UNIVERISTATEA LUCIAN BLAGA DIN SIBIU FACULTATEA DE INGINERIE HERMMAN OBERTH Specializarea : ELECTROMECANICA

DISCIPLINA : ELECTRONICA DE PUTERE Programa analitica a cursului; Programa analitica a laboratorului; Programa analitica a proiectului; Referatul; Proiectul; Subiecte de examen; Modalitati de evaluare a cunostintelor; Bibliografie;

Coordonator : Dr. Ing. Francisc Szombatfalvi TOROK

Student: Cretu Rares Mihai Grupa: 331

Anul universitar 2011 2012

2 Rare Creu, 331/1, Anul III

Programa analitica a cursului

1. Variatoare de tensiune continua VTC. Regimul CCM al VTC. Regimul DCM al VTC. 2. Variatoare de tensiune continua VTC. Convertorul BUCK cu izolare galvanica. Convertorul BOOST cu izolare galvanica. Convertorul FORWARD cu izolare galvanica Convertorul FLYBACK cu izolare galvanica. Comanda VTC. 3. Regimul deformant. Puteri, energii in regim deformant. Parametrii regimului deformant. Norme europene pentru regimul deformant. 4. Regimul deformant. Regimul deformant in sistemele energetic. Regimul deformant produs de convertoare ca/cc. Masurarea regimului deformant. 5. Ameliorarea regimului deformant. Filtre active. Redresor monofazat ideal. Redresor trifazat ideal. 6. Ameliorarea regimului deformant. Convertor PFC. Comanda PFC prin curent mediu. Comanda PFC prin current de varf . Comanda PFC prin reactive anticipativa. Comanda PFC prin current de histereza. Comanda PFC prin Purtatoarea neliniara. Circuite integrate pentru convertoare PFC. Convertoare PFC-ZVS. 7. Convertoare cu circuite rezonante. Convertoare cvasirezonante. Convertoare cvasirezonante ZCS. Convertoare cvasirezonante ZVS. 8. Convertoare cu circuite rezonante. Circuite integrate pentru convertoare ZCS. Circuite integrate pentru convertoare ZVS. Circuite integrate de sarcina rezonanta. 9. Surse in comutatie. Surse in comutatie in contra timp. Circuite integrate PWM pentru surse in comutatie. Circuit integrat UC 1846. Stabilitatea surselor in comutatie. 10. Surse de rezerva. Surse nuintreruptibile de tensiune UPS. 11. Circuite integrate specializate pentru convertoare. Circuite LSI pentru comanda motoarelor de ca. Circuite integrate de putere. 12. Senzori. Senzori de tensiune si de curent pentru convertoare. 13. Discretizarea energiei electrice. Discretizarea energiei electrice de cc. Discretizarea energiei electrice de ca. 14. Protectii. Protectia in current a convertoarelor statice. Protectia in tensiune a convertoarelor statice. Protectii du/dt,di/dt.

,,Tema de proiect nr. I, anul universitar 2011/2012

3 Electronica de putere II Convertor forward cu izolare galvanica

Programa analitica a laboratorului

1. Sanatatea si securitatea in munca.Studiul comenzii redresorului semicomandat in punte monofazata. 2. Studiul comenzii redresorului semicomandat in punte trifazata. 3. Studiul comenzii variatorului de tenisune de tip BUCK. 4. Studiul comenzii variatorului de tensiune de tip BOOST. 5. Studiul comenzii invertorului de tip MCMURRAY. 6. Studiul comenzii invertorului serie cu sarcina rezonanta. 7. Studiul comenzii convertorului CA-CC cu izolare galvanica. 8. Studiul circuitului de comanda PWM TL 494. 9. Studiul procesului HEF 4752. 10. Studiul echipamentului de comanda invertor CC-CA trifazat. 11. Studiul senzorilor de current si tensiune. 12. Studiul circuitelor de corectie pasiv al factorului de putere 13. Studiul circuitelor de corectie active al factorului de putere. 14. Studiul convertoarelor cvasirezonante.

Programa analitica a proiectului1. Etapele intocmirii unui proiect(fundamentarea teoretica,justificari de solutii,scheme bloc,scheme desfasurate, proiectul de an, proiectul de diploma) 2. Proiectarea unui transformator de sudura de 3 KVA. 3. Proiectarea unor module de putere cu tiristoare si a unui invertor monofazat cu tiristoare cu circuit resonant serie. 4. Proiectarea unei surse in comutatie de mare putere. 5. Proiectarea unor variatoare de tensiune continua. 6. Proiectarea unei surse de incarcare in tampon a bateriilor de accumulator. 7. Proiectarea unui corrector de factor de putere PFC.

