Diagnoza Convertoarelor Statice de Putere
CUPRINS
Capitolul 1 Generalitati asupra CSP
1.Generalitati asupra convertoarelor statice de putere…………………………… ………pag. 1
1.1. Definitii.Clasificare.Loc………………………………………………………………..pag .1
1.2. Marimi caracteristice……………………………………………………………………pag 4
Capitolul 2 Redresoarele
2.1. Definitii.Clasificare.Loc……………………………………………………………… pag 9
2.2. Transformatorul……………………………………………………………………… pag 11
2.3. Redresorul monofazat…………………………………………………………………..pag 12
Capitolul 3 Variatoarele de tensiune alternative
3.1 Generalitati…………………………………………………………………………… pag 24
3.2 VTA monofazat…………………………………………………………………………pag 25
3.3 VTA trifazat…………………………………………………………………………… pag 28
Capitolul 4 Cicloconvertore
4.1 Generalitati.Ciclonvertorul monofazat………………………………………………….pag 29
4.2 Cicloconvertoare trifazate……………………………………………………………….pag 33
Capitolul 5 Chopperele (VTC)
5.1 Generalitati.Clasificare…………………………………………………………………..pag 35
5.2 VTC in patru cadrane……………………………………………………………………pag 40
Capitolul 6 Invertoarele
6.1 Generalitati.Clasificare…………………………………………………………………. pag 44
6.2 Invertoare monofazate………………………………………………………………….. pag 46
6.3 Invertoare trifazate…………………………………………………………………… pag 50
Capitolul 7 Diagnoza si Sisteme expert
7.1 Generalitati.Tipuri de defecte………………………………………………………… pag 53
7.2 Concepte utilizate in diagnoza avariilor……………………………………………… pag 55
7.3 Arhitectura unui sistem de detectie si diagnoza a avariilor…………………………… pag 58
Capitolul 8 Sisteme de diagnoza pentru convertoarele statice de putere
8.1 Principii de realizare………………………………………………………………… pag 59
8.2 Concluzii……………………………………………………………………………… pag 63
Capitolul 9 Proiectarea unui sistem de diagnoza pentru redresorul monofazat
9.1 Introducere…………………………………………………………………………… pag 66
9.1.1 Tema de proiectare…………………………………………………………. pag 66
9.1.2 Prezentare releu inteligent…………………………………………………… pag 66
9.1.3 Schema redresorului monofazat……………………………………………… pag 67
9.2 Diagnoza redresorului monofazat…………………………………………………… pag 68
9.2.1 Descrierea simptomelor, defectelor si cauzelor…………………………… pag 68
9.2.2 Diagrama simptomelor, defectelor si cauzelor……………………………… pag 69
9.3 Implementarea sistemului de diagnoza in PLC……………………………………… pag 70
9.3.1 Schema logica a procesului………………………………………………… pag 70
9.3.2 Tabela de avarii…………………………………………………………….. pag 71
9.3.3 Tabela de intrari-iesiri………………………………………………………. pag 71
9.3.4 Implementarea in limbajul Ladder Diagram………………………………. pag 72
9.4 Observatii si concluzii…………………………………………………………………..pag 73
Anexa Programul implementat in PLC
Bibliografie
Bibliografie :
Sisteme expert pentru diagnoza echipamentelor electrice/ Autori : M.O. Popescu ; C.L. Popescu ; Sergiu Gheorghe ; Sabina Pop ; Constantin Ghita / Editura Electra
Convertore statice de putere / Autori : Florin Ionescu ; Dan Floricau ; Smaranda Nitu; Jean-Paul Six / Editura Tehnica
The organization of Expert Systems / Autori : Mark Stefik ; Jan Aikins ; Robert Balzer ; John Benoit ; Lawrence Birnbaum ; Frederich Hayes Roth
Introduction au diagnostic des defaillances / Autori : T. AL ANI Laboratoire A2SI-ESIEE-Paris
Studii si cercetari privind diagnoza tehnica a echipamentelor electrice / Teza de doctorat Oradea 2006
Sisteme expert pentru de testare si diagnoza pentru echipamentele electrice de tractiune urbana / Autori : Ing.S.A. Gheorghe
Controlere Logic Programabile / Autori : Valentin Napravescu ; Dragos Ovidiu Kisck
=== Cap 1 ===
Generalitati asupra convertoarelor statice de putere
1.1 Definitii. Clasificare. Loc
Convertoarele statice de putere sunt echipamente statice complexe intercalate intre sursa de energie si receptor , avand rolul de a modifica parametrii energiei furnizate de sursa (valoare , forma , frecventa a tensiunii) tinand cont de cerintele impuse de receptor.
Convertoarele pot fi de asemenea montate intre doua surse de energie pentru a face posibila functionarea simultana a acestora . Convertorul static are rol de receptor din punct de vedere al sursei de energie si rol de sursa de energie din punct de vedere al sarcinii .
Partea de putere a convertorului este realizata cu dispozitive semiconductoare de putere comandabile (tiristoare , tranzistoare) si/sau necomandabile (diode). Aceste dispozitive , functionand in regim de comutatie , au rolul unor intreruptoare , deci rezulta un regim permanent format dintr-o succesiune periodica de regimuri tranzitorii .
Inchiderea si deschiderea succesiva a acestor dispozitive se face dupa o logica impusa de principiul de functionare al convertorului . Aceasta logica este asigurata de schema electronica de comanda. Toate convertoarele contin deci o parte de putere (forta) si o parte de comanda .
Convertoarele asigura conversia unor cantitati importante de energie.
Aceasta impune ca principalul lor criteriu de dimensionare sa fie randamentul.
Clasificarea convertoarelor statice de putere se poate face , in principal , dupa doua criterii :
Tipul marimii electrice la intrarea si iesirea convertorului
Tipul de comutatie
Dupa primul criteriu se disting
Redresoarele – sunt convertoare alternativ continuu
Fluxul de energie este orientat de la partea de curent alternative la partea de current continuu
Variatoarele de tensiune alternativa – sunt convertoare alternativ – alternativ
Fluxul de energie este orientat de la partea de current alternative a intrarii spre partea de current alternativ a iesirii. Frecventa tensiunii de iesire este aceeasi cu cea a tensiunii de intrare , dar valoarea sa efectiva poate fi modificata .
Cicloconvertoarele sunt convertoare alternativ-alternativ
Fluxul de energie este orientat de la partea de current alternativ a intrarii catre partea de current alternativ a iesirii , dar frecventa tensiunii de iesire poate fi modificata in raport cu cea a tensiunii de intrare , ca si valoarea sa efectiva.
Chopperele sunt convertoare continuu-continuu
Fluxul de energie este orientat dinspre partea de current continuu de intrare spre partea de de current continuu de iesire. Tensiunea de iesire este reglabila
Invertoarele autonome sunt convertoare continuu alternative
Fluxul de energie se transmite de la partea de current continuu la partea de current alternativ. La iesire putem gasi una sau mai multe tensiuni alternative reglabile ca valoare efectiva si ca frecventa
Fig. 1 Posibilitati de conversie a energiei electrice prin intermediul convertoarelor statice de putere
Fig. 1 arata conversiile energiei. Sagetile indica fluxul de energie .
In plus, conversia continuu-continuu si conversia alternativ-alternativ sunt posibile cu ajutorul convertoarelor cu o structura mai complexa , numite cu “faze intermediare de conversie “
In acest caz :
– convertorul continuu-continuu contine un invertor autonom, un circuit intermediar de tensiune alternativa si un redresor
– convertorul alternativ-alternativ contine un redresor , un circuit intermediar de tensiune sau curent continuu si un invertor autonom
Dupa al doilea criteriu se disting
Convertoare cu comutatie naturala
Convertoare cu comutatie comandata
Prin comutatie se intelege trecerea succesiva a curentului de la o cale de curent la alta cale de curent a partii de putere
Prin definitie , o cale de curent contine un singur intrerupator (un singur dispozitiv conductor de putere). Pentru comutarea intre starea inchis si starea deschis, un intrerupator trebuie sa aiba aplicata la bornele sale o tensiune convenabila. Aceasta tensiune este numita tensiune de comutatie. Daca aceasta tensiune este disponibila in cadrul partii de putere se spune ca avem un convertor cu comutatie naturala ; daca nu, ea trebuie creata si aplicata la momente determinate in timp. In acest caz avem o comutatie comandata
Pentru tiristoarele normale, comutatia comandata se numeste fortata deoarece blocarea unui asemenea dispozitiv se face prin intermediul unui circuit auxiliar de blocaj; el este pus in functiune intr-un moment convenabil de catre circuitul de comanda
Redresoarele, variatoarele de tensiune alternativa si cicloconvertoarele sunt convertoare cu comutatie “naturala” deoarece tensiunea de comutatie se gaseste in partea de forta creata de reteaua alternativa. Blocajul tiristoarelor sau diodelor convertoarele cu comutatie naturala se face la trecerea naturala prin zero a curentului care le strabate.
Chopperele si invertoarele autonome sunt convertoare cu comutatie comandata.
Aplicatiile convertoarelor statice de putere apartin preponderent mediului industrial deoarece ele permit receptoarelor sa primeasca energie sub forma cea mai convenabila, deci sa functioneze cu randament optim.
Cercetarile asupra dezvoltarii convertoarelor se fac practic in doua directii :
cresterea puterii pe unitatea de volum;
micsorarea gabaritelor si a costurilor
Progresele tehnicii bazate pe convertoare statice de putere sunt legate de progresele industriei dispozitivelor semiconductoare de putere, care a reusit in ultimiii ani sa produca dispozitive avand caracteristici nominale si fiabilitate din ce in ce mai ridicate.
Convertoarele statice joaca un rol primordial in actionarile electrice utilizate in toate domeniile tehnicii si in principal in domeniile tractiunii electrice si masinilor unelte.
Convertoarele electrice sunt utilizate peste tot. Se folosesc in industria chimica (electroliza, galvanizare) , metalurgica (siderurgie), mecanica (sudura), etc. si de asemenea in masini-unelte, aparate electrocasnice (reglajul vitezei cu variatore de tensiune alternativa)
1.2 Marimi caracteristice
Marimile de iesire si de intrare ale convertoarelor sunt adesea nesinusoidale .
Fie x(t) o asemenea de functie nesinusoidala, dar periodica ,
x(t)= x(t+T). Pentru a o caracteriza se utilizeaza :
a) valoarea medie X
b) Valoarea efectiva X
c) Valoarea efectiva a componentelor alternative
d) Valoarea medie Redresata
e) dezvoltarea in serie Fourier
Unde
Reprezinta pulsatia corespunzatoare
Tinand cont de simetria functiei x(t), calculul coeficientilor se simplifica
f) Factorul de forma F
g) Factorul de modulatie fM
h) Continutul in fundamentala ff
Unde X1 este valoarea efectiva a fundamentalei
i) Reziduul deformant Xrd
j) Factorul de distorsiune fD:
k) Factorul de forma modificat :
l) Factorul de ondulatie :
Unde xmax si xmin sunt valorile extreme ale functiei x(t).
