VARIATOARE DE CURENT ALTERNATIV

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

ieşire, frecvenţa tensiunilor de ieşire fiind aceeaşi cu a tensiunilor de intrare. Ele

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

variatoare de c.a. monofazate si trifazate.

VARIATOARE DE c.a. MONOFAZATE

Pentru analiza fenomenelor care au loc la variatoarele de c.a. monofazate

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

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

constanţi. Ventilul V1 este comandat cu un şir de impulsuri, cu perioada 2 şi

defazate faţă de tensiunea U1 cu unghiul (unghiul de comandă), iar ventilul V2

cu un şir de impulsuri cu perioadă 2 şi defazat faţă de primul şir de impulsuri cu

. Dispozitivul de comandă DC permite modificarea unghiului de la 0 la

Ecuaţia diferenţială a circuitului este:

Soluţia ecuaţiei (2.1) corespunzătoare intervalului t[ B] este:

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

unde:

Pentru cazul unei sarcini pur rezistive ( φ=0)

iar pentru sarcină pur inductivă;

Ventilul V1 se blochează în momentul trecerii curentului prin 0 unghiul de blocare 1B rezultând din relaţia:

Soluţiile ecuaţie sunt date în figura 3.Dacă unghiul de conducţie λ=B-) al ventilului v1este < atunci la

aplicarea impulsului de comanda ventilului V2acesta poate trece în stare de

conducţie, ventilul V1aflânduse în stare de conducţie,numai după blocarea

impulsului V1 dacă impulsul de comandă aplicat ventilului V2 are o lăţime………

Cât timp unul din ventile conduce, celălalt nu poate fi trecut în stare de

conducţie, din cauza tensiunii anod-catod negative.

Variatoarele de c.a. monofazate funcţionează, de obicei, cu λ <. În acest

caz, în intervalul de conducţie al ventilului V2 ecuaţia circuitului este tot ecuaţia

cu soluţia:

Fig.3 Graficul funcţiei 1B=f() pentru φ=constant

Dacă la funcţionarea simetrică a variatorului de c.a. se modifică unghiul

de comandă a ventilelor, are loc modificarea valorii medii a tensiunii şi

curentului şi deci, a puterii medii transmise sarcinii. Modificarea progresivă a

unghiului de comandă a ventilelor variatoarelor de c.a., în scopul modificării

puterii medii transmise sarcinii, poartă denumirea de comandă progresivă sau cu

control de fază. La comanda progresivă a variatoarelor de c.a. unghiul de

comandă poate fi modificat în intervalul ( ), unde unghiul limită 1 rezultă

din condiţia: pentru =1 λ= , sau pentru ωt=+, i = 0.

Valoarea medie a tensiunii u2 aplicate sarcinii, pentru cazul sarcinii pur

rezistive este:

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

Vm1 şi V10 în funcţie de unghiul de comandă

Raportând valoarea medie a tensiunii u2, la valoarea medie maximă U20med (=0), rezultă:

De asemenea se obţine:

La modificarea unghiului de comandă, curentul de sarcină este dis-

torsionat. Conţinutul în armonici a curentului de sarcină depinde de unghiul de

comandă. în figura 4 este dată dependenţa amplitudinii armonicii fundamentale,

raportată la valoarea maximă şi a fazei armonicii de bază în funcţie de unghiul de

comandă.

Din figura 4, rezultă că există un defazaj al armonicii fundamentale a

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

creşte odată cu creşterea unghiului de comandă. Datorită acestui defazaj, apare o

putere reactivă, numită putere reactivă de comandă..

Armonicile superioare ale curentului de sarcină produc perturbaţii supă-

rătoare în funcţionarea canalelor de telecomunicaţii, a aparatelor electronice de

măsurat şi control sau a altor echipamente din vecinătate. Pentru evitarea acestor

perturbaţii, se recomandă ca variatoarele de c.a. cu puteri mai mari de 250 W, să

fie prevăzute cu filtre pentru reducerea armonicilor.

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

prezentate în figura 5.

