Sistemi elettronici di conversione

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1 Sistemi elettronici di conversione (conversione ac-dc, ac-ac, dc-dc, dc-ac) C. Petrarca

2 Cenni su alcuni componenti elementari Diodo, tiristore, contattore statico, transistore

3 Interruttore ideale interruttore ideale chiuso interruttore ideale aperto L interruttore ideale è un bipolo tempo-variante che può assumere in istanti diversi due stati diversi: chiuso o aperto. Quando è chiuso costituisce un cortocircuito ideale; Quando è aperto costituisce un circuito aperto ideale

4 Diodo Elemento raddrizzatore non controllabile

5 Diodo Zener Se polarizzato direttamente, si comporta come un diodo normale. Se polarizzato inversamente, si comporta come un interruttore aperto ma, per tensioni inferiori alla tensione di breakdown Vz, non si distrugge e mantiene la tensione ai suoi morsetti E usato come stabilizzatore di tensione

6 Tiristore Elemento raddrizzatore controllabile (SCR) Il tiristore può essere immaginato come un interruttore pilotato in chiusura ma non in apertura: Tramite il morsetto di comando (il gate), possiamo comandare la chiusura dell interruttore (a patto che sia v d >0), ma non l apertura.

7 Transistore Dispositivo a semiconduttore a tre morsetti con vasto uso in elettronica E un dispositivo controllato sia in chiusura che in apertura BJT (bipolar junction transistor - fig. III-9a) agiscono come tasti chiusi o aperti a seconda che ci sia o no una elevata corrente di base; sono i transistori meno costosi, ma hanno una complessa circuiteria di comando poiché sono controllati in corrente BJT

8 i MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor rispetto ai BJT presentano i seguenti vantaggi: 1) potenza di comando praticamente nulla, in quanto sono controllati in tensione, 2) circuiti di comando più semplici e più efficienti, 3) frequenze di commutazione più alte (>100kHz) ma limitatamente ad applicazioni di bassa potenza (alcuni kva) FET

9 gli IGBT (insulated-gate bipolar transistor), se si esclude il campo di potenze oltre il MVA, l'igbt è attualmente il principale componente di quasi tutti i convertitori statici di potenza 1) sono dispositivi ibridi che consentono di trattare elevate correnti con basse perdite di conduzione come i BJT 2) presentano facilità di controllo e basse perdite di commutazione come i MOSFET 3) richiedono, essendo controllati in tensione, poca potenza di comando 4) possono resistere a tensioni inverse come i GTO

10 caratteristiche dei dispositivi di potenza I B

11 Impiego dei dispositivi di potenza I B Power [W] Frequency [Hz]

12 Impiego dei dispositivi di potenza I B

13 Conversione AC/DC : Raddrizzatori Raddrizzatori monofase Raddrizzatori trifase

14 Conversione AC/DC : Raddrizzatori Parametri di qualità del raddrizzamento (lato carico) Ogni circuito raddrizzatore fornisce in uscita tensioni e correnti unidirezionali e periodiche, ma non costanti Al valor medio V 0 in uscita, diverso da circuito a circuito, si sovrappongono ondulazioni Valor medio V 0 1 T t T t v u d Ampiezza dell ondulazione m V max V max Fattore di ondulazione k 1 2V m m

15 Parametri di qualità del raddrizzamento (lato alimentazione) Una qualsiasi funzione periodica (con periodo T) non sinusoidale può essere rappresentata con una sommatoria di: Una sinusoide di periodo T (fondamentale) Delle sinusoidi con frequenza pari a multipli interi della fondamentale (armoniche superiori) Una componente continua I 0 i t I I sin t I n t n sin n 2 THD tasso di distorsione armonica PF fattore di potenza PF n I n 2 THD I 1 2 n I I I I 1 cos cos 1 2 I % THD I I I Ih I I I THD fase( tensione) fase( corrente) 2 h 1 1

16 Effetti delle armoniche in un impianto elettrico Sovraccarico (aumento del valore efficace della corrente) Vibrazioni Malfunzionamento di utenze sensibili Disturbi (es. linee di comunicazione) Usura di componenti (motori, trasformatori) Sovraccarico e usura di condensatori di rifasamento Presenza di perdite supplementari (costi maggiori) Interventi intempestivi degli organi di protezione

