Variator de Tensiune Trifazat

download Variator de Tensiune Trifazat

of 19

description

Variator de tensiune trifazat

Transcript of Variator de Tensiune Trifazat

  • Capitolul I Notiuni introductive asupra dispozitivelor semiconductoare de putere si a convertoarelor staticeClasificarea dispozitivelor semiconductoare de putereIn functie de modalitatea in care pot fi controlatea)dispozitive necontrolabile b)dispozitive cu amorsare controlatac)dispozitive semiconductoare de putere controlabileIn functie de natura semnalului de comandaa) dispozitive comandate in curentb) dispozitive comandate in tensiuneIn functie numarul de caracteristici de blocare si de conductie realizate de dispozitiva)caracteristica de blocare directab)caracteristica de conductie directac)caracteristica de blocare inversad)caracteristica de conductie inversa

  • Un convertor electronic de putere este un echipament care se interpune intre sursa de energie electrica si unul sau mai multi receptori cu rol de a controla cantitativ fluxul energetic si de a realiza in acelasi timp o conversie statica prin care se pot modifica anumite caracteristici sau parametri ai energiei in scopul adaptarii acestora la cerintele sarcinii.Un convertor static cuprinde in general doua parti:parte de forta - cu o anumita structura realizata cu dispozitive semiconductoare de putere, dar si cu alte elemente de circuit cum ar fi condensatoare si inductante cu rol de filtrare sau protectie;un bloc de comanda si control - cu rol de a furniza semnale de comnda pentru dispozitivele semiconductoare de putere, regla sau controla anumite variabile din sistem si nu in ultimul rand de a implementa functii de protectie asociate partii de forta.

    Definirea si structura convertoarelor electronice de putereConvertor static

  • Clasificarea convertoarelor electronice de putereCriterii de clasificare se fac in functie de :Regimul de comutatie Tipul conversiei energiei si functiile lor externeTipul comutatiei folosite in structura de fortaExistenta sau nu a separarii galvanice intre intrare si iesireNatura sarcinii si tipul de filtru utilizat la iesireRolul convertorului si posibilitatea reglarii iesiriiNumarul de cadrane in care functioneaza.Din punct de vedere al regimului de comutatie convertoarele statice pot fi grupate in:convertoare fara comutatie;convertoare in comutatie naturala sau in comutatie externa;convertoare in comutatie fortata sau in comutatie proprie (interna).Convertoarele mai pot fi clasificate n doua mari categorii:Convertoare statice de curent alternativConvertoare statice de curent continuu.

  • CAPITOLUL II Dispozitive semiconductoare de puteredioda de puteretiristorultriacultiristorul cu blocare pe poarta GTOtranzistorul bipolar de puteretranzistorul MOSFET de puteretranzistorul bipolar cu poarta izolata IGBTtiristorul MOS (MOS Controlled Thyristor MCT)Tiristorul obisnuit este un dispozitiv semiconductor de putere cu o mare capacitate in curent si tensiune,

    Structura tiristoruluiPrincipalele tipuri de dispozitive semiconductoare de putere intalnite in schemele electrice ale echipamentelor electronice de putere sunt:care face ca utilizarea lui in convertoare sa aiba inca o raspandire foarte mare. Structura unui tiristor se compune din patru straturi semiconductoare in serie pnpn, formand astfel trei jonctiuni ,ca in figura . Tiristorul in executie normala are trei electrozi: anodul A catodul K si electrodul de comanda numit grila G.

  • Structura de baza utilizata in electronica de putere este structura pnpn produsa de Shokley polarizata direct, prezinta o caracteristica tensiune-curent proprie elementelor de comutatie, cu doua stari stabile: blocare si conductie. Functionarea tiristorului implica existenta unui circuit de comnda pe grila care sa furnizeze semnale corespunzatoare de amorsare.Amorsarea tiristorului se realizeaza prin injectarea unui curent pe grila, la o tensiune mai mica decat

    Caracteristica statica a tiristoruluiBlocarea la polarizare inversaConductia directaMicsorarea tensinuini de intoarcere prin cresterea curentului de poarta IGmica decat cea de autoamorsare sau la tensiunea de autoamorsare fara curent de poarta, mod utilizat foarte rar sau deloc. Semnalul de comanda pentru amorsarea tiristorului poate fi atat continuu cat si impulsuri de polaritate corespunzatoare. Timpul de comutare directa creste cu temperatura si cu curentul anodic,dar scade cand amplitudinea semnalului de comada creste. Pentru blocare este suficient sa micsoram tensiunea anodica sub valoarea de mentinere, dar timpul de comutare invarsa scade daca invarsam polaritatea tensiunii la anod. Daca semnalul de blocare este un impuls, exista o durata minima a acestuia, numita timp de revenire pe poarta sub care blocarea nu are loc.

