HOEPLI. Corso di ElEttrotECniCa Ed ElEttroniCa. Per l articolazione ElEttrotECniCa degli Istituti Tecnici settore Tecnologico

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1 Corso di ElEttrotECniCa Ed ElEttroniCa GaEtano ContE MattEo CEsErani EManuElE impallomeni Per l articolazione ElEttrotECniCa degli Istituti Tecnici settore Tecnologico 3 HOEPLI

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3 CORSO DI ELETTROTECNICA ED ELETTRONICA

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5 GAETANO CONTE MATTEO CESERANI EMANUELE IMPALLOMENI CORSO DI ELETTROTECNICA ED ELETTRONICA Per l articolazione Elettrotecnica degli Istituti Tecnici settore Tecnologico VOLUME 3 EDITORE ULRICO HOEPLI MILANO

6 UN TESTO PIÙ RICCO E SEMPRE AGGIORNATO Nel sito sono disponibili: materiali didattici integrativi; eventuali aggiornamenti dei contenuti del testo. Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A Via Hoepli 5, Milano (Italy) tel fax Tutti i diritti sono riservati a norma di legge e a norma delle convenzioni internazionali

7 V Indice Prefazione Modulo A Elettronica di potenza 1 Obiettivi 2 Prerequisiti 2 SCHEDA PRE-1 Dispositivi elettronici elementari 2 SCHEDA PRE-2 Componenti armoniche di una funzione periodica 6 SCHEDA PRE-3 Distorsione armonica totale 9 A1 XI Componenti elettronici per circuiti di potenza 11 A1.1 Ambiti di applicazione dell elettronica di potenza 11 A1.2 Introduzione ai componenti elettronici di potenza 13 A1.3 Caratteristiche dei diodi raddrizzatori di potenza 14 TIPI DI DIODI 15 A1.4 Tiristori SCR 16 CARATTERISTICA IDEALE 18 CARATTERISTICA D INNESCO 18 GRANDEZZE CARATTERISTICHE E TIPI COSTRUTTIVI 19 A1.5 Triac 21 A1.6 Tiristori GTO 23 ALTRI TIPI DI TIRISTORI A SPEGNIMENTO CONTROLLATO 24 A1.7 Uso del transistor BJT come interruttore statico 24 A1.8 Uso del transistor MOSFET come interruttore statico 25 A1.9 Tiristore MCT 27 A1.10 Transistor IGBT 28 GRANDEZZE CARATTERISTICHE DELL IGBT 29 TIPI COSTRUTTIVI E IMPIEGHI 30 A1.11 Perdite in commutazione e in conduzione 31 COMMUTAZIONE OFF-ON 32 CONDUZIONE 33 COMMUTAZIONE ON-OFF 33 POTENZA MEDIA DISSIPATA DURANTE LA COMMUTAZIONE 33 POTENZA MEDIA DISSIPATA DURANTE LA CONDUZIONE 34 POTENZA MEDIA DISSIPATA TOTALE 34 Test di verifica 35 A2 Convertitori statici di potenza 37 A2.1 Classificazione dei convertitori 37 A2.2 Raddrizzatori monofase a diodi a frequenza di rete 39 CIRCUITO MONOFASE A SEMIONDA SU CARICO RESISTIVO 39

8 VI Indice CIRCUITO MONOFASE A ONDA INTERA SU CARICO RESISTIVO 42 A2.3 Raddrizzatori trifase a diodi a frequenza di rete 46 CIRCUITO TRIFASE A SEMIONDA SU CARICO RESISTIVO 46 CIRCUITO TRIFASE A PONTE SU CARICO RESISTIVO 49 A2.4 Alimentazione di un carico ohmico-induttivo 52 EFFETTO DEL DIODO VOLANO 54 A2.5 Alimentazione di un utilizzatore attivo 55 A2.6 Effetti di un condensatore in parallelo all uscita 56 A2.7 Raddrizzatori a frequenza di rete con controllo di fase 59 CIRCUITO MONOFASE A SEMIONDA SU CARICO RESISTIVO 59 CIRCUITO MONOFASE A PONTE SEMICONTROLLATO 61 CIRCUITO TRIFASE A PONTE SEMICONTROLLATO 62 A2.8 Ponti a tiristori totalmente controllati 64 A2.9 Comando del tiristore e controllo dell angolo di innesco 66 A2.10 Convertitori d.c.-d.c. a commutazione 67 A2.11 Chopper abbassatore 70 A2.12 Chopper frazionatore sul secondo quadrante 74 A2.13 Chopper elevatore 77 A2.14 Chopper su due quadranti 80 FUNZIONAMENTO SUL PRIMO QUADRANTE 80 FUNZIONAMENTO SUL SECONDO QUADRANTE 80 A2.15 Chopper a ponte 81 FUNZIONAMENTO SUL I E SUL II QUADRANTE 82 FUNZIONAMENTO SUL III E SUL IV QUADRANTE 82 A2.16 Cenni sul controllo del convertitore d.c.-d.c. 82 A2.17 Convertitori d.c.-a.c. a commutazione 84 A2.18 Inverter monofase a presa centrale su carico ohmico 85 A2.19 Inverter monofase a presa centrale su carico ohmico-induttivo 86 A2.20 Inverter monofase a ponte su carico ohmico-induttivo 88 COMANDO A DUE LIVELLI DI TENSIONE 89 COMANDO A TRE LIVELLI DI TENSIONE 91 A2.21 Inverter trifase a ponte 92 A2.22 Regolazione della tensione e della frequenza negli inverter 96 A2.23 Compatibilità elettromagnetica 101 COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA E IMMUNITÀ 101 MODALITÀ DI PROPAGAZIONE DELLE EMISSIONI E MISURE DI CONTENIMENTO 102 Esercizi di verifica 104 Test di verifica 105 A3 Attività di laboratorio proposte 107 A3.1 Raddrizzatore non controllato monofase a semionda 107 RADDRIZZATORE MONOFASE A SEMIONDA SU CARICO RESISTIVO 107 RADDRIZZATORE MONOFASE A SEMIONDA SU CARICO RESISTIVO CON FILTRO CAPACITIVO 109 RADDRIZZATORE MONOFASE A SEMIONDA SU CARICO OHMICO-INDUTTIVO 110 RADDRIZZATORE MONOFASE A SEMIONDA SU CARICO OHMICO-INDUTTIVO CON DIODO VOLANO 111 RADDRIZZATORE MONOFASE A SEMIONDA SU CARICO ATTIVO 112 A3.2 Raddrizzatore non controllato monofase a ponte 114 RADDRIZZATORE MONOFASE A PONTE SU CARICO RESISTIVO 114 RADDRIZZATORE MONOFASE A PONTE SU CARICO RESISTIVO CON FILTRO CAPACITIVO 116 A3.3 Raddrizzatore trifase non controllati 117 RADDRIZZATORE TRIFASE A SEMIONDA SU CARICO RESISTIVO 117 RADDRIZZATORE TRIFASE A SEMIONDA SU CARICO RESISTIVO CON FILTRO CAPACITIVO 119 RADDRIZZATORE TRIFASE A PONTE SU CARICO RESISTIVO 120 RADDRIZZATORE TRIFASE A PONTE SU CARICO RESISTIVO CON FILTRO CAPACITIVO 122 A3.4 Raddrizzatore controllato monofase a semionda 123 RADDRIZZATORE CON FILTRO CAPACITIVO 126 A3.5 Raddrizzatore controllato monofase a ponte 127 RADDRIZZATORE CON FILTRO CAPACITIVO 129 A3.6 Raddrizzatore controllato trifase a ponte 130 Modulo B Macchina asincrona 133 Obiettivi 134 Prerequisiti 134 SCHEDA PRE-1 Elementi di cinematica e dinamica dei moti rotatori 134 B1 Aspetti costruttivi 139 B1.1 Struttura generale del motore asincrono trifase 139 B1.2 Cassa statorica 140

