Dispositifs à semi-conducteurs CA
Le schéma de principe et la conception des dispositifs électriques à semi-conducteurs CA sont déterminés par l'objectif, les exigences et les conditions de fonctionnement. Avec la large application que les dispositifs sans contact trouvent, il existe une grande variété de possibilités pour leur mise en œuvre. Cependant, tous peuvent être représentés par un schéma fonctionnel généralisé qui montre le nombre requis de blocs fonctionnels et leur interaction.
La figure 1 montre un schéma de principe d'un dispositif semi-conducteur à courant alternatif dans une construction unipolaire. Il comprend quatre unités fonctionnellement complètes.
L'unité d'alimentation 1 avec des éléments de protection contre les surtensions (circuit RC sur la figure 1) est la base du dispositif de commutation, son organe exécutif. Cela peut être fait sur la base uniquement de vannes contrôlées - thyristors ou à l'aide de diodes.
Lors de la conception d'un appareil pour un courant dépassant les limites de courant d'un seul appareil, il est nécessaire de les connecter en parallèle.Dans ce cas, des mesures spéciales doivent être prises pour éliminer la répartition inégale du courant dans les appareils individuels, qui est due à la non-identité de leurs caractéristiques courant-tension à l'état conducteur et à la répartition du temps d'activation.
Le bloc de commande 2 contient des dispositifs qui sélectionnent et mémorisent les commandes provenant des organes de commande ou de protection, génèrent des impulsions de commande avec des paramètres définis, synchronisent l'arrivée de ces impulsions aux entrées des thyristors avec les instants où le courant dans la charge passe par zéro.
Le circuit de l'unité de commande devient beaucoup plus complexe si l'appareil, en plus de la fonction de commutation de circuit, doit réguler la tension et le courant. Dans ce cas, il est complété par un dispositif de contrôle de phase, qui assure un décalage des impulsions de commande d'un angle donné par rapport au courant nul.
Le bloc de capteurs pour le mode de fonctionnement de l'appareil 3 contient des dispositifs de mesure de courant et de tension, des relais de protection à diverses fins, un circuit pour générer des commandes logiques et signaler la position de commutation de l'appareil.
Le dispositif de commutation forcée 4 associe une batterie de condensateurs, son circuit de charge et des thyristors de commutation. Dans les machines à courant alternatif, ce dispositif n'est contenu que s'il est utilisé comme protection (disjoncteurs).
La partie puissance de l'appareil peut être réalisée selon un schéma avec connexion antiparallèle de thyristors (voir figure 1), basé sur un thyristor symétrique (triac) (figure 2, a) et dans diverses combinaisons de thyristors et de diodes (figure 2, b et c).
Dans chaque cas spécifique, lors du choix d'une option de circuit, les facteurs suivants doivent être pris en compte: les paramètres de tension et de courant de l'appareil en cours de développement, le nombre d'appareils utilisés, la capacité de charge à long terme et la résistance aux surcharges de courant, le degré de complexité de la manipulation du thyristor, les exigences de poids et de taille et le coût.
Figure 1 — Schéma fonctionnel d'un dispositif à thyristor CA
Figure 2 — Blocs de puissance des dispositifs semi-conducteurs CA
Une comparaison des blocs de puissance représentés sur les figures 1 et 2 montre que le schéma avec des thyristors connectés en anti-parallèle présente les plus grands avantages.Un tel schéma contient moins de dispositifs, a des dimensions, un poids, une perte d'énergie et un coût plus petits.
Par rapport aux triacs, les thyristors à conduction unidirectionnelle (unidirectionnelle) ont des paramètres de courant et de tension plus élevés et sont capables de supporter des surcharges de courant nettement plus importantes.
Les thyristors à tablette ont un cycle thermique plus élevé. Par conséquent, un circuit utilisant des triacs peut être recommandé pour commuter des courants qui, en règle générale, ne dépassent pas le courant nominal d'un seul appareil, c'est-à-dire lorsque leur connexion de groupe n'est pas requise. A noter que l'utilisation de triacs permet de simplifier le système de commande du bloc d'alimentation, celui-ci doit contenir une voie de sortie vers le pôle de l'appareil.
Les schémas représentés sur la figure 2, b, c illustrent la possibilité de concevoir des dispositifs de commutation à courant alternatif utilisant des diodes. Les deux schémas sont faciles à gérer, mais présentent des inconvénients dus à l'utilisation d'un grand nombre d'appareils.
Dans le circuit de la figure 2, b, la tension alternative de la source d'alimentation est convertie en une tension pleine onde d'une polarité à l'aide d'un redresseur à pont de diodes. Il en résulte qu'un seul thyristor connecté en sortie du pont redresseur (dans la diagonale du pont) devient capable de contrôler le courant dans la charge pendant les deux alternances, si au début de chaque alternance la commande des impulsions sont reçues à son entrée. Le circuit est coupé au passage par zéro le plus proche du courant de charge après l'arrêt de la génération des impulsions de commande.
Il convient toutefois de garder à l'esprit qu'un déclenchement fiable du circuit n'est assuré qu'avec une inductance minimale du circuit du côté du courant redressé. Sinon, même si la tension tombe à zéro à la fin du demi-cycle, le courant continuera à circuler dans le thyristor, l'empêchant de s'éteindre. Le danger de déclenchement d'urgence du circuit (sans déclenchement) se produit également lorsque la fréquence de la tension d'alimentation augmente.
Dans le circuit, à la figure 2, la charge est commandée par deux thyristors reliés entre eux, dont chacun est manipulé dans le sens opposé par une vanne non commandée. Comme dans une telle connexion les cathodes des thyristors sont au même potentiel, cela permet d'utiliser des générateurs d'impulsions de commande à une sortie ou à deux sorties avec une masse commune.
Les schémas de principe de tels générateurs sont grandement simplifiés. De plus, les thyristors du circuit, sur la figure 2, c, sont protégés contre la tension inverse et doivent donc être sélectionnés uniquement pour la tension directe.
En termes de dimensions, de caractéristiques techniques et d'indicateurs économiques, les dispositifs réalisés selon les schémas représentés sur les figures 2, b, c sont inférieurs aux dispositifs de commutation dont les circuits sont représentés sur les figures 1 c, 2, a. Néanmoins, ils sont largement utilisés dans les dispositifs d'automatisation et de protection de relais, où la puissance de commutation est mesurée en centaines de watts. En particulier, ils peuvent être utilisés comme dispositifs de sortie de conformateurs d'impulsions pour contrôler des blocs de thyristors d'appareils plus puissants.
Timofeev A.S.