Puterea in regim sinusoidal
Fie o tensine sinusoidala la bornele unui receptor :
Φu = defazajul ,
U- valoarea efectiva
Iar curentul care il parcurge :
I – valoarea efectiva
Ivf – valoarea de varf
Defazajul tensiune curent este :
Puterea instantanee va fi :
Puterea activa
Puterea aparenta
S=UI
Deci amplitudinea oscilatiilor puterii instantanee p este egala cu S si :
Puterea reactiva :
Puteri in regim nesinusoidal
Daca u(t) si i(t) sunt marimi periodice nesinusoidale
Valorile efective :
Valorile medii :
Umed = U0
Imed = I0
Puterea aparenta este definita ca produsul valorilor efective :
S=UI
Puterea activa :
Factorul de putere
Factorul de putere este mai mic decat unitatea din cauza diferentei dintre forma undelor de curent si tensiune si defazajul dintre aceste unde
=== Cap 2 ===
2. Redresoarele
2.1 Definitie. Clasificare. Loc
Redresorul este un convertor static de putere care realizeaza conversia unei tensiuni alternative (mono sau polifazata ) intr-o tensiune continua, sensul conversiei energiei fiind disnpre partea de curent alternativ spre partea de curent continuu.
El este in general compus dintr-un transformator (poate lipsi in unele scheme), din bobine de limitare a curentului montate pe partea de alimentare alternativa (in cazul in care transformatorul lipseste), din elemente de netezire a curentului si/sau tensiuni pe partea de curent continuu, din elemente de protectie la suprasarcini si supratensiuni si din dispozitive semiconductoare de putere cu conductie unidirectionala (diode si tiristoare) in fiecare cale de curent , caile fiind legate de o asemenea maniera incat dispozitivele sa aiba aceeasi durata de conductie sau de blocaj . Dispozitivele devin succesiv conductoare , sub actiunea tensiunii de comutatie furnizate din reteaua de alimentare, legile fiind impuse de modul de conexiune . Intr-o perioada a tensiunii retelei exista un numar precizat de treceri ale curentului dintr-un intreruptor inchis care se deschide, la urmatorul deschis care se inchide.
Celula de comutatie este formata de cai de curent care comuta unele dupa altele in mod ciclic. Numarul de cai de curent pe fiecare celula de comutatie este notat cu q. Un redresor poate avea una sau mai multe celule de comutatie conectate in serie sau paralel.
Numarul de celule de comutatie conectate in serie este desemnat de numarul SC. Numarul K este numarul de celule de comutatie ale unui redresor aflate in comutatie in acelasi timp. Cu p se noteaza numarul de segmente de sinusoida ale tensiunii redresate pe perioada tensiunii retelei.
Clasificarea redresoarelor se face dupa mai multe criterii :
dupa tensiunea alternativa de alimentare :
– redresoare monofazate alimentate de la reteaua monofazata ;
– redresoare trifazate alimentate de la reteaua trifazata.
dupa tensiunea continua de iesire :
– redresoare necomandate ( care nu contin decat diode). Ele furnizeaza la iesire o tensiune continua de valoare constanta;\
– redresoare comandate ( care nu contin decat tiristoare) si semicomandate ( cu tiristoare si diode ). Ele furnizeaza la iesire o tensiune continua de valoare reglabila.
dupa polaritatea tensiunii continue de iesire :
– redresoare care dau o tensiune continua de polaritate unica +Ud
redresoare care furnizeaza la iesire o tensiune continua de polaritate ±Ud. Caracteristica externa se situeaza in cadranele I si IV ale planului (Ud,Id). Ele sunt numite redresoare comandate sau convertoare cu comutatie naturala pentru doua cadrane. Functionarea in cadranul IV este un regim de invertor cu comutatie naturala, pilotat de reteaua alternativa si care nu este posibil decat cu o sarcina activa (RLE), capabila sa mentina sensul curentului Id. Redresoarele comandate pot functiona in aceste doua cadrane .(Figura 2.1)
dupa gruparea infasurarilor transformatorului, infasurarile fiind sursa tensiunilor alternative :
– redresoare de tip paralel (P), sunt cele pentru care cele n infasurari (fiecare in serie cu intreruptorul unidirectional) sunt grupate in stea si sunt in paralel in raport cu cu bornele de iesire ale redresorului . Deci daca de exemplu redresorul este necomandatsi format din n diode, valoare instantanee a tensiunii redresate va fi egala cu valoare instantanee a tensiunii celei mai pozitive dintre cele n tensiuni positive dintre cele n tensiuni.
2.2 Transformatorul
Cea mai mare parte a redresoarelor contine un transformator .Transformatorul realieaza separarea galvanica intre circuitul primar si circuitul secundar si determina, prin valoarea tensiunii sale secundare , valoarea medie a tensiunii redresate.
Functionarea schemei de redresare impune ca infasurarile primare si secundare sa fie parcurse de curenti nesinusoidali. Acesti curenti nesinusoidali cer ca puterea aparenta de dimensionare a unui transformator utilizat la constructia unui redresor sa fie superioara celei a unui transformator utilizat la constructia care functioneaza in regim sinusoidal.
Pentru a caracteriza performantele schemei de redresare in legatura cu transformatorul, se utilizeaza ca putere de referinta puterea ideala pe partea de curent pe partea de curent continuu Pd0, data de relatia :
Cu Ud0 – valoarea medie a tensiunii de iesire in gol a redresorului
Id – curentul de sarcina (prin receptor figura 2 , 2.1)
2.3. Redresorul monofazat
Schema electrica a acestui tip de redresor este data in fig.2.2a.Functionarea are loc astfel: la aplicarea unei tensiuni alternative in primar, ia nastere in secundar tot o tensiune alternativa, ce se aplica pe anodul diodei redresoare.Pe durata alternantelor pozitive, dioda conduce in circuit un curent proportional cu tensiunea aplicata,deci avand aceeasi forma cu ea. Pe durata alternantelor negative,dioda este blocata si curentul prin circuit este nul. Curentul prin sarcina circula deci intr-un singur sens, sub forma unor alternante (curent pulsatoriu).
Fig.2.2 Redresor monofazat monoalternanta cu sarcina rezistiva:
a-schema electrica; b-forma de unda a tensiunii redresate.
Tensiunea la bornele sarcinii (us), reprezentata in fig.2.2b, are expresia matematica:
us=Usmsinωt, (1) in intervale in care dioda conduce () si :
us=0, (1bis) intervalele in care dioda este blocata ();
Orice tensiune periodica se poate descompune intr-o suma de tensiuni de forma:
us=Uo+U1msin(ωt+φ1)+U2msin(2ωt+φ2)+… (2)
In cazul redresoarelor monoalternanta se obtine:
us=Usm[+sinωt+sin(2ωt-)+… (3)
Comparand relatiile (2) si (3) se observa ca valoarea componentei continue la bornele sarcinii este:
U0s=, (4)
iar
valoarea maxima a componentei alternative sinusoidale fundamentale:
U1m=. (4bis)
Pentru a aprecia cat de apropiata este forma tensiunii redresate de aceea a unei tensiuni continue, se introduce un coeficient numit factor de ondulatie γ,care este definit astfel:
γ= (5)
In cazul acestui tip de redresor valoarea factorului de ondulatie este:
γ= (6)
In cazul unui redresor ideal factorul de ondulatie trebuie sa fie zero. In cazul anterior descris se observa ca γ>1, deci forma tensiunii redresate nu este multumitoare. Pentru a o imbunatati se folosesc scheme de redresare dubla alternanta.
Un alt criteriu de apreciere a redresorului il constituie randamentul sau (η ), definit ca raportul dintre puterea utila de c.c. furnizata in sarcina si puterea consumata,absorbita de la retea:
η= (7)
In acest caz,valoarea puterii utile va fi:
Pu=IoUo== (8)
iar puterea absorbita de la retea, in timpul alternantei pozitive in care dioda functioneaza, va fi:
Pa= (9)
avand:
Ui~Us,pentru,rd<R, (10)
in care:
Ui-tensiunea alternativa aplicata diodei;
Us-tensiunea redresata de la bornele sarcinii;
rd-rezistenta de conductie a diodei;
R-rezistenta de sarcina.
Valoarea randamentului devine:
η= (11)
un randament de 0,4 este foarte scazut, iar ca sa fie cat de cat acceptabil trebuie sa fie de 0,65-0,70.
Tensiunea inversa maxima este:
Uinvmax=Uim (12)
Redresoarele monofazate cu sarcina RL
Schema redresorului monofazat monoalternanta cu sarcina RL este aratata in fig.2.3. Inductanta L poate apartine consumatorului (motoare de curent continuu, electromagneti, relee etc.) sau poate fi introdusa ca element separat in serie cu rezistenta de sarcina, pentru “netezirea” undei curentului redresat. Curba curentului este diferita de curba tensiunii de alimentare, curentul circuland si in cursul unei fractiuni din alternanta negativa.
Fig.2.3. Redresorul monofazat monoalternanta cu sarcina RL.
In timpul conductiei elementului redresor, este valabila ecuatia:
e=L+iR=Umsinωt, (13)
a carei solutie este de forma:
i= (14)
in care:
φ=arctg.
Se observa ca actiunea de netezire a curentului redresat de catre inductanta este mai importanta la valori mici ale rezistentei de sarcina.
In cazul redresorului monoalternanta,inductanta mareste durata impulsurilor de curent prin elementul redresor,dar nu poate asigura in permanenta o tensiune la bornele rezistentei de sarcina. Efectul de netezire exercitat de inductanta este mai puternic daca se foloseste o redresare dubla-alternanta. Din formele de unda, se observa ca acest curent redresat nu scade la zero la sfarsitul unei alternante.Curbele curentului redresat pentru diferite valori ale raportului ωL/R=tgφ arata ca odata cu cresterea inductantei, pulsatiile curentului redresat, scad foarte mult.Aceasta se explica prin impedanta mare, opusa de inductanta la trecerea armonicilor curentului redresat, care are ca efect reducerea amplitudinilor acestora fata de componenta medie.Din aceste motive inductanta este folosita ca filtru de netezire a curentului redresat.
Modificare formei undei curentului redresat in urma actiunii inductantei atrage dupa sine modificarea formei curentului primar si o micsorare a factorului de putere ale instalatiei.Trecerea de la o sarcina rezistiva la sarcina inductiva cu L=∞ in schema de redresare dubla-alternanta micsoreaza puterile de calcul ale transformatorului.
Factorul de deformare se micsoreaza, de asemenea,devenind θ=0,9.Toate aceste modificari se explica prin cresterea numarului de armonice de ordin superior in curba curentului primar.
