- Operació de quatre quadrants en convertidor dual
- Principi
- Pràctic convertidor dual
- 1) Funcionament del convertidor dual sense corrent circulant
- 2) Funcionament del convertidor dual amb corrent circulant
- 1) Convertidor dual monofàsic
- 2) Convertidor dual trifàsic
Al tutorial anterior hem vist com es dissenya un circuit d'alimentació dual, ara coneixem els convertidors duals, que poden convertir CA a CC i CC a CA alhora. Com el seu nom indica, el convertidor dual té dos convertidors, un convertidor funciona com un rectificador (converteix CA a CC) i un altre convertidor funciona com a inversor (converteix CC a CA). Tots dos convertidors estan connectats esquena amb esquena amb una càrrega comuna com es mostra a la imatge superior. Per obtenir més informació sobre Rectifier i Inverter, seguiu els enllaços.
Per què fem servir el convertidor dual? Si només un convertidor pot subministrar la càrrega, per què fem servir dos convertidors? Poden sorgir aquestes preguntes i obtindreu la resposta en aquest article.
Aquí tenim dos convertidors connectats esquena amb esquena. A causa d'aquest tipus de connexió, aquest dispositiu es pot dissenyar per a un funcionament de quatre quadrants. Vol dir que tant la tensió de càrrega com el corrent de càrrega es tornen reversibles. Com és possible l'operació de quatre quadrants al convertidor dual? Això veurem més en aquest article.
En general, els convertidors dobles s’utilitzen per a les unitats de CC reversibles o les unitats de CC de velocitat variable. S'utilitza per a aplicacions d'alta potència.
Operació de quatre quadrants en convertidor dual
Primer quadrant: tensió i corrent tots dos positius.
Segon quadrant: el voltatge és positiu i el corrent és negatiu.
Tercer quadrant: tensió i corrent negatius.
Quart quadrant: el voltatge és negatiu i el corrent és positiu.
D’aquests dos convertidors, el primer convertidor funciona en dos quadrants en funció del valor de l’angle de tir α. Aquest convertidor funciona com un rectificador quan el valor de α és inferior a 90˚. En aquesta operació, el convertidor produeix un voltatge de càrrega mitjà positiu i un corrent de càrrega i funciona al primer quadrant.
Quan el valor de α és superior a 90˚, aquest convertidor funciona com a inversor. En aquesta operació, el convertidor produeix una tensió de sortida mitjana negativa i la direcció del corrent no es modifica. Per això, el corrent de càrrega continua sent positiu. En la primera operació de quadrant, la transferència d’energia de la font a la càrrega i en la quarta operació de quadrant, la transferència d’energia de la càrrega a la font.
De la mateixa manera, el segon convertidor funciona com a rectificador quan l’angle de tir α és inferior a 90˚ i funciona com a inversor quan l’angle de tir α és superior a 90˚. Quan aquest convertidor funciona com un rectificador, la tensió i el corrent de sortida mitjans són negatius. Per tant, funciona al tercer quadrant i el flux de potència és de la càrrega a la font. Aquí, el motor gira en sentit invers. Quan aquest convertidor funciona com un inversor, la tensió de sortida mitjana és positiva i el corrent és negatiu. Per tant, opera al segon quadrant i el flux de potència és de la càrrega a la font.
Quan el flux de potència és de la càrrega a la font, el motor es comporta com un generador i això fa possible un trencament regeneratiu.
Principi
Per entendre el principi del convertidor dual, suposem que tots dos convertidors són ideals. Vol dir que produeixen voltatge de sortida de CC pur, no hi ha ondulació als terminals de sortida. El diagrama equivalent simplificat del convertidor dual és el que es mostra a la figura següent.
En el diagrama de circuits anterior, el convertidor s’assumeix com una font de tensió de CC controlable i es connecta en sèrie amb el díode. L'angle de tir dels convertidors està regulat per un circuit de control. Per tant, les tensions de CC de tots dos convertidors són iguals en magnitud i oposades en polaritat. Això fa possible conduir el corrent en sentit invers a través de la càrrega.
El convertidor que funciona com a rectificador s’anomena convertidor de grup positiu i l’altre convertidor que funciona com a inversor s’anomena convertidor de grup negatiu.
