Principiul de functonare al unui chopper

PRINCIPIUL DE FUNCTONARE AL UNUI CHOPPER

Circuitele de comutatie ale unui chopper pot fi grupate astfel:

1.       Comutatie in sarcina. Curentul de sarcina care trece prin dispozitivul semiconductor de comandat (tiristor) fie devine zero sau este transferat unui alt tiristor in conductie;

2.       Comutatie fortata. Curentul prin tiristorul in conductie este fortat sa devina zero prin doua modalitati:

a)   Comutatia in tensiune, care presupune utilizarea unui condensator pentru aplicarea unei tensiuni inverse tiristorului, astfel incat acesta se stinge;

b)   Comutatia in curent, care presupune trecerea unui puls de curent invers prin tiristorul care se afla in conductie, iar atunci cand curentul rezultant devine zero, tiristorul se stinge.

A). Comutatia in tensiune

Un exemplu de circuit cu comutatie in tensiune a chopper-ului este prezentat in figura 3.8.

In figura 3.8 au fost folosite notatiile: T₁ si T₂ sunt tiristorul principal, respectiv auxiliar. De notat ca la puteri mici se pot folosi in loc de tiristoare, tranzistoare.

Exista doua circuite oscilante: inductivitatile L₀, L₂, condensatorul C, respectiv inductivitatea L₁ si condensatorul C. Diodele D₁, D₂ sunt folosite pentru stingerea tiristorului principal, iar dioda D preia curentul rotoric al masinii de curent continuu atunci cand tiristorul principal se blocheaza.

Fig. 3.8. Chopper cu comutatie in tensiune.

Etapele functionarii sunt urmatoartele:

1. La alimentare este conectat circuitul oscilant format din inductivitatea L₁ si condensatorul C. Se obtin relatiile:

(3.17)

Solutia este:

Din conditiile initiale:

(3.18.a)

Prin inlocuirea in relatia 3.17.c, se obtine:

(3.18.b)

(3.18.c)

si rezulta:

(3.19)

In figura 3.9 este redata variatia in timp a diverselor marimi care definesc functionarea chopper-ului comandat in tensiune.

Figura 3.10 arata cum variaza marimile: tensiunea si curentul condensatorului C.

Observatii

F   Dioda D₁ se opune schimbarii sensului curentului prin circuitul oscilant L₁C unde

Aceasta reprezinta etapa premergatoare comandarii tiristorului principal. S-au asigurat astfel, conditiile necesare stingerii acestuia.

a)

b)

Fig. 3.9. Forme de unda ale chopper-ului comandat in tensiune

a) tensiunea pe condensator; b) curentul prin tiristor.

c)

d)

Fig. 3.9. Forme de unda ale chopper-ului comandat in tensiune

c) tensiunea pe bobina; d) tensiunea la bornele masinii.

Fig. 3.10. Formele de unda ale tensiunii si curentului prin condensator.

2. Se comanda tiristorul T₁ la momentul 0: se stabileste astfel curentul i_A prin indusul masinii de c.c. Pentru o valoare mare a inductivitatii L se obtine i_A constant si tensiunea medie pe indus U_A egala cu tensiunea de alimentare U₀. Tiristorul T₂ este blocat (necomandat), dioda D₂ este blocata (potentialul anodului este negativ).

3. Se comanda tiristorul T₂ la momentul t_S: se inchide circuitul oscilant L₀, L₂, C si condensatorul C se poate descarca. (Sensul curentului I_C este T₂, C, L₀, L₂

(3.20)

solutia este:

(3.21)

cu conditiile initiale:

(3.22)

(3.23)

(3.24)

(3.25)

Rezulta:

iar din sistemul urmator se vor obtine constantele A₂ si respectivA₃

(3.26)

(3.27)

Se obtin solutiile finale pentru valoarea tensiunii si a curentului:

(3.28)

(3.29)

Tensiunea la bornele inductivitatii L₀

(3.30)

Observatii

F           Pentru valori ale inductivitatii L₀ mult mai mari decat valoarea inductivitatii L₂ la momentul t=t_S rezulta ca u_L0 este aproximativ egala cu 2U₀

F           Cand energia din condensator s-a transferat in L₀, L₂ tiristorul T₂ este blocat si conductia este preluata mai departe de D₂, reincarcandu-se condensatorul la valoarea 2U₀

F           Cand tiristorul T₂ a fost comandat, practic au fost puse in opozitie doua surse de tensiune de valori diferite: sursa de tensiune U₀ si condensatorul cu tensiunea 2U₀. Aceasta din urma va da nastere la un curent care va anula curentul principal prin tiristorul T₁, iar curentul din indusul motorului de curent continuu se va inchide prin dioda D.

