|
|
|
1.1.Definitii si clasificari
D : Convertoarele electromagnetice sunt circuite electronice de putere avand functia de a modifica parametrii energiei electrice (valori ale tensiunii, curentului, frecventei sau numarului de faze ) in scopul transferului controlat de putere intre sursa si receptor.
Au in componenta rezistoare, condensatoare electrice, inductante, transformatoare si elemente de comutatie.
D : Procesul de comutatie consta in transferul curentului electric dintr-o ramura de circuit in alta.
Pe durata comutatiei ambele ramuri ale circuitului sunt parcurse de curent electric in conductie intr-o ramura curentul scade, iar in cealalta curentul creste
Comutatoarele electronice aspira procesul de comutatie, avand in componenta unul sau mai multe dispozitive de cicruit de tipul dioda, tranzistor, tiristor, triac ,s.a.
In figura 1.1.esteexemplificat procesul de comutatie al curentului din ramura notata cu (1) in ramura notata cu(2) in conditiile I = constant
Se considera momentul to al conductiei
t< to K1=inchis,K2=deschis , i1=IS
tO < t < tO + DtC K1,K2=inchise, i1+i2=IS
t > tO K1=deschis,K2=inchis, i2=IS
Transferul curentului se considera ca are loc datorita tensiunii VC - numita de comutatieVC=V1-V2 , care determina un curent (conform teoremei curentilor ciclici )
ic=i1-i2
Scriind teorema a doua a lui Kirchoff in prin care circula curentul ic, avem ecuatia
(R1+R2) ic + (L1+L2) dic dt = Vc T ic(t),
care determina variatia curentului de comutatie (unde R1,L1 sunt elemente ale Z1)
Graficul din figura 1.1.b este determinat pe baza relatiilor
I1=ic , i2=I-ic
Observatie: Se constata faptul ca cresterea tensiunii de comutatie determina scaderea intervalului Dtc in care se anuleaza curentul de comutatie (adica in care curentul se transfera din ramura 1 in ramura 2 ).
Daca circuitele exterioare CE (sursa sau sarcina) nu pot furniza tensiunea de comutatie circuitului electric dintr-o ramura in alta a circuitului, atunci in componenta CE se vor gasi elemente acumulatoare de energie (condensatori si uneori inductante) care sa furnizeze tensiunea amintita.
CE sunt cu comutatie naturala daca tensiunea de comutatie este furnizata de sursa de energie (ca diferenta a tensiunilor dintre fazele tensiunii de alimentare).
Daca tensiunea de comutatie este asigurata de sarcina din exterior (spre exemplu cand sarcina este o masina electrica ) spunem ca avem un CE cu comutatie de la sarcina.
In general daca tensiunea de comutatie este exterioara CE (sursa sau sarcina) avem CE cu comutatie externa.
In cazul cand CE are in componenta elemente care sa furnizeze tensiunea de comutatie, comutatia se spune ca este fortata, iar CE este cu comutatie proprie.
Clasificare 1:
D.p.d.v. al modului in care se obtine tensiunea de comutatie CE pot fi:
fara comutatie - cand dispozitivele ies din conductie datorita acumularii tensiuni de alimentare
cu comutatie externa si anume :
- de la retea
- de la sarcina
cu comutatie fortata.
Clasificare 2:
D.p.d.v. al conversiei CE pot fi:
redresoare-primesc la intrare (de la sarcina) o tensiune de curent alternativ si stabileste la iesire o tensiune a carei componenta medie este nenula ;
Invertoare - primesc la intrare energie de curent continuu si determina la iesire una sau mai multe tensiuni de curent alternativ cu frecventa fixa sau ajustata
variatoare de tensiune continua-modifica valoarea tensiunii de curent continuu la iesire in raport cu intrare
variatoare de tensiune alternativa-modifica valoarea efectiva a tensiunii de la iesire in raport cu tensiunea aplicata la intrare, fara a afecta frecventa
convertoare de curent alternativ-primeste la intrare una sau mai multe tensiuni cu o frecventa data si furnizeaza si furnizeaza la iesire una sau mai multe tensiuni de curent alternativ cu frecventa precizata (alta decat frecventa sursei de alimentare) sau frecventa ajustabila.
1.2. Elemente de comutatie
Tiristoarele se realizeaza in urmatoarele tipuri principale :
(1)- Tiristoare pentru aplicatii la frecventa
retelei
(2)- Tiristoare pentru Invertoare
(3)-Tiristoare cu blocare asistata de poarta (ASCR)
(4)-Tiristoare asimetrice
(5)-Tiristoare cu conductie inversa (RCT)
(6)-Optotiristoare
(7)-Tiristoare cu blocare pe poarta (GTO)
In continuare sunt comentate principalele caracteristici cu referire la utilizarea acestora ca elemente de comutatie.
(1) Tiristoarele pentru aplicatii la frecventa retelei - sunt utilizate in circuite la care blocarea se efectueaza prin comutatie naturala.
Au o viteza redusa de comutatie ceea ce face ca sa aiba o cadere mica de tensiune in conductie.