O netezire eficace a curentului redresat se poate obtine si cu un redresor monoalternanta cu sarcina RL suntata de o a doua dioda montata ca in fig.2.4.
Avantajul principal al acestei scheme consta in puterea de calcul mult redusa a transformatorului de retea. Ea este utilizata pentru alimentarea bobinelor de curent continuu ale releelor, contactoarelor sau ale altor dispozitive din schemele de automatizare.
Fig. 2.4. Redresorul monofazat cu sarcina RL suntata de o dioda de
regim liber (dioda de nul)
a-schema de principiu; b-formele de unda.
Redresorul monofazat cu sarcina RC
Schema redresorului monoalternanta cu sarcina RC este aratata in fig.2.5. Functionarea sa este ilustrata (in mod simplificat) cu ajutorul diagramei din figura 2.6. Condensatorul C se incarca in perioada de timp care trece curentul prin elementul redresor si se descarca prin rezistenta de sarcina R in perioada de timp in care elementul redresor este blocat (din cauza ca potentialul catodului sau este mai pozitiv decat potentialul anodului).
Fig.2.5 Redresorul monofazat Fig.2.6 Formele de unda pentrumonoalrernanta cu sarcina RC circuitul din figura 2.5.
In momentul incetarii procesului de incarcare a condensatorului, incepe descarcarea condensatorului pe rezistenta de sarcina. Daca circuitul are o constanta de timp RC suficient de mare descarcarea are loc destul de lent si curentul prin sarcina isi pastreaza o valoare diferita de zero pana la inceperea unei noi perioade de conductie a elementului redresor.
Datorita efectului de netezire a undei curentului si tensiunii redresate, condensatoarele sunt utilizate frecvent ca elemente de filtraj in redresoarele monofazate cu sarcina rezistiva.
Redresorul monofazat dubla alternanta cu transformator cu priza mediana
In figura 2.7a este redata schema electrica a unui redresor dublu alternanta, la care tensiunea de alimentare se aplica printr-un transformator avand un secundar cu priza mediana legata la masa.Se observa ca schema contine doua redresoare monoalternanta, formate din :
-infasurarea L′2,D1,R8;
-infasurarea L″2,D2,R8.
Datorita modului in care sunt conectate infasurarile secundare, tensiunile la bornele celor sectiuni variaza in antifaza.La aparitia alternantei pozitive la infasurarea L′2, dioda D1 este polarizata direct, conduce si determina aparitia curentului i′A, care strabate rezistenta de sarcina Rs in sensul indicat pe figura.In acest interval, in infasurarea L″2 fiind aplicata alternanta negativa, dioda D2, este polarizata invers si curentul in circiut este nul.
Fig.2.7 Redresorul monofazat dubla alternanta folosind transformator cu
priza mediana si sarcina rezistiva:
a-schema electrica; b-forma de unda a tensiunii redresate.
Redresorul monofazat dubla alternanta in montaj de tip punte
Schema ce ofera avantaje redresorului anterior, evitand dezavantajele lui, este cea a unui redresor monofazat dubla alternanta in punte(fig.2.8).
Cele patru diode redresoare folosite formeaza bratele unei punti, la care alimentarea in curent alternativ se face printr-o diagonala, de la secundarul unui transformator, iar tensiunea redresata se culege la bornele unei rezistente plasate in cea de a doua diagonala.
Functionarea redresorului este urmatoarea:in timpul aplicarii alternantei pozitive la o extremitate a secundarului transformatorului, conduc diodele D1 si D3, care sunt polarizate direct, determinand un curent i′A in rezistenta Rs, iar diodele D2 si D4 fiind invers polarizate,sunt blocate.
La aparitia celei de a doua alternante, D1 si D3 sunt blocate, pe cand D2 si D4 conduc,determinand aparitia curentului i″A ce strabate in acelasi sens rezistenta de sarcina Rs.Se observa ca forma tensiunii redresate este aceeasi ca si in cazul redresorului folosind un transformator cu priza mediana, tensiunea inversa maxima pentru fiecare dioda fiind insa Uim, ca si in cazul redresorului monoalternanta.
Dezavantajele acestui montaj constau in numarul marit de diode folosite (patru) si necesitatea unei bune izolari fata de restul elementelor a capatului nelegat la masa al rezistentei de sarcina Rs.
Fig.2.8 Redresor monofazat dubla alternanta, in punte-avand sarcina
rezistiva:a-schema electrica; b-forma de unda a tensiunii redresate.
Redresorul monofazat cu multiplicarea tensiunii redresate
A-cu dublarea tensiunii redresate
In anumite aplicatii practice, este necesara obtinerea unei tensiuni redresate mai mari decat tensiunea alternativa aplicata. In acest caz se folosesc scheme cu multiplicarea tensiunii redresate.
In schema din figura 2. 9 se reprezinta redresoare cu dublare de tensiune in doua variante: in montaj punte (a) si folosind un punct comun intre sursa de curent alternativ si sarcina(b).
In primul caz (fig. 2.9a), schema este alcatuita din doua redresoare monofazate, monoalternanta, independente: D1, C1 si respective D2,C2. Presupunand sarcina deconectata, in alternantele poxitive dioda D1 conduce, iar C1 se incarca la valoarea de varf Um cu polaritatea din figura. Diferenta de potential a punctelor unde se conecteaza sarcina este UAB=+2Um. S-a obtinut astfel o tensiune redresata de doua ori mai mare decat amplitudinea tensiunii alternative.
In prezenta sarcinii, condensatoarele se descarca partial, dar se reîncarca de la retea in alternanta convenabila.
Fig2.9 Redresoare monofazate cu dublarea tensiunii:
a-varianta in punte;
b-varianta cu punct comun intre sursa de curent si sarcina.
B-multiplicarea tensiunii
Fig2.10.Redresor monofazat cu multiplicarea tensiunii redresate
O schema mai generala, pentru “multiplicarea tensiunii”, este data in figura 2.10. Se va presupune, la fel ca in cazul schemei precedente, ca descarcarea condensatoarelor, in intervalele de blocare a diodelor, este neglijabila. In semialternanta pozitiva, condensatorul C1 se incarca prin dioda D1, cu polaritatea din figura, la o tensiune apropiata de U2m. In urmatoarea semialternanta, negative, conduce dioda D2 si condensatorul C2 se incarca pana aproape de valoarea maxima a tensiunii aplicate: u2 plus tensiunea 2U2m de la bornele lui C2, minus tensiunea U2m de la bornele lui C1, adica 2U2m. In mod similar, se poate arata ca si celelalte condensatoare se incarca cu tensiuni apropiate de 2U2m. In consecinta, pe ramura superioara grupajul condensatoarelor furnizeaza tensiunea U01=( k-1)U2m, iar pe ramura inferioara:U02=kU2m unde k este numarul diodelor din schema.
Schema unui redresor monofazat dubla alternanta,de tipul comandat este aratata in figura 2.11. Elementul de reglaj este montat in diagonala unei punti de diode, legate in serie cu infasurarea primara a transformatorului.
Fig.2.11 Redresor monofazat cu reglajul tensiunii in primar.
In schema de redresare a ambelor alternante cu sarcina RC capacitatea joaca acelasi rol, insa timpul in care condensatorul alimenteaza singur rezistenta de sarcina se reduce, gradul de netezire a curbei tensiunii redresate (pentru aceeasi valoare a constantei de timp Z=RC) fiind mai mare.
Pentru o analiza mai exacta a schemelor de redresare cu capacitate este necesar sa se ia in considerare si rezistenta de pierderi pe faza Rp, constituita din rezistenta infasurarii secundare si rezistenta interna a fiecarui element redresor.
Se constata ca la rezistente de pierderi Rp mici, unghiul de conductie al elementului redresor se micsoreaza, impulsurile curentului redresat devin foarte scurte, iar amplitudinea lor creste. Aceasta conduce la o crestere importanta a valorilor efective ale curentilor in infasurarile transformatorului si la cresterea puterii sale de calcul. Unghiul de conductie creste odata cu micsorarea rezistentei de sarcina R, in timp ce valoarea medie a tensiunii redresate scade.
Caracteristica externa a redresorului cu sarcina RC este o curba continuu cazatoare, micsorarea tensiunii redresate in functie de curentul de sarcina fiind cu atat mai puternica ,cu cat capacitatea C este mai mica .
Caracterul capacitiv al sarcinii modifica si regimul de functionare al redresorului in timpul tensiunii inverse. Folosindu-ne de figura 7, constatam ca tensiunea inversa aplicata diodei in momentul cand tensiunea alternativea trece prin maxim este data de relatia:
Uimax=Un+uc
Daca luam in considerare regimul de mers in gol al redresorului, cand uc=Un, rezulta ca tensiunea inversa maxima este egala cu 2Um.
Se constata ca pentru a obtine o tensiune redresata cat mai apropiata de Um, este necesar sa se lucreze cu valori RC cat mai mari. Aceasta insa conduce la aparitia unor impulsuri de curent importante, care pot micsora durata de viata a elementelor redresoare.
Intr-adevar, in momentul conectarii redresorului la retea, condensatorul C este descarcat si se comporta practic ca un scurtcircuit la bornele rezistentei de sarcina. Astfel, in timpul primei alternante, elementului redresor i se aplica un impuls de tensiune maxima U2 dioda fiind strabatuta de un curent:
Iimp=
Redresorul comandat monofazat
Redresorul comandat monofazat cu punct median are schema de principiu data in figura 2.12a. El se compune dintr-un transformator monofazat cu punct median si din doua tiristoare V1, V2. Dioda D0 numita dioda recuperatoare poate lipsi in unele cazuri din circuite.
Fig 2.12. Redresorul comandat monofazat cu punct median
In cazul sarcinilor pur rezistive redresorul functioneaza numai in regim de curent intrerupt; curentul redresat Id are momente cand se anuleaza. Valoarea tensiunii medii redresate este in acest caz:
unde ,
,
Functionarea in regim de curent neinntrerupt este conditionata de existenta unei inductivitati de valoare mare pe sarcina si de limitarea unghiului de comanda la valori mai mici decit unghiul de comanda limita α1=90 grade, unghi la care pentru regimul de curent neintrerupt, tensiunea medie redresata Udm se anuleaza (vezi relatia 2) .
Pentru regimul de curent neintrerupt , tensiunea medie redresata se poate scrie:
In acest caz caracteristica de comanda este reprezentata in figura 4, si este data de relatia :
Fig 2.13. Caracteristica de comanda a redresorului monofazat comandat
Functionarea la unghi de comanda α> 90 grade in regim de curent neintrerupt presupune trecerea in regim global de invertor, ceea ce se poate face doar atunci cand pe partea de curent continuu exista surse capabile sa furnizeze energie, cum ar rotorul unei masini de curent continuu.