9 Indice VII B1.3 Circuito magnetico statorico 141 B1.4 Circuito magnetico rotorico 142 B1.5 Avvolgimento statorico 143 B1.6 Avvolgimento rotorico 144 B1.7 Tipi di raffreddamento 145 Test di verifica 146 B2 Macchina asincrona trifase 147 B2.1 Campo magnetico rotante trifase 147 B2.2 Campo magnetico rotante nella macchina asincrona trifase 150 VELOCITÀ DEL CAMPO MAGNETICO ROTANTE 151 VERSO DI ROTAZIONE DEL CAMPO 152 B2.3 Tensioni indotte negli avvolgimenti 153 B2.4 Funzionamento con rotore in movimento, scorrimento 153 FREQUENZA ROTORICA 155 TENSIONI INDOTTE ROTORICHE 155 B2.5 Circuito equivalente del motore asincrono trifase 156 RAPPRESENTAZIONE ELETTRICA DEL CARICO MECCANICO 156 B2.6 Funzionamento a carico, bilancio delle potenze 158 POTENZE E LORO BILANCIO 159 RENDIMENTO 161 B2.7 Funzionamento a vuoto 162 B2.8 Funzionamento a rotore bloccato 163 B2.9 Circuito equivalente statorico 165 B2.10 Dati di targa del motore asincrono trifase 166 B2.11 Curve caratteristiche del motore asincrono trifase 167 B2.12 Caratteristica meccanica del motore asincrono trifase 168 B2.13 Calcolo delle caratteristiche di funzionamento del motore asincrono trifase 171 B2.14 Cenni sul funzionamento da generatore e da freno della macchina asincrona 175 Esercizi di verifica 177 Test di verifica 178 B3 Avviamento e regolazione della velocità 180 B3.1 Aspetti generali 180 B3.2 Motore con rotore avvolto e reostato di avviamento 181 B3.3 Motori a doppia gabbia e a barre alte 184 B3.4 Avviamento a tensione ridotta 185 B3.5 Regolazione della velocità mediante variazione della frequenza e della tensione 186 B3.6 Cenni sui motori a più velocità ottenuti per variazione del numero dei poli 189 Test di verifica 190 B4 Motori asincroni monofase 191 B4.1 Principio di funzionamento 191 GENERAZIONE DELLA COPPIA DI SPUNTO 194 B4.2 Tipi di motori asincroni monofase 194 MOTORE A FLUSSI SFASATI 194 MOTORE CON CONDENSATORE 195 MOTORE CON SPIRA IN CORTOCIRCUITO 196 Test di verifica 197 B5 Misure elettriche e laboratorio: prove sulla macchina asincrona 198 B5.1 Misura della resistenza degli avvolgimenti 198 B5.2 Misura diretta delle caratteristiche di funzionamento del motore asincrono trifase 199 B5.3 Prova a vuoto 201 SEPARAZIONE DELLE PERDITE NEL FERRO E MECCANICHE 203 B5.4 Prova in cortocircuito 204 B5.5 Determinazione dei parametri equivalenti e riporto delle grandezze alla temperatura nominale 206 B5.6 Determinazione del rendimento del motore asincrono col metodo semi-indiretto 208 Test di verifica 209 B6 Attività di laboratorio proposte 210 B6.1 Misura della resistenza dell avvolgimento statorico di un motore asincrono trifase 210 B6.2 Prova a vuoto di un motore asincrono trifase 211 B6.3 Prova di cortocircuito di un motore asincrono trifase 212 CALCOLO DEI PARAMETRI DEL CIRCUITO EQUIVALENTE E RIPORTO DELLE GRANDEZZE ALLA TEMPERATURA DI REGIME CONVENZIONALE 213

10 VIII Indice Modulo C Macchina sincrona 215 Obiettivi 216 Prerequisiti 216 C1 Aspetti costruttivi 217 C1.1 Struttura generale dell alternatore trifase 217 C1.2 Rotore e avvolgimento di eccitazione 220 C1.3 Statore e avvolgimento indotto 222 C1.4 Sistemi di eccitazione 223 Test di verifica 225 C2 Macchina sincrona trifase 226 C2.1 Funzionamento a vuoto 226 TENSIONI INDOTTE NELLE FASI STATORICHE 227 CARATTERISTICA A VUOTO DELL ALTERNATORE 229 BILANCIO DELLE POTENZE 230 C2.2 Funzionamento a carico, reazione d indotto 232 CIRCUITO PURAMENTE OHMICO 233 CIRCUITO PURAMENTE INDUTTIVO 234 CIRCUITO PURAMENTE CAPACITIVO 235 C2.3 Circuito equivalente e diagramma vettoriale di Behn-Eschemburg 236 CIRCUITO EQUIVALENTE CON R I TRASCURABILE 238 C2.4 Determinazione dell impedenza sincrona 238 C2.5 Variazione di tensione e curve caratteristiche 240 CALCOLO DELLA VARIAZIONE DI TENSIONE 240 CARATTERISTICA ESTERNA 242 CARATTERISTICA DI REGOLAZIONE 242 CARATTERISTICA DI CARICO 243 C2.6 Bilancio delle potenze e rendimento 243 RENDIMENTO 244 C2.7 Funzionamento da motore sincrono 246 C2.8 Cenni sulla regolazione del motore sincrono 247 C2.9 Dati di targa della macchina sincrona 248 Esercizi di verifica 252 Test di verifica 253 C3 Motori sincroni monofase 254 C3.1 Motore sincrono a riluttanza 254 C3.2 Motore sincrono a isteresi 256 Test di verifica 257 C4 Misure elettriche e laboratorio: prove sulla macchina sincrona 258 C4.1 Determinazione indiretta delle caratteristiche di funzionamento 258 C4.2 Misura della resistenza degli avvolgimenti 258 C4.3 Prova a vuoto 259 C4.4 Prova in cortocircuito 261 SEPARAZIONE DELLE PERDITE NEL RAME E RIPORTO ALLA TEMPERATURA CONVENZIONALE 262 C4.5 Determinazione della reattanza sincrona 263 C4.6 Determinazione della caratteristica di regolazione 264 CARATTERISTICA DI REGOLAZIONE COL METODO DI BEHN-ESCHEMBURG 264 C4.7 Determinazione della caratteristica esterna 265 CARATTERISTICA ESTERNA COL METODO DI BEHN-ESCHEMBURG 266 C4.8 Determinazione indiretta del rendimento 266 Test di verifica 268 Modulo D Macchina a corrente continua 269 Obiettivi 270 Prerequisiti 270 SCHEDA PRE-1 Macchina rotante con collettore 270 D1 Aspetti costruttivi 274 D1.1 Struttura generale della macchina a corrente continua 274 D1.2 Nucleo magnetico statorico 276 D1.3 Avvolgimento induttore 276 D1.4 Nucleo magnetico rotorico 277 D1.5 Avvolgimento indotto 278 D1.6 Collettore e spazzole 279 Test di verifica 280