VT 2,3 V la T1=125 C
Exemplu: T 212 IPRS
IT=200 A-450 A ;VRRM=1200 V; VGT=3 V; IGT=0.3 A
dv dt=50-1000 V ms ; U dt=50 A ms ;t=15ms; tq =300 ms
Curenti-sens direct
IT=5-3000 A
Tensiunea inversa maxima
VDRM=VRRM 4KV
Tensiunea pe poarta pentru amorsare
VGT 3V
la curenti IGT 1A
(2)Tiristoarele pentru Invertoare - sunt utilizate in circuite alimentate cu tensiune
continua, motiv pentru care se construiesc cu timpi de blocare mici
tq=5-50ms
IT<1500 AVT 1200 V blocarea in direct pentru tensiuni mai mari VBO 2500 V
(3)-(4)Tiristoarele asimetrice si tiristoarele cu blocare asistata de poarta - au posibilitatea de a bloca numai tensiunea aplicata la polarizarea directa
VDRM=VBO 2 KV , cu IT 400 A
La polarizarea inversa VAK<0 tensiunile de blocare au valori mici.
Asistarea pe poarta consta in aplicarea unui impuls magnetic pe poarta IGT 1 A (VGT=-4-8 V) pe momentul cand T trece din conductie in blocare
Tiristoarele asimetrice au capacitatea unica de blocare a tensiunii inverse
VBO Vdrm 2KV, IT 400mA
(5)Tiristorul cu conductie inversa - are la polarizarea directa caracteristicile de la polarizarea inversa ale unei diode in conductie. Sunt de frecvente mari 20KHz
(6)Optotiristorul - poate fi amorsat prin iluminare de la un LED care are l=0.85-1mm .Rolul grilei este jucat de fibra optica pe care se transpune lumina.
IT 1500A , VDRM=VRRM 4KV
Puterea optica 0.2 mW nu poate fi asigurata de un LED
dv dt=1500-2000 V ms , di dt = 250 A ms
(7)Tiristorul cu blocare pe poarta (GTO)
Amorseaza prin semnal poarta pa poarta. Se blocheaza cu semnal negativ pe poarta (chiar daca VAK > 0) .Necesita putere mult mai mica decat cea necesara pentru un tiristor.
VT=1.9 V la IT=500 A T=125 C
IGT=250 mA la VD=6 V t=12 ms
Tensiunea de strapungere poate atinge 15 V
VT=2V
VDRM=4500 VIT=2000 A
tq toff=30ms
IGT=0.8 A ;t=10ms ; tensiunea de strapungere = 16 V
1.3. Regimul termic al elementelor de comutare
In cataloage este indicata limita superioara de functionare a dispozitivului semicoductor ,cu referire la temperatura jonctiunii (Tj max= 100-150 C)
Ti<Tj max
Calculul privind temperatura jonctiunii se efectueaza pe baza rezistentelor termice ce intervin intre jonctiune si mediul ambiant.
Rezistenta termica Rtuj-a reprezinta puterea totala medie disipata Pt intr-o perioada de dispozitiv pentru ca temperatura jonctiunii sa fie cu un grad mai mare ca Ta.
Rtuj-a=Pt DT; DT=Tj - Ta
Daca intre mediul ambiant si jonctiune se interpun si alte elemente, rezistenta totala se calculeaza : Rtuj-a =Rtuj-c+Rtuj-r+Rtuj-a
Deci temperatura jonctiunii se calculeaza cu relatia
Tj=Ta+DT=Ta+Rtuj-aPt < Tj max
Puterea medie disipata poate fi scrisa
Pt=Wi fo
Wi- energia totala pe impuls de curent
fo-frecventa
Regimul intermitent - este caracterizat printr-o perioada de pauza in functionarea tiristorului cand jonctiunea se raceste pana la Tju.
In aceasta situatie trebuie sa se ia in consideratie capacitatea elementelor jonctiunii j-a de inmagazinare a caldurii CKj ; motiv pentru care schema echivalenta termica a tiristorului devine
fiecare element al jonctiunii fiind caracterizat printr-o impedanta capacitiva(Rtuj-c,Ctuj)
Cresterea de temperatura va fi in acest caz
DT= Rtuj-aPdW + (Pd - PdW)Ztuj-a
PdW-puterea medie disipata in timpul de functionare
PdW=tf to Pd
Pd-puterea maxima disipata de impuls la functionare
Tj =DT + To < Tj max
In cataloage este indicata valoarea Ztuj-c pentru diferite perioade , nefiind aceeasi pentru toate tipurile de conductie ale tiristorului.
q = 2 tt to
Criterii pentru alegerea diodelor si tiristorilor
Tiristoarele si diodele se dimensioneaza la valoarea curentului ce le strabate.
PT=UT IT= K IT
PR = R I2j=Kij2
Pentru diode si tiristoare IT mediu< ITAV
Tensiunea maxima calculata VRRM se ia de doua ori mai mica decat tensiunea inversa
Vinv < (1,5---2V) VRRM
Timpul de revenire cat mai mic
Se verifica la puterea medie disipata, introducand un radiator
