Eficienţa energetică - caracteristică principală a produselor dezvoltate de ICPE ACTEL S.A. (XLI)

În numărul anterior am trecut în revistă avantajele şi dezavantajele utilizării şi încadrării într-un lanţ de acţionare şi automatizare a motorului asincron cu rotorul bobinat, evidenţiind aspectele principale legate de eficienţa energetică a proceselor în care este utilizat acest tip de motor încă prezent într-o serie de aplicaţii industriale. În final s-au reliefat aspectele particulare ale utilizării acestui motor în procesele tehnologice în care se doresc controlul turaţiei şi cuplu la axul acestuia.

1. Introducere

În numărul de astăzi vom aduce în discuții una din componentele de bază utilizate în aplicațiile de putere ale acționărilor electrice, din ce în ce mai puțin folosită astăzi, dar care a însemnat o revoluție în anii ’85 -’90 în electronica de putere. Este vorba de tiristorul cu blocare pe poartă - GTO, cunoscut și sub titulatura de tiristor cu stingere pe poartă.

Acesta a apărut odată cu finalizarea cercetărilor de îmbunătățire a performanțelor tiristorului clasic, în ideea de a-i bloca conducția oricând, nu numai la trecerea curentului de conducție prin momentul zero al evoluției în timp, dar și cu apariția tranzistoarelor de putere cu caracteristici care-l apropiau de cerințele convertoarelor statice de putere și de aplicații de putere, curenți și tensiuni de valori importante.

Cercetările specialiștilor din domeniul dispozitivelor semiconductoare și-au propus la momentul anilor ’80 dezvoltarea unui ventil electronic ideal, caracterizat de:

• rezistență internă în conducție cât mai mică;
• rezistență internă în starea de blocare cât mai mare;
• fiabilitate electrică și termică ridicate;
• putere injectată în partea de comandă cât mai mică;
• imunitate la semnale parazite externe;
• densități de curent ale curentului de sarcină cât mai ridicate;
• timpi de comutare din starea conducție - starea blocată și/sau invers cât mai mici;
• capacitatea de a bloca valori ale tensiunii de utilizare cât mai mari;
• gabarite proprii cât mai mici;
• nu în ultimul rând, prețuri de comercializare reduse.

Aceste deziderate, spre bucuria utilizatorilor, s-au concretizat în apariția pe piața de produse a două componente: tiristorul cu blocare pe poartă și tranzistorul bipolar, niciunul dintre ele neputând răspunde cerințelor de mai sus, fiecare fiind mai bun într-o anumită zonă de cerințe.

Și pentru că în acel moment, pentru cei ce se ocupau cu aplicații de putere mare (tensiuni și curenți însemnați) tiristorul GTO a fost mai apropiat de astfel de aplicații, voi încerca să-l readuc în memorie punctând elementele strâns legate de eficiența energetică a acestor aplicații.

Este adevărat că peste încă 15÷20 ani, apariția tranzistoarelor de putere IGBT cu caracteristici tehnice similare tiristoarelor GTO a determinat folosirea lor în multe aplicații, fără să le înlocuiască însă în totalitate, tiristorul GTO regăsindu-se și astăzi acolo unde tranzistorul nu mai este competitiv

2. Blocarea tiristoarelor convenţionale

Pentru un tiristor clasic (convențional), se știe că intrarea în conducție se face prin aplicarea unui semnal pozitiv pe poartă. Odată intrat în conducție, poarta pierde controlul conducției, tiristorul comportându-se ca o diodă în conducție. Blocarea (stingerea) tiristorului convențional se poate face numai când curentul anodic scade sub valoarea curentului de menținere în conducție și nu întotdeauna în momentul acestei atingeri, ci după un timp dependent de tipul sarcinii, numit timp de blocare.

În practică este cunoscut că timpul de blocare durează din momentul trecerii prin zero a curentului anodic în direct până la momentul reaplicării tensiunii de blocare cu o anumită rampă du/dt. Funcție de tipul rețelei în care este utilizat, există câteva moduri de blocare a tiristoarelor convenționale, și anume:

2.1. Circuite de curent alternativ

În aceste circuite, blocarea tiristoarelor este relativ simplă și se bazează pe anularea curentului anodic prin tiristor, la trecerea tensiunii de alimentare prin zero (figura 1).

FIGURA 1. Stingerea pe poarta a unui tiristor convențional în rețele de curent alternativ

Când tensiunea Ua este pozitivă, după un timp α, se aplică pe poarta tiristorului G un semnal de comandă și astfel tiristorul intră în conducție. Blocarea tiristorului se face în timpul semialternanț ei negative a tensiunii la momentul (α+Θc).

2.2. Circuite de curent continuu

Există mai multe metode de blocare a tiristoarelor convenționale în circuite de curent continuu, dintre care voi aminti doar două și anume:

a. întreruperea circuitului pur și simplu cu ajutorul unui comutator care de obicei poate fi un alt tiristor;

b. cu ajutorul circuitelor de stingere:

• cu shunt pentru devierea circuitului anodic;
• aplicarea unei tensiuni inverse pe tiristor.

