Capitolul 1

CONVERTOARE c.c.-c.c. Definire şi rolul lor Convertoarele c.c.-c.c. realizează transformarea energiei electrice preluate de la o sursă de curent continuu cu tensiune constantă în energie de curent continuu la o tensiune de altă valoare. Convertoarele electronice de curent continuu sunt de tip static, neavând elemente în mişcare; folosesc dispozitive semiconductoare unidirecţionale (tranzistoare unipolare, tiris-toare, diode ş.a.) într-un domeniu larg de reglare a puterii în sarcină.

Fig. 1. Clasificarea convertoarelor c.c.-c.c.: a convertor c.c.-c.c. indirect; b — convertorc.c.-c.c. cu element disipativ comandat; c - variator c.c.-c.c.

Din categoria convertoarelor c.c.-c.c. fac parte (fig. 1): 1) convertoare c.c.-c.c. indirecte (cu circuit intermediar de c.a.), care sunt alcătuite dintr-un grup invertor-redresor;

2) convertoare de c.c. cu element disipativ comandat; 3) variatoarc c.c.-c.c.

Convertoarele (1) sunt utilizate în general pentru puteri mari.Convertoarele de c.c. cu element disipativ comandat sunt utilizate în special pentru alimentarea circuitelor electrice de mică putere, fiind cunoscute sub denumirea de surse stabilizate liniare (de tensiune/ curent) . În figura 1 b circuitul de reacţie acţionează asupra intrării de comandă a elementului disipativ (de ex. tranzistor bipolar), astfel incât mărimea de ieşire controlabilă ( U2; I2) rămâne constantă. Variatoarele c.c.-c.c. sunt convertoare de tip direct cu randament ridicat, având un spectru larg de utilizare: acţionarea electrică a maşinilor electrice, surse de alimentare cu comutaţie, alimentarea mai multor consumatori care necesită tensiuni multiple ş.a. În continuare ne vom ocupa mai pe larg de variatoarele c.c.-c.c. denumite şi choppere.

3

Capitolul II

VARIATOARE C.C.-C.C.( CHOPPERE )

II.1 Consideraţii generale

Principiul de funcţionare al chopperelor constă în acumularea energiei furnizată de sursa de c.c. într-un anumit interval de timp şi transferul ei în sarcină în alt interval de timp. Schema chopper-ului elementar din figura 2 este realizată cu un contactor static de c.c. în serie cu sarcina R şi sursa de alimentare de tensiune Ur Contactorul static CS realizează închiderea, respectiv deschiderea circuitului, sub controlul circuitului de comandă CC, diagramele funcţionale fiind prezentate în figura.2. b.

Fig..2. Chopper elementara — schema bloc; b — forme de undă.

Când contactorul static ideal este deschis, sarcina este alimentată la tensiunea sursei u2=U1, iar i2 = i1 la închiderea (blocarea) contactorului static i2=0, u2=0 şi tensiunea sursei se regăseşte la bornele CS, Ucx=U1 Dacă T este perioada de comutare (comandă) a CS, iar Tc intervalul de deschidere, valoarea medie

4

(componenta continuă) a tensiunii în sarcină este:

unde k=Tc/T se numeşte raport de conducţie (sau factor de umplere), 0<k<1. Valoarea medie a tensiunii u2 este reprezentată de raportul dintre aria suprafeţei haşurate din figura 2, b şi perioada T.Din relaţie rezultă că între U1şi U2 se stabileşte un raport de transformare în c.c. similar cu al unui transformator ideal (de c.a.) în acest sens, variatorul de c.c. poate fi privit ca un transformator de c.c. având în general raportul de transformare, care în anumite condiţii nu este egal cu k

(1.1)

De asemenea, din relaţia (1.1) şi din figura 3 pot fi puse în evidenţă trei posibilităţi distincte de modificare a valorii medii U2:

Fig. 1.3. Modulaţia de impulsuria — modulaţie în durată: b — modulaţie in frecvenţă.

a) prin modulaţie în durată a impulsurilor de tensiune în sarcină (Tc-variabil, T=constant);b) prin modulaţie în frecvenţă a impulsurilor de tensiune (T — variabil, T c— constant);.r) prin modulaţie mixtă durată-frecvenţă.Reglajul valoni medii a tensiunii în sarcină este realizat practic prin comenzile corespunzătoare "conducţie-blocare" aplicate contactorului static.Tensiunea de ieşire uz(t), din figura 2, h se poate reprezenta printr-o serie:

5

în care

Primul termen al dezvoltării în serie kU1 nu depinde de timp, fiind în fapt valoarea medie U2 exprimată şi prin relaţia 5.1. Termenii următori (numiţi armonice) depind de variabila t. Armonicele de tensiune (sau curent) influenţează negativ atât funcţionarea sursei cât şi sarcinii. Din acest motiv, variatorul este prevăzut cu filtre de netezire (pe partea sursei de alimentare şi, respectiv, pe partea sarcinii), care atenuează influenţele acestor armonice (fig..4).

Fig. 4. Schema bloc a variatorulul c.c.-c.c.

II.2. CONTACTOARE STATICE DE C.C.

În prezentarea anterioară, contactorul static a fost considerat un comutator ideal, fără pierderi şi fără inerţie în acţionare, în practică, contactoarele statice sunt realizate cu dispozitive electronice de putere cu electrod de comandă: tiristoarc, comutatoare controlabile-tranzistoare bipolare sau unipolare, GTO ş.a.

• Contactoare statice cu tiristoare. Datorită caracteristicilor de comutare. rezistenţa echivalentă mare între anod si catod în stare blocată si rezistenţă mică în stare de conducţie, precum şi o frecvenţă de lucru de 10- 20 kHz, tiristoarele sunt dispozitive larg utilizate la vânătoarele c.c.-c.c. pentru puteri între 10 W-100 kW. .în prezent sunt realizate asemenea dispozitive cu tiristoare pentru controlul puterilor de până la 10 MW.Schema principală a unui variator de c.c. care utilizează un CS cu tiristor este

6

prezentată în figura 5, a. Comutarea tiristorului in conducţie (contactor static deschis) se produce la aplicarea unui impuls de comandă pe electrodul de poartă. Comutarea în blocare (contactor static închis) a tiristorului convenţional nu se produce prin electrodul de poartă, ci prin intermediul unui circuit auxiliar (sau sarcinii), care furnizează energia (reactivă) necesară dezamorsării dispozitivului. Blocarea tiristorului convenţional se produce deci într-un regim de comutare forţată.Procesul comutaţiei forţate este prezentat prin formele de undă din figura 5.5, b. Dacă vom considera iniţial condensatorul C încărcat cu polaritatea din figură, la comutarea cont actorului k din poziţia 2 în poziţia l, are loc descărcarea lui C prin tiristor; tensiunea UAK<0şi prin tiristor curentul scade, urmând procesul de eliminare a sarcinii stocate în regiunile celor două baze n1-p2 ale structurii tiristoare.

Fig. 5. Variator de c.c. cu C.S.. cu tiristor si circuit de comutare forţată în blocare:a — schema bloc; b — forme de undă la blocarea tiristorului.