11 Indice IX D2 Generatore a corrente continua 281 D2.1 Funzionamento a vuoto 281 TENSIONE INDOTTA E CARATTERISTICA A VUOTO 282 POTENZA E COPPIA NEL FUNZIONAMENTO A VUOTO 284 D2.2 Funzionamento a carico, cenni sulla reazione d indotto 285 EFFETTI DELLA REAZIONE D INDOTTO 285 D2.3 Bilancio delle potenze, rendimento 285 D2.4 Dinamo con eccitazione indipendente 288 CARATTERISTICA ESTERNA 290 CARATTERISTICA DI REGOLAZIONE 291 D2.5 Dinamo con eccitazione in derivazione 291 CARATTERISTICA ESTERNA 292 D2.6 Dinamo tachimetrica 293 D2.7 Dati di targa del generatore in corrente continua 294 Esercizi di verifica 296 Test di verifica 297 D3 Motore a corrente continua 299 D3.1 Principio di funzionamento 299 D3.2 Funzionamento a vuoto 300 D3.3 Funzionamento a carico 301 AVVIAMENTO DEL MOTORE 301 D3.4 Bilancio delle potenze, coppie e rendimento 303 D3.5 Caratteristica meccanica 305 MOTORE CON ECCITAZIONE INDIPENDENTE 306 MOTORE CON ECCITAZIONE DERIVATA 307 MOTORE CON ECCITAZIONE SERIE 308 D3.6Tipi di regolazione 309 REGOLAZIONE A COPPIA COSTANTE 310 REGOLAZIONE A POTENZA COSTANTE 311 REGOLAZIONE MISTA 312 D3.7 Quadranti di funzionamento della macchina a corrente continua 312 D3.8 Dati di targa dei motori a corrente continua 315 Esercizi di verifica 316 Test di verifica 317 D4 Misure elettriche e laboratorio: prove sulla macchina a corrente continua 318 D4.1 Misura della resistenza degli avvolgimenti 318 AVVOLGIMENTO DI ECCITAZIONE 318 AVVOLGIMENTO INDOTTO 319 D4.2 Prova a vuoto 319 PROVA A VUOTO SULLA DINAMO 319 PROVA A VUOTO SUL MOTORE A CORRENTE CONTINUA 321 D4.3 Rilievo della caratteristica esterna della dinamo 322 D4.4 Rilievo della caratteristica di regolazione della dinamo 324 D4.5 Determinazione del rendimento effettivo della dinamo 324 D4.6 Determinazione del rendimento convenzionale 325 FUNZIONAMENTO DA GENERATORE 326 FUNZIONAMENTO DA MOTORE 327 D4.7 Prova diretta del motore a corrente continua 327 Test di verifica 330 Modulo E Applicazioni dell elettronica di potenza 331 Obiettivi 332 Prerequisiti 332 E1 Azionamenti con motori elettrici 333 E1.1 Aspetti generali 333 E1.2 Struttura generale di un azionamento 335 E1.3 Quadranti in funzionamento del motore 337 E1.4 Quadranti in funzionamento del carico 339 E1.5 Punto di lavoro e campo di operatività di un azionamento 340 E1.6 Azionamenti con motore in corrente continua 341 E1.7 Azionamenti con motore in corrente alternata 345 E1.8 Azionamenti con motore a passo 349 MOTORI A RILUTTANZA VARIABILE 349 MOTORI A MAGNETE PERMANENTE 352 MOTORI IBRIDI 353 CIRCUITI DI COMMUTAZIONE E DI INVERSIONE 354 CARATTERISTICHE DEI MOTORI A PASSO 356 E1.9 Azionamenti con motori brushless 357 Test di verifica 360

12 X Indice E2 Gruppi di continuità 362 E2.1 Considerazioni generali e definizioni 362 CLASSIFICAZIONE DELL ALIMENTAZIONE DI SICUREZZA 362 E2.2 Gruppi di continuità 363 E2.3 Gruppi di continuità statici 364 CARATTERISTICHE TECNICHE DEGLI UPS STATICI 367 E2.4 Gruppi di continuità rotanti 368 GRUPPI ROTANTI A RISERVA LIMITATA 368 GRUPPI ROTANTI A RISERVA ILLIMITATA 369 E2.5 Scelta del gruppo di continuità per l alimentazione di utenze informatiche 369 DETERMINAZIONE DELLA POTENZA 370 SCELTA DELLE CARATTERISTICHE DELL UPS 370 Test di verifica 372 E3 Altre applicazioni 373 E3.1 Lampade di emergenza 373 E3.2 Saldatura elettrica 374 SALDATRICI CON TRASFORMATORE A FREQUENZA DI RETE 374 SALDATRICI CON TRASFORMATORE IN ALTA FREQUENZA 374 E3.3 Connessione alla rete di impianti fotovoltaici 375 E3.4 Connessione alla rete di impianti eolici e di piccoli impianti idroelettrici 376 Test di verifica 378 Soluzioni 379

