Corso di Elettronica di Potenza (9 CFU) ed Elettronica Industriale (6CFU) Convertitori c.a.-c.a. 2/24

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2 Tra i vari tipi di convertitori monostadio, i convertitori c.a.-c.a. sono quelli che presentano il minore interesse applicativo, a causa delle notevoli limitazioni per quanto concerne sia la qualità della forma d onda della tensione di uscita sia il campo di variazione della frequenza. I convertitori c.a.-c.a. monostadio possono essere suddivisi in tre categorie: convertitori a controllo di fase, cicloconvertitori, convertitori a matrice. 2/24

3 I convertitori a controllo di fase forniscono una tensione la cui prima armonica è isofrequenziale con la tensione di alimentazione e di cui è possibile variare solo l ampiezza. I cicloconvertitori, invece, sono in grado di variare anche la frequenza di uscita che deve, comunque, essere alquanto più piccola di quella di alimentazione. I convertitori a matrice, infine, sono in grado di variare la frequenza di uscita entro un ampio campo di variazione. 3/24

4 Il convertitore monofase a controllo di fase impiega due Tiristori collegati in antiparallelo. 4/24

5 La forma d onda della tensione fornita da tale convertitore risulta fortemente influenzata dalla natura del carico. Se il carico è di tipo puramente resistivo e i Tiristori RC 1 e RC 2 vengono accesi con un angolo di ritardo a (compreso tra 0 e ) rispetto agli istanti in cui la tensione di alimentazione attraversa lo zero con pendenza positiva (RC 1 ) e negativa (RC 2 ), la tensione fornita al carico e quella applicata alla coppia di Tiristori assumono i seguenti andamenti. 5/24

6 carico puramente resistivo 6/24

7 L ampiezza della prima armonica della tensione fornita al carico è quindi pari a: essendo: 7/24

8 Se il carico è di tipo RL possono verificarsi due situazioni, a seconda che a sia maggiore o minore dello sfasamento che la corrente ha rispetto alla tensione quando l angolo di accensione è nullo: Quando a <,latensioneapplicataalcaricocoincideconla tensione e a ; in caso contrario l andamento della tensione v u dipende, oltre che dal valore di a, da quello del rapporto L/R. 8/24

9 a > carico RL 9/24

10 Convertitore trifase 10/24

11 Convertitore trifase carico resistivo 11/24

12 I cicloconvertitori monofase presentano una struttura di potenza identica a quella di un convertitore c.a.-c.c bidirezionale a quattro quadranti (in genere con alimentazione trifase). Infatti variando nel tempo in maniera opportuna gli angoli di accensione a1 e a2 di un convertitore c.a.-c.c. bidirezionale a quattro quadranti è possibile ottenere una forma d onda di tensione di tipo alternativo di cui è possibile variare sial ampiezza sia la frequenza. 12/24

13 Dalle sinusoidi si prelevano tratti di durata pari a T/6 corrente in fase 13/24

14 Esaminando le figure precedenti si può facilmente dedurre che l andamento della tensione fornita da un cicloconvertitore approssima quello sinusoidale tanto meglio quanto più elevato è il rapporto tra la frequenza di alimentazione e quella di uscita. Un analisi più approfondita permette di ricavare che la tensione applicata al carico presenta un contenuto armonico accettabile solo se la sua frequenza è inferiore ad un terzo di quella della sorgente di alimentazione. Per ottenere un ampio campo di variabilità sia della tensione che della frequenza di uscita si ricorre a convertitori pluristadio. 14/24

15 In molte applicazioni, risulta conveniente ricorrere ad un sistema di conversione composto da più stadi di conversione posti in cascata (convertitore pluristadio). In particolare, l impiego di un convertitore pluristadio risulta necessario: nei sistemi di conversione c.a.-c.a. con f out >f in nei sistemi di conversione c.c. - c.c. con isolamento galvanico dell uscita rispetto all ingresso. 15/24

16 Nella maggior parte delle realizzazioni attuali, si fa ricorso alla cascata di due convertitori: il primo convertitore (in genere indicato come raddrizzatore) effettua la conversione da c.a. a c.c., il secondo (inverter ) da c.c. a c.a. Risulta, però, necessario introdurre, tra i due stadi di conversione, un opportuno filtro (circuito intermedio), atto a ridurre a livelli accettabili l ondulazione della tensione o della corrente fornita dal primo stadio. 16/24

17 La configurazione più diffusa è quella con stadio intermedio a tensione impressa. Il filtro capacitivo riduce le ondulazioni della tensione continua; l inverter è, quindi, alimentato a tensione impressa (Voltage Source Inverter VSI) e il convertitore c.a.-c.c. può essere di tipo controllato oppure, nelle realizzazioni più economiche e monodirezionali, essere un semplice raddrizzatore a diodi. 17/24

18 Quando il convertitore c.a-c.c. è controllato, la regolazione dell ampiezza della tensione alternata di uscita viene affidata a tale stadio mentre l inverter funziona con una forma d onda prefissata ed effettua solo il controllo della frequenza. In caso contrario, l inverter deve effettuare il controllo sia dell ampiezza sia della frequenza della tensione di uscita. 18/24

19 Qualora, in alcune condizioni operative, il carico possa fornire energia, è necessario inserire, in parallelo al condensatore di filtro, un dispositivo (in genere costituito da una resistenza ed un interruttore statico) che permetta di dissipare l energia fornita dal carico quando la tensione ai capi del condensatore diventa troppo elevata. In questo caso si impiega un convertitore c.a.-c.c. monodirezionale. 19/24

20 Un ulteriore soluzione è quella di recuperare l energia fornita dal carico iniettandola sulla rete di alimentazione. In tal caso, occorre impiegare un convertitore c.a.-c.c. a quattro quadranti. i u 20/24

21 Quando occorre effettuare una conversione c.c.-c.c che presenti un disaccoppiamento galvanico tra la sorgente di alimentazione ed il carico, è conveniente impiegare la struttura di conversione costituita da un inverter e un convertitore c.a.-c.c accoppiati tra loro mediante un trasformatore. 21/24

22 Il ricorso alla struttura bistadio è conveniente anche quando non è richiesto il disaccoppiamento galvanico, ma si desidera ottenere una tensione di uscita molto minore (o molto maggiore) di quella di alimentazione. In queste condizioni operative, infatti, il dimensionamento dell interruttore statico di un convertitore monostadio risulterebbe alquanto elevato rispetto alla potenza trasferita dal convertitore. 22/24

23 Nel convertitore bistadio, ovviamente, il controllo dell ampiezza della tensione di uscita può essere affidato ad un solo convertitore. Poiché l inverter deve, in ogni caso, impiegare elementi controllati, tale compito viene affidato all inverter mentre la conversione c.a.-c.c. è ottenuta mediante un semplice raddrizzatore a Diodi. 23/24

24 Possibile struttura del convertitore costituito da un inverter a ponte seguito da un convertitore a diodi con trasformatore a presa centrale. 24/24