9 INVERTOARE CU COMUTATIL, COMA,\-DA'[A

Deqi fiecare intrerupror este comandat cu o frecventa de comutatie / , in spectrul de

armonici al formelor de undi de la ieqire (curenti, tensiuni; nu apar armonicele datoratecomutatiei in juml acestei frecvenle, ci doar in jurul frecventelor k fr, unde t=2, 4. 6,... . inconcluzie, structrrra in trei nivele Cl dubleazA la ieSire frecventa de comutatie. Acest faprpermite micqorarea ondulatiilor de curent/cuplu, a pierderilor in ma5inA,/convertor Si

utilizarea unor dispozitive de tensiune inalti cu frecvente de comutatie mici.

9.10 Invertoare cu circuit rezonant

Inr e69a1'g1a rezonante. sau cu circuit rezonanl, sunt convertoa.re statice de putere cucomutade comandatdn a cAror energie necesara comutaliei este $ocata ;i furnizati de sarcini.Principiul de ftrnclionare este bine cunoscut in electrotehnici: un circuit R, L, C este uncircuit oscilant care, fiind alimentat la o tensiune de frecven-ta apropiatd de frecvenla propriede oscilatie. inra in rezonanta cu oscilatii intretinute. Circuitul fumizeaztr la ie5ire un curenrapropiat de cel sinusoidal dacd circuitul rezonant este serie. sau o tensiune cvasisinusoidala.daca circuirul esre paralel.

Ele sunt invertoare monofazate in punte utilizate pentru alimentarea sarcinilor careprezinti o inductivitate ridicatl gi care, cu ajutoml unor condensatoare montate in serie sau inparalel. sunt aduse la rezonanlA. Exenple de astfel de sarcini apar in aplicatii ca: incdlzireaprin cwenri de inductie, procedee de topire sau sudare a metalelor. Circuirul oscilant impunefrecventa de comulalie, condensatorul fumizind energia reactiva necesard comutatiei.

Alimentarea invertoarelor se face plecand de Ia o retea monofazata sau trifazartr. prinintermediul unui redresor- lnrertoarele rezonante pot fi serie sau piualel, dupa modul de

montare al condensatorului, in serie sau in paralel cu sarcina inductivA.

9.10.1 Invertoare cu circuit rezonant serie

Invertorul cu circuit rezonant serie este un invertor de tensiune. Schema este

punte (nu se utilizeazA semipuntea decdt pentru puteri mici), a$a cum se prezinlafig.9.lla.

tn

Lf

Fig,9.ll{ lnvsnorul cu circuit rezonant serie.

D, .. DI u ., 1cq

i"9LR

_____>u-

D. D{

t20 121

9.10 Invertoare cu clrcult rezonalt

Condensatorul este in serie cu sarcina inductivi realA 5i impreuni formeazi sar:ina

invenorului. Condensatorul are un rol triplu:r fumizeazi energia reactiva ne,'esara comutaliei:a comPenseazA energia reactivA consumatl de sarcina inciucrivl;o produce un defazaj capacitiv intre curentul gi tensiunea la bomele sarcinii. Nlulrumid

acesrui defazaj se poare eviu conductia simultanA a inueruptoarelor aceluia5i brat al

punrii. deci scuncircuitarea sursei.

lnductanta L, limiteazA curenrul absorbit de sarcine qi formeazd impreuni cu C_' un

filrru pentru tensiu;rea de intrare. Condensatorul C,, are qi rolul <ie acurnulalor de energie

fransferata prin invenor spre sursa de tensiune continue, in intervalele in care t.r- < 0. Asfel,

invertorul poare funcliona alimentet cu tensiune constaitA- Curentul Prin sarclni apro.\un3t

prin fundanentala sa,5i tensiunea dreptunghiularA la bornele sarchii sunt reprezentrte in

fig. 9.115. Succesiunea comenzilor intreruptoarelor este ugor de urmirit- deoarece ea este

asemanttoare cu cea descrisd pentru invertorul de tensiune monofazat in punte

(paragraful 9.1.3). Tirisroarele (sau ranzistoarele) sunt comandate doui cite doul: 1, cu T".

apoi T. cu T.. Ele conduc cind cruentul 5i tensiunea cie sarcind au acela5i sernn (a-i-, > 0).

C2nd r-i. < 0 cele care ;onduc sunt diodele de regim liber.