13 XI Prefazione L opera recepisce le indicazioni contenute nei documenti ministeriali sui nuovi Istituti Tecnici del settore Tecnologico per la disciplina Elettrotecnica ed elettronica sia per il secondo biennio, a cui sono dedicati i volumi 1 e 2, sia per il quinto anno, per il quale è stato previsto il volume 3. Nel contempo viene proposto un percorso di apprendimento che tiene conto, oltre che degli elementi di novità, anche di esperienze didattiche consolidate e funzionali alla formazione di una figura di tecnico intermedio in grado di inserirsi proficuamente in vari settori lavorativi con le competenze effettivamente richieste per le sue mansioni. Altro obiettivo è quello di fornire agli studenti e ai docenti uno strumento didattico completo, efficace, di facile consultazione e che consenta di misurare in modo continuo il grado di apprendimento degli argomenti. A tal fine la trattazione è arricchita da frequenti esempi, ogni unità didattica è corredata da numerosi esercizi e test di verifica e sono state inserite delle unità di fine modulo che consentono di coniugare lo studio teorico con la necessaria attività didattica in laboratorio. Struttura Ciascun volume è articolato in moduli didattici, per ognuno dei quali vengono dichiarati gli obiettivi propri del modulo, sia in termini di conoscenze che di capacità che gli studenti dovranno acquisire, capacità che concorreranno poi a formare le competenze associate alla disciplina e quelle più ampie connesse al profilo professionale. Per ogni modulo vengono indicati o richiamati con apposite schede i prerequisiti che occorre possedere per progredire nello studio. Per i primi due volumi i moduli sono raggruppati in due parti: elettrotecnica ed elettronica. Tale divisione è più formale che sostanziale e non esclude la possibilità di affrontare lo studio della materia con una diversa sequenza dei moduli, in funzione della personale programmazione didattica. Ogni modulo è diviso in unità didattiche, a loro volta comprendenti vari paragrafi e sottoparagrafi, tutti indicati nell indice generale del volume. Questa suddivisione consente di orientarsi facilmente nei contenuti del modulo. Per aumentare la facilità di consultazione sono state evidenziate le definizioni e, mediante brevi scritte poste sul colonnino delle varie pagine, vengono richiamate le formule principali e le parti in cui sono suddivisi gli argomenti. Ogni unità didattica è corredata da esercizi, numerici e non, e test di verifica, sotto forma di quesiti a scelta multipla e a risposta aperta, per consentire un controllo continuo e graduale dell apprendimento. I risultati degli esercizi sono riportati sotto il testo dell esercizio stesso, in modo da avere un riscontro immediato, mentre quelli dei test sono consultabili nelle pagine finali del volume. Non sono riportati, per evidenti ragioni, le soluzioni di quegli esercizi che non hanno un risultato univoco in quanto dipendente da scelte che deve effettuare il risolutore o la cui risposta non richiede passaggi intermedi. Nella maggior parte dei moduli sono presenti delle unità finali con le proposte di attività di laboratorio, da svolgere sia con strumentazione reale sia, in alcuni casi, con strumenti virtuali, avvalendosi del software di simulazione fornito col primo volume del testo.

14 XII Prefazione Risorse online Nel sito i contenuti dei volumi sono ulteriormente arricchiti da utili risorse didattiche, tra le quali: link di collegamento a siti significativi (aziende produttrici di componenti, macchine elettriche ecc.); manuale d uso del software Multisim; simulazioni di circuiti elettrici ed elettronici svolte con tale software; temi d esame degli anni precedenti svolti e commentati; esercizi aggiuntivi; svolgimento di alcuni degli esercizi di verifica proposti; sviluppo di eventuali argomenti di approfondimento. Contenuti del volume 3 Questo terzo volume del Corso di elettrotecnica ed elettronica per il quinto anno dell articolazione Elettrotecnica comprende tre parti fondamentali: elettronica di potenza, macchine elettriche rotanti, applicazioni dell elettronica di potenza in diversi campi d interesse per l articolazione. Nel modulo A (Elettronica di potenza) vengono presentati i componenti elettronici per i circuiti di potenza e i diversi tipi di convertitori statici, tenendo conto dei più recenti sviluppi tecnologici. L unità conclusiva del modulo comprende una vasta gamma di esercitazioni di laboratorio condotte con l utilizzo del software di simulazione Multisim, riguardanti i raddrizzatori con diodi e con tiristori collegati a diversi tipi di carico elettrico. Nel modulo B (Macchina asincrona) si affronta lo studio di questa macchina nel suo funzionamento prevalente da motore, partendo dagli aspetti costruttivi ed evidenziandone anche le caratteristiche relative all avviamento e alla regolazione di velocità. Vengono poi presentate le principali prove di collaudo e alcune proposte di esercitazione da eseguire in laboratorio. Il modulo C (Macchina sincrona) è dedicato allo studio di questa macchina, dando maggiore ampiezza al funzionamento da generatore, senza tuttavia trascurare quello da motore, anche di tipo monofase. Nel modulo vengono evidenziati anche gli aspetti costruttivi e, nell ultima unità, vengono presentate le principali prove di collaudo della macchina. Nel modulo D (Macchina a corrente continua) vengono presentati gli aspetti costruttivi di questa macchina, il suo funzionamento sia da generatore che da motore e le principali prove di collaudo. Nel funzionamento da motore vengono evidenziati gli aspetti inerenti l uso della macchina negli azionamenti. Il modulo E (Applicazioni dell elettronica di potenza) comprende le principali applicazioni dei convertitori statici in alcuni settori di interesse per l indirizzo. Ampio spazio è dedicato agli azionamenti con motori elettrici, di cui vengono illustrati gli aspetti generali e le particolarità tecniche relative all uso dei diversi tipi di motori (a corrente continua, a corrente alternata, a passo e brushless). Il modulo comprende, inoltre, le applicazioni dei convertitori nel campo dei gruppi di continuità, dell illuminazione di emergenza, della saldatura elettrica e della connessione alla rete di impianti eolici e fotovoltaici. Uno speciale ringraziamento va all ing. Alessandro Lionetti per la sua preziosa collaborazione nella stesura dei moduli relativi all elettronica di potenza e relative applicazioni. GAETANO CONTE MATTEO CESERANI EMANUELE IMPALLOMENI

15 Modulo A Elettronica di potenza Obiettivi Prerequisiti Scheda PRE-1 Dispositivi elettronici elementari Scheda PRE-2 Componenti armoniche di una funzione periodica Scheda PRE-3 Distorsione armonica totale Contenuti A1 Componenti elettronici per circuiti di potenza A2 Convertitori statici di potenza A3 Attività di laboratorio proposte Esercitazioni Esercizi di verifica Test di verifica

16 2 Modulo A Elettronica di potenza Obiettivi Al termine di questo modulo gli alunni dovranno: 1. conoscere gli ambiti di applicazione dell elettronica di potenza; 2. conoscere le principali caratteristiche di funzionamento dei componenti elettronici di potenza, pur senza approfondirne la struttura fisica; 3. saper associare ai vari componenti i relativi impieghi tipici; 4. conoscere le principali strutture circuitali e il funzionamento dei convertitori a.c.-d.c., d.c.-d.c., d.c.-a.c.; 5. conoscere, in linea di principio, le modalità di comando e di controllo dei vari convertitori; 6. essere in grado di calcolare, per alcuni casi semplici, le grandezze caratteristiche del convertitore; 7. saper associare a ogni convertitore le sue modalità d impiego, in termini di limiti e prestazioni; 8. essere in grado di eseguire in laboratorio semplici simulazioni di alcuni convertitori, utilizzando il software usato nel testo. Prerequisiti SCHEDA PRE-1 Dispositivi elettronici elementari Giunzione p-n La giunzione p-n è alla base del funzionamento di molti componenti elettronici e il suo comportamento si basa sui fenomeni che avvengono in una barretta di semiconduttore drogata da un lato in modo p e dall altro in modo n. Il drogaggio di tipo p (positivo) consiste nell inserire nel reticolo cristallino di un elemento semiconduttore tetravalente (con quattro elettroni di legame liberi), come il silicio, una piccola quantità di elemento trivalente, come l alluminio, il gallio e l indio, con tre elettroni di legame. Nella struttura si determinerà, per ogni atomo, la mancanza di un elettrone ovvero la disponibilità di una carica positiva (lacuna), in grado di spostarsi sotto l effetto di un azione esterna (figura PRE-1.1 a). Dato che il semiconduttore deve essere globalmente neutro, vi saranno in ugual numero ioni negativi fissi e cariche positive mobili. Al contrario, il drogaggio di tipo n (negativo) si effettua aggiungendo atomi di elementi pentavalenti, con cinque elettroni liberi (come il fosforo e l antimonio), in modo che vi sia un eccedenza di cariche negative, formate dagli elettroni liberi da legami (figura PRE-1.1 b). Anche in questo caso, data la neutralità complessiva dal semiconduttore, vi saranno un ugual numero di ioni positivi fissi e di cariche negative mobili. Figura PRE-1.1 a, b Rappresentazione schematica di semiconduttori drogati di tipo p e di tipo n.

17 Le cariche libere dovute al drogaggio sono dette maggioritarie, per distinguerle da quelle minoritarie dovute agli elettroni disponibili per le imperfezioni del reticolo cristallino e per la rottura dei legami chimici covalenti tra gli atomi. Se la barretta di semiconduttore ha un drogaggio di tipo p in una zona e di tipo n nella zona adiacente (figura PRE-1.2 a) si costituisce una giunzione p-n, nella quale avvengono i seguenti fenomeni: gli elettroni di n posti vicino all ipotetica linea di separazione si sposteranno nella zona p, andando a colmare altrettante lacune (diffusione); nella zona n, privata di cariche negative, vi sarà un eccedenza totale di cariche positive; nella zona p, in cui arrivano gli elettroni, vi sarà un eccedenza totale di cariche negative; la giunzione assumerà delle polarità elettriche + e dovute all eccedenza di cariche (figura PRE-1.2 b); lo spostamento delle cariche produrrà la circolazione di una corrente maggioritaria di diffusione che, avendo il verso convenzionale delle cariche positive, sarà diretta da p a n; nella giunzione si produrrà una differenza di potenziale elettrico (barriera di potenziale), avente l andamento di figura PRE-1.2 c, che si opporrà alla corrente di diffusione, per cui il fenomeno tenderà a uno stato di equilibrio; in condizioni di equilibrio si formerà, a ridosso della giunzione, una zona di svuotamento, priva di cariche libere; in realtà vi è anche un altra corrente, detta corrente minoritaria di spostamento, dovuta alla d.d.p. che si crea sulla giunzione e agente sulle cariche minoritarie; in condizioni di equilibrio i due flussi di carica sono uguali e opposti. Prerequisiti 3 Figura PRE-1.2 a, b, c Schematizzazione della giunzione p-n e della distribuzione della carica e del potenziale. Diodo raddrizzatore Il funzionamento del diodo raddrizzatore si basa sulla polarizzazione della giunzione p-n, ossia sull applicazione di una tensione esterna, in grado di modificare il comportamento visto in precedenza.

18 4 Modulo A Elettronica di potenza Il diodo (figura PRE-1.3 a, b) è un elemento circuitale caratterizzato da due terminali, detti anodo (A) e catodo (K), corrispondenti rispettivamente alla zona p e alla zona n della giunzione. A seconda dei valori dei potenziali assunti da A e da K, la giunzione p-n viene polarizzata direttamente o inversamente, secondo le seguenti modalità: Figura PRE-1.3 a, b Rappresentazione schematica del diodo come giunzione p-n (a) e simbolo (b) del diodo raddrizzatore. si ha la polarizzazione diretta quando V AK = V A V K > 0, ossia quando il potenziale dell anodo è maggiore di quello del catodo; in questo caso la tensione esterna, positiva su p, è opposta alla barriera di potenziale della giunzione e, una volta annullata tale barriera, favorisce la circolazione della corrente maggioritaria di diffusione, consentendo la conduzione diretta del diodo; si ha la polarizzazione inversa quando V AK = V A V K < 0, ossia quando il potenziale dell anodo è minore di quello del catodo; in questo caso la tensione esterna, positiva su n, è concorde con la barriera di potenziale della giunzione e contribuisce a impedire la circolazione della corrente maggioritaria di diffusione, mentre favorisce la circolazione della corrente minoritaria di spostamento; essendo quest ultima molto ridotta, si dice che il diodo è in stato di interdizione e che non consente la circolazione della corrente nel circuito in cui è collegato. La caratteristica volt-amperometrica del diodo descrive il suo comportamento come bipolo e rappresenta la curva che lega la corrente alla tensione (figura PRE-1.4). I simboli V F e I F indicano la tensione e la corrente dirette (forward), mentre V R e I R sono le grandezze inverse (reverse). Il comportamento del componente è il seguente: caratteristica diretta: quando la giunzione p-n è polarizzata direttamente il diodo consente la conduzione della corrente, che diventa intensa quando la tensione applicata sul diodo supera il valore di soglia V S, pari a circa 0,6 V per i diodi al silicio, corrispondente al valore della barriera di potenziale; caratteristica inversa: quando la giunzione p-n è polarizzata inversamente il diodo non permette la circolazione della corrente; in realtà circola una corrente inversa di valore molto piccolo (I 0 ), dovuta ai portatori minoritari; quando la tensione V R supera un determinato valore V B (break down) si origina però la rottura dei legami covalenti, l elemento diventa bruscamente conduttore, la corrente inversa aumenta notevolmente e il diodo si danneggia irreversibilmente. Figura PRE-1.4 Andamento qualitativo della caratteristica volt-amperometrica di un diodo.

19 Nel caso dei diodi usati come raddrizzatori, le tensioni in gioco sono sensibilmente maggiori del valore di soglia che diventa trascurabile, come pure è lecito trascurare la resistenza interna del diodo e la corrente I 0 ; in questo caso si può rappresentare il componente con un modello ON-OFF (figura PRE-1.5), avente il seguente comportamento: cortocircuito ideale per I > 0 (ON, conduzione); circuito aperto ideale per V < 0 (OFF, interdizione). Prerequisiti 5 Figura PRE-1.5 Caratteristica ON-OFF del diodo. Transistor bipolare Il transistor bipolare BJT (Bipolar Junction Transistor) è costituito da un semiconduttore drogato secondo tre zone (figura PRE-1.6 a, b) e può essere di tipo npn o pnp. È un componente con tre terminali, denominati base (B), emettitore (E) e collettore (C). Figura PRE-1.6 a, b Schematizzazione e simbolo del transistor bipolare BJT. Senza entrare nei dettagli fisici del suo funzionamento, se ne può ricavare il comportamento dall esame delle caratteristiche volt-amperometriche. La caratteristica d ingresso base-emettitore (figura PRE-1.7) descrive l andamento della corrente di base I B in funzione della tensione V BE tra base ed emettitore, tenendo costante la tensione V CE tra collettore ed emettitore. All aumentare di V BE oltre il valore di soglia V S la corrente I B aumenta notevolmente. La tensione V BE non può aumentare oltre il valore di saturazione V BEsat. Per i BJT al silicio il valore di soglia è intorno a 0,6 V e quello di saturazione intorno a 0,8 V. Le caratteristiche di uscita collettore-emettitore (figura PRE-1.8) descrivono l andamento della corrente di collettore I C in funzione della tensione V CE, per un determinato valore della corrente di base. All aumentare di V CE la corrente I C dapprima aumenta notevolmente e poi tende ad assumere un andamento lineare, con una lieve pendenza. A parità di V CE la corrente I C è tanto maggiore quanto più è elevata I B. Figura PRE-1.7 Caratteristica d ingresso base-emettitore di un BJT.

20 6 Modulo A Elettronica di potenza Figura PRE-1.8 Caratteristica dõuscita collettore-emettitore di un BJT. Nel funzionamento del transistor BJT si notano tre zone principali di funzionamento: interdizione: nella zona sotto la caratteristica I B = 0 la corrente I C è sempre molto piccola, mentre la tensione V CE può assumere qualsiasi valore fino a quello massimo; il transistor si comporta come un circuito aperto ideale ovvero come un interruttore aperto (OFF) e non consente il passaggio di corrente tra collettore ed emettitore; saturazione: in questa zona la corrente I C può assumere elevati valori, fino al suo massimo, mentre la tensione V CE risulta sempre molto piccola, praticamente nulla; il transistor si comporta come un cortocircuito ideale ovvero come un interruttore chiuso (ON), consentendo il passaggio di corrente; la particolarità sta nel fatto che il passaggio dall interdizione alla conduzione viene comandato facendo circolare la corrente di base I B ; zona attiva: in questa zona la corrente I C aumenta proporzionalmente alla I B, secondo la relazione I C = h FE I B, dove h FE è un parametro adimensionato molto maggiore dell unità, cosicché risulta I C >> I B ; questo è il cosiddetto effetto transistor: con una piccola corrente di pilotaggio I B si è in grado di controllare un elevata corrente di uscita I C. La zona attiva è quella che interessa maggiormente per il funzionamento degli amplificatori, mentre il comportamento ON-OFF è tipico dei dispositivi elettronici di potenza per i quali il BJT viene usato come interruttore statico, senza parti in movimento e con ridotti tempi di commutazione. SCHEDA PRE-2 Componenti armoniche di una funzione periodica Una funzione y(t) della variabile tempo t, periodica di periodo T 0, avente frequenza f 0 = 1/T 0 e pulsazione ω 0 = 2 π f 0, è scomponibile nella somma di un termine costante, pari al suo valore medio, di una funzione sinusoidale di frequenza f 0, detta fondamentale o prima armonica, e di infinite funzioni sinusoidali aventi frequenze multiple di f 0, dette armoniche. La frequenza dei termini armonici è pari a nf 0, con n intero variabile da uno a infinito; il valore di n individua il grado dell armonica (prima, seconda, terza armonica ecc.).

21 Quanto sopra costituisce il teorema di Fourier e la conseguente espressione di y(t) è detta sviluppo in serie di Fourier, di cui una possibile formulazione matematica (forma trigonometrica) è la seguente: Prerequisiti 7 ()= + ( + ) yt A C sen nω t ϕ 0 n 0 n= 1 per la quale i simboli introdotti hanno il seguente significato: n [P2.1] A 0 è il termine costante che rappresenta il valore medio nel periodo della funzione y(t); nel caso di funzioni alternate, con valore medio nullo, si ha A 0 = 0; C n è il valore massimo o ampiezza dell armonica di ordine n; nω 0 è la pulsazione dell armonica di ordine n; ϕ n è la fase dell armonica di ordine n. Lo sviluppo in serie di Fourier, così come formulato, sembrerebbe di non grande utilità pratica nei problemi tecnici, visto che si devono considerare infiniti termini. In realtà, nello studio delle forme d onda più comuni si possono effettuare alcune semplificazioni, in particolare: per le grandezze periodiche alternate, che assumono cioè valori uguali e opposti nei due semiperiodi, nello sviluppo compaiono solo le armoniche dispari (prima, terza, quinta ecc.); all aumentare dell ordine dell armonica aumenta la sua frequenza, ma diminuisce l ampiezza; questo significa che è possibile trascurare le armoniche di ordine maggiore, approssimando lo sviluppo della funzione y(t) solo con i primi termini della serie. Rappresentando su un grafico le ampiezze (o i valori efficaci, a esse proporzionali) delle sinusoidi della serie in funzione delle loro frequenze, si ottiene un grafico del tipo rappresentato nella figura PRE-2.1, detto spettro delle ampiezze della forma d onda considerata; una rappresentazione analoga vale per lo spettro delle fasi. Figura PRE-2.1 Esempio di spettro delle ampiezze. Esempi di sviluppi in serie Nelle figure PRE-2.2 a, b, c sono rappresentati tre esempi di funzioni periodiche y(t) con il relativo sviluppo in serie, limitato ai primi tre termini. Si può osservare che: per i casi a e b, trattandosi di grandezze alternate, mancano sia il termine costante che le armoniche pari, di pulsazione 2ω 0, 4ω 0 ecc.; in tutti i casi considerati le armoniche hanno fase nulla, indipendentemente dal loro ordine; all aumentare della frequenza si riduce, in modo inversamente proporzionale, l ampiezza; infatti, considerando l esempio a, la fondamentale ha am- 4 4 piezza y M e la terza armonica ha ampiezza y M. π 3π

22 8 Modulo A Elettronica di potenza Figura PRE-2.2 a, b, c Esempi di sviluppo in serie di Fourier. Importanza della scomposizione armonica nello studio delle grandezze elettriche Nello studio dei circuiti e delle macchine elettriche si parte molto spesso dal presupposto che le forme d onda siano solo di due tipi: costanti nel tempo (corrente continua) e variabili in modo sinusoidale (corrente alternata). In realtà le forme d onda reali sono affette da disturbi, dovuti sia a cause esterne che allo stesso sistema elettrico, disturbi che modificano le forme d onda delle grandezze elettriche rispetto a quelle ideali, come mostrato, a titolo di esempio nella figura PRE-2.3 a, b, in cui sono state sommate una sinusoide fondamentale e, rispettivamente, una terza e una quinta armonica, di periodo T 0 /3 e T 0 /5. Figura PRE-2.3 a, b Esempi di modifiche apportate alla forma d onda sinusoidale da parte di disturbi sinusoidali a frequenze maggiori. Nel funzionamento delle macchine elettriche vi sono fattori che rendono non perfettamente sinusoidali le forme d onda delle grandezze elettriche e magnetiche: per esempio la distribuzione discontinua dei conduttori lungo il traferro, la

