, proprietate cu atat mai pronuntata cu cat frecventa semnalului variabil aplicat este mai mare. Se observa ca pe masura ce pulsatia creste, atat in cazul redresorului monoalternanta , cat mai ales in cazul celui dublualternanta valoarea curentului tinde sa fie constanta.

FILTRE CU CONDENSATOR

16

Condensatorul are tendinta de a se opune variatiilor de tensiune, deci tensiunea de la bornele sale, care este si tensiune de sarcina, are tendinta de a se mentine constanta. Condensatorul se incarca pana la valoarea de varf a tensiunii redresate si se descarca prin rezistenta de sarcina intre intervalele de conductie ale diodei. Incarcarea condensatorului se face rapid, prin circuitul alcatuit din rezistenta de conductie a diodei si cea a infasurarii transformatorului, deci cu o constanta de timp mica. Descarcarea se face lent, prin rezistenta de sarcina de valoare mare. In consecinta tensiunea pe sarcina se apropie de o valoare constanta Un dezavantaj il poate constitui valoarea mare a curentului prin dioda, ce se reprezinta in acest caz sub forma unor impulsuri de durata mai mica decat T/2 (20