Convertoare curent continuu - curent continuu (c.c. - c.c.)

Convertoare curent continuu - curent continuu (c.c. - c.c.)

A doua categorie de convertoare utilizate in actionarile electrice de curent continuu realizeaza conversia unei tensiuni continue, de valoare fixa, intr-o tensiune continua, variabila si controlabila.

Convertorul este alimentat de la o retea de c.c. de tensiune fixa, de la o baterie sau de la un redresor necomandat si produce la iesire o tensiune variabila prin intreruperea periodica a tensiunii de intrare.

Principiul de functionare este oarecum similar cu cel prezentat la convertoarele c.a. - c.c. La acelea, semialternantele pozitive ale tensiunii sinusoidale erau "decupate" periodic, rezultand la iesire o tensiune continua de valoare medie variabila. Controlul intervalului de timp in care tensiunea este intrerupta permite variatia tensiunii de iesire.

Deosebirea dintre cele doua principii de functionare provine din modalitatea in care acest decupaj de tensiune este realizat. La convertoarele alimentate in curent alternativ comanda se realizeaza prin intarzierea intrarii in conductie a tiristoarelor polarizate direct, fata de momentul in care perechea precedenta era comutata in mod natural. La alimentarea cu tensiune continua, comutatia naturala (de la retea) nu mai apare, intrucat semnul tensiunii nu se modifica pentru a polariza invers dispozitivele semiconductoare din circuit. De aceea, comutatia va trebui comandata din exterior si obtinuta controlat, la momentele diferite de timp. Intarzierea comenzii de intrare in conductie va fi deci masurata fata de momentul comutatiei, la randul lui controlabil.

Vom avea, prin urmare, doua grade de libertate in controlul convertorului de c.c. - c.c., spre deosebire de numai unul la convertorul de c.a. - c.c. Insa, gradul suplimentar de libertate va necesita comanda stingerii comutatorului electronic. Tiristorul nu poate fi stins decat prin polarizare inversa. Acest lucru va presupune folosirea fie a unor scheme complexe de stingere a tiristoarelor, fie a unor dispozitive semiconductoare cu stingere comandata (MOSFET, IGBT, BJT, MCT, .).

Convertorul de alimentare in curent continuu va functiona ca un intreruptor a carui comutatie poate fi controlata si comandata din exterior la momente de timp variabile. De aici si denumirea de convertor (sursa) de tensiune continua in comutatie. Datorita functiei sale de "decupare" a tensiunii fixe de la intrare, in literatura tehnica anglo-saxona convertorul este denumit chopper ("taietor"). Pe parcursul acestei lucrari vom folosi a doua varianta pentru a ne referi la convertoarele c.c. - c.c. analizate.

1. Principiul de functionare

In figura 2.22. este prezentata o schema principiala de functionare a unui chopper. Acesta este comandat de o tensiune v_c (tensiune de comanda) pentru a conduce un timp t_ON si a se deschide un timp t_OFF. Suma celor doua intervale de timp poarta numele de perioada de comutatie: T_c = t_ON + t_OFF. Inversul perioadei de comutatie se noteaza cu f_c si reprezinta frecventa de comutatie f_c = 1/T_c. Raportul dintre timpul de conductie t_ON si perioada de comutatie T_c se va nota cu d si va fi denumit factor de umplere:

(2.6.)

Tensiunea la bornele sarcinii in intervalul t_ON este egala cu tensiunea de alimentare a sursei V_s minus caderea de tensiune pe chopper. Daca intreruptorul este ideal, caderea de tensiune va fi zero, iar tensiunea medie la iesire, calculata intr-o perioada T_c va fi:

(2.7.)

Modificarea factorului de umplere va produce variatia tensiunii de iesire (de sarcina). Notam aici ca tensiunea de sarcina urmareste tensiunea de comanda, chopperul functionand ca un amplificator de tensiune.

Factorul de umplere d poate fi modificat in doua moduri:

pastrand perioada (frecventa) de comutatie constanta si variind t_ON;

pastrand timpul de conductie t_ON constant si variind frecventa de comutatie.

O frecventa de comutatie constanta prezinta avantajul ca se pot calcula pierderile de comutatie din chopper si continutul de armonici al variabilelor de iesire inca din faza de proiectare a convertorului. Acest lucru va permite dimensionarea optima a radiatorului de disipatie termica, respectiv a filtrului de intrare.

