Comutatoare electronice de putere

Circuitul de forta al variatorului de putere este contactorul electronic de putere, care este comandat sa conecteze periodic, in general "sincron" cu tensiunea de intrare. Contactoarele electronice sunt structuri cu conductie bidirectionala comandabile, constituite din tiristoare sau triace, diode si tiristoare sau diode si tranzistoare etc., conectate ca in figura 2.3.

Figura 2.3

Circuitele din figura 2.3.a si figura 2.3.b sunt identice functional, diferenta     constituind-o puterea totala disipata de fiecare contactor.

Variatoarele cu comanda prin faza sau prin numar de perioade (semiperioade) se realizeaza, in general, cu tiristoare unilaterale sau triac-uri, blocarea acestora realizand-se la prima trecere prin zero a curentului, dupa disparitia semnalului de comanda; circuitele sunt cu stingere naturala (sau cu stingere de la sursa). Pentru variatorul cu esantionare este insa mult mai comod sa se foloseasca dispozitive de putere cu blocare prin terminalul de comanda (tiristoare bilaterale, tranzistoare etc.), care permit atat definirea momentului intrarii in conductie cat si a celui de blocare prin semnalul aplicat terminalului de comanda.

1. Caracterizare electrica

Comanda tiristoarelor sau triacurilor in schemele din figura 2.3. pentru realizarea functiei de contactor electronic se poate face prin conectarea in circuitul de poarta a unui curent continuu pe durata starii de conductie (comanda mentinuta), sau prin conectarea unui tren de impulsuri avand o frecventa de repetitie mult mai mare decat cea a retelei. Ambele variante permit o izolare galvanica intre circuitul de comanda si cel de putere, prin transformatoare. In primul caz (figura 2.4.a) comanda se face prin tensiune alternativa si transformator de izolare la frecventa retelei In al doilea caz, comanda se poate face cu tensiune alternativa sau continua, iar transformatorul de izolare se dimensioneaza pentru frecventa oscilatorului (de ordinul zecilor de kHz), realizat in exemplul din figura 2.4.b. cu un tranzistor unijonctiune.

Figura 2.4

In cazul unei comenzi manuale de contactare printr-un comutator mecanic de mica putere, se pot folosi circuite ca cele din figura 2.5. In figura 2.5.a., se comanda intrerupatorul K, a carui inchidere comanda tiristoarele, prin diodele D1 si D2 si prin rezistenta de limitare R. De exemplu, Th1 amorseaza pe alternanta de forta care aplica plusul in borna E1 prin calea de curent de amorsare E1(+)-D2-R-K-Th1(GK)-E2(-). Dupa amorsare, tensiunea sa anodica scade brusc la o valoare foarte mica ( 1V), reducand astfel puterea disipata in jonctiunea de poarta. Comanda se face in continuare sincron, prin impulsuri aplicate la scurt timp dupa trecerea prin zero a tensiunii de forta. Conectarea initiala este de tip asincron, prima amorsare facandu-se in momentul inchiderii contactului K.

In figura 2.5.b comanda se face prin butoane cu revenire. Amorsare triacului este initiata prin apasarea butonului BP, dupa care starea de conductie a triacului se mentine prin injectarea in poarta a unui curent limitat si defazat fata de tensiunea anodica prin circuitul serie R1-L1. Astfel, dupa fiecare trecere prin zero a tensiunii anodice apare curent de poarta, cata vreme nu este apasat butonul de oprire BO. Conectarea initiala asincrona a circuitelor din figura 2.5 reprezinta un dezavantaj, deoarece genereaza perturbatii electromagnetice si poate determina procese tranzitorii suparatoare in circuitul de sarcina, suprasolicitand componentele contactorului electronic.

Figura 2.5

In figura 2.6 se reprezinta un exemplu de circuit care inlatura acest neajuns, utilizand un contactor intermediar si un circuit de sesizare a trecerii prin zero a tensiunii de forta. Astfel, pe contactorul principal (triacul Tr) semnalul de comanda apare la prima trecere prin zero a tensiunii de forta, care apar dupa semnalul de comanda Uc, transmis prin intermediul optocuplorului de izolare OC.

Figura.2.6

In absenta semnalului de comanda, tranzistorul T se deschide la o tensiune de alimentare in colector de circa 1V (mai mica decat valoarea minima a tensiunii anodice care ar permite deschiderea tiristorului Th), suntand in continuare jonctiunea poarta-catod a tiristorului Th. La aparitia semnalului de comanda, fototranzistorul optocuplorului se satureaza, conectand o rezistenta de valoare mica intre baza si emitorului tranzistorului T care divizeaza tensiunea aplicata in colector. Tranzistorul se deschide astfel la o valoarea instantanee a tensiunii anodice de aproximativ 5 V, furnizata de puntea redresoare PR care alimenteaza circuitul de sincronizare.     Amorsarea tiristorului determina si amorsarea triacului. In semiperioada urmatoare fenomenele de amorsare decurg analog.

In sistemele care necesita izolarea totala a componentelor electronice de reteaua de alimentare, contactorul electronic se poate cupla printr-un transformator de izolare situat in circuitul de forta, ca in figura 2.6.

Transformatorul de izolare lucreaza fie in gol (in starea "deconectat"), cand prezinta in serie cu sarcina reactanta de magnetizare, fie in scurtcircuit (in starea "conectat") cand prezinta reactanta de scurtcircuit (de scapari). In consecinta, transformatorul se dimensioneaza pentru o putere mult mai mica decat cea transferata in sarcina. O astfel de solutie este convenabila, de exemplu, la comutarea de curenti mari sub tensiuni mici, pentru a mentine randamentul la o valoare convenabila. Totodata, conectarea prin transformator a circuitul de forta asigura utilizarea capacitatii maxime de comutare a tiristorului. Prin capacitatea maxima de comutare P_CM, se intelege puterea maxima ce poate fi comutata cu un contactor electronic, rezultand din tensiunea maxima de lucru U_DWM si curentul efectiv maxim admis de dispozitiv:

Figura 2.6

Puterea transferata intr-o sarcina rezistiva este (vezi notatiile din figura 5.3):

Pentru utilizarea capacitatii maxime de conectare este necesar ca P_CM = P_L si U_DWM = U_i. Transformatorul cu raportul de transformare "adapteaza" tensiunea pentru dispozitivul de putere.

Avantajele contactoarele electronice de putere (CEP) comparativ cu cele electromecanice (CEM) sunt evidente (vezi tabelul de mai jos).

Dezavantajele contactoarelor electronice sunt izolatia imperfecta a sarcinii in stare deconectata (din cauza curentului rezidual) si caderea de tensiune relativ mare in stare conectat deci o putere disipata de contactor ce poate ajunge la 2% din capacitatea de conectare si implicit mijloace de racire fortata (vezi figura 2.6).