În ultimul număr am prezentat regimurile de funcționare ale sistemelor de acționare electrică pentru motorul de cc cu excitație independentă comandat atât pe tensiune rotorică dar și prin tensiunea de excitație. De asemeni am dezvoltat teoria regimurilor dinamice pentru motorul de cc cu excitație serie, pentru mașina asincronă cu rotorul în scurtcircuit și pentru mașina asincronă cu rotorul bobinat. În final am prezentat concluziile privind eficiența energetică a acestor sisteme punctând necesitatea sistemelor de reglare adaptivă.

1. Introducere

Utilitatea convertoarelor statice nu este pusă la îndoială prin prisma aplicaţiilor în care interesul este fie pentru reglarea turaţiei, fie pentru reglarea și controlul cuplurilor și nu în ultimul rând pentru reglajul tensiunii de ieșire.

În toate cazurile, performanţele unui convertor static de putere din punct de vedere al sarcinii și al eficienţei energetice al conversiei, mărime de intraremărime de ieșire se reduce la calitatea tensiunii furnizate. În acest articol voi face exemplificarea măsurilor de eficientizare a convertoarelor statice la redresoare.

Este cunoscut că pulsaţia tensiunii redresate depinde de schema de redresare și de natura sarcinii.

Pentru o sarcină oarecare și pentru o redresare cu diode, tensiunea redresată este:

Rezultă din relaţia 2 ca udo(t) conţine armonice multiplu de pf.

Pentru o sarcină oarecare, în general fundamentala udo este cea care concură la randamentul maxim al conversiei, motiv pentru care considerăm că poluarea armonică va conduce la scăderea eficienţei energetice a acestor convertoare.

În cazul redresoarelor comandate lucrurile arată mai rău. Valoarea medie Ūdα este:

unde μ este unghiul de comutaţie al ventilelor ce compun convertorul static de putere.

Din relaţiile de mai sus 3, 4, 5 se observă că:

• Cu cât α crește, calitatea tensiunii redresate scade (nivelul de poluare armonică a tensiunii de ieșire crește, ceea ce înseamnă o eficienţă energetică a conversiei scăzută);
• Ca cât p crește, tensiunea redresată are o calitate sporită cu implicaţii asupra eficienţei energetice în sensul creșterii ei.

În același mod se cunoaște că și curenţii absorbiţi din reţeaua de alimentare nu sunt sinusoidali.

De exemplu pentru un redresor monofazat cu punct median, pe o sarcină oarecare sau redresor monofazat în punte, curentul absorbit dintr-o reţea sinusoidală este:

deci cu o poluare armonică cu armonice de tip impar.

În acest caz, tot ce înseamnă altceva decât fundamentală, va produce pierderi suplimentare care vor diminua randamentul conversiei.

Pentru înlăturarea acestor efecte negative, în tehnica utilizării convertoarelor statice se folosesc tot mai mult metode și echipamente care au rolul creșterii eficienţei energetice în mod considerabil. În cele ce urmează voi aminti câteva dintre echipamentele folosite în acest sens, echipamente cunoscute sub numele de filtre.

2. Filtre pasive

Una din metodele cele mai simple pentru creșterea eficienţei energetice prin îmbunătăţirea comportării convertoarelor statice atât ca sursă cât și ca sarcină este folosirea de filtre atât pe partea de curent continuu cât și pe partea de curent alternativ.

2.1 Filtre pe partea de cc

Scopul acestor filtre este acela de a îmbunătăţi forma tensiunii sau curentului de la ieșirea convertoarelor de tip redresor. Aceste filtre sunt de tip C, L sau LC.

2.1.1 Filtru de tip C se obţine prin introducerea la ieșirea redresorului a unei baterii de condensatoare, legate în paralel cu sarcina, cu rolul de a reduce pulsaţia tensiunii redresate.

• FIGURA 1. Filtru de tip C

​

• FIGURA 2. Filtru de tip L​

​

• FIGURA 3. Filtru „trece jos”

​

• FIGURA 4. Filtru rezonant

În figura 1 este prezentată schema bloc a unui asemenea filtru. De foarte multe ori, în locul C se poate utiliza o baterie de acumulatori. Este o soluţie pentru convertoare statice de puteri mici și pentru cele în care tensiunea de ieșire are o valoare ridicată. Dezavantajele derivă din:

• Capacitatea C și bateriile de acumulatori au o impedanţă mică, ceea ce înseamnă că valorile curenţilor absorbiţi din reţea sunt însemnaţi până la încărcarea C;
• Prezenţa C reduce durata de conducţie a ventilelor componente ale convertorului static;
• Prin prezenţa C se modifică panta caracteristică de sarcină.

2.1.2 Filtru de tip L

În figura 2 este prezentată o asemenea aplicaţie. Rolul inducţiei L, este acela de a „netezi” cât mai mult forma curentului de sarcină, adică de reducere a armonicelor curentului de sarcină id. Dezavantajele acestui tip de filtru sunt legate de:

• Valoarea curentului de sarcină (efectul nu este constant);
• Inductanţa L având și o rezistenţă internă, scade eficienţa energetică datorită pierderilor rezistive;
• Valoarea L modifică prin , valoarea constantei de timp a circuitului de sarcină deci se introduce o întârziere a timpului de răspuns.

2.1.3 Filtre de tip LC sunt cele mai utilizate și sunt de următoarele tipuri:

a) Filtre de tip „trece-jos” pentru atenuarea armonicelor superioare. Un exemplu este prezentat în figura 3.

b) Filtru de tip rezonant - Aceste filtre sunt acordate pe armonicele k, ce urmează a fi înlăturate. Un asemenea filtru este prezentat în figura 4

2.2 Filtre de curent alternativ

Filtrele de curent alternativ sunt utilizate între reţeaua de alimentare și convertorul static. De principiu, acest gen de filtre este folosit fie pentru efectul generalizat al acestuia, pentru un spectru larg de armonice (figura 5), fie acordat pe o anumită armonică de rang k (figura 6). Valoarea L se determină din căderea de tensiune de tip „%” din tensiunea de intrare Ui

Relaţia de dimensionare a celor 3 elemente La, Lk, Ck este:

• FIGURA 5. Filtru cu spectru larg

​

• FIGURA 6. Filtru rezonant pentru filtrarea armonicii K​

Inductanţele Lα și LK sunt de obicei de construcţie în aer, pentru diminuarea pierderilor prin efect pelicular pentru frecvenţele armonicelor de rang superior.

3. Filtre active

Filtrele active sunt echipamente cu rolul de a consuma partea poluantă a spectrului de armonice atât pe curent cât și pe tensiunea convertoarelor statice de putere, astfel încât sursa de alimentare să ofere un curent sinusoidal pentru convertorul static și dacă este posibil, după cum vom vedea în numărul următor, în faza cu tensiunea de alimentare, sau/și tensiunea de ieșire a convertorului static să fie de forma ideală. În ambele cazuri, poziţia filtrului activ este între reţeaua de alimentare și sarcina poluantă. În figura 7 este prezentat un filtru activ trifazat cu convertor de curent.

În figura 8 este prezentat un filtru activ trifazat cu convertor de tensiune. Elementele Le, C din cele două figuri sunt elemente de stocare energetică strict necesare în utilizarea filtrelor active.

Comanda acestor filtre sunt în producerea de semnale de referinţă luate fie din puterea instantanee absorbită, fie din componentele poluante ale curenţilor de sarcină.

• FIGURA 7. Filtrul activ trifazat cu convertor de curent

​

• FIGURA 8. Filtru activ trifazat cu convertor de tensiune.​

4. Concluzii

Toate soluţiile prezentate mai sus sunt luate în calcul de specialiști funcţie de aplicaţie, de costuri și de timpi de amortizare. Indiferent însă de soluţie, scopul utilizării fiecăreia este de a crește randamentul aplicaţiilor industriale folosind convertoare statice de putere.

În modul de abordare al producerii de soluţii cu convertoare statice, specialiștii ICPE ACTEL, au în vedere atât filtrele statice în cele mai multe aplicaţii dar și filtrele active în soluţii de înaltă tehnicitate și de importanţă practică ridicată.