Variator de Tensiune Alternativa - Mutu-Garomfil Remus TEMA CSSE [PDF]

Zitiervorschau

UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICA

VARIATORUL DE TENSIUNE ALTERNATIVA

CUPRINS

1. Aplicaţii convertor (utilizare comandă) 2. Schemă 3. Explicare funcţionare 4. Forme de undă 5. Formule 6. Comentarii 7. Exemplu de simulare

1. Aplicaţii convertor (utilizare comandă)

VTA au numeroase aplicaţii in instalaţiile de iluminat şi de reglajul vitezei maşinilor electrice. Alte domenii ar fi: controlul puterii transmise la încălzirea cu ajutorul rezistenţelor şi reglajul tensiunii transformatoarelor. Plasate între reţea şi sarcină, ele permit schimbarea cuplajului fazelor acesteia, trecând, de exemplu de la triunghi la stea, fără vreo modificare pentru VTA. VTA asigură reglajul în limite largi a tensiunii reţelei, dar are şi unele dezavantaje, cum sunt:  consum suplimentar de putere reactivă, chiar pentru sarcini rezistive;  este sursă de perturbaţii pentru reţea, deoarece curenţii absorbiţi au un puternic conţinut armonic. Funcţionarea reală a VTA este legată de natura sarcinii pe care o alimentează. În general, pentru a se evita poluarea reţelei, se intercalează un filtru între aceasta şi VTA, aşa cum se arată în fig. 1

VTA Re¡ea ~

Sarcinå

Filtru

Fig. 1. Legarea unui filtru

2. Schemă

1~ ua sau 3 ~ Ua constantå

f

f

~ ~

1~ us sau 3 ~

U S reglabilå

Fig. 2 Variatorul de tensiune alternativă

2.1 VTA monofazate 2.1.1 VTA format din două tiristoare montate antiparalel (sau un triac)

Schema este prezentată în fig. 3.

u

T

T1

M B iS M

A

M

T2

R S A R C I N A

ua~ A

B Tr

R L N

N

N a)

b)

c)

Fig. 3. VTA monofazat: a) schema electrică; b) sarcină R; c) sarcina RL. Cele două tiristoare în antiparalel T1 şi T2 pot fi înlocuite de către triacul Tr .

2.1.2 VTA constituit dintr-o punte monofazată şi un tiristor Schema este prezentată în fig. 4. M iS

D1 A

D3

+

T

u

T

iS

ua

D2

D4 uS

~ N

S A R C I N A

B

Fig. 4. VTA format dintr-o punte monofazată şi un tiristor.

Tiristorul T este legat în diagonala de curent continuu a unei punţi monofazate cu diode. Pe durata semialternanţelor pozitive ale tensiunii ua , D1 şi D4 sunt polarizate în direct şi curentul se închide prin calea A, D1, T,D4 , sarcină, B. În timpul semialternanţei negative a lui ua , D2 , D3 sunt polarizate în direct şi traseul curentului este B, sarcină, D3,T,D2 ,A .

2.1.3 Alte tipuri de VTA monofazate În fig. 5. se prezintă alte două scheme de VTA monofazate.

T1

a

T2

n1

b

n2 M

N ua

ua ~

D2

D1

us

S A R C I N A

~

a)

T1

us

S A R C I N A

T2

b)

Fig. 5. VTA monofazate. Schema din fig. 5.a prezintă avantajul unei comenzi mai uşoare deoarece catozii celor două tiristoare T1 şi T2 sunt legaţi. În decursul semialternanţei pozitive a lui ua , curentul i S se închide prin T1, D1 şi sarcină, iar în cea negativă prin sarcină, T2 şi D2 .

Pentru schema din fig. 5.b între punctele a - b se află impedanţa transformatorului care are secundarul în scurtcircuit, impedanţă de valoare foarte scăzută, deci uS  ua . Când T1 şi T2 sunt blocate impun între a şi b impedanţa transformatorului având secundarul în gol. Receptorul nu este parcurs decât de curentul de magnetizare al transformatorului, care este foarte scăzut, astfel uS  0 .

2.2 VTA trifazate

În VTA trifazate se se folosesc pe fiecare fază întreruptoare bidirecţionale în curent, identice cu cele studiate în monofazat: triacuri sau tiristoare în antiparalel. Sarcina este conectată în stea sau triunghi.

