Redresor monofazat comandat cu tiristor pentru sarcină RLE — principiu de funcționare

Redresarea convertește o sursă de tensiune AC sinusoidală oscilantă într-o sursă de tensiune DC de curent constant prin intermediul diodelor, tiristoarelor, tranzistoarelor sau convertoarelor. Acest proces de redresare poate lua mai multe forme cu redresoare mono-alternanță, bi-alternanță, necontrolate și complet controlate, care transformă alimentarea monofazată sau trifazată într-un nivel DC constant. În continuare vom pune accent pe redresorul monofazat comandat cu tiristor (semi-comandat sau complet comandat) pentru sarcină RLE (rezistenţă - inductanță - sursă de tensiune), explicând principiul de funcționare, topologiile uzuale, efectele inductive ale sarcinii și rolul filtrării.

Schema bloc şi elementele constructive

Redresoarele se construiesc pe baza schemei clasice, de redresor cuplat la reţea prin transformator, sau fără transformator şi a cărui funcţionare se bazează pe transformarea multiplă a energiei electrice. Pentru început, să analizăm schema tradiţională, care se compune din următoarele: T - transformator ridicător sau coborâtor de tensiune, în funcţie de raportul dintre tensiunea la ieşirea sursei de alimentare şi tensiunea reţelei; R - grup redresor, care serveşte la transformarea curentului alternativ în curent continuu (de sens unic); F - filtru pentru netezirea pulsaţiilor tensiunii redresate; ST - stabilizator de tensiune continuă, care asigură valoarea constantă a tensiunii de ieşire la variaţia rezistenţei sarcinii, a tensiunii de alimentare etc.

Partea principală a dispozitivului este grupul redresor, ce conţine un grup de elemente neliniare, cu conducţie unilaterală (într-un singur sens). Ca dispozitive redresoare, la sursele de alimentare de putere mică se folosesc de obicei diodele cu siliciu şi, mai rar, cele cu germaniu. În cazul redresoarelor comandate se folosesc tiristoarele (SCR) ca elemente de comutaţie cu comandă de fază.

Topologii monofazate: cu nul şi în punte

Să analizăm funcţionarea redresorului monofazat cu punct de nul al transformatorului. Când polaritatea tensiunii alternative este cea indicată, pe dioda Dl se aplică tensiunea directă (plus la anod, minus la catod). Dioda Dl conduce curentul ia, care se închide prin sarcina RS şi semi-înfăşurarea superioară a secundarului transformatorului. În a doua semiperioadă, datorită schimbării polarităţii tensiunii alternative în înfăşurările secundare ale transformatorului, se deschide dioda D2 şi pe sarcină se aplică tensiunea semi-înfăşurării inferioare. În continuare, lucrurile se repetă periodic şi, prin deschiderea succesivă a diodelor, tensiunea ud constă din semisinusoide pozitive care se succed.

În schema în punte, pentru semiperioada pozitivă a tensiunii electromotoare e2 curentul redresat trece prin dioda Dl, sarcina R şi dioda D4, diodele D3 şi D2 fiind polarizate invers. Prin schimbarea polarităţii tensiunii alternative se deschid diodele D2 şi D3, însă curentul în sarcină îşi menţine sensul anterior. Schema în punte asigură faptul că tensiunea pe sarcină repetă forma tensiunii în secundar, e2, în cazul sarcinii pur active, şi dă o tensiune medie de ieşire mai mare decât schema cu nul.

Redresor semi-comandat cu tiristoare - transformarea într-un circuit controlabil

Prin înlocuirea diodelor într-un redresor cu punte monofazat cu tiristoare, putem crea un redresor AC-to-DC controlat în fază pentru a transforma tensiunea de alimentare constantă AC într-o tensiune de ieşire DC controlată. Redresoarele comandate prin fază, fie semi-controlate, fie complet controlate, au multe aplicații în sursele de alimentare cu tensiune variabilă şi controlul motorului.

Redresorul în punte semi-comandat bi-alternanță se obţine când două diode rămân necontrolate şi două elemente sunt înlocuite cu tiristoare. În acest mod, se poate controla unghiul de comandă α al tiristoarelor, astfel se controlează momentul din semiperioadă în care tiristorul devine conductor şi, prin urmare, valoarea medie a tensiunii redresate la bornele sarcinii.