,,Tema de proiect nr. I, anul universitar 2010/2011

4 Rare Creu, 331/1, Anul III

ReferatulReferatul trebuie sa contina un subiect din tematica cursului sau din subiectele de examen. 1.Titlul; 2.Rezumatul; 3.Textul referatului; 4.Concluzii; 5.Bibliografie; Referatul trebuie sa contina 3-4 pagini, maxim 5.

ProiectulProiectul trebuie sa contina un subiect din tematica cursului sau din subiectele de examen. 1.Titlul; 2.Rezumatul; 3.Teorie; 4.Schema bloc sau de principiu; 5.Schema electrica desfasurata; 6.Stadiul actual; 7.Solutie aleasa; 8.Principiul de functionare; 9.Concluzii; 10.Bibliografie. Proiectul trebuie sa contina intre 10-20 de pagini.

Subiecte de examen

1. Convertor BUCK n punte i semipunte cu izolare galvanic; 2. Convertor BOOST cu izolare galvanic; 3. Convertor FORWARD cu izolare galvanic; 4. Convertor FLY-BACK cu izolare galvanic; 5. Bobina si transformator de frecventa medie; 6. Comanda convertoarelor CC-CC; 7. Modulatia in durata a impulsurilor PWM- modularea sinusoidala; 8. Invertor monofazat comandat PWM; 9. Invertor cu circuit rezonant serie; 10.Invertor cu circuit resonant paralel; 11.Masurari in sisteme electroenergetice in regim deformant; ,,Tema de proiect nr. I, anul universitar 2011/2012

5 Electronica de putere II Convertor forward cu izolare galvanica 12. Monitorizarea marimilor armonice in reteaua electrica de alimentare; 13. Consumatori cu sarcini neliniare in sistemele electromagnetice; 14. Convertoarele statice ca element poluant armonic; 15. Monitorizarea regimurilor deformante; 16. Instrumente software de analiza a regimului deformant; 17. Filtre active; 19. Redresor monofazat ideal; 20. Redresor trifazat ideal; 21. Circuite de corectie a factorului de putere PFC; 22. Circuite integrate pentru comanda PFC; 23. Circuite de corectie a PFC cu comanda in current mediu; 24. PFC cu comanda in current de varf; 25. Metode de comanda a circuitelor de corectie a factorului de putere; 26. Surse in comutatie de tip FORWARD; 27. Surse in comutatie de tip FLY-BACK; 28. Surse in comutatie in contra timp; 29. Sursa cvasirezonanta de tip ZVS; 30. Sursa cvasirezonanta de tip ZCS; 31. Circuite integrate pentru convertoare cvasirezonante; 32. Circuite integrate de putere; 33.Senzori de current; 34.Senzori de tensiune; 35.Protectia convertoarelor statice.

Modalitati de evaluare a cunostintelorCapacitatea de analiza si sinteza a studentilor se testeaza si de-a lungul semestrului, atat la orele de curs cat si la laborator. Nota finala N obtinuta de student ca o masura a cunostintelor accumulate si a disponibilitatilor de utilizare a acestor cunostinte are urmatoarele component: N1 nota pentru Prezenta, N2 nota pentru activitatea desfasurata la laborator, N3 Nota la refereat, N4 nota pentru lucrari de control, N5 nota la proiect, N6 nota de examen final.