Comparind cele doua caracteristici de comanda, obtinute pentru cazul functionarii in curent intrerupt si in curent neintrerupt observam ca la trecerea dintr-un regim in celalalt apare un salt de tensiune (dU) lucru nepermis intr -un sistem de reglare. Un motor alimentat cu astfel de redresoare poate functiona la fel de bine in oricare din cele doua regimuri, dar nu este permisa trecerea in timpul functionarii dintr-un regim in celalalt. Unghiul de comanda este limitat la aproximativ 150 grade datorita necesitatii ca tiristorul care intra in conductie sa fie polarizat corect un timp suficiennt pentru a prelua intregul curent de sarcina .
2.4. Redresorul trifazat
Redresorul trifazat comandat cu punct median are schema de principiu data in figura 2.14a.
Pentru cazul sarcinilor pur rezistive (figura 2.14b) si pentru unghiuri de comanda a³T/ 6 ( unghi masurat din punctul de comutatie naturala A – punct in care cele doua tensiuni de faza se intersecteaza ) ventilele se blocheaza la trecerea prin zero a curentului ( simultan cu trecerea prin zero a tensiunii pe faza respectiva, deci ne aflam in situatia unui regim de curent intrerupt.
=== Cap 3 ===
3. Variatoarele de tensiune alternativa
3.1 Generalitati
Variatoarele de tensiune alternative (VTA) sunt convertoare alternativ-alternativ (fig.3). La intrarea lor se aplica o tensiune alternativa monofazata sau trifazata cu frecventa f si de valoare efectiva constanta Ua, iar la iesire se obtine o tensiune alternative monofazata sau trifazata de aceeasi frecventa f, dar de valoare efectiva Us, reglabila.
Ua constanta Us reglabila
Fig 3 Variatorul de tensiune alternativa
Din punctual de vedere al tensiunii de iesire se disting VTA monofazate si trifazate
Comanda lor, prin reglarea valorii effective a tensiunii de iesire, se poate face dupa doua principia :
Reglajul de faza
Controlul numarului de perioade de conductie
Prima metoda este cea mai utilizata, deoarece ea presupune o schema de comanda foarte simpla.
Ca principiu, VTA trebuie sa lase sa treaca curentul in cele doua sensuri. Deci dispozitivele semiconductoare legate pe fiecare cale sunt bidirectin curent.Prin urmare, se utilizeaza triacul sau pentru puteri ridicate doua tiristoare in montaj anti-paralel
3.2 VTA monofazat
Este constituit dintr-un ansamblu bidirecțional (două tiristoare conectate în antiparalel sau un triac), montat între sursa de tensiune alternativă și sarcină (fig.3.1). Dispozitivul de comandă DC asigură impulsuri de comandă,defazate cu π radiani între ele, care se distribuie alternativ celor două tiristoare. Aceste impulsuri sunt întârziate, cu unghiul α, față de momentul trecerii prin zero a celor două semialternanțe. Momentele blocării tiristoarelor depind numai de caracterul și parametrii sarcinii.
Pentru analiza care urmează, se fac următoarele ipoteze:
– sursa de tensiune u este perfectă și furnizează o tensiune sinusoidală de forma
u = 2Usinωt ,
în care U este valoarea efectivă, iar ω pulsația acesteia;
– tiristoarele se comportă ca întrerupătoare ideale (se neglijează comutația, căderea de tensiune în stare de conducție și curentul rezidual în stare blocată).
Fig.3.1. Schema de principiu a unui VTA monofazat, cu tiristoare
Functionarea VTA monofazate cu sarcina inductiva este reprezentata in figura 3.2.
Fig 3.2. Schema electrica a unui VTA monofazat cu sarcina inductive
În figura 3.3 sunt reprezentate formele de undă ale tensiunii la bornele sarcinii us , curentul de sarcină is și tensiunii la bornele triacului ute . În momentul t1 , după unghiul de comandă α triacul Tc comută direct, tensiunea us devine egală
Fig.3.3
În momentul t2 , după anularea curentului, tensiunea la bornele triacului crește brusc, triacul putând amorsa prin efect du / dt .
Ca urmare, în cazul variatoarelor de t.a. care au impedanța de sarcină puternic inductivă, se impune protecția triacurilor (sau a tiristoarelor conectate antiparalel) contra efectului du / dt prin conectarea în paralel cu dispozitive a grupurilor RC. Un al doilea fenomen legat de sarcinile puternic inductive, de care trebuie să se țină cont în special la conceperea schemelor de comandă se petrece la unghiuri de comandă mici,α 〈ϕ ; tg ϕ =ω Ls/Rs (φ = defazajul produs de sarcina inductiva). În acest caz unghiul de conducție α c al triacului devine α c 〉π și în momentul t0 în semialternanța următoare triacul primește impuls de comandă el este încă în conducție.
După anularea curentului prin triac el rămâne blocat astfel că forma de undă a tensiunii us va semăna cu cea a unui redresor monoalternanță și va fi total necorespunzătoare pentru sarcină. Pentru evitarea acestui neajuns schema de comandă trebuie astfel concepută încât, dacă αc 〈ϕ , să se asigure ocomandă de comutare directă a triacului și în momentul anulării curentului prin triac.
Variatorul de tensiune alternativa cu histerezis redus (fig 3.4) este cel mai raspandit tip de variator monofazat. El este folosit in instalatiile de iluminat pentru a varia intensitatea luminoasa a lampilor incandescente si in aparatele electrocasnice pentru a varia viteza motoarelor de curent alternative.
Fig 3.4 VTA cu histerezis redus
Dupa descarcarea lui C, avand uc =UBr , C1(1,52 C) il reincarca rapid asigurand concordanta celor doua curbe : uc teoretica si uc reala.
3.3 VTA trifazate
Se folosesc pe fiecare faza intrerupatoare bidirectionale in curent, identice cu cele
studiate in monofazat; triacuri sau tiristoare in antiparalel .
Sarcina este conectata in stea sau triunghi
Fig 3.5 Schema de principiu a unui VTA trifazat cu tiristoare
Se va considera sarcina echilibrată,conectată în stea. Fiecare tiristor este comandat cu o întårziere reglabilă α față de trecerea prin zero a alternanței corespunzătoare a tensiunii de fază. Avånd în vedere defazajele dintre tensiunile sistemului trifazat de alimentare, vor rezulta aceleași defazaje între impulsurile de comandă ale tiristoarelor. Astfel, între impulsurile tiristoarelor T1, T3, T5, respectiv T2, T4, T6 va fi un defazaj de 2π/3 radiani, iar între tiristoarele de pe aceeași fază, un defazaj de π radiani.
=== Cap 4 ===
4.Cicloconvertoarele
4.1.Generalitati. Scheme de principiu
Cicloconvertoarele realizează conversia energiei de c.a. cu parametrii constanți, în mod direct, tot în energie de c.a., ai cărei parametri pot fi modificați prin comandă.
Funcționarea cicloconvertoarelor se bazează pe principiul redresoarelor bidirecționale, obținute prin conectarea în antiparalel a două redresoare identice, complet comandate (în fig. 4.1) este prezentată schema de principiu a unui cicloconvertor ce alimentează o sarcină monofazată).
Fig 4.1. Schema de principiu a unui cicloconvertor monofazat
Diferența față de redresoarele bidirecționale constă în comanda celor două redresoare, deoarece tensiunea u0 pe sarcină trebuie să fie alternativă. Se urmărește ca, valorile medii ale tensiunilor redresate de cele două redresoare să aibă o evoluție cåt mai apropiată de o sinusoidă.
Notånd cu α și β unghiurile de comandă ale tiristoarelor redresorului A, respective B, se face observația că, cicloconvertoarele pot avea curent de circulație, caz în care
αAαB= ; (1)
sau pot functiona fara curent de circulatie . Se va considera , in continuare, ca unghiurile de comanda satisfac relatia (1)
Pentru a identifica modul de comanda necesar, se presupune ca tensiunea de referinta din circuitul de comanda este cosinusoidala de forma
ur=Umaxcosωt (2)
Tinand cont de relatia (1) , rezulta ca, intre valorile medii corespunzatoare unei perioade a tensiunilor medii redresate, exista relatia
U0=UdA=-UdB
Pentru evidentierea modului de comanda, este suficient sa se urmareasca doar tensiunea furnizata de redresorul A, care se considera conventional pozitiva.
Neglijand comutatiile din redresoare, exista relatia
UdA=Ud0cosα (3)
In care Ud0 este valoarea medie a tensiunii redresate la mersul in gol si unghi de comanda nul, comuna ambelor redresoare (redresoarele sunt identice)
Impulsurile de comanda se genereaza in circuitul de comanda, la coincidenta valorilor tensiunilor de referinta si de comanda, respectiv pentru ωt=α; Tinand cont de relatia (2) rezulta
uc=Umaxcosα
de unde cosα = (4)
Inlocuind relatia (4) in relatia (3) rezulta
UdA=Ud0 (5)
Relatia (5) evidentiaza faptul ca, in cazul considerat, respectiv tensiunea de referinta de forma cosinusoidala , intre valoarea instantanee a tensiunii de comanda si valoarea medie a tensiunii pe sarcina exista o dependenta liniara.
In concluzie pentru a alimenta o sarcina de c.a , UdA trebuie sa fie alternativa, ceea ce se obtine daca tensiunea de comanda este alternativa.
Considerand tensiunea de comanda de forma
uc=Ucmaxsinω0t,
se obtine :
UdA=Ucmaxsinω0t (6)
Relatia (6) indica posibilitatile de comanda ale cicloconvertoarelor :
– amplitudinea valorii medii a tensiunii pe sarcina se regleaza prin modificarea tensiunii de comanda (U cmax) ;
– frecventa tensiunii pe sarcina fiind egala cu frecventa tensiunii de comanda, este controlata prin aceasta .
Tensiunea obtinuta astfel, in valori instantanee, este formata din segmente ale sinusoidelor tensiunilor de alimentare ale redresoarelor, deci este puternic distorsionata (fig 4.3)
Considerand doar valoarea medie a tensiunii redresate (UdA) si armonica fundamentala a curentului prin sarcina (I01), rezulta regimurile de functionare ale celor doua redresoare (fig 4.2)
Fig 4.2 Regimurile de functionare ale redresoarelor unui cicloconvertor
Semnificatia notatiilor este P- regim de redresor ; I- regim de invertor ;
convertor activ; P-convertor pasiv;
Este numit active convertorul care furnizeaza curentul pe sarcina . Acesta suporta insa si curentul de circulatie , ce se inchide prin convertorul pasiv , ale carui tiristoare raman inchise pe toata durata lor de conductie.
Regimurile de functionare au rezultat in functie de semnele tensiunii si curentului astfel :
pe intervalele cand Ud0, convertorul A – redresor ,
convertorul B – invertor ;
pe intervalele Ud0, convertorul A – invertor ,
convertorul B – redresor
pe intervale cand I010 ; convertorul A – activ ;
iar converorul B – Ipasiv ;
pe intervalele cand I010; convertorul A – pasiv ;
convertorul B – activ
Curentul de circulatie este determinat nu doar de diferenta intre valorile instantanee ale tensinilor redresate de cele doua convertoare ci si de tensiunile de autoinductie ce apar in bobinele Lc, care sunt parcurse de curentul alternativ al sarcinii . De aceea, bobinele de limitare a curentului de circulatie sunt mai mari decat la redresoarele bidirectionale.