Controlul de fază al tiristoarelor permite reglarea tensiunii medii de ieşire în intervalul de la valoarea minimă (când tiristoarele rămân blocate) până la valoarea maximă (când sunt comandate foarte devreme în semiperioadă). În plus, la sarcina RLE (rezistor - inductanţă - sursă de tensiune) inductanţa determină conservarea curentului şi influenţează forma curentului redresat, făcând necesară analiza regimului tranzitoriu şi a regimului staţionar cu comutare.

Particularităţile sarcinii inductive (RLE)

Dacă în circuitul sarcinii există o inductanţă (Lj ≠ 0), ea se opune variaţiei curentului în sarcină şi acesta nu reuşeşte să urmărească tensiunea ud, astfel încât curentul Id se va netezi. Când inductanţa este mare datorită pulsaţiilor mici, curentul în sarcină poate fi considerat constant (netezire totală), caz în care transmiterea puterii active în sarcină de către componentele alternative ale curentului lipseşte. În acest regim, curentul prin diode sau tiristoare capătă forma impulsurilor dreptunghiulare.

Tensiunea pe sarcină, ud, este constantă ca sens, dar nu este constantă ca mărime. Pulsaţia tensiunii, adică variaţia acesteia, atestă existenţa unei componente variabile în curba tensiunii redresate şi indică faptul că redresarea este incompletă. Se poate considera că, pe sarcină, acţionează tensiunea constantă Ud, distorsionată de componenta alternativă Up. Caracteristica de bază a tensiunii redresate este valoarea medie.

Consecinţe ale comenzii în fază pentru sarcină inductivă

În redresoarele comandate cu sarcină inductivă, curentul nu se opreşte imediat la schimbarea polarităţii tensiunii, ceea ce poate produce conducere continuă a tiristoarelor pe durata unor intervale mai lungi decât semiperioada, fenomen care trebuie tratat prin proiectare (de exemplu protecţii de curent, circuite de commutare forţată etc.). De asemenea, la comanda cu unghi α mare pot apărea tensiuni inverse impulsive pe tiristoare sau pe diodele necontrolate, deci alegerea elementelor de putere se face în funcţie de valori maxime ale tensiunii inverse şi ale curentului de vârf.

Filtre pentru redresoare şi netezirea tensiunii

La ieşirea grupului redresor se cuplează un filtru, care are rolul reducerii componentei alternative Up. Componenta utilă constantă, Ud, trebuie să fie transmisă în sarcină pe cât posibil fără pierderi. Cele mai utilizate sunt filtrele de netezire de tipul L, LC, C şi RC. Prin cuplarea filtrelor, se formează filtre multiple: LC-LC, C-... Mărimea caracteristică a unui filtru este factorul de netezire, egal cu raportul factorilor de ondulaţie la intrarea, respectiv la ieşirea filtrului.

Filtrele capacitive sunt folosite adesea când sarcina consumă curenţi relativ mici. La cuplarea redresorului cu filtru capacitiv, tensiunea pe condensator şi pe sarcină ud creşte de la o perioadă la alta. Când e2 > ud dioda se deschide şi condensatorul se încarcă cu un curent de impuls; când e2 < ud, dioda se blochează şi condensatorul se descarcă parţial pe sarcină. Pe măsura creşterii tensiunii ud, durata impulsului de curent de încărcare a condensatorului se micşorează, iar timpul de descărcare se măreşte, iar după un timp ud oscilează în jurul valorii medii Ud stabilizate.

Calculul elementelor şi alegerea componentelor

Calculul schemei de redresare în punte permite să se aleagă tipul diodelor sau tiristoarelor şi să se determine parametrii transformatorului pe baza parametrilor cunoscuţi ai sarcinii. Se neglijează pierderile în bobina de netezire, în diode/tiristoare şi în transformator şi se consideră curentul sarcinii ca fiind netezit ideal. Valoarea maximă a curentului elementelor de comutaţie în cazul netezirii ideale este egală cu valoarea curentului de sarcină. La schema în punte, valoarea amplitudinii tensiunii inverse pe diode/tiristoare poate fi calculată pe baza topologiei şi a modului de cuplare a transformatorului.

