Elettronica Industriale

I.T.I.S. SPOLETO
MODULO DIDATTICO:
ELETTRONICA INDUSTRIALE DI
POTENZA
E
AZIONAMENTI ELETTRICI
A cura del Prof. Angelo Vitale
Unità N° 1:
Generalità sui dispositivi elettronici di
potenza
• I moderni sistemi di controllo e comando delle
macchine
elettriche
impiegano
diffusamente
dispositivi elettronici di potenza, grazie ai quali è
possibile, ad esempio automatizzare e ottimizzare la
regolazione della velocità
I dispositivi a semiconduttore sono utilizzati come
interruttori
I
OFF
I=0
V
I
ON
I>0
Ordine di grandezza dei parametri
elettrici
Tensioni: kV
Applicazioni di potenza
Correnti: A - kA
Potenze: kW - MW
Dispositivi elettronici di potenza
• DIODI
• SCR (Raddrizzatori Controllati al Si)*
• SWITCH CONTROLLATI:
- BJT
- MOSFET
- IGBT
- GTO* (Gate Turn-Off)
* SCR e GTO = TIRISTORI
Applicazioni
• CONVERSIONE
DELLA CORRENTE
DA ALTERNATA A
CONTINUA:
CONVERTITORI ACDC (Alimentazione e
controllo dei motori a
corrente continua)
• CONVERSIONE
DELLA CORRENTE
DA CONTINUA AD
ALTERNATA:
CONVERSIONE DI
FREQUENZA
(INVERTER)
(Variazione della
velocità dei motori a
corrente alternata)
Conversione statica dell’energia elettrica
REQUISITI GENERALI DI UN
INTERRUTTORE CONTROLLATO
• Basse perdite in stato di conduzione;
• Alta tensione di blocco (cioè capacità di mantenere in
stato di OFF la corrente a valori molto bassi anche con alte
tensioni applicate all’SCR ).
• Rapidità di commutazione;
• Bassa potenza di controllo;
• Capacità di sopportare rapide variazioni di “V”
e “I”
TIRISTORI
• SCR : Dispositivo usato nella conversione
della potenza
A = Anodo;
K = Catodo;
A
K
G
G = Gate (morsetto di controllo)
ALCUNE CARATTERISTICHE
E' l’elemento fondamentale su cui si basa la
moderna conversione energetica.
Dal 1960, anno della sua comparsa sul mercato,
la tensione di funzionamento è passata da
poche centinaia di volt a 3000-4000 V, e la
corrente da 25 A a 3000 A. In configurazione
serie/parallelo è quindi possibile operare un
controllo di potenze dell'ordine dei MW.
Vantaggi della conversione statica dell’energia
elettrica
• Possibilità di evitare tutte le perdite dovute al
movimento: per esempio in passato la conversione
della corrente alternata in continua si otteneva
utilizzando il sistema rotante generatore – dinamo;
• Riduzione del peso e dell’ingombro dei dispositivi;
• Semplice installazione e manutenzione;
• Eliminazione delle vibrazioni e dei rumori, con
conseguente aumento del rendimento;
• L’applicazione dei convertitori statici ha avuto un
rapido incremento grazie alla possibilità di impiegare i
microprocessori nel sistema di controllo
Inconvenienti:
• 1. Elevata sensibilità alle sovratensioni;
• 2. Elevata sensibilità alle sovracorrenti.
Struttura del SCR
E’ caratterizzato da una struttura p-n-p-n che può essere assimilata
ad una coppia di BJT. L’interazione con il circuito esterno avviene
attraverso i due morsetti di potenza A e K e uno di controllo G.
G
n+
A
n+
p
K
p
n
n-
p
G
p
n
p+
A
K
Connessione dei BJT
SCR:
A
IA
A
T1
p
T1
n
G
p
G
T2
n
T2
K
IG
IK
K
FUNZIONAMENTO DEL DISPOSITIVO
• Stato di OFF (IG = 0)
• Stato di ON (applicazione di un impulso di corrente
sul Gate, nell’ipotesi che sia VAK > 0)
• Una volta che l’SCR è in ON, il gate non lo controlla
più e in particolare non può causare il Turn-off.
