Convertoare statice

CURS 8

http://www.conv.pub.ro/convertoare_statice/an_2_A/

CONVERTOARE STATICE DE PUTERE

- REDRESOARE -

GEERALITI DESPRE COVERTOARELE STATICE DE PUTERE

Convertoarele statice de putere sunt echipamente statice complexe, plasate ntre sursa de energie i receptor, avnd rolul de a modifica parametrii energiei furnizate de surs (valoare, form, frecven a tensiunii), innd cont de cerinele impuse de receptor. Convertoarele pot fi, de asemenea, montate ntre dou surse de energie pentru a face posibil funcionarea simultan a acestora. Convertorul static are rol de receptor din punct de vedere al sursei de energie i rol de surs de energie din punct de vedere al sarcinii.

Partea de putere a convertorului este realizat cu dispozitive semiconductoare de putere comandabile (tiristoare, tranzistoare) i/sau necomandabile (diode). Aceste dispozitive funcioneaz n regim de comutaie i au rolul unor ntreruptoare. Ca urmare, regimul permanent al convertorului este format dintr-o succesiune periodic de regimuri tranzitorii ale ntreruptoarelor. nchiderea i deschiderea succesiv a acestor ntreruptoare se fac dup o logicimpus de principiul de funcionare a convertorului. Aceast logic este asigurat de schema electronic de comand. Toate convertoarele conin deci o parte de putere (for) i o parte de comand.

Clasificarea convertoarelor statice de putere

Dupa tipul mrimii electrice la intrarea i la ieirea convertorului:

redresoarele sunt convertoare alternativ-continuu ;variatoarele de tensiune alternativ sunt convertoare alternativ-alternativ. Frecvena

tensiunii de ieire este aceeai cu cea a tensiunii de intrare, dar valoarea sa efectiv poate fi modificat ;

cicloconvertoarele - sunt convertoare alternativ-alternativ. Frecvena tensiunii de ieire poate fi modificat n raport cu cea a tensiunii de intrare, ca i valoarea sa efectiv ;

chopperele - sunt convertoare continuu-continuu. Tensiunea de ieire este reglabil ;invertoarele autonome - sunt convertoare continuu-alternativ. La ieire, gsim una sau

mai multe tensiuni alternative reglabile ca valoare efectiv i ca frecven.

Dupa tipul de comutaie:

convertoare cu comutaie natural;convertoare cu comutaie comandat.

=== =

=~

=~

Redresor

Chopper(variator de tensiune continu)

~

~~

~~

~

Cicloconvertor

Variator de tensiune alternativ

Invertorautonom

Prin comutaie, se nelege trecerea succesiv a curentului de la o cale de curent la altcale de curent a prii de putere.

Prin definiie, o cale de curent conine un singur ntreruptor (un singur dispozitiv semiconductor de putere). Pentru comutarea ntre strile nchis i deschis, un ntreruptor trebuie s aib aplicat la bornele sale o tensiune convenabil. Aceast tensiune este numit "tensiune de comutaie". Dac aceast tensiune este disponibil n cadrul prii de putere, se spune c avem un convertor cu comutaie "natural"; dac nu, ea treabuie creat i aplicat la momente determinate de timp. n acest caz, avem o comutaie "comandat".

Pentru tiristoarele normale, comutaia comandat se numete "forat", deoarece blocarea unui asemenea dispozitiv se face prin intermediul unui circuit auxiliar de blocaj; el este pus n funciune de circuitul de comand, la momentul potrivit.

Redresoarele, variatoarele de tensiune alternativ i cicloconvertoarele sunt convertoare cu comutaie "natural", deoarece tensiunea de comutaie se gsete n partea de for, furnizatde reeaua alternativ. Blocajul tiristoarelor sau al diodelor n convertoarele cu comutaie naturalse face la trecerea natural prin zero a curentului care le strbate.

Chopperele i invertoarele autonome sunt convertoare cu comutaie "comandat".

n stadiul actual, mai mult de 70% din energia produs se vehiculeaz prin convertoarele statice i procentul crete cu fiecare an.

5. REDRESOARE

5.1. DEFIIII. CLASIFICARE. POTEZE DE STUDIU

Definitie:

Redresorul este un convertor static de putere care realizeaz conversia unei tensiuni alternative (mono sau polifazat) ntr-o tensiune continu, sensul transferului de energie fiind dinspre partea de curent alternativ spre partea de curent continuu.