Variatorul de c.a. cu două tiristoare în antiparalel (fig. 5. a) are o

structură simplă, dar prezintă următoarele dezavantaje:

- necesită două dispozitive de comandă izolate galvanic între ele;

- în cazul apariţiei unei supratensiuni dinspre reţea sau din cauza sarcinii,

există pericolul distrugerii

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

tiristoarelor. În adevăr, dacă la apariţia unei supratensiuni, tiristorul care este

polarizat direct nu amorsează ca urmare a depăşirii tensiunii de basculare de nul,

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

avantajul că foloseşte un singur tiristor, în schimb, nu permite reglarea puterii

decât în domeniul: Pmax/2-Pmax În plus, reglarea puterii este însoţită de apariţia

unei componente continue a curentului, a cărei valoare este cu atât mai

pronunţată cu cât unghiul de comandă al tiristorului este mai mare.

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

care catozii tiristoarelor sunt legaţi direct, iar fiecare tiristor are montat în

antiparalel, câte o diodă. Prezenţa diodelor în antiparalel nu permite apariţia unor

tensiuni inverse pe tiristoare şi deci asigură protecţia tiristoarelor la

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

singur dispozitiv de comandă, deoarece tiristoarele au catodul comun.

Schema unui variator de c.a. cu un singur tiristor montat în braţul unei

punţi cu diode este dată în figura 5 d. Un dezavantaj al schemei este acela că, la

funcţionarea variatorului cu sarcina rezistiva inductivă, în momentul ieşirii din

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

instantanee corespunzătoare momentului blocării tiristorului . Tiristorul abia ieşit

din conducţie, poate amorsa la o valoare a lui du/dt mai mică, decât dacă ar face

parte din structura unui variator cu două tiristoare. Schema cu tiristor montat în

braţul punţii cu diode are şi neajunsul

Fig.6. Comanda tiristoarelor prin foto tiristoare

că, la funcţionarea cu sarcină rezistiv-inductivă, poate avea loc şi pierderea

controlului asupra comenzii tiristorului, acesta rămânând în conducţie tot timpul.

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

element semiconductor care îndeplineşte funcţia a două tiristoare în antiparalel.

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

fototiristoarele prezentând avantajul de-a îmbina rolul de traductor lumină-curent

şi element de comutaţie. Pentru comanda unor puteri mai mari decât acelea pe

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

comandate prin fototiristoare. În funcţie de modul de legare a fototiristorului cu

tiristorul de putere, grupa de clemente poate îndeplini funcţia unui ventil normal

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

Din punctul de vedere al căderii de tensiune pe ventile, cea mai mică

cădere de tensiune o au schemele din figura 5, a, 5,b şi cea mai mare schema din

figura 5.e.f

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

de natura ventilelor (tiristoare, triacuri), de destinaţia variatorului şi de regimul

de funcţionare.

În funcţie de modul în care se modifică mărimea de intrare a dispoziti-

vului de comandă, variatoarele de c.a. pot îndeplini funcţia de comandă manuală

sau automată a tensiunii sau curentului din circuitul energetic sau funcţia de

reglare a tensiunii sau curentului .

Triacul

1. Descriere şi funcţionare

Triacul sau tiristorul bidirecţional este o structură de şase straturi care

delimitează cinci joncţiuni fig.1.a. În loc de anod şi catod se întâlnesc două

terminale notate cu T1 şi T2. Schema echivalentă conţine două tiristoare conectate

în antiparalel şi comandate de un electrod de comandă unic, notat cu G, fig.1.b.

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

p2n1p1n4. Grila este conectată la regiunile n3p2.

Fig.7.

Dacă terminalul T2 se polarizează pozitiv faţă de T1, iar poarta tot pozitiv

atunci structura se comportă la fel ca un tiristor convenţional, format din

straturile p1n1p2n2. Sensul de circulaţie a curentului principal, IT, şi a curentului de

comanda, IG, este indicat în fig. 8.a cu linie continuă şi respectiv întreruptă.

Fig.8.

Dacă terminalul T1 se polarizează pozitiv faţă de T2 iar poarta negativ

atunci structura se comportă ca o structură cu şase straturi cu emitor auxiliar în

circuitul electrodului de comandă. Terminalul T1 constituie anodul structurii

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

polarizat direct de tensiunea de comandă. Sensul de circulaţie a curentului

principal, IT, şi a curentului de comandă, IG, este indicat în fig. 8.b cu linie

continuă şi respectiv întreruptă. în acest caz structura se comportă ca un tiristor

orientat invers faţă de primul caz şi comandat prin impulsuri negative aplicate pe

poartă.