23 non linearità dei circuiti magnetici e la presenza di dispositivi a semiconduttori per l alimentazione e la regolazione della macchina. Qualora l effetto delle armoniche non possa essere trascurato, se ne deve tenere conto nello studio della macchina: la presenza di termini armonici, aventi frequenza maggiore della fondamentale, influisce, per esempio, sulle perdite nel ferro, sulla caratteristica meccanica delle macchine, sulla creazione del campo rotante. Prerequisiti 9 SCHEDA PRE-3 Distorsione armonica totale Si consideri una tensione v(t) con valor medio nullo, esprimibile in serie di Fourier come somma di una fondamentale più le armoniche: v() t = v () t + v () t + v () t + Dato che tutte le componenti sono sinusoidali con pulsazioni multiple della fondamentale ω, l espressione precedente diventa: Raggruppando tutte le armoniche oltre la prima in un unica sommatoria si ottiene: vt () = 2V1sen( ωt + ϕ1) + 2Vhsen( hωt + ϕ h) = v1 () t + v La somma di tutte le tutte le armoniche v h (t) di ordine superiore a uno rappresenta la componente di distorsione della tensione ed è il termine responsabile della deformazione della forma d onda rispetto all andamento sinusoidale; essa è esprimibile come: v () t = vt () v() t = v () t dis K vt () = 2V sen( ωt + ϕ ) + 2V sen( 2ωt + ϕ ) + 2V sen( 3ωt + ϕ 3 ) + K h 1 Indicando con V il valore efficace della tensione totale, con V 1 quello della prima armonica e con V h quello delle armoniche di ordine superiore a 1, il valore efficace della componente di distorsione è dato da: 1 h 1 h h h 1 () t V = V V = V dis h 2 h 1 [P3.1] Si definisce distorsione armonica totale THD (Total Harmonic Distorsion) il rapporto percentuale tra il valore efficace della componente di distorsione e quello della componente fondamentale, dato da: 100Vdis 100 THD v % = = V 1 V V 2 1 V 1 2 [P3.2] dove il pedice v indica che ci si riferisce alla tensione.

24 10 Modulo A Elettronica di potenza Tenendo presente la relazione [P3.1], l espressione [P3.2] può essere scritta nella forma seguente, in funzione dei valori efficaci di tutte le componenti armoniche: 100 h 1 V THD v % = = 100 V [P3.3] Un analogo indice THD i può essere definito per la corrente, sostituendo nella formula [P3.3] i valori efficaci delle relative componenti. 2 h Vh V 1 h ESEMPIO Calcolare il THD v % di una tensione la cui fondamentale ha valore efficace 12 V, supponendo che si abbiano solo armoniche dispari di valore efficace V 3 = 4 V, V 5 = 2,4 V, V 7 = 1,714 V e che le armoniche di ordine superiore a sette abbiano ampiezze trascurabili. Con l applicazione dell espressione [P3.3] si ottiene: Con l applicazione dell espressione 2 [PRE-3.3] si ottiene: V V V THD v % = V + 2 V V = = ,, = 4 1 4, % 12 1

25 11 Componenti elettronici per circuiti di potenza A1 I dispositivi elettronici di potenza sono largamente impiegati in molti settori, in ambito civile, industriale e del terziario. In questa unità, dopo una sintetica esposizione delle principali applicazioni dell elettronica di potenza, verranno trattati i diversi componenti impiegati in questi dispositivi, con particolare riguardo alle loro caratteristiche e alle loro prestazioni. A1.1 Ambiti di applicazione dell elettronica di potenza In generale i dispositivi elettronici di potenza hanno il compito di gestire e controllare il flusso di energia elettrica, facendo sì che il sistema di alimentazione si adatti in modo ottimale, come numero di fasi, forma d onda, valori della frequenza, della tensione e della corrente, alle caratteristiche dei diversi carichi elettrici. Nella figura A1.1 è riportato lo schema a blocchi di un generico sistema di elettronica di potenza. potenza in ingresso V i, I i, f i sistema di conversione potenza in uscita V u, I u, f u carico regolatore segnali di controllo riferimento misure Figura A1.1 Sistema di alimentazione e controllo a catena chiusa. Si tratta di un classico sistema di controllo a catena chiusa in cui si distinguono: un ingresso elettrico di potenza (V i, I i, f i ); un uscita elettrica di potenza (V u, I u, f u ); un blocco denominato sistema di conversione; un blocco denominato regolatore. Il carico elettrico è alimentato mediante il sistema di conversione, che fornisce la potenza in uscita, regolando i valori della tensione V u, della corrente I u e della frequenza f u alle caratteristiche del carico.

26 12 Modulo A Elettronica di potenza Il convertitore è collegato in ingresso alla sorgente di alimentazione, le cui grandezze V i, I i ed f i sono legate alle caratteristiche della rete elettrica, che può essere di qualsiasi tipo, alternata o continua (in questo caso la frequenza d ingresso è zero). Per esempio, nel caso di una rete trifase a frequenza industriale, la tensione e la corrente sono sinusoidali con frequenza 50 Hz costante e il valore efficace della tensione è fisso (per esempio 400 V concatenati). Per attuare il controllo occorre misurare le grandezze di uscita, confrontarle con quelle desiderate (riferimento) e, mediante un regolatore, intervenire sul sistema di conversione in modo da ottenere in ogni condizione di carico i valori impostati a meno degli inevitabili errori di regolazione. Si consideri come esempio il caso della trazione elettrica, in cui l azionamento deve poter gestire il corretto funzionamento di un motore elettrico durante tutte le fasi di svolgimento del servizio (accelerazione, marcia a velocità costante, frenatura ecc.). In molti casi la sorgente di alimentazione del treno è in corrente continua (d.c.), mentre il motore di trazione è del tipo in corrente alternata (a.c.) trifase. È necessario pertanto impiegare un dispositivo elettronico composto da una parte in grado di gestire il flusso di potenza elettrica in relazione alle condizioni di funzionamento (il regolatore di figura A1.1) e da una parte capace di effettuare la conversione d.c.-a.c. con frequenza e ampiezza della tensione d uscita variabili (il sistema di conversione di figura A1.1). Applicazioni dell elettronica di potenza Le principali applicazioni dell elettronica di potenza, riscontrabili in vari ambiti, sono: costruzione di alimentatori statici in corrente continua e di gruppi di continuità, per l alimentazione a potenza regolabile, anche in assenza della tensione di rete, di computer, apparati per telecomunicazione e dispositivi multimediali; alimentazione di pompe, compressori, ventilatori, apparati di refrigerazione e di riscaldamento; l uso dell elettronica di potenza consente di ottenere un miglioramento dell efficienza energetica dei vari sistemi; per esempio, nel caso dell alimentazione di una pompa, l utilizzazione di un azionamento elettrico a velocità variabile adatta la velocità della pompa a un valore appropriato alla portata di fluido che si intende ottenere; controllo di processo e automazione industriale, settore in cui trovano largo impiego i vari tipi di azionamenti elettrici e i robot industriali, dotati di servomeccanismi controllati in velocità e in posizione; movimentazione di cancelli, barriere, scale mobili, ascensori, montacarichi; vengono usati motori elettrici azionati da convertitori di vario tipo; trasporti elettrici (treni, tram, metropolitane) in cui i veicoli vengono azionati da motori elettrici alimentati da convertitori di elevata potenza; applicazioni elettriche nei settori della saldatura, della galvanoplastica e del riscaldamento a induzione; trasmissione dell energia elettrica in corrente continua ad alta tensione (sistemi HVDC: High Voltage Direct Current), in cui si impiegano convertitori alternatacontinua (a.c.-d.c.) nell interfaccia tra la produzione e la trasmissione e continuaalternata (d.c.-a.c.) in quella tra la trasmissione e l utilizzazione; dispositivi statici di rifasamento SVC (Static Var Compensation) per compensare l energia reattiva richiesta dai carichi; interconnessione dei sistemi di generazione dell energia elettrica da fonte eolica e fotovoltaica con le reti di distribuzione: è necessario l impiego di convertitori per adeguare le caratteristiche elettriche dell energia prodotta a quelle richieste dalla rete in cui viene immessa.