Redresorul este, n general, compus dintr-un transformator sau din bobine de limitare a curentului montate pe partea de alimentare alternativ, din elemente de netezire a curentului i/sau tensiunii pe partea de curent continuu, din elemente de protecie la suprasarcini i supratensiuni i din dispozitive semiconductoare de putere cu conducie unidirecional (diode i tiristoare) pe fiecare cale de curent, acestea fiind legate astfel nct dispozitivele s aib aceeai durat de conducie sau de blocaj. Dispozitivele devin succesiv "conductoare" sub aciunea "tensiunii de comutaie" furnizate de reeaua de alimentare, legile fiind impuse de modul de conexiune (schem).

Clasificarea redresoarelor

1) dup tensiunea alternativ de alimentare:- redresoare monofazate alimentate de la reeaua monofazat;- redresoare trifazate alimentate de la reeaua trifazat ;

2) dup tensiunea continu de ieire:- redresoare necomandate (care nu conin dect diode). Ele furnizeaz la ieire o

tensiune continu de valoare constant;- redresoare comandate (care nu conin dect tiristoare) i semicomandate (cu tiristoare

i diode). Ele furnizeaz la ieire o tensiune continu de valoare reglabil ;

3) dup polaritatea tensiunii continue de ieire:- redresoare care dau o tensiune continu de polaritate unic . Caracteristica extern

a acestora va fi n primul cadran al planului . Ele sunt numite simplu redresoare sau convertoare cu comutaie natural pentru un cadran ;

- redresoare care furnizeaz la ieire o tensiune continu de polaritate Caracteristica lor extern se situeaz n cadranele I i IV ale planului

i sunt redresoare comandate. Sunt numite convertoare cu comutaie natural pentru doucadrane. Funcionarea n cadranul IV este un regim de invertor cu comutaie natural, pilotat de reeaua alternativ i care nu este posibil dect cu o sarcin activ (RLE), capabil s meninsensul pozitiv al curentului. Numai redresoarele comandate pot funciona n aceste dou cadrane ;

+Ud( )dd IU ,

Ud( )dd IU ,

~=

_Ud-

I d_

Sarcin+

-

~

_Ud

I d

_

I(-)

(+)activ(RLE)

+

_Ud-

Redresor

IVInvertorpilotat dereea

Convertorul cu comutaie natural pentru dou cadrane

4) dup gruparea nfurrilor transformatorului, nfurrile fiind sursa tensiunilor alternative:- redresoare de tip paralel (P), numite i cu punct median n literatura tehnic german,

sunt redresoarele pentru care cele n nfurri (fiecare n serie cu ntreruptorul unidirecional) sunt grupate n stea i sunt n paralel n raport cu bornele de ieire ale redresorului ;

- redresoare de tip paralel-dublu (PD), numite i n punte (B), au cele n nfurri alternative grupate tot n stea, dar se utilizeaz 2 ntreruptoare unidirecionale pe fiecare nfurare, adic n total 2n ntreruptoare ;

- redresoare de tip serie (S) au nfurrile conectate n poligon. Sunt 2n ntreruptoare unidirecionale : n cu catozi reunii la prima born, notat "+" i n cu anozii legai la a doua born, notat cu "".

Ipoteze:- rezistenele, inductivitile i capacitile sunt liniare, concentrate i egale

pe fazele redresorului;- toate fazele au aceeai funcionare;- curentul de magnetizare al transformatorului i pierderile la mers n gol

sunt neglijabile;- dispozitivele semiconductoare de putere au o caracteristic static ideal: n

stare de conducie, rezistena este nul, iar n stare blocat rezistena este infinit;- reeaua are o putere de scurtcircuit infinit ( ), deci o impedan

nul (Z=0), tensiuni sinusoidale nedeformate, simetrice n cazul reelei trifazate;- intervalele de funcionare sunt identice pentru diversele ci ale celulei de

comutaie (Celula de comutaie este format de ci de curent care comut unele dup altele n mod ciclic. Numrul de ci de curent pe fiecare celul de comutaie este notat cu q, iar numrul de celule de comutaie cu Sc);

- n fiecare moment, suma curenilor de linie n primarul transformatorului este nul.