De exemplu, pentru calculul unui redresor monofazat în punte cu filtru C s-au utilizat coeficienţi determinaţi grafic (B, D, F, H) în funcţie de parametrul A = π/2RS·... care permit stabilirea amplitudinii tensiunii inverse, a curenţilor de vârf şi a capacităţii necesare a condensatorului, C. În practică, dimensionarea tiristoarelor include verificarea curentului mediu, curentului de vârf (impuls) şi tensiunii inverse maxime Uinv.

Sisteme semi-comandate practice: exemplu de încărcător inteligent

Un exemplu aplicativ: un încărcător pentru 12 V/24 V cu schimbare automată şi indicarea stării foloseşte o punte semicomandată alimentată dintr-un transformator cu priza mediană. Cu ajutorul unui releu se trece ca redresor cu toate cele patru elemente (pentru 24 V decuplând mediana) sau rămân active doar două tiristoare (pentru 12 V). IC-ul TCA785 este un controller de tiristoare, triace sau tranzistoare cu control de fază, iar controlul tensiunii şi curentului se face cu ajutorul amplificatoarelor operaţionale. Acest tip de soluţie realizează încărcare după caracteristica I-U, adică curent constant la început după care trece în tensiune constantă, oferind un comportament "inteligent" al încărcătorului.

Avantaje şi limitări ale redresoarelor comandate

• Controlul unghiului de comandă al tiristoarelor permite reglarea tensiunii şi curentului la ieşire fără transformări mecanice.
• Se pot obţine caracteristici de încărcare constante (I-U) utile pentru acumulatori şi aplicaţii de alimentare variabilă.
• În cazul sarcinii inductive, curentul netezit reduce componentele alternative ale puterii active, dar impune atenţie la comutare şi protecţie.
• Necesită dispozitive capabile să suporte tensiunile inverse şi curenţii de vârf - dimensionare corectă a tiristoarelor şi a diodelor paralele/necontrolate.
• Filtrarea după redresare (C, L, LC) este esenţială pentru obţinerea unei tensiuni DC cu reprisuri mici.

Aspecte practice de proiectare

La utilizarea transformatorului (la schema cu nul utilizarea acestuia este indispensabilă, pe când la schema în punte el poate lipsi) este necesară cunoaşterea puterii calculate a înfăşurărilor acestuia. La schema în punte, valoarea efectivă a curentului în înfăşurarea secundară se determină în funcţie de curentul de sarcină şi de forma curentului (impulsuri). Pe baza valorilor Ud şi Uinv, se aleg diodele şi tiristoarele necesare.

La tensiuni de ieşire relativ mici, când important este randamentul schemei (de exemplu, când Ud < 50…100 V), iar tensiunea inversă aplicată pe diode/tiristoare nu prezintă importanţă, este de preferat schema cu nul, la care curentul în sarcină trece printr-o singură diodă şi, din această cauză, pierderile sunt de două ori mai mici. În multe alte situaţii, este preferată schema în punte, la care, atunci când există transformator, acesta este mai simplu şi puterea necesară este mai mică, pentru că în înfăşurarea secundară curentul circulă pe durata întregii perioade.

Tabel: comparaţie sumarizată a topologiilor monofazate

Observaţii finale (fără secţiune de concluzie)

Redresorul monofazat comandat cu tiristor pentru sarcină RLE oferă posibilitatea de reglaj fin al tensiunii de ieşire prin controlul unghiului de comandă α al tiristoarelor, dar impune o atenţie sporită la efectele inductive ale sarcinii, la curenţii de impuls şi la tensiunile inverse aplicate componentelor de putere. Proiectarea corectă implică calculul transformatorului (dacă este prezent), alegerea tiristoarelor şi condensatoarelor de filtrare conform curenţilor de vârf şi a factorului de ondulaţie dorit, precum şi implementarea protecţiilor la supracurent şi la supratensiuni.

tags: #redresor #monofazat #comandat #cu #tiristor #cu

Postări populare:

• Simptomele durerii pelvine în sarcină și cum să le gestionezi
• Impactul etapelor de dezvoltare embrionară asupra personalității umane
• CVS în sarcină: procedură, riscuri și rezultate explicate
• ghid complet despre scutece lavabile
• Impactul automatizării asupra locului de muncă: tușele mari ale tendințelor tehnologice