  • CAPITOLUL III COMUTATIA STATICAPrincipiul deconectarii sincronizateSchema de principiu a unui aparat electric cu comutatie sincronizata este prezentata in figura si cuprinde aparatul electric clasic cu contacte AE, cu dispozitivul sau de actionare DA, la care se adauga un ansamblu de sincronizare AS. Buna functionare a unor asemenea aparate cu comutatie sincronizata presupune desigur viteze mari de separare a contactelor acestora dar si treceri naturale prin zero ale curentului ce se succed la intervale de timp egale cu o semiperioada, deci regim permanent sinusoidal pentru circuitele respective si nu regimuri tranzitorii de conectare sau de efect, pe durata carora trecerile succesive prin zero ale curentului nu se mai realizeaza dupa exact o semiperioada.Desi teoretic deconectarea sincronizata s-ar putea s-ar

    Schema de principiu cu comutatie sincronizata Principiul deconectarii sincronizateputea realiza si in raport cu trecerile naturale prin zero ale tensiunii, realizarile practice, se refera doar la solutii ce asigura sincronizarea dupa valorile curentului, in plus, necesitatea identificarii momentelor de trecere naturala prin zero ale curentului impune utilizarea a trei module monofazate identice, independente in cazul comutatiei sincronizate a circuitelor trifazate.

  • Contactoare statice de curent continuudirect pentru T1 se asigura astfel activarea circuitului de stingere, ce intervine prin descarcarea condensatorului C cu un curent direct pentru T2, respectiv cu un curent invers pentru T1, pe traseul C-T1-T2 . Daca valoarea rezultanta a curentului prin T1, ca diferenta dintre curentul nominal ce parcurge consumatorul (Rs Ls) si curentul de descarcare al condensatorului C, este sub limita minima de conductie, se obtine stingerea acestui tiristor si deci intreruperea circuitului. De mentionat faptul ca stingerea tiristorului auxiliar T2 se realizeaza daca valorile rezistentei R sunt suficient de mari. Schema de principiu a unui contactor static de curent continuu este prezentata in figura . Contactorul contine tiristorul T1 care, la o comanda convenabila asigurata de tensiunea UC1, continua sau sub forma de impuls, trece in stare de conductie si asigurata alimentarea consumatorului Rs Ls . In timpul procesului tranzitoriu de conectare se realizeaza si incarcarea condensatorului C pe traseul T1-C-R. Pentru a realiza deconectarea contactorului se comanda trecerea in conductie a tiristorului T2; se asigura astfel activarea circuitului de stingere, ce intervine prin descarcarea condensatorului C cu un curent Contactor static de curent continuu

  • Contactoare statice de curent alternativSunt echipamente care realizeaza conectarea si deconectarea unei sarcini la o sursa de curent alternativ. Fata de cele de curent continuu, la cele de curent alternativ, deoarece curentul trece periodic prin 0,nu sunt necesare circuite speciale de stingere. Scheme de principiu ale unor contactoare statice monofazate de curent alternativ sunt prezentate in figurile urmatoare:

    Schema A) foloseste 2 tiristoare in montaj antiparalel si 2 dispozitive de comanda DC. Prezinta dezavantajul utilizarii a 2 dispozitive de comanda si a faptului ca la aparitia unor supratensiuni dinspre sursa sau sarcina daca tiristorul amorseaza direct, nu amorseaza prin efect du/dt, celalalt tiristor se poate distruge.

    In schema B) - un tiristor este inlocuit cu dioda D, rezultand un singur dispozitiv de comanda. Dezavantajul este faptul ca puterea pe sarcina este (0,5-1 )*Pmax.

  • Avantajul consta in faptul ca se utilizeaza un singur tiristor si un singur dispozitiv de comanda. Dezavantajul : in conductie curentulcircula prin 3 elemente semiconductoare (D1+T+D4) (D2+T+D3) deci cresc pierderile in comutatie.

    Montajul E) este echivalent cu A) deoarece triacul indeplineste functia a 2 tiristoare in montaj antiparalel. Aceasta schema nu se poate utiliza pentru curenti de sarcina mari.

    Schema C) - prin conectarea in serie a 2 grupuri formate fiecare dintr-un tiristor si o dioda in antiparalel. Avantajul consta in faptul ca se utilizeaza un singur dispozitiv de comanda. D1, D2 protejeaza tiristorul la supratensiune.

    Montajul D) este realizat cu ajutorul unei punti redresoare D1-D4 care are conectat pe diagonala de curent continuu tiristorulul T.

