INVERTOARE cu comutaTie comandatA

Invertoarele sunt convertoare statice de putere continuu-alternativ. Ele transforma o sursa de tensiune (sau curent) continuu intr-o sursa de tensiune (sau curent) alternativa, de amplitudine sau/si frecventa variabila. Ele sunt utilizate ca surse de tensiune alternativa de siguranta sau pentru alimentarea si reglajul vitezei masinilor electrice.

Invertoarele cu tiristoare sunt numite 'cu comutatie fortata',deoarece ele au nevoie de circuite auxiliare speciale pentru blocajul acestora. Aceste circuite contin condensatoare si/sau inductante pentru acumularea energiei necesare blocarii.

Clasificare

Invertoarele cu comutatie comandata se pot clasifica dupa mai multe criterii:

a) dupa numarul de faze ale semnalului la iesire:

monofazat invertor monofazat;

trifazat invertor trifazat.

b) dupa natura circuitului de alimentare si dupa marimea comutata in circuitul de iesire:

invertoare de tensiune: sunt cele alimentate de la o sursa de tensiune continua, marimea comutata in circuitul de iesire fiind tensiunea, iar forma curentului este impusa de sarcina;

invertoare de curent: sunt cele alimentate de la o sursa de curent continuu, marimea comutata in circuitul de iesire fiind curentul, iar forma tensiunii este impusa de sarcina.

Atat invertoarele de tensiune, cat si cele de curent pot fi monofazate si trifazate. Natura sursei continue impune natura receptorului alternativ:

invertoarele de tensiune alimenteaza receptoare de curent;

invertoarele de curent alimenteaza receptoare de tensiune, pentru ca sursa si receptorul (sarcina) trebuie sa fie de naturi diferite.

c) dupa forma de unda la iesire:

invertoare cu semnal dreptunghiular;

invertoare cu semnal dreptunghiular modulat in durata;

invertoare cu semnal sinusoidal;

invertoare cu semnal sintetizat care aproximeaza sinusoida prin trepte.

d) dupa modul de comanda:

invertoare comandate cu unda plina;

invertoare comandate pe principiul modularii in durata a impulsurilor de comanda (MID; MLI - in limba franceza, PWM - in limba engleza)

Invertoarele de tensiune mai pot fi clasificate si dupa numarul de nivele de tensiune de la iesire in:

invertoare cu doua nivele;

invertoare cu trei nivele cu punct neutru flotant;

invertoare multinivel cu celule de comutatie imbricate;

Majoritatea invertoarelor monofazate si trifazate sunt construite avand la baza bratul de semipunte monofazata. Puntea monofazata contine doua brate, iar cea trifazata trei. Fiecare brat contine doua comutatoare care functioneaza in contra-timp: cand unul este inchis, celalalt este deschis si invers.

Comanda comutatoarelor este facuta, astfel incat marimea alternativa de iesire daca este monofazata are valoarea medie nula si daca este trifazata are valoarea medie a marimii de faza nula.

O categorie speciala de invertoare sunt cele cu circuit rezonant. Comutatia intreruptoarelor se face cu o frecventa apropiata de frecventa de rezonanta a sarcinii si sarcina este aceea care controleaza comutatia, de aceea aceste invertoare mai sunt numite si cu comutatie de la sarcina. Avand modul de comanda ca si de aplicatie particular, vor fi studiate intr-un paragraf separat. Pentru fiecare tip de invertor, functionarea depinde de natura sarcinii. Diferentele de functionare se vor exemplifica pentru anumite cazuri, considerand diverse tipuri de sarcini.

Pentru a usura intelegerea fenomenelor legate de functionare, in unele cazuri se vor considera valabile 3 ipoteze:

a) Sursa care furnizeaza marimea de intrare continua este perfecta (sursa de tensiune cu impedanta interna neglijabila, sursa de curent cu impedanta interna infinita);

b)  Intreruptoarele sunt ideale, (cadere de tensiune in direct nula, curent de scurgere in invers nul, comutatii instantanee);

c)  Receptorul alternativ este perfect (absoarbe un curent sau o tensiune sinusoidala).

