Tipuri de redresoare - Clasificarea redresoarelor, Parametrii redresoarelor, Redresorul monofazat bialternanta

Tipuri de redresoare

Clasificarea redresoarelor

Redresorul este un convertor static de putere care face conversia unei tensiuni alternative intr-o tensiune continua, sensul energiei fiind de la reteaua de c.a. spre consumatorii de c.c. Redresorul construit cu diode, datorita conductiei unidirectionale a acestora, furnizeaza curent redresat cu o singura polaritate si, fiind necomandat, o tensiune redresata fixa, de aceeasi polaritate. Astfel, redresorul functioneaza cu caracteristici de sarcina intr-un singur cadran al sistemului de axe U_d-I_d si anume in cadranul I (la care ne vom referi in general) sau in cadranul III. Notatiile utilizate sunt U_d pentru valoarea medie a tensiunii redresate si I_d pentru valoarea medie a curentului redresat al redresorului.

O schema de redresor contine, in general, un transformator (poate lipsi cand redresorul se conecteaza direct la retea), filtre, diodele redresoare cu elemente de protectie ale acestora la supratensiuni si scurtcircuit (elementele de protectie au fost analizate in capitolul 2 si, pentru simplificarea schemei, nu vor mai fi reprezentate). Diodele conduc succesiv, dupa o anumita regula, incat in timpul unei perioade corespunzatoare frecventei retelei au loc un anumit numar de comutatii ale curentului de sarcina, de la o dioda care a condus la urmatoarea care intra in conductie. Numarul de comutatii intr-o perioada defineste ordinul redresarii (numarul de pulsuri) q pentru tensiunea redresata. Energia reactiva necesara comutatiei este preluata de la reteaua de alimentare de curent alternativ, de aceea redresoarele necomandate se mai numesc si convertoare statice cu comutatie naturala, cu functionare intr-un singur cadran.

Clasificarea redresoarelor (schemelor de redresare) se poate face dupa mai multe criterii:

1. Dupa felul tensiunii alternative de alimentare:

a) redresoare monofazate - sunt redresoarele alimentate de la o sursa monofazata de tensiune alternativa; din aceasta categorie fac parte redresorul monoalternanta si redresorul bialternanta (cu punct median sau in punte);

b) redresoare trifazate - sunt redresoarele alimentate de la o sursa trifazata de tensiune alternativa; cele mai cunoscute conexiuni (nu neaparat si utilizate, dupa cum se va vedea in continuare) sunt: redresorul trifazat cu punct median, redresorul in stea hexafazata cu punct median, redresorul trifazat in punte, redresorul cu dubla stea si transformator interfaza, redresoare duodecafazate (cu 12 pulsuri ale tensiunii redresate pe o perioada a tensiunii retelei);

2. Dupa posibilitatea de reglaj a tensiunii de iesire:

a) redresoare necomandate - sunt redresoarele care furnizeaza o tensiune de valoare medie U_d constanta; ele sunt construite numai cu diode;

b) redresoare comandate - sunt redresoarele care furnizeaza o tensiune de valoare medie U_d, reglabila ca nivel; aceste redresoare sunt construite cu dispozitive semiconductoare comandate (tiristoare sau tiristoare si diode, tranzistoare);

3. Dupa modul de grupare a fazelor tensiunilor alternative (infasurarilor) care furnizeaza tensiunea redresata:

a) redresoare de tip paralel (P_m) la care cele m faze alternative (infasurari), fiecare in serie cu dioda sa, sunt grupate in stea si apar in paralel in raport cu bornele de iesire ale redresorului; redresorul contine m diode, valoarea instantanee a tensiunii redresate fiind egala cu valoarea instantanee a celei mai pozitive tensiuni din cele m; din aceasta categorie fac parte redresorul monofazat bialternanta cu punct median (P₂), redresorul trifazat cu punct median (P₃) si redresorul in stea hexafazata cu punct median (P₆);

b) redresoare de tip dublu paralel (DP_m) la care cele m faze alternative (infasurari) sunt grupate tot in stea, insa se utilizeaza 2m diode; valoarea tensiunii redresate in fiecare moment este egala cu diferenta dintre cea mai pozitiva si cea mai negativa tensiune alternativa; exemple sunt: redresorul monofazat bialternanta in punte (DP₂), redresorul trifazat in punte avand transformatorul cu secundarul in stea (DP₃);

c) redresoare de tip serie (S_m), la care infasurarile la bornele carora apar tensiunile alternative sunt montate in poligon (suma celor m tensiuni este nula, deoarece tensiunile formeaza un sistem echilibrat); redresorul de tip serie are 2m diode; de exemplu, redresorul trifazat in punte avand transformatorul cu secundarul in triunghi este un redresor de tip serie (S₃).

