Corso di ELETTRONICA INDUSTRIALE

E
I
E
I
Convertitori alternata / continua
Corso di
ELETTRONICA INDUSTRIALE
Per la conversione dalla corrente alternata
monofase o trifase alla corrente continua si
usano spesso schemi a ponte di Graetz
Si usano diodi di potenza per realizzare
convertitori non controllati e tiristori per i
convertitori controllati. Schemi ibridi sono
attualmente poco comuni
CONVERTITORI CA/CC A TIRISTORI
1
E
2
I
E
I
Ponte di Graetz monofase non controllato
La
i
e
+
Ponte di Graetz trifase non controllato
Ra
ia
La
+
E
-
vo
-
e1
e2
e3
+
i1
ia
Ra
+
vo
E
-
-
3
E
4
I
E
I
. ponte, conduce
Nella parte superiore del
il diodo connesso alla fase la cui
tensione istantanea è massima e, nella
parte inferiore, il diodo connesso alla
fase la cui tensione istantanea è minima
La
e1
e2
e3
i1
+
ia
.
Vi sono sempre solo due diodi in
conduzione contemporanea, uno
nella parte superiore ed uno nella
parte inferiore del ponte
Ra
La
+
vo
E
-
-
e1
e2
e3
5
Elettronica Industriale – Cap.13
i1
+
ia
Ra
+
vo
E
-
6
-1-
Luigi Malesani
E
I
E
.
Il passaggio della conduzione
da
un diodo all’altro (commutazione)
avviene naturalmente all’incrocio
tra le forme d’onda delle tensioni
di due fasi successive
La
e1
e2
e3
+
i1
ia
I
Ponte di Graetz trifase non controllato
e1
e2
e3
Ra
t
+
vo
E
-
-
Nel circuito in continua, l’uscita
positiva segue la tensione della fase
con valore istantaneo massimo
7
E
8
I
E
Ponte di Graetz trifase non controllato
e1
e2
e3
I
Ponte di Graetz trifase non controllato
e1
vp
e2
e3
vp
t
t
vn
Nel circuito in continua, l’uscita
positiva segue la tensione della fase
con valore istantaneo massimo
Similmente, l’uscita negativa segue
la tensione della fase con valore
istantaneo minimo
9
E
10
I
E
Ponte di Graetz trifase non controllato
La tensione
continua si
ottiene dalla
differenza
fra le
tensioni
dell’uscita
positiva e di
quella
negativa
e3
I
.
La tensione continua presenta
una
ondulazione, a frequenza sei volte quella
di rete, sovrapposta al suo valore medio
vp
t
t
vn
vn
vo = vp - v n
vo = vp - v n
t
t
11
Elettronica Industriale – Cap.13
12
-2-
Luigi Malesani
E
I
E
I
Ponte di Graetz trifase non controllato
Ponte di Graetz trifase non controllato
e1
In un ponte di Graetz trifase, ogni fase conduce
per 120 gradi sia in senso positivo che
negativo. Invece per un ponte monofase le
fasi conducono in ciascun senso per 180
gradi
e2
e3
t
vn
i1
Ia
Con elevato valore dell’induttanza di carico
l’oscillazione della corrente di uscita è ridotta
e nelle fasi si hanno correnti con forma
d’onda prossima a quella rettangolare, in
fase con le rispettive tensioni
vp
Ia
t
i2
t
i3
Ia
t
13
E
14
I
E
I
Ponte di Graetz trifase controllato
La
e1
e2
e3
+
i1
ia
Ponte di Graetz trifase controllato
Ra
La
+
vo
E
-
-
e1
e2
e3
+
i1
ia
Ra
+
vo
E
-
-
Sostituendo, sia nei ponti monofase che
in quelli trifase, tutti i diodi con tiristori si
ottengono ponti totalmente controllati
15
E
16
I
E
Ponte di Graetz trifase controllato
I
Ponte di Graetz trifase controllato
o
α
e1
o
α max = 180
α
e2
e2
e1
t
I tiristori consentono di ritardare l’istante
di commutazione, cioè di passaggio della
conduzione da una fase alla successiva
e3
17
Elettronica Industriale – Cap.13
α max = 180
18
-3-
Luigi Malesani
E
I
E
Ponte di Graetz trifase controllato
α
α max =
e1
e3
I
Ponte di Graetz trifase controllato
La commutazione
si ottiene dando un
comando di
accensione ad
ogni tiristore, sia
nel semiponte
positivo che in
quello negativo,
ritardato di un
angolo α rispetto
all’istante di
commutazione
naturale
o
α
α max = 180
e2
e1
t
e3
19
E
20
I
E
Ponte di Graetz trifase controllato
I
Ponte di Graetz trifase controllato
α e2
L’accensione del tiristore comandato provoca
la polarizzazione inversa e quindi lo
spegnimento (naturale) del tiristore che era
in conduzione nello stesso semiponte
Nel ponte trifase le commutazioni successive,
che si alternano tra il semiponte positivo e
quello negativo, sono sfasate di 60 gradi
e3
e1
vo = vp - v n
vp
t
vn
Il ritardo di commutazione provoca fronti ripidi
nella forma d’onda della tensione prodotta
sul carico in c.c.