N=0,05*N1+0,1*N2+0,15*N3+0,05*N4+0,15*N5+0,5*N6

,,Tema de proiect nr. I, anul universitar 2010/2011

6 Rare Creu, 331/1, Anul III Prezenta este obligatorie la laborator si proiect. Activitatea de laborator este finalizata in urma efectuari tuturor lucrarilor, absentele maxim 4, care se recupereaza la sfarsitul semestrului, de asemenea activitatea de proiect este finalizata la efectuarea partii scrise si practice a proiectului. Se permite recuperarea a maxim 2 absente la sfarsitul semestrului. In timpul semestrului fiecare student va intocmi un referat pe tema aleasa din programa analitica a cursului. Se va face o cercetare tematica pe Internet, de asemenea fiecare student va contacta o firma care produce dispozitive de electronica de putere. Lucrari de control sunt considerate testele de debut si sfarsit de disciplina, in care se verifica cunostintele minime legate de prezenta la disciplina. Examenul final este oral cu raspuns dupa biletul de examen, care contine trei subiecte. Obtinerea notei cinci dupa subiectele de pe biletul de examen da dreptul studentului la un joc interactiv de imbunatatire a notei obtinute. Nota finala se mareste in procent de 20% pentru activitati deosebite in interesul disciplinei. Cerinte minime pentru nota 5: Pentru nota final N = 5, trebuie ca fiecare not N1 .. N6 s existe n componena notei finale i nu are voie ca niciuna s fie mai mic de 5. Cerinte pentru nota 10: Pentru nota final N = 10 trebuie ca fiecare not N1 .. N6 s fie 10 sau pentru N = 8 studentul s aib activiti deosebite (olimpiade, lucrri de cercetare, concursuri naionale sau internaionale, prezen n comisii, etc.)

,,Tema de proiect nr. I, anul universitar 2011/2012

7 Electronica de putere II Convertor forward cu izolare galvanica

PROIECT

CONVERTORUL FORWARD CU IZOLARE GALVANICA

,,Tema de proiect nr. I, anul universitar 2010/2011

8 Rare Creu, 331/1, Anul III

Rezumat

Convertoarele C.C.-C.C.sunt echipamente ce transforma energia de curent continuu direct, tot, in energie de curent continuu, dar la care se poate modifica valoarea sa medie. Ele isi gasesc aplicabilitatea in constructia surselor de alimentare in comutatie, precum si la alimentarea motoarelor de curent continuu.

Fig. 1. Sistem de conversie c.c. - c.c. Asa dupa cum rezulta din fig. 1., convertorul este alimentat, de obicei, printr-un redresor a carui tensiune. de iesire nu este stabilizata. Convertorul propriu-zis furnizeaza din tensiunea continua fluctuanta o tensiune continua, reglabila si stabila ca valoare, in functie de cerintele consumatorului. Sistemul de conversie prezentat in figura 1. poate functiona atat cu transformator de izolare fata de reteaua de alimentare cat si fara izolare. n foarte multe aplicaii, i n special n cadrul surselor n comutaie,se impune existena unei izolri galvanice ntre tensiunea de intrare i cea deieire. Aceast izolare se realizeaz prin intermediul unui transformator de nalt frecven de dimensiuni reduse. Izolarea galvanic este necesar att din motive de electrosecuritate, ct i din motive de compatibilitate electromagnetic. Prin aceast izolare, se evit ca potenialul ridicat fa de pmnt s ajung la ieirea care are potenial flotant i care poate fi i ea conectat la pmnt din considerente de protecie. n ceea ce privete compatibilitatea electromagnetic prin izolare, se evit formarea unor bucle de mas supuse unor fluxuri magnetice variabile, care ar putea induce cureni de circulaie total nedorii i cu efecte perturbatoare.

,,Tema de proiect nr. I, anul universitar 2011/2012

9 Electronica de putere II Convertor forward cu izolare galvanica

Consideratii teoretice

Inductanta de magnetizare LM, impreuna cu dioda D1, precum si inductanta de iesire L, impreuna cu dioda D3, pot functiona in conductie discontinua. Formele de unda prezentate anterior se refera la cazul cand inductanta L este in conductie continua. Pe durata unei perioade de comutatie se deosebesc trei intervale distincte, in fig. 2. Fiind prezentate schemele echivalente ale convertorului forward pe cele trei intervale. Valoarea factorului de umplere 2 va fi deci: (1.1)

Valoarea lui 3 nu poate fi negativa si deoarece +2+3=1 va rezulta: (1.2) Din ecuatiile (1.1) si (1.2) va rezulta valoarea lui 3: (1.3)

Din relatia (1.3) se va obtine valoarea factorului de umplere ca fiind: (1.4) Se observa ca valoarea maxima a lui este limitata la raportul din relatia (1.4), in cazul in care n1=n2 obtinandu-se: (1.5) In cazul in care aceasta limita este depasita, timpul de blocare al tranzistorului va fi insuficient pentru anularea curentului de magnetizare, aceasta conducand la saturarea miezului. O comparatie intre forma de unda a curentului de magnetizare iM(t) atunci cand 0.5 respectiv 0.5 este prezentata in fig. 2. In cazul 0.5 se observa ca dupa fiecare perioada de comutatie apare o crestere a valorii curentului de magnetizare.

