Redresoare cu Diode

REDRESOARE CU DIODEClasificarea redresoarelor

Redresorul este un convertor static de putere care face conversia unei tensiuni alternative ntr-o tensiune continua, sensul energiei fiind de la reeaua de c.a. spre consumatorii de c.c. Redresorul construit cu diode, datorita conduciei unidirecionale a acestora, furnizeaz curent redresat cu o singura polaritate i, fiind necomandat, o tensiune redresat fix, de aceeai polaritate. Astfel, redresorul funcioneaz cu caracteristici de sarcin ntr-un singur cadran al sistemului de axe Ud-Id i anume n cadranul I (la care ne vom referi n general) sau n cadranul III. Notaiile utilizate sunt Ud pentru valoarea medie a tensiunii redresate i Id pentru valoarea medie a curentului redresat al redresorului.

O schem de redresor conine, n general, un transformator (poate lipsi cnd redresorul se conecteaz direct la reea), filtre, diodele redresoare cu elemente de protecie ale acestora la supratensiuni si scurtcircuit (elementele de protecie au fost analizate n capitolul 2 i, pentru simplificarea schemei, nu vor mai fi reprezentate). Diodele conduc succesiv, dup o anumit regul, nct n timpul unei perioade corespunztoare frecvenei reelei au loc un anumit numr de comutaii ale curentului de sarcin, de la o diod care a condus la urmtoarea care intr n conducie. Numrul de comutaii ntr-o perioada definete ordinul redresrii (numrul de pulsuri) q pentru tensiunea redresat. Energia reactiv necesar comutaiei este preluat de la reeaua de alimentare de curent alternativ, de aceea redresoarele necomandate se mai numesc i convertoare statice cu comutaie naturala, cu funcionare ntr-un singur cadran.

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

1. Dup felul tensiunii alternative de alimentare:

a) redresoare monofazate - sunt redresoarele alimentate de la o sursa monofazata de tensiune alternativa; din aceasta categorie fac parte redresorul monoalternana i redresorul bialternana (cu punct median sau n punte);

b) redresoare trifazate - sunt redresoarele alimentate de la o sursa trifazata de tensiune alternativa; cele mai cunoscute conexiuni (nu neaprat i utilizate, dup cum se va vedea n continuare) sunt: redresorul trifazat cu punct median, redresorul n stea hexafazat cu punct median, redresorul trifazat n punte, redresorul cu dubl stea i transformator interfaz, redresoare duodecafazate (cu 12 pulsuri ale tensiunii redresate pe o perioada a tensiunii reelei);

2. Dup posibilitatea de reglaj a tensiunii de ieire:

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

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

3. Dup modul de grupare a fazelor tensiunilor alternative (nfurrilor) care furnizeaz tensiunea redresata:

a) redresoare de tip paralel (Pm) la care cele m faze alternative (nfurri), fiecare n serie cu dioda sa, sunt grupate n stea i apar n paralel n raport cu bornele de ieire ale redresorului; redresorul conine m diode, valoarea instantanee a tensiunii redresate fiind egal cu valoarea instantanee a celei mai pozitive tensiuni din cele m; din aceasta categorie fac parte redresorul monofazat bialternan cu punct median (P2), redresorul trifazat cu punct median (P3) i redresorul n stea hexafazat cu punct median (P6);

b) redresoare de tip dublu paralel (DPm) la care cele m faze alternative (nfurri) sunt grupate tot n stea, ns se utilizeaz 2m diode; valoarea tensiunii redresate n fiecare moment este egal cu diferena dintre cea mai pozitiv i cea mai negativ tensiune alternativ; exemple sunt: redresorul monofazat bialternan n punte (DP2), redresorul trifazat n punte avnd transformatorul cu secundarul n stea (DP3);

c) redresoare de tip serie (Sm), la care nfurrile la bornele crora apar tensiunile alternative sunt montate n poligon (suma celor m tensiuni este nul, deoarece tensiunile formeaz un sistem echilibrat); redresorul de tip serie are 2m diode; de exemplu, redresorul trifazat n punte avnd transformatorul cu secundarul n triunghi este un redresor de tip serie (S3).

3.2.2. Parametrii redresoarelor

Valorilor medii i efective pentru mrimi specifice redresoarelor i dezvoltarea lor n serie Fourier

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

- valoare medie:

- valoarea efectiv:

Pentru descrierea performanelor schemelor de redresare se mai utilizeaz:

valoarea medie modul:

- factorul de form modificat:

factorul de pulsaie modificat:

Factorul de putere i factorul de deplasare al redresorului

Redresorul este consumator pentru reeaua de c.a. i generator pentru cea de c.c.

Redresorul este alimentat de la reeaua monofazat, respectiv trifazat cu o tensiune sinusoidal, respectiv cu un sistem simetric de tensiuni sinusoidale, dar curentul sau curenii care i absoarbe de la reea nu sunt sinusoidali, datorita faptului c n orice moment curenii din primarul transformatorului redresorului trebuie s echilibreze curenii din secundar. Printre parametri legai de reea se numr factorul de putere i factorul de deplasare al redresorului.

a) Redresorul monofazat

Tensiunea de alimentare a transformatorului este sinusoidal:

n timp ce curentul absorbit conine armonici de ordin superior:

Se tie c putere activ, respectiv reactiv, produc numai armonicile de acelai ordin ale tensiunii i curentului. Prin urmare, puterea activ i reactiv absorbit de redresor sunt determinate de fundamentala curentului. Rezult c puterea activa este

iar puterea reactiva este:

unde I1(RMS) este valoarea efectiv a fundamentalei curentului, iar (1 defazajului ei fa de up.