Ssc =

5.2. TRASFORMATORUL

Redresoarele sunt alimentate printr-un transformator, care realizeaz separarea galvanic ntre circuitul primar i circuitul secundar i determin, prin valoarea tensiunii sale secundare, valoarea medie a tensiunii redresate.

Funcionarea schemei de redresare impune ca nfurrile primare i secundare s fie parcurse de cureni nesinusoidali. Aceti cureni nesinusoidali impun ca puterea aparent de dimensionare a unui transformator utilizat la construcia unui redresor s fie superioar celei a unui transformator care funcioneaz n regim sinusoidal.

Pentru a caracteriza performanele schemei de redresare n legtur cu transformatorul, se utilizeaz ca mrime de referin puterea ideal pe partea de curent continuu, , dat de relaia:

Pd0

ddd IUP 00 =

- valoarea medie a tensiunii de ieire n gol a redresoruluiUd0Id - curentul de sarcin

Pentru transformator, se definesc urmtoarele mrimi puterea aparent a secundarului SS :

0dSSSS PcInUS == unde: n este numrul de faze (nfurri) secundare;

U Is S, sunt valorile efective ale tensiunii i curentului de faz n secundar ; puterea aparent a primarului PS :

0dPPPP PcImUS ==

unde: m este numrul de faze (nfurri) primare; PP IU , sunt valorile efective ale tensiunii i curentului de faz n primar ;

puterea aparent de tip St :

02 dtPS

t PcSS

S =+

= .

c cS P, i ct sunt coeficienii care exprim gradul de utilizare a nfurrilor transformatorului. Eficiena redresorului se caracterizeaz prin: factorul de putere secundar :

fP

S cPSd

S S

= =01 ;

factorul de putere primar:

fP

S cPPd

P P

= =01 .

5.3. Redresoare monofazate necomandate

Redresoarele monofazate pot face redresarea unei singure semialternane sau a ambelor semialternane ale tensiunii alternative de alimentare. Funcionarea montajului redresor este legat de natura sarcinii conectate la ieire. Aceast dependen va fi studiat pe cea mai simplschem: redresor monofazat monoalternan necomandat.

Se presupune c dioda este ideal i c procesul de comutaie este de asemenea ideal, adic instantaneu.

5.3.1. Redresor monofazat monoalternan necomandat cu sarcin rezistiv R

~ R

D

uP

n1

n2

uS

a(+)

b(-)

iS

id+

-

uR

uD

ud

iP

Redresor monoalternan cu sarcin rezistiv R

2

t

t

uS

ud

id

uD

iP

U d

S

S

S I d

S-

I d

t

t

t

Evoluia curenilor i a tensiunilor pentru redresorul monofazat monoalternan, la funcionarea cu sarcin R.

Relatii de calcul

S

dU

U

=

2

S

dU

U =

unghiul de conducie al diodei este =

S

d

II

=

2

S

d

II =

tensiunea invers maxim pe diod este SDR UU =

5.3.2. Redresor monofazat monoalternan necomandat cu sarcin rezistiv-inductiv RL serie

Redresorul monoalternan cu sarcin rezistiv-inductiv RL serie

iP

uP

a(+)

b(-)

uS

uD

uR

uL

ud

~

iS

D+

R

L

id

-

Evoluia tensiunilor i a curentului la redresorul monofazat monoalternan, pentru funcionarea cu sarcin RL serie.

t

uS

id

S

2 3 4

ud

uD

-S

d

t

t

t

Relatii de calcul

n intervalul de conducie al diodei D (uD=0), se scrie teorema lui Kirchhoff: u u u uS d R L= = +

sau:

t

iLRitU ddS d

dsin +=

Soluia ecuaiei este:

( ) ( ) ( )tititi lfd += Componenta forat are forma tensiunii de alimentare:

( ) ( )( )

( ) ( )

=+

== tZ

Ut

LR

UtIti sSff sin

sin

sin2

22

cu: ( )22 LRZ += ; = arctan LR

.

Componenta liber este:

( )t

L

R

l Ati

= e

Valoarea constantei A se determin din condiia iniial nul

( 0)0(;0)0( == dS iu ), astfel :

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) sin

00000Z

UAiiiii Sfllfd ==+= .

