In perspectiva aderarii Romaniei la Uniunea Europeana se impune alinierea standardelor nationale la cele europene. In acest scop, tara noastra

Transcription

1 n perspectiva aderarii Romaniei la Uniunea Europeana se impune alinierea standardelor nationale la cele europene. n acest scop, tara noastra trebuie sa respecte, pentru a putea exporta produse electrice si electronice, inca de la ianuarie 996, standardele europene si mondiale de utilizare a retelelor electrice si compatibilitate electromagnetica. Pentru a minimiza impactul negativ asupra utilitatilor, datorat distorsionarii formei de unda a tensiunii, se vor utiliza echipamente care sa nu genereze armonici respectiv EM inca de la inceput. Din aceasta perspectiva, propunerea in cadrul acestui proiect este de a se utiliza un convertor RNSC Redresor avand curenti de intrare aproape sinusoidali la un convertor de frecventa cu circuit intermediar de curent continuu pentru alimentarea cu tensiune si frecventa variabile a actionarilor electrice cu motoare asincrone trifazate. a iesirea RNSC-ului se va obtine o tensiune Vd cu 5%-5% mai mare decit Vdref de la redresorul necomandat clasic cu diode in punte trifazata, ceea ce ofera o serie de avantaje:-se obtin puteri mai mari pentru motorul de inductie atunci cind acesta este alimentat cu frecvente mai mari decit cea nominala;-obtinerea tensiunilor nominale pe fazele motorului la frecventa nominala de alimentare folosindu-se tehnici PWM obisnuite de comanda a conevrtorului de iesire, fara sa fie necesara utilizarea de tehnici PWM de supramodulatie. Posibile aplicatii a convertorului RNSC: () ajustarea vitezei masinilor electrice; () sisteme eoliene si mici hidrogeneratoare. Echipamentele si sistemele actuale, industriale, casnice sau de birou, cuprind parti hardware si software care sunt proiectate pentru o fiabilitate ridicata, presupunand o calitate superioara in alimentarea cu energie electrica. Acesta presupunere se dovedeste insa departe de realitate. Retelele de alimentare cu energie electrica sunt supuse unei game largi de perturbatii ce afecteaza negativ echipamentele electrice si electronice pe care le alimenteza, cum ar fi abateri ale tensiunii fata de valorile admise, fluctuatii de tensiune, fenomene tranzitorii, interferenta de inalta frecventa, intreruperi de scurta durata, armonici superioare, factor de putere scazut si eficienta energetica redusa. Unii consumatori pot tolera abateri de scurta durata ale parametrilor alimentarii cu energie electrica, altii sunt afectati de cele mai neinsemnate degradari sau perturbatii. Astfel, oricare din perturbatiile mentionate mai sus poate provoca caderea unui sistem sau retele de calcul, avand ca rezultate pierderi de date si costuri mari pentru refacere. Costurile pierderilor de date vor fi mult mai mari pentru utilizatori precum institutii financiar bancare sau mari intreprinderi industriale. Alte domenii sensibile la alimentarea cu energie electrica sunt telecomunicatiile, aparatura medicala din spitale, industria chimica instalatiile de supraveghere si control de pe aeroporturi si cele pentru tractiunea feroviara, instalatii militare, etc. Multi specialisti, inclusiv de la BM si de la Bell abs, sunt de acord ca retelele de alimentare cu energie reprezinta cea mai putin fiabila componenta a oricarui sistem de calcul sau retele de calculatoare. Conform unui studiu efectuat de BM, in fiecare luna, un sistem de calcul este afectat de peste 5 de perturbatii ale alimentarii care reprezinta potentiale cauze ale defectarii acestuia si a distrugerii de date importante. Renumitul specialist B.K.Bose in lucrarea Energy, Environment and Advances in Power Electronics EEE Trans. On Power Electronics, vol.5, nr.4,, p.688 7, subliniaza ca in secolul XX, domeniul electronicii de putere va cunoaste o dezvoltare spectaculoasa pentru cresterea calitatii alimentarii cu energie electrica. De exemplu, prin introducerea unor convertoare electronice de putere performante se vor obtine economii de energie electrica cuprinse intre % si 3% din intreaga energie consumata in prezent pentru actionari electrice industriale, instalatii de iluminat, instalatii de aer conditionat,tractiuni electrice, etc. n fe lul acesta, rata de crestere de constructii de noi centrale termoelectrice poate fi de cca jumatate din rata de crestere a necesitatilor de energie electrica si deci se va asigura o protejare mai buna a mediului inconjurator prin reducerea substantiala a pierderilor de energie electrica. Din cele aratate mai sus rezulta clar ca preocuparile pentru asigurarea calitatii energiei electrice si a protejarii mediului inconjurator pot fi considerate de mare actualitate si pentru tara noastra. Dintre numeroasele aspecte ale problemelor de mai sus dorim sa ne preocupam in prezentul proiect de noi configuratii de redresoare performante caracterizate prin eficienta energetica ridicata si poluare electromagnetica redusa a mediului inconjurator. Redresoarele necomandate monofazate si trifazate actuale, mult raspandite pe scara larga in energetica, industrie, telecomunicatii, tractiune electrica, aparate electrocasnice sau medicale, etc., sunt constituite din punti cu diode semiconductoare. De exemplu in fig.7a este redata schema de principiu a unui redresor trifazat in punte, prevazut cu un circuit de filtrare d C d a curentului de iesire i d, curent care poate fi considerat practic constant datorita valorii corespunzator aleasa pentru inductanta d. Curentii de intrare pe faze i R, i S si i T, redati in fig.7b, au o forma de unda practic dreptunghiulara si deci un continut bogat in armonici superioare (se presupune ca inductantele S de scurtcircuit au valori mici).

2 Fig.7 Redresor in punte trifazata: a) Schema de principiu; b) Formele de unda ale curentilor i R, i S si i T O prima varianta pentru reducerea armonicilor superioare de curent consta in utilizarea filtrelor pasive clasice (CPF) constituite din circuite de c.a. C serie. Ele prezinta avantajele unui pret de cost mai redus, si a unui randament mai ridicat, in comparatie cu filtrele active de putere. Ele se caracterizeaza insa prin urmatoarele dezavantaje: impedanta sursei de alimentare influenteaza puternic caracteristicile de filtrare; rezonanta paralel dintre sursa si filtrul pasiv poate provoca amplificarea armonicilor de curent la anumite frecvente; sursa de alimentare impreuna cu filtrul pasiv pot intra intr-o rezonanta serie, in cazul deconectarii consumatorilor de energie electrica, proces care conduce de asemenea la cresterea armonicilor superioare de curent. n plus, filtrele pasive de acelasi ordin n au un grad neuniform de incarcare, daca sunt racordate la aceeasi retea de distributie. A doua varianta pentru reducerea armonicilor superioare de curent consta in folosirea filtrelor active de putere, care sunt in prezent intens studiate pentru o eventuala introducere pe scara larga in practica. Ele se caracterizeaza prin performante dinamice ridicate, iar functionarea lor nu este afectata de modificarea frecventei de rezonanta a retelei. Totusi, filtrele active prezinta si ele cateva dezavantaje, printre care se pot mentiona: dificultatea construirii lor pentru variatii in limite largi a curentilor de sarcina; cheltuieli de echipament si intretinere foarte ridicate; siguranta in functionare redusa. A treia varianta pentru reducerea armonicilor superioare de curent consta in utilizarea combinatiilor intre filtre pasive si filtre active, acestea din urma avand puteri de cca. ori mai mici ca a celor pasive (propuse de renumitul om de stiinta japonez Akagi H. in mai multe lucrari, de exemplu Trends in Active Power Conditioners, EEE Trans. On Power Electronics, vol.9, no.3, 994, p.63-68). Sistemul combinat dintre un filtru pasiv si un filtru activ prezinta urmatoarele dezavantaje mai importante: filtrul pasiv are dimensiuni foarte mari, fiind construit din condensatoare de c.a. foarte voluminoase, deoarece ele trebuie sa suporte supratensiuni foarte ridicate la aparitia unor supracurenti prin acest filtru in cazul defectarii filtrului activ. Puterea acestui filtru pasiv reprezinta cca. 5% din puterea sarcinii producatoare de armonici; schema de comanda este foarte complexa si siguranta in functionare redusa. n cazul nefunctionarii filtrului activ, filtrul pasiv se poate distruge daca exista conditii favorabile pentru aceasta in reteaua de distributie; pret de cost foarte ridicat. Pe parcursul elaborarii proiectului propus urmeaza sa fie realizate urmatoarele obiective, repartizate pe cele doua faze : Faza a (primul an). Studierea si simularea functionarii pe calculator a celor mai performante convertoare RNSC: schemele de baza conform figurii (a) si (b) si variantele avand un curent de mentinere min de valoare redusa.. Compararea rezultatelor de mai sus cu cele obtinute de la redresoarele trifazate necomandate clasice si d escrise pe larg in literatura de specialitate.

3 3. Definitivarea elementelor de proiectare pentru astfel de converoare RNSC : condesatoare conectate pe partea de c.c. sau c.a., inductante, diode, etc. 4. Studierea si simularea functionarii pe calculator a unui convertor de frecventa cu functionare in 4 cadrane conform figurii 6, avand la intrare un convertor combinat dintre un RNSC si un invertor PWM. 5. Determinarea posibilitatilor de aplicatii pentru convertoare RNSC in industrie, tractiune, telecomunicatii, etc. Faza a (al doilea an) 6. Cercetari experimentale pe un model de convertor RNSC trifazat racordat la o retea de 3x38V, 5Hz si avand o putere de cca 3KVA. 7. Utilizarea procesoarelor de semnal (DSP) pentru realizarea sistemelor de comanda si control la convertoarele de frecventa cu functioare in 4 cadrane conform figurii 6, pentru alimentarea cu tensiune si frecventa variabile a motoarelor asincrone trifazate. 8. Folosirea tehnicilor adoptate din sfera inteligentei artificiale, logica fuzzy si retelele neuronale, pentru realizarea sistemelor de comanda si control moderne pentru convertoare de frecventa avand RNSC-uri la intrare (deci tensiuni continue V d mai ridicate cu cca 5% - %). 9. Elaborarea unui raport de cercetare care sa fie difuzat la institutii de cercetare si proiectare din tara noastra, interesate in tematica proiectului de fata. Publicarea a 4 lucrari stiintifice despre convertoare RNSC in reviste din strainatate cotate S sau la conferinte internationale. n figura (a) se prezinta un original AC/DC convertor generator de armonici superioare de curent de valori reduse denumit in continuare RNSC (Rectifier with Near Sinusoidal nput Currents). Condesatoarele C C 6 au aceeasi capacitate de valoare C si pot fi de tip DC. nductantele R, S si T au aceeasi valoare notata cu. Valorile si C satisfac conditia :,5 Cω, () pentru ca formele de unda ale curentilor i R, i S si i T sa fie practic sinusoidale. n figura (a) sunt redate formele de unda ale curentilor i R, i S si i T, precum si duratele de conductie ale diodelor D D 6, pentru un curent mediu d de valoare relativ mare, conform figurii (b). Se remarca faptul ca pot fi in conductie doua sau trei diode la un moment dat. n figura 3(a) sunt redate formele de unda ale acelorasi curenti de faza, precum si duratele de conductie ale diodelor D D 6, pentru un curent d de valoare relativ medie, conform figurii 3(b). (a) (b) Fig.. 3

4 Fig. Fig.3 Se constata in acest caz ca pot fi in conductie una sau doua diode la un moment dat. Desigur, la curenti de sarcina i mici si deci d de valoare mica, poate fi la un moment dat in conductie o singura dioda sau niciuna. Pentru cele trei cazuri mentionate mai sus considerand, curentii i R, i S si i T practic sinusoidali si avand o amplitudine () functie de valoarea rezistentei de sarcina R, curentul d se poate calcula cu relatia : d 3 () π ( + cos ωt ) = () O varianta constructiva de convertor RNSC este prezentata in figura (b). Pentru aceeasi sarcina R ca la convertorul din figura (a), la noua varianta condesatoarele C ' ' C3, sunt montate pe partea de c.a. si au aceeasi capacitate de valoare C, iar inductantele R, S si T au tot inductanta. Pe durata functionarii acestui ' ' convertor, condesatoarele ± V, iar curentii i R, i S si i T raman practic identici cu cei de la schema din figura (a). C C3 se incarcala tensiuni maxime egale cu d 4

5 5

6 Fig.4 Fig.5 n figura 4 sunt redate caracteristicile mai importante ale unui convertor RNSC. Astfel, in figura 4(a) se indica variatia unghiului ϕ dintre tensiunea de faza si fundamentala curentului de faza, in functie de tensiunea medie redresata V d raportata la tensiunea de referinta n figura 4(b) sunt reprezentate variatiile rapoartelor 3 3V m V dr = specifica unui redresor trifazat clasic. π Vd V dr si () max in functie de raportul R R r. Prin max s-a notat valoarea maxima, iar prin min valoarea minima ale amplitudinii (). Cand rezistenta de sarcina R devine infinita, diodele D D 6 nu mai intra in conductie si valoarea () devine egala cu min, aceasta ultima valoare fiind denumita curent de mentinere. Convertor RNSC avand un curent de mentinere min de valoare redusa Raportul dintre valorile maxima max si minima min ale fundamentalei curentului de linie este dat de relatia : max min ( Cω ) = (3) Cω raport care variaza intre 4 si 9 daca este respectata conditia (). 6

7 Pentru ca valorile curentilor de faza i R, i S si i T sa fie cat mai mici atunci cand curentul de sarcina i tinde la zero, se poate adopta un convertor RNSC avand condesatoarele C C 6 divizate in mai multe sectiuni. De exemplu, in figura 5(a) este redat un astfel de convertor cu sectiuni capacitive. a curenti de sarcina i mari, condesatoarele C se conecteaza in paralel cu ' ' C6 C prin intermediul comutatoarelor S S 3. n acest '' '' C6 caz, amplitudinea curentului de armonica fundamentala () este ridicata, raportul SC () poate fi de valoare redusa (de exemplu mai mic de ) si deci THD% al curentilor de faza trebuie sa fie mai mic ca 5% conform Standardului EEE Prin SC se defineste amplitudinea curentilor de scurtcircuit la terminalele R, S si T. a curenti de sarcina i mici, condesatoarele C se deconecteaza de la convertor, ramanand totusi legate in '' '' C6 paralel cu condesatorul C. n acest caz amplitudinea curentului de armonica fundamentala () este redusa, raportul SC () poate fi cuprins intre si 5 si deci THD al curentilor de faza trebuie sa fie mai mic ca 8%. Prin aceasta metoda, ilustrata in figura 5(b), curentul de mentinere min se poate reduce cu raportul ' ( C + C ' ' ) ' C.Se remarca faptul ca valorile efective ale curentilor ce trec prin comutatoarele S S 3 au valori mici, de pana la 5% din valoarea max si deci aceste comutatoare nu sunt dimensionate pentru curenti mari. Convertor static de frecventa cu RNSC O posibila aplicatie a convertoarelor RNSC consta in utilizarea lor la realizarea de convertoare de frecventa cu circuit intermediar de c.c., pentru alimentarea cu tensiune si frecventa variabile a actionarilor electrice cu motoare asincrone trifazate, conform figurii 6. Pe duratele de timp cand masina de inductie functioneaza ca motor, convertorul combinat de la intrare devine un convertor RNSC. n acest caz tranzistoarele T T 6 sunt blocate si comutatoarele S S 3 sunt inchise. Convertorul de la iesire functioneaza in regim de invertor PWM. Energia se transmite de la sursa de m alimentare spre motor si tensiunea pe C nu depaseste valoarea ( Cω ) Pe duratele de timp cand masina de inductie functioneaza ca generator, energia primita de la masina se transmite spre sursa de alimentare. Convertorul de iesire lucreaza ca redresor si tensiunea pe C depaseste valoarea 3V m ( Cω ). De la acest condesator energia se transmite in reteaua de c.a. prin intermediul unui invertor PWM format din tranzistoarele T T 6, inductantele R, S si T si diodele D D 6. Evident, in acest caz comutatoarele S S 3 trebuiesc deschise si condesatoarele C C 6 raman conectate in paralel cu C. Se remarca din cele de mai sus ca diodele D D 6 si inductantele R, S si T sunt intotdeauna folosite, indiferent daca convertorul combinat functioneaza ca redresor sau invertor. De asemenea, trebuie mentionat faptul ca durata totala de functionare ca generator a masinii asincrone este mult mai mica ca durata totala de functionare ca motor. Comutatoarele S S 3 trebuie dimensionate pentru curenti mici (aproximativ % din valoarea max ). 3V. 7

8 Fig.6. Convertor de frecventa cu RNSC si functionare in 4 cadrane n comparatie cu un redresor PWM clasic introdus la intrarea unui convertor static de frecventa, convertorul combinat conform figurii 6 prezinta urmatoarele avantaje : Pierderile de comutatie si poluare electromagnetica a mediului inconjurator sunt mai reduse, datorita functionarii pe durate mai mari numai a convertorului RNSC ; Siguranta in functionare mai ridicata, existand doua posibilitati de transmitere a energiei de la retea la circuitul intermediar de c.c. ; Datorita faptului ca tensiunea V d este cu 5% - % mai mare decat la convertoarele de frecventa clasice (tensiunea de referinta V dr ), rezulta urmatoarele facilitati :. puteri mai mari pentru motorul de inductie atunci cand acesta este alimentat cu frecvente mai mari decat cea nominala ;. obtinerea tensiunilor nominale pe fazele motorului la frecventa nominala de alimentare folosindu-se tehnici PWM obisnuite de comanda a convertorului de iesire, fara sa fie necesara utilizarea de tehnici speciale PWM de supramodulatie (de exemplu, metoda de generare a pulsurilor PWM cu injectarea armonicilor de ordinul 3 in undele modulatoare, metoda PWM cu unde modulatoare partial constante, etc). n conditiile accentuarii crizei energetice, dezvoltarea electronicii de putere a facut posibila extinderea fara precedent a actionarilor de c.a. in industrie, transporturi, telecomunicatii, etc. Aceasta extindere este amplificata si de dezvoltarea microcontrolerelor, procesoarelor de semnal (DSP), circuitelor specializate (ASC), modulelor inteligente de putere (MP), care impreuna cu avantajele deja cunoscute ale motoarelor de c.a. (robustete si fiabilitate buna, eforturi minime pentru intretinere, pret de cost scazut si randament ridicat), inclina serios balanta in favoarea acestor motoare pentru actionari electrice moderne. Convertoarele statice de frecventa utilizate in acest caz pot avea la intrare un convertor combinat cu functionare in 4 cadrane, pentru recuperarea energ iei de franare a motoarelor de c.a. in retea, iar la iesire un invertor trifazat caracterizat tot prin comanda PWM, conform figurii 6. Sistemele moderne de comanda si control a convertoarelor electronice de putere, studiate intens de echipa noastra si valo rificate prin realizarea unor teze de doctorat si a unor lucrari stiintifice publicate, trebuie sa rezolve in general trei probleme majore: complexitatea mare a calculelor generata de complexitatea sistemelor dinamice actuale; caracterul neliniar cu un numar mare de elemente de libertate al sistemelor dinamice actuale; nivelul de incertitudine care include atat variatia parametrilor sistemului de controlat si a sistemelor de comanda si control, in special a controlerelor (regulatoarelor) cat si variatia conditiilor de functionare. ogica fuzzy si retelele neuronale sunt deja solutii pentru implementarea sistemelor de comanda si 8

9 control moderne, solutii care sunt folosite cu succes si dezvoltate in cadrul centrului nostru de cercetare. Utilizarea acestor tehnici adoptate din sfera inteligentei artificiale confera sistemelor de comanda si control proprietatea de a fi inteligente. n concluzie, relevanta temei consta in propunere a de noi circuite electronice de putere : () convertoare RNSC cu valori mici ale curentului de mentinere min si () convertoare statice de frecventa cu functionare in 4 cadrane avand la intrare un convertor combinat conform figurii 6 si o tensiune V d mai ridicata cu 5% - %, convertoare prevazute cu sisteme de comanda si control moderne. Astfel de circuite propuse de colectivul nostru au fost deja publicate (conferinta PCM 3, PCM 4,SCT 5 etc) Necesitatea pregatirii unor specialisti electronisti, la curent cu ultimele realizari, este argumentata de patrunderea tot mai puternica a electronicii in orice sector al activitatii industriale. Electronica, prin trasaturile sale specifice, reprezinta alaturi de management, o cale prin care restructurarea proceselor tehnologice conduce la cresterea competitivitatii produselor industriale pe piata concurentiala, care se dezvolta in prezent si in tara noastra. n acelasi timp, reforma economica din Romania va facilita aparitia si consolidarea continua a intreprinderilor mici si mijlocii interesate in activitatile de productie si de inovare de produse, care vor solicita din ce in ce mai multa forta de munca calificata capabila sa se implice in conceperea, dezvoltarea, realizarea si intretinerea de produse electronice. O pondere mare in aceste produse este constituita de gama foarte larga de convertoare electronice de putere, o parte din aceste convertoare variante constructive de convertoare RNSC - facand obiectul activitatii de cercetare din cadrul programului propus. Pregatirea studentilor va putea beneficia de posibilitatile oferite in cadrul proiectului prin includerea in programele analitice a rezultatelor obtinute in activitatea de cercetare. n activitatea didactica sunt atrasi la Facultatea de Electronica si Telecomunicatii din asi cca. 5 studenti pe an. Dintre acestia cca. 6 urmeaza cursurile specializarii Electronica aplicata si vor beneficia direct in anii V, V si mai ales V (ciclul de studii aprofundate la specializarea Convertoare electronice de putere ) de facilitatile oferite de acest proiect. Apreciem ca derularea programului propus va avea efecte benefice legate de perspectiva dezvoltarii regionale, nivelul de dezvoltare al Moldovei este in medie mai coborat decat al celeorlalte provincii istorice ale Romaniei (poate si din cauza ca nu depunem eforturi suficiente pentru ridicarea acestei zone).pe de alta parte, pregatirea unor specialisti in domeniul electronicii de putere (absolventi ai ciclului de studii aprofundate si doctori in stiinte tehnice) va permite utilizarea acestei forte de munca inalt calificata si foarte cautata pe piata muncii intr-un sector a carui abordare nu este limitata de granite geografice si nici tehnologice. n cadrul activitatilor de cercetare fundamentala si aplicativa, colectivul nostru isi propune asigurarea unui acces larg a tinerilor cercetatori la facilitatile oferite de aboratorul de Electronica de Putere, creat cu ajutorul unui grant de tip C finantat si de Banca Mondiala si care speram sa fie completat cu echipamentele propuse prin acest program. Un nou convertor static de frecventa (CSF) cu functionare in doua cadrane este prezentat in aceasta lucrare, pentru alimentarea cu tensiune si frecventa variabile a unui motor asincron trifazat. Cand masina asincrona functioneaza ca motor energia este primita de la retea prin intermediul unui redresor avand curenti practic sinusoidali la intrare (cunoscut sub denumirea de RNSC). Daca masina asincrona trece in regim de generator, energia se transmite in retea prin intermediul unui invertor trifazat ce are in componenta sa convertorul RNSC si 6 dispozitive semiconductoare comandabile cu durate continui, nu de tip PWM. n comparatie cu variantele actuale de CSF, solutia propusa se caracterizeaza prin pierderi si probleme EM mai reduse, fiablilitate mai ridicata, dimensiuni si pret de cost mai mici. nvertorul de la intrare se poate aplica si la conversia energiei eoliene in energie electrica, surse de alimentare neintrerupta (sisteme UPS), etc. Aceasta solutie de CSF a trezit interes pe plan international, unde se preconizeaza obtinerea de economii de energie electrica, prin reducerea pierderilor, de pana la % din intreaga energie electrica consumata in urmatoarele doua decenii. Numeroase aplicatii utilizeaza convertoarele de putere cu functionare in doua cadrane in sistemele trifazate AC/DC pentru obtinerea de curenti practic sinusoidali in reteaua de alimentare de AC. De exemplu, in sistemele de actionari electrice reglabile cu motoare asincrone pentru recuperarea energiei de franare, surse de alimentare neintrerupta (sisteme UPS), etc [-5]. Pentru a reduce armonicile superioare de curent generate in reteaua de AC, se pot utiliza convertoare cu functionare in doua cadrane dupa principiul PWM. Desi convertorul 9

10 PWM are curenti practic sinusoidali pe partea de AC, el are importante dezavantaje in comparatie cu redresorul trifazat clasic cu diode: pierderi mari de comutatii, probleme de compatibilitate electromagnetica (EM), curenti efectivi mari prin dispozitivele semiconductoare si siguranta in functionare redusa. Convertor static de frecventa cu functionare in doua cadrane n cele ce urmeaza se descrie un nou convertor static de frecveta (CSF) realizat la intrare cu un convertor cu doua cadrane (CQ). Convertorul CQ este echipat cu tranzistoare (de exemplu, GBT) cu functionare continua (nu PWM) conform figurilor a si 4 [6]. Cand energia este transferata de la sursa de AC spre partea de DC, tranzistoarele sunt blocate si CQ lucreaza ca un redresor RNSC (Rectifier with Near Sinusoidal nput Currents), conform figurilor si 3. Cand energia este transferata de pe partea de DC spre AC, tranzistoarele sunt comandate in conductie continua pentru unghiuri θ cuprinse si 5 si CQ lucreaza ca un invertor, conform figurilor b si 5. Fig. Convertor pentru cadrane CQ cu RNSC. (a) Schema de principiu; (b) Modurile de functionare.. Modul de functionare ca redresor n fig. este redat un convertor AC/DC care genereaza armonici de curent de valori reduse in reteaua de alimentare, denumit prescurtat RNSC [7-] si care intra in componenta unui CQ. Condensatoarele C C6 au aceeasi capacitate de valoare C si pot fi de tip DC. nductantele R, S si T au aceeasi inductivitate de valoare si sunt conectate pe partea de AC. Valorile si C satisfac conditia.5 Cω. pentru ca formele de unda ale curentilor de faza R sa fie practic sinusoidale Fig.. Configuratia convertorului RNSC, S si T (prin ω s-a notat pulsatia retelei de alimentare). Considerand curentii de faza practic sinusoidali, avand o amplitudine egala cu () ce depinde de rezistenta de sarcina R, valoarea medie d a curentului redresat este data de expresia [7]: d 3 () = ( + cosωt ) () π in care ω t este unghiul de deschidere al diodelor D D6, ce variaza intre 6 regimul nominal si 8 la mersul in gol. 45 la

11 Sunt doua cazuri extreme de functionare ale convertorului RNSC. n primul caz, daca R = (deci V d = si ω t = ), regimul de functionare este in scurtcircuit si condensatoarele C C 6 sunt scurtcircuitate, iar unghiul ϕ = 9 este inductiv. n acest caz, curentii de faza sunt sinusoidali si au o amplitudine maxima egala cu max. n cazul al doilea, la mers in gol, tensiunea V d depaseste valoarea ( 3V m / C ω ), diodele D D6 nu conduc si unghiul ϕ = 9 este capacitiv (deci R = si ω t = 8 ). Pentru acest ultim caz, curentii de faza sunt de asemenea sinusoidali si au o amplitudine de valoare minima. Raportul min / max este dat de relatia: Fig. 3 indica variatiile rapoartelor min Cω max ( Cω ) d V ref ( ) / = () V / si in functie de raportul max R r R / ( r R este definita rezistenta nominala pentru ϕ = ). Este important de remarcat ca daca se considera R =, redresorul trifazat cu diode clasic avand filtre pasive C la intrare are de asemenea un curent de mers in gol capacitiv, acest redresor comportandu-se ca o sarcina capacitiva pentru reteaua de AC. Acest curent capacitiv poate fi chiar mai mare decat cel obtinut de la un RNSC cu aceeasi putere nominala. Fig.3. Caracteristicile convertorului RNSC: Rapoartele V d / V ref si ( ) / max in functie de raportul R / R. ( ) in r. Modul de functionare ca invertor Programul de comanda al tranzistoarelor convertorului CQ este redat in fig.4, iar modul de functionare al acestuia ca invertor este indicat in fig.5. Pe durata primei etape, care incepe in momentul t =, tranzistorul T intra in conductie, iar condensatorul C ) incarcat la tensiunea initiala V se descarca la tensiunea V, corespunzatoare inceputului celei de a doua etape. Tot in aceasta etapa condensatorul C 4 ( ) ( ) se incarca de la tensiunea ( V d V in ) la tensiunea ( V d V in ). Variatiile tensiunilor condensatoarelor se produc in circuitele rezonante ce contin inductanta, condensatoarele C, C 4 si C. Etapa a doua incepe prin blocarea tranzistorului T 5 in momentul t si energia acumulata in inductanta se transfera rapid surselor de DC si AC cu ajutorul diodei D pana in momentul t. Dupa anularea curentului i w, incepe etapa a treia care dureaza pana la momentul t 3, cand intra in conductie tranzistorul T. Durata de timp totala a Fig.4. Programul de comanda al tranzistoarelor ( in celor 3 etape este egala cu ( t 3 t ) = π 3ω. n continuare, functionarea invertorului poate fi dedusa usor. Cele 3 inductante au o inductivitate optima de doua ori mai

12 mica ca cea a inductantelor. Pentru cazul cand CQ functionea-za ca invertor, tensiunea V d este mai mare cu 5%- 5% ca in cazul functionarii ca redresor. Diodele D' ' D 6 sunt alese conform proiectarii componentelor unui RNSC, iar diodele D D6 sunt dimensionate pentru curenti mult mai mici. Conform cu diagrama fazoriala din fig. 5a, curentul de faza i R este dat de relatia: si valoarea activa a acestui curent: ir VU VR jω = (3) V V i = m t + m Ra sin( ω α) sinωt ω Vm (4) Puterea activa transferata spre sursa de AC se poate calcula cu formula: P π 3 3V cosω ω V i V t d t m m Ra m = sin α π ω = (5) n vederea obtinerii factorului de putere unitar la sursa de AC rezulta ca: cos Vm = Vm α (6) Rezulta ca valoarea puterii transmise la sursa de AC poate fi variata prin modificarea tensiunii V m (deci a unghiului θ sau a tensiunii V d ) si a unghiului α. Trecerea convertorului CQ din regim de redresor in regim de invertor si invers se poate face foarte rapid, intr-o durata de timp mai mica de o semiperioada π ω. Desigur, convertorul CQ poate functiona si in regim de redresor comandat cu corectia factorului de putere (PFC). n acest caz, transferul de energie de la sursa de AC spre partea de DC se poate face printr-o comanda adecvata a tranzistoarelor. Curentii de faza i R, i S si i T sunt de asemenea practic sinusoidali si in faza cu tensiunile V R, V S si V T..3. Etapele de functionare si curentii din invertor Pentru toate etapele de functionare ale invertorului sunt valabile urmatoarele Fig. 5 Modul de functionare ca invertor al convertorului CQ. (a) Schema simplificata; (b) Diagrama fazoriala la factor de putere unitar; (c) For-mele de unda ale curentilor si tensiunilor. relatii: i R + is + it = i c + ic3 + ic5 = ic i c = ic4 ; i c3 = ic 6; i c5 = ic i U + iv + iw + i C =

13 Etapa -a a inceputul etapei intaia tranzistorul T este comandat in conductie, iar tranzistoarele T 6 si T 5 sunt deja in conductie. Durata acestei etape este curprinsa intre t = si t. n momentul ) t tranzistorul T 5 se blocheaza. Tensiunile initiale ( ( ) V in, in3 ) V si V pe condensatoarele ( in5 C, 3, respecta relatia: C 5, la momentul initial t = ( ) ( ) ( ) V d = V in + V in3 + V in5 (7) Curentii prin invertor au valorile: i () C = A sinω t + B cosω t (8) () (9) i () R Vin = ω t + ω Vm cosωt ω ( + ) ω ω π () V cos ωt () V V m = 3 ω + 3 i in d t ω ( + ) ω ω ω C si S () Pulsatiile ω si ω sunt date de relatiile: Cω = () C ω = ( + ) () () () Constanta de integrare B se determina din conditia ca valoarea curentului i = i ) i sa se anuleze pentru = t. 3V = + ω ( ) ω ω U R ( C B m (3) Etapa a -a n etapa a doua cuprinsa intre t si t, dupa blocarea tranzistorului T 5 se deschide dioda () D. Aceasta dioda se blocheaza in momentul t cand curentul i se anuleaza. Tensiunile ) initiale ( ( ) V in, in3 ) V si V pe condensatoarele ( in5 Curentii prin invertor au valorile: i () R ( ) i C i Vin = () S C, 3 W C si C 5, la momentul initial t, respecta relatia: ) ) ) = V + V V (4) ( ( ( V d in in 3 + in 5 = A sin ( t t ) + B cosω ( t t ) () V = ω (5) ω ( t t) + ω V () in3 d ω ( t t ) + ω Vm cosω( t t) ω ( + ) ω ω π V cos ω( t t ) m 3 ω ( + ) ω ω Etapa a -a Durata etapei a treia este cuprinsa intre t si t 3. n momentul t 3 se comanda in conductie tranzistorul T. Curentii prin invertor au valorile: Curentii prin invertor au valorile: (3) i C = A sin 3( t t ) + B cosω3( t t (6) (7) ω ) (8) (3) i = (9) W 3

14 (3) (3) Vin3 Vd S = ( Cω3 )[ A sinω3 ( t t ) + B cosω3 ( t t )] + ( t t ) + () i 3Cω Vm (P + ) 4π + (Cω )sin ω( t t ) 3CωVm cos[ ω( t t ) ] P 4P (3P + ) 3 in care parametrul P este egal cu: 4 P = C ω C ( + ) ω () iar A si B sunt doua constante de integrare. Durata de timp t t este stabilita de schema de comanda a invertorului, unghiul de conductie al tranzistoarelor fiind mai mare de π. Durata de timp ( t t ) 3 este egala cu π, iar 3 3ω durata de timp ( t t ), care depinde de puterea convertita prin invertor spre reteaua de AC, (3) poate fi considerata necunoascuta in ecuatiile de mai sus. Curentul i W se anuleaza la momentul t. Valorile optime ale parametrilor P = Cω, caracteristic functionarii convertorului ca 4 RNSC si parametrului P = C ω C( + ) ω, stabilit pentru functionarea convertorului ca invertor sunt. si respectiv (-.864). S-a adoptat un raport optim / egal cu.5. Din analiza ecuatiilor de mai sus, stabilite pentru trasarea curentilor de faza i R 4, i S si i T pe anumite etape de functionare a invertorului, se poate deduce ca acesti curenti au armonicile de curent de ordinele 5 si 7 cu cele mai mari amplitudini. Amplitudinile acestor armonici nu depasesc 5% si respectiv 3% pentru regimul nominal de functionare al invertorului pentru care a fost proiectat. Aplicatii posibile Convertoarele CQ cu functionare in doua cadrane si avand in componenta lor un RNSC pot fi utilizate la convertoarele statice de frecventa (CSF) cu circuit intermediar de DC, proiectate pentru alimentarea cu tensiune si frecventa variabile a sistemelor de actionari electrice cu motoare asincrone trifazate. n intervalele de timp cand masina asincrona lucreaza in regim de motor, convertorul CQ functioneaza ca RNSC si tranzistoarele T T sunt blocate. Energia este transmisa de la 6 sursa de alimentare de AC catre motor prin intermediul unui invertor PWM si tensiunea V d de pe condensatorul C este mai mica ca V 3 /( ) d = Vm Cω. Fig. 6 Modul de functionare ca redresor al convertorului CQ la V d = 6V ; (a) Formele de unda ale curentului i si a tensiunii V ; R R (b) Forma de unda a curentului i. d n intervalele de timp cand masina de inductie lucreaza in regim de franare, energia provenita de la masina este transmisa spre reteaua de AC cu ajutorul convertorului CQ care lu-creaza ca invertor. Tensiunea pe condensatorul C trebuie sa fie mai mare cu 5%-5% ca V. d Convertorul CQ poate fi utilizat numai ca invertor cu frecventa de iesire constanta (de exemplu, 5 sau 6 Hz) pentru sistemele de conversie a energiei eoliene in energie electrica, sistemele de interconectare a centralelor hidroelectrice de mica putere, la sursele de alimentare neintrerupta (sisteme UPS), etc.

15 4. Rezultate experimentale si de simulare. Experimentele de laborator si rezultatele de simulare au fost obtinute pe un convertor CQ conform fig.a. Prototipul consta dintr-o sursa trifazata cu tensiune de 3V si frecventa f = 5Hz, un convertor RNSC si un modul trifazat cu 6 tranzstoare GBT si 6 diode ' ' D D 6. Convertorul RNSC este compus din 6 diode D D, trei inductante 6 cu valoarea de 5 mh si 6 condensatoare DC C C cu capacitatea de 4 µ F. 6 Fig.6 reda rezultatele de simulare pentru regimul de functionare ca redresor (RNSC), cand tranzistoarele T T sunt 6 blocate. Pentru regimul nominal, unghiul ϕ = si tensiunea V d = 6V. Curentii de faza i R i rezulta in faza Fig. 7 Modul de functionare ca invertor al convertorului CQ la V d = 8V ; (a) Formele de unda ale curentilor i R, i, T i, T 4 i, D ' i, D ' 4 i C = i, C 4 si a tensiunii V ; R (b) Forma de unda a curentului i. d, i S si T cu tensiunile V, R V si S V. T Fig.7 reprezinta rezultatele de simulare pentru regimul de functionare ca invertor, tranzistoarele T T fiind comandate 6 continuu cu unghiuri θ = 44. Unghiul ϕ este egal cu 8 si tensiunea V este egala cu d 8 V. Pentru variatii mari ale puterii active transmise in ambele sensuri, armonicele superioare de curent cele mai importante (de ordinele 5 si 7), nu depasesc 5% din amplitudinile fundamentalelor curentilor de faza. Concluzii Din comparatia celor doua convertoare cu functionare in doua cadrane cel bazat pe principiul PWM si cel propus in lucrare se pot trage urmatoarele concluzii: n cazul conversiei din DC in AC, pentru aceleasi valori a tensiunii V si a inductantelor d de pe partea de AC, convertorul CQ prezinta tensiuni de iesire V, u V si v V de valori mai w ridicate, ceea ce permite un transfer mai eficient de energie. a invertorul PWM, fundamentalele tensiunilor de iesire sunt mai mici si deci energia transferata spre AC este mai redusa. 5

16 Convertorul propus are o siguranta in functionare mai ridicata prin faptul ca tranzistoarele au durate de conductie mai mici de o semiperioada si sunt blocate cand convertorul lucreaza ca redresor RNSC. Solutiile propuse in acest proiect sunt realiste si in concordanta cu domeniile prioritare UE (programe FP6 si FP7, prioritatea Energie si Sisteme de dezvoltare durabila).. n urma acestui contract am prezentat o idee de proiect pentru programul cadru 7 PC7 in cadrul actiunii Eveniment tip Brokerage PROSPERO PC7, Proiect finantat prin programul Cercetare de Excelenta CEEX / Modulul, care a avut loc pe data de 5 noiembrie 6, Bucuresti, Camera de Comert si ndustrie a Romaniei, Bd Octavian Goga nr., sector 3, cod 398, Sala Dacia, Mezanin. Bibliografie. Mohan N., Undeland T., Robbins W.: POWER EECTRONCS Converters, Applictions and Design. John Wiley & Sons nc., 995, Kazmierkowski M., Krishnan R. And Blaabjerg F.: CONTRO N POWER EECTRONCS SEECTED PROBEMS, Academic Press,, eonhard W.: Control of Electrical Drives, nd, edn Springer Verlag, Berlin Chung D. Ans Sul S.: Minimum oss Strategy for Three Phase PWM Rectifier, EEE Trans. on ndustrial Electronics, 999, vol. 46, p Bose B. K.: Energy, Environment and Advances in Power Electronics, EEE Trans. on Power Electronics, vol. 5,, nr. 4, p Alexa D., Goras T., Sirbu A., Pletea.V., Filote C., onescu F.: An Analysis of the Two- Quadrant Converter with RNSC, ET Electric Power Applications, Anglia, vol. 54, 7 (in curs de publicare). 7. Alexa D., Sirbu A, azar Al.: Three Phase Rectifier with Near Sinusoidal nput Currents and Capacitors Connected on the AC Side, EEE Trans. on ndustrial Electronics, 6, vol. 53, nr. 5, p V. Pletea,. Pletea, T. Goras, E. upea: Rectifier with Near Sinusoidal nput Currents for Wind Turbine, PCM 4 Proceedings Nuremberg, Germany, session PQ, PP-9, 4 6