  • CAPITOLUL IV Variatoare de curent alternativVariatorul de curent alternativ (denumit si de tensiune alternativa), este un convertor static care functioneaza fara comutatie. El este un convertor alternativ-alternativ care transforma un sistem de c.a monofazat sau trifazat, cu frecventa fi si tensiunea de intrare Ui constanta (valoarea efectiva), intr-un alt sistem de c.a. monofazat sau trifazat, avand aceeasi frecventa ca primul si tensiunea de iesire Us reglabila.Deoarece este necesara circulatia curentului in ambele sensuri, pentru realizarea variatoarelor de c.a. se foloseste fie triacul, fie tiristoare in montaj antiparalel. Din punct de vedere al circuitului de forta, aceste doua variante sunt identice, deosebirile fiind doar la circuitele de comanda. Comanda variatoarelor de c.a. pentru a regla valoarea efectiva a tensiunii de iesire, se poate face dupa doua metode: reglajul de faza, respectiv controlul numarului perioadelor de conductie. a)montaj cu tiristoare antiparalel; b) montaj cu tiristoare

  • Variatoare de c.a. monofazate cu sarcina rezistivaIn cazul unei sarcini pur active, L=0, regimul de functionare al schemei este reprezentat in figura (montajul cu tiristoare antiparalel si a tensiunilor si curentul in cazul unei sarcini rezistive). Comanda tiristoarelor se face prin reglaj de faza. Momentul amorsarii tiristoarelor este dat de unghiul de comanda , masurat, in acest caz, din momentul trecerii prin zero a tensiunii de alimentare, u(t).

    Tiristorul T1 poate conduce in timpul semiperioadelor pozitive, iar tiristorul T2 in timpul semiperioadelor negative. Daca unul sau altul dintre tiristoare conduce, atunci tensiunea aplicata sarcinii, us, este egala cu tensiunea nula si tensiunea pe tiristoare, uT, este egala cu u(t). Curentul astfel obtinut este unul sinusoidal. Marimea unghiului 1 depinde de valoarea unghiului de comanda . Daca impulsurile de amorsare pe poarta tiristoarelor se aplica pentru =0, atunci se obtine functionarea schemei in regim de contactor monofazat de c.a. si curentul de sarcina devine sinusoidal si in faza cu tensiunea sursei de alimentare.

  • Variatoare de c.a. trifazate cu sarcina rezistivaSchema variatorului de c.a. trifazat contine pe fiecare faza cate o pereche de tiristoare conectate in montaj antiparalel. Sarcina, de obicei, rezistiv-inductiva poate fi conectata in stea sau in triunghi. Atunci cand sarcina este conectata in triunghi, functionarea variatorului trifazat este similara cu cea corespunzatoare functionarii a trei variatoare de c.a. monofazate alimentate cu tensiunile de linie. In functie de valoarea unghiului de comanda , se poate regla in mod continuu, puterea absorbita de sarcina de la o valoare maxima pana la zero.Pentru o sarcina pur rezistiva, variatia in timp a marimilor referitoare la faza A a sarcinii sunt reprezentate in Fig.4.10, unghiul de comanda fiind =/4. Au fost reprezentate mai intai pentru claritate duratele de conductie ale tiristoarelor din contactoarele KA, KB, KC. Dispozitivul de comanda pe poarta (neconfigurat), asigura impulsurile de

    amorsare ale tiristoarelor in mod periodic, corespunzator unui sistem trifazat, cu un defazaj de 2/3 intre faze. Formele de unda ale variatorului trifazat de c.a. pentru o sarcina pur rezistiva la unghiul de comanda =/4

  • Daca unghiul de comanda nu depaseste /3, atunci pe o faza intervalul de conductie este de la la intr-un sens, respectiv de la (+) la 2 in sens opus. Daca cele trei contactoare sunt in conductie in acelasi timp, tensiunile de faza uA, uB si uC la bornele sarcinii (considerata simetrica) sunt egale cu tensiunile de faza ale sursei de alimentare, uR, uS si uT. In cazul in care doar doua contactoare sunt in conductie, tensiunile de faza la bornele sarcinii, sunt egale cu jumatate din tensiunea de linie a sursei trifazate, corespunzatoare contactoarelor care conduc. Daca unghiul de comanda este intre limitele /3
  • Aplicatia practica a variatorului de curent alternativ trifazat.Descrierea schemeifigura 4.22