Fig. 9.115 Formele de undi pentru inveroml cu circuit rezonant sene

e :\' r.F.r'Ji.RE cu colluT4Tr9igyllll]l

rfi

t] I^,,q=+ I i'i"*ot/! r=i Ji=: ..

Curentul pnn szrrcini este deci:

au: I

,f r -;t' kaL-'**zr = rlR: -" kaL- ,;; I si 9i = "t-tt---F-^ | \. 'toLl

u:rde I = 1.3.-i.?...

Parametriictcuituluisecalculeaztrastfelincatcurentuldesarcindslaibioformtrioarte apropiari de srnusoidtr' Trebuie sl se ram2ni in regim de rezonanti- a circuirului' deci

:rec'enta de comaa<16 " ;;;;l;t' / ' r'a fi apropiard cii frec"enm proprie a circuitului' 'i"

,iar mai mici:I\/-

:Vt LL

ln ;,c"ste ccnditii. fundarnenrala cruentului r' esie

:ir:r o:rici I e superio:re si putem co;r sidera:

:lI' Ii -i. =

7i L'

au:

rQ.:i:)

Tensiunrr I" t'o;l';lc sa"'ilntt

cunoscuta (t:b.-irrl L. l t:

este dreprunghiularA' Den'oltarea ir sene estc

(9.2 r0)

,a .11\

(9'l il)

Ioarte nare. aonParall\ cu

u .rr - ,'.

,1f- /-- ' f '"'-rc

Zr= r1R: -\y otL----; I si 9, =al-dar-- R=--' ! \ oLl

Conciitia pcnlru a avea o comutarie iiberA este:

T

L)d.

ieci:< I

-'

I t,.^t. = .- <: - :r.,1 LC ( ----, --) !l(-'(n:.:J

tl.r,tull a -; =- - c)L<

--' .,oa' 0rl<_a

1-: --: r'LC

)|rt'I

l

11)

1- = (1.1 1.2)r..

.{-i, -a

i9.l1 :. t

9.10 Invertoare cu circuit rczonatrt

ceea ce semnificA faptul ci reactanra totalA este capacitivA qi circuitul oscilant estt

supracompensat.Valoarea capacitilii se srabile$e lnind cont de dubla conditie: aceea de a avea c

reactand 5i un defazaj capacitiv- Pentru a obrine o relatre care sA permite calculul capacitAliitrebuie, mai intii, sA se deralieze fiurctionarea puntii-

Se presupune ci in momentul a;t, tiristoarele T 5i ! sunt in conducfe. iar ! 5i !sunt blocate qi curentul de sarcini l, are valoarea maximi. Dupi arl.. i, scatie, pinA devine

inferior cwentului de menginere al ririsoarelor; I Si T. se blocheazd.

Din a-lt., diodele de regim liber D, 9i Do intrA in conduclie, conciensalorul se

descarcd gi curentul in sarcinA igi schimbi semnul, devenind negarir,. Se transmite decienergie spre sursa de tensiune continul Cum sursa este de obicei un redresor necomandalaceasti energie nu poate fi transferati in releaua de curent altemati\,. Ea este $ocata de

condensatorul C.. C|derea de tensiune in diodele.D, qi Do reprezinti o tensiune inversi

pentru ti-ristoarele I 9i !, care le ajutA si se blocheze 5i si-si reci5tige capacitatea de

blocare in direct.Momentul ,. in care dristoarele I si I primesc comanda de amorsare trebuie si fie

suficient de depane incdt \ qi ! sa fie deja capabile sA blocheze o tensiune directa- lnacela5i moment, diodele D, 5i Do se blocheazi, tensiunea <ie ieqire a- devine negativl de

acelaqi semn cu curentul de sarcinA i,, care-qi mentine sensul trecSnd acum pri,r T. Si I.Condensatorul se reincarcA cu o polaritate inversA celei pe care a ault-o n ai..

In rr.,;", cirid curentul tinde cin nou spre z.ero. tiristoarele T^ 5i T. se blo;heazl. D-

5i D. perrnit cureitului sA se scurgl in sens pozitir'- chiar ciacir tensiurea rZimire ne-sad. i.Condensatorul se descarcd;i se re'rncarci ciin rnornenrul r,li.. c2rd T Si l] pan:sc irnpulzulde amorsare. Fenomenele se repele periodic.