Fig 4.3 Formele de unda corespunzatoare cicloconvertorului monofazat cu redresor in stea a) comanda tiristoarelor; b)tensiunea de faza si tensiunea pe sarcina; c)tensiunile de referinte si de comanda
Ciclonvertorul trifazat
Este format din trei cicloconvertoare monofazate, deci din trei convertoare in patru cadrane (fig 4.4). Cele trei cicloconvertoare trebuie sa fie comandate astfel incat sa se obtina la iesire trei tensiuni de aceeasi amplitudine si frecventa, dar defazate cu 120
Costul materialului necesar este destul de important : un mare numar de tiristoare ( de cele mai multe ori 36), un transformator avand o constructie complexa, o parte de control si reglaj complicata . De aceea aceste ciclonvertoare se utilizeaza la puteri mari, pentru a alimenta motoare sincrone functionand la frecvente joase f Hz
Fig.4.4.Schema de principiu a unui ciclonvertor trifazat
Pentru sarcina legata in stea tensiunile pe faze sunt :
u’R = uR- (uR+uS+uT)
u’S = uS- (uR+uS+uT)
u’T = uT- (uR+uS+uT)
in care uS, uR, uT sunt tensiunile pe faza cu conductor neutru iar u’R, u’S, u’T, sunt tensiunile obtinute cu nulul izolat
Pentru sarcina legata in triunghi tensiunile pe faze sunt
u’RS= uR-u’S=(uR+uS+uT)-u’T
u’ST= uS-u’T=(uR+uS+uT)-u’T
u’TR= uT-u’R=(uR+uS+uT)-u’T
=== Cap 5 ===
5. Chopperele (Variatoare de tensiune continua VTC)
5.1 Generalitati. Clasificare
Chopperele (fig. 5.1) sunt convertoare continuu-continuu, utiliate pentru
alimentarea sarcinii cu curent continuu, sub tensiune reglabila.
VTC
Fig. 5.1 Chopper (VTC)
Chopperul se intercaleaza intre sursa de tensiune continua constanta Ui si sarcina care necesita la bornele sale o tensiune de valoare medie Us reglabila.
Chopperele sunt convertoare cu comutatie comandata. Componentele semiconductoare utilizate in partea de forta sunt tiristoare, tiristoare GTO, tranzistoare bipolare MOSFET sau IGBT. Intrarea in conductive, ca si blocarea componentelor, se realizeaza la momente bine precizate, definite prin comanda. Daca VTC este construit cu tiristoare, spunem ca tiristoarele au o comutatie fortata, deoarece trebuie utilizat pentru blocarea lor un circuit auxiliar special de stingere.
De obicei chopperele sunt utilizate pentru variatia si reglajul vitezei masinilor electrice, de curent continuu, care lucreaza in domeniul tractiunii electrice ( trenuri, troleibuze, vehicule alimentate de la baterii)
Avantajele chopperelor in raport cu alte tehnici de reglaj ale tensiunii continue sunt
Randamentul ridicat ;
Inertia redusa ;
Absenta contactelor electrice alunecatoare ;
Deseori gasim choppere ca sursa de alimentare cu tensiune reglabila pentru invertoare . De asemenea ele sunt raspandite si in domeniul sudurii electrice.
Chopperele se construiesc pentru puteri cuprinse intre zeci si milioane de watt. Uzual frecventa de comutatie este cuprinsa intra 100Hz si 1kHz, dar sunt si choppere construite la 10kHz, sau mai mult.
Clasificarea se poate face dupa mai multe criteriI :
Dupa raportul intre tensiunea la iesire si tensiunea la intrare :
Chopper coborator (STEP DOWN converter) sau chopper serie (BUCK converter)
Pentru care tensiunea la iesire este mai mica sau cel mult egala cu tensiunea la intrare;
Chopper ridicator (STEP UP converter) sau chopper paralel (BOOST converter) pentru care tensiunea la iesire este superioara sau cel putin egala cu tensiunea la intrare;
Chopper ridicator-coborator sau chopper serie-paralel pentru care tensiunea la iesire poate fi mai mica sau mai mare decat cea de la intrare
Dupa cadranul planului (Ud.Id ) in care functioneaza
Chopper pentru un cadran; furnizeaza doar sarcini +Ud, +Id;
Chopper pentru doua cadrane : furnizeaza sarcini ±Ud, +Id
sau +Us, ±Is ;
Chopper pentru patru cadrane : furnizeaza sarcini ±Ud, ±Id;
Dupa modul de transfer al energiei
Chopper cu legatura directa, cand nu exista element de stocare a energiei intre intrare si iesire;
Chopper cu legatura indirecta (sau cu acumulare), cand exista un element de stocare a energiei intre intrare si iesire.
Schema de principiu VTC
Fig.5.3 Schema de principiu a unui VTC
In analiza functionarii mai intervin :
T perioada de comanda a contactorului static
t1 , t2 – intervalele de timp cat contactorul static este deschis respective inchis
Pentru o sarcina R-L , formele de unda ale tensiunilor si curentilor vor fi cele din figura 5.4
Aplicand teorema a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul U0-CTS-Dn pe durata t1, se obtine :
ud=U0
In acest timp datorita caracterului R-L al circuitului , curentul iD prin sarcina , creste exponential
Dupa cateva cicluri de functionare , curentul iD evolueaza de la Im la IM
Pe intervalul t2, contactorul static este deschis , iar bobina Lf, de valoare importanta , impreuna cu inductivitatea sarcinii, determina aparitia unei tensiuni electromotoare de autoinductie . Aceasta tensiune, polarizeaza in sens direct dioda Dn, care preia curentul de sarcina, rezultand :
uD=0
In acest interval , curentul de sarcina Id scade exponential de la IM la Im.
S-a considerat functionarea in regim de curent neintrerupt la , respective Im>0;
Fig. 5.4 Formele de unda ale tensiunilor si curentilor
Caracteristicile VTC reprezinta dependenta tensiunii medii de iesire in functie de factorul de comanda sau de curentul de sarcina
Daca dioda Dn, nu se blocheaza natural inainte de o noua comanda de inchidere a contactorului static CTS, prin sarcina va exista curent in permanenta, respectiv tot timpul Id≠0, functionarea numindu-se in regim de curent neintrerupt.
Fig 5.5 Caracteristicile externe ala VTC
Caracteristicile externe in regim de curent neintrerupt atat in unitati absolute, cat si in unitati relative, sunt drepte paralele cu abscisa.
In realitatea tinand cont de rezistentele din circuit , caracteristicile externe nu sunt paralele cu abscisa , ci putin cazatoare datorita caderilor resistive de tensiune.
Caracteristicile externe din punct de vedere interrupt , sunt puternic neliniare, iar din punct de vedere grafic sunt hiperbole .
Pentru ID=0 (mersul in gol ideal al sarcinii), rezulta Ud=U0, indifferent de factorul de comanda , deci, toate caractersticile externe sunt concurente in punctul de coordonate (0 , U0)
Fig 5.6 Caracteristicile de comanda ale VTC
5.2 Variatorul de tensiune continua in patru cadrane
Pentru aplicatii de tipul actionarilor electrice ce necesita franari si reversari de sens, variatorul de tensiune continua trebuie sa fie capabil sa asigure ambele polaritati ale tensiunii pe sarcina si ambele sensuri ale curentului , respectiv posibilitatea functionarii in toate cele patru cadrane ale planului (Ud Id)
Un astfel de VTC (fig 5.7) , este constituit din patru contacte bidirectionale conectate in punte , sarcina fiind conectata intre punctele mediane ale bratelor puntii.
Fig 5.7 .VTC in patru cadrane
Contactele bidirectionale sunt realizate prin conectarea in antiparalel a unui contactor static, care de cele mai multe ori este un element semiconductor complet comandat, si a unei diode.
Exista doua posibilitati de comanda ale elementelor semiconductoare. Alegerea uneia dintre ele se face in functie de puterea sarcinii si de caracteristicile dinamice impuse variatorului.
Astefel, la puteri medii si mari , unde pierderi de comutatie in elementele semiconductoare sunt semnificative, se recomanda asa-numita comanda unipolara a tensiunii.
Pentru obtinerea polaritatii positive a tensiunii medii, se recomanda in permaneta elemental T1, reglarea tensiunii medii realizandu-se prin comanda periodica a elemntului diagonal (T4). Tensiunea pe sarcina (fig. 5.8), evolueaza intre 0 si U0, valoarea medie reglandu-se prin modificarea factorului de comanda al elementului T4.Pe intervalele de conductie ale elementului T4( din cazul VTC), curentul de sarcina se inchide prin circuitul U0-T1-S-Lf-T4. Pe intervalul cat elementul este deschis, curentul de sarcina se inchide prin circuitul T1-S-Lf-D2, deci D2, are rolul diodei de nul din schema de principiu a VTC(fig 5.3).
Pentru functionarea in cadranul II al planului ( Ud, Id) se anuleaza comanda elementelor T1 si T4, iar T3 este comandat un interval , avand rolul contactorului static din schema de principiu a VTCR. Curentul de sarcina se inchide pe circuitul S-T3-D4-Lf, bobina de filtrare avand rolul bobinei L din schema de principiu a VTCR. La deschiderea elementului T3, curentul de sarcina se va inchide prin circuitul U0-D4-Lf-S-D1, rolul diodei de separare fiind luat de dioda D1.
Pentru obtinerea celeilalte polaritati a tensiunii medii pe sarcina, rolurile elementelor semiconductoare se inverseaza, respectiv :
T2 comanda in permanenta
T3 comandat un interval , pentru reglarea tensiunii ;
D1 dioda de nul
D2 dioda de separare ,
Tensiunea reglandu-se in domeniul [-U0;0]
Fig 5.8 Formele de unda ala VTC in patru cadrane cu comanda unipolara
Pentru aplicatii ce necesita performante dinamice bune, cu franari si reversari de sens rapid si frecvent ( actionari ale robotilor industriali, mecanisme de pozitionare ale masinilor unelte) , se prefer o alta variant de comanda si anume, elementele diagonal sunt comandate simultan, iar cele de pe acelasi brat, sunt comandate in opozitie.
Fig 5.9 Formele de unda ale VTC in patru cadrane si comanda bipolara
a)la valori mari ale curentului de sarcina b) la valori mici ale curentului de sarcina
Tensiunea pe sarcina se modifica in permanenta intre U0 si –U0 (fig 5.9) . Prin modificarea factorului de comanda in domeniul [0,1], tensiunea medie pe sarcina se regleaza in domeniul
[-U0, U0], tensiune medie nula obtinandu-se pentru factor de comanda . Duratele de conductie ale elementelor depind de valoarea curentului mediu de sarcina.