La variatia frecventei de comutatie, proiectarea nu mai are aceeasi precizie si acest mod de comanda este extrem de rar utilizat in practica.

O observatie importanta care trebuie facuta inainte de a trece la anliza functionarii unei actionari de c.c. alimentate de la un convertor in comutatie, se refera la rolul diodei D din schema functionala 2.22.

Deoarece pe intreaga durata t_OFF, sarcina (respectiv masina de curent continuu) este deconectata de la sursa de alimentare, curentul nu va putea circula inapoi in sursa.

De fapt, daca dioda D nu ar exista, masina ar intra instantaneu, la comutatie, in regim de curent intrerupt, indiferent de valoarea medie a tensiunii indusului sau de parametrii sai constructivi.

Intreruperea periodica a curentului prin masina produce disparitia cuplului electromagnetic si solicitarea comutatorului cu un dv/dt extrem de mare. Ambele efecte sunt nedorite: primul va genera un cuplu oscilant si vibratii la axul motorului, iar al doilea poate duce la strapungerea comutatorului electronic.

Dioda va permite curentului de sarcina sa circule, chiar si in absenta tensiunii de alimentare, ca rezultat al tensiunii electromotoare din circuitul indusului. De aceea dioda D poarta numele de dioda de libera circulatie.

Vom considera functionarea in primul cadran a unei masini de curent continuu alimentata de la un chopper. Fluxul de excitatie a masinii este mentinut constant, la valoare nominala, iar masina se roteste cu o viteza constanta si produce o tensiune electromotoare de valoare fixa in regimul stationar considerat.

Convertorul este presupus ideal, cu timp de comutatie zero si cadere de tensiune nula pe comutatorul electronic.

Formele de unda ale tensiunii aplicate sarcinii (motorului) si curentului prin indusul motorului de c.c. alimentat de la un chopper in cazul regimului de curent neintrerupt sunt reprezentate in figura 2.23.

2. Tipuri constructive de convertoare c.c. - c.c.

La analiza convertoarelor de curent continuu cu alimentare de la o tensiune continua, constanta, am folosit o reprezentare idealizata a comutatorului electronic comandat care realizeaza functia de decupare a tensiunii. De asemenea, am facut observatia ca un tiristor nu poate fi considerat un comutator comandat intrucat comutatia este realizata numai prin polarizare inversa si nu prin intreruperea comenzii pe poarta.

Chopperele sunt realizate practic cu dispozitive semiconductoare speciale, care permit comanda externa, independenta de polarizarea anod - catod, a intrarii in conductie si a comutatiei. Aceste dispozitive sunt: MOSFET, IGBT, GTO, MCT. Alegerea unui tip sau altul depinde de puterea la care este proiectat sa functioneze. De exemplu, tranzistoarele de tip MOSFET vor fi utilizate la puteri de pana la 50 kW si tensiuni mai mici de 600 V. Se pot realiza comutatoare cu comanda externa chiar si cu tiristoare. Insa aceasta va presupune proiectarea unei scheme complexe care va contine un al doilea tiristor folosit pentru stingerea tiristorului principal si a unui condensator pentru stocarea energiei necesare procesului de comutatie. Datorita numarului mare de dispozitive folosite intr-o astfel de schema, costul convertorului va creste considerabil. Accesibilitatea si puterile care se pot obtine cu dispozitivele semiconductoare moderne fac ca schemele de comutatie comandata cu tiristoare sa nu mai fie actuale.

2.1. Choppere de patru cadrane

Deoarece functionarea dispozitivelor semiconductoare cu comutatie comandata este similara cu cea a unui tranzistor bipolar, functionand in regim de comutatie, vom folosi pentru reprezentarea schemelor constructive simbolul unui tranzistor pnp.

Facem precizarea ca fiecare dispozitiv mentionat are propriul simbol, iar la realizarea practica si proiectarea unui convertor se va folosi simbolul corespunzator dispozitivului utilizat.

Schema unui chopper de patru cadrane este prezentata in figura 2.24. Fiecare tranzistor are conectata in paralel o dioda de libera circulatie si un circuit (snubber) de limitare a vitezei de crestere dv/dt. Snubber-ul nu este reprezentat in schema.