7

Într-o primă aproximaţie se poale considera tiristorul un comutator ideal prin care se anulează curentul instantaneu în momentul în care dispozitivul este polarizat invers, uc= -UAK Anularea curentului prin tiristor modifică circuitul de descărcare şi reîncărcare al condensatorului C, acesta găsindu-se în serie cu sarcina R şi sursa de alimentare U1. Tensiunea la bornele condensatorului este:în condiţii reale tiristorul nu se blochează instantaneu, ci într-un interval de timp tq (timp de dezamorsare (specificat în catalog)), în care, în principal, este eliminată sarcina stocată, curentul circulă în sens invers prin dispozitiv până la anulare. Dispozitivul poate acum să preia tensiunea de polarizare directă uAK>0, blocându-se. Circuitul de comutare forţată trebuie să asigure polarizarea inversă într-un interval de timp tinv>tq.Timpul de polarizare inversă se poate determina din condiţia de anulare a tensiunii. Cu toate că în prezent majoritatea vânătoarelor c.c.-c.c.. de putere sunt realizate cu contactoare statice cu tiristoare convenţionale, utilizarea acestor dispozitive ridică două probleme majore: circuitele de comutare forţată sunt relativ complicate, iar timpul de blocare limitează frecvenţa de lucru la 10-20kHz..

• Contactoare statice cu comutatoare controlabile, în categoria, comutatoarelor controlabile au fost menţionate la începutul acestui capitol: tiristorul cu blocare pe poartă GTO, tranzistoarele unipolare de tip MOS 'şi cele bipolare. Spre deosebire de tiristorul convenţional, comutatoarele controlabile realizează ambele stări conducţie-blocare la aplicarea unor comenzi corespunzătoare pe electrodul de comandă. Contactorul static realizat cu GTO (fig.6, a) se comandă la amorsare, cu impulsuri pozitive, iar la blocare cu impulsuri negative, de durate ti«T. Contactoarele statice cu tranzistoare (fig. 6, b, c) sunt comandate cu impulsuri menţinute pe toată durata de conducţie, respectiv blocare. Puterea de comandă este mult mai redusă în cazul tranzistoarelor de tip MOS,, decât in cazul celor bipolare.

Fig.6. Contactoare statice cu comutatoare controlabile şi diagramele de comandă: a — cu GTO; b — cu tranzistor bipolar; r — cu tranzistor MOS.

8

În ultimul timp. datorită diversificării tranzistoarelor şi GTO de putere, pentru funcţionarea în regim de comutaţie, se extinde folosirea acestor dispozitive Ia realizarea variatoarelor de c.c.

Capitolul III

VARIATOR C.C..-C.C.. CU RAPORT DE TRANSFORMARE SUBUNITAR, N<1

Variatorul c.c.-c.c. cu raport de transformare subunitar produce la ieşire o tensiune cu valoare medie mai mică decât tensiunea sursei de c.c. la intrare, în figura 1.7, a se prezintă schema unui variator c.c.-c.c. cunoscut sub denumirea de "convertor Buck", realizat cu contactor static de c.c. cu tranzistor bipolar. Elementele principale ale acestuia sunt: contactorul static inductanţa L şi dioda D. La ieşire, pentru netezirea pulsaţiilor la bornele sarcinii Zk este conectat un filtru capacitiv.• Funcţionarea variatorului, având circuitele echivalente in figura 7, b, şi diagramele in figura 7. c. poate fi abordată în două faze, corespunzător cu procesele fizice care au loc.Se consideră regimul de funcţionare cu circulaţie de curent neîntreruptă prin inductanţa de acumulare L. În prima fază, în intervalul 0-kT, la comutarea tranzistorului în starea de conducţie (începând cu t=0) este acumulată energie în inductanţa L. Curentul prin inductanţa L şi condensatorul C creşte.În faza a doua, în intervalul kT-T, tranzistorul T este comutat în blocare începând cu momentul t=kT; curentul prin inductanţa L scade, şi tensiunea autoindusă de polaritate (( -),(+)) deschide dioda D. Energia acumulat ă în prima etapă, de inductanţa L, se descarcă. Curentul continuă să circule prin L, C, D şi sarcină. Curentul prin inductanţa L scade până când este iniţializat un nou ciclu de comutare, la comanda în conducţie a tranzistorului T. în funcţie de raportul de conducţie (sau de frecvenţa de comutare f=1/Tcirculaţia de curent poate prezenta şi un regim întrerupt, cu treceri periodice prin zero.

a

9

Fig. 7. Variator c.c.-c.c.,N<1:a — schema; b — circuite echivalente; c — forme de undă.