• IG < 0, non è in grado di spegnere il dispositivo (cioè
di eliminare l’accesso di minoritari, perché l’area di K
è >> dell’area di G.
• Il Turn-Off può essere effettuato da un circuito
esterno, riducendo la IA al di sotto di un valore
minimo di tenuta (IAH). Il Turn-off può essere
accelerato applicando VAK < 0 (spegnimento forzato).
Caratteristica V-I
IA
Stato di ON
IG = 0
IAH
I’’G I’G
VAK
Stato di OFF inverso
Stato di OFF diretto
Breakdown
IG< I’G< I’’G
DUE CATEGORIE DI SCR
• SCR RECTIFIER GRADE: usati per
convertitori AC-DC per frequenze fino a
400 Hz
• SCR INVERTER GRADE: usati per
convertitori DC-AC fino a 20 kHz
SPEGNIMENTO (TURN-OFF) DELL’SCR
• Spegnimento naturale di linea (dato
dall’alimentazione);
• Spegnimento naturale di carico (se è
capacitivo o attivo);
• Spegnimento forzato a tensione
impressa;
• Spegnimento forzato a corrente
impressa.
SCR di potenza prodotto da “IR”
(International Rectifier)
Può lavorare con correnti fino a 6,5 A e tensioni fino ad 800 V.
Le lettere indicano i tre elettrodi: K(catodo), A(anodo) e G(gate). Come si
vede, l'aspetto non differisce da quello di un qualsiasi transistor di
potenza.
Esercitazione di laboratorio: esempio di circuito
di prova
•Circuito collegato all'alimentazione:
non passa alcuna corrente;
•Basta premere il pulsante P perché
tiristore SCR passi in conduzione,
facendo accendere il Led.
•Una volta che il led è acceso, l'unico
modo per interrompere il passaggio
di corrente è quello di staccare
l'alimentazione al circuito.
Unità N° 2:
CONVERTITORI AC-DC
CONTROLLATI
Convertitori AC-DC controllati
• Sono sistemi di potenza: IN = grandezza
elettrica alternata (AC) e OUT = grandezza
elettrica continua (DC) il cui livello di potenza è
regolabile mediante una variabile di controllo;
• Dispositivi più utilizzati: SCR (possono essere
spenti naturalmente dall’alimentazione alternata:
“Spegnimento naturale di linea”);
• Per ottenere una corrente continua in OUT, è
necessario o un filtraggio ottimo o una grande
INDUTTANZA di tenuta (nella realtà, l’induttanza
è data dal carico, in quanto esso è costituito da
un motore elettrico)
Proprietà
• Configurazione più usata: a ponte di SCR;
• Per potenze superiori a qualche kW si
utilizzano sistemi trifase: nella conversione
AC-DC consentono di ottenere forme d’onda
più pulite in OUT (con minor contenuto
armonico)
• OSS: carico = Motore Elettrico (si
rappresenta con una induttanza “L”, un
resistore “R” e una f.c.e.m. pari ad “E”).
CONVERTITORI AC-DC TRIFASI
L1
L2
L3
T1
T3
T5
L
R
E
T4
T6
Impulsi ai gate
T2
Per capire il funzionamento, si farà il caso semplice di
un convertitore a ponte di SCR, con carico resistivo
Vs = Vso sin t
id
T1
T2
R
vs
T3
T4
vd
FUNZIONAMENTO
Vs > 0: T1 e T4 sono polarizzati direttamente; si possono
accendere con l’impulso di gate, mentre T3 e T4 sono
polarizzati in inversa
Vs < 0: è il contrario del caso sopra!
vd
t = 
Variando l’angolo di innesco,
la Vd si modifica e varia, di
conseguenza, la tensione
media sul carico (<Vd>).