Studiul invertoarelor se va face conform clasificarii de la punctul c).

Invertoare de tensiune cu tensiune dreptunghiulara la iesire

Invertoarele cu tensiune la iesire dreptunghiulara sunt utilizate in convertoarele cu faza intermediara de tensiune continua (in combinatie cu redresoare comandate) sau pentru alimentarea sarcinilor care suporta armonici de rang ridicat.

Pentru sarcinile care cer o alimentare de calitate, obtinerea tensiunii sinusoidale la iesire se realizeaza printr-un filtru 'trece-jos'.

Invertorul monofazat in semipunte

Invertoarele in semipunte (fig. 8) numite si invertoare cu sursa de tensiune cu punct median sunt 'dubloare de curent'.

Comutatoarelel , aici prezentate ca fiind formate din cate un tiristor si o dioda sunt bidirectionale in curent si unidirectionale in tensiune.

Punctul O este punctul median al sursei, obtinut prin intermediul celor doua condensatoare C.

Avem:

de unde:

si:

,

adica un condensator se incarca si altul se descarca, cu acelasi curent .

Fig. 8 Invertor in semipunte.

Teorema lui Kirchoff in nodul O ne permite sa scriem:

si:

(36)

Deci curentul care ajunge la punctul median O este dublul curentului care circula prin bratul divizorului capacitiv.

Cand sau conduc, avem urmatoarele relatii intre curenti:

si, cu relatia (36):

(37)

Cand sau conduc, avem:

apoi:

Asadar, comutatoarele sunt mai solicitate in curent decat in tensiune , in comparatie cu invertorul paralel alimentat la o aceeasi sursa si cu o aceeasi sarcina.

Formele de unda pentru functionarea cu sarcina inductiva si capacitiva cu luarea in consideratie a ipotezelor a, b si c sunt date in fig.

Se observa ca pentru functionarea atat cu sarcina inductiva cat si capacitiva comutatoarele trebuie sa fie comandabile atat la deschidere , cat si la inchidere.

In fig. 10,a este prezentat un montaj simplu, cu elemente pasive necesare comutatiei. In fig. 10,b si c sunt prezentate doua variante: cu ameliorarea comutatiei b) si a recuperarii c). Montajul din fig. 10,c este cel mai des utilizat. Existenta diodelor de recuperare permite inapoierea la sursa a unei parti din energia inmagazinata in inductanta L la inceputul comutatiei.

Fig. 9 Forme de unda pentru invertorul monofazat in semipunte.

Fig. 10 Montajele practice pentru invertoarele in semipunte.

Invertorul in punte monofazata

Invertorul este constituit din 2 brate de semi-punte. Pentru generalitate, in fig. 11 comutatoarele au fost prezentate ca fiind alcatuite dintr-un intreruptor si o dioda . Comutatoarele pot conduce atat curenti pozitivi, cat si curenti negativi. Pe durata de conductie a diodelor se restituie sursei de curent continuu energia inmagazinata in sarcina.

Functionarea invertorului va fi studiata cu luarea in consideratie a ipotezelor a, b si c.

Fig. 11  Invertorul de tensiune monofazat.

In fig. 11 s-au notat cu , intreruptoarele unidirectionale in curent (conduc doar curenti pozitivi). Comanda cu unda plina a comutatoarelor se poate face:

a) simetric;

b) asimetric.

Comanda simetrica cu unda plina

Indiferent de natura sarcinii comutatoarele si vor fi inchise pentru un interval de timp , iar si pentru incat tensiunea la bornele sarcinii va fi:

(39)

Pe durata comutatorul leaga borna A a sursei de borna M a sarcinii, el fiind parcurs atat de un curent pozitiv cat si de unul negativ.