Rezulta

( )t

L

R

Sl Z

Uti

= esin

.

Aadar ecuatia curentului va fi:

( ) ( )

+=

tL

R

Sd tZ

Uti

esinsin

Unghiul de conducie al diodei D rezult din condiia de anulare a curentului prin diod :

( ) ( ) 0esinsin0 =+== L

R

d ti .

Ecuaia (2.33) este transcendent i se rezolv numeric. Rezult astfel dependena

R

L , reprezentat n figura.

0 ,2 0 ,5 1 2 5 10

18 0

3 6 0

L

R

Curba unghiului de conducie

R

L .

pentru o sarcin rezistiv ( ) o18000 === R

LL

pentru o sarcin inductiv ( ) o3600 == R

LR , deci dioda D este

permanent n conducie. n aceast situaie:

( ) ( )tZ

Uti

R

L Sd

cos1

2arctgarctg ====

pentru o sarcin rezistiv-inductiv RL unghiul de conducie variaz n domeniul [ ] 360,180 i, ca urmare, trecerea curentului este prelungit dup schimbarea de semn (uS < 0) a tensiunii de alimentare.

( ) ( )

==

02

cos1dsin

2

1 SSd

UttUU

Existena inductanei L n serie cu sarcina rezistiv are drept consecin creterea unghiului de conducie peste valoarea de 180?, deci o alur mai puin ondulat pentru curentul id i diminuarea valorii medii a tensiunii redresate dU .

5.3.3. Redresor monofazat monoalternan necomandat cu sarcin rezistiv-inductiv RL serie i diod de regim liber (DRL)

iP

uP

a(+)

b(-)

uS

uD

ud

~

iSD

+

-

R

L

iDRL

DRL

id

Redresorul monofazat monoalternan cu sarcin rezistiv-inductiv seriei diod de regim liber DRL.

t

uS

S

t

ud

S

t

id

t

uD

S

Id0Id1

Id2Idmin

Idmax

2 3 4

Evoluia tensiunilor i curentului

Relatii de calcul

n semialternana pozitiv a tensiunii uS (a="+"; b="-"), dioda DRL este blocat i iDRL=0. n aceast situaie, curentul i id S= va avea expresia

( ) ( )

+=

tL

R

Sd tZ

Uti

esinsin

n momentul t = , la schimbarea polaritii tensiunii uS , DRL devine conductoare i D se blocheaz. ncepnd cu acest moment:

'

0 et

L

R

dDRLd Iii

== ,

unde:

( )

+==

LR

Sdd eZ

UiI sinsin

)(0 ,

sau : =

+=

tte

Z

UI L

RS

d ';1sin

0

La momentul t = 2 , uS > 0 va determina blocajul diodei DRL i intrarea n conducie a diodei D.

Existena diodei de regim liber DRL mpiedic tensiunea ud s ia valori negative; astfel, valoarea medie a tensiunii redresate Ud va fi aceeai cu cea obinut n cazul sarcinii rezistive.. Dac se consider cazul: ( )>> LRL curentul id va aprea ca fiind constant: i Id d=

5.3.4. Redresor monofazat monoalternan necomandat cu sarcin RC-paralel

iP

uP

a(+)

b(-)

uS

uD

uR~

iS

D+

-

R

id

C

iR iC+

-

Redresorul monoalternan cu sarcin RC-paralel

t

t

t

t

t

uS

ud

id

iC

iR

S t '

2 3

UC0

UC1

0

Formele de und pentru redresorul monoalternan cu sarcin RC-paralel

Relatii de calcul

n regim permanent, dioda D devine conductoare n semialternana pozitiv a tensiunii uS , n momentul cnd uS depete valoarea UC0 , tensiune la care a fost anterior ncrcat condensatorul:

i i id C R= +

i condensatorul C ncepe din nou s se ncarce. Dioda D se blocheaz tot n decursul semialternanei pozitive a

lui uS , n momentul n care u US C< 1 , unde UC1 este tensiunea la care s-a ncrcat condensatorul C. Astfel, grupul RC este decuplat fa de de sursa de alimentare i condensatorul se descarc pe rezistena R (traseul desenat cu linie ntrerupt).

