|
|
|
DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE DE PUTERE FOLOSITE IN SAE
Dispozitivele semiconductoare de putere au cunoscut o evolutie deosebit de dinamica in ultimii ani. Aceste dispozitive reprezinta de fapt "inima" convertoarelor de putere folosite in sistemele de actionare electrica. Ele reprezinta, desigur, elementul cel mai delicat si mai fragil al convertorului. Pentru a realiza un convetor fiabil, rentabil din punct de vedere al pretului de cost si sigur in functionare, inginerul proiectant trebuie sa cunosca aceste elemente foarte bine si profund.
Aparitia in 1956 a tiristorului a dus la realizarea unei serii de dispozitive semiconductoare noi precum: tiristorul cu stingere pe poarta (Gate Turn-Off thyristor - GTO), tranzistorul bipolar de putere (BJT), tranzistorul bipolar cu poarta izolata (Insulated Gate Bipolar Transistor - IGBT), tranzistorul de putere si frecventa ridicata (Static Iduction Transistor - SIT), tiristorul cu autocontrol (Static Induction THyristor - SITH) si tiristorul controlat MOS (MOS - controlled thyristor).
In aceasta sectiune nu ne propunem sa prezentam caracteristicile si proprietatile diferitelor tipuri de dispozitive semiconductoare, acest subiect facand obiectul unei alte tematici (intitulata chiar Dispozitive Semiconductoare de Putere). Totusi, consideram util a prezenta sumar cateva aspecte legate de aceste dispozitive si un tabel cu unele caracteristici mai importante:
Tiristorul este la baza un dispozitiv de tip pnpn. El intra in conductie in urma aplicarii unui impuls pozitiv pe poarta acestuia si a existentei unei tensiuni pozitive anod - catod. Impulsul se aplica prin intermediul unui etaj ce realizeaza o separare galvanica intre dispozitivul de comanda pe grila si poarta tiristorului. Iesirea din conductie a sa, se face de regula cu ajutorul unui circuit suplimentar. Este folosit in general drept un comutator comandabil.
Tiristoarul cu stingere pe poarta - GTO, aparut pe la mijlocul anilor '60, este un dispozitiv care poate intra/iesi in/din conductie in urma aplicarii unui impuls pozitiv/negativ pe poarta sa. Dar, datorita pierderilor de comutattie importante, acest dispozitiv este folosit in general pana la frecvente de circa 1-2 kHz. Curentul de comanda pe poarta are cam acelasi ordin de marime cu cel corespunzator tiristoarelor. Pierderile din cadrul circuitelor de comutatie corespunzatoare tiristoarelor sunt mai mari decat in cazul GTO - urilor. Acest aspect conduce la realizarea unor convertoare - GTO cu gabarit mai mic si cu un randament global superior. De asemenea, putandu-se lucra la frecvente mai mari de comutatie, performantele actionarii cresc, iar filtrele au un gabarit redus.
Tranzistorul bipolar cu poarta izolata - IGBT este la baza un hibrid ce combina atributele unui MOSFET, a unui tranzistor bipolar de putere (BTJ) si a unui tiristor. Aparut in 1983 pentru prima data, el are impedanta de intrare a unui MOSFET si caracteristicile de conductie ale unui BTJ, putand lucra la frecvente de comutatie chiar superioare acestuia din urma.
Tranzistorul SIT (Static Induction Transistor), introdus pe piata in 1987 de Tokin Corporation, este un dispozitiv ce poate lucra la frecvente foarte mari si reprezinta o varianta moderna a unei triode in tub vidat.
Tiristorul SITH (Static Induction Thyristor), comercializat pentru prima data in 1988 de Toyo Electric Company, este un dispozitiv cu o comanda similara cu a unui GTO, dar cu o structura apropiata de cea a tranzistorului SIT.
Tiristorul MCT (MOS Controlled Thyristor), realizat pentru prima data de General Electric Company in 1988, poate fi comandat pentru intrarea sau iesirea din conductie printr-un impuls scurt pe o poarta de tip MOS. Din punctul de vedere al caracteristicilor de comutatie, are performante similare unui IGBT, dar caderea de tensiune in conductie este mai mica.
Toate dispozitivele semiconductoare de putere actuale folosesc in exclusivitate siliciul ca material de baza.
Se pare ca si in continuare el va pastra monopolul absolut in acest domeniu, desi unele rezultate importante s-au obtinut cu materiale precum: siliciu - arseniu sau diamant.
Deorece este greu de facut o comparatie intre diferitele tipuri de dispozitive semiconductoare de putere, atat datorita variatiei in limite mari ale parametrilor acestora, a conditiilor de determinare a lor, cat si a variatiei parametrilor pentru un acelasi tip de dispozitiv, am prezentat succint in tabelele 1.4 si 1.5 o parte a caracteristicilor reprezentative ale unor dipozitive semiconductoare de putere.
PROBLEME
1. Probleme rezolvate
PR1. Cuplul dezvoltat de un
motor in cadrul unui sistem de actionare electrica este de forma 
, iar cuplul de sarcina este 
, unde a, b, si c, sunt constante reale pozitive. Se cere:
a). sa se gaseasca vitezele de echilibru;
b). determinati stabilitatea statica a punctelor de echilibru.