Modul lui de comanda este functie de semnul curentului la momentul

Astfel:

daca deschiderea la trebuie sa fie comandata prin comanda lui

daca deschiderea la este spontana prin blocarea lui , intrucat apare ; rezulta ca inchiderea va trebui sa fie comandata prin comanda lui

Fiind vorba de un invertor de tensiune, la iesire este comutata tensiunea, iar curentul este impus de sarcina care, cu luarea in consideratie a ipotezei c, va fi un curent sinusoidal.

a) Functionarea cu sarcina rezistiv-inductiva

Formele de unda pentru schema din fig. 11 in cazul functionarii cu o sarcina inductiva sunt date in fig. 12.

Curentul este defazat in urma tensiunii cu unghiul

Unghiul , deci intervalul de timp depinde de sarcina, asa incit intreruptoarele trebuie comandate la inchidere pe tot intervalul , iar pe , chiar daca ele nu vor fi in conductie tot timpul pe aceste intervale.

Practic pentru a evita conductia 'in cross' a intreruptoarelor din acelasi brat, trebuie lasat un interval de timp de garda intre comanda la inchidere a lui (respectiv ) si comanda la deschidere a lui (respectiv

In realitate, receptorul alternativ nu este perfect si curentul de sarcina se abate de la forma sinusoidala, asa cum se arata in fig. 13.

Se observa ca succesiunea in comutatie a componentelor a ramas aceeasi ca in
fig. 12.

Fig. 12 Forme de unda ale invertorului monofazat de tensiune
functionand cu sarcina inductiva; comanda simetrica cu unda plina.

Fig. 13  Forme de unda pentru cazul sarcinii RL reale.

b) Functionarea cu sarcina capacitiva

Formele de unda pentru schema din fig. 11 in cazul functionarii cu o sarcina capacitiva sunt date in fig. 14.

Curentul este defazat cu unghiul inaintea tensiunii

La momentul este comandat la inchidere si preia curentul de la

La curentul devine negativ, deci se blocheaza in mod natural si preia conductia, ea fiind parcursa de curent pana la unde intervine blocajul ei determinat de intrarea in conductie prin comanda a lui

c) Concluzii

Din studiul formelor de unda prezentate in fig. 12 si 14 rezulta urmatoarele concluzii:

comutatia curentului de la la se face:

in cazul sarcinii inductive prin comanda de deschidere (blocare) a lui (ca urmare a comenzii de deschidere a lui care este parcurs de un curent pozitiv);

in cazul sarcinii capacitive prin comanda de inchidere (amorsare, intrare in conductie) a lui (ca urmare a comenzii de inchidere a lui , caci era parcurs de un curent negativ);

curentul are o polaritate la comutatia de la (respectiv ) la (respectiv ) si polaritatea inversa la comutatia de la (respectiv ) la (respectiv ). Prin urmare va fi utilizata doar capabilitatea la blocare sau la amorsare a intreruptoarelor.

modul de parcurgere al caracteristicii statice a comutatorului in cazul in care sarcina este inductiva este dat in fig. 15,a, iar cand este capacitiva in fig. 15,b.

Fig. 14   Forme de unda ale invertorului monofazat de tensiune
functionand cu sarcina capacitiva; comanda simetrica cu unda plina.

Fig. 15 Caracteristica statica curent-tensiune a comutatorului pentru:
a) sarcina inductiva; b) sarcina capacitiva.

daca sarcina poate fi atat inductiva, cat si capacitiva atunci va fi utilizata atit aptitudinea comutatoarelor de a fi comandate la deschidere, cat si la inchidere. Acelasi lucru se intimpla si daca in locul comenzii cu unda plina prezentata in acest paragraf se utilizeaza comanda cu modulatie in durata a impulsurilor de comanda (MID, PWM).

Comanda asimetrica cu unda plina

Comanda asimetrica cu unda plina apare daca se decaleaza cu un unghi comanda celor doua semipunti.