 = angolo di innesco
Ig1
Ig2
Ig3
Ig4
<Vd> = valor medio della Vd
<Vd> = Vso (1+cos )/
<Vd> = Vso (1+cos )/
• I valori medi dipendono da ;
• La conduzione è discontinua per 
compreso fra 0 e ;
• Conduzione discontinua = una coppia di
SCR si spegne prima che si accende
l’altra coppia di SCR.
Caratteristica principale dei convertitori
AC-DC realizzati con tiristori
• Poter variare il valor medio della tensione di
uscita agendo sull’istante di innesco del
componente.
Unità N°3
CONVERTITORI DC - AC:
INVERTERS
Principio di funzionamento di un
INVERTER monofase
Vi
Vi
R
B
A
Vi
Vu
t
1
2
Vu
Fig. 1
t
T
OSSERVAZIONI
• La forma d’onda ottenuta non è
sinusoidale;
• Sviluppo in serie di Fourier (somma di
sinusoidi, di cui una a frequenza “f” e
altre frequenze dette armoniche)
• Per ottenere un segnale sinusoidale si
dovranno filtrare le armoniche
indesiderate.
• Il circuito di Fig.1 sarà costituito da
tiristori.
INVERTER
• E’ un convertitore di potenza alimentato in
continua che fornisce in OUT una tensione (o
corrente) alternata, (sin, monofase o trifase);
• Utenze tipiche: motori AC (asincroni o
sincroni);
• Applicazioni: AZIONAMENTI (grazie alla
possibilità di controllare e variare frequenza e
ampiezza dell’alimentazione);
Schema generale di un azionamento con
motore elettrico
Rete di alimentazione
AC
Convertitore AC/DC
INVERTER
MOTORE
M
CONTROLLO
COMANDO
DUE CASI
• Rete di alimentazione in corrente continua
(es. linee ferroviarie): solo INVERTERS (fig.2)
• Rete di alimentazione in alternata:doppia
conversione per avere a monte del motore
l’alternata a frequenza variabile (caso della
pagina precedente - fig. 3)
AC/DC
DC/AC
M
M
Fig. 2
DC/AC
Fig. 3
TIPI DI INVERTERS
• INVERTERS alimentati in tensione;
• INVERTERS alimentati in corrente;
INVERTR alimentato in tensione con logica
di controllo PWM
• PWM: Pulse Width Modulation (modulazione di
larghezza di impulso);
• Funziona con elevata frequenza di commutazione
(decine di kHz);
• Tensione di uscita con forma d’onda più vicina a
quella sinusoidale e, quindi, con minor contenuto di
armoniche.
Schema a blocchi dell’INVERTER con controllo PWM
Oscillatore
Portante
Alimentatore
Oscillatore
Modulante
Vin
Modulatore
PWM
Invertitore
Vout
Oscillatore modulante: fornisce al modulatore il riferimento di tensione sinusoidale con
frequenza pari a quella desiderata in uscita;
Portante: forma d’onda triangolare con fp >> fm;
Modulatore: confronta istante per istante i valori del s.le modulante e di quello portante e
invia il comando di commutazione dell’invertitore;
Alimentatore: tensione costante.
• Si ottiene una tensione di uscita composta da
impulsi, positivi e negativi, di ampiezza costante e
larghezza variabile, il cui valor medio ha un
andamento sinusoidale di frequenza pari a quella
della modulante;
• Ci saranno delle armoniche che dovranno essere
filtrate;
• La regolazione della frequenza di uscita viene fatta
agendo sul segnale modulante, mentre la
regolazione dell’ampiezza dipende dalla frequenza
della portante e dal valore dell’alimentazione;
• Per ottenere una terna trifase occorre usare tre
sistemi di questo tipo, con segnali modulanti sfasati
di 120°
INVERTERS ALIMENTATI IN CORRENTE
Rettificatore
INVERTER
Id
M
3
Alimentazione
(trifase a 50 Hz)
Generatore di impulsi di
GATE
Regolatore
-
+
+
Id*
CONTROLLO SCALARE DEL M.A.T.