La tensió de sortida mitjana és una funció de l'angle de tret. Per a l’inversor monofàsic i l’inversor trifàsic, la tensió de sortida mitjana es presenta en forma d’equacions inferiors.
E DC1 = E max Cos⍺ 1 E DC2 = E max Cos⍺ 2
On α 1 i α 2 són l’angle de cocció del convertidor-1 i del convertidor-2 respectivament.
Per al convertidor dual monofàsic, E màx = 2E m / π
Per a, convertidor dual trifàsic, E màx = 3√3E m / π
Per a un convertidor ideal, E DC = E DC1 = -E DC2 E max Cos⍺ 1 = -E max Cos⍺ 2 Cos⍺ 1 = -Cos⍺ 2 Cos⍺ 1 = Cos (180⁰ - ⍺ 2) ⍺ 1 = 180⁰ - ⍺ 2 ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰
Com s'ha comentat anteriorment, la tensió de sortida mitjana és una funció de l'angle de tret. Significa que per a la tensió de sortida desitjada hem de controlar l'angle de tret. Es pot utilitzar un circuit de control de l'angle de tir de manera que, quan canvia el senyal de control E c, l'angle de tir α 1 i α 2 canviarà de manera que es satisfaci a sota del gràfic.
Pràctic convertidor dual
Pràcticament no podem assumir els dos convertidors com un convertidor ideal. Si l’angle de cocció dels convertidors s’estableix de manera que ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰. En aquesta condició, el voltatge de sortida mitjà dels dos convertidors és el mateix en mmagnitud però oposat en polaritat. Però a causa del voltatge ondulat, no podem obtenir exactament el mateix voltatge. Per tant, hi ha diferència de tensió instantània en els terminals de CC dels dos convertidors que produeixen enormes c actual irculating entre els convertidors i que fluirà a través de la càrrega.
Per tant, en el pràctic convertidor dual, és necessari controlar el corrent circulant. Hi ha dos modes per controlar el corrent circulant.
1) Funcionament sense corrent de circulació
2) Funcionament amb corrent circulant
1) Funcionament del convertidor dual sense corrent circulant
En aquest tipus de convertidor dual, només hi ha un convertidor en conducció i un altre convertidor està bloquejat temporalment. Per tant, alhora funciona un convertidor i el reactor no és necessari entre els convertidors. En un instant concret, diguem que el convertidor-1 actua com un rectificador i subministra el corrent de càrrega. En aquest moment, el convertidor-2 es bloqueja eliminant l'angle de tret. Per a l'operació d'inversió, el convertidor-1 està bloquejat i el convertidor-2 subministra el corrent de càrrega.
Els impulsos al convertidor-2 s'apliquen després d'un temps de retard. El temps de retard oscil·la entre els 10 i els 20 ms. Per què apliquem un temps de demora entre el canvi d’operació? Assegura un funcionament fiable dels tiristors. Si el convertidor-2 s'activa abans que el convertidor-1 s'hagi apagat completament, fluirà una gran quantitat de corrent circulant entre els convertidors.
Hi ha molts esquemes de control per generar un angle de tret per fer circular el funcionament lliure de corrent del convertidor dual. Aquests esquemes de control estan dissenyats per operar sistemes de control molt sofisticats. Aquí, alhora, només hi ha un convertidor en conducció. Per tant, és possible utilitzar només una unitat d’angle de tir. A continuació s’enumeren alguns esquemes bàsics.
A) Selecció del convertidor per polaritat del senyal de control
B) Selecció del convertidor per polaritat de corrent de càrrega
C) Selecció del convertidor tant per tensió de control com per corrent de càrrega
2) Funcionament del convertidor dual amb corrent circulant
En cas de no circular el corrent convertidor, requereix un sistema de control molt sofisticat i el corrent de càrrega no és continu. Per superar aquestes dificultats, hi ha un convertidor dual que pot funcionar amb el corrent de circulació. Un reactor de limitació de corrent està connectat entre els terminals de CC de tots dos convertidors. L’angle de cocció dels dos convertidors s’estableix de manera que la quantitat mínima de corrent circulant circuli pel reactor. Com es va comentar a l’inversor ideal, el corrent de circulació és zero si ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰.
Posem per cas que l'angle de cocció del convertidor-1 és de 60˚ i que l'angle de cocció del convertidor-2 s'ha de mantenir a 120˚. En aquesta operació, el convertidor-1 funcionarà com a rectificador i el convertidor-2 funcionarà com a inversor. Així, en aquest tipus d’operacions, alhora els dos convertidors estan en estat de conducció. Si el corrent de càrrega s’inverteix, el convertidor que funciona com a rectificador funciona ara com a inversor, mentre que el convertidor que funciona com a inversor funciona ara com a rectificador. En aquest esquema, els dos convertidors es comporten al mateix temps. Per tant, requereix dues unitats generadores d’angles de tir.
L’avantatge d’aquest esquema és que podem obtenir un funcionament fluït del convertidor en el moment de la inversió. La resposta horària de l’esquema és molt ràpida. El període de retard normal és de 10 a 20 ms en cas que s’elimini l’operació lliure de corrent de circulació.
L’inconvenient d’aquest esquema és que la mida i el cost del reactor són elevats. A causa del corrent circulant, el factor de potència i l’eficiència són baixos. Per manejar el corrent de circulació, es necessiten els tiristors amb una intensitat elevada.
Segons el tipus de càrrega, s’utilitzen convertidors dobles monofàsics i trifàsics.
1) Convertidor dual monofàsic
El diagrama del circuit del convertidor dual es mostra a la figura següent. Com a càrrega s’utilitza un motor de CC excitat per separat. Els terminals de CC de tots dos convertidors estan connectats amb els terminals del bobinatge de la indústria. Aquí, dos convertidors monofàsics complets es connecten esquena amb esquena. Tots dos convertidors proporcionen una càrrega comuna.
L’angle de cocció del convertidor-1 és α 1 i α 1 és inferior a 90˚. Per tant, el convertidor-1 actua com un rectificador. Per al mig cicle positiu (0 <t <π), el tiristor S1 i S2 conduirà i per al mig cicle negatiu (π <t <2π), el tiristor S3 i S4 conduiran. En aquesta operació, tant el voltatge com el corrent de sortida són positius. Per tant, aquesta operació es coneix com a operació de motorització directa i el convertidor funciona al primer quadrant.
L’angle de cocció del convertidor-2 és 180 - α 1 = α 2 i α 2 és superior a 90˚. Per tant, el convertidor-2 actua com un inversor. En aquesta operació, el corrent de càrrega es manté en la mateixa direcció. La polaritat de la tensió de sortida és negativa. Per tant, el convertidor funciona al quart quadrant. Aquesta operació es coneix com a frenada regenerativa.
Per a la rotació inversa del motor de corrent continu, el convertidor-2 actua com a rectificador i el convertidor-1 actua com a inversor. L'angle de cocció del convertidor-2 α 2 és inferior a 90˚. La font de tensió alternativa subministra la càrrega. En aquesta operació, el corrent de càrrega és negatiu i el voltatge mitjà de sortida també és negatiu. Per tant, el convertidor-2 funciona al tercer quadrant. Aquesta operació es coneix com a motor invers.
En funcionament invers, l’angle de cocció del convertidor-1 és inferior a 90˚ i l’angle de cocció del convertidor-2 és superior a 90˚. Per tant, en aquesta operació, el corrent de càrrega és negatiu, però la tensió de sortida mitjana és positiva. Per tant, el convertidor-2 funciona al segon quadrant. Aquesta operació es coneix com a frenada regenerativa inversa.
La forma d'ona del convertidor dual monofàsic és la que es mostra a la figura següent.
2) Convertidor dual trifàsic
El diagrama del circuit del convertidor dual trifàsic és el que es mostra a la figura següent. Aquí, dos convertidors trifàsics es connecten esquena amb esquena. El principi de funcionament és el mateix que un convertidor dual monofàsic.
Així, doncs, es dissenyen els convertidors duals i, com ja s’ha dit, s’utilitzen generalment per construir unitats de corrent continu reversibles o unitats de corrent continu de velocitat variable en aplicacions d’alta potència.