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

În numărul anterior am readus în fața specialiștilor o componentă care a făcut cândva o „revoluție” în aplicațiile specifice electronicii de putere – tiristorul cu stingere pe poartă (GTO). S-au evidențiat caracteristicile acestuia care l-au impus în aplicațiile de mare putere și câteva din acestea. În final s-au trecut în revistă câteva din realizările ICPE ACTEL utilizând tiristorul GTO precizându-se avantajele folosirii lui din punctul de vedere al eficienței energetice și al calității energiei implicate în procesul de conversie.

1.     Introducere

Unul din cele mai utilizate convertoare în apli­caţiile industriale este convertorul de AC/DC cunos­cut de cei care lucrează în domeniul acţionărilor electrice și nu numai, sub numele de redresor, convertor ce se interpune schematic între reţeaua de alimentare alternativă (trifazată sau monofazată) si sarcina de tip RLC sau orice combinaţie a celor 3 elemente pasive.

Privit dinspre sursa de alimentare, redresorul este o sarcină neliniară alimentată cu o tensiune sinusoidală si care din nefericire absoarbe curenţi nesinusoidali si induce armonice de curent în sursă, armonice care sunt una din cele mai importante motive pentru care ne punem problema eficienţei energetice a utilizării acestui tip de convertor în structura constructivă cu tiristoare.

Privit dinspre sarcină, redresorul este o sursă de tensiune continuă cu imperfecţiuni asupra formei acesteia de tip ondulat, ceea ce face ca si curentul absorbit de sarcină să fie de tip ondulat, un motiv important asupra caracterizării eficienţei energetice a transferului de putere redresor-sarcină.

Performanţele unui redresor din punct de vedere al eficienţei energetice a transferului de putere dinspre reţeaua de alimentare spre sarcină depind de:

• calitatea tensiunii de iesire furnizate
• comportarea acestuia în cazul unui scurtcir­cuit la iesire
• protecţiile aferente celor doi parametri ce-l caracterizează (curent, trensiune)
• puterea de scurtcircuit a sursei de alimentare.

2. Calitatea tensiunii de iesire furnizate

Forma tensiunii de iesire depinde de schema de redresare si de tipul sarcinii.

Valoarea medie a tensiunii redresate este con­form relaţiei 1:

unde:

• U_do– tensiunea medie în gol a unui redresor cu p pulsuri și α = 0
• p – numărul de pulsuri

Factorul de formă al tensiunii redresate definit ca raport între valoarea eficace si valoarea medie a acesteia este:

Factorul de modulație M este dat de relația 3:

Pentru aprecierea calitativă a formei undei redresate a tensiunii de ieșire se poate concluziona, astfel:

• cu cât p (numărul de pulsuri) este mai mare, cu atât factorul de formă se apropie de valoarea 1, iar M tinde să scadă
• valoarea F crește cu α, calitatea tensiunii redresate scăzând.

3. Comportarea redresorului la un scurtcircuit la ieşire

Elementele care intervin în caracterizarea comportării la scurtcircuit a unui redresor sunt:

• reactanța de comutație a ventilelor constitutive
• unghiul de aprindere al acestor ventile (α)
• reactanța de scăpări a transformatorului din componență

Se definește factorul de scurtcircuit ksc conform relației 4:

unde:

I_dsr– valoarea medie a curentului de scurtcircuit real

I_dsi– valoarea medie a curentului de scurtcircuit ideal – valoare calculată

Din punct de vedere calitativ, un redresor se comportă mai bine la un scurtcircuit extern dacă valoarea ksc este mai mică.

Practic, diferitele construcții de redresoare (scheme de redresoare) sunt caracterizate de va lori diferite ale ksc, cele mai bune montaje fiind cele monofazate.

4. Curentul absorbit de redresoare din reţeua de alimentare

Deși este alimentat cu tensiuni sinusoidale, redresorul absoarbe din rețea curenți nesinusoidali cu implicații neplăcute asupra:

• eficienței energetice a transferului de putere realizat de convertor
• interferenței cu rețele și consumatori externi din apropiere

Pornind de la schema monofilară simplificată a unui redresor (figura 1) voi încerca să evidențiez din punct de vedere calitativ și cantitativ valoarea curentului absorbit de acesta din rețeaua de alimentare:

FIGURA 1. Schema simplificata rețea redresor- sarcina RL

Tensiunile de alimentare ale redresorului trifazat sunt:

Tensiunea redresată ud are valoarea:

Pornind de la bilanțul puterilor intrare – ieșire cu neglijarea unor pierderi de conversie se poate considera că:

Rezolvând sistemul de ecuații 7 se obțin următoarele valori pentru curenții absorbiți de redresor din rețea:

Rezultă că în cazul unei pulsații 2π/p între ωti și ωti+1 valorile curenților absorbiți din rețeaua de alimentare sunt:

Relațiile de mai sus conduc la următoarele concluzii:

• pentru redresoarele monofazate curentul absorbit din rețea conține fundamentala și armonicele impare 2k±1. Fundamentala este în fază cu tensiunea de alimentare, iar valoarea armonicelor este egală cu raportul dintre fundamental și rangul armonicii (2k±1)
• pentru redresoarele trifazate curentul absorbit conține fundamentala în fază cu tensiunea de alimentare și armonicele de rang (kp±1) a căror valoare (amplitudine) este egală cu raportul dintre valoarea fundamentală și rangul armonicii.

5. Puteri antrenate în conversie

Pornind de la aspectele cunoscute privind bilanțul puterilor în conversia rețea – sarcină prin intermediul redresoarelor și anume:

• tensiunile rețelei sunt sinusoidale
• curenții absorbiți din rețea sunt nesinusoidali, relațiile între diferite forme de puteri sunt prezentate în continuare pentru acest regim nesinusoidal de conversie.

Pentru convertorul din figura 1, conform relației 5 tensiunile de alimentare sunt sinusoidale. Curenții de absorbție pe fiecare fază sunt dați de relația 9.

Puterile active și reactivă sunt date de către fundamentala curentului de fază, armonicele având frecvențe diferite de cele ale tensiunii de alimentare, nu pot furniza putere activă si reactivă.

Pentru redresoarele monfazate:

Pentru redresoarele trifazate: relațiile matematice pentru P și Q sunt similare și ne arată că relația relativă (legea) formula este reprezentată pe o diagramă circulară care ne arată că P și Q variază astfel încât:

Se poate prezenta sub forma:

De asemenea, factorul de putere se poate prezenta și funcție de factorul de distorsiune FD, având în vedere că factorul de formă F este:

6. Concluzii

Din cele prezentate mai sus, rezultă destul de clar necesitatea utilizării redresoarelor vis-a-vis de conceptul eficienței energetice privind soluțiile industriale actuale.

Vehicularea energiilor reactive și deformante pentru obținerea aceluiași efect din punct de vedere al transferului de putere activă conduce la pierderi suplimentare pe rezistențele căilor de curent.

Punând în balanță însă efectele pozitive ale utilizării acestor convertoare rezultă necesitatea înlăturării efectelor negative ale utilizării acestor convertoare. În numerele viitoare voi prezenta metode și soluții de înlăturare a acestor efecte negative, preocupări ale specialiștilor ICPE ACTEL de creștere a eficienței energetice a produselor pe care le dezvoltă, le execută și le vinde.

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