Tensiunea r. Ia bomele condensalorului este ioine aDropi3ta de o sinu::oicitr si incuadrarua cu curenrdl de sarchir i-. Tensiunea la bornele sarcl'rii rezisrir'-hiucile- notaticu trr. rezuitd dir <iiferenta ut = u. - ir.- Datoriti fenonenului de rezona;rii- aceasi:

tensiure are valori de virf mai ridicate decat tensiu;rea de saicinl u, ,

Di:r analiza acestei succesiuri a difenrelor etape oe turctionare ale urrertoruiui-rezulE ci defazaiul @, intre fu::<iamenrala curentului 5i te:rsiunea !a bor:reie sarcinii I,uebuie sA fie sujicient de mare penru a permite blocarca in ll-ect a tiristoarelor si pentru a

eviu a-stfei conduclia sirnultane a dristoareior aceluiasi brat al puntii. Deci. trebuie:a:

uade:

c, c,

u :io

t, este tjnpul de dezarnorsare al tiristorului. Dar g,-

tQ -li'r

Rezulte cir frecvent:r

ma-\rmi posibili oeltru invenoarele cu tiristoare ege lirnitati, l:

. 7.-

Ia- 4r

9 NVERTOARE CU COMUTATIE COMANDATA

Pentr-u o valoare aleasl a lui r,, se poate calcula:

@L-f-ran@rr=rangr= 0d

R (9'2i6)

ICum: a-tl,.-:, panea dreaprd a egalitarii este negativl. Considerdnd g, <0,

@C

pentru a fi rigrrogi crebuie sd rnodificim relarja (9.216):

ceea ce dA irnediat:

-laL--rr0C

-ltanorrl = R .

ti r )" =;i.;r - Rp-;jJ

Capaciutea condensatorului de filtraj C.. trebuie si he suhcienr de mare penru a

putea primi energia reacdve de la ilvenor arunci ci,nd acesta o c-imite spre sursd* adiclatunci cinci co:rductia curenrului de sarcinA esre asiguratd de citre diodele de re_eim liber giu.i.<0. Energia care trebuie sA fie inmagazinati de cetre condensarorul C. ia fiecaresemiperioadi esle. cu originea timpilor in O':

I 'i r') ^ r'-l+', = -6,1,t = lIr,i,& =- lt;,1, si:rctr ciror =:Lt,0- cosg. J.. .) ,. .- Al

unde, in conformitate cu relatia (9.211):

(9.2r7)

(e.218)

este mai mare. deci

; W, 1I.=-.

IL L.

Aceste ultime doutr ecualji dau valoa.rea minimA penru C/:

RC, > -:=-(l-cosgt)

Condensatorul C, esre deci cu atir mai mare cu cir defazajuliiristoarele mai putin performa:'rte. Tori curentii depind de acest defazaj:o valoarea medie a curenrului prin tiristor:

- | ^lrt^ iIr, = ) | /. sin otr dr =

j:-(l = cos g, );,, T J,., 2z

r valoarea medie a curenrului prin diodi:

, 9/a ;Io,=; l/, sinoll 6 =.J..1(l-cosg,).

'0

4U 125

-l9.11 Convertoare de frecventi iDdirecte

Daca se face bilanrul energetic pentru o semiperioadl:

r - ':^ i1l' = !- tJ, I, = U, | 1, sin( ri-rr - a, ) dt =L'. 12 cos ro,'

Itoa

se obtine.cu ot = 2zt / I, valoarea medie a curenolui absorbir si puterea la ie5irea

mvertorului:

t: IP. = lJ-r-=;e-rg. ro.llgr

i

, crescind tensiu:rea sursei conllrue sau

_iI,=l=2coser qi

ii

AceastA putere poate fi deci maritimicqorind def azajul c aprcidv-

Pentnr pomire, acest invertor are nevoie de un condensator arniliar, fie pe partea

sarcinii. fie pe panea sursei continue. pentru a furniza energir :recesari primei oscilrtii.Montajul in punte este cel mai des utilizat- La puteri scizute se mai pot inti.lni qi

montaje in semipunte. cu divizor capacitiv, pentru a avea ac.es la punctul median al sursei.

Ace$ divizor are gi rolul de condensator de filtrare C, (fi-s. 9 I l6,a). Cum C, ,, C.

CC.se pot considera cam de aceeagi valoare

C;5i C. deci e.ristenla lui C., modiiici putin

calculul circuirului rezonant. Condensatorul C se poate urilize gi ca divizor (fig. 9,i16.b1.mai ales dact invenorul functioneaei Ia frecvente ridic;ite.

