1

LUCRAREA CS9 CHOPPER DE TENSIUNE CONTINUǍ

1. Principiul lucrării Chopperul de tensiune continuă (VTC) este un convertor continuu-continuu

complet comandat, care permite modificarea valorii medii a tensiunii de ieşire. 1.1. Chopperul într-un cadran Structura de principiu a chopperului serie este prezentată în Fig.1.

Ui

D R L

us

T

Fig.1. Chopper serie (buck) de tensiune continuă.

Întreruptorul T este închis în timpul fracţiunii αT

p din perioada de comutaţie

Tp (etapa I). Sursa primară furnizează energie sarcinii. Atunci când T este blocat, dioda de regim liber D asigură continuitatea curentului şi descarcă inductorul L (energia magnetică) în sarcina (etapa II).

Tensiunea la ieşire poate fi reglată prin modificarea raportului ciclic α (1).

0

1 pT

s i ip

U U dt UT

(1)

Prin definiţie 0≤α≤1, ceea ce înseamnă că montajul este de tip coborâtor de tensiune (Buck).

1.2. Moduri de comanda

a) Comanda la frecvenţă fixă şi timp de conducţie variabil (indirectă) Reglarea transferului de putere depinde de raportul existent între timpul de

conducţie al întreruptorului şi perioada de comutaţie. Această comandă este denumită PWM (Pulse Width Modulation) = Modularea Pulsurilor în Durată (Lăţime).

Comanda PWM constă în compararea unei tensiuni purtătoare de frecvenţă ridicată (up) cu o tensiune de referinţă (α) (Fig.2).

T 0

1 tc/Tp=α

1 0

up

t

t

α

up

T

Tp tc Fig.2. Comanda PWM

2

Modificarea valorii medii a tensiunii de ieşire se face prin modificarea timpului de conducţie tc, în timp ce frecvenţa undei purtătoare este constantă (fp=1/Tp). Frecvenţa undei purtătoare impune frecvenţa de comutaţie a întreruptorului T. b) Comanda cu histerezis (directă)

Principiul comenzii cu histerezis utilizează ondulaţiile curentului care există inevitabil în inductivităţile diferitelor structuri. Comutaţiile întreruptorului comandat (T) sunt determinate de evoluţiile curentului de sarcină, care este menţinut în interiorul unei benzi de histerezis H. Banda de histerezis se aplică unei mărimi de referinţă (Iconst) ce impune valoarea medie a curentului de sarcină (Fig.3). Ca urmare, se obţine o buclă de curent cu caracteristici dinamice foarte bune, care se asociază unei structuri de comandă foarte simplă.

Din păcate, această comandă funcţionează la o frecvenţă variabilă, a cărei valoare depinde de valoarea medie impusă tensiunii de ieşire. Considerând exemplul chopperului de tensiune continuă serie, se poate regăsi acest rezultat prin rescrierea ondulaţiilor de curent (2).

(1 ) i

Lp

UiLf

(2)

În cadrul acestui tip de comandă, Δi

L este o constantă pe care o notăm cu ΔI

L0.

În cazul chopperului serie, s

i

UyU

. Deci, se poate scrie relaţia care face legătura

dintre frecvenţa de decupare fp

şi y (3).

0

(1 )ip

L

Uf y yi

(3)

T 1 0

iL

t

t

T H

ILconst

ε

us

Ui

0 t

ILconst – H/2

ILconst+ H/2 is

S

R

Q

Q

Fig.3. Comanda cu histerezis.

3

1.3. Chopper bidirecţional în curent şi tensiune

Reversibilitatea în putere a unei surse (sarcină pentru convertor) este o caracteristică foarte importantă, deoarece aceasta condiţionează direct structura de conversie, modul său de comandă şi întreruptoarele care le constituie. Aceste reversibilităţi se pot indica prin precizarea tipului de reversibilitate: în curent (curent pozitiv şi negativ), în tensiune (tensiune pozitivă şi negativă) sau ambele. Un astfel de convertor (Fig.4) realizează un transfer bidirecţional de putere între o sursă de tensiune continuă (Ui) şi o sursă de curent (is) şi este comandat folosind o strategie PWM care duce la obţinerea a trei niveluri de tensiune (Ui, 0, -Ui) (Fig.9). Dacă se doreşte obţinerea unei tensiuni pozitive de ieşire (în valoare medie) întreruptorul T1 va comuta cu frecvenţa de decupare fp, în timp ce T4 va fi închis în permanenţă. Celelalte întreruptoare (T2 şi T3) sunt deschise în permanenţă. În cazul funcţionării chopperului în cadranul I, la bornele sarcinii se obţin nivelurile de tensiune Ui şi 0V. Dacă se doreşte obţinerea unei tensiuni negative de ieşire (în valoare medie) întreruptorul T3 va comuta cu frecvenţa de decupare fp, în timp ce T2 va fi închis în permanenţă. Celelalte întreruptoare (T1 şi T4) sunt deschise în permanenţă.. La bornele sarcinii se obţin nivelurile de tensiune -Ui şi 0 pentru funcţionarea convertorului în cadranul III.

T1

T2

T3

T4

Sarcina Ui

us

Fig.4. Chopper în patru cadrane.

2. Chestiuni de studiat a) reglarea valorii medii a tensiunii de ieşire (simularea în PSIM a

convertorului din Fig.1 cu comanda PWM). Se vor reprezenta grafic în simulare tensiunea şi curentul de la ieşire, tensiunea suportată de cele două întreruptoare şi respectiv undele de comandă α şi up.

b) reglarea valorii medii a curentului de la ieşire (simularea în PSIM a convertorului din Fig.1 cu comanda cu histerezis). Se va urmări influenţa lăţimii benzii de histerezis asupra curentului de la ieşire.

c) reglarea valorii medii a tensiunii de ieşire (simularea în PSIM a convertorului din Fig.4).

d) să se reprezinte grafic tensiunea şi curentul de la ieşirea convertorului intr-un cadran în funcţie de gradul de modulare α pentru sarcină rezistivă şi rezistiv-inductivă.

e) să se reprezinte grafic tensiunea şi curentul de la ieşirea convertorului în patru cadrane în funcţie de gradul de modulare α pentru sarcină rezistiv-inductivă.

4

3. Mod de experimentare a) Se utilizează mediul PSIM pentru a simula comanda indirectă. În Fig.5 este

prezentat modelul PSIM, iar în Fig.6 sunt prezentate câteva rezultate orientative ale simulării.

Fig.5. Modelul PSIM pentru comanda indirectă.

Fig.6. Rezultate de simulare pentru comanda indirectă.

b) Se utilizează mediul PSIM pentru a simula comanda directă. În Fig.7 este prezentat modelul PSIM, iar în Fig.8 sunt prezentate câteva rezultate orientative ale simulării. c) Se utilizează mediul PSIM pentru a simula chopperul în patru cadrane cu comanda PWM-2. În Fig.9 este prezentat modelul PSIM al comenzii, iar în Fig.10 sunt prezentate câteva rezultate orientative ale simulării. d) Se verifică conexiunile de pe panoul experimental utilizând schema din anexă. Se rulează programul realizat cu comanda indirectă pentru a obţine formele de undă pentru tensiune şi curent. Se modifică conexiunea de pe panoul experimental pentru a obţine sarcina rezistiv-inductivă şi se preiau noile forme de undă din program.

5

Fig.7. Modelul PSIM pentru comanda directă.

Fig.8. Rezultate de simulare pentru comanda cu directă.

Fig.9. Comanda PWM-2 pentru chopperul în 4 cadrane.

6

Fig.10. Rezultate de simulare pentru chopperul în patru cadrane:

(a) α<0.5; (b) α>0.5.

e) Se modifică conexiunile de pe panoul experimental utilizând schema din anexă pentru convertorul în patru cadrane. Se rulează programul PWM pentru a obţine formele de undă pentru tensiune şi curent cu sarcină rezistiv-inductivă.