Rezolvare
: a). 
deci:
b). presupunem ca
are loc o crestere a vitezei masinii cu 10%, adica noua viteza va fi de 
. In aceste conditii, pentru ca punctele considerate sa fie static stabile, conform relatiei 1.18, variatia cuplului de sarcina
trebuie sa fie mai mare decat cea a cuplului masinii:
deci trebuie sa avem:
Punctul 1 va fi static stabil daca aceasta ultima relatie este verificata. Pentru al doilea punct vom avea:
rezulta ca si in acest caz, stabilitatea statica este strans legata de valorile constantelor, ele trebuind sa verifice ultima relatie.
PR2. Se considera sistemul de actionare din figura 1.15, pentru care se neglijeaza pierderile datorate frecarilor. Transmisia este realizata cu o curea si doua roti cu diametrele D1 = 0,08 m si respectiv D2 = 0,30 m. Randamentul transmisiei este de 93%. Momentul de inertie al motorului este Jm = 0,5 kgm2, iar momentele de inertie ale rotilor se neglijeaza. Lungimea tamburului este LT = 0,5 m, diametrul DT = 0,20 m, iar masa ridicata de 150 kg. Se cere:
a) sa se determine momentul de inertie al tamburului, stiind ca el este realizat din fier ( = 8600 kgm-3);
b) care este momentul de inertie total raportat la arborele motorului?
Rezolvare : a)
b)
PR3. Un motor electric de 3,5 kW are la incalzire o constanta termica de T=45 minute si atinge o supratemperatura final=40oC fata de temperatura mediului ambiant cand functioneaza continuu in plina sarcina. Ce putere va dezvolta motorul pe o durata de 15 minute, la sfarsitul careia, supratemperatura sa este de 40oC, daca temperatura initiala a motorului este egala cu temperatura mediului ambiant? Pierderile de putere se considera proportionale cu patratul puterii dezvoltate.
Rezolvare : solutia ecuatiei 1.47 este:
daca 
. Supratemperatura este proportionala cu pierderile de
putere. Deci:
rezulta:
PR4. Diagrama de incarcare a unei masini electrice ce trebuie sa actioneze o anumita sarcina este prezentata in figura urmatoare. Pentru a aplatiza aceasta diagrama de lucru, se utilizeaza un volant cu moment mare de inertie, montat pe arborele masinii. Cu cat se vor reduce pierderile, respectiv cantitatea de cadura degajata, daca caracteristica din figura este plata (exista doar o putere dezvoltata medie)? Se considera tensiunea retelei constanta, randamentele elementelor sistemului de actionare constante si independente de viteza si momentele de inertie de asemenea constante.
P
t
Rezolvare : cantitatea de caldura degajata este proportionala cu pierderile de putere, deci si cu patratul puterii dezvoltate de catre masina.
Utilizarea unui volant montat pe arborele motorului, ne conduce la:
Astfel, cantitatea de cadura degajata se va reduce cu:
PR5. Sa se determine constanta termica a motorului de curent continuu MFD 112.2, care are urmatoarele date: puterea nominala 11,1 kW, masa 86 kg si randamentul nominal de 85%. Masina functioneaza in serviciul S1, iar supratemperatura finala este final = 50oC
Rezolvare : Supratemperatura finala este direct proportionala cu pierderile de putere. Conform relatiei 1.54, avem:
Daca consideram o caldura specifica echivalenta pentru motor cechiv = 0,43 kWs/kgoC, atunci capacitatea termica va fi:
si rezulta:
ceea ce reprezinta aproximativ 15 minute si 44 secunde.
2. Probleme propuse
PP1. Cuplul dezvoltat de un
motor este 
, iar cel al sarcinii este forma 
, unde a, b, c,
d si e sunt constante reale pozitive. Se cere:
a) sa se gaseasca vitezele de echilibru;
b) ce relatie trebuie sa fie intre constante, pentru ca ambele valori de viteza sa fie pozitive?
c) analizati stabilitatea statica de functionare a punctelor de echilibru.
PP2. Calculati puterea pe care o poate dezvolta o masina ce lucreaza in serviciul S3, daca ea a fost proiectata sa functioneze in serviciul S1. Pentru seviciul S3, se considera durata de functionare de 10 minute si cea de repaus de 15 minute.
PP3. Sa se analizeze stabilitatea statica a punctelor de functionare din figurile urmatoare:
1.11. BIBLIOGRAFIE
1. Bose B.K., "Recent Advances in Power Electronics", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 7, nr. 1, Ian. 1992;
2. Bose B.K., "Power Electronics and AC Drives", Prentice-Hall, 1986;
3. Dubey G.K., Doradla S.R., Joshi A., Sinha R.M.K., "Thyristorised Power Controllers", Willey Eastern, 1986;
4. Dubey G.K., "Power Semiconductor Controlled Drives", Prentice-Hall, Inc., 1989;
5. Fransua Al., Magureanu R. "Masini si actionari electrice", Ed. Tehnica, 1986;
6. Fransua Al., Magureanu R., Tocaci M., "Masini si actionari electrice. Culegere de probleme, E.D.P.B., 1980;
7. Hoft, R.G., "Semiconductor Power Supplies", New York, Van Nostrand, 1986;
8. Kelemen A., Imecs, M., "Electronica de putere", E.D.P.B., 1983;
9. Kelemen A., "Actionari electrice", E.D.P.B., 1979;
10.Leonhard W., "Control of Electrical Drives", Spriger Ferlag, 1985;
11.Navrapescu V., "Referatele 1 si 2 de doctorat", Sept. 1994;
12.Ogata K., "Modern Control Engineering", Prentice-Hall, Inc., 1970;
13.Tunsoiu Gh., Seracin E., Saal C., "Actionari Electrice", EDPB, 1982.
