Intrerupatoare statice de curent alternativ

Intrerupatoare statice de curent alternativ

Cu dezvoltarea dispozitivelor semiconductoare, intrerupatoarele mecanice sunt

din ce in ce mai mult inlocuite cu cele realizate cu elemente statice,care prezinta

o serie de avantaje fata de intrerupatoarele clasice,iar costul lor este in continua

scadere.

1 Conectarea circuitelor de curent alternativ monofazat

La conectarea si deconectarea unei sarcini monofazate este suficienta

utilizarea unui singur intreruptor pe una din ramurile de alimentare.

La conectare apare de obicei si o componenta tranzitorie a curentului care in

functie de amortizare dispare dupa cateva perioade.Daca se noteaza cu t0

momentul de conectare la o tensiune sinusoidala de alimentare:

u(t)=Umsin􀣓t

curentul prin sarcina R-L va fi:

i􀡾 defazajul dintre tensiune si curent,va avea o componenta

sinusoidala de regim stabilizat si una tranzitorie amortizata cu constanta􀣎=L/R.

1.1 Conectarea unei inductivitati

In fig. 4.2 se prezinta conectarea unei inductivitati L cu ajutorul unui

intreruptor static pentru doua cazuri limita:

. fara componenta tranzitorie (fig 4.3);

. cu componenta tranzitorie maxima (fig 4.4).

S-a notat cu CL capacitatea infasurarii bobinei.Datorita acestei capacitati la

conectarea inductivitatii L in momentul trecerii prin zero a curentului de sarcina

I va aparea o oscilatie de frecventa medie suprapusa pe tensiunea la bornele

inductivitatii UL .

Frecventa acestei oscilatii este aproximativ 1/􀶥􀡸􀢑􀡯􀢑.Amplitudinea atinge

valoarea de varf la maximul tensiunii alternative .La deconectare pe tensiunea

tiristorului se va suprapune o oscilatie de frecventa medie aproximativ de

valoarea

Fig. 4.2. Conectarea unei inductivitati cu intrerupatorul static

Fig. 4.3. Forme de unda la conectarea inductivitatii fara componenta tranzitorie

Fig. 4.4. Forme de unda la conectarea inductivitatii cu componenta tranzitorie

Daca conectarea intreruptorului se face la momentul trecerii se face la

momentul trecerii in mod natural prin zero a tensiunii alternative u de

alimentare, adica atunci cand curentul atinge valoarea maxima , componenta

tranzitorie va avea valoarea maxima conform relatiei:

1.2 Conectarea unei capacitati

In figura 4.5 este prezentata conectarea capacitatii C cu ajutorul unui

intreruptor static dintr-un tiristor si o dioda D, legate in antiparalel .

Componenta tranzitorie se elimina numai atunci cand conectarea se face in

momentul trecerii in mod natural prin zero a curentului iar condensatorul a fost

incarcat inainte de valoarea maxima a tensiunii de aceeasi polaritate cu

alternanta la care se face conectarea.

In figura 4.6 se arata variatia in timp a tensiunii pe capacitate, uC, pe

intreruptorul static uT deasemenea a curentului de sarcina i, pe tiristor iT si pe o

dioda iD in cazul cand nu exista componenta tranzitorie.

Inainte de conectare trebuie asigurata incarcarea condensatoarelor pe o

rezistenta la valoarea maima a tensiunii de alimentare.Din cauza incarcarii

condensatorului la blocare pe intreruptor cade o tensiune egala cu dublul valorii

maxime a tensiunii sinusoidale.

Pentru limitarea componentei tranzitorie a curentului la variatia tansiunii

retelei si in caz de deranjament este necesara o inductivitate de protectie LS daca

inductivitatea retelei Lk nu este suficient de mare.

1.3 Intrerupatoare de curent alternativ monofazat

Doua tiristoare legate antiparalel conform figurii 4.7 pot conduce curentul in

ambele sensuri.O semiperioada a curentului alternativ,trece prin tiristorul T1 iar

semiperioada urmatoare prin T2 .Daca curentul alternativ trebuie sa fie conectat

permanent,atunci ambele tiristoare trebuie mentinute in stare amorsata sau sa

asigura la inceputul fiecarei semiperioade un impuls de comanda alternativ pe

cele doua tiristoare.

In figura 4.7 impulsurile de comanda sunt obtinute de la cate un transformator

de impulsuri pentru fiecare tiristor.

Fig. 4.7. Intreruptor de curent alternativ monofazat

Cele doua tiristoare astfel legate formeaza un intrerupator de curent alternativ

monofazat.Daca prin intrerupator trece curentul sinusoidal:

i(t)=Isin..(t)

Valoarea medie a curentului printr-un tiristor poate fi calculata din integrala

pe o semiperioada a curentului.