Pentru intervalul de descrcare:

i iR C=

Pe durata de conducie a diodei D:

( ) tR

Uti SR sin

=

( ) ( ) tUCtUt

Ct

uCti SS

dC cossind

d

d

d===

i rezult:

( ) ( ) ( ) ++=

+= tCR

UtCtR

Uti SSd sin1cossin

1 22

cu RC arctg= . n raport cu trecerea prin zero a tensiunii uS , se noteaz: -unghiul unde D devine conductoare; -unghiul unde D se blocheaz; -unghiul de conducie.

= Valoarea unghiului rezult:

( ) ( ) ( )RCid arctg0sin0 ===+=

Mrimile R, C, fiind pozitive, rezult de aici pentru valori cuprinse ntre 90o i 180o .

Pe durata de blocare a diodei D, curentul de descrcare este:

( ) tRCStRCdCR R

U

R

uii

===

11

esin

e

t fiind noua origine aleas n momentul n care ncepe descrcarea condensatorului: = + t 2

Descrcarea dureaz pn la momentul de egalitate:

( ) ( ) ( ) ( ) +=+= 22 RSRS Riututu

de unde rezult:

( ) RCSS RU

RU

+

=+2

esin

2sin

Astfel, unghiul se calculeaz cu ajutorul relaiei:

( ) RC

+

=+2

esin2sin

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

arctg (RC)

Evoluia unghiurilor , , cu )(arctg RC .

Exist urmtoarele cazuri limit: - sarcin rezistiv RC C= =0 0 = = = 0, rezultat deja gsit

- sarcin capacitiv RC C = = =

2 2

0, , (condensatorul rmne ncrcat la SU i conducia

nceteaz; dioda D se va bloca n momentul de maxim al primei semialternane a lui uS dac se presupune c C nu a fost iniial ncrcat). Valoarea medie a curentului prin R este:

( )

+=

+

2

0

'

desin

dsin

2

1t

R

Utt

R

UI RC

tSS

R

( ) ( )

cos11

2

2

2+= C

R

UI SR

n concluzie, se observ c, n raport cu cazul "sarcin rezistiv", efectul condensatorului n paralel cu R l constituie diminuarea unghiului de conducie i a ondulaiei tensiunii ud , creterea lui Ud , dar i scderea lui dI

5.3.5. Redresor monofazat monoalternan necomandat cu sarcin avnd tensiune electromotoare E

a) Sarcin RE

iP

uP

a(+)

b(-)

uS

uD

ud

~

D+

-

R

E

id

uR

E

Redresorul monoalternan cu sarcin RE

t

ud

S

0

0

uS

S

id

0

uD0

S-

S+E

E

uS

,E

E

2 3 4 5

t

t

t

Ud E

0 0

I d

Variaii n timp pentru funcionarea redresorului monofazat monoalternan, cu sarcin RE.

Relatii de calculTensiunea uD la bornele diodei va fi:

RSD uEuu = Dioda D se gsete: n starea de conducie n intervalul de timp pentru care:

u ES > n starea blocat n intervalul de timp pentru care:

u ES <

n intervalul de conducie al diodei:

ERitUEuuu dSRdS +=+== sin Rezult:

R

EtUti Sd

=

sin)(

Regimul curentului este ntrerupt. Valoarea medie a curentului este:

( ) ( ) ( )

==

0

0

0

0

dsin

2

1d

2

1

t

R

EtUttiI Sdd

( )00 22cos

=

R

E

R

UI Sd

cu:

SU

E

arcsin0 =

Unghiul de conducie = 2 0 devine mai mic dect . Valoarea medie a tensiunii redresate rezult din:

( ) ( ) ( )

++=

0 0

0 00

2

ddsind2

1

tEttUtEU Sd

2cos

0

0EEU

U Sd ++=

n concluzie, valoarea Ud n cazul sarcinii RE este mai mare dect cea n cazul sarcinii rezistive, n timp ce

valoarea curentului Id este micorat. Tensiunea invers maxim la bornele diodei a crescut la EU S + .

b) Sarcin LE

iP

uP

a(+)

b(-)

uS

uD

ud

~

D+

-

L

E

id

uL

E

Redresorul monoalternan cu sarcin LE

t

ud

S

0

0

uS

S

id

0

uD0

S-

S+E

E

uS

,E

E

2 3 4 5

t

t

E

0 0

Id

m t

Variaii n timp pentru funcionarea redresorului monofazat monoalternan, cu sarcin LE.

