Corso di ELETTRONICA INDUSTRIALE INVERTITORI MONOFASE A TENSIONE IMPRESSA

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1 1 Corso di LTTRONICA INDUSTRIAL INVRTITORI MONOFAS A TNSION IMPRSSA

2 0. 2 Principi di funzionamento di invertitori monofase a tensione impressa

3 0. 3 Principi di funzionamento di invertitori monofase a tensione impressa Struttura e funzionamento dell invertitore monofase di tensione a due livelli

4 0. 4 Principi di funzionamento di invertitori monofase a tensione impressa Struttura e funzionamento dell invertitore monofase di tensione a due livelli Metodi di modulazione a PWM analogici e digitali

5 0. 5 Principi di funzionamento di invertitori monofase a tensione impressa Struttura e funzionamento dell invertitore monofase di tensione a due livelli Metodi di modulazione a PWM analogici e digitali Modulazioni a bassa frequenza di portante e ad onda quadra

6 0. 6 Principi di funzionamento di invertitori monofase a tensione impressa Struttura e funzionamento dell invertitore monofase di tensione a due livelli Metodi di modulazione a PWM analogici e digitali Modulazioni a bassa frequenza di portante e ad onda quadra Componenti di potenza per invertitori

7 1. 7 Invertitore di tensione monofase a PWM Generazione di due livelli di tensione: positivo e negativo V U

8 1. 8 Invertitore di tensione monofase a PWM Due livelli di tensione di uscita Generazione di due livelli di tensione: Alimentazioni continue ( e ) positivo e negativo a bassa impedenza Carico connesso al punto intermedio delle alimentazioni V U

9 1. 9 Invertitore di tensione monofase a PWM Generazione di due livelli di tensione: Carico induttivo alla frequenza di positivo e negativo modulazione Armoniche di modulazione nella corrente di uscita filtrate dal carico V U

10 1. 10 Invertitore di tensione monofase a PWM Generazione di due livelli di tensione: Per generare i due livelli di positivo e negativo tensione con correnti sia entranti che uscenti si estende la struttura del convertitore Buck V U

11 2. 11 Realizzazione dell invertitore di tensione a due livelli (A) Corrente di carico uscente ON I Transistor conduttore V= U

12 2. 12 Realizzazione dell invertitore di tensione a due livelli OFF I (A) Corrente di carico uscente Transistor interdetto V= U

13 3. 13 Realizzazione dell invertitore di tensione a due livelli (B) Corrente di carico entrante ON Transistor conduttore I V= U

14 4. 14 Realizzazione dell invertitore di tensione a due livelli OFF (B) Corrente di carico entrante Transistor interdetto I V= U

15 4. 15 Realizzazione dell invertitore di tensione a due livelli (AB) Corrente di carico bidirezionale V I U

16 5. 16 Realizzazione dell invertitore di tensione a due livelli ON OFF Corrente di carico bidirezionale Tensione di uscita positiva I V= U

17 6. 17 Realizzazione dell invertitore di tensione a due livelli OFF ON I Corrente di carico bidirezionale Tensione di uscita negativa V= U

18 6. 18 Realizzazione dell invertitore di tensione a due livelli V I U

19 7. 19 Realizzazione dell invertitore di tensione a due livelli V I Ciascun transistor con il diodo connesso in parallelo costituisce un interruttore bidirezionale U

20 7. 20 Modulazione PWM a due livelli Rappresentazione con interruttori ideali S 1 S 2 Per semplicità si userà la rappresentazione con interruttori ideali I V U

21 7. 21 Modulazione PWM a due livelli Rappresentazione con interruttori ideali S 1 S 2 Tuttavia, la reale struttura degli interruttori pone dei vincoli alle modalità di operazione I V U

22 8. 22 Modulazione PWM a due livelli Rappresentazione con interruttori ideali S 1 S 2 Ad esempio, la contemporanea chiusura di S 1 ed S 2 provoca un corto circuito I sulle alimentazioni V U

23 8. 23 Invertitore di tensione monofase a due livelli Sovrapposizione di conduzione dei transistor ON ON

24 8. 24 Invertitore di tensione monofase a due livelli Sovrapposizione di conduzione dei transistor ON La sovrapposizione della conduzione dei due transistori può essere causata da ritardi e imprecisioni dei comandi ON

25 9. 25 Invertitore di tensione monofase a due livelli Sovrapposizione di conduzione dei transistor ON Per evitare la conduzione contemporanea dei due interruttori si dà un tempo morto fra i due comandi di accensione ON

26 9. 26 Tempo morto di comando C S1 C S2 V U C S1 C S2 Tempo morto t t

27 11 27 Tempo morto di comando C S1 C S2 Durante il tempo morto è necessario avere una via di V richiusura per la corrente di carico U C S1 C S2 Tempo morto t t

28 Conduzione dei diodi duranteil tempo morto OFF I I uscente V < 0 OFF V I entrante V > 0 C S U t C S1 t C S2 t I entrante V > 0 Durante il tempo morto V T D t T SW

29 13 29 Conduzione dei diodi durante La via di richiusura il tempo è assicurata morto dai diodi in antiparallelo. La tensione in uscita dipende dal verso della corrente OFF I I uscente V > 0 I entrante V < 0 OFF V U

30 13 30 Invertitore di tensione monofase a due livelli Stati dell invertitore S 1 ON S 2 OFF V = S 1 OFF S 2 ON V = S 1 OFF S 2 OFF V dipende dal segno di I S 1 ON S 2 ON NON AMMSSA

31 14 31 Invertitore di tensione monofase a due livelli Rappresentazione con interruttori ideali S 1 S 2 La modulazione PWM verrà studiata con riferimento a interruttori ideali V I U

32 14 32 Modulazione PWM a due livelli δ > 0.5 V med > 0 v(t) V med Nella modulazione PWM, T variando il duty cycle δ si varia il valore medio della (1 δ)t tensione di uscita V = V med = (2 δ 1) δ T t

33 16 33 Modulazione PWM a due livelli δ > 0.5 V med > 0 v(t) T V med t (1 δ)t δ T V = V med = (2 δ 1)

34 16 34 Modulazione PWM a due livelli δ < 0.5 V med < 0 v(t) T t V med δ T (1 δ)t V = V med = (2 δ 1)

35 16 35 Modulazione PWM a due livelli Nel complesso, variazioni del duty δ < 0.5 V med < 0 cycle (fattore di utilizzazione) δ da 0 v(t) a 1 generano una tensione media di uscita V variabile fra e T V = V med = (2 δ 1) Si ottiene V=0 con δ =0.5 V = V med = (2 δ 1) δ T (1 δ)t t V med

36 17 36 Modulazione PWM a due livelli La PWM consente di far seguire a V δ < 0.5 V med < 0 med una forma d onda V* assegnata, mediante v(t) variazioni nel tempo del valore di δ: V = V med = (2 δ(t) 1) T V = V med = (2 δ 1) δ T (1 δ)t t V med

37 17 37 Modulazione PWM a due livelli Tensione di uscita variabile v(t) V med T t V = V med = (2 δ(t) 1)

38 Modulazione PWM a due livelli Forma d onda sinusoidale V med i(t) v(t) I med

39 Modulazione PWM a due livelli V med e I med sono definite Forma come d onda le sinusoidale medie in un periodo di modulazione dei valori istantanei di tensione v(t) e di corrente i(t) V med i(t) v(t) I med

40 22 40 Modulazione PWM a due livelli L ondulazione di corrente intorno a I med è ridotta dall azione filtrante del carico V med i(t) v(t) I med

41 22 41 Modulazione PWM a due livelli Modulazione analogica (con portante triangolare) La generazione dei segnali di comando con il duty cycle v(t) δ(t) corrispondente ad una forma d onda di riferimento V* può essere fatta per via analogica o per via digitale V med V* T T t t

42 23 42 Modulazione PWM a due livelli Modulazione analogica (con portante triangolare) v(t) V med T T V* t t

43 25 43 Modulazione PWM a due livelli Modulazione La analogica modulazione (con portanteanalogica triangolare) è v(t) normalmente ottenuta comparando il riferimento V* con una portante triangolare V med (modulazione senotriangolo ) V* T T t t

44 25 44 Modulazione PWM a due livelli Modulazione analogica: schema a blocchi V* Modulatore a PWM Logica di comando degli interruttori C S1 C S2 V Controllo del tempo morto

45 26 45 Modulazione PWM a due livelli Modulazione La modulazione digitale a microcontrollore digitale calcola direttamente gli istanti di μc Memoria commutazione, e quindi le (forma d'onda) durate di conduzione degli interruttori, a partire dalla forma Clock C Calcolo S1 Amp. d onda di riferimento, di solito memorizzata di V* dei in forma numerica Freq. di V* Conv. A/D tempi di accensione C S2 V

46 27 46 Modulazione PWM a due livelli Modulazione digitale a microcontrollore μc Memoria (forma d'onda) Amp. di V* Freq. di V* Clock Conv. A/D Calcolo dei tempi di accensione C S1 C S2 V

47 28 47 Modulazione PWM a due livelli L utilizzo di microcontrollori o di circuiti integrati dedicati (ASIC) consente una realizzazione compatta del controllo digitale

48 29 48 Modulazione PWM a due livelli L utilizzo di microcontrollori o di circuiti integrati dedicati (ASIC) consente una realizzazione compatta del controllo digitale Secondo la tendenza attuale, si preferisce il controllo digitale per la sua affidabilità, per l assenza di procedure di taratura e per la facilità di aggiornare il controllo senza modificare il circuito