Dacă se consideră tranzistorul comutator ideal, fără pierderi, bilanţul puterilor medii ieşire-intrare este:

P2=P1=U1I1=U2I2

în care:I1 este valoarea medie a curentului la intrare, debitat de sursă; I2 - valoarea medie a curentului la ieşire, în sarcină.

10

Variatorul cu raport de transformare subunitar, de tip Buck, conţinând un singur comutator cu tranzistor este simplu, dar eficient, fiind utilizat în sursele de tensiune în comutaţie, întrucât curentul prin sursă este discontinuu, în mod normal şi circuitul de intrare trebuie prevăzut cu un filtru de netezire, conform cu schema bloc din figura 4.

Capitolul IV

VARIATOR C.C..-C.C. CU RAPORT DE TRANSFORMARESUPRAUNITAR, N>1

Acest variator c.c.-c.c.. produce a ieşire o tensiune de valoare medie mai mare decât tensiunea sursei de c.c.. In figura 8, a este arătată schema unui variator cu N>1, cunoscut sub denumirea de "convertor Boost", fiind realizat cu CS cu tranzistor MOS. Ca si variatorul prezentat anterior şi acesta arc trei elemente principale: contactorul static, inductanţa L şi dioda D; la ieşire este conectat un filtru capacitiv. După cum se poate observa, dispunerea elementelor „cheie" este diferită faţă de „convertorul Buck", ceea ce conduce la o serie de diferente în funcţionare.

a

b

11

Fig. 8. Variator e.c.-c.c., N>1a — schema; b — circuite echivalente; c — forme de undă.

• Funcţionarea variatorului, având circuitele echivalente (fig. 8, b) corespunzătoare celor două stări (conducţie-blocare) ale contactorului static de-a lungul unei perioade T, este relevată de diagramele din figura.8, c.În prima fază, în intervalul 0-kT la comutarea tranzistorului în conducţie începând cu t=0, este acumulată energie în inductanţa L. Curentul de intrare i1=il

este liniar crescător.În a doua fază, iniţializată la momentul t=kT, tranzistorul se blochează, în schema echivalentă, în intervalul kT-T, curentul circulă prin L,C şi D). Curentul prin inductanţa L(i1= iL) scade până în momentul t=T, în care tranzistorul este comutat din nou în conducţie.Diagramele din figura 8, c corespund regimului permanent de funcţionare, fără întreruperi de curent prin acumulatorul de energie reactivă L; curentul prin sarcină este constant (i2=I2=const.). Toate elementele de circuit sunt considerate a fi ideale.Deoarece raportul de conducţie k ia valori în intervalul (O, 1), rezultă că N>1.Dacă tranzistorul comutator şi elementele de circuit sunt ideale, din bilanţul

12

puterilor medii la ieşire-intrare se obţine:

Variatorul studiat are o schemă simplă, eficientă prin performanţele sale, având în acelaşi timp şi o mare aplicabilitate în sursele de tensiune cu funcţionare în comutaţie.