2.2.1 VTA format din două tiristoare montate în antiparalel pe fiecare fază Schema este prezentată în fig. 6.a. Sarcina poate fi în stea (fig. 6.b) sau în triunghi (fig. 6.c). T1 u 1N A 1

S

T'1

R

R

A T2

A

A

R

u 10

u 2N B 2

B

B N

T'2

R

R

I

T3

u 20

C

N u N0

u 3N C 3 u 30

T'3

A

C

C

R

R 0

0 a)

b)

c)

Fig. 6. VTA trifazat format din două tiristoare în antiparalel pe fiecare fază: a) schema electrică; b) sarcină rezistivă în stea; c) sarcină rezistivă în triunghi. Sistemul de tensiuni de alimentare este trifazat echilibrat:

Dacă receptorul este legat în stea, montajul se poate face ca în fig. 6, fără ca funcţionarea VTA să fie modificată. Avantajul acestei scheme este punctul comun al tiristoarelor, ceea ce uşurează comanda dacă se utilizează triacuri în locul tiristoarelor.

T1 R 1

T' 1 T2

u 10 R 2

N

T' 2 T3

u 20 R 3

T' 3

u 30

Fig. 7 VTA în avalul receptorului.

2.2.2 Alte scheme de VTA trifazate Fig. 8 prezintă schema unui VTA mixt, care conţine un tiristor în antiparalel cu o diodă pe fiecare fază: T1 A 1

D1

S A

T2 R

u 10 B 2

D2

I N

T3

u 20

C 3 u 30

C

A

D3

Fig. 8 VTA mixt. De această dată, semialternanţele pozitive ale tensiunilor u10 , u20 , u30 sunt singurele controlate. Diodele sunt în conducţie în decursul semialternanţelor negative şi reprezintă calea de trecere pentru curentul corespunzător acestor semialternanţe. În fig. 9 este dată schema cea mai des utilizată dacă sarcina are cele şase borne de ieşire accesibile.

1 R

u 10 2 R

u 20 3 u 30

R

0

Fig. 9 Montajul în triunghi a trei VTA monofazate. Se utilizează trei VTA monofazate identice. Performanţele sunt cele ale VTA monofazate, dar schema permite suprimarea armonicilor impare de rang 3 sau multiplu de 3, în curenţii de linie. Din acest punct de vedere, acest montaj este superior celui din fig. 6, dar este mai puţin bun în ceea ce priveşte calitatea tensiunilor furnizate sarcinii.

3. Explicare funcţionare Variatoarele de tensiune alternativă (VTA) sunt convertoare alternativ-alternativ (fig.1). La intrarea lor se aplică o tensiune alternativă monofazată sau trifazată cu frecvenţa f şi de valoare efectivă constantă U a , iar la ieşire se obţine o tensiune alternativă monofazată sau trifazată de aceeaşi frecvenţă f, dar de valoare efectivă U S , reglabilă.

1~ ua sau 3 ~ Ua constantå

f

f

~ ~

1~ us sau 3 ~

U S reglabilå

Fig. 2. Variatorul de tensiune alternativă

Din punctul de vedere al tensiunii de ieşire, se disting VTA monofazate şi trifazate. Comanda lor, prin reglarea valorii efective a tensiunii de ieşire, se poate face după două principii:



reglajul de fază;



controlul numărului de perioade de conducţie.

Prima metodă este cea mai utilizată, deoarece ea presupune o schemă de comandă foarte simplă. Acest capitol nu tratează decât VTA comandate prin reglaj de fază. Ca principiu, VTA trebuie să lase să treacă curentul în cele două sensuri. Deci, dispozitivele semiconductoare legate pe fiecare cale sunt bidirecţionale în curent. Prin urmare, se utilizează triacul sau, pentru puteri ridicate, două tiristoare în montaj anti-paralel. Tensiunea aplicată fiind alternativă, curentul de sarcină are aceeaşi formă şi se anulează periodic, deci VTA sunt convertoare cu comutaţie naturală. Dispozitivele semiconductoare se blochează la trecerea naturală prin zero a curentului care le parcurge.

4. Forme de undă

ua





1



1



1



1

1

Ûa t - Ûa

2

2

2

2

2

uS Ûa T1 comandå la 1

T1 T2

T1 t

T2

- Ûa iS

iS

1

t

uS + Ûa T1

T1 T2

T1 T2

t

- Ûa iS comandå la 2 t

uT Ûa t - Ûa

Fig. 10. Formele de undă pentru VTA monofazat cu sarcină rezistivă R.

ua Ûa

iS



t

- Ûa











uS Ûa

t - Ûa uT Ûa

t - Ûa i

S

1 t 1

Fig. 11 Formele de undă pentru funcţionarea cu sarcină RL.

ua Ûa

t - Ûa











uT Ûa

t

u

S

Ûa

t - Ûa i

S

t

Fig. 12. Formele de undă pentru variatorul din fig.4. (VTA constituit dintr-o punte monofazată şi un tiristor)

ua ,uC

prima amorsare u c realå ua u c teoreticå

+U Br 0 -U Br



t 1





2

2

a doua amorsare

uS

0 t





1



2

2

iS

I S2

I S1 0

t

I S2 

1



2



2

Fig. 13. Formele de undă pentru VTA cu triac comandat prin diac.