Indiferent de natura sarcinii, este inchis in intervalul in intervalul , in timp ce va fi inchis in si in ; se observa in
fig. 16 ca intreruptoarele care apartin aceluiasi brat sunt comandate tot in contratimp.

Fig. 16 Comanda asimetrica cu unda plina.

Corespunzator logicii de comanda prezentata in fig. 16, tensiunea la bornele sarcinii va fi:

(40)

Studiul functionarii cu sarcina inductiva, respectiv capacitiva, va fi facut luand in considerare ipotezele a, b si c.

a) Functionarea cu sarcina rezistiv-inductiva

Formele de unda pentru functionarea cu sarcina rezistiv-inductiva sunt date in
fig. 17. Pentru fiecare din comutatoare sunt specificate componentele aflate in conductie la un moment dat.

Tensiunea la bornele sarcinii are valoarea efectiva:

(41)

iar fundamentala ei are valoarea efectiva:

(42)

Valoarea efectiva a armonicii de rang este:

(43)

Fig. 17 Invertorul monofazat in punte functionand cu sarcina rezistiv-inductiva ();
comanda asimetrica cu unda plina.

b) Functionarea cu sarcina capacitiva

Formele de unda pentru functionarea cu sarcina capacitiva sunt date in fig. 18.

Fig. 18  Invertorul monofazat in punte functionand cu sarcina capacitiva ();
comanda asimetrica cu unda plina.

Relatiile (41), (42) si (43) raman valabile.

c) Concluzii

Relatia (41) arata ca valoarea efectiva a tensiunii la iesire se poate modifica variind decalajul intre comenzile celor doua semipunti.

Referitor la schimbul de energie intre sursa continua si sarcina se vede ca apar trei tipuri de intervale:

Intervale in care sarcina este alimentata de la sursa si in aceasta situatie curentul este pozitiv. In aceste intervale sunt in conductie componentele semiconductoare comandabile , sau .

Intervale de recuperare a energiei, in care sarcina trimite energie spre sursa de tensiune continua si curentul este negativ. In aceste intervale sunt in conductie cate doua diode , sau .

3. Intervale de descarcare in care sarcina este scurtcircuitata. Circuitul sursei de tensiune continua este deschis si curentul absorbit de ea este zero. In conductie se vor gasi intotdeauna o dioda si o componenta semiconductoare comandabila, adica si , sau si (figura 17), respectiv si , sau si (fig. 18). In intervalele de descarcare tensiunea la bornele sarcinii este 0; durata acestor intervale este

Se observa ca natura comutatiilor care trebuie realizate nu mai depinde numai de natura sarcinii () ca in cazul comenzii simetrice, ci de unghiul de decalare a comenzii .

Spre exemplu, asa cum se vede in fig. 17, conduce curentul in intervalul , interval in care acest curent se inverseaza; este negativ pentru , deci in conductie este , apoi intra in conductie cand devine pozitiv; pentru , trebuie sa intrerupa curentul pozitiv, deci deschiderea trebuie sa fie comandata.

Daca curentul pentru (fig. 18), inchiderea comandata a lui stabileste curentul prin sarcina , apoi acesta cand devine negativ va trece prin dioda care se va bloca spontan la momentul cand este comandat la inchidere .

Zonele delimitate in fig. 19 indica si natura comutatiilor care trebuie realizate. Spre exemplu, trebuie sa functioneze cu deschidere comandata: in zona 1: si ; in zona 2: si , ca si si ; in zona 3: si ; in zona 4: nici un intreruptor.

In realitate, sarcina alternativa nu este perfecta, incat curentul nu va fi sinusoidal, ci practic va fi format din segmene de exponentiale, asa cum se arata in fig. 20, pentru o sarcina RL.

Se observa ca succesiunea in comutatia componentelor semiconductoare a ramas aceeasi ca in fig. 17, pentru un acelasi

Fig. 20  Forme de unda pentru cazul sarcinii RL reale.

Invertoare monofazate in punte cu tiristoare

Utilizarea tiristroarelor in cadrul invertoarelor presupune posibilitatea blocarii lor la momentele cerute de principiul de comanda.