Capitolul V

VARIATOR C.C.-C.C. CU RAPORT DE TRANSFORMAREOARECARE, N>1sau N<1

Tensiunea medie la ieşirea variatorului poate fi reglată astfel încât să se afle într-un raport de transformare subunitar sau supraunitar faţă de tensiunea sursei de alimentare. În figura 9, a se prezintă schema principală a „convertorului Buck-Boost", reprezentativ pentru această clasă de variatoare c.c.-c.c.Acest convertor mai este cunoscut sub denumirea de convertor cu revenire (flyback). Elementele esenţiale ale schemei sunt şi aici: contactorul static (cu tranzistor bipolar), inductanţa de acumulare L şi dioda D. De asemenea, la ieşirea variatorului este relevată prezenţa condensatorului C, ca element de filtrare.• Funcţionarea circuitului poate fi abordată în două faze: În prima fază, 0-kT, la momentul t=0, tranzistorul fiind comandat în conducţie, curentul iL prin inductanţa L creşte liniar, fiind acelaşi cu i1 debitat de sursa de alimentare, în inductanţa este acumulată energie reactivă. Dioda D este polarizată invers, blocând în acest interval circuitul sursei faţă de cel al sarcinii, fapt relevat şi în schema echivalentă din figura.9, b.În faza a doua tranzistorul T este blocat; în intervalul kT-T, curentul prin inductanţa scade liniar, fiind eliberată energia acumulată, în această fază elementele de circuit, active prin circulaţia de curent, sunt prezentate în schema echivalentă din figura.9, b. Tensiunea de autoinducţie, care apare cu polaritatea ((- ), (+)), la blocarea lui T polarizează direct dioda D, fiind realizată calea de transfer a energiei din L către circuitul de sarcină. Se poate observa că în această situaţie se produce schimbarea polarităţii tensiunii de ieşire (la bornele filtrului capacitiv şi sarcinii) faţă de cea de intrare. Din acest motiv convertorul mai este denumit si inversor.

a

13

Fig. 9. Variator c.e.-c.c. N>1, sau N<1:a — schema; b — circuite echivalente: c — forme de undă.

Presupunând elementele de circuit ideale, puterea medie la intrare P1=P2 -puterea medie în sarcină:U1I1=U2I2, iar

14

= =

unde I1 şi I2 sunt valorile medii ale curentului furnizat de sursă, respectiv la ieşire.Pentru k ε (0, 0,5) variatorul are raport de transformare subunitar, iar pentru k ε (0,5, 1) raportul de transformare este supraunitar, înglobând acest context caracteristicile oferite de variatoarele prezentate. Dacă, curentul prin sarcină i2=I2=constant, curentul prin condensator în intervalul =-kT este:

ic=-i2=-I2

Curentul i1 prin sursă este discontinuu, fiind necesar ca în condiţii practice să fie introdus un circuit cu filtru capacitiv şi la intrare pentru netezirea pulsaţiilor.Ca şi în cazul celorlalte variatoare prezentate, acest variator de tip "convertor Buck-Boost" este extrem de simplu şi eficient, întrucât pe durata acumulării şi eliberării de energie, circuitele sursei şi sarcinii sunt practic izolate, acest variator oferă o bună protecţie la un eventual scurtcircuit al sarcinii, care nu se transmite şi sursei de alimentare. Evident însă, în această situaţie trebuie luate măsurile necesare pentru dimensionarea diodei, care preia curentul de scurtcircuit.

Capitolul VI

VARIATOR C.C.-C.C.CU STINGERE FORŢATĂ

În figura 10, a este reprezentată schema unui variator c.c.-c.c.(chopper),cu circuit de stingere forţată, având raportul de transformare subunitar.T1 este tiristorul principal, prin care este alimentată sarcina. InductanţaLs este considerată suficient de mare. astfel încât constanta de timp a sarcinii-τs să fie mult mai mare decât perioada de comandă –T a variatorului:

În acest mod curentul prin sarcină poate fi considerat constant.Tiristorul auxiliar T.2,. împreună cu capacitatea C, inductanţa L şi dioda D1

alcătuiesc circuitul de comutare forţată în blocare pentru T1 Dioda D2, în paralel cu sarcina, are rolul unei diode de nul, prin care se închide curentul" de sarcină în intervalele de timp in care ambele tiristoare sunt blocate, descărcând prin Rs