t
21
E
22
I
E
Il valore medio della .tensione di uscita
diminuisce all’aumentare dell’angolo α.
Tale valore medio diventa negativo per
valori di α maggiori di 90 gradi
(funzionamento da invertitore)
vo = vp - v n vn
I
Regolazione della tensione
e1
t
e2
e3
vo = vp - v n
α =0o
vp
vn
t
Vo
t
t
23
Elettronica Industriale – Cap.13
24
-4-
Luigi Malesani
E
I
E
Regolazione della tensione
e1
e2
e3
e1
e2
e3
vn
vo = vp - v n
Vo
α =60o
vp
t
vn
vo = vp - v n
Regolazione della tensione
α =30o
vp
I
t
Vo
t
t
25
E
26
I
E
Regolazione della tensione
e1
e2
e3
vo = vp - v n
Regolazione della tensione
α =90o
vn
I
e1
e2
e3
t
vp
vo = vp - v n
Vo
t
α =120o
vn
vp
t
t
Vo
27
E
28
I
E
Regolazione della tensione
e1
e2
e3
vo = vp - v n
Tensione media di uscita
α =150o
vn
vp
o
Si dimostra facilmente che la tensione
media di uscita è proporzionale a cos(α):
t
Vo =
t
Vo
6
VLL eff cos (α )
π 2
Vo ≅ 135
. VLL eff cos (α )
29
Elettronica Industriale – Cap.13
I
30
-5-
Luigi Malesani
E
I
E
Tensione media di uscita
Vmax =
Vmax
6
π 2
Correnti nei ponti trifase controllati
In un ponte controllato, con ritardo di
accensione α la conduzione delle varie
fasi dura ancora 120 gradi nei sistemi
trifase, ma questa risulta sfasata dello
stesso angolo α rispetto alla tensione di
fase corrispondente
VLL eff
Invertitore
Vo
0
90
I
α
180
Con alti valori della componente induttiva
del carico in corrente continua, nelle
fasi si ha un andamento prossimo a
quello rettangolare
-Vmax Raddrizzatore
31
E
32
I
E
Sfasamento delle correnti
e1
e2
vp
e3
I
Sfasamento delle correnti
α =0
o
e1
e2
vn
i1
vp
e3
α =45o
vn
i1
i2
i2
i3
i3
33
E
34
I
E
Funzionamento da invertitore
e1
e2
vn
e3
i1
I
Funzionamento da invertitore
Per α > 90° la
α =135o
e1
e2
vp
i2
i2
i3
i3
35
Elettronica Industriale – Cap.13
tensione di uscita
si inverte mentre la
corrente rimane
positiva. Si inverte
così il verso della
potenza in c.c. e si
richiede, nel
circuito in continua,
la presenza di un
generatore che
eroghi tale potenza
verso il lato c.a.
36
-6-
Luigi Malesani
E
I
E
I
Funzionamento da invertitore
e1
e2
i2
i3
Funzionamento da invertitore
La potenza nelle
fasi diventa
anch’essa
negativa perché
la componente
fondamentale
della corrente di
fase risulta
sfasata più di 90°
rispetto alla
corrispondente
tensione
e1
e2
Per assicurare
l’andamento
rettangolare della
corrente di fase è
indispensabile la
presenza di una
grande
componente
induttiva nel
carico in c.c.
i2
i3
37
E
38
I
E
I
Funzionamento da invertitore
e1
e2
i2
i3
Ondulazione di corrente
Con valori limitati della componente induttiva
dell’impedenza del carico in c.c. (corrente
continua), la corrente nelle fasi in c.a.
