VARIATOARE DE CURENT ALTERNATIV
Variatoarele de c.a. permit modificarea valorii medii a tensiunilor de
ieire, frecvena tensiunilor de ieire fiind aceeai cu a tensiunilor de intrare. Ele
pot fi realizate cu ventile ionice, tiristoare, triacuri i fototiristoare, deosebindu-se
variatoare de c.a. monofazate si trifazate.VARIATOARE DE c.a. MONOFAZATEPentru analiza fenomenelor care au loc la variatoarele de c.a. monofazate
se va considera: un variator de ca. monofazat cu ventile ideale, legate n
antiparalel (fig.1); tensiunea de alimentare sinusoidal; parametrii sarcinii R, L
constani. Ventilul V1 este comandat cu un ir de impulsuri, cu perioada 2pi i
defazate fa de tensiunea U1 cu unghiul (unghiul de comand), iar ventilul V2
cu un ir de impulsuri cu perioad 2pi i defazat fa de primul ir de impulsuri
cu pi . Dispozitivul de comand DC permite modificarea unghiului de la 0 la
pi
Ecuaia diferenial a circuitului este:
Soluia ecuaiei (2.1) corespunztoare intervalului t[ B] este:
Fig.2 Variatoare de c.a. monofazate: schema (a), formede und (b,c,d)
unde:
Pentru cazul unei sarcini pur rezistive ( =0)
iar pentru sarcin pur inductiv;
Ventilul V1 se blocheaz n momentul trecerii curentului prin 0 unghiul de blocare 1B rezultnd din relaia:
Soluiile ecuaie sunt date n figura 3.Dac unghiul de conducie = B- ) al ventilului v1este < pi atunci la
aplicarea impulsului de comanda ventilului V2acesta poate trece n stare de
conducie, ventilul V1aflnduse n stare de conducie,numai dup blocarea
impulsului V1 dac impulsul de comand aplicat ventilului V2 are o lime
Ct timp unul din ventile conduce, cellalt nu poate fi trecut n stare de
conducie, din cauza tensiunii anod-catod negative.
Variatoarele de c.a. monofazate funcioneaz, de obicei, cu
Fig.4. Graficul med=f( ) pentru cazul sarcinii pur resistive i
dependena Vm1 i V10 n funcie de unghiul de comand
Raportnd valoarea medie a tensiunii u2, la valoarea medie maxim U20med ( =0), rezult:
De asemenea se obine:
La modificarea unghiului de comand, curentul de sarcin este dis-
torsionat. Coninutul n armonici a curentului de sarcin depinde de unghiul de
comand. n figura 4 este dat dependena amplitudinii armonicii fundamentale,
raportat la valoarea maxim i a fazei armonicii de baz n funcie de unghiul de
comand.
Din figura 4, rezult c exist un defazaj al armonicii fundamentale a
curentului, pentru a # 0, chiar pentru cazul sarcinii pur rezistive, defazaj care
crete odat cu creterea unghiului de comand. Datorit acestui defazaj, apare o
putere reactiv, numit putere reactiv de comand..
Armonicile superioare ale curentului de sarcin produc perturbaii sup-
rtoare n funcionarea canalelor de telecomunicaii, a aparatelor electronice de
msurat i control sau a altor echipamente din vecintate. Pentru evitarea acestor
perturbaii, se recomand ca variatoarele de c.a. cu puteri mai mari de 250 W, s
fie prevzute cu filtre pentru reducerea armonicilor.
Circuitul energetic al variatoarelor de ca. poate avea una din structurile
prezentate n figura 5.
Variatorul de c.a. cu dou tiristoare n antiparalel (fig. 5. a) are o
structur simpl, dar prezint urmtoarele dezavantaje:
- necesit dou dispozitive de comand izolate galvanic ntre ele;
- n cazul apariiei unei supratensiuni dinspre reea sau din cauza sarcinii,
exist pericolul distrugerii
Fig.5 . Structura circuitului energetic al variatoarelorde c.a.
tiristoarelor. n adevr, dac la apariia unei supratensiuni, tiristorul care este
polarizat direct nu amorseaz ca urmare a depirii tensiunii de basculare de nul,
sau prin efect du dt, cellalt tiristor se poate strpunge. Schema din figura 5. b, are
avantajul c folosete un singur tiristor, n schimb, nu permite reglarea puterii
dect n domeniul: Pmax/2-Pmax n plus, reglarea puterii este nsoit de apariia
unei componente continue a curentului, a crei valoare este cu att mai
pronunat cu ct unghiul de comand al tiristorului este mai mare.
n figura 5.c, este reprezentat circuitul energetic al unui variator de c.a. la
care catozii tiristoarelor sunt legai direct, iar fiecare tiristor are montat n
antiparalel, cte o diod. Prezena diodelor n antiparalel nu permite apariia unor
tensiuni inverse pe tiristoare i deci asigur protecia tiristoarelor la
supratensiuni. Un alt avantaj al schemei este acela c permite utilizarea unui
singur dispozitiv de comand, deoarece tiristoarele au catodul comun.