CONTROLLO DELLA VELOVITA’ VOLT/HERTZ A CATENA CHIUSA
V/Hz = il rapporto Vs/a, è costante.
Dove: Vs = tensione statorica;
a = pulsazione di alimentazione
a
Cm
Accelerazione

Decelerazione
a
Schema di principio del controllo V/Hz
AC/DC
Alimentazione AC
INVERTER
a
Vs*
Vo
G
+
M
3
* +
+
-
G1
+
-
G2
Tachimetro
Controllo della Is

Dove:  = velocità del motore (il segnale di comando riguarda la velocità del motore)
Vo = compensazione della caduta statorica a basse velocità (ovvero freq. di alimentazione);
C’è anche la misura della corrente statorica per evitare che raggiunga valori eccessivi.
Unità N° 4
Applicazioni
Climatizzatori
• Un INVERTER difficilmente può essere immaginato come parte
integrante di un climatizzatore in quanto esso è già collegato alla
normale rete di distribuzione dell'energia elettrica pertanto per
comprendere bene lo scopo e le funzioni dei climatizzatori
inverter è bene fare una piccola precisazione: nei climatizzatori in
realtà il sistema "INVERTER" è composto da due componenti: un
raddrizzatore di corrente e l'inverter vero e proprio.
• Il raddrizzatore si occupa di trasformare la corrente alternata della
rete elettrica in corrente continua che poi viene nuovamente
trasformata in corrente alternata dall'inverter.
• Ma perché fare questo doppio lavoro per poi tornare al punto
di partenza?
Risposta:
• La frequenza della corrente è la ragione per la quale
viene svolto il doppio lavoro precedentemente
descritto: la corrente alternata proveniente dalla rete
elettrica (frequenza = 50Hz) viene dapprima
trasformata in corrente continua per poi essere
nuovamente trasformata in corrente alternata ma con
una frequenza variabile: variando infatti la frequenza
della corrente che alimenta il compressore è
possibile variarne la velocità di rotazione
modificandone così i consumi e la potenzialità
frigorifera!
Vantaggi
•
•
•
•
possibilità di installare climatizzatori più piccoli;
stabilità della temperatura ambiente: un climatizzatore
tradizionale quando raggiunge la temperatura desiderata si
ferma bruscamente per poi riprendere a funzionare altrettanto
bruscamente quanto la temperatura torna a variare, un
inverter invece all'approssimarsi della temperatura desiderata
comincia a modulare riducendo la potenza erogata fino ad
arrestarsi dolcemente quando la raggiunge e poi ripartire
altrettanto dolcemente quando torna a variare la temperatura:
in teoria potrebbe non arrestarsi mai, ma continuare ad
erogare quel minimo di potenza per mantenere perfettamente
costante la temperatura;
risparmio energetico: grazie ai due punti sopra esposti il
consumo di energia elettrica di un inverter è fino al 45%
inferiore rispetto ad un climatizzatore tradizionale;
maggior resa in pompa di calore che ne permette l'utilizzo
come riscaldamento primario in assenza di altra fonte di
calore.
Gruppi statici di continuità
• Gli INVERTER vengono usati come alimentatori a corrente
alternata a frequenza e ampiezza variabili, nei gruppi statici di
continuità, con batterie di accumulatori a cui l’inverter attinge in
caso di assenza della rete.
• Un esempio di funzionamento a frequenza fissa si ha quando
l’inverter, a causa di un black-out, deve sostituire l’alimentazione
della rete, e, perciò, fornire una tensione a frequenza di 50 Hz.
• La conversione da tensione continua ad alternata deve avvenire
in maniera quasi istantanea, per non danneggiare le
apparecchiature a causa dell’interruzione dell’energia. Ciò
potrebbe provocare sia l’interruzione delle comunicazioni sia la
perdita dei dati nei processi infornatici.
Gruppi statici di continuità
• Sono comunemente chiamati UPS (Uninterruptible
Power System);
• Schema:
Utilizzatore
Rete di
alimentazione
f = 50 Hz