O altd solutie posibilS este cea a urui divizor asrnetric. "!a clun se prezlnta infig. 9- I I6.c. unde sarcina este alimentata prin trepte unidirectionale de tensiune.

L,

V

c^j"

;Crrrt,- a-=-

;- tt

t?

.)

Fig. 9.115 Variantc

b) c)

in semipunte pentru invertont cu circuit rezonant serie.

9.10.2 Invertoare cu circuit rezonant paralel

DatoritA rezonanlei paralele, la ieqirea aces$i tip de invenor se obtine o tensiune

sinusoidall gi un curent drepnrngfuular defazar inainte in rdport cu tensiunea. Acesta este

deci un inverlor de curent-Schema este in punte (fig. 9.1 17) si curenul trece numai prin tiristoare.

lnueruptoarele trebuie si fie deci unidirecriona.le in curenr 5i bidirecfonale in tensiune, iardiodele de regim liber nu mai sunt necesare.

Condensatorul C are acela5i rol ca in cazul invenorului cu circuit rezonant serie, dar

este conectal in paralel cu sarcina inductivl Vaioarea sa trebuie str fie cea Pentru care

c.

T

l

2C

LR

2C

9 I,\-VERTOARE CU COMT'TATIE COMA\DATA

impedanra totala e$e capacitivi., Inductanta L, ate valoare mare, cieoarece invertorul trebuie

sA fie alimentat la culent constant.

Funcl.ionarea poate fi urmiriti pe diagramele din fig. 9.118. Considerim cd ?n rol,

I si I conduc. Condensatorul C se incarcd cu polariratea din fig. 9.117. Tensiunea ur este

sinusoidaltr: u, = 0 ,sin(otr + g), cu originea timpilor in O 5i considerind rp < 0.

L,I

Fig. 9.117 lnvertor cu circut rezonant pa--alel.

Lr a;1, tiristoarele T- gi T. prirnesc impulsul de comarirjA. De la amorsarea lui T. 9i

T. conde:rsatorui C se descarci pnn l. sursi Ei !. in rimpul descZrclrii, acesta apliciriristoarelor I li f. o tensiune inversA asigurindu-le astiel blocajul. Se poate considera c2- intimpul comutatiei, conriensarorul C si riristorul I formeazi un circuit de blocare pentru T,.

co:rdensatorul C $i ririsrorul Tl ar'6nd acela5i rol pentru l:-Curenrul i. prin inductanti are o formi apropiati cie shusoidA si este aproximadv in

cuadraturA cu tensiunea de sarcinA l-. Curentul pri:r condensator. notat i. rezulti dindiferenta ic = i. - it.El are valori de virf mai ridicate decir curenrul de sarcini i, . <iatoritifenomenului dc rezcnarri.

Dezvoltarea in serie Fourier a curentului este datA de relaria (r'ezi rabelul 1.1):

1Ii.(l)=JJr F _ strLr,rr

/( r=il=:^

,o "'or

cu valoarea de virfa undei funciarnenralr:r'l

si valoarea efectivi

Af .,,7*t, -a: t

-t;

126

I_

.1a 1

9.10 Invertoare cu circuit rezonallr

u-..uIT TJ

u r:'u

Fig. 9.If 8 Formele de undi pent-u invenoml cu ci;-cu:t rezonanr paralel

9 INVERTOARE CU COMUTATIE COMA\DATA

DacA se face bilantul energetic Pentnr o semiperioadA:

T- ,?^ I;* = ;-, 1, = I, )

(l,sin( ar - O dt =1,-:2cos g'-0

se obthe valoarea de virf a tensiunii de ie5ire 5i a puterii:

nl r

ro= arcran*- [l- a-LC | <0. deci,R

ia>(i;=)t>i,=_L)LA LV

Acea*sta putere poate fi cresuti prin mirirea curenrului sursei contutue sau pn,

rnicsoraree de iazaiului capa;itiv.Pentru o firnctionare corecti- defaza.lul trebuie si. fie neqativ:

(9.2?1)

/q l.rt

Se noteazi: ;-=9 9i t.=L. lnten'alul t,-t, trebui; si Iie suficienl pentru a@a

permite biocarea tiristorului: I--ttlI,. Limin inferioara a lur e este impusA deci, de

valoarea timpului cie dezamorsare ai tiristorului 5i de tLmpul corespunzitor unshiului de

comutatie 7.

ln acest irvenor, curentul prin frecare tiristor este ildependent de defazaj, caz

contr:rr invertoruiui cu circuit rezonail serie: valorile med.ie 5i eficace vor fi Ir=; qiz

I , = + . Valoarea maxima a tensiunii directe este L; ; trebuie sd se asigure deci:

Ucrr, =(r,s.-.2.s)0,.