  • Acest variator de putere trifazat poate controla atat sarcini rezistive cat si sarcini inductive. Dispozitivele semiconductoare de putere sunt complet izolate iar reglajul formelor de unda, de la zero la incarcarea maxima, este facut prin intermediul unui singur potentiometru, interfata cu calculatorul poate fi foarte usor de realizat, presupunand ca toate izolatiile sunt corect implementate.Caracteristicile variatorului de putere trifazic izolat optic sunt prezentate in figura 4.22. Acesta poate fi folosit pentru a comanda un cuptor trifazic, un motor trifazic etc.Puterea este controlata de la zero la maxim de catre un singur potentiometru care are rolul de a furniza tensiunea de control Vcontrol. Daca este nevoie, tensiunea de control poate fi furnizata de la calculator folosind un montaj convertor de semnale digital-analog.In acest montaj, partea circuitului de forta si a circuitul de comanda sunt separate galvanic prin intermediul optotriacelor model MOC3020. Caracteristicile liniare de transfer sunt realizate folosind prin controlul numarului perioadelor de conductie.In figura 4.22 este prezentat modul cum functioneaza una din cele 3 sectiuni ale variatorului de putere folosind reprezentarea grafica a formelor de unda ale tensiunii.Formele de unda ale celorlalte doua sectiuni sunt asemanatoare diferenta fiind ca acestea sunt defazate cu 120 respectiv 240. Figura 4.22a) prezinta formele de unda ale tensiunilor tipice unei retele trifazate.

  • Aceste tensiuni de linie sunt coborate la valoarea de 2x6V c.a. folosind transformatoare coboratoare de tensiune. Forma de unda a tensiunii coborate in cazul fazei L1 este prezentat in figura 4.22 b) . Aceasta tensiune este directionata prin intermediul a doua diode 1N4001 urmand a fi introduse pe intrarea unui comparator neinversor pentru a fi comparata cu o tensiune mai mica V pentru a genera unghiuri pozitive si negative. Aceste unghiuri pozitive si negative a ,d sunt necesare pentru a ne asigura ca exista o tensiune minima la bornele triacului inainte ca acesta sa fie amorsat. Semnalul rezultat reprezinta unghiurile unghiuri pozitive si negative corespunzatoare fazei L1 ce poate fi analizat in figura 4.22c).In continuare un comparator genereaza un semnal de referinta , VC2 necesar pentru izolarea celor doua jumatati de ciclu ale formelor de unda, necesar pe intrarea SA a integratului multiplexor HTC4053. Doua semnale stabilizate, defazate cu 180, sunt generate folosind doua comparatoare inversoare cu polarizare negativa (cu circuitul integrat LM339.). Amandoua semireglabilele de 2K ale fiecarui comparator, trebuie ajustate pana se obtin semnalele ca in figura 4.22 e) si f).Semnalele sunt aplicate pe pinii YIAsi YIB care au functie de intrare iesire independenta.Folosind semnalul de referinta VC2 impreuna cu semnalele YIAsi YIB , multiplexorul combina cele doua semnale pentru a genera un semnal de referinta Fig.4.22 g). la iesirea pinul 14 (Z1) care are functia de intrare iesire comuna.

  • Aceasta e necesara pentru a atinge caracteristica liniara de transfer a variatorului.Tensiunea VControl impreuna cu semnalul de referinta (VS1) sunt comparate pentru a genera unghiul de aprindere ca in figura 4.22 h). O functie logica SI a fost realizata folosind doua diode si un tranzistor , acesta vor produce unghiuri pozitive si negative.Aceste forme de unda rezultate,( ca in fig.4.22 i),)sunt folosite pentru a comanda triacul conectat la faza L1 . Cele trei sectiuni ale variatorului asigura ca toate cele trei triace sunt actionate la o intarziere cu unghi foarte precis.In montaj am folosit triace de putere seria BT138, triace capabile sa sustina un curent de 12A, daca e necesar se pot folosi dispozitive cu curenti mai mari.Montajul poate fi folosit si in varianta monofazata ca in figura:

  • CAPITOLUL 5 ConcluziiLucrarea de fata are ca scop evidentierea principalelor caracteristici ale echipamentelor de comutatie statica . Astfel in lucrare s-a facut un studiu practic pe un montaj realizat cu triace si optotriace, evidentiindu-se principalele avantaje ale comutatiei statice si ale folosirii echipamemtelor statice comparativ cu comutatia dinamica.Intre avantaje putem enumera:deconectarea fara arc electric;putere de comanda micainertie minima ( de ordinul microsecundelor );pot deconecta curenti alternativi la trecerea prin zero, evitand supratensiuni de comutatiefrecventa de comutatie ridicataDesi comutatia statica are avantaje certe aceasta are si dezavantaje din care enumeram: nu executa separarea galvanica si nici vizibilala aparatele cu tiristoare si triacuri, la dispozitia momentana a tensiunii, se produce deconectarea daca curentul de comanda este nul;aparatul cu semiconductoare este sensibil la supratensiuni;constanta de timp termica redusa, deci sensibile la scurtcircuite sau suprasarcini;cost ridicat.

    ******