Corso di ELETTRONICA INDUSTRIALE. Raddrizzatori con carico capacitivo.

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1 Corso di ELETTRONICA INDUSTRIALE Raddrizzatori con carico capacitivo. Impatto sulla rete e filtraggio passivo

2 Argomenti trattati Analisi di un raddrizzatore a semionda Raddrizzatori a doppia semionda Impatto sulla rete Definizione di Power Factor Definizione di THD (distorsione( armonica totale) Filtri passivi

3 Impatto sulla rete di alimentazione in c.a. dei raddrizzatori con carico capacitivo

4 Schema generale di un alimentatore switching i g i i I o + + u g C i - U i U o - raddrizzatore convertitore cc/cc (trasformatore AF)

5 Schema generale di un alimentatore switching i g i i I o + + u g C i - U i U o - raddrizzatore convertitore cc/cc (trasformatore AF) i i = I i + Δi i I i = componente continua Δi i = componente alternata ad AF (ripple)

6 Schema generale di un alimentatore switching i g i i I o + + u g C i - U i U o - Note: raddrizzatore convertitore cc/cc (trasformatore AF)

7 Schema generale di un alimentatore switching i g i i I o + + u g C i - U i U o - Note: raddrizzatore convertitore cc/cc (trasformatore AF) Le componenti armoniche ad alta frequenza di i i (Δi i ) vengono assorbite da C i e non influenzano il funzionamento lato rete

8 Schema generale di un alimentatore switching i g i i I o + + u g C i - U i U o - Note: raddrizzatore convertitore cc/cc (trasformatore AF) Pertanto il convertitore cc/cc viene visto dal raddrizzatore come un generatore di corrente: U o I o I i U i

9 Analisi di un raddrizzatore con filtro capacitivo e carico costituito da un generatore di corrente

10 Analisi di un raddrizzatore con filtro capacitivo e carico costituito da un generatore di corrente i g u g C + u C - I i u g = sin ( t) U^ g ω

11 D on u g i g C + u C - I i

12 D on u g i g C + u C - I i Questo modo di funzionamento inizia quando u g =u C e termina quando i g = 0

13 D on u g i g C + u C - I i Questo modo di funzionamento inizia quando u g =u C e termina quando i g = 0 u C = u g i g du C g ^ = + I = ωcu cos( ω ) + dt i g t I i

14 D on u g i g C + u C - I i Questo modo di funzionamento inizia quando u g =u C e termina quando i g = 0 u C = u g i g du C g ^ = + I = ωcu cos( ω ) + dt i g t I i Condizione di fine: i g ω = 0 cos( t) = I i ω ^ CUg

15 D on u g i g C + u C - I i Questo modo di funzionamento inizia quando u g =u C e termina quando i g = 0 u C = u g i g du C g ^ = + I = ωcu cos( ω ) + dt i g t I i Condizione di fine: ^ i = u = U = U 1 g 0 C g I i ^ ( ωcu ) g

16 D off i g + u g C u C - I i

17 D off i g + u g C u C - I i i g = 0 i C = - I i I u C = U i C t

18 D off i g + u g C u C - I i i g = 0 i C = - I i I u C = U i C t Condizione di fine: Ii u u U t* C ^ C = g = Ugsin ( ωt) uc = U t*=t+(t-t ) 1

19 Forme d onda durante t on (D on)

20 Forme d onda durante t on (D on) U U 1 u C t

21 Forme d onda durante t on (D on) U U 1 u C t i g ^I g t on T t

22 Forme d onda durante t off (D off) U U 1 u C t i g ^ I g t on T t off t

23 Nota

24 Nota Per avere una piccola ondulazione di tensione ΔU si sceglie C grande.

25 Nota Per avere una piccola ondulazione di tensione ΔU si sceglie C grande. U U 1 u C t i g I g^ t on T t off t

26 Nota Per avere una piccola ondulazione di tensione ΔU si sceglie C grande. Ció implica che: ^ ωcu g >> I i ^ ( I I ) g >> i

27 Nota Per avere una piccola ondulazione di tensione ΔU si sceglie C grande. Ció implica che: ^ ωcu g >> I i ^ ( I I ) g >> i Allora: U t off ^ U g T ^ i U U IC T U I i 1 g Δ C T