(corrente alternata) si allontana
dall’andamento rettangolare e si ha una
sensibile ondulazione nel carico in c.c.
In pratica, per
dare un buon
margine per le
commutazioni
dei tiristori è
necessario
limitare il
massimo ritardo
α≤ 150°
39
E
40
I
E
I
Ondulazione di corrente
Ponte di Graetz monofase controllato
vo = vp - v n
La
i 1t
i
t
ia
e
i1
t
+
ia
Ra
+
vo
E
-
-
t
41
Elettronica Industriale – Cap.13
42
-7-
Luigi Malesani
E
I
E
I
Ponte di Graetz monofase controllato
Ponte di Graetz monofase controllato
Il funzionamento
del ponte
monofase
controllato è
analogo a quello
del ponte trifase.
Soltanto, le
commutazioni sono
a 180 gradi e
contemporanee nei
due semiponti
positivo e negativo
L’accensione dei
tiristori comandati
provoca la
polarizzazione
inversa e quindi lo
spegnimento
(naturale) degli altri
due tiristori che
erano in
conduzione
i
e
i
e
43
E
44
I
E
I
Ponte di Graetz monofase controllato
e/2
-e/2
α
t
vp
vn
.
Nel ponte monofase controllato la
tensione media di uscita è anch’essa
proporzionale a cos(α):
Vo =
t
vo = vp - v n
Vo
2 2
Veff cos (α )
π
Vo ≅ 0.9 V eff cos (α )
t
45
E
46
I
E
Correnti nei ponti monofase controllati
I
Correnti nei ponti monofase controllati
vp
α
vn
t
vo = vp - v n
i
α
vo = vp
Vo
t
i
t
47
Elettronica Industriale – Cap.13
vn
In un ponte
monofase
controllato, la
corrente di
fase è
ritardata di un
angolo α
analogamente
a quanto si
verifica nei
ponti trifase
48
-8-
Luigi Malesani
E
I
E
Convertitori CA/CA a triac
+
e
-
I
Convertitori CA/CA a triac
L
La regolazione
della tensione
alternata applicata
ad un carico si può
fare ponendo in
serie al circuito di
alimentazione un
TRIAC
+
e
+
v
-
-
i
R
49
E
50
I
E
Convertitori CA/CA a triac
+
e
-
I
Convertitori CA/CA a triac
Come è noto, il
triac è un
componente che
si comporta come
una coppia di
SCR connessi in
parallelo in verso
opposto, con un
unico elettrodo di
comando
+
e
-
Come tutti gli
SCR, il triac
viene acceso
dal comando
e si spegne
quando cessa
la corrente
che lo
attraversa
51
E
52
I
E
Convertitori CA/CA a triac
+
e
-
Convertitori CA/CA a triac
La regolazione è
ottenuta ritardando
l’accensione di un
angolo α rispetto
all’inizio del
semiperiodo. Si
ottiene una
semionda tagliata
la cui componente
fondamentale è
inferiore a quella
dell’onda piena
v
t
i
α=φ
53
Elettronica Industriale – Cap.13
I
φ=10 οο
α=10
t
54
-9-
Luigi Malesani
E
I
E
I
Convertitori CA/CA a triac
Convertitori CA/CA a triac
v
v
t
t
φ=10 οο
α=50
i
α
i
t
φ=10 οο
α=100
t
α
55
E
56
I
E
I
Convertitori CA/CA a triac
Convertitori CA/CA a triac
v
v
t
t
φ=10 ο
α=150 ο
i
i
t
α
φ=10 ο
α=180 ο
t
α
57
E
58
I
E
I
Convertitori CA/CA a triac
v
i
α
Convertitori CA/CA a triac
La regolazione
deforma la tensione e
la corrente sul carico
introducendo uno
sfasamento ed una
grande quantità di
armoniche. Queste
ultime possono essere
parzialmente filtrate
dal carico se esso è
induttivo
1
φ=10ο
0.5
0
59
Elettronica Industriale – Cap.13
Componente di prima armonica I1
di corrente su carico resistivoinduttivo, in funzione dell’angolo α
I1 (pu)
0
20 40 60 80 100 120 140 160180
α
60
-10-
Luigi Malesani