Caracteristica statică a triacului, corespunzătoare celor două moduri de

funcţionare (în cadranul I şi III) este dată în fig.9.a iar modul de reprezentare

simbolic în fig.9.b. Deoarece curentul principal din structură influenţează

curentul de comandă injectat prin electrodul de poartă, amplitudinea curentului IG

necesar pentru amorsare este diferită de la un mod de funcţionare la altul. În

cazul în care cei doi curenţi circulă în aceiaşi sens (spre terminalul T1)

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

Daca însă cei doi curenţi sunt de semne contrarii, sensibilitatea la comandă este

mică.

Fig.9.

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

cât şi negativ, aplicat în grila, în raport cu oricare dintre cei doi electrozi,

indiferent de polaritatea tensiunii UT1T2 aplicată la un moment dat.

Majoritatea caracteristicilor şi parametrilor definiţi pentru tiristoare

rămâne valabilă şi pentru triac, cu precizarea că triacul are performanţe dinamice

(dI/dt, dU/dt, tq ) în general mai slabe decât ale tiristorului.

Triacul este folosit în circuitele de reglare şi comandă a puterii în

circuitele de curent alternativ şi joasă frecvenţă, iar circuitele integrate utilizate

pentru comanda tiristoarelor pot fi utilizate şi pentru comanda triacelor.

Principiul comenzii prin control de fază a unui triac este prezentat în

fig.4, unde impedanţa de sarcină Zs este alimentată de la o tensiune alternativă u,

prin intermediul unui triac. Circuitul de comandă, realizat sub formă integrată,

generează câte un impuls de comandă după fiecare trecere prin zero a tensiunii u,

fig.10.b. Intervalul de timp considerat între momentul anulării tensiunii de

reţea şi apariţia impulsului de comandă se numeşte unghi de comandă şi este

notat cu a. Acest unghi este reglabil, iar valoarea sa poate fi modificată ca şi în

cazul tiristoarelor modificând tensiunea aplicată din exterior la terminalul

„comandă fază impuls" al circuitului de comandă.

Fig.10.

Forma tensiunii aplicate impedanţei de sarcină este dată în fig.10.b. în

particular, dacă α= 0 impulsurile de comandă sunt emise la fiecare trecere prin

zero a tensiunii de reţea iar tensiunea aplicată impedanţei de sarcină este identică

cu cea de intrare, u.

Diacul

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

putere asemănător ca structură cu triacul dar lipsit de electrod de comandă,

fig.11.a. El poate fi considerat ca o grupare de două diode pnpn în montaj

antiparalel, fig.11 .b.

Fig.11.

La aplicarea unei tensiuni UTT cu polaritatea pozitivă pe terminalul T2

jumătatea din dreapta a structurii este polarizată direct iar diacul va intra în

conducţie după ce această tensiune va depăşi valoarea UBO caracteristica curent -

tensiune având forma din fig.11.e, cadranul I. Atunci când polaritatea tensiunii

UT2T1 se inversează (polaritatea pozitivă pe terminalul T1) jumătatea din stânga a

structurii este polarizată direct iar diacul va intra în conducţie în sens invers,

după ce această tensiune va depăşi valoarea -UBO, rezultând ramura simetrică a

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

rezultă că diacul este o componentă electronică cu conducţie bilaterală, care se

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

mare în valoare absolută. După intrarea în conducţie a unui diac, acesta va putea

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

El este un dispozitiv de mică putere, având tensiuni UB0 =(28÷42) V

şi curenţi nominali de câţiva zeci de miliamperi. Reprezentarea simbolică

a diacului este dată în fig.11.d. şi diferă de cea a triacului prin faptul că nu

prezintă electrod de comandă.

Diacul se foloseşte în special la comanda tiristoarelor şi a triacelor, şi de

asemenea, la realizarea unor oscilatoare. Această din urmă aplicaţie se bazează

pe prezenţa în caracteristica tensiune - curent a diacului a două porţiuni de

rezistenţă negativă.

Schema circuitului de comandă a triacului cu ajutorul unui diac este dată

în fig.12.

Fig.12

Fig.13 Schema de montaj