energia acumulată, în analiza care urmează elementele de circuit sunt

15

considerate ideale, fără pierderi şi fără inerţie în acţionare. Funcţionarea corectă a variatorului necesită comanda lui T2 înaintea lui T1,condensatorul încărcându-se la tensiunea iniţială (fără paranteze în fig. 1.10, a) uc(t1)=U1 prinT1,Ls, Rs şi C.• Funcţionarea circuitului din figura 10, a este tratată în patru faze, corespunzătoare proceselor fizice care au loc. În faza 1, în intervalul de timp t1-t3, variatorul arc schema echivalentă din figura 10, b; dispozitivele au fost reprezentate prin comutatoare ideale (cu rezistenţă zero în conducţie şi infinită in blocare). La comanda tiristorului T2 la momentul t1, condensatorul C este conectat în paralel pe tiristorul T1, UC1 =-uT1 şi dispozitivul este polarizat invers, blocându-se. Condensatorul se descarcă şi se reîncarcă prin sarcină cu polaritatea din paranteze ((+),(-)) până la uc(t3)= -U1; tiristorul T2se blochează. Curentul prin sarcină in acest interval este i2 =iT2=I2, iar tensiunea u2 scade liniar la zero. În faza 2 in intervalul t3-t4 curentul prin circuitul echivalent (fig. 1.10, c) circulă prin D2, Ls şi Rs. Dioda D2 este deschisă datorită tensiunii de autoinducţie ((-),(+)) produsă la bornele inductanţei Ls. Curentul prin sarcină este i2=ID1=I2 iar tensiunea u2= 0. În faza 3, în intervalul t4-t5 având circuitul echivalent din figura 10, d, fiind comandat T1 condensatorul C se descarcă rezonant prin T1 L, D1, reîncărcându-se cu polaritatea (-, + la tensiunea uc(t5)=U1 Curentul prin sarcină este i2 =iT1-ID1= I2. iar u2=U1.La t=t5, tiristorul T2 iese din conducţie.

16

Fig. 10. Variator c.c.-c.c. (chopper cu stingere forţată):a schema de principiu; b-e — circuite echivalente; f — diagrame de tensiune şi curent.

În faza 4, în intervalul t5-t6, terminându-se procesul rezonant circulaţia de curent are loc prin circuitul echivalent din figura 10, e. Curentul prin sarcină este i2=iT1=I2, iar u2=U1.

17

Bibliografie

Acţionări şi Automatizări - St. Popescu

- E. Dumbravă - O. Samuilescu - D. Mihoc

Editura didactică şi pedagogică, Bucureşti- 1988

Aparate, echipamente şi instalaţii de electronică industrială: - Alexandru Iulian Stan - Traian Cănescu - Mihai Humulescu - Dragoş Simulescu

Editura didactică şi pedagogică, R.A. Bucureşti-1995

18

CuprinsMomoriu justificativ…………………………………………………… 2I.Convertoare c.c.-c.c. Definire şi rolul lor……………………………. 3II.Variatoare c.c.-c.c.( Choppere )……………………………………… 4III.Variator c.c..-c.c.. cu raport de transformare subunitar, N<1… 9IV.Variator c.c..-c.c. cu raport de transformare supraunitar, N>1……… 11V.Variator c.c.-c.c. cu raport de transformare oarecare, N>1sau N<1……13VI.Variator c.c.-c.c.cu stingere forţată……………………………………15Bibliografie …………………………………………………………….. . 18

19

Memoriu justificativ

Convertoarele c.c.-c.c. transformă energia electrică de curent continuu cu anumiţi parametri (tensiune u1 ,intensitate i1) impuşi de sursa de alimentare în energie tot de curent continuu, având în general alţi parametri (tensiune u2, intensitate i2).Conversia se poate realiza atât cu maşini electrice rotative (grupuri motor-generator de curent continuu), cât şi static cu circuite electronice adecvate, care constituie obiectul acestui proiect. Convertoarele de c.c.-c.c. au o largă utilizare în acţionarea electrică a maşinilor electrice, surse de alimentare cu comutaţie, alimentarea mai multor consumatori care necesită mai multe tensiuni, ş.a.

20