17 Raddrizzatore a semplice semionda V V D V R 1) La tensione di alimentazione è positiva, il diodo è in conduzione, la tensione sul diodo è nulla, la tensione sul resistore è uguale alla tensione di alimentazione. 2) La tensione di alimentazione è negativa, il diodo è interdetto, la corrente è nulla, la tensione sul diodo è uguale alla tensione di alimentazione, la tensione sul resistrore è nulla

18 Raddrizzatore a semplice semionda con condensatore V R C 1) Quando il diodo è interdetto, il condensatore si scarica più o meno lentamente sul carico

19 Raddrizzatore a doppia semionda V V R 1) Dal morsetto centrale sono rese disponibili due tensioni sinusoidali di alimentazione uguali. 2) I diodi sono alternativamente interdetti e la tensione in uscita è unidirezionale periodica. 3) E necessario avere un trasformatore con presa centrale

20 Raddrizzatore a ponte di Graetz carico R V V R 1) I diodi conducono a coppie 2) E possibile usare un trasformatore tradizionale 3) I diodi possono avere tensione nominale uguale alla metà di quelli usati per il ponte a doppia semionda

21 Raddrizzatore a ponte di Graetz carico R 1) V1 polarità positiva 2) D5 e D8 in conduzione 1) V1 polarità negativa 2) D6 e D7 in conduzione

22 Raddrizzatore a ponte di Graetz carico R C 0 1) Il condensatore ha il compito di filtrare la tensione, lato continua. 2) Quando la tensione sul diodo è maggiore della tensione di alimentazione, tutti i diodi sono interdetti e il condensatore si scarica sulla resistenza R

23 Raddrizzatore a ponte di Graetz carico R C 0, effetto di i alim V R 1) Più è elevata la costante di tempo, più diminuisce l ondulazione sul carico; 2) Più è elevata la costante di tempo, più diminuisce il tempo in cui il carico è collegato all alimentazione 3) Più è elevata la costante di tempo, più elevata è l intensità di corrente elettrica di alimentazione (e quindi nei diodi) 4) L effetto è limitato dalla presenza dell induttanza della linea di alimentazione

24 Ponte raddrizzatore trifase 1) La tensione di alimentazione deve essere trifase, simmetrica 2) La tensione sul carico presenta una fluttuazione con periodicità sestupla rispetto alla fondamentale dei generatori 3) L ondulazione della tensione sul carico diminuisce. 4) A parità di fluttuazione della tensione, la capacità del condensatore è più piccola.

25 Ponte raddrizzatore trifase V RL V C V A V B i D1 i D3 i D5 i D2

26 Raddrizzatori controllati V V G V R 1) Il tiristore va in conduzione solo quando è applicato un impulso alla gate 2) Generalmente, non viene specificato il tempo di ritardo ma l angolo elettrico di ritardo = TD 3) I raddrizzatori controllati richiedono, oltre ai circuiti di potenza, anche circuiti di comando Verificare la variazione del valor medio della tensione sul carico in funzione dell angolo di ritardo

27 Raddrizzatori controllati carico RL i LOAD V 1 V LOAD

28 Inverter Effettua la conversione dc-ac. La tensione in uscita è periodica con frequenza f, non sinusoidale di valore efficace V 2. Sono regolabili la frequenza f e V 2 in funzione dei segnali applicati ai canali di comando. Tipica applicazione: regolazione di velocità nei motori AC

29 Half bridge inverter on S1 S2 off on off V R

30 Full bridge inverter Gli switch S1 e S2 devono essere chiusi nella prima metà del ciclo Gli switch S3 e S4 devono essere chiusi nella seconda metà del ciclo La tensione in uscita varia tra +V s e -V s

31 Full bridge 3-phase inverter Quando S1 è chiuso, V a0 >0 Quando S4 è chiuso, V a0 <0 Ogni interruttore deve rimanere acceso per metà periodo Alternativamente devono essere accesi tutti gli interruttori seguendo la sequenza illustrata a lato

32 Regolazione della tensione in uscita Ad onda quadra Afrequenza costante A larghezza d impulso (PWM)

33 Modulazione PWM Occorrono due oscillatori: triangolare (portante) sinusoidale (modulante) La modulante ha frequenza pari a quella richiesta e valore massimo proporzionale alla tensione in uscita La frequenza della portante è molto maggiore della modulante Si confrontano modulante e portante per ottenere gli istanti di commutazione

34 Variatore di corrente continua (Chopper) v 2 tc T p t D V 1 V 2 t a a t a s t i 1 V t c 2 V 1 tc td I V1I 1 V2I 2 t c 1 I 2 tc td i D I 1 I 2 I I 2 D t t