Daca se intrerupe curentul de comanda atunci curentul intrerupatorului nu se

stinge imediat. Tiristorul care este amorsat se va bloca doar atunci cand curentul

prin el va scadea natural la zero,la sfarsitul semiperioadei corespunzatoare

momentului deconectarii intrerupatorului.

In acest moment curentul ar trebui sa fie preluat de tiristorul celalalt,insa

acesta nu mai primeste impuls de comanda si nu este amorsat.

In figura 4.8 este prezentat un intrerupator monofazat de curent alternativ

realizat cu un triac. Deoarece polaritatea impulsului de comanda nu are

importanta , circuitele de comanda ale triacului sunt foarte simple,astfel

amorsarea poate fi realizata direct de la tensiunea anodica printr-o rezistenta R

si un intrerupator auxiliar K. Cand K este deschis nu exista circuit de comanda

si interceptorul static intrerupe curentul alternativ.Daca K este inchis triacul va fi amorsat de la tensiunea anodica la inceputul fiecarei semiperioade de curent in mod automat.Intreruptorul K poate fi mecanic sau cu elemente statice.

Fig. 4.8. Intreruptor static de curent alternativ monofazat cu triac

Este evident ca impulsul de comanda poate fi aplicat si printr-un transformator

de impulsuri.

Tiristoarele au intreruptoare de curent alternativ si pot functiona pana la

cativa kHz.Limita superioara a frecventei este determinata de timpul de revenire

al tiristorului adica este necesar ca tiristorul sa-si recapete proprietatea de

blocare pana la urmatoarea semiperioada pozitiva a tensiunii retelei.

In cazul unei sarcini rezistive aceasta conditie poate fi scrisa sub forma T/2>t ,

unde T este perioada corespunzatoare frecventei de functionare (T=1/f).

Cand sarcina este pur inductiva datorita defazajului ../2 dintre curent si

tensiune conditia devine T/4>trev .

In cazul tiristoarelor cu timp de revenire scurt (trev>20..s), pentru sarcini

rezistive , limita superioara a frecventei poate fi de 25kHz.

Daca curentul printr-un tiristor poate fi calculata cu relatia:

La conectarea tiristorului panta de crestere a curentului este determinata de

inductivitatea circuitului de sarcina.

Datorita inductivitatilor de scapari existente de obicei panta curentului nu

depaseste valoarea sa critica.

Solicitarile la tensiuni inverse sau directe sunt determinate de valoarea

maxima a tensiunii alternative pe langa care mei trebuie luate in considerare

supretensiunile provenite de la retea.Pentru limitarea supratensiunilor la

stingere de obicei se utilizeaza protectia RB-CB in serie,legata paralel cu tiristorul

sau triacul.

Pierderile in conductie se calculeaza din caracteristica statica de conductie a

tiristorului apoi trebuie asigurata racirea adecvata pentru disiparea acestei

pierderi.

In stare de blocare atat la tensiuni negative cat si la pozitive,apare curent

rezidual care va circula si prin sarcina.Astfel la intreruptoarele statice nu se

poate realiza deconectarea absoluta a sarcinii, de aceea de obicei se mai

monteaza in serie si un separator mecanic.

Dezavantajele interceptoarelor statice fata de cele mecanice sunt:

. sensibilitate la supratensiuni si curenti;

. pierderile in conductie;

. curentul rezidual in stare blocata;

. costul mai ridicat.

Printre avantaje se enumera:

. nu au piese in miscare supuse uzurii mecanice;

. numarul de conectari este practic nelimitat;

. se poate regla precis momentul de conectare;

. deconectarea este fara arc electric;

. frecventa de conectare admisibila este mare;

. costul este in continua scadere fiind determinat de nivelul tehnologic de

fabricatie a dispozitivelor semiconductoare.

Schemele de comanda ale intreruptoarelor de curent alternativ monofazate

Daca tiristorul este elementul component al unui intreruptor trebuie sa I se

aplice un impuls de comanda la inceputul fiecarei semiperioade a curentului

corespunzator tiristorului care conduce.In general curentul si tensiunea

alternativa nu sunt in faza.Defazajul curentului fata de tensiunea retelei este

determinat de caracterul sarcinii.

In fig. 4.9 s-a prezentat alternanta pozitiva a unui curent pur inductiv iL ,

respectiv pur capacitiv iC fata de tensiunea retelei u.

Se poate vedea ca unghiul de amorsare a tiristorului corespunzator unei

alternante in caz general poate sa varieze intr-un domeniu de 10ms.

In schema din figura 4.10 se realizeaza conectarea unui circuit de curent

continuu de comanda iG pe grila fiecarui tiristor cu ajutorul intreruptorului K.

Astfel curentul I va trece prin tiristoare in mod alternativ.Curentul continuu de

comanda reaprinde tiristorul corespunzator la fiecare schimbare de sens a

curentului.