,,Tema de proiect nr. I, anul universitar 2010/2011

10 Rare Creu, 331/1, Anul III Tensiunea de la iesirea convertorului se determina punand conditia ca valoarea medie a tensiunii de pe inductanta L sa fie nula, ea fiind deci egala cu valoarea medie a tensiunii de pe dioda D3, si anume: U0=[uD3]= Ui (1.6) Aceasta relatie este valabila in cazul conductiei continue prin inductanta L, valoarea lui fiind data de relatia (1.4). Valoarea medie a tensiunii din primarul transformatorului u1(t) trebuie sa fie nula, din forma sa de unda prezentata in fig. 2 rezultand: [ ] ( )

Fig. 2. Formele de unda caracteristice convertorului forward cu izolare galvanica

Un convertor C.C.-C.C. poate controla valoarea medie a tensiunii la bornele unui consumator atat in cazul cand tensiunea de la intrare fluctueaza cat si in cazul cand valoarea consumatorului se modifica. La un convertor c.c-c..c., cu tensiune de intrare data, valoarea medie a tensiunii de iesire, se controleaza prin modificarea intervalelor de timp, de conductie, respectiv de blocare a comutatorului intercalat intre intrare si iesire. Pentru a ilustra conceptul in baza caruia se realizeaza conversia C.C.-C.C. sa urmarim fig. 3. ,,Tema de proiect nr. I, anul universitar 2011/2012

11 Electronica de putere II Convertor forward cu izolare galvanica Valoarea medie a tensiunii de iesire Uo depinde de timpii ton si toff . O posibilitate de control a acestei tensiuni consta in mentinerea constanta a frecventei (Ts= ton+toff = const) si ajustarea timpilor de comutare. Prin aceasta metoda, numita metoda de comanda prin modulare in durata, factorul de comanda , este de fapt factorul de umplere al semnalului cu care se actioneaza asupra comutatorului.

Fig. 3. Modularea in durata: (a) schema bloc; (b) formele de unda

Fig. 4. Forma de unda a curentului de magnetizare a convertorului forward: (a) DCM, 0.5; (b) CCM, 0.5. ,,Tema de proiect nr. I, anul universitar 2010/2011

12 Rare Creu, 331/1, Anul III

Fig. 5. Schema electrica a unui convertor forward cu doua tranzistoare. Tranzistoarele Q1 si Q2 sunt comandate cu acelasi semnal de comanda, ele fiind in conductie pe intervalul intai si fiind bloacate pe intervalele doi si trei. Partea secundara a acestui convertor este identica cu cea a convertorului cu un singur tranzistor, dioda D3 fiind in conductie pe primul interval in timp ce dioda D4 este in conductie pe intervalele doi si trei. Pe durata celui de-al doilea interval curentul de magnetizare iM(t) polarizeaza direct diodele D1 si D2, astfel ca infasurarii primare ii este aplicata o tensiune egala cu Ui dar de polaritate inversa ca si pe durata primului interval, consecinta fiind descresterea curentului de magnetizare cu o panta egala cu Ui/LM, iar cand acesta se anuleaza diodele D1 si D2 se vor bloca. Factorul de umplere al comentii pentru cele doua tranzistoare este limitat la 0.5. Avantajul acestui tip de convertor este acela ca solicitarea maxima in tensiune a tranzistoarelor este Ug. Domeniile de putere in care se foloseste acest convertor sunt aceleasi cu ale convertorului cu izolare in semipunte. Factorul de utilizare al transformatorului in cazul convertorului forward este relativ bun, doar jumatate din caracteristica B=f(H) a miezului fiind utilizata deoarece curentul de magnetizare are doar valori pozitive. Aceasta ar insemna ca marimea miezului este dubla fata de cazul convertoarelor in punte si semipunte, totusi, la convertoarele moderne de inalta frecventa, circulatia fluxului este constransa mai mult de pierderile in miez decat de saturarea acestuia, iinconsecinta factorul de utilizare al miezului la convertoarele forward poate fi la fel de bun ca si la convertoarele in punte si semipunte. Din punct de vedere al utilizarii infasurarilor, convertorul forward este mai bun decat convertoarele in punte si semipunte deoarece nu necesita infasurari cu priza mediana. Curentul de magnetizare este mic in comparatie cu curentul de sarcina reflectat, avand un efect neglijabil asupra utilizarii transformatorului. ,,Tema de proiect nr. I, anul universitar 2011/2012

13 Electronica de putere II Convertor forward cu izolare galvanica

Stadiul actualEle isi gasesc aplicabilitatea in constructia surselor de alimentare in comutatie, precum si la alimentarea motoarelor de curent continuu.