Tranzistoarele sunt comandate in baza de la un circuit auxiliar de comanda, izolat galvanic fata de circuitul de putere. Ele vor reproduce si amplifica forma de unda a semnalelor de comanda in baza.

La functionarea in primul cadran, chopperul va produce la iesire o tensiune si un curent pozitive. Acest lucru este obtinut prin comanda simultana a tranzistoarelor T₁ si T₂, asa cum am prezentat in figura 2.25.a.

La intrarea in conductie tensiunea pe sarcina (masina de curent continuu) va fi egala cu tensiunea sursei de alimentare. La comanda comutatiei oricarui tranzistor din cele doua aflate in conductie (sau ambelor tranzistoare simultan), tensiunea de iesire va deveni nula.

Presupunem ca este comutat tranzistorul T₁. In acest moment curentul va descreste, circuland prin T₂, dioda D₄ si sarcina. Circuitul va avea configuratia din figura 2.25.b.

Formele de unda ale curentului si tensiunii in timpul unui ciclu de comutatie au fost prezentate anterior, la analiza comportarii stationare, in figura 2.23. Convertorul functioneaza, prin urmare, in primul cadran, cu o tensiune de iesire pozitiva intre 0 si V_s la un factor de umplere cuprins intre 0 si 1.

Daca, in locul comutatiei unui singur tranzistor, ambele tranzistoare sunt simultan scoase din conductie, curentul circula de data aceasta prin D₃, sursa, D₄ si sarcina.

Tensiunea la bornele sarcinii va fi egala cu -V_s si nu zero ca in cazul precedent. Acest lucru va determina o reducere a tensiunii medii de iesire.

Dezavantajele acestei strategii de comutatie sunt urmatoarele:

pierderile datorate comutatiei sunt duble, intrucat doua tranzistoare de putere sunt comutate simultan (in loc de unul singur);

viteza de modificare a tensiunii la bornele sarcinii este dubla in comparatie cu strategia precedenta. Daca sarcina este o masina de curent continuu, acest lucru va determina pierderi electrice mari in izolatia masinii si, deci, diminuarea duratei de functionare;

viteza de modificare a curentului este mare, determinand inrautatirea comutatiei la colector;

deoarece o parte a energiei este circulata intre sarcina si sursa, in fiecare ciclu de comutatie, continutul armonic al curentului este mare, rezultand pierderi suplimentare in sarcina si cablurile de conectare ale convertorului cu sursa.

De aceea, aceasta strategie de comutatie nu va fi luata in considerare in cele ce urmeaza.

Functionarea in cadranul IV corespunde unui curent pozitiv si unei tensiuni negative la bornele sarcinii. Presupunem ca tensiunea electromotoare a masinii este negativa si ca la un moment dat conduce unul din tranzistoarele T₁ sau T₂. Daca acest tranzistor este scos din conductie, curentul prin sarcina inductiva va trebui sa circule pana cand energia stocata de inductanta este eliberata.

De aceea, diodele D₃ si D₄ vor prelua curentul, mentinandu-l in acelasi sens. Tensiunea de sarcina a devenit, in schimb, negativa, asa cum este prezentat in figura 2.26.a. Puterea va fi transferata dinspre masina inspre sursa de alimentare.

Daca sursa nu poate sa absoarba aceasta putere, va trebui proiectat un circuit de disipare a energiei suplimentare. Condensatorul de filtrare va fi periodic descarcat pe o rezistenta in paralel cu sursa, prin deschiderea si inchiderea unui tranzistor suplimentar inseriat cu aceasta. Aceasta metoda de transfer al energiei de la masina spre sarcina poarta numele de franare dinamica sau franare disipativa si este varianta cea mai des utilizata in actionarile in care pierderile mici nu justifica costurile unui circuit de recuperare.

La descresterea curentului prin sarcina, tranzistorul T₂ este trecut in conductie si curentul va circula acum prin T₂ si D₄, prezentand o variatie crescatoare. Ciclul se repeta prin actionarea succesiva a tranzistoarelor T₁ si T₂. Este interesant de observat ca transferul energiei catre sursa se poate face, in acest mod, chiar si daca tensiunea electromotoare E este mai mica decat tensiunea sursei V_s. Aceasta caracteristica particulara poarta numele de functionare de tip boost.