Schema unui variator de c.a. cu un singur tiristor montat n braul unei
puni cu diode este dat n figura 5 d. Un dezavantaj al schemei este acela c, la
funcionarea variatorului cu sarcina rezistiva inductiv, n momentul ieirii din
conducie a tiristorului. pe tiristor apare brusc tensiunea sursei, cu valoarea
instantanee corespunztoare momentului blocrii tiristorului . Tiristorul abia ieit
din conducie, poate amorsa la o valoare a lui du/dt mai mic, dect dac ar face
parte din structura unui variator cu dou tiristoare. Schema cu tiristor montat n
braul punii cu diode are i neajunsul
Fig.6. Comanda tiristoarelor prin foto tiristoare
c, la funcionarea cu sarcin rezistiv-inductiv, poate avea loc i pierderea
controlului asupra comenzii tiristorului, acesta rmnnd n conducie tot timpul.
Variatoarelor de c.a. pot fi realizate i cu triacuri (fig. 5.c) triacul fiind un
element semiconductor care ndeplinete funcia a dou tiristoare n antiparalel.
De asemenea, se construiesc variatoare de c.a. cu fototiristoare (fig.5.f),
fototiristoarele prezentnd avantajul de-a mbina rolul de traductor lumin-curent
i element de comutaie. Pentru comanda unor puteri mai mari dect acelea pe
care le pot controla fototiristoarele, se construiesc variatoare de c.a. cu tiristoare
comandate prin fototiristoare. n funcie de modul de legare a fototiristorului cu
tiristorul de putere, grupa de clemente poate ndeplini funcia unui ventil normal
nchis (fig. 6, a) sau de ventil normal deschis (fig.6. b).
Din punctul de vedere al cderii de tensiune pe ventile, cea mai mic
cdere de tensiune o au schemele din figura 5, a, 5,b i cea mai mare schema din
figura 5.e.f
Structura dispozitivului de comand DC al variatoarelor de c.a. depinde
de natura ventilelor (tiristoare, triacuri), de destinaia variatorului i de regimul
de funcionare.
n funcie de modul n care se modific mrimea de intrare a dispoziti-
vului de comand, variatoarele de c.a. pot ndeplini funcia de comand manual
sau automat a tensiunii sau curentului din circuitul energetic sau funcia de
reglare a tensiunii sau curentului .
Triacul
1. Descriere i funcionare
Triacul sau tiristorul bidirecional este o structur de ase straturi care
delimiteaz cinci jonciuni fig.1.a. n loc de anod i catod se ntlnesc dou
terminale notate cu T1 i T2. Schema echivalent conine dou tiristoare conectate
n antiparalel i comandate de un electrod de comand unic, notat cu G, fig.1.b.
Tiristorul Thi este format din regiunile p1n1p2n2 iar tiristorul Th2 din regiunile
p2n1p1n4. Grila este conectat la regiunile n3p2.
Fig.7.
Dac terminalul T2 se polarizeaz pozitiv fa de T1, iar poarta tot pozitiv
atunci structura se comport la fel ca un tiristor convenional, format din
straturile p1n1p2n2. Sensul de circulaie a curentului principal, IT, i a curentului de
comanda, IG, este indicat n fig. 8.a cu linie continu i respectiv ntrerupt.
Fig.8.
Dac terminalul T1 se polarizeaz pozitiv fa de T2 iar poarta negativ
atunci structura se comport ca o structur cu ase straturi cu emitor auxiliar n
circuitul electrodului de comand. Terminalul T1 constituie anodul structurii
principale (de tiristor) p2n1p1n4, iar jonciunea n3p2 constituie emitorul auxiliar
polarizat direct de tensiunea de comand. Sensul de circulaie a curentului
principal, IT, i a curentului de comand, IG, este indicat n fig. 8.b cu linie
continu i respectiv ntrerupt. n acest caz structura se comport ca un tiristor
orientat invers fa de primul caz i comandat prin impulsuri negative aplicate pe
poart.