3. Tiristorul cu blocare pe poartă

Tiristorul cu blocare pe poartă GTO (Gate Turn Off Thyristor) este un dispozitiv electronic de tip pnpn ce poate intra în conducție și poate fi blocat cu semnale pozitive sau negative direct pe poartă, el putând fi un comutator electronic real ce înlătură neajunsurile tiristoarelor convenționale, cu următoarele avantaje în utilizare:

• diminuarea elementelor auxiliare (R, L, C) pentru amorsare și blocare;
• gabarit diminuat;
• fiabilitate sporită în exploatare;
• preț de cost/aplicație diminuat.

3.1. Principiul blocării pe poartă a tiristorului GTO

Principiul blocării pe poartă a tiristorului GTO este explicat în figura 2.

Principiul blocării pe poartă a tiristorului GTO constă în diminuarea forțată a curentului pe poartă IG (prin ieșirea controlată din saturație a tranzistoarelor pnp și npn din structura pnpn a tiristorului) de la valoarea I01 la valoarea I02.

Componentele timpului de comutare din starea de blocare în starea de conducție sunt:

• timpul de întârziere este timpul în care curentul anodic crește de la valoarea 0 la 10% din valoarea nominală;
• timpul de creștere este timpul în care curentul anodic crește de la 10% la 90% din valoarea nominală;
• timpul de răspândire este timpul în care curentul anodic crește de la 90% la 100% din valoarea sa nominală.

FIGURA 2. Principiul blocarii pe poarta a unui tiristor GTO

Suma primilor doi timpi reprezintă timpul de intrare în conducție (amorsare) a dispozitivului GTO. Componentele timpului de trecere din starea de conducție în starea de blocare sunt:

• timpul de stocare este timpul în care curentul anodic scade de la valoarea 100% la 90% din valoarea sa inițială;
• timpul de cădere este timpul în care curentul anodic scade de la valoarea 90% la 10% din valoarea sa inițială;
• timpul de revenire este timpul în care curentul anodic scade de la valoarea 10% la 0.

Suma primilor doi timpi reprezintă timpul de blocare (stingere).

3.2. Parametrii specifici tiristorului GTO

Principalii parametri ai tiristorului GTO strâns legați de procesul de blocare pe poartă sunt:

• curentul anodic maxim ce poate fi urmărit de poartă în mod nerepetitiv;
• curentul anodic maxim ce poate fi urmărit de poartă în mod repetitiv;
• timpul de blocare;
• sarcina stocată;
• câștigul operațional în curent la blocare;
• valoarea curentului anodic la sfârșitul timpului de blocare;
• câștigul maxim în curent la blocare;
• tensiunea inversă maximă de poartă;
• rata de creștere a curentului invers de poartă;
• valoarea critică a ratei de creștere a tensiunii de blocare reaplicate în direct.

4. Aplicaţii cu tiristoare GTO

Câteva din aplicațiile industriale dintre cele mai utilizate folosind tiristorul GTO sunt după cum urmează:

4.1 Contactorul static

Are rolul de a înlocui releele electromagnetice cu elemente în mișcare și are avantajul unor timpi de răspuns foarte mici la comenzi, fiabilitate sporită și gabarite mici. Un contactor static foarte des utilizat în aplicații industriale este prezentat în figura 3.

FIGURA 3. Schema electrica de principiu a unui contactor static cu tiristor GTO

4.2 Variatoare de tensiune continuă (choppere)

În general, convertoarele c.c./c.c. de putere foarte mare se realizează cu tiristoare de tip GTO. O schemă electrică de principiu este prezentată în figura 4.

FIGURA 4. Schema electrica a unu chopper cu tiristor GTO

4.3 Invertoare

Invertoarele sunt convertoare c.c./c.a. Schema electrică de principiu a unui invertor monofazat este prezentată în figura 5. Fiecare dintre aplicațiile de mai sus sunt utilizate fie în obținerea de surse cu tensiune variabilă pentru aplicații electrotermice, automatizări, fie pentru alimentarea și acționarea motoarelor electrice.

FIGURA 5. Schema electrica de principiu a unui invertor monofazat folosind tiristoare GTO

5. Concluzii

Utilizarea tiristorului GTO este indicată în aplicații industriale în domeniul acționărilor electrice de putere mare și foarte mare datorită următoarelor avantaje:

• caracteristici de suprasarcină și scurtcircuit superioare componentelor similare;
• eficiență energetică maximă în procesele de comutație;
• gabarite reduse motivate de lipsa unor blocuri de comandă de anvergură.

Deși apariția tranzistoarelor de putere cu caracteristici tensiune – curent comparabile tiristoarelor GTO a diminuat numărul soluțiilor cu tiristoare GTO, există aplicații industriale (industria cimentului, metalurgie, minerit) în care tiristorul GTO este greu de înlocuit, motiv pentru care specialiștii din proiectare, cercetare, inclusiv cei din ICPE ACTEL încă-l recomandă în detrimentul aplicativ cu componente noi, similare.

Ion Potârniche este  dr. ing., Director General ICPE ACTEL