In cadranul III, sarcina va fi strabatuta de un curent negativ si alimentata cu o tensiune de polaritate inversa fata de cea a sursei. Masina de curent continuu va produce o tensiune electromotoare negativa (-E). De data aceasta variatia tensiunii va fi realizata prin comutatia tranzistoarelor T₃ si T₄, in mod similar cu cel prezentat la functionarea in cadranul I. Functionarea in acest cadran este prezentata grafic in figura 2.27.

Functionarea in cadranul II a convertorului corespunde generarii unei tensiuni pozitive la borne si unui curent negativ prin masina. In acest caz tensiunea electromotoare se presupune pozitiva.

Sensul transferului de putere este de la masina catre sursa. Configuratia echivalenta este similara cu cea prezentata in figura 2.26., insa de data aceasta tranzistoarele T₃ si T₄ sunt succesiv trecute in conductie pe durata t_ON iar diodele D₁ si D₂ sunt polarizate direct pe durata t_OFF.

Trecerea din cadranul I in cadranul II a punctului de functionare a unei actionari de curent continuu este frecventa pentru aplicatiile in care se solicita o franare rapida la functionarea unidirectionala.

Sa presupunem ca masina se afla in cadranul I, cu un curent pozitiv prin circuitul indusului. In momentul in care se comanda franarea masinii, sensul curentului trebuie inversat pentru ca masina sa produca un cuplu electromagnetic negativ. La comutatia tranzistoarelor T₁ si T₂ curentul va circula prin D₃ si D₄ catre sursa si va scadea rapid la zero. In acest moment, tranzistorul T₄ este trecut in conductie. Acest lucru va schimba calea de curent si va permite unui curent negativ sa treaca prin T₄ si D₂. In momentul in care curentul a atins valoarea maxima dorita, T₄ este comutat. Dioda D₁ va deveni polarizata direct si va prelua curentul indusului impreuna cu dioda D₂. La atingerea valorii minime impuse, T₄ (sau T₃) este din nou trecut in conductie pentru a produce o noua crestere de curent si a-l transfera catre sursa. Formele de unda sunt prezentate in figura 2.28.

2.2. Alimentarea convertoarelor c.c. - c.c.

Tensiunea de alimentare a unui chopper provine de la o baterie, fie de la o punte redresoare comandata sau necomandata, cu un circuit LC. Puntea redresoare necomandata este sursa de alimentare cea mai frecvent intalnita in practica. Daca tensiunea retelei este redresata cu o punte cu diode, factorul de putere al instalatiei va fi foarte apropiat de cel unitar, ceea ce reprezinta un avantaj important fata de cazul in care este folosit un redresor comandat (cu tiristoare). Cu toate acestea, o punte cu diode nu va permite recuperarea energiei in timpul franarii masinii. In acest caz, energia va trebui disipata pe o rezistenta de franare, folosind un circuit suplimentar, in paralel cu sursa si comandat separat cu un tranzistor de franare, figura 2.29.

In actionarile de putere medie si mare, la care energia de franare este importanta, in antiparalel cu puntea redresoare se va dispune un convertor comandat care va prelua curentul negativ si il va reintroduce in retea (figura 2.30). Acest convertor va putea fi dimensionat pentru puteri mai mici intrucat valoarea efectiva a curentului de franare este redusa, iar durata regimului de franare este doar o fractiune din timpul functionarii ca motor a masinii. Convertorul cu recuperare va functiona la unghiuri de comanda mai mari ca 90⁰ realizand o tensiune de iesire cu aceeasi polaritate cu tensiunea de alimentare a chopperului, V_s. Functionarea lui va fi permisa numai in momentul in care V_s va fi mai mare cu 15 - 20% decat tensiunea nominala ce se obtine prin redresarea de la sursa de tensiune alternativa.

2.3. Alte scheme practice de choppere

Nu toate aplicatiile solicita functionarea in patru cadrane. De aceea, convertorul de putere va putea fi simplificat si proiectat pentru a asigura regimul de functionare necesar.

Convertoarele sunt, astfel, proiectate pentru unul sau doua cadrane, iar costul lor va descreste semnificativ odata cu diminuarea numarului de comutatoare electronice.

In figura 2.31. sunt prezentate cateva din aceste variante simplificate.