Alimentarea invertorului tebuie sA fie fAcuti printr-un redresor comandat, deoarece

invertorul cu circuit rezonant paralel nu poate lucra la o tensiune continuA constanti:

crefterea defazajului conduce la o tensiune Lr, mai ridicad, deci la o putere primitA mai mare

qi o suprasolicitare a dispozitivelor semiconductoare,

Penru a mentine nivelul de pulere Eebuie sA se modifice parametrii sursei prin

comanda tiristoarelor-Acest invertor are nevoie, pentru pomire, de o frecvente mintme. El uebuie sA fie

prevazur cu un circuit auxiliar de pomire, circuit format dint-un condensalor. o inductanti gi

un tiristor auxiliar.La amorsarea acestui tiristor, condensatorul se descarcA oscilant pe s3Jcina

ilvenonrlui, care este asdel parcursi de o semialtemanti de curent.

Circuirul de comandA al invertorului sesizeazA acest curenl 5i comandi tiristoareleprincipale.

,128 129

9.11 Convertoare de frecventi indirecte

9.10.3 Comparatie intre invertorul cu circuit rezonant serie

si cel cu circuit rezonant paralel

PenEu a putea alege cea mai convenabilA solutie, trebuie analizati componarea intimpul exploat1rii gi costul ansamblului: redresor, invertor 5i protectie.

Redresorul este mai costisitor penru alimentarea invenorului paralel, deoarece el

uebuie str fie comandar.Defazajul minrm. proportional cu timpul de ciezamorsare al tiristoarelor. depinde de

fre.'renti de lucru. Fre;renla na-:iirnj cs.1e rnili r:1r( p('nl-ru u1\'eriorul cu circuit rezonanr

serie. deoarece penm-r invertorul paralel trebuie str se rinl seama de tirnpul de comutatre r^ .

Functionarea rnvenon-rlui cu ci-rcuit rezonajrt scrie incepe de la o ftecventA oarecare.

Fu;rctionarea invertorului cu circuit rczonant panlel Lrcepe la o frecventd minimr impusi-Cornanda invenorului cu ci-rcuit rezonant serie esle mai simpli. deoarece tiristoarele

sun! coma,rdate Ia l, > r-. dupd trecerea narurali prin zero a curentului de sarcini- Pentnr

invertorul paralel, comanda rrebuie si se fac} inainte de trecerea prlr zero a tensiunii, pentma :r-sigtra timpul mini.n: necesar pentru blocare. Circuitul de protectie este mai simplu incazul Lrvertorului paralel. lnductanta nrare l, lirniteezi curentul f. in cazul unui defecr de

corn;-ndd sau al unui scurtcircuit al sarci,rii.Cind L.lvenorul cu circurt rezon3"'rt serie are un deiect. conciensatorul C, se descarci

prin tiistoarele in conducde 5i le poate disruge- A5acar. este necesar si se introducl uncLr;uit suplimentar de cies.-arcare pentru C, 5i sa se i: misuri pcntru lirnitaree pantei 5i e

nircluiui curenrului de ciesclrcare. Cel rnai recomandat esle un inueruptor limitator, ultra-rapici. Cosrul protectiei nu vanazA prer mult cu putcrca rehii;ulati. Riscul de punere rnscurtcircuit a sursei de teasiune continua prin amorsarea defecruoasi qi conductia simultanA ariristoarelor aceluiaqi brat al puntii existi si pentru invertorul paralel.

ln concluzie. este iecomandai sA se utilizeze invertoareie cu rezonaxte paraleiapenu-u puteri medii qi mici Ei invertoarele cu rezonantA serie pentru puteri mari.

9.11 Convertoare de frecventA indirecte

Convertoarele de frecvenld indirecte sunt numite 5i convertoare cu circuitintermediar qi sunt formate dinr-un redresor qi un invertor. Redresorul qi invenorul sunt

separate printr-un filtru de netezire. Acesr frltru stabile5te tipul de invertor de utilizat (fig.9 ll9).

RS?

Rder sMda bv@rdc@M" I iu.'-rr-

Fig. 9.1f9 Schema bloc a convertoarelor cic frecventf induecte.