Metoda are avantajul modificarii continue a tensiunii medii in domeniul [-U0, U0],fara a se controla sensul curentului prin sarcina pentru a se determina elementele ce trebuiesc comandate. Dezavantajul consta in faptul ca tensiunea se modifica in permanenta intre U0 si –U0 , ceea ce determina solicitari ale sistemului de izolatie al sarcinii, datorita pantelor mari de variatie ale tensiunii . De asemenea, inductivitatea pentru limitarea pulsatiilor curentului, este de doua ori mai mare decat in cazul comenzii unipolare.
=== Cap 6 ===
6. Invertoarele
Invertoarele sunt convertoare statice de putere continuu-alternativ. Ele transforma o sursa de tensiune sau curent continuu intr-o sursa de tensiune sau curent alternativ, de amplitudine sau/si frecventa variabila. Ele sunt utilizate ca surse de tensiune alternative 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.
6.1 Clasificare
Invertoarele cu comutatie comandata se pot clasifica dupa mai multe criteria :
Dupa numarul de faze ale semnalului de iesire :
Invertoare monofazate
Invertoare trifazate
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 alternative
– invertoarele de tensiune alimenteaza receptoare de curent
– invertoarele de curent alimenteaza receptoare de tensiune, pentru ca sursa si receptorul (sarcina) trebuie sa fie de nature 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
Dupa modul de comanda :
Invertoare comandate cu unda plina
Invertoare comandate pe principiul modularii in durata a impulsurilor de comanda (PWM)
Invertoarele de tensiune mai pot fi clasificate si dupa numarul de nivele de tensiune de la iesirea in:
Invertoare cu doua nivele ;
Invertoare cu trei nivele cu punct neutru flotant;
Invertoare multinivel cu celule de comutatie imbricate ;
Majoritatea inverotarelor monofazate si trifazate sunt construite avand la baza bratul de semipunte monofazata. Puntea monofazata contine doua brate, iar cea trifazata trei.Fiecare brat contine contine doua comutatoarare 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 valoare medie nula si daca este trifazata are valoarea medie a marimii de faza nula.
O categorie speciala de invertoare sunt cele cu circuit resonant. Comutatia intreruptoarelor se face cu o frecventa apropiata de frecventa de rezonanta a sarcinii si sarcina este cea care controleaza sarcina, de aceea aceste invertoare mai sunt numite si cu comutatie de la sarcina.
6.2 Invertoare monofazate cu modulatie in amplitudine.
Principiu.Schema de principiu
Pentru a ilustra principiul de functionare al invertoarelor, se va considera , un invertor monofazat reprezentat ca un cuadripol (fig 6.1)
Fig. 6.1 Invertor monofazat
Se presupune ca iesirea de la iesire u0 este sufficient de bine filtrata, astfel incat sa nu contina decat fundamentala, iar sarcina cu caracter R-L, ceea ce va determina defazarea curentului i0 in urma tensiunii u0. Formele de unda ale celor doua marimi (fig 6.2) , evidentiaza regimurile de functionare ale invertorului .
Fig.6.2 Formele de unda filtrate ale marimilor la iesirea invertorului
Invertorul se alimenteaza de la o sursa de c.c, care permite reglarea valorii medii a tensiunii si, implicit, reglarea valorii effective a tensiunii u0. Reglarea frecventei tensiunii u0 se obtine prin modificarea frecventei de comanda a invertorului. Considerand numai fundamentalele tensiunii si curentului la iesirea invertorului, in functie de semnalele lor, intr-o perioada se disting patru zone de functionare.
Zonele 1 si 3, unde u0 si i0 au acelasi semn, iar puterea la iesirea invertorului
p0=u0i00
ceea ce arata ca, sensul de circulatie al energiei este dispus dispre circuitul de c.c catre sarcina, regimul de functionare fiind de invertor
Zonele 2 si 4, in care u0 si i0 au semen opuse , rezultand
p0=u0i00,
Ceea ce inseamna ca sensul de circulatie al energiei este dinspre sarcina spre circuitul de c.c, regimul de functionare fiind de redresor. Rezulta deci ca invertorul trebuie sa poata functiona intr-o perioada , in toate cele patru cadrane ale planului (u0;i0). Acesta se poate obtine doar daca invertorul este realizata cu elemente bidirectionale, care sa asigure ambele polaritati ale tensiunii u0, indiferent de de sensul curentului i0. Practic, aceasta conditie este asigurata prin conectarea in antiparalel, pe fiecare element semiconductor, a cate unei diode.
Se va exemplifica principiul de functionare al invertoarelor pe baza schemei invertorului monofazat in semipunte
Invertorul monofazat in semipunte
Acest invertor (fig. 6.3) este realizat cu doua elemente bidirectionale, inseriate . In circuitul de c.c, se creeaza un punct median (O) prin inserierea a doua condensatoare identice . Sarcina se conecteaza intre punctul median al circuitului de c.c si punctul median al bratului de elemente care sunt comandate in opozitie.
Fig 6.3 Schema de forta a invertorului monofaza in semipunte
Se definesc urmatoarele notiuni
Element inchis – este elementul la care tensiunea intre terminalele de forta este nula, aceasta stare a elementului, se obtine prin comanda corespunzatoare pe terminalul de comanda
Element in conductie – este elementul inchis, ce este parcurs de curent
Rezulta ca nu orice element inchis este in conductie
Fig.6.4 Formele de unda ale invertorului monofazat
Invertorul monofazat in punte
Invertorul monofazat in semipunte poate furniza la iesire, tensiune alternativa de valoare maxima Ud/2.La puteri mari, utilizarea unui astfel de invertor va determina solicitari mari, in curent, ale elementelor semiconductoare. O solutie mai avantajoasa o repreinta invertorul monofazat in punte(fig 6.5). Elementele semeconductoare ale unei laturi vor fi comandate in opozitie, pe durata a π radiani intr-o perioada, rezultand ca sunt inchise, simultan, elementele in diagonala (T1 si T4; T2 si T3)
Fig. 6.5 Invertor monofazat in punte
Tensiunea la bornele sarcinii este :
Tensiunea la iesire invertorului va fi compusa dintr-o succesiune de impulsuri dreptunghiulare de amplitudine Ud. Considerentele privind modificarea amplitudinii si frecventei tensiunii de iesire sunt aceleasi ca la invertorul in semipunte. La aceeasi putere debitata sarcinii , solicitarea in curent a elementelor semiconductoare este jumatate fata de cea a elementelor envertorului in semipunde, deoarece amplitudinea fundamentalei tensiunii pe sarcina este dubla
U01=
Pentru o sarcina cu aceeasi tensiune nominala va rezulta o tensiune de alimentare (Ud), cu 50% mai mica decat in cazul invertorului in semipunte . Valorile maxime ale tensiunii ce solicita elementele (UbT,UbD) sunt egale si, in consecinta, utilizarea elementelor semiconductoare este mai eficienta in cazul invertorului monofazat in punte.
6.3 Invertorul trifazat
Schema de principiu a unui invertor trifazat de tensiune este realizata(fig 6.7) dintr-o punte de elemente bidirectionale (T1-T6 in antiparalel cu D1-D6)
Contactele T1-T6 nu sunt solicitate la tensiune inversa si, de aceea, pot fi realizate cu tranzistoare de putere.
Pentru obtinerea unui sisteme de tensiuni, trifazat simetric, momentele inchiderii elementelor T1-T6 sunt defazate cu radiani si se distribuie succesiv elementelor de pe partile P si N ale invertorului, de pe faze diferite. Sunt posibile doua succesiuni de comanda: in ordinea numerotarii elementelor, rezultand la iesirea invertorului un sistem trifazat de succesiune directa sau in ordinea inversa numerotarii (T1 – T6 – T5 – T4 – T3 – T2) care determina obtinerea la iesire invertorului, a unui system trifazat de tensiuni, de succesiune inversa.
Fig. 6.7 Schema de principiu a invertorului trifazat de tensiune
Contactele pot ramane inchise fie , fie π radiani . O utilizare mai eficienta e elementelor se obtine daca fiecare element ramane inchis π radiani intr-o perioada. In acest fel , elementele de pe o faza se gasesc permanent in stari inverse.
Starile elementelor T1-T6 vor determina in mod univoc, tensiunile de linie uAB, uBC, si uCA
Fig 6.8 Formele de unda ale invertorului trifazat
Invertorul de tensiune cu modulatie in durata (PWM) este asemanator cu cu invertorul cu modulatie in amplitudine. Particularitatile apar in structura circuitelor de stingere ale invertoarelor cu tiristoare.
Strategiile de comanda PWM pot fi analizate comparativ, daca se considera drept principale criterii de performanta maximul fundamentalei tensiunii de iesire a invertorului si factorul total de distorsiune armonica.
Pentru comanda PWM a invertoarelor, strategiile de comanda existe pot fi impartite in urmatoarele categorii :
Modularea prin semnale de comanda variabile
Modularea prin momente de comutatie prestabilite, in functie de criterii ca: eliminarea anumitor armonici din tensiunea de iesire, minimizarea pulsatiei curentului sau a cuplului electromagnetic al masinii; este o metoda care se preteaza bine unei realizari digitale cu microprocessor.
Modularea prin comanda directa care face apel la regulatoare cu actiune cu doua pozitii, care formeaza un system de reglare trifazat; acestea din urma regleaza in mod obisnuit curentii trifazici, prin prescrierea unor curenti cu variatii sinusoidale in fuctie de timp
Comanda PWM clasica (prin semnale de comanda variabile, numite si modulatie suboscilanta) are la baza determinarea momentelor de comutatie a elementelor semeconductoare prin compararea unor semnale purtatoare de referinta, de regula triunghiulare, de frecventa fr si amplitudine Urmax, cu semnale modulatoare (de comanda) de regula sinusoidale de frecventa fc si amplitudine Ucmax.
=== Cap 7 ===
7. Diagnoza si sisteme expert
7.1 Generalitati.Tipuri de defecte
Diagnoza este procesul de identificare a cauzelor care determină stările de funcționare defectuoasă sau de nefuncționalitate a sistemelor prin observarea efectelor în diferite puncte ale acestora. Aceste puncte se numesc puncte de test. Odată cu avansul tehnologic a crescut complexitatea și gradul de sofisticare al sistemelor. Mai mult integrarea și miniaturizarea au dus la limitarea vizibilă a posibilității de testare în puncte specifice ale dipozitivelor. Astfel numărul cauzelor posibile de defect a crescut în timp ce reducerea posibilității fizice de monitorizare amintite mai sus a dus la micșorarea stării de observabilitate a defectelor făcând dificilă repararea acestor sisteme. În consecință mentenanța sistemelor a început să pună probleme deosebite atât pentru producători cât și pentru utilizatori.