27 A1 Componenti elettronici per circuiti di potenza 13 A1.2 Introduzione ai componenti elettronici di potenza Storicamente i primi sistemi elettronici di conversione avevano come elemento base le valvole a vuoto (triodi, pentodi ecc.). Con l avvento della tecnologia del silicio tali valvole sono state sostituite da quelle a semiconduttori. Idealmente una valvola elettronica (intesa in senso lato, prescindendo dalla sua costituzione) si comporta come un interruttore direzionale, ovvero un interruttore in cui il verso della corrente può essere uno solo, come nel caso del diodo. In assenza delle condizioni che la portano a condurre si comporta come un circuito aperto ideale, con I = 0 per qualsiasi valore della tensione applicata, mentre quando conduce si comporta come un cortocircuito, con V = 0 per qualsiasi valore della corrente. La caratteristica correntetensione di una valvola ideale è pertanto simile a quella ON-OFF del diodo, di figura PRE-1.5. Una valvola elettronica ideale costituisce un interruttore statico, il cui simbolo è rappresentato nella figura A1.2, in cui sono indicati sia il senso di conduzione della corrente che la polarità della tensione. In molte configurazioni circuitali usate per descrivere il funzionamento dei convertitori elettronici di potenza il componente reale viene sostituito con il corrispondente interruttore statico. Esistono diverse tipologie di valvole elettroniche, che possono essere classificate in relazione alla loro modalità di funzionamento: valvole semplici, come i diodi, che vengono comandate dal circuito connesso sia all accensione che allo spegnimento; nel caso dei diodi, infatti, è il circuito in cui sono inseriti che ne determina lo stato di ON o di OFF, a seconda della polarità della tensione V AK ; valvole comandate all accensione, come i tiristori di cui si dirà nel seguito, in cui la conduzione unidirezionale avviene mediante un adatto segnale di tensione o di corrente inviato a un terminale di comando e controllo (gate) e se, contemporaneamente, vi è una opportuna tensione tra i terminali di potenza (anodo e catodo), mentre lo spegnimento è determinato, come per le valvole semplici, dal circuito connesso e avviene se la tensione diretta tra anodo e catodo scende sotto un certo valore minimo; valvole comandate all accensione e allo spegnimento, come gli IGBT di cui si dirà nel seguito, in cui sia l accensione che lo spegnimento sono gestiti tramite opportuni segnali inviati al terminale di comando; spesso questi componenti vengono denominati interruttori controllabili (controllable switches). Le caratteristiche richieste agli interruttori statici di potenza a semiconduttori e che consentono il confronto tra i diversi tipi si possono così riassumere: bassa corrente di conduzione nello stato di interruttore aperto (leakage current) e bassa caduta di tensione in quello di interruttore chiuso (on state voltage); per un dispositivo ideale dovrebbero essere entrambe nulle; tempi ridotti di inserzione (turn-on time) e di apertura (turn-off time) per ridurre le perdite e consentire alte frequenze di commutazione; alti valori della tensione di blocco diretta e inversa (forward and reverse blocking voltage) a valvola aperta; un dispositivo ideale dovrebbe rimanere nello stao OFF qualunque sia il valore di tensione ai suoi capi; elevata corrente nominale (on state rated current); bassa potenza di controllo (control power) per diminuire le perdite nel dispositivo; alta tolleranza alle veloci variazioni di corrente e di tensione che interessano il dispositivo; le massime velocità di variazione della corrente e della tensione ammesse dal componente vengono espresse dai valori delle derivate massime (di/dt) M e (dv/dt) M ; capacità di commutare la massima corrente alla massima tensione. I T + V T Figura A1.2 Generico interruttore statico. Classificazione delle valvole elettroniche Caratteristiche degli interruttori statici

28 14 Modulo A Elettronica di potenza A1.3 Caratteristiche dei diodi raddrizzatori di potenza Del funzionamento dei diodi si è già detto nella scheda PRE-1. I dispositivi impiegati come raddrizzatori nei sistemi di potenza sono caratterizzati da elevati valori di corrente (fino a diverse centinaia di ampere) e di tensione (fino alle migliaia di volt). Per questi componenti vengono definite varie grandezze tipiche. Quelle principali, riferite alla caratteristica corrente-tensione, sono le seguenti: corrente diretta media I F(AV) : è il valore medio della corrente diretta che il diodo è in grado di condurre, calcolato nell intero periodo; corrente diretta efficace I F(RMS) : è il valore efficace della corrente diretta che il diodo è in grado di condurre, calcolato nell intero periodo; corrente diretta ripetitiva di picco I FRM : è il valore massimo (di picco) della corrente diretta che il diodo può sopportare ripetutamente; corrente diretta accidentale di picco I FSM : è il valore massimo (di picco) della corrente diretta che il diodo può sopportare accidentalmente per un certo tempo, in caso di anormale funzionamento; tensione inversa ripetitiva di picco V RRM : è il valore massimo (di picco) della tensione a cui il diodo può essere sottoposto ripetutamente durante la polarizzazione inversa, ossia nello stato di blocco; tensione inversa non ripetitiva di picco V RSM : è il valore massimo (di picco) della tensione a cui il diodo può essere sottoposto transitoriamente durante la polarizzazione inversa; integrale di Joule I 2 t: rappresenta il valore ammissibile dell energia termica specifica (riferita cioè alla resistenza elettrica unitaria) che si sviluppa durante il funzionamento per effetto Joule e che il componente è in grado di sopportare. Nella tabella A1.1 sono riportate le caratteristiche elettriche di alcuni diodi raddrizzatori di potenza. Tabella A1.1 Caratteristiche elettriche di diodi raddrizzatori di potenza (IR International Rectifier) I F (AV) I F (RMS) I FSM I 2 t V RRM V RSM (A) (A) (A) (A 2 s) (V) (V) Un altra importante caratteristica dei diodi è il tempo di ripristino t rr (reverse recovery time), che testimonia la velocità della giunzione nel ripristinare lo stato di OFF. È detto anche tempo di spegnimento (turn off). Il tempo di ripristino è definito come il tempo necessario alla giunzione per riacquistare la sua capacità di blocco dopo una inversione di polarità ai suoi capi (passaggio da una tensione applicata diretta a una inversa) oppure dopo l interruzione della corrente diretta.

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