2. Parametrii redresoarelor

Valorilor medii si efective pentru marimi specifice redresoarelor si dezvoltarea lor in serie Fourier

Caracterizarea unei marimi periodice x(t)=x(t+T) se face prin:

- valoare medie:

- valoarea efectiva:

Pentru descrierea performantelor schemelor de redresare se mai utilizeaza:

valoarea medie modul:

- factorul de forma modificat:

factorul de pulsatie modificat:

Factorul de putere si factorul de deplasare al redresorului

Redresorul este consumator pentru reteaua de c.a. si generator pentru cea de c.c.

Redresorul este alimentat de la reteaua monofazata, respectiv trifazata cu o tensiune sinusoidala, respectiv cu un sistem simetric de tensiuni sinusoidale, dar curentul sau curentii care ii absoarbe de la retea nu sunt sinusoidali, datorita faptului ca in orice moment curentii din primarul transformatorului redresorului trebuie sa echilibreze curentii din secundar. Printre parametri legati de retea se numara factorul de putere si factorul de deplasare al redresorului.

a) Redresorul monofazat

Tensiunea de alimentare a transformatorului este sinusoidala:

in timp ce curentul absorbit contine armonici de ordin superior:

Se stie ca putere activa, respectiv reactiva, produc numai armonicile de acelasi ordin ale tensiunii si curentului. Prin urmare, puterea activa si reactiva absorbita de redresor sunt determinate de fundamentala curentului. Rezulta ca puterea activa este

iar puterea reactiva este:

unde I_1(RMS) este valoarea efectiva a fundamentalei curentului, iar d₁ defazajului ei fata de u_p.

Puterea aparenta a fundamentalei va fi:

iar puterea aparenta totala absorbita:

unde:

este valoarea efectiva a curentului primar

Sarcina rezistiv-inductiva - conexiunea serie (R+ωL)

Schema redresorului si formele de unda sunt prezentate in figura 3.4, respectiv in figura 3.5.

In intervalul de conductie al diodei D putem scrie:

sau

unde:

Solutia generala a ecuatiei diferentiale de ordinul intai este formata dintr-un termen de regim fortat i_f si un termen de regim tranzitoriu i_t:

unde:

Inlocuind, obtinem solutia:

Unghiul de conductie al diodei se obtine punand conditia:

Valoarea medie a tensiunii redresate este

iar valoarea efectiva a tensiunii redresate este:

Valoarea medie a curentului redresat este:

Evident, avem si pentru curentul secundar I_s(AV)=I_d.

Sarcina rezistiv-capacitiva conexiunea paralel (R C)

Schema redresorului si formele de unda sunt date in figura 3.7, respectiv figura 3.8.

In reprezentarea formelor de unda din figura 3.8 s-a presupus ca condensatorul are o capacitate suficient de mare astfel incat, in regim permanent, acesta nu se descarca complet si, deci, incarcarea reincepe de la o valoare pozitiva U_m.

In intervalul de conductie θ al diodei curentii sunt:

unde u_s este tensiunea din secundarul transformatorului:

Rezulta expresia curentului redresat:

unde:

Conductia prin dioda inceteaza, la momentul , unde α este unghiul de la care incepe incarcarea condensatorului:

Rezulta conditia:

deci

Pe durata conductiei diodei tensiunea pe condensator este:

Pe intervalul cand dioda este blocata condensatorul se descarca prin rezistenta R. Tensiunea pe condensator va avea expresia:

unde:

Rezulta:

In regim permanent putem scrie conditia de periodicitate:

deci ecuatia din care se obtine α masurat in radiani este:

Valoarea medie a tensiunii redresate este:

Tinand cont de ecuatiile din care s-au obtinut α, respectiv β, putem scrie:

Factorul de pulsatie al tensiunii redresate este deci:

3. Redresorul monofazat bialternanta

cu punct median si sarcina rezistiva R.