Blocarea se face cu circuite auxiliare special concepute pentru acest scop si se numeste fortata.

Dupa modul de stingere al tiristoarelor invertoarele pot fi: cu stingere independenta, cand circuitele auxiliare de stingere sunt conectate la bornele tiristoarelor la
momentele de timp dorite prin intermediul unor tiristoare auxiliare, sau cu stingere
autonoma, cand circuitul auxiliar de stingere intra in actiune pentru
blocarea tiristorului care a condus in momentul cand este amorsat tiristorul care va prelua conductia.

A. Schema Bedford - Mc Murray

Schema este prezentata in fig. 21. Comutatoarele sunt reprezentate de perechile tiristor-dioda antiparalel, . Invertorul este cu stingere autonoma, intrarea in conductie a tiristorului dintr-un brat ducand la blocarea tiristorului din acelasi brat, care a condus. Circuitele de stingere sunt formate din inductantele si condensatoarele . Bobinele sunt cu priza mediana, cele doua jumatati fiind deci cuplate magnetic.

Condensatoarele sunt de valoare egala:

Comanda puntii se considera simetrica. Tiristoarele si (sau diodele si ) sunt in conductie simultan, incat borna A va avea un potential pozitiv, iar borna B unul negativ (fig. 21).

Fig. 21 Montajul Bedford - Mc Murray.

Dupa o semiperioada si (sau si ) vor prelua conductia si borna A va avea potentialul negativ. De aceea, tensiunea la bornele sarcinii este dreptunghiulara, de amplitudine (fig. 22). S-au notat cu si impulsurile de comanda pe poarta tiristoarelor.

In timpul perioadei de conductie a lui si , avem:

(49)

si:

(50)

Cu conditia (valabila in regim permanent), solutia este:

(51)

unde: 

Inlocuind relatia (40) in conditia data, rezulta:

si:

(52)

Cand tensiunea si curentul de sarcina au acelasi semn (), cele care conduc sunt tiristoarele si cand sunt de sens contrar (), conduc diodele.

Fig. 22 Formele de unda pentru montajul Bedford-Mc.Murray; comanda simetrica.

Chiar daca tiristorul incepe sa conduca in (fig. 22), semnalul pe poarta sa este aplicat din , cand bratul 1 al puntii trebuie sa-si reia conductia.

In timpul conductiei lui si si , cu polaritatea din fig. 21. In momentul in care si primesc semnalul pe poarta, curentii lor cresc rapid din cauza curentilor de descarcare ai condensatoarelor.

Acesti curenti trec si prin si producand tensiuni induse in inductantele cuplate si . Aceste tensiuni au ca efect blocarea lui si

Pe durata conductiei lui si , condensatoarele si se vor incarca pentru a fi gata sa participe la blocarea tiristoarelor si . Aceste tiristoare ( si ) nu permit trecerea curentului chiar din momentul , deoarece este negativ.

Energia acumulata in inductantele si determina deschiderea lui si . Cand curentul se anuleaza, in , diodele se blocheaza si curentul circula pana la sfarsitul semiperioadei, prin si

B.  Schema Mc Murray

Schema este prezentata in fig. 23. Comutatoarele sunt formate din perechile tiristor - dioda antiparalel . Invertorul este cu stingere independenta, blocarea unui tiristor facandu-se prin conectarea circuitului auxiliar de stingere LC la bornele lui, prin intrarea in conductie a tiristorului auxiliar corespondent, . Comanda s-a considerat simetrica, dar s-au prevazut intervale de garda (pauza) intre comenzile perechilor de tiristoare pentru a se evita conductia 'in cross' (fig. 23). In fig. 23 mai sunt prezentate: succesiunea semnalelor de poarta ale tiristoarelor principale si auxiliare, ca si curentul prin sarcina si tensiunea la bornele acesteia.

Fig. 23 Montajul Mc Murray si cateva forme de unda.