28 Nota Una piccola ondulazione di tensione u i (ΔU) implica elevati picchi di corrente dall alimentazione alimentazione. U U 1 u C t i g I g^ t on T t off t

29 Note Una piccola ondulazione di tensione u i (ΔU) implica elevati picchi di corrente dall alimentazione alimentazione. Infatti: 1 T Ug Pi = Ui Ii = ug ig dt T T ^ 0 0 t on i dt g

30 Nota Una piccola ondulazione di tensione u i (ΔU) implica elevati picchi di corrente dall alimentazione alimentazione. Infatti: 1 T Ug Pi = Ui Ii = ug ig dt T T ^ 0 0 t on i dt g Se t on é piccolo occorre un elevato impulso di i g per fornire la potenza richiesta dal carico

31 Schema del raddrizzatore reale L assorbimento di corrente i g unidirezionale non é ammissibile, tranne che per potenze piccolissime Si usa perció un raddrizzatore a doppia semionda

32 Schema del raddrizzatore reale L assorbimento di corrente i g unidirezionale non é ammissibile, tranne che per potenze piccolissime Si usa perció un raddrizzatore a doppia semionda I g + U g U i - I i

33 Raddrizzatore a doppia semionda Forme d onda tipiche

34 Raddrizzatore a doppia semionda Forme d onda tipiche u g Tensione di alimentazione t

35 Raddrizzatore a doppia semionda Forme d onda tipiche u g Tensione di alimentazione t u g Tensione raddrizzata t

36 Raddrizzatore a doppia semionda Forme d onda tipiche u g Tensione di alimentazione t u g u C t Tensione filtrata

37 Raddrizzatore a doppia semionda Forme d onda tipiche i g u g Corrente di alimentazione t u g u C t Tensione filtrata

38 Note

39 Note Il funzionamento é lo stesso che nel caso del raddrizzatore a singola semionda, peró: ΔU 1 I i T C

40 Il funzionamento é lo stesso che nel caso del raddrizzatore a singola semionda, peró: i g é alternata ΔU Note 1 I i T C

41 Note Il funzionamento é lo stesso che nel caso del raddrizzatore a singola semionda, peró: i g é alternata ΔU 1 I i T C Anche in questo caso per avere bassa ondulazione di tensione occorre scegliere C elevata, causando elevati picchi di corrente

42 Problema dei raddrizzatori con carico capacitivo i g é fortemente distorta

43 Problema dei raddrizzatori con carico capacitivo i g é fortemente distorta basso fattore di potenza

44 Problema dei raddrizzatori con carico capacitivo i g é fortemente distorta basso fattore di potenza distorsione di tensione

45 Fattore di potenza (PF)

46 Fattore di potenza (PF) PF = P = S Potenza attiva Potenza apparente

47 Fattore di potenza (PF) PF = P = S Potenza attiva Potenza apparente consumo

48 Fattore di potenza (PF) PF = P = S Potenza attiva Potenza apparente consumo dimensionamento

49 Fattore di potenza (PF) PF = P = S Potenza attiva Potenza apparente consumo dimensionamento P = U I cosϕ g g 1 1

50 Fattore di potenza (PF) PF = P = S Potenza attiva Potenza apparente consumo dimensionamento P = U I cosϕ g g 1 1 ^ Ug S = Ug Ig = Ign = Ug Ig Ign Ig1 S 1

51 Fattore di potenza (PF) ^ Ug S = Ug Ig = Ign = Ug Ig Ign Ig1 S 1

52 Fattore di potenza (PF) ^ Ug S = Ug Ig = Ign = Ug Ig Ign Ig1 S 1 S = S 1+ THD 1 1 ( )

53 Fattore di potenza (PF) ^ Ug S = Ug Ig = Ign = Ug Ig Ign Ig1 S 1 S = S 1+ THD 1 1 ( ) dove: THD = distorsione armonica = totale di corrente gn I g 1 I

54 P = U I cos ϕ = S cos ϕ g Fattore di potenza (PF) g

55 P = U I cos ϕ = S cos ϕ g g S = S 1+ THD 1 Fattore di potenza (PF) 1 ( )

56 P = U I cos ϕ = S cos ϕ g g S = S 1+ THD 1 Fattore di potenza (PF) 1 ( ) PF P P 1 cos ϕ 1 = = = S S THD 1 + THD ( ) + ( ) = = cos ϕ DF 1