B). Comutatia in curent

Figura 3.11 prezinta schema de principiu a unui chopper comandat prin comutatie in curent.

Fig. 3.11. Chopper cu comutatie in curent.

Tiristorul principal T₁ este comandat cu ajutorul unui circuit de comanda. Formele de unda ale marimilor de baza sunt redate in figura 3.12.

Condensatorul C este incarcat prin sursa U₀, condensatorul C, si rezistorul R. Tiristorul principal este comandat la momentul t=t₀. Terminalele sarcinii sunt conectate la sursa de alimentare, iar curentul de sarcina trece prin tiristorul principal T₁

La t=t₁, comutatia lui T₁ este initiata prin comandarea tiristorului auxiliar T₂. Un curent oscilant se va inchide prin circuitul C, T₂ , L.

Cand i_c isi schimba sensul la momentul t₂, tiristorul T₂ se stinge prin comutatie naturala, iar curentul oscilant i_C se inchide prin dioda D₂ si T₁. Prin tiristorul T₁ curentul circula in directie opusa si de aceea se produce descresterea curentului prin tiristorul principal T₁

La momentul t₃, i_C este egal cu i_T1, astfel incat tiristorul T₁ se stinge deoarece curentul care il parcurge devine zero. Cand curentul prin tiristorul principal T₁ scade catre zero, dioda D₁ incepe sa conduca curentul i_C-i_A si tiristorul T₁ se va mentine blocat.

La momentul t₄, i_C este egal cu i_A si i_D1 este zero. In acest moment, daca dioda de regim liber D n-ar avea sensul din figura 3.11, atunci curentul s-ar inchide prin sursa U₀, C, L, D₂ si sarcina.

La momentul t₅, dioda de regim liber D conduce datorita curentului prin sarcina i_A. Condensatorul C se va incarca prin circuitul oscilant format din condensatorul C si inductivitatea L: U₀, C, L, D₂, D; curentul i_C scade catre zero la momentul t₆ ceea ce duce la cresterea tensiunii pe condensator u_C mai mare decat U₀. Pe intervalul t₅, t₆, curentul i_A este egal cu i_C+i_D si de aceea, odata cu descresterea lui i_C, i_D va creste. De la momentul t₆ incolo, curentul prin indusul motorului i_A se inchide prin dioda D si incepe sa scada. Tensiunea pe condensatorul u_C scade prin rezistorul R.

La momentul t=T, tiristorul principal T₁ este comandat din nou, si ciclul se repeta.

Acest tip de chopper a fost dezvolat de Hitachi Electric Co., Japonia si a fost utilizat in actionarea din sistemele de tractiune electrica.

U0

U0

Fig. 3.12. Forme de unda la chopper cu comutatie in curent.

Avantaje

Comutatia este fiabila atata timp cat curentul de sarcina este mai mic decat curentul i_C

Condensatorul ramane intotdeauna incarcat la aceiasi polaritate;

Tiristorul auxiliar T₂ este comutat natural atunci cand curentul sau trece prin valoarea zero.

Alegerea componentelor de comutatie L si C

a) Valoarea maxima a curentului de comutatie este mai mare decat maximul anticipat pentru valoarea curentului de sarcina. De aceea:

(3.31)

unde:

b) Timpul de stingere t_q al circuitului este mai mare decat timpul de stingere t_OFF al tiristorului:

(3.32)

daca x = 2, atunci:

(3.33)

(3.34)

rezulta:

(3.35)

Comutatia in sarcina a unui chopper

In figura 3.13 este prezentat un chopper cu comutatie in sarcina. Chopper-ul are patru tiristoare care functioneza atat ca tiristor principal cat si ca tiristor auxiliar (de comutatie). Tiristoarele pereche T₁, T₂ si T₃, T₄ conduc alternativ curentul sarcinii (i_A

Fig. 3.13.   Chopper cu comutatie in sarcina.