Schema bloc

Fig. 6. Schema bloc a convertorului forward cu izolare galvanica

,,Tema de proiect nr. I, anul universitar 2010/2011

14 Rare Creu, 331/1, Anul III

Schema electrica desfasurata

Fig. 7. Schema electrica desfasurata a convertorului forward: (a) pe durata primului interval de conductie; (b) pe durata celui de-al doilea interval de conductie; (c) pe durata celui de-al treilea interval de conductie

,,Tema de proiect nr. I, anul universitar 2011/2012

15 Electronica de putere II Convertor forward cu izolare galvanica

Principiul de functionare Schema bloc

Schema bloc a convertorului forward este prezentata in fig. 6, el fiind tot o varianta de convertor cu izolare buck. Convertorul forward are un singur tranzistor, aplicatiile sale tipice fiind cele de putere mai mica decat cele cu convertoare in punte respectiv semipunte, tipice fiind aplicatiile care necesita curenti mari la iesire, deoarece curentul de iesire la acest tip de convertor este nepulsatoriu. Factorul de umplere al comenzii tranzistorului este limitat la domeniul 00.5, daca se considera n1=n2.

Functionare Schema electrica desfasurataPe durata primului interval, asa cum se observa din fig. 7a, tranzistorul Q1 este in conductie, dioda D2 este polarizata direct iar diodele D1 si D3 sunt polarizate invers. Tensiunea Ui este aplicata primarului transformatorului, curentul de magnetizare iM(t) crescand cu o panta egala cu Ui/LM. Tensiunea de pe dioda D3 este egala cu Uin3/n1. Pe durata celui de-al doilea interval, asa cum se observa din fig. 7b, tranzistorul Q1 este blocat, diodele D1 si D3 sunt polarizate direct iar dioda D2 este polarizata invers. Curentul de magnetizare din infasurarea primara este reflectat in cea de-a doua infasurare cu polaritatea corespunzatoare cuplajului dintre infasurari rezultand un curent i2=iMn1/n2. Tensiunea de intrare Ui este aplicata in acest caz celei de-a doua infasurari, tensiunea de pe inductanta de magnetizare devenind in acest caz Uin1/n2, rezultand o descrestere a curentului de magnetizare cu o panta egala cu - Uin1/n2LM. Curentul de iesire i0(t) va fi condus de catre dioda D3. Cel de-al treilea interval incepe atunci cand curentul de magnetizare devine zero, dupa cum se observa din fig. 7c. Tranzistorul Q1 precum si diodele D1 si D2 sunt in stare blocata, curentul de iesire fiind condus de catre dioda D3.

,,Tema de proiect nr. I, anul universitar 2010/2011

16 Rare Creu, 331/1, Anul III

ConcluziiConvertoarele curent continuu - curent continuu (c.c.-c.c.), intaInite frecvent si sub denumirea simplificata de convertoare de curent continuu, permit transformarea energiei furnizate de o sursa de tensiune continua intr-o noua energie de tensiune continua, de o alta valoare, eventual reglabila. Avantajele utilizarii unui transformator de izolare sunt: 1. iesirea este izolata electric de intrare. Tensiunea de 220 Veste separata de consumator. Acesta poate fi legat si la pamant, daca normele de protectia muncii cer acest lucru; 2. folosirea unui transformator cu raport de transform are corect ales permite obtinerea unor tensiuni de iesire intr-o gama larga; 3. prin folosirea unui transformator nu mai apar restrictiile generate de schimbarea polaritatii tensiunii de iesire fata de tensiunea de intrare;

Bibliografie Electronica de Putere - Viorel Popescu , Editura de Vest 1998 Electronica de putere convertoare statice Florin Ionescu, Editura tehnica, 1998 Convertoare de putere in comutatie- Aplicatii,V.Popescu Surse de alimentare in telecomunicatii V. Popescu

,,Tema de proiect nr. I, anul universitar 2011/2012