Relatii de calcul

Dac dioda D este n conducie:

Et

iLtUEuuu dSLdS +=+== dd

sin ;

rezult:

L

EtU

t

i Sd =sin

d

d.

Dioda intr n conducie la t = 0 cnd:

SSS

U

EEUu

arcsinsin 00 ===

Curentul prin sarcin se calculeaz succesiv:

( )( )

( ) ( )

==t

St

dd tL

EtUt

t

iti

00

dsin

dd

d

( ) ( ) ( )[ ]00 coscos1 = tEtULti Sd

( ) ( ) ( )

= 00

coscos

tU

Et

L

Uti

S

Sd

i are valoare maxim pentru t m= cnd: d

d

i

td = 0 . Rezult :

S

mU

E

sin =

= m 0 .

Unghiul de conducie se obine din condiia ( ) 00 =+di

( ) ( ) 0

coscos

0000 =

++

S

S

U

E

L

U

Rezult ecuaia transcendent n :

( ) ( ) =+ 000 sincoscos Ariile haurate deasupra valorii E sunt compensate de ctre ariile haurate care sunt sub valoarea E, cci valoarea medie a tensiunii la bornele inductanei L este nul. Gsim pentru valoarea medie a tensiunii redresate : EU d =

Durata conduciei a diodei depinde de E. Tot E impune i nivelul lui dU .

5.3.6. Concluzii

Efectul inductanei legate n serie cu sarcina rezistiv l constituie creterea

unghiului de conducie al diodei i diminuarea ondulaiei curentului di i a valorii medii a tensiunii dU . Prezena diodei de regim liber DRL la ieirea redresorului mpiedic tensiunea

du s ia valori instantanee negative i elimina conducia discontinu. Un condensator n paralel cu sarcina R micoreaz unghiul de conducie al diodei i ondulaia tensiunii redresate du . Prin urmare, valoarea medie dU este superioar celei corespunztoare cazului rezistiv. Prezena unei tensiuni electromotoare E n circuitul de sarcin mrete tensiunea invers aplicat diodei.

5.5. Redresoare necomandate

5.5.1. Redresoare monofazate- redresoare monoalternan;- redresoare bialternan (dubl alternan).

Redresorul monoalternan a fost studiat.

Redresoarele bialternan utilizate sunt:- redresorul cu punct median;- redresorul n punte;

uS1

uS2

uD1

uD2

iD1

iD2

ud

+

-

id

Sarcin

~

* *

0

n 2

n 2n 1

iPD1

D2

a

b

iS1

iS2

uSuP

Redresor monofazat bialternan cu punct median.

t

uS

2 S

ud S

-S

S

-2S

uS=uS1+uS2

u S1 u S2

tiD1=iS1

idId

t

t

iD2=iS2 Id

uD1

-2S

iS

t

t

Id

-Id

t

Id

Funcionarea cu sarcin normal a redresorului monofazat cu punct median.

uS1

uS2

ud1

+

-

~0

n2

n2

D

/2

/2u S

ud2

ud

+(-)

-(+)

0

1 D2

D4D3

Redresorul monofazat n punte considerat ca asociere a dou redresoare monofazate cu punct median.

uS u

d

~

iS

R

LiD3

~

n1

n2

+

_

iD1

iD4

iD2

(L >>R)

id=I d

D1 D3

D2 D4

Redresorul monofazat n punte.

t

uSS

ud S

u S1 u S2

t

uS= uS1- uS2

S/2

-S

-S/2

iD1=iD4

idId

t

t

iD2=iD3 Id

uD1= uD4

-2S

iS

t

t

Id

-Id

t

Id

Evoluia tensiunilor i curenilor n cazul redresorului monofazat n punte la funcionare cu sarcin normal.

Schema n punte are, fa de schema cu punct median, urmtoarele avantaje : 1. solicitarea diodelor la o tensiune invers mai mic, i anume egal cu SU , n loc

de SU2 , pentru aceeai tensiune redresat ; 2. utilizarea continu a infurrii secundare a transformatorului i nu, pe rnd, a cte

unei jumti a nfurrii n fiecare semiperioad.