Schema redresorului monofazat bialternanta cu punct median (priza mediana a secundarului transformatorului monofazat) functionand cu sarcina rezistiva este data in figura 3.9, iar formele de unda semnificative sunt date in figura 3.10.

Se observa ca unghiul de conductie al unei diode este q p, iar numarul de pulsuri ale tensiunii redresate intr-o perioada este q=2.

Valoarea medie a tensiunii redresate este:

iar valoarea efectiva a tensiunii redresate este:

Tinand cont ca sarcina este rezistiva, valoarea medie a curentului redresat este:

iar valoarea efectiva este:

Puterea de curent continuu debitata de redresor in sarcina este:

Tinand cont ca am neglijat pierderile de putere din redresor, puterea furnizata de transformator redresorului este egala cu:

Rezulta randamentul redresorului:

Valoarea medie a curentului prin diode (egal cu cel printr-o infasurare secundara) este:

iar valoarea efectiva a lui este:

cu punct median si sarcina puternic-inductiva

Pe intervalul (0, p] dioda D1 conduce si dioda D2 este blocata, iar pe intervalul (p, 2p] conduce D2 si este blocata D1 (figura 3.11). Rezulta, si in acest caz:

daca se neglijeaza fenomenul comutatiei (L_c=0)

Curentul de sarcina I_d (aproximativ constant in timp) este debitat de cele doua infasurari secundare.

Curentul printr-o semiinfasurare poate fi descompus (figura 3.12) intr-o componenta continua de valoare I_d/2 si o componenta alternativa de amplitudine I_d (varf la varf). Numai componenta alternativa a amper-spirelor secundare este echilibrata de amper-spirele primare. Dezechilibrul de curent continuu determina o slaba utilizare a infasurarii secundare, deci o putere de calcul ridicata pentru transformator.

Deoarece (vezi figura 3.11):

iar curentii secundar si primar sunt legati prin relatia (ecuatia solenatiilor):

rezulta forma acestora (reprezentata in figura 3.13).

Pentru curentul printr-o semiinfasurare secundara avem:

,

iar pentru curentul primar avem:

Tensiunea redresata avand aceeasi forma ca cea din cazul functionarii pe sarcina rezistiva, rezulta:

deci

cu punct median si sarcina rezistiv-capacitiva conexiunea paralel (R C)

Cu originea de timp in ecuatiile curentilor din circuit (figura 3.15), pe intervalul de incarcare al condensatorului sunt :

Cu notatiile din figura 3.16:

= unghiul la care dioda incepe sa conduca ;

= unghiul de conductie al diodelor ;

= unghiul la care dioda se blocheaza ;

putem scrie:

Curentul de descarcare al condensatorului pe intervalul este:

Tensiunea redresata este data de relatia:

Rezulta valoarea medie a tensiunii redresate:

in punte cu sarcina rezistiva R

Daca consideram tensiunea secundara, , formata din tensiunile (masurate fata de un punct secundar median fictiv, figura 3.19):

si ,

formele de unda caracteristice (figura 3.20) au aceeasi alura cu cele de la redresorul monofazat bialternanta cu punct median.

Relatiile de calcul stabilite la redresorul bialternanta cu punct median raman valabile (cu observatia facuta privind amplitudinea secundara U), deci avem:

- valoarea medie a tensiunii redresate:

- valoarea efectiva a tensiunii redresate:

- valoarea medie a curentului redresat:

- valoarea efectiva a curentului redresat:

- randamentul redresorului:

- valoarea medie a curentului prin diode

valoarea efectiva a curentului prin diode:

in punte cu sarcina puternic inductiva

Daca consideram curentul redresat constant (figura 3.21), formele de unda caracteristice sunt prezentate in figura 3.22. Functionarea redresorului este analoga cu cea pentru sarcina rezistiva.

Curentul secundar si primar i_p au forma din figura 3.22, valoarea lor medie fiind nula.

Valoarea efectiva a curentului secundar (respectiv primar) este:

deci puterile de calcul (aparente) pentru transformator sunt date de relatiile:

deci