49 29 49 Modulazione ad onda quadra Quando la frequenza di modulazione diventa prossima a quella della V* da generare (pochi impulsi per periodo) il filtraggio del carico si riduce e la forma d onda della corrente è molto distorta

50 31 50 Modulazione ad onda quadra Quando la frequenza di modulazione diventa prossima a quella della V* da generare (pochi impulsi per periodo) il filtraggio del carico si riduce e la forma d onda della corrente è molto distorta In alcuni casi le deformazioni sono accettabili. La PWM può consentire ancora di regolare l ampiezza della componente fondamentale della tensione

51 31 51 Modulazione ad onda quadra Con un solo impulso per periodo (modulazione ad onda quadra) l ampiezza della componente fondamentale della tensione generata è fissa e se ne può regolare soltanto la frequenza

52 Modulazione ad onda quadra v / o 4/π 1 ^ (V o1)/ 1.4 4/ π T fondamentale della tensione di uscita T/2 T/2 (a) armoniche (b) h La tensione d uscita è notevolmente deformata, le armoniche sono molto vicine alla frequenza della fondamentale

53 Modulazione PWM a due livelli Modulazione analogica (con portante triangolare) 23 53

54 9. 54 Invertitore monofase a ponte intero Si può realizzare un invertitore monofase di tensione (a ponte ad H ) unendo due invertitori monofase di tensione a due livelli che utilizzano la stessa alimentazione

55 Convertitore full bridge (ponte intero) S 1A S 1B v dc o v Ao _ v Bo i o v o _ S 2A S 2B (b) MODULAZION A DU LIVLLI: gli interruttori del ramo A vengono comandati in modo complementare rispetto a quelli del ramo B

56 Invertitore di tensione monofase a PWM Generazione di tensione a tre livelli S1A S1B v 1 v 2 v 12 S2A S2B

57 13 v 1 V 1med 57 v 2 V 2med 2 v 12 V 12med V 1med > V tri S 1A ON V 1 = S 1A, S 2B ON V 1 = V 2 = V 12 =2 V 1med < V tri S 2A ON V 1 = S 2A, S 1B ON V 1 = V 2 = V 12 =2 (V 1med ) > V tri S 1B ON V2 = S 1A, S 1B ON V 1 = V 2 = V 12 = 0 (V 1med ) < V tri S 2B ON V2 = S 2A, S 2B ON V 1 = V 2 = V 12 = 0

58 Le due fasi sono modulate con tensioni di riferimento uguali ed opposte. Normalmente si usa la Generazione stessa portante di tensione per le due a tre fasi livelli con alimentazione singola Invertitore di tensione monofase a PWM v 1 V 1med v 2 V 2med 2 v 12 V 12med

59 Invertitore tra 0 e di 2 tensionee per generare monofase tensioni a PWM Generazione di tensione a tre livelli con alimentazione singola v 1 Per generare tensioni medie positive si mudula la tensione istantanea vo medie negative tra 0 e 2. V 1med v 2 V 2med 2 v 12 V 12med

60 Invertitore commutazione di tensione degli interruttori. monofase a PWM Generazione di tensione a tre livelli con alimentazione singola v 1 La frequenza di commutazione vista dal carico è doppia rispetta a quella di V 1med v 2 V 2med 2 v 12 V 12med

61 Invertitore trifase di tensione a PWM Generazione di tre tensioni indipendenti a due livelli Si ottiene un invertitore trifase di tensione a PWM con tre invertitori monofase di tensione a due livelli che utilizzano la stessa alimentazione v 1 v2 v3

62 4. 62 Invertitore trifase di tensione a PWM V 1 * V 2 * V * 3 v 1 V 1med v 2 V 2med v 3 V 3med

63 2. 63 Invertitore trifase di tensione a PWM V 1 * V 2 * V * 3 v 1 v 2 v 3 V 1med Per produrre tre tensioni di fase secondo dati riferimenti, ciascuna fase può essere modulata in modo indipendente V 2med V 3med

64 5. 64 Invertitore trifase di tensione a PWM V 1 * V 2 * V * 3 v 1 v 2 v 3 V 1med Normalmente per le tre fasi si usa la stessa frequenza di modulazione e spesso la stessa portante triangolare V 2med V 3med

65 5. 65 Invertitore di tensione trifase a PWM Generazione di tre tensioni indipendenti a due livelli v 1 v 2 v 3

66 Invertitore di tensione trifase a PWM Generazione di tre tensioni indipendenti a due livelli Se il carico è privo di connessione di centro stella si può usare un unica tensione di alimentazione 2 v 1 v 2 v 3