CAP.IV Trasformazione conversione energia ... Cap. IV Trasformazione e conversione dell ˇenergia...

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  • Anno Accademico 2011/2012– CdL in Ingegneria Meccanica - (M-Z) – Ing, Navale

    Cap. IV – Trasformazione e conversione dell’energia elettrica III parte - pag.1

    CAP.IV

    TRASFORMAZIONE E CONVERSIONE DELL’ENERGIA ELETTRICA (Bozza-III parte)

    IