Una panoramica dei doppi convertitori

Nel tutorial precedente abbiamo visto come viene progettato un doppio circuito di alimentazione, ora impariamo i doppi convertitori, che possono convertire contemporaneamente CA in CC e CC in CA. Come suggerisce il nome, Dual Converter ha due convertitori, un convertitore funziona come un raddrizzatore (converte AC in DC) e l'altro convertitore funziona come un inverter (converte DC in AC). Entrambi i convertitori sono collegati schiena contro schiena con un carico comune come mostrato nell'immagine sopra. Per saperne di più su Rectifier e Inverter, segui i link.

Perché usiamo il doppio convertitore? Se solo un convertitore può fornire il carico, allora perché utilizziamo due convertitori? Queste domande possono sorgere e otterrai la risposta in questo articolo.

Qui abbiamo due convertitori collegati schiena contro schiena. A causa di questo tipo di connessione, questo dispositivo può essere progettato per il funzionamento a quattro quadranti. Significa che sia la tensione di carico che la corrente di carico diventano reversibili. Come è possibile il funzionamento a quattro quadranti nel doppio convertitore? Che vedremo più avanti in questo articolo.

In genere, i convertitori doppi vengono utilizzati per i convertitori CC reversibili o per i convertitori CC a velocità variabile. Viene utilizzato per applicazioni ad alta potenza.

Funzionamento a quattro quadranti in doppio convertitore

Primo quadrante: tensione e corrente entrambe positive.

Secondo quadrante: la tensione è positiva e la corrente è negativa.

Terzo quadrante: tensione e corrente entrambe negative.

Quarto quadrante: la tensione è negativa e la corrente è positiva.

Di questi due convertitori, il primo convertitore funziona in due quadranti a seconda del valore dell'angolo di accensione α. Questo convertitore funziona come un raddrizzatore quando il valore di α è inferiore a 90˚. In questa operazione, il convertitore produce una tensione di carico media positiva e una corrente di carico e opera nel primo quadrante.

Quando il valore di α è maggiore di 90˚, questo convertitore funziona come un inverter. In questa operazione, il convertitore produce una tensione di uscita media negativa e la direzione della corrente non viene modificata. Ecco perché la corrente di carico rimane positiva. Nel funzionamento del primo quadrante, l'energia si trasferisce dalla sorgente al carico e nel funzionamento del quarto quadrante, l'energia si trasferisce dal carico alla sorgente.

Allo stesso modo, il secondo convertitore funziona come un raddrizzatore quando l'angolo di accensione α è inferiore a 90˚ e funziona come un invertitore quando l'angolo di accensione α è maggiore di 90˚. Quando questo convertitore funziona come un raddrizzatore, la tensione e la corrente di uscita medie sono entrambe negative. Quindi, opera nel terzo quadrante e il flusso di potenza va dal carico alla sorgente. Qui, il motore ruota in senso inverso. Quando questo convertitore funziona come un inverter, la tensione di uscita media è positiva e la corrente è negativa. Quindi, opera nel secondo quadrante e il flusso di potenza va dal carico alla sorgente.

Quando il flusso di potenza va dal carico alla sorgente, il motore si comporta come un generatore e questo rende possibile la rottura rigenerativa.

Principio

Per comprendere il principio del doppio convertitore, assumiamo che entrambi i convertitori siano ideali. Significa che producono una tensione di uscita CC pura, non ci sono ondulazioni ai terminali di uscita. Lo schema equivalente semplificato del doppio convertitore è come mostrato nella figura seguente.

Nello schema circuitale sopra, il convertitore è assunto come una sorgente di tensione CC controllabile ed è collegato in serie con il diodo. L'angolo di accensione dei convertitori è regolato da un circuito di controllo. Quindi, le tensioni CC di entrambi i convertitori sono di grandezza uguale e polarità opposta. Ciò rende possibile guidare la corrente in direzione inversa attraverso il carico.

Il convertitore che funge da raddrizzatore è chiamato convertitore di gruppo positivo e l'altro convertitore che funziona come inverter è chiamato convertitore di gruppo negativo.

La tensione di uscita media è una funzione dell'angolo di accensione. Per inverter monofase e inverter trifase, la tensione di uscita media è sotto forma di equazioni.

E _DC1 = E _max Cos⍺ ₁ E _DC2 = E _max Cos⍺ ₂

Dove α ₁ e α ₂ sono l'angolo di accensione del convertitore-1 e del convertitore-2 rispettivamente.

Per, doppio convertitore monofase, E _max = 2E _m / π

Per, doppio convertitore trifase, E _max = 3√3E _m / π

Per, convertitore ideale, 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

Come discusso sopra, la tensione di uscita media è una funzione dell'angolo di accensione. Significa che per la tensione di uscita desiderata dobbiamo controllare l'angolo di accensione. Un circuito di controllo dell'angolo di accensione può essere utilizzato in modo tale che, quando il segnale di controllo E _c cambia, l'angolo di accensione α ₁ e α ₂ cambierà in modo tale da soddisfare il grafico sottostante.

Doppio convertitore pratico

In pratica non possiamo assumere entrambi i convertitori come un convertitore ideale. Se l'angolo di accensione dei convertitori è impostato in modo tale che ⍺ ₁ + ⍺ ₂ = 180⁰. In questa condizione, la tensione di uscita media di entrambi i convertitori è la stessa in grandezza ma opposta nella polarità. Ma a causa della tensione di ondulazione, non possiamo ottenere esattamente la stessa tensione. Quindi, ci sono differenze tensione istantanea ai morsetti CC dei due convertitori che producono enorme c corrente irculating tra i convertitori, che scorrerà attraverso il carico.

Pertanto, nel pratico doppio convertitore, è necessario controllare la corrente circolante. Sono disponibili due modalità per controllare la corrente circolante.

1) Funzionamento senza corrente circolante

2) Funzionamento con corrente circolante

1) Funzionamento a doppio convertitore senza corrente di circolazione

In questo tipo di doppio convertitore, solo un convertitore è in conduzione e un altro convertitore è temporaneamente bloccato. Quindi, alla volta funziona un convertitore e il reattore non è richiesto tra i convertitori. In un particolare istante, diciamo che il convertitore-1 funge da raddrizzatore e fornisce la corrente di carico. In questo istante, il convertitore-2 viene bloccato rimuovendo l'angolo di tiro. Per l'operazione di inversione, il convertitore 1 è bloccato e il convertitore 2 fornisce la corrente di carico.

Gli impulsi al convertitore-2 vengono applicati dopo un tempo di ritardo. Il tempo di ritardo è di circa 10-20 msec. Perché applichiamo il tempo di ritardo tra il cambio di operazione? Garantisce un funzionamento affidabile dei tiristori. Se il convertitore-2 si attiva prima che il convertitore-1 si sia completamente spento, una grande quantità di corrente circolante fluirà tra i convertitori.

Esistono molti schemi di controllo per generare un angolo di accensione per il funzionamento senza corrente circolante del doppio convertitore. Questi schemi di controllo sono progettati per far funzionare sistemi di controllo molto sofisticati. Qui, in un momento solo un convertitore è in conduzione. Pertanto, è possibile utilizzare solo un'unità dell'angolo di tiro. Di seguito sono elencati alcuni schemi di base.

A) Selezione del convertitore in base alla polarità del segnale di controllo

B) Selezione del convertitore in base alla polarità della corrente di carico

C) Selezione del convertitore tramite tensione di controllo e corrente di carico

2) Funzionamento a doppio convertitore con corrente circolante

In senza convertitore di corrente circolante, richiede un sistema di controllo molto sofisticato e la corrente di carico non è continua. Per superare queste difficoltà, esiste un doppio convertitore che può funzionare con la corrente circolante. Un reattore limitatore di corrente è collegato tra i terminali CC di entrambi i convertitori. L'angolo di accensione di entrambi i convertitori è impostato in modo tale che la quantità minima di corrente circolante fluisca attraverso il reattore. Come discusso nell'inverter ideale, la corrente circolante è zero se ⍺ ₁ + ⍺ ₂ = 180⁰.

Supponiamo che l'angolo di accensione del convertitore-1 sia 60 °, quindi l'angolo di accensione del convertitore-2 deve essere mantenuto a 120 °. In questa operazione, il convertitore-1 funzionerà come un raddrizzatore e il convertitore-2 funzionerà come un inverter. Pertanto, in questo tipo di operazione, entrambi i convertitori sono contemporaneamente in conduzione. Se la corrente di carico viene invertita, il convertitore che funziona come un raddrizzatore funziona ora come un inverter, mentre il convertitore che funziona come un inverter funziona ora come un raddrizzatore. In questo schema, entrambi i convertitori conducono allo stesso tempo. Quindi, richiede due generatori di angoli di accensione.

Il vantaggio di questo schema è che possiamo ottenere un funzionamento regolare del convertitore al momento dell'inversione. La risposta temporale dello schema è molto rapida. Il normale periodo di ritardo è da 10 a 20 msec nel caso in cui il funzionamento senza corrente circolante venga eliminato.

Lo svantaggio di questo schema è che le dimensioni e il costo del reattore sono elevati. A causa della corrente circolante, il fattore di potenza e l'efficienza sono bassi. Per gestire la corrente circolante, sono necessari tiristori con valori di corrente elevati.

A seconda del tipo di carico, vengono utilizzati convertitori doppi monofase e trifase.

1) Doppio convertitore monofase

Lo schema elettrico del doppio convertitore è mostrato nella figura seguente. Come carico viene utilizzato un motore CC eccitato separatamente. I terminali DC di entrambi i convertitori sono collegati con i terminali dell'avvolgimento dell'indotto. Qui, due convertitori completi monofase sono collegati schiena contro schiena. Entrambi i convertitori forniscono un carico comune.

L'angolo di accensione del convertitore-1 è α ₁ e α ₁ è inferiore a 90˚. Quindi, il convertitore-1 agisce come un raddrizzatore. Per mezzo ciclo positivo (0 <t <π), i tiristori S1 e S2 condurranno e per un semiciclo negativo (π <t <2π), i tiristori S3 e S4 condurranno. In questa operazione, la tensione e la corrente di uscita sono entrambe positive. Quindi, questa operazione è nota come operazione di marcia avanti e il convertitore funziona nel primo quadrante.

L'angolo di accensione del convertitore-2 è 180 - α ₁ = α ₂ e α ₂ è maggiore di 90˚. Quindi, il convertitore-2 agisce come un inverter. In questa operazione, la corrente di carico rimane nella stessa direzione. La polarità della tensione di uscita è negativa. Pertanto, il convertitore funziona nel quarto quadrante. Questa operazione è nota come frenata rigenerativa.

Per la rotazione inversa del motore CC, il convertitore-2 funge da raddrizzatore e il convertitore-1 funge da inverter. L'angolo di accensione del convertitore-2 α ₂ è inferiore a 90˚. La sorgente di tensione alternativa alimenta il carico. In questa operazione, la corrente di carico è negativa e anche la tensione media di uscita è negativa. Pertanto, il convertitore-2 funziona nel terzo quadrante. Questa operazione è nota come inversione di marcia.

Nel funzionamento inverso, l'angolo di accensione del convertitore-1 è inferiore a 90 ° e l'angolo di accensione del convertitore-2 è maggiore di 90 °. Quindi, in questa operazione, la corrente di carico è negativa ma la tensione di uscita media è positiva. Quindi, il convertitore-2 funziona nel secondo quadrante. Questa operazione è nota come frenata rigenerativa inversa.

La forma d'onda del doppio convertitore monofase è come mostrato nella figura seguente.

2) Doppio convertitore trifase

Lo schema del circuito del doppio convertitore trifase è come mostrato nella figura seguente. Qui, due convertitori trifase sono collegati schiena contro schiena. Il principio di funzionamento è lo stesso di un doppio convertitore monofase.

Quindi è così che sono progettati i convertitori doppi e, come già detto, vengono generalmente utilizzati per costruire azionamenti CC reversibili o inverter CC a velocità variabile in applicazioni ad alta potenza.