5. Formule Pe durata conducţiei unui tiristor, pentru montajul din fig. 3 se poate scrie ecuaţia diferenţială:

sau:

di ua  Uˆ a sin t  RiS  L S dt

(5.1.a)

di Uˆ a sin t  RiS  L S dt 

(5.1.b)

Ecuaţia (5.1.b) are soluţia i S t  compusă dintr-un termen forţat i f t  , de forma tensiunii alternative şi un termen liber, il t  care se amortizează în timp: iS t   i f t   il t 

(5.2)

Uˆ a sin t    Z

(5.3)

i f t  

*

Z  R 2   L 

2

cu:

L

şi   arctan

il t   ke



R

L

R

(5.4)

t

(5.5)

Astfel, cu ajutorul relaţiilor (5.3) şi (5.5), relaţia (5.2) se scrie: i S t  

R  t Uˆ a sin t     ke  L Z

(5.6)

Constanta k se determină din condiţia iniţială: R   Uˆ a L iS    00  sin      ke Z

(5.7)

R  Uˆ a L k sin    e Z

(5.8)

de unde:

Înlocuind în relaţia (5.6) pe k cu valoarea sa din (5.8), rezultă: R  t     Uˆ a  L sin t     sin    e  i S t   Z   



Dacă    conducţia este discontinuă, formele de undă sunt cele din fig. 11. şi schema din fig. 3. funcţionează ca variator monofazat. Valoarea efectivă a tensiunii la bornele sarcinii este: US   Uˆ a



(5.9)

2 Uˆ a2 1 1 1 ˆ   U sin  t d  t  a  1  cos 2t dt     2 



1 2



1   1    2 sin 21  sin 2 

Dacă    , există două posibilităţi:

(5.10)

a) T1 conduce, T2 este comandat la    , dar el găseşte T1 în conducţie. T2 este polarizat negativ, deci nu poate trece la starea de conducţie. Dacă impulsul său de comandă este scurt, T2 rămâne blocat după blocarea lui T1 la trecerea prin zero a curentului său. Montajul functionează în regim de redresor monofazat monoalternanţă. b) T1 conduce, T2 este comandat la    . El nu poate amorsa, dar impulsul pe poarta sa este lung. După blocarea naturală a lui T1, T2 intră în conducţie. Conducţia este continuă şi schema se comportă ca un întreruptor închis în permanenţă. În concluzie, funcţionarea în regim de variator nu are loc decât pentru unghiuri de comandă    .

6. Comentarii Necesităţile impuse de extinderea domeniilor de utilizare ale convertoarelor statice de putere, au determinat constructorii de dispozitive semiconductoare de putere să dezvolte circuite specializate pentru comanda tiristoarelor şi triacelor. Pentru comanda tiristoarelor care funcţionează în cadrul redresoarelor comandate s-au conceput circuite integrate care lucrează pe principiul controlului de fază, iar pentru comanda tiristoarelor şi triacelor din cadrul variatoarelor de tensiune alternativă, circuite integrate bazate atât pe principiul controlului de fază, cât şi pe principiul comenzii prin zero cu referinţă fixă sau cu referinţă variabilă.

7. Exemplu de simulare

S c h e ma d e s i mu l a r e V. T . A mo n o f a z a t

Fisierul editat in mod text, este afisat mai jos: Variator Tensiune Alternativa Monofazat .PARAM DELAY_ANGLE=90 FREQ=50Hz VS 1 0 SIN(0 169.7V 50) Vg1 2 4 PULSE (0 10 /}} 1ns 1ns Vg2 3 1 PULSE (0 10 {+180}/}} R 4 5 2.5 L 5 6 6.5MH

100us } ) 1ns 1ns 100us } )

VX 6 0 DC 0v ; Voltage source to measure the load curent CS 1 7 0.1UF RS 7 4 750 X T 1 1 4 2 4 A S C R ; T h yr i s t o r T 1 X T 2 4 1 3 1 A S C R ; T h yr i s t o r T 2 .SUBCKT ASCR 1 2 3 2 S1 1 5 6 2 SMOD ; RG 3 4 50 VX 4 2 DC 0V VY 5 2 DC 0V RT 2 6 1 CT 6 2 10uF F1 2 6 POLY(2) VX VY 0 50 11 .MODEL SMOD VSWITCH (RON=0.01 ROFF=10E+5 VOFF=0V)

VON=0.1V

.ENDS ASCR;

.TRAN 1US 33.33MS; .PROBE; .OBTIONS ABSTOL=1.00N 1.0M IT L5=10000; .FOUR 50 HZ I(VX); .END

RELTOL =

1.0

VNTOL

=

Tensiunile si pulsurile de curent

Curentul pe condensator, curentul prin bobina, curentul prin sarcina