Modularea in durata a impulsurilor aplicata la invertoarele cu caracter de sursa de curent

LUCRAREA DE LABORATOR Nr. 12

2003

Lucrarea de laborator Nr. 12
MODULAREA IN DURATA A IMPULSURILOR APLICATA LA INVERTOARELE CU CARACTER DE SURSA DE CURENT


1. Scopul lucrrii
Lucrarea de laborator are drept scop cunoaterea pe cale experimental a problemelor fundamentale specifice funcionrii ca surs de curent alternativ a unui invertor de tensiune comandat i reglat prin modulare n durat a impulsurilor, MDI. Sistemul de conversie de cc/ca va fi investigat prin oscilografiere i prin msurarea, trasarea grafic i interpretarea caracteristicilor de comand i de ieire.

Pentru simplitate, invertorul studiat va fi prevzut cu o sarcin pasiv de tip R-L. Extinderea ctre alte tipuri de sarcini pasive este simplu de fcut, pe baza cunotinelor de Electrotehnic, [19]. Cazul mai complex al sarcinilor ce implic i prezena unei tensiuni (contra)electromotoare alternative este prezentat n [12] i va fi detaliat investigat la disciplina de Acionri electrice. Prezenta lucrare de laborator asigur condiiile pentru nelegerea integral a aplicaiilor n care intervine un invertor cu modulare n durat a impulsurilor cu caracter de surs de curent.

2. Consideraiuni teoretice
In marea lor majoritate, [19], circuitele electrice sunt alimentate de la surse de tensiune. Lucrarea de laborator cu numrul 11 s-a referit la cazul n care un invertor de tensiune, comandat prin modulare n durat a impulsurilor funcioneaz tocmai ca o astfel de surs de tensiune alternativ sinusoidal, cu valoare efectiv i frecven selectabil prin comand electronic. Presupunem c aceast lucrare a fost integral efectuat i c, pe baza prelucrrii rezultatelor experimentale, a fost lmurit pe deplin faptul c sarcina conectat la ieire se comport conform criteriilor, de altfel cunoscute de la Electrotehnic i impuse de acest caracter de surs de tensiune al convertorului. In multe aplicaii din domeniul Acionrilor electrice, al Aparatelor electrice sau al Utilizrilor energiei electrice este indicat ns a se folosi ca surs de energie electric o surs de curent. Utilizarea surselor de curent poate mbunti eficiena energetic a unor sisteme de utilizare, simplific modelul lor matematic i poate asigura performane dinamice superioare. In aceast lucrare se va aborda exact problematica funcionrii unui invertor de tensiune comandat prin modulare n durat a impulsurilor, ca surs de curent alternativ sinusoidal, cu valoare efectiv i frecven comandat. Precizm c este un regim de funcionare dual funcionrii convertorului ca surs de tensiune alternativ. Scopul lucrrii este n primul rnd acela de a scoate n evidena efectul acestui convertor asupra sarcinii conectate la ieire.

1

Figura L12.01. Circuitul electronic de putere i schema bloc a circuitelor de comand

i reglare a invertorului cu caracter de surs de curent studiat.
Figura L12.01 pune n eviden circuitul electronic de putere al convertorului studiat, asociat cu schema bloc a circuitelor de comand necesare, [9], [10], [11], [13], [14]. Detaliile privind configuraia, modul de funcionare i performanele circuitelor de comand au fost n parte studiate pe cale experimental n Lucrarea de laborator Nr.10 i pot fi completate pe baza lucrrilor [1], [5], [18], [22], [23] din bibliografie. Subliniem c etajele din configuraia sistemului de comand sunt tot modulatorul PWM, blocul de separare logic de canale i de protecie, respectiv, cel de comand cu separare galvanic prin optocuplor. Elementul de noutate care intervine i care confer convertorului caracterul de surs de curent, este acela c acest sistem opereaz ca un sistem de reglare automat, cu reacie negativ de curent, [3], [4], [6], [17], care se “strduiete” s genereze la ieire un astfel de curent n sarcin nct abaterea faa de semnalul de referin de curent de la intrare s tind la zero. In continuare se va investiga modul de lucru al convertorului, n regim quasistaionar de funcionare, prin experimentrile care fac obiectul capitolului 4 al lucrrii urmnd a se verifica cele expuse.

Mrimea de intrare a sistemului de conversie, privit n ansamblul su, este semnalul de referin de curent, de forma:

(L12.01)

Aa cum rezult din expresia (L12.01), att amplitudinea ct i frecvena semnalului de referin de curent pot fi variabile n timp. Pentru simplitate, n continuare ne vom referi la un regim quasistaionar de funcionare caracterizat de o amplitudine I i o pulsaie constant a semnalului de referin de curent. Etajul modulator PWM funcioneaz ca un comparator de tensiune i mpreun cu filtrul trece jos constituie un regulator bipoziional de curent care prelucreaz abaterea dintre valoarea instantanee a semnalului de referin de curent i valoarea instantanee a semnalului de tensiune de reacie de curent, msurat de traductorul caracterizat de coeficientul de conversie K_T, [V/A]:

(L12.02)

Aa cum se va preciza la prezentarea montajului experimental, coeficientul de conversie de curent este fixat, n cadrul acestei lucrri de laborator, la valoarea 1. Cu precizarea c histereza h a regulatorului este n principal determinat de ntrzierea introdus de filtrul trece jos amplasat pe bucla de reacie negativ, semnalul de comand generat de regulatorul bipoziional de curent va fi:

(L12.03)

Pornind de la acest semnal de comand, tranzistoarele din circuitul electronic de putere sunt n mod succesiv saturate sau blocate, n aa fel nct la ieirea invertorului s se genereze o tensiune dreptunghiular de forma:

(L12.04)

Aceast tensiune va produce n circuitul de sarcin un curent i_c(t) a crui fundamental este chiar semnalul de referin de curent, i(t), conform relaiei L12.01. Unii autori numesc acest procedeu de generare a curentului, prin funcionarea invertorului de tensiune ca sistem de reglare automat i procedeu de forare a curentului. Pe de o parte curentul i_c(t) aproximeaz cu att mai bine referina cu ct histereza regulatorului este mai mic. Pe de alt parte reducerea histerezei conduce la creterea frecvenei medii de comutaie din convertor. La o histerez dat a regulatorului, frecvena de comutaie depinde i de constanta de timp a circuitului de sarcin. Din aceste motive, la aplicarea unui astfel de sistem, n faza de proiectare, prin calcul, modelare i simulare vor trebui stabilite condiiile concrete de funcionare ale sarcinii. Spre deosebire de cazul invertorului cu caracter de surs de tensiune, la cel cu caracter de surs de curent pot apare probleme legate de domeniul de funcioare sau de pierderi de comutaie nepermis de mari.

Se cuvine s precizm c aceast strategie de reglare a curentului se caracterizeaz printr-o modificare permanent a valorii instantanee a frecvenei de modulare n durat a impulsurilor. Pentru valori mici ale modulului curentului de referin rezult frecvene mari de comutaie n timp ce pentru valori mari ale aceluiai modul al curentului de referin valorile frecvenei de comutaie scad. La limit, dac rezerva de tensiune continu din circuitul intermediar devine subunitar, convertorul pierde caracterul de surs de curent, frecvena de comutaie devine nul i n sarcin apare curent continuu. Pentru a nelege mai clar aceste lucruri i pentru a stabili caracteristicile acestui invertor cu caracter de surs de curent vom analiza mai detaliat tensiunea u_c(t). Dac admitem c curentul din circuitul de ieire aproximeaz perfect semnalul de tensiune de referin de curent, atunci fundamentala tensiunii de ieire din convertor va fi dat de relaia:

(L12.05)

relaie ce nu reprezint altceva dect legea lui Ohm aplicat pentru circuitul de curent alternativ din sarcin.

Pentru ca sistemul de conversie s lucreze ca surs de curent, raportul k_u dintre nivelul de tensiune continu din circuitul de intrare, U_d i amplitudinea U_c a tensiunii pe partea de alternativ a convertorului, dat de expresia (L12.05), raport pe care l numim rezerv de tensiune continu, trebuie s rmn, aa cum s-a precizat mai sus, supraunitar:

(L12.06)

Conform condiiilor de analiz acceptate, pentru o amplitudine i frecven constant a semnalului de referin, curentul din circuitul de sarcin poate fi scris ca:

(L12.07)

Atunci, ecuaia care descrie tensiunea pe partea de alternativ a convertorului, (L12.05), devine:

(L12.08)
Stiind c pentru diferena de faz dintre tensiune i curent, pe baza triunghiului impedanelor putem scrie:

(L12.09)

dup calcule trigonometrice i algebrice simple vom obine:

(L12.10)

Aceast relaie, de altfel evident n Electrotehnic, [19], ne permite s subliniem specificul convertorului cu caracter de surs de curent. Remarcm faptul c la un semnal de referin de curent cu frecven constant, amplitudinea tensiunii pe partea de alternativ a circuitului electronic de putere crete dac amplitudinea curentului impus crete i dac sarcina conectat la ieire scade. Aceast tensiune este n avans de faz fa de curentul din sarcin i ea se stabilete liber. Pe baza expresiei (L12.06) putem atunci afirma c este binevenit o rezerv de tensiune ct mai mare, lucru care este ns serios limitat de nivelele de tensiune standard pentru care sunt proiectate sarcinile uzuale de curent alternativ. Modificarea frecvenei semnalului de referin de curent are, la rndul ei, efect asupra amplitudinii i fazei tensiunii pe partea de alternativ a convertorului. Tocmai aceste elemente specifice vor fi investigate n partea experimental a lucrrii de laborator.

3. Montajul experimental i aparatele necesare
Pentru efectuarea acestei lucrri de laborator se folosete convertorul experimental descris n mod detaliat n Lucrarea de laborator Nr. 10.

Avnd n vedere c domeniul frecvenelor de lucru n care se studiaz convertorul de cc/ca variaz ntre limite largi, pentru msurarea de tensiuni i cureni nu se poate apela nici n acest caz la aparate de msur convenionale. Mrimile de msurat se culeg din sistemul investigat prin traductoare de tensiune i curent, semnalele de reacie fiind vizualizate pe osciloscop, unde se citesc valorile de vrf i apoi se calculeaz valorile efective. Pentru aceste determinri experimentale se utilizeaz tot blocul special de traductoare, [2], [8], [23], [24], descris n Lucrarea de laborator Nr. 11. Performanele traductoarelor folosite i coeficienii de conversie rmn neschimbai, 1 V/A pentru traductoarele de curent i 0,025 pentru traductorul de tensiune.

Aparatele necesare sunt urmtoarele:

1.Convertor de cc/ca experimental.

2.Bloc de msurare de tensiuni i cureni cu traductoare profesionale LEM Inc.

3.Osciloscop cu dou canale, 1 buc.

4.Osciloscop cu un canal, 1 buc.

5.Generatoare universale de semnal, 2 buc.

6.Surse duble stabilizate de laborator, 2 buc.

7.Surs stabilizat simpl I4104, 1 buc.

8.Reostat de laborator, 29, 5A, 1 buc.

9.Bobin de laborator, 20 mH, 5A, 1 buc.

10.Multimetru electronic universal, 4 buc.

11.Bloc filtru trece-jos.

4. Mersul lucrrii
1.Se realizeaz montajul experimental prezentat n Figura L12.01.
2.Se regleaz tensiunile de ieire ale surselor stabilizate de laborator folosite la valorile indicate pe panoul frontal al convertorului experimental.
3.Cu ajutorul osciloscopului se regleaz semnalul de la ieirea generatorului sinusoidal pentru a se obine parametri n domeniul indicat pentru semnalul de referin de curent.
4.Se pune n funciune invertorul i se vizualizeaz semnalul de tensiune i de curent de la ieire. Oscilogramele se nregistreaz n referatele aferente lucrrii de laborator.
5.Se studiaz caracteristicile de ieire ale convertorului de curent, U_c = U_c(I_c), prin msurarea valorilor efective ale tensiunii i curentului n condiii date de funcionare a invertorului. Pentru amplitudinea semnalului de referin de curent, I, se stabilesc succesiv valorile de 1V; 2,5V i 4V. Frecvena aceluiai semnal se fixeaz la valorile de 25 Hz; 50 Hz i 75 Hz. Pentru fiecare situaie posibil se completeaz un tabel simplu, de forma:
I = 1V f = 25 Hz

Ic, [A]
Uc [V]

Punctele de msur se impun prin modificarea rezistenei din circuitul de sarcin, selectndu-se pentru fiecare caracteristic valorile de 8; 6; 4; 2 i 1 .

6.Se investigheaz caracteristicile de comand a valorii efective a curentului de ieire din invertor. In acest scop la frecvene de lucru constante i cu rezisten constant de 4 n circuitul de sarcin se determin evoluia valorii efective a curentului din circuitul de sarcin, a valorii efective a tensiunii la bornele sarcinii i a fazei tensiunii de ieire fa de curentul de ieire. Determinrile se fac la frecvenele de lucru de 25; 50; 75 i 100 Hz. Se completeaz tabele de forma:
Frecvena de lucru f = 25 Hz

I	1 V	2 V	2,5 V	3V	4V
Ic [A]
Uc [V]
U [grd]

7.Se studiaz caracteristicile de comand a frecvenei curentului de ieire din invertor, la amplitudine constant a semnalului de referin de curent, I i cu rezisten de sarcin constant de 4 n circuitul de sarcin. Pentru amplitudinea semnalului de referin de curent se vor alege valorile de 1 V; 2,5 V i 4 V. Pentru fiecare determinare se completeaz un tabel de forma:

I = 1 V

f [Hz]	10	15	20	25	50	75	100
Ic [A]
Uc [V]
U [grd]

Note: 1.Pe tot parcursul experimentrilor se va urmri pstrarea curentului de intrare n convertor sub valoarea de 5 A pentru ca sursa de alimentare s nu limiteze curentul distorsionnd rezultatele determinrilor.

2.Faza tensiunii de la bornele circuitului de sarcin se va determina cu ajutorul osciloscopului.

5. Prelucrarea rezultatelor experimentale
1.Se traseaz i explic formele de und indicate la punctul 4.4

2.Se traseaz pe hrtie milimetric familiile de caracteristici determinate la punctele 4.5, 4.6 i 4.7 i se interpreteaz rezultatele obinute.

3.Se compar rezultatele experimentale cu caracteristicile convertorului ideal cu caracter de surs de curent i se explic motivele diferenelor constatate.


6. Teme suplimentare
1.Stabilii pe cale analitic i trasai grafic legea de variaie a tensiunii Uc n funcie de frecven. Amplitudinea semnalului de referin de curent i caracteristicile sarcinii se consider constante.

2.Presupunnd tot amplitudine constant a semnalului de referin de curent i sarcin constant, studiai analitic i grafic evoluia fazei tensiunii u_c n funcie de frecven.

3.Completai unul dintre programele de simulare a funcionrii etajului PWM, studiat n Lucrarea de laborator cu Nr.10, cu un circuit de putere simplu care s permit investigarea invertorului cu caracter de surs de curent. Efectuai simulri n condiii similare experimentrilor din capitolul 4.

7. Bibliografie
1.Babos, T. - Convertor PWM monofazat cu aplicaii n tehnica redresoarelor cu comutaie proprie, Proiect de diplom, Conductor Prof. Dr. Richard Marschalko, Cluj, Romnia, 2000.

2.Cobrea, Georgiana - Sistem de msurare a curenilor i tensiunilor pentru convertoare PWM de ca/cc, Proiect de diplom, Conductor Prof. Dr. Richard Marschalko, Cluj, Romnia, 2002.

3.Coloi, T. - Elemente de electronic i automatic, Litografia UTC-N, Cluj, Romnia, 1972.

4.Coloi, T. - Teoria sistemelor i a reglrii automate, Litografia UTC-N, Cluj, Romnia, 1982.

5.Giurgiu, M. - Circuite de protecie pentru convertoare de ca/cc cu comutaie proprie, Proiect de diplom, Conductor Prof. Dr. Richard Marschalko, Cluj, Romnia, 2001.

6.Hngnu, M. - Automatica, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, Romnia, 1971.

7.Hercovici, H. - Circuitele integrate in aparatura de automatizare, Seria Electronic, Automatic, Management, Editura Tehnic, Bucureti, România, 1976.

8.Inclezan, A. - Sisteme de msurare a curenilor i tensiunilor pentru comanda analogic i digital a unui redresor PWM monofazat, Proiect de diplom, Conductor Prof. Dr. Richard Marschalko, Cluj, Romnia, 2001.

9.Kelemen, A.; Maria Imecs   Mutatoare, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, România, 1978.

10.Kelemen, A.; Maria Imecs; Marschalko, R.; Voiculescu, E.; Koos, F.; Broscoi, A.   Electronic Industrial. Mutatoare, Indrumtor de laborator, vol.I, Lito IPC N, Cluj, România, 1982.

11.Kelemen, A.; Maria Imecs   Electronic de putere, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, România, 1983.

12.Kelemen, A.; Maria Imecs - Sisteme de reglare cu orientare dup cmp ale mainilor de curent alternativ, Editura Academiei, Bucureti, Romnia, 1989.

13.Marschalko, R. - Convertoare de ca/cc cu modulare în durat a impulsurilor, Editura Mediamira, Cluj, România, 1997.

14.Marschalko, R.; Micu, D.O. - Convertoare de ca/cc cu modulare în durat a impulsurilor i aplicaii, Editura Mediamira, Cluj, România, 1997.

15.Marschalko, R. - Electronica pentru ingineri electrotehnicieni, Vol. I, Dispozitive i circuite electronice fundamentale, Editura Mediamira, Cluj, Romnia, 2003.

16.Marschalko, R. - Electronica pentru ingineri electrotehnicieni, Vol.II, Circuite electronice pentru semnale continue, Cluj, Romnia, 2003, (manuscris n curs de editare).

17.Roïtenberg, I.N. - Thorie du contrôle automatique, Editions MIR, Moscou, 1974.

18.Salomir, C. - Circuite de comand electronic pentru un redresor PWM monofazat, Proiect de diplom, Conductor Prof. Dr. Richard Marschalko, Cluj, Romnia, 2001.

19.Simion, E. - Electrotehnic, Editura didactic i pedagogic, Bucureti, Romnia, 1977.

20.Sztojanov, I.; Paca, S. - Analiza asistat de calculator a circuitelor electronice, Ghid practic, PSpice, Editura Teora, Bucureti, România, 1997.

21.Teigelktter, J. - Weiterentwicklung eines IGBT - Stromrichters, Diplomarbeit, EAEE, Ruhr - Universitt Bochum, Deutschland, 1991.

22.Tietze, U.; Schenk, Ch. - Halbleiter - Schaltungstechnik, Zehnte Auflage, Springer Verlag, Berlin - Heidelberg - New York - London -Paris - Tokyo - Hong Kong - Barcelona - Budapest, Deutschland, 1993.

23.X X X - Cercetarea i implementarea unor preconvertoare de ca/cc cu corectarea factorului de putere i a unor convertoare de cc/cc cu parametri energetici ridicai, Contract CNCSIS, Marschalko, R. - director de proiect, Bojan, M.; Keul, Ch.; Hedeiu, Cl.; Csatls, E., 3 vol., Biblioteca UTC-N i Biblioteca Laboratoarelor de Electronic ale Facultii de Electrotehnic, 1999 - 2001.

24.X X X - Product information, Technical notes, LEM Inc., Switzerland, 1997

Data ntocmirii: 08.02.2003 Data ultimei revizuiri: 27.03.2003

Intocmit: Dr. Richard Marschalko Revizuit: Dr. Richard Marschalko