57 P = U I cos ϕ = S cos ϕ g g S = S 1+ THD 1 Fattore di potenza (PF) 1 ( ) PF P P 1 cos ϕ 1 = = = S S THD 1 + THD ( ) + ( ) = = cos ϕ DF 1 dove: DF = Distortion Factor = THD ( THD) = I g 1 I g

58 Note

59 Note Il Power Factor (PF) é influenzato sia dallo sfasamento alla fondamentale sia dalla distorsione armonica

60 Note Il Power Factor (PF) é influenzato sia dallo sfasamento alla fondamentale sia dalla distorsione armonica Per i raddrizzatori il picco di i g é localizzato in prossimitá del picco di tensione quindi: 1 cosϕ 1 1 PF 1+ THD ( )

61 Note Il Power Factor (PF) é influenzato sia dallo sfasamento alla fondamentale sia dalla distorsione armonica Per i raddrizzatori il picco di i g é localizzato in prossimitá del picco di tensione quindi: 1 cosϕ 1 1 PF 1 + THD ( ) Valori tipici di PF per i raddrizzatori con carico capacitivo sono nel campo

62 Distorsione di tensione (Effetto dell induttanza di linea)

63 Distorsione di tensione (Effetto dell induttanza di linea) i g u s L S + u g I i -

64 Distorsione di tensione (Effetto dell induttanza di linea) i g u s L S + u g I i - Tenendo conto dell induttanza di linea si ha: dig ug = us LS dt

65 Distorsione di tensione (Effetto dell induttanza di linea) i g u s L S + u g I i - Tenendo conto dell induttanza di linea si ha: dig ug = us LS dt L S causa il fenomeno dello schiacciamento di tensione (peak clipping)

66 Schiacciamento di tensione u s u g i g t

67 Schiacciamento di tensione u s u g i g t La distorsione di tensione si ripercuote anche sugli altri carichi connessi allo stesso nodo

68 Normative Tendono a limitare THD e ad incrementare PF Es: EN (fino( a 16A) EN (oltre( i 16A)

69 Normative Tendono a limitare THD e ad incrementare PF Es: EN (fino( a 16A) EN (oltre( i 16A) Soluzioni:

70 Normative Tendono a limitare THD e ad incrementare PF Es: EN (fino( a 16A) EN (oltre( i 16A) Soluzioni: Filtri passivi

71 Normative Tendono a limitare THD e ad incrementare PF Es: EN (fino( a 16A) EN (oltre( i 16A) Soluzioni: Filtri passivi Controllo attivo del Power Factor (PFC)

72 Filtri passivi

73 Filtri passivi i g u s L S + u g - L g U i I i L S = 0.mH L g = 0 Il più semplice filtro passivo è costituito da un induttanza all ingresso del convertitore

74 Filtri passivi i g u s L S + u g - L g U i I i L S = 0.mH L g = 0 u s i g t

75 Filtri passivi i g u s L S + u g - L g U i I i L S = 0.mH L g = 0 THD(u g ) = 0.3% THD(i g ) = 180% PF = 0.48 U i = 34V i g u s t

76 Filtri passivi i g u s L S + u g - L g U i I i L S = 0.mH L g = 1.8mH THD(u g ) = 0.% THD(i g ) = 147% PF = 0.56 U i = 30V i g u s t

77 Filtri passivi i g u s L S + u g - L g U i I i L S = 0.mH L g = 19.8mH THD(u g ) = 0.1% THD(i g ) = 95% PF = 0.7 U i = 306V u s i g t

78 Tabella comparativa Al crescere di L g aumenta il Power Factor e si riduce il valore di picco di i g L g [mh] ^ I g [A] PF THD(u g ) THD(i g ) U i [V] % 180% % 147% % 95% 306

79 Difetti dei filtri passivi Sono ingombranti (induttanze a 50Hz) Le prestazioni dipendono dal carico Causano cadute di tensione

80 Conclusioni I raddrizzatori con carico capacitivo hanno un pesante impatto sulla rete assorbono armoniche di corrente deformano la tensione di alimentazione I filtri passivi costituiscono una soluzione semplice,, ma sono ingombranti e non sempre efficaci In generale ogni modifica della struttura del carico richiede una riprogettazione del filtro