Secventa de operare este redata in figura 3.14.

La momentul t=t₀, tiristoarele T₁ si T₂ sunt in stare de conductie. Anterior acestui moment, tensiunea pe condensator era negativa (u_C = - U₀) datorita conductiei perechii de tiristoare T₃, T₄. Tensiunea aplicata masinii U_A = U₀ - u_C va ajunge la valoarea 2U₀. Curentul de sarcina (al chopper-ului) se va inchide prin circuitul U₀, T₁, C, T₂ si indusul masinii de curent continuu.

La momentul t₁, tensiunea condensatorului devine +U₀. Dioda de regim liber D, incepe sa conduca, iar curentul de sarcina este transferat de la tiristoarele T₁, T₂ la dioda D.

La momentul T, cealalta pereche de tiristoare T₃, T₄ se va afla in conductie. Celorlalte tiristoare li se aplica prin intermediul condensatorului C, o tensiune inversa si apoi se sting. Ciclul de functionare se repeta.

Tensiunea care se aplica masiniii de curent continuu are amplitudinea variabila prin schimbarea frecventei de comutatie a chopper-ului. Pentru o sarcina constanta I_A, timpul de functionare activa a chopper-ului este dat de relatia:

(3.36)

(3.37)

Tensiunea aplicata masinii este:

(3.38)

La frecventa maxima f = f_max, se obtin relatiile:

(3.39)

(3.40.a)

(3.40.b)

Dezavantaje

Tensiunea maxima aplicata sarcinii este de doua ori valoarea tensiunii de alimentare, fiind necesare filtre de reducere a acestei valori;

La aplicatiile de mare putere, randamentul actionarii poate scadea datorita pierderilor de comutatie la mare frecventa si pierderilor din cele doua tiristoare aflate in conductie;

Dioda de regim liber trebuie sa fie de tip rapid, datorita aparitiei unei tensiuni mari intr-un interval de timp foarte scurt;

Este necesara prezenta unui circuit logic care sa asigure blocarea unei perechi de tiristoare cat timp celelalte tiristoare nu au iesit din starea de conductie.

Avantaje

Se poate comuta orice valoare de curent;

Nu este necesara o inductivitate de comutatie, care de obicei este costisitoare si produce zgomot magnetic;

Se poate opera la frecvente mari de ordinul kHz, astfel incat necesarul de elemente de filtrare a curentului motorului este minim.

MASINI DE CURENT CONTINUU ALIMENTATE DE LA CHOPPERE

Cea mai importanta utilizare a chopper-elor este controlul turatiei masinilor utilizate in sistemele de actionari industriale sau in sistemele de tractiune electrica.

Fig. 3.14. Forme de unda pentru chopper-ul cu comutatie in sarcina.

1. Analiza functionarii masinilor de curent continuu alimentate de la choppere

In figura 3.15 se prezinta circuitul de baza si formele de unda relevante pentru functionarea unei masini de curent continuu cu excitatie serie alimentata de la un chopper (Variator de Tensiune Continua).

Se presupune ca prin indusul masinii circula un curent constant i_A si ca turatia este de asemenea constanta. Ecuatiile de functionare sunt (t_ON dT

(3.41)

unde termenul al treilea al membrului drept al ecuatiilor reprezinta tensiunea electromotoare indusa, iar cel de-al patrulea reprezinta caderea de tensiune datorata magnetismului rezidual.

In regim stabilizat, curentul va avea valoare minima in momentul cand chopper-ul este inchis, ceea ce inseamna ca , iar . Solutia pentru I_A este:

(3.42)

unde:

(3.43)

Se obtine:

(3.44)

(3.45)

si rezulta:

(3.46.a)

(3.46.b)

In cazul unui curent discontinuu prin indus I_min = 0, rezulta:

(3.47)

Pentru a gasi momentul t = t_m cand curentul devine zero, se inlocuieste valoarea lui I_Amax in expresia curentului prin indus i_A care este egalata cu zero:

(3.48)