Puterea aparent a fundamentalei va fi:

iar puterea aparent total absorbit:

unde:

este valoarea efectiva a curentului primar

Sarcin rezistiv-inductiv conexiunea serie (R+L)

Schema redresorului i formele de und sunt prezentate n figura 3.4, respectiv n figura 3.5.

Figura 3.4Figura 3.5

n intervalul de conducie al diodei D putem scrie:

sau

unde:

Soluia general a ecuaiei difereniale de ordinul nti este format dintr-un termen de regim forat if i un termen de regim tranzitoriu it:

unde:

nlocuind, obinem soluia:

Unghiul de conducie al diodei se obine punnd condiia:

Valoarea medie a tensiunii redresate este

iar valoarea efectiva a tensiunii redresate este:

Valoarea medie a curentului redresat este:

Evident, avem i pentru curentul secundar Is(AV)=Id.

Sarcin rezistiv-capacitiv - conexiunea paralel (R((C)

Schema redresorului i formele de und sunt date n figura 3.7, respectiv figura 3.8.

Figura 3.7 Figura 3.8

n reprezentarea formelor de und din figura 3.8 s-a presupus c condensatorul are o capacitate suficient de mare astfel nct, n regim permanent, acesta nu se descarc complet i, deci, ncrcarea rencepe de la o valoare pozitiv Um.

n intervalul de conducie al diodei curenii sunt:

unde us este tensiunea din secundarul transformatorului:

Rezult expresia curentului redresat:

unde:

Conducia prin diod nceteaz, la momentul , unde este unghiul de la care ncepe ncrcarea condensatorului:

Rezult condiia:

deci

Pe durata conduciei diodei tensiunea pe condensator este:

Pe intervalul cnd dioda este blocat condensatorul se descarc prin rezistena R. Tensiunea pe condensator va avea expresia:

unde:

Rezult:

n regim permanent putem scrie condiia de periodicitate:

deci ecuaia din care se obine msurat n radiani este:

Valoarea medie a tensiunii redresate este:

innd cont de ecuaiile din care s-au obinut , respectiv , putem scrie:

Factorul de pulsaie al tensiunii redresate este deci:

3.3.2. Redresorul monofazat bialternan

cu punct median i sarcin rezistiv R.

Schema redresorului monofazat bialternan cu punct median (priza median a secundarului transformatorului monofazat) funcionnd cu sarcin rezistiv este dat n figura 3.9, iar formele de und semnificative sunt date n figura 3.10.

Se observ c unghiul de conducie al unei diode este (=(, iar numrul de pulsuri ale tensiunii redresate ntr-o perioad este q=2.

Figura 3.9

Pentru avem us1>0>us2, deci dioda D1 conduce i D2 este blocat. Rezult:

Pentru avem us2>0>us1, deci dioda D2 conduce i D1 este blocat. Rezult:

Figura 3.10

Valoarea medie a tensiunii redresate este:

iar valoarea efectiv a tensiunii redresate este:

innd cont c sarcina este rezistiv, valoarea medie a curentului redresat este:

iar valoarea efectiv este:

Puterea de curent continuu debitat de redresor n sarcin este:

innd cont c am neglijat pierderile de putere din redresor, puterea furnizat de transformator redresorului este egal cu:

Rezult randamentul redresorului:

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

iar valoarea efectiv a lui este:

cu punct median i sarcin puternic-inductiv

Pe intervalul (0, (] dioda D1 conduce i dioda D2 este blocat, iar pe intervalul ((, 2(] conduce D2 i este blocata D1 (figura 3.11). Rezult, i n acest caz:

dac se neglijeaz fenomenul comutaiei (Lc=0)

Curentul de sarcin Id (aproximativ constant n timp) este debitat de cele dou nfurri secundare.

Curentul printr-o seminfurare poate fi descompus (figura 3.12) ntr-o component continua de valoare Id/2 i o componenta alternativ de amplitudine Id (vrf la vrf). Numai componenta alternativ a amper-spirelor secundare este echilibrat de amper-spirele primare. Dezechilibrul de curent continuu determin o slab utilizare a nfurrii secundare, deci o putere de calcul ridicat pentru transformator.

Deoarece (vezi figura 3.11):

iar curenii secundar i primar sunt legai prin relaia (ecuaia solenaiilor):

rezult forma acestora (reprezentat n figura 3.13).

Figura 3.11Figura 3.13

Figura 3.12

Pentru curentul printr-o seminfurare secundar avem:

,

iar pentru curentul primar avem:

Tensiunea redresat avnd aceeai forma ca cea din cazul funcionrii pe sarcin rezistiv, rezult:

deci

cu punct median i sarcin rezistiv-capacitiv - conexiunea paralel (R((C)

Cu originea de timp n ecuaiile curenilor din circuit (figura 3.15), pe intervalul de ncrcare al condensatorului sunt :

Cu notaiile din figura 3.16:

= unghiul la care dioda ncepe sa conduc ;

= unghiul de conducie al diodelor ;

= unghiul la care dioda se blocheaz ;

putem scrie:

Figura 3.15Figura 3.16

Figura 3.17Figura 3.18

Curentul de descrcare al condensatorului pe intervalul este:

Tensiunea redresat este data de relaia:

Rezult valoarea medie a tensiunii redresate:

EMBED Equation.2 n punte cu sarcin rezistiv R

Dac considerm tensiunea secundar, , format din tensiunile (msurate fa de un punct secundar median fictiv, figura 3.19):

i

EMBED Equation.3 ,

formele de und caracteristice (figura 3.20) au aceeai alur cu cele de la redresorul monofazat bialternan cu punct median.

Figura 3.19

Pentru avem us>0, deci diodele D1 i D4 conduc, D2 i D3 sunt blocate. Rezult:

Pentru avem us