Mentenanța și proiectarea de până acum au fost în mod tradițional două discipline inginerești diferite care nu de puține ori au avut elemente de conflict cum ar fi maximizarea perioadei de bună funcționare versus performanța, mărime, și cost. Testabilitatea a reprezentat un efort ad-hoc manual, în cadrul căruia inginerii de întreținere au acționat pentru identificarea unor metode eficiente de reparare a unui produs sau produse date, fără a avea însă nici un fel de control asupra fazei de proiectare a sistemului respectiv. De altfel capacitatea redusă de observabilitate a defectelor în cazul sistemelor complexe a dus la creșterea costurilor ciclu mentenanță-funcționabilitate la peste 3-10 ori prețul de producție. Evident câștiguri semnificative în ceea ce privește reducerea prețului produselor se poate obține prin mărirea testabilitățții și a mentenabilității acestora. Testabilitatea trebuie să fie inclusă în produs încă din stadiul de proiectare astfel încât să se obțină un compromis optim între mentenabilitatea sistemului și performanțele sale. Acest process de rafinare a unui sistem încă din starea de proiectare pentru îmbunătățirea testabilității se numește Proiectare pentru Testabilitate (PPT), și reprezintă în prezent o cerință expresă în proiectele de industriale. Pentru a maximiza impactul acestui concept, trebuie să-l luăm în calcul la nivelul fiecărui stadiu al proiectării începând de la definirea schemelor, la proiectarea subsistemelor și la integrarea acestora în ansamblul final.
În continuare vom prezenta o metodologie de modelare unui sistem în cadrul fiecărui stadiu de proiectare. Această metodologie este bine să fie folosită la nivelul fiecărui stadiu al proiectării unui sistem precum și la nivelul ciclului total de viață al acestuia după cum urmează:
În faza de concepție a proiectului, tehnicile de modelare permit proiectantului să efectueze analiza la nivelul PPT a sistemului prin folosirea unui model ierarhic dependent generalizat care este foarte strâns legat de scheme. Acest pas va permite de asemenea proiectanților să aloce resurse de testabilitate pentru variatele subsisteme în vederea optimizării testabilității pe ansamblu.
Odată ce proiectele subsistemelor devin disponibile, accesul direct la bazele de date CAD//CAE(descrierile EDIF sau VHDL ale subsistemelor) va permite verificarea testabilității pe subsisteme individuale.
Folosind modelul de dependență ierarhică proiectantul poate integra modelele subsistemelor într-un model ierarhic al sistemului complet. Proiectantul poate realiza o analiză a testabilității sistemului și poate determina dacă sunt îndeplinite scopurile principale propuse în ceea ce privește testabilitatea.
Tehnicile de analiză identifică posibilitățile de îmbunătățire a sistemului în vederea creșterii testabilității generale a acestuia.
Algoritmii secvențiali de testare generează strategii optime de izolare a defectelor pentru un sistem, care se pot folosi de către personalul de întreținere în zonele de lucru a echipamentelor. Aceasta ne asigură că testabilitatea calculată a produselor este întradevăr atinsă și folositoare.
Tipuri de defecte
Un defect se denumește ca fiind comportamentul anormal al unei componente sau a unui sistem. Putem clasifica defectele în două categorii distincte:
defecte funcționale
defecte generale
Cele două tipuri diferite de defecte se pot ilustra foarte bine prin prezentarea unui exemplu foarte simplu. Să considerăm un filtru de trecere pasiv fară pierderi care este constituit dintr-o bobină și un condensator. Dacă se produce un defect la bobină sau la condensator se va produce o deviație a frecventei de centru sau a factorului de calitate Q, acest defect numindu-se de funcționalitate deoarece este un defect care afectează funcția pe care trebuia să o îndeplinească filtrul respectiv. Pe de altă parte dacă defectul este reprezentat de un scurtcircuit care determină ca puterea pe ieșire să devină Zero (un filtru fară pierderi determină o pierdere de putere!), atunci avem un defect general care este de fapt un defect catastrofic care afectează caracteristicile generale ale sistemului mult peste cele din starea sa normală de funcționare.
Operatiile de diagnoza pot fi realizate off-line, atunci cand cunoastem manifestarile si se cauta defectele, respectiv on-line intr-o instalatie comandata de calculator de proces unde se primesc semnale de alarma de la releele de semnalizare (sau de la subrutinele cu functii de releu ce detecteaza iesirea din intervalul admis). Problema esentiala a diagnosticarii este de a determina cauzele unui defect cunoscand simptomele.
7.2 Concepte utilizate in in diagnoza avariilor
Proces – mers, evolutie, dezvoltare, desfasurare, a unui fenomen, sau a unui eveniment, o prefacere, o transformare succesiva, progresiva
Element – parte componenta a unui intreg, parte care contribuie la formarea unui intreg
Sistem – ansamblu de elemente (principii, reguli, forte, etc) dependente intre ele si formand un tot organizat si care face ca o activitate practica sa functioneze potrivit scopului urmarit
Avaria – reprezinta o modificare suficienta si permanenta a caracteristicilor fizice ale unui sistem sau componenta in sensul ca o functiune (sarcina) nu mai poate fi indeplinita in conditiile specificate. Daca avaria nu este semnalata si corijata efectul poate fi distrugerea integritatii sistemului
Defectul – este o imperfectiune fizica care apare fie in conceptia, fie in realizarea dispozitivului. Defectul poate ramane pana la un moment greu de precizat in timp, cand sistemul (in care este integrat elementul) are o cadere.
Deoarece supravegherea presupune luarea unor decizii in urma aparitiei avariilor, vom insista in continuare pe categoriile posibile si modalitatile de manifestare a avariilor. Prin prisma supravegherii, avariile se descriu ca marimi de intrare caracterizand elementele de executie, senzorii si componentele procesului supravegheat (fig.7.1)
Fig 7.1 Evidentierea avariilor intr-un proces supravegheat
În ceea ce priveste detectia si diagnoza incidentelor trebuie avuti în vedere urmatorii trei pasi:
• generarea reziduurilor -operatie care consta în generarea de semnale sau simptome concordante incidentelor, pe baza carora sa fie posibila detectia incidentului;
• evaluarea reziduurilor -care consta în luarea de decizii logice, în timpul aparitiei incidentelor, privitor la locul lor de aparitie;
• analiza reziduurilor -actiuni prin care sa fie posibila determinarea tipului de incident, marimea si cauza aparitiei acestuia. Daca primii doi pasi permit detectia si izolarea incidentului, în ultimul se realizeaza diagnoza acestuia.
Schematic, cele 3 etape ale detectiei si diagnozei incidentelor sunt reprezentate în figura 7.2.
Fig. 7.2 Reprezemtea schematica a pasilor efectuati in detectia si diagnoza avariilor
Etape tehnice necesare diagnosticarii
7.3. Arhitectura unui sistem de detectie si diagnoza a avariilor
Cele mai multe realizari de sisteme de supraveghere si diagnoza tehnica sun implementate utilizand sisteme expert, in cadrul carora sunt imbinate metodele bazate pe modele analitice cu cele bazate pe modele calitative. Acest rationament sta la baza elaborarii unui astfel de sistem (fig 7.3) care combina cunostintele euristice obtinute prin experienta cu cunostinte calitative si cantitative despre model
Unitatatea de comanda si diagnoza constituie partea centrala a sistemului care integreaza atat metoda bazata pe modelul analitic cu cel care foloseste informatii euristice (model calitativ), catsi metoda bazata pe cunostinte despre system
=== Cap 8 ===
8. Sisteme de diagnoza pentru convertoarele statice de putere
8.1 Principii de realizare
Unul din principalele aspecte calitative ale unei actionari electrice îl constituie
disponibilitatea. Asigurarea disponibilitatii unui sistem de actionare se constituie ca obiectiv major pentru actionarile destinate întretinerii unor activitati cu caracter critic: centrale electrice, sisteme de climatizare, uzine chimice, etc.
Disponibilitatea unui sistem reprezinta capacitatea sa de a-si îndeplini functia pentru care a fost conceput. Disponibilitatea totala nu poate fi obtinuta pentru un sistem decât prin redundanta sistemelor sale. O disponibilitate partiala poate fi atinsa activând sisteme partial dublate.
Referindu-se strict la convertoarele statice, disponibilitatea este legata pe de o parte de fiabilitatea componentelor sale si pe de alta parte de timpul mediu de reparatie. Daca timpul mediu de reparatie este mare, creste riscul de aparitie a doua defecte consecutive. Timpul mediu de reparatie depinde în esenta de o buna conceptie a convertoarelor statice cât si de calitatile si performantele de detectare si localizare a defectelor.
Pentru a asigura o fiabilitate satisfacatoare, convertoarele statice trebuie, sa
utilizeze componente de înalta fiabilitate si/sau scheme redundante.
Prin definitie redundanta reprezinta utilizarea într-un sistem a mai multor elemente decât este necesar pentru îndeplinirea functiilor cerute acestuia, astfel încât sistemul sa funcNioneze satisfacator chiar în prezenta unor defecte.
Exista trei modalitati de asigurare a redundantei:
a) Redundanta protectiva statica (RPS) sau de mascare
Principala caracteristica a acestui tip de redundanta o reprezinta faptul ca defectul, care apare în cadrul schemei, nu afecteaza semnalul sau semnalele de iesire, eroarea fiind corectata local sau pe parcursul propagarii sale catre iesire.
În figura de mai jos este prezentat un exemplu:
Fig 8.1 Exemplu de aplicare a redundantei protective statice
Se poate observa ca, în figura 8.1, circuitul este protejat la cele doua tipuri de defectare posibile: scurtcircuit sau întreruperea circuitului. Mai mult, se asigura pe fiecare dioda un regim de functionare usurat din punct de vedere al parametrilor electrici (tensiune, curent). Eroarea datorata unei defectiuni va fi corectata instantaneu. În acest caz, s-a recurs la o cuadruplicare a componentei.
În practica de proiectare, se utilizeazasi un alt tip de aplicare a redundantei protective statice: triplicarea cu circuite de votare. Schema de principiu este aratata in figura 7.2, unde module M12M3. Aceasta metoda de protectie statica poate fi utilizata la cele mai diferite nivele de modularizare a schemelor, începând de la circuite integrate, la module functionale si chiar subsisteme în întregime.
Fig. 8.2 Schema de principiu a redundantei triplu modulare (RTM) cu circuit de votare (intrarile I1=I2=I3); V-voterul; E1,E2,E3-iesiri; ES – iesirea sistemului
b) Redundanta protectiva dinamica (RPD) sau activa.
Principala caracteristica, în acest caz, este aceea ca semnalul, sau secventa de semnale logice eronate, transpare pâna la iesirea circuitului, modulului sau chiar a sistemului. Astfel, eroarea nu este îndepartata instantaneu, ci poate fi evidentiata la iesirea respectiva. Redundanta protectiva dinamica este asemanatoare activitatii de service, prin aceea ca
modulul defect este auto-înlocuit cu un alt modul considerat în stare de functionare conform specificatiilor sale.
