VARIATOARE DE CURENT ALTERNATIV

Variatoarele de c.a. permit modificarea valorii medii a tensiunilor de

ieire, frecvena tensiunilor de ieire fiind aceeai cu a tensiunilor de intrare. Ele

pot fi realizate cu ventile ionice, tiristoare, triacuri i fototiristoare, deosebindu-se

variatoare de c.a. monofazate si trifazate.VARIATOARE DE c.a. MONOFAZATEPentru analiza fenomenelor care au loc la variatoarele de c.a. monofazate

se va considera: un variator de ca. monofazat cu ventile ideale, legate n

antiparalel (fig.1); tensiunea de alimentare sinusoidal; parametrii sarcinii R, L

constani. Ventilul V1 este comandat cu un ir de impulsuri, cu perioada 2pi i

defazate fa de tensiunea U1 cu unghiul (unghiul de comand), iar ventilul V2

cu un ir de impulsuri cu perioad 2pi i defazat fa de primul ir de impulsuri

cu pi . Dispozitivul de comand DC permite modificarea unghiului de la 0 la

pi

Ecuaia diferenial a circuitului este:

Soluia ecuaiei (2.1) corespunztoare intervalului t[ B] este:

Fig.2 Variatoare de c.a. monofazate: schema (a), formede und (b,c,d)

unde:

Pentru cazul unei sarcini pur rezistive ( =0)

iar pentru sarcin pur inductiv;

Ventilul V1 se blocheaz n momentul trecerii curentului prin 0 unghiul de blocare 1B rezultnd din relaia:

Soluiile ecuaie sunt date n figura 3.Dac unghiul de conducie = B- ) al ventilului v1este < pi atunci la

aplicarea impulsului de comanda ventilului V2acesta poate trece n stare de

conducie, ventilul V1aflnduse n stare de conducie,numai dup blocarea

impulsului V1 dac impulsul de comand aplicat ventilului V2 are o lime

Ct timp unul din ventile conduce, cellalt nu poate fi trecut n stare de

conducie, din cauza tensiunii anod-catod negative.

Variatoarele de c.a. monofazate funcioneaz, de obicei, cu

Fig.4. Graficul med=f( ) pentru cazul sarcinii pur resistive i

dependena Vm1 i V10 n funcie de unghiul de comand

Raportnd valoarea medie a tensiunii u2, la valoarea medie maxim U20med ( =0), rezult:

De asemenea se obine:

La modificarea unghiului de comand, curentul de sarcin este dis-

torsionat. Coninutul n armonici a curentului de sarcin depinde de unghiul de

comand. n figura 4 este dat dependena amplitudinii armonicii fundamentale,

raportat la valoarea maxim i a fazei armonicii de baz n funcie de unghiul de

comand.

Din figura 4, rezult c exist un defazaj al armonicii fundamentale a

curentului, pentru a # 0, chiar pentru cazul sarcinii pur rezistive, defazaj care

crete odat cu creterea unghiului de comand. Datorit acestui defazaj, apare o

putere reactiv, numit putere reactiv de comand..

Armonicile superioare ale curentului de sarcin produc perturbaii sup-

rtoare n funcionarea canalelor de telecomunicaii, a aparatelor electronice de

msurat i control sau a altor echipamente din vecintate. Pentru evitarea acestor

perturbaii, se recomand ca variatoarele de c.a. cu puteri mai mari de 250 W, s

fie prevzute cu filtre pentru reducerea armonicilor.

Circuitul energetic al variatoarelor de ca. poate avea una din structurile

prezentate n figura 5.

Variatorul de c.a. cu dou tiristoare n antiparalel (fig. 5. a) are o

structur simpl, dar prezint urmtoarele dezavantaje:

- necesit dou dispozitive de comand izolate galvanic ntre ele;

- n cazul apariiei unei supratensiuni dinspre reea sau din cauza sarcinii,

exist pericolul distrugerii

Fig.5 . Structura circuitului energetic al variatoarelorde c.a.

tiristoarelor. n adevr, dac la apariia unei supratensiuni, tiristorul care este

polarizat direct nu amorseaz ca urmare a depirii tensiunii de basculare de nul,

sau prin efect du dt, cellalt tiristor se poate strpunge. Schema din figura 5. b, are

avantajul c folosete un singur tiristor, n schimb, nu permite reglarea puterii

dect n domeniul: Pmax/2-Pmax n plus, reglarea puterii este nsoit de apariia

unei componente continue a curentului, a crei valoare este cu att mai

pronunat cu ct unghiul de comand al tiristorului este mai mare.

n figura 5.c, este reprezentat circuitul energetic al unui variator de c.a. la

care catozii tiristoarelor sunt legai direct, iar fiecare tiristor are montat n

antiparalel, cte o diod. Prezena diodelor n antiparalel nu permite apariia unor

tensiuni inverse pe tiristoare i deci asigur protecia tiristoarelor la

supratensiuni. Un alt avantaj al schemei este acela c permite utilizarea unui

singur dispozitiv de comand, deoarece tiristoarele au catodul comun.