Fig. 4.9. Defazajul curentului pin sarcina capacitiva si respectiv sarcina pur inductiva fata de tensiunea retelei

Fig. 4.4. Schema de conectare si deconectare a circuitelor de curent continuu la grila tiristoarelor

In aceasta schema simpla circuitul de comanda al grilei este legat galvanic de

circuitul de forta al catodului.In figura 4.11 este realizata separarea galvanica a circuitului de comanda cu ajutorul a cate un transformator de impuls

Fig. 4.11. Separarea galvanica a circuitelor de comanda cu transformatoare de impuls

In secundarul transformatorului curentul de comanda este redresat de un

redresor cu punct median si apoi este filtrat de un condensator. Astfel curentul

de comanda nu este intrerupt instantaneu deoarece condensatorul se va descarca

prin circuitul grilei si rezistenta in serie cu grila.

Impulsurile de comanda (fig. 4.12) de polaritate corespunzatoare sunt aplicate

pe ambele tiristoare la inceputul fiecarei semiperioade de curent.Dupa

inchiderea intreruptorului K pentru amorsarea tiristoarelor se utilizeaza

tensiunea anodica.

In functie de polaritatea acestei tensiuni tiristorul corespunzator primeste

impuls de comand prin diodele auxiliare.

Fig. 4.12. Schema de formare a impulsurilor de comanda la inceputul fiecarei semiperioade

Schema din figura 4.13 realizeaza comanda tiristoarelor cu un tren de

impulsuri de frecventa medie aplicate printr-un transformator de impulsuri si

redresat cu ajutorul unei diode.In cazul curentilor de 50Hz sau 60Hz este nevoie

de o frecventa de comanda de cativa KHz,care nu modifica prea mult momentul

de conectare al curentului nici in cazul cel mai defavorabil al pozitiei impulsului

de comanda.De exemplu la frecventa de 50Hz a retelei si la frecventa de 3KHz a impulsurilor de comanda in cel mai rau caz avem de-a face cu o intarziere la

amorsare de 60 electrice.

Fig. 4.13. Schema de comanda a tiristoarelor cu tren de impulsuri de frecventa medie

Schema economica a intreruptorului static monofazat

In figura 4.14 este reprezentat un intreruptor de curent alternativ realizat cu

un singur tiristor T legat pe bratul de curent continuu al unui redresor

necomandat in punte.

Curentul tiristorului este format de semiperioade pozitive deoarece tiristorul

lucreaza la fiecare semiperioada.Calculand valoarea medie a curentului prin

tiristor se obtine o valoare mai mare fata de rezultatele date relkatia:

LLa deconectarea intreruptorului static datorita diodelor redresoare , pe

tiristorul blocat se aplica numai la tensiune pozitiva.

2 Intreruptoarele de curent alternativ trifazat

Conectarea curentului alternativ trifazat se face de fapt asemanator ca in cazul

curentului monofazat.

In general,pe fiecare faza se monetaza un intreruptor static.In figura 4.15 este

reprezentata conectarea si deconectarea unei sarcini trifazate inductiv-rezistive

alimentata de la retea.

Fig. 4.15. Intreruptor static trifazat

Conectarea se face de la intrerupatoarele KR , KS si KT prin aprinderea

tiristoarelor componente ale acestora.

La conectarea unei sarcini R-L si in cazul sistemului trifazat apar componente

tranzitorii ale curentului.

Daca cele trei faze se conecteaza in momentul t0 curentii de faza vor fi:

in fiecare faza curentul se opune dintr-o componenta stationara sinusoidala si

o componenta tranzitorie exponentiala amortizata.

In cazul conectarii simultane a celor trei faze in cel putin doua faze apare

componenta tranzitorie deoarece intr-un moment dat curentul poate sa treaca

natural prin nul,in cel putin o faza.

Scheme economice ale intreruptoarelor statice trifazate

Pot fi realizate intreruptoare trifazate cu mai putine elemente statice

comandabile.Aceste solutii sunt reprezentate in figura 4.17.In sisteme trifazate

cu nul sunt necesare trei perechi de tiristoare in antiparalel insa cand nu este

conductor de nul ,intreruptorul static poate fi realizat cu doua blocuri de

tiristoare ca in figura 4.16.

La acest intreruptor in stare deconectata fiecare tiristor va fi supus la o

tensiune de blocare egala cu tensiunea de linie a retelei.

Fig. 4.16. Intreruptor static pe doua faze

Fig. 4.17.a. Intreruptor static trifazat cu tiristor si dioda montate in antiparalel

Fig. 4.17.b. Intreruptor in triunghi dupa sarcina

Fig. 4.17.c. Inversor de faze cu triace

Fig. 4.17.d. Inversor cu intrerupator cu patru faze

Fig. 4.17.e. Inversor cu triace si contactoare