Sistemi elettronici di
conversione
(conversione ac-dc, ac-ac, dc-dc, dc-ac)
C. Petrarca
Cenni su alcuni componenti
elementari
Diodo, tiristore, contattore statico,
transistore
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
Diodo
Elemento raddrizzatore non controllabile
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
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 vd>0), ma non l’apertura.
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
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
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
caratteristiche dei dispositivi di potenza
IB
Impiego dei dispositivi di potenza
IB
Power [W]
Frequency [Hz]
Impiego dei dispositivi di potenza
IB
Conversione AC/DC : Raddrizzatori
Raddrizzatori monofase
Raddrizzatori trifase
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 V0 in uscita, diverso da circuito a circuito, si
sovrappongono ondulazioni
Valor medio
1 t T
V0 vu d
T t
Ampiezza dell’ondulazione
m Vmax Vmax
Fattore di ondulazione
1 m
k
2 Vm
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 I0
it I 0 I1 sin t 1 I n sin nt n
n2
THD – tasso di distorsione armonica
PF
PF – fattore di potenza
I n2
THD n2
I1
I1
cos 1
I
I h2
I1
I1
%THD
1
100
2
cos 1
I I 02 I12 I h2 I 02 I12 I1 THD
1 fase(tensione) fase(corrente)
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
Raddrizzatore a semplice semionda
V
VD
VR
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
Raddrizzatore a semplice semionda con condensatore
VR
C
1) Quando il diodo è
condensatore si scarica
lentamente sul carico
interdetto,
il
più o meno
Raddrizzatore a doppia semionda
V
VR
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
Raddrizzatore a ponte di Graetz – carico R
V
VR
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
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
Raddrizzatore a ponte di Graetz – carico R – C0
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
Raddrizzatore a ponte di Graetz – carico R – C0, effetto di
ialim
VR
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
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.
Ponte raddrizzatore trifase
VRL
VC
VA
VB
iD1
iD3
iD5
iD2
Raddrizzatori controllati
V
VG
VR
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
Raddrizzatori controllati – carico RL
iLOAD
V1
VLOAD
Inverter
Effettua la conversione dc-ac.
La tensione in uscita è periodica con frequenza f, non
sinusoidale di valore efficace V2.
Sono regolabili la frequenza f e V2 in funzione dei
segnali applicati ai canali di comando.
Tipica applicazione: regolazione di velocità nei motori AC
Half bridge inverter
on
S1
off
on
S2
off
VR
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 +Vs e -Vs
Full bridge 3-phase inverter
• Quando S1 è chiuso, Va0>0
• Quando S4 è chiuso, Va0<0
• Ogni interruttore deve rimanere acceso
per metà periodo
Alternativamente devono essere
accesi tutti gli interruttori seguendo
la sequenza illustrata a lato
Regolazione della tensione in uscita
Ad onda quadra
Afrequenza costante
A larghezza d’impulso (PWM)
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
Variatore di corrente continua
(Chopper)
Tp
v2
tc
tD
V1
V2
t
aa
t
as
t
i1
t
V2 c V1
tc td
tc
I1
I2
tc td
V1 I 1 V2 I 2
I1
I2
t
iD
ID
I2
t