Caracteristica static a triacului, corespunztoare celor dou moduri de
funcionare (n cadranul I i III) este dat n fig.9.a iar modul de reprezentare
simbolic n fig.9.b. Deoarece curentul principal din structur influeneaz
curentul de comand injectat prin electrodul de poart, amplitudinea curentului IG
necesar pentru amorsare este diferit de la un mod de funcionare la altul. n
cazul n care cei doi cureni circul n aceiai sens (spre terminalul T1)
sensibilitate la comand este mare, curentul cerut pentru amorsare fiind redus.
Daca ns cei doi cureni sunt de semne contrarii, sensibilitatea la comand este
mic.
Fig.9.
Spre deosebire de tiristor, triacul poate fi amorsat cu semnal att pozitiv
ct i negativ, aplicat n grila, n raport cu oricare dintre cei doi electrozi,
indiferent de polaritatea tensiunii UT1T2 aplicat la un moment dat.
Majoritatea caracteristicilor i parametrilor definii pentru tiristoare
rmne valabil i pentru triac, cu precizarea c triacul are performane dinamice
(dI/dt, dU/dt, tq ) n general mai slabe dect ale tiristorului.
Triacul este folosit n circuitele de reglare i comand a puterii n
circuitele de curent alternativ i joas frecven, iar circuitele integrate utilizate
pentru comanda tiristoarelor pot fi utilizate i pentru comanda triacelor.
Principiul comenzii prin control de faz a unui triac este prezentat n
fig.4, unde impedana de sarcin Zs este alimentat de la o tensiune alternativ u,
prin intermediul unui triac. Circuitul de comand, realizat sub form integrat,
genereaz cte un impuls de comand dup fiecare trecere prin zero a tensiunii u,
fig.10.b. Intervalul de timp considerat ntre momentul anulrii tensiunii de
reea i apariia impulsului de comand se numete unghi de comand i este
notat cu a. Acest unghi este reglabil, iar valoarea sa poate fi modificat ca i n
cazul tiristoarelor modificnd tensiunea aplicat din exterior la terminalul
comand faz impuls" al circuitului de comand.
Fig.10.
Forma tensiunii aplicate impedanei de sarcin este dat n fig.10.b. n
particular, dac = 0 impulsurile de comand sunt emise la fiecare trecere prin
zero a tensiunii de reea iar tensiunea aplicat impedanei de sarcin este identic
cu cea de intrare, u.
Diacul
Diacul (Diode Alternative curent switch) este un dispozitiv de mic
putere asemntor ca structur cu triacul dar lipsit de electrod de comand,
fig.11.a. El poate fi considerat ca o grupare de dou diode pnpn n montaj
antiparalel, fig.11 .b.
Fig.11.La aplicarea unei tensiuni UTT cu polaritatea pozitiv pe terminalul T2
jumtatea din dreapta a structurii este polarizat direct iar diacul va intra n
conducie dup ce aceast tensiune va depi valoarea UBO caracteristica curent -
tensiune avnd forma din fig.11.e, cadranul I. Atunci cnd polaritatea tensiunii
UT2T1 se inverseaz (polaritatea pozitiv pe terminalul T1) jumtatea din stnga a
structurii este polarizat direct iar diacul va intra n conducie n sens invers,
dup ce aceast tensiune va depi valoarea -UBO, rezultnd ramura simetric a
caracteristicii din cadranul III, fig.11.c. Din analiza modului de funcionare
rezult c diacul este o component electronic cu conducie bilateral, care se
deschide de la sine atunci cnd tensiunea dintre bornele sale devine suficient de
mare n valoare absolut. Dup intrarea n conducie a unui diac, acesta va putea
fi adus din nou n starea de blocare prin aducerea la zero a tensiunii UT2T1.
El este un dispozitiv de mic putere, avnd tensiuni UB0 =(2842) V
i cureni nominali de civa zeci de miliamperi. Reprezentarea simbolic
a diacului este dat n fig.11.d. i difer de cea a triacului prin faptul c nu
prezint electrod de comand.
Diacul se folosete n special la comanda tiristoarelor i a triacelor, i de
asemenea, la realizarea unor oscilatoare. Aceast din urm aplicaie se bazeaz
pe prezena n caracteristica tensiune - curent a diacului a dou poriuni de
rezisten negativ.
Schema circuitului de comand a triacului cu ajutorul unui diac este dat
n fig.12.
Fig.12
Fig.13 Schema de montaj