variator de tensiunea alternativa

6.4 Utilizarea VTA

VARIATOARELE DE TENSIUNE ALTERNATIVĂ

6.1 Generalităţi

Variatoarele de tensiune alternativă (VTA) sunt convertoare alternativ-alternativ (fig. 6.1). La intrarea lor se aplică o tensiune alternativă monofazată sau trifazată cu frecvenţa f şi de valoare efectivă constantă Ua , iar la ieşire se obţine o tensiune alternativă monofazată sau trifazată de aceeaşi frecvenţă f, dar de valoare efectivă , reglabilă.

Fig. 6.1 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.

1

6 VARIATOARELE DE TENSIUNE ALTERNATIVĂ

6.2 VTA monofazate

6.2.1 VTA format din două tiristoare montate antiparalel (sau un triac)

Schema este prezentată în fig. 6.2,a.

Fig. 6.2 VTA monofazat: a) schema electrică; b) sarcină R; c) sarcina RL.

Cele două tiristoare în antiparalel şi pot fi înlocuite de către triacul . Se va studia funcţionarea VTA cu sarcină rezistivă R (fig. 6.2,b), apoi cu sarcină rezistiv-inductivă RL (fig. 6.2,c).

2

6.4 Utilizarea VTA

Fig. 6.3 Formele de undă pentru VTA monofazat cu sarcină rezistivă R.

(6.5)3


Este vorba deci de un consum de putere reactivă datorită comenzii. Puterea reactivă a fundamentalei este maximă pentru şi nulă pentru şi . Puterea activă P este maximă pentru şi scade odată cu creşterea lui a. Legile , şi sunt prezentate în fig. 6.4,b.

Fig. 6.4 Legile: a) ;b) ; ; .

6.2.1.2 Funcţionarea în sarcină RL (fig. 6.2,c)

Pe durata conducţiei unui tiristor, pentru montajul din fig. 6.2, se poate scrie ecuaţia diferenţială:

(6.6.a)

sau: (6.6.b)

Ecuaţia (6.6.b) are soluţia compusă dintr-un termen forţat , de forma

tensiunii alternative şi un termen liber, care se amortizează în timp:

(6.7)

* (6.8)

cu: şi (6.9)

4

6.4 Utilizarea VTA

(6.10)

Astfel, cu ajutorul relaţiilor (6.8) şi (6.10), relaţia (6.7) se scrie:

(6.11)

Constanta k se determină din condiţia iniţială:

(6.12)

de unde: (6.13)

Înlocuind în relaţia (6.11) pe k cu valoarea sa din (6.13), rezultă:

(6.14)

Fig. 6.5 prezintă formele de undă pentru funcţionarea cu sarcină RL, la un unghi de comandă a mai mare decât j.

5


Fig. 6.5 Formele de undă pentru funcţionarea cun sarcină RL.

¨ Dacă conducţia este discontinuă, formele de undă sunt cele din fig. 6.5 şi schema din fig. 6.2 funcţionează ca variator monofazat. Valoarea efectivă a tensiunii la bornele sarcinii este:

6

6.4 Utilizarea VTA

(6.20)

¨ Dacă , există două posibilităţi:a) conduce, este comandat la , dar el găseşte în conducţie. este polarizat

negativ, deci nu poate trece la starea de conducţie. Dacă impulsul său de comandă este scurt, rămâne blocat după blocarea lui la trecerea prin zero a curentului său. Montajul functionează în regim de redresor monofazat monoalternanţă.

b) conduce, este comandat la . El nu poate amorsa, dar impulsul pe poarta sa este lung. După blocarea naturală a lui , 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 .

6.2.2 VTA constituit dintr-o punte monofazată şi un tiristor

Schema este prezentată în fig. 6.6.

Fig. 6.6 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 , şi sunt polarizate în direct şi curentul se închide prin calea , sarcină, B.

În timpul semialternanţei negative a lui , sunt polarizate în direct şi traseul curentului este B, sarcină, .

Formele de undă pentru funcţionarea cu sarcină rezistivă R sunt prezentate în fig. 6.7.

7


Ele sunt identice cu formele de undă din fig. 6.3, deci relaţiile stabilite în subparagraful 6.2.1.1 ramân valabile.

Fig. 6.6 Formele de undă pentru variatorul din fig. 6.6.

6.2.3 VTA cu triac comandat prin intermediul unui diac

Schema electrică este prezentată în fig. 6.8. Comanda se face prin reglaj de fază.

8

6.4 Utilizarea VTA

Fig. 6.8 VTA cu triac comandat prin intermediul unui diac.

Montajul cuprinde:� partea de forţă, formată din sarcina , triacul şi siguranţa S.� partea de comandă, formată din potenţiometrul R, rezistenţele r şi , condensatorul C şi

diacul .� partea de protecţie la supratensiuni de comutaţie, realizată din ansamblul serie .