În figura de mai jos se evidentiaza principul de baza al redundantei protective dinamice (RPD):
Fig. 8.3 Principiul redundantei dinamice
c) Redundanta protectiva hibrida (RPH).
Din cele analizate pâna în prezent, se poate deduce ca sistemele care utilizeaza redundanta protectiva statica beneficiaza de o actiune corectiva care are practic loc
instantaneu, iar sistemele de redundanta protectiva dinamica, cu toata întârzierea datorata detectiei, poseda o semnalizare a starii de defectare a ansamblului.
Pentru a îngloba într-o schema unica aceste avantaje, a fost imaginata o solutie hibrida, prezentata în figura8.4.
Fig.8.4. Schema bloc a redundantei protective hibiride unde : DDE- dispozitiv de detectia erorii; SC- sistem de comutare ; V- circuit de votare;
Realizarea functionarii, în cazul aparitiei unei defectiuni în unul din modulele active Mi (i=1,…,2n+1), se realizeaza în felul urmator: la intrarea modulelor Mi sunt receptionate semnalele de intrare I, identice pin toate cele 2n+1 module. Semnalele de iesire sunt introduse într-un circuit de votare V, a carui iesire va urmari semnalele aflate în majoritate. Astfel, iesirea sistemului ES va avea valoarea logica corecta, indiferent daca iesirea unui modul Mi,va avea o valoare falsa. Semnalul de iesire ES este introdus într-un dispozitiv de detectie a erorii DDE si tot acest dispozitiv va primi semnalele de iesire din modulele M2n+1 si cele de rezerva.
Stabilirea unei neconcordante între aceste doua semnale va valida un semnal de semnalizare pentru schema de conectare SC, care va invalida la intrarea circuitului de votare semnalul corespunzator modulului activ defect si va permite trecerea semnalului de la modulele de rezerva. Astfel, schema va asigura 2n+1 module active, pe durata cât nu sunt epuizate modulele de rezerva. Chiar si dupa epuizarea celor r module de rezerva (copii) functionarea este asigurata. Momentul în care sistemul poate fi considerat ca propaga la iesire o valoare logica incorecta este acela în care modulele active defecte sunt în majoritate, deci mai multe decât n+1.
8.2 Concluzii:
1. Redundanta protectiva statica prezinta dezavantajul necesitatii utilizarii unui numar mare de elemente de multiplicare a componentei. În cazul unei punti cu tranzistoare,acceptând varianta de cuadruplicare a componentei sunt necesare 3×6 tranzistoare de multiplicare.
Varianta redundantei referitoare la triplicarea cu circuite de votare necesita pe lânga 2×6 tranzistoare de multiplicare, un circuit relativ complex de votare.
2. Redundanta protectiva dinamica pare a fi rezonabila în ce priveste costurile
implementarii. Aici apare însa necesitatea unui sistem de diagnoza,caruia îi revine si rolul decizional de înlocuire a elementului defect. Exemple de implementare a unui sistem de diagnoza pentru o punte cu elemente semiconductoare.
Fig.8.5
Redundanta poate fi gândita la nivelul întregii punti semiconductoare (Fig.8.5), când, la sesizarea unui defect este înlocuita întreaga punte semiconductoare, sau la nivelul elementelor puntii, când la aparitia unui defect, în urma diagnozei, se înlocuieste doar elementul defect
(fig 8.6)
Fig. 8.6
Referitor la figura 8.6, în cazul aparitiei unui defect la blocul convertorului static, intra în functiune dispozitivul de diagnoza care identifica latura ce contine elementul defect. Se comanda apoi înlocuirea elementului defect cu unul din elementele de rezerva, prin comanda contactelor K1…K10. În timpul functionarii normale, trei dintre contactele K1…K4 vor fi închise împreuna cu trei dintre contactele K5…K10.
3. Al treilea tip de redundanta (redundanta protectiva dinamica) îmbina avantajele celor doua tipuri de redundanta prezentate anterior, din punct de vedere al performantelor, dar acumuleaza totodata costurile de implementare.
În concluzie, utilitatea unui sistem de diagnoza este certa chiar si în cazul sistemelor neredundante, venind în sprijinul activitatii de service.
=== Cap 9 ===
9. Proiectarea unui sistem de diagnoza pentru redresorul monofazat
9.1. Introducere
9.1.1 Tema de proiectare
Să se proiecteze un sistem expert de diagnoză și monitorizare a unei scheme de redresor monofazat. Pentru controlul și monitorizarea schemei se va utiliza un PLC, care poate afișa stările normale, respectiv de avarie. În cazul stărilor de avarie PLC-ul poate executa o anumită comandă automată de protecție, conform programului de diagnoză implemetat în memorie.
9.1.2 Prezentare PLC
Figura 1. PLC Moeller din seria : easy719-DC-RC
PLC – Programmable Logic Controller, cunoscut în literatură ca și Automat Programabil – AP sau releu inteligent – este un aparat electronic care controleză regimurile de funcționare ale mașinilor și proceselor. PLC-ul recepționează semnale prin intermediul intrărilor sale, le prelucrează după un program și transmite semnale la ieșirile sale.
Programul se realizează cu ajutorul unui software dedicat de programare.
Prin program se pot comanda intrările și ieșirile după dorință, se pot măsura timpi și efectua operații de calcul .
Caracteristicile principale ale unui automat programabil sunt :
– numărul maxim de intrări și ieșiri ;
– capacitatea memoriei ;
– viteza de calcul .
Automatele programabile pot fi compacte sau modulare .
Automatele programabile compacte pot fi echipate cu numeroase elemente cum sunt de exemplu potențiometre de setare valori impuse, intrări/ieșiri analogce sau extinderea memoriei.
Sunt definite prin următoarele caracteristici de sistem :
– gabarit compact ;
– blocuri terminale detașabile ;
– interfață integrată pentru comunicație ;
– posibilitate de extindere locală și la distanță ;
– programare cu pachet software .
Automate programabile modulare au următoarele caracteristici :
– construcție modulară ;
– viteză mare de procesare ;
– memorie cu capacitate ridicată ;
– numeroase opțiuni de legare în rețea .
PLC-ul din Figura 1. este utilizat în acest proiect pentru diagnoza și controlul automat al schemei redresorului monofazat și are următoarele caracteristici:
– 12 intrări;
– 4 intrări analogice 0-10V, 10 biți;
– 6 ieșiri pe releu, a câte 8A;
– tensiune de alimentare 24VDC;
– 16 module afișare text.
9.1.3 Schema redresorului monofazat
Figura 2. Schema bloc a redresorului
Figura 3. Schema electrică a redresorului
9.2. Diagnoza redresorului monofazat
Operația de diagnoză determină cauzele unui defect cunoscând simptomele. În acest sens se prezintă în continuare schema simptomelor principale anormale de funcționare, provocate de defecte, la redresorul monofazat și a cauzelor care produc respectivele defecte.
9.2.1 Descrierea simptomelor, defectelor și a cauzelor
9.2.2. Diagrama simptomelor, defectelor și a cauzelor
Figura 4. Diagrama simptomelor, defectelor și a cauzelor
În care:
– S – simptom;
– D – defect;
– C – cauză.
9.3 Implementarea sistemului de diagnoză în PLC
9.3.1 Schema logică a procesului
Figura 5. Diagrama automatizării
9.3.2 Tabela de avarii
Tabelul 1. Tabela de avarii
9.3.3 Tabela de intrări – ieșiri
Tabelul 2. Tabela de intrări – ieșiri
9.3.4 Implementarea în PLC cu ajutorul limbajului Ladder Diagram
Implementarea în limbajul LD s-a făcut conform Figura 5., adică schema de automatizare a procesului de diagnoză automată, a redresorului monofazat.
În schemă se urmăresc trei tipuri de evenimete:
– avarii externe;
– avarii interne;
– deranjamente.
În cazul avariilor interne și externe se execută automat întreruperea cu energie electrică a schemei și se semnalizează defectele optic, cu lămpile Q02, Q03 și se afișează defectul pe ecranul PLC-ului, modulele de afișare D03 – D07.
În cazul deranjamentelor se semnalizează intermitent cu o lampă Q04 și se afișează defectul pe ecranul PLC-ului.
Schema este formată din patru module:
– modulul de pornire și oprire manuală a schemei;
– modulul de prelucrare al avariilor;
– modulul de afișare al avariilor;
– modulul de semnalizare al avariilor și stării redresorului.
În cazul modulului de pornire al schemei și oprire se folosesc butoane normal deschise fără reținere I01 și I02, pentru a evita erorile, iar elementul de execuție este markerul M01 setabil și resetabil. În modulul de semnalizare al stării redresorului de folosește o lampă care se aprinde la activarea intrării I01. Markerul M01 dă mai departe semnal pentru citirea stărilor intrărilor I03 – I08 unde sunt conectate echipametele de detecție ale defectelor.
Echipamentele de detecție se conectează la PLC pri intermediul unor contacte normal deschise, care se închid în momentul apariției defectului și dau mai departe către markerii de memorare N01 – N06.
Mai departe contactele normal deschise ale markerilor N01 – N06 se folosesc in modulul de pornire sau oprire automata a redresorului, terminat cu elementul de executie, ieșirea Q01, care are funcția de contactor.
Pentru afișarea avariilor se folosește markerul M01, pentru activarea modulului de afișare al schemei și contactele normal închise ale markerilor N01 – N06 înseriate cu contactul normal închis al Q01.
În modulul de semnalizare se înseriază contactele normal deschise ale avariilor la o ieșire unde va fi acționată o lampă Q02, Q03 care va funcționa continuu până la dispariția defectului. Pentru deranjamente lampa Q04 va funcționa intermitent, pentru atragerea atenției operatorului.
Pentru mai multă siguranță se pot pune în paralel, pe ieșirile de lămpi, niște sonerii.
9.4 Observații și concluzii
PLC-urile sunt echipamente destinate conducerii automate a proceselor industriale.
Ele pot înlocui automatizările discrete ce utilizează o comandă realizată cu elemente electromecanice, pneumatice sau electronice în logică cablată, aducând flexibilitate, structură compactă, siguranță mărită în funcționare.
Aceste echipamente s-au impus într-o gamă tot mai largă de aplicații, datorită simplității programării, accesibilității și fiabilității ridicate în exploatare.
Generațiile actuale de automate programabile asigură posibilități complexe de comunicație serială și conectare în rețea.
Aplicația implementată în PLC poate fi monitorizată, prin intermediul modulelor de comunicație.
Aplicația poate modifica ulterior, în vederea creșterii siguranței și rapidității execuției programului.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Diagnoza Convertoarelor Statice de Putere (ID: 161347)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.