Schema unui variator de c.a. cu un singur tiristor montat n braul unei

puni cu diode este dat n figura 5 d. Un dezavantaj al schemei este acela c, la

funcionarea variatorului cu sarcina rezistiva inductiv, n momentul ieirii din

conducie a tiristorului. pe tiristor apare brusc tensiunea sursei, cu valoarea

instantanee corespunztoare momentului blocrii tiristorului . Tiristorul abia ieit

din conducie, poate amorsa la o valoare a lui du/dt mai mic, dect dac ar face

parte din structura unui variator cu dou tiristoare. Schema cu tiristor montat n

braul punii cu diode are i neajunsul

Fig.6. Comanda tiristoarelor prin foto tiristoare

c, la funcionarea cu sarcin rezistiv-inductiv, poate avea loc i pierderea

controlului asupra comenzii tiristorului, acesta rmnnd n conducie tot timpul.

Variatoarelor de c.a. pot fi realizate i cu triacuri (fig. 5.c) triacul fiind un

element semiconductor care ndeplinete funcia a dou tiristoare n antiparalel.

De asemenea, se construiesc variatoare de c.a. cu fototiristoare (fig.5.f),

fototiristoarele prezentnd avantajul de-a mbina rolul de traductor lumin-curent

i element de comutaie. Pentru comanda unor puteri mai mari dect acelea pe

care le pot controla fototiristoarele, se construiesc variatoare de c.a. cu tiristoare

comandate prin fototiristoare. n funcie de modul de legare a fototiristorului cu

tiristorul de putere, grupa de clemente poate ndeplini funcia unui ventil normal

nchis (fig. 6, a) sau de ventil normal deschis (fig.6. b).

Din punctul de vedere al cderii de tensiune pe ventile, cea mai mic

cdere de tensiune o au schemele din figura 5, a, 5,b i cea mai mare schema din

figura 5.e.f

Structura dispozitivului de comand DC al variatoarelor de c.a. depinde

de natura ventilelor (tiristoare, triacuri), de destinaia variatorului i de regimul

de funcionare.

n funcie de modul n care se modific mrimea de intrare a dispoziti-

vului de comand, variatoarele de c.a. pot ndeplini funcia de comand manual

sau automat a tensiunii sau curentului din circuitul energetic sau funcia de

reglare a tensiunii sau curentului .

Triacul

1. Descriere i funcionare

Triacul sau tiristorul bidirecional este o structur de ase straturi care

delimiteaz cinci jonciuni fig.1.a. n loc de anod i catod se ntlnesc dou

terminale notate cu T1 i T2. Schema echivalent conine dou tiristoare conectate

n antiparalel i comandate de un electrod de comand unic, notat cu G, fig.1.b.

Tiristorul Thi este format din regiunile p1n1p2n2 iar tiristorul Th2 din regiunile

p2n1p1n4. Grila este conectat la regiunile n3p2.

Fig.7.

Dac terminalul T2 se polarizeaz pozitiv fa de T1, iar poarta tot pozitiv

atunci structura se comport la fel ca un tiristor convenional, format din

straturile p1n1p2n2. Sensul de circulaie a curentului principal, IT, i a curentului de

comanda, IG, este indicat n fig. 8.a cu linie continu i respectiv ntrerupt.

Fig.8.

Dac terminalul T1 se polarizeaz pozitiv fa de T2 iar poarta negativ

atunci structura se comport ca o structur cu ase straturi cu emitor auxiliar n

circuitul electrodului de comand. Terminalul T1 constituie anodul structurii

principale (de tiristor) p2n1p1n4, iar jonciunea n3p2 constituie emitorul auxiliar

polarizat direct de tensiunea de comand. Sensul de circulaie a curentului

principal, IT, i a curentului de comand, IG, este indicat n fig. 8.b cu linie

continu i respectiv ntrerupt. n acest caz structura se comport ca un tiristor

orientat invers fa de primul caz i comandat prin impulsuri negative aplicate pe

poart.

Caracteristica static a triacului, corespunztoare celor dou moduri de

funcionare (n cadranul I i III) este dat n fig.9.a iar modul de reprezentare

simbolic n fig.9.b. Deoarece curentul principal din structur influeneaz

curentul de comand injectat prin electrodul de poart, amplitudinea curentului IG

necesar pentru amorsare este diferit de la un mod de funcionare la altul. n

cazul n care cei doi cureni circul n aceiai sens (spre terminalul T1)

sensibilitate la comand este mare, curentul cerut pentru amorsare fiind redus.

Daca ns cei doi cureni sunt de semne contrarii, sensibilitatea la comand este

mic.

Fig.9.

Spre deosebire de tiristor, triacul poate fi amorsat cu semnal att pozitiv

ct i negativ, aplicat n grila, n raport cu oricare dintre cei doi electrozi,

indiferent de polaritatea tensiunii UT1T2 aplicat la un moment dat.

Majoritatea caracteristicilor i parametrilor definii pentru tiristoare

rmne valabil i pentru triac, cu precizarea c triacul are performane dinamice

(dI/dt, dU/dt, tq ) n general mai slabe dect ale tiristorului.

Triacul este folosit n circuitele de reglare i comand a puterii n

circuitele de curent alternativ i joas frecven, iar circuitele integrate utilizate

pentru comanda tiristoarelor pot fi utilizate i pentru comanda triacelor.

Principiul comenzii prin control de faz a unui triac este prezentat n

fig.4, unde impedana de sarcin Zs este alimentat de la o tensiune alternativ u,

prin intermediul unui triac. Circuitul de comand, realizat sub form integrat,

genereaz cte un impuls de comand dup fiecare trecere prin zero a tensiunii u,

fig.10.b. Intervalul de timp considerat ntre momentul anulrii tensiunii de

reea i apariia impulsului de comand se numete unghi de comand i este

notat cu a. Acest unghi este reglabil, iar valoarea sa poate fi modificat ca i n

cazul tiristoarelor modificnd tensiunea aplicat din exterior la terminalul

comand faz impuls" al circuitului de comand.

Fig.10.

Forma tensiunii aplicate impedanei de sarcin este dat n fig.10.b. n

particular, dac = 0 impulsurile de comand sunt emise la fiecare trecere prin

zero a tensiunii de reea iar tensiunea aplicat impedanei de sarcin este identic

cu cea de intrare, u.

Diacul

Diacul (Diode Alternative curent switch) este un dispozitiv de mic

putere asemntor ca structur cu triacul dar lipsit de electrod de comand,

fig.11.a. El poate fi considerat ca o grupare de dou diode pnpn n montaj

antiparalel, fig.11 .b.

Fig.11.La aplicarea unei tensiuni UTT cu polaritatea pozitiv pe terminalul T2

jumtatea din dreapta a structurii este polarizat direct iar diacul va intra n

conducie dup ce aceast tensiune va depi valoarea UBO caracteristica curent -

tensiune avnd forma din fig.11.e, cadranul I. Atunci cnd polaritatea tensiunii

UT2T1 se inverseaz (polaritatea pozitiv pe terminalul T1) jumtatea din stnga a

structurii este polarizat direct iar diacul va intra n conducie n sens invers,

dup ce aceast tensiune va depi valoarea -UBO, rezultnd ramura simetric a

caracteristicii din cadranul III, fig.11.c. Din analiza modului de funcionare

rezult c diacul este o component electronic cu conducie bilateral, care se

deschide de la sine atunci cnd tensiunea dintre bornele sale devine suficient de

mare n valoare absolut. Dup intrarea n conducie a unui diac, acesta va putea

fi adus din nou n starea de blocare prin aducerea la zero a tensiunii UT2T1.

El este un dispozitiv de mic putere, avnd tensiuni UB0 =(2842) V

i cureni nominali de civa zeci de miliamperi. Reprezentarea simbolic

a diacului este dat n fig.11.d. i difer de cea a triacului prin faptul c nu

prezint electrod de comand.

Diacul se folosete n special la comanda tiristoarelor i a triacelor, i de

asemenea, la realizarea unor oscilatoare. Aceast din urm aplicaie se bazeaz

pe prezena n caracteristica tensiune - curent a diacului a dou poriuni de

rezisten negativ.

Schema circuitului de comand a triacului cu ajutorul unui diac este dat

n fig.12.

Fig.12

Fig.13 Schema de montaj