Tensiunea la bornele condensatorului C poate fi modificată ca valoare şi fază prin reglajul rezistenţei R. Aceasta permite reglarea unghiului a care corespunde momentului în care este egală cu tensiunea de prag a diacului , adică momentului trecerii diacului în starea de conducţie (fig. 6.9). Diacul în conducţie determină descărcarea condensatorului în circuitul de poartă al triacului şi amorsarea sa.

Fig. 6.9 a) Diagrama vectorială a tensiunilor; b) formele de undă.În diagrama vectorială (fig. 6.9,a), s-a notat cu - tensiunea la bornele ansamblului

, R, r şi cu - tensiunea la bornele aceluiaşi ansamblu, dar având o altă valoare ( ) a rezistenţei , diacul şi triacul fiind blocate.

9


si determină unghiurile şi prin comparaţie cu tensiunea de prag .

Se alege R pentru a avea valoarea maximă ; diacul nu poate deveni conductor. Micşorând valoarea rezistenţei R, la un moment dat, tensiunea este egală cu tensiunea de prag a diacului şi acesta intră în conducţie. Triacul primeşte pe poartă un impuls de comandă şi amorsează periodic pe semialternanţele pozitive şi negative ale tensiunii . Triacul se blochează la trecerea naturală prin zero a curentului.

Triacul intră în conducţie cu o întârziere a în raport cu trecerea prin zero a tensiunii , atât în semialternanţele pozitive, cât şi în cele negative. Unghiul a se reglează prin varierea lui R (fig. 6.8) şi permite modificarea valorii efective a tensiunii aplicată sarcinii. Fig. 6.10 arată formele de undă pentru schema prezentată în fig. 6.8.

Curba reală de variaţie a lui este diferită de cea obţinută când diacul şi triacul sunt blocate ( teoretic - desenat punctat în fig. 6.10), deoarece odată atins nivelul , diacul amorsează şi condensatorul descărcându-se dă un impuls de comandă. În consecinţă, în timpul semialternanţelor următoare ale lui , ajunge mai devreme la nivelul , deci

şi (fig. 6.10). Fenomenul se numeşte histerezis de reglaj şi constituie principalul dezavantaj al schemei, deoarece nu permite fixarea exactă a unghiului de funcţionare al VTA.

10

6.4 Utilizarea VTA

Fig. 6.10 Formele de undă pentru VTA cu triac comandat prin diac.

Rezistenţa r (fig. 6.8) asigură funcţionarea la unghiul .

Schema din fig. 6.8 poate fi îmbunătăţită prin reducerea histerezisului său, legând un condensator suplimentar, , aşa cum se arată în fig. 6.11.

11


Fig. 6.11 Schema cu histerezis redus.

După descărcarea lui C, când , (egal cu 1,5¸2 C) îl reîncarcă rapid, asigurând concordanţa celor două curbe: teoretică şi reală (fig. 6.10).

Acest tip de variator este foarte răspândit. El este utilizat în instalaţiile de iluminat, pentru a varia intensitatea luminoasă a lămpilor incandescente şi în aparatele electrocasnice, pentru a varia viteza motoarelor de curent alternativ.

6.2.4 Alte tipuri de VTA monofazate

În fig. 6.13 se prezintă alte două scheme de VTA monofazate.

Fig. 6.13 VTA monofazate.

Schema din fig. 6.13,a prezintă avantajul unei comenzi mai uşoare deoarece catozii celor două tiristoare şi sunt legaţi.

12

6.4 Utilizarea VTA

În decursul semialternanţei pozitive a lui , curentul se închide prin şi sarcină, iar în cea negativă prin sarcină, şi .

Formele de undă sunt identice cu cele ale variatorului din fig. 6.2.Pentru schema din fig. 6.13,b, în timpul perioadelor de conducţie a lui şi ,

solenaţia secundară o compensează pe cea primară; între punctele a - b se află impedanţa transformatorului care are secundarul în scurtcircuit, impedanţă de valoare foarte scăzută, deci .

Când şi 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 .

6.3 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.

6.3.1 VTA format din două tiristoare montate în antiparalel pe fiecare fază

Schema este prezentată în fig. 6.14,a. Sarcina poate fi în stea (fig. 6.14,b) sau în triunghi (fig. 6.14,c).

Fig. 6.14 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:

13


Dacă receptorul este legat în stea, montajul se poate face ca în fig. 6.17, 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.

Fig. 6.17 VTA în avalul receptorului.

6.3.2 Alte scheme de VTA trifazate

Fig. 6.18 prezintă schema unui VTA mixt, care conţine un tiristor în antiparalel cu o diodă pe fiecare fază:

Fig. 6.18 VTA mixt.14

6.4 Utilizarea VTA

De această dată, semialternanţele pozitive ale tensiunilor sunt singurele controlate. Diodele sunt în conducţie în decursul semialternanţelor negative şi reprezintă calea de trecere pentru curentul corespunzător acestor semialternanţe.

În fig. 6.19 este dată schema cea mai des utilizată dacă sarcina are cele şase borne de ieşire accesibile.

Fig. 6.19 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. 6.14, dar este mai puţin bun în ceea ce priveşte calitatea tensiunilor furnizate sarcinii.

6.5 Variaţia tensiunii prin controlul numarului de semiperioade

Comanda şi controlul puterii active transmise sarcinii într-un circuit de c.a., cu ajutorul a 2 tiristoare montate antiparalel (echivalente unui triac) se poate face şi prin controlul numărului de semialternanţe de conducţie din cadrul unui ciclu de funcţionare.Acest control se poate face principial în două moduri : utilizând comanda prin zero cu referinţă constantă în timp ; utilizând comanda prin zero cu referinţă liniar variabilă în timp.

Schema funcţională a unei astfel de comenzi este prezentată în Fig.6.20. În această figură

15


s-au făcut următoarele notaţii : usincr este tensiunea de sincronizare, în fază cu tensiunea de alimentare a sarcinii, uS ; usarc este o tensiune proporţională cu puterea disipată în sarcină ; uREF este o tensiune de referinţă generată de sursa de tensiune de referinţă ; uies este tensiunea de ieşire a comparatorului, care validează curenţii iG1 şi iG2 ; iG1 şi iG2 sunt curenţii de comandă ai tiristoarelor T1 şi T2 ; iS este curentul de sarcină.

Tensiunea de referinţă este o tensiune continuă la prima metodă de comandă şi o tensiune liniar variabilă, în dinţi de fierăstrău, la cea de-a doua metodă. Reglajul puterii disipate în sarcină se face ca urmare a comparaţiei dintre tensiunea de sarcină şi tensiunea de referinţă. În intervalele de timp în care usarc < uREF , la fiecare trecere prin zero a tensiunii de sincronizare se generează impulsuri de aprindere pentru tiristoare.

Fig. 6.20. Schema funcţională a comenzii cu controlul numărului semialternanţelor de conducţie.

În Fig.6.21 sunt prezentate formele de undă în cazul comenzii prin zero cu referinţă fixă.

Controlându-se numărul alternanţelor de conducţie se controlează puterea disipată în sarcină. Precizia cu care se realizează acest control de putere este limitată inferior de puterea unei semialternanţe. Acest mod de comandă este numit «two point driver», datorită faptului că amplitudinea tensiunii usarc nu influenţează numărul impulsurilor de comandă, ci numai cele două stări ale ei : usarc < uREF sau usarc > uREF .

16

6.4 Utilizarea VTA

u S

tusincr

t

t

t

t

uS usincr

u sarc

u REF

uREF usarc

i G1

i G2

iS T1

T2

T1

T2 T2

T1

Fig. 6.21. Forme de undă pentru comanda prin zero cu referinţă fixă.

Formele de undă în cazul comenzii prin zero cu referinţă liniar-variabilă în timp sunt date în Fig.6.22.

uS

tusincr

t

t

t

t

uS u sincr

u sarcu REF

uREF

usarc

iG1

i G2

iS

Fig. 6.22. Forme de undă pentru comanda prin zero cu referinţă liniar variabilă în timp.

17


Tensiunea uREF este o tensiune liniar variabilă cu o perioadă mai mare de câteva zeci de ori decât perioada tensiunii de sincronizare usincr . Mărimea intervalelor de timp în care se face generarea impulsurilor de comandă este determinată în acest caz şi de amplitudinea tensiunii usarc. Cu cât aceasta are valori mai mici, intersecţia cu rampa uREF se face mai jos, încât intervalul de timp de generare a impulsurilor de comandă va fi mai mare.

Apare deci o comandă proporţională cu diferenţa usarc - uREF , care acţionează ca o reacţie negativă de stabilizare a puterii în sarcină. Din acest motiv această metodă de comandă este cunoscută în literatura de specialitate sub numele « proportional driver ». Avantajul acestei metode în raport cu cea descrisă anterior este că evită apariţia unor supracreşteri ale puterii dispate în sarcină.

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.

Majoritatea firmelor mari, cum sunt AEG-TELEFUNKEN, MOTOROLA, SIGNETICS, SIEMENS ş.a. fabrică astfel de circuite integrate. Şi S.C. Băneasa S.A. a avut preocupări în acest sens, reuşind să asimileze şi să producă circuite integrate de comandă din ce în ce mai performante, bazate pe cele trei principii de comandă prezentate anterior: AA 145, L 120, TDA 1085 care fac comanda prin control de fază; U 217 care permite comanda prin zero cu referinţă fixă sau variabilă ; L121 care este construit pe principiul comenzii prin zero cu referinţă variabilă.

6.6 Utilizarea VTA

VTA au numeroase aplicaţii, dintre care s-au enumerat deja cele legate de 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 a 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.

18

6.4 Utilizarea VTA

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. 6.23.

Fig. 6.23 Legarea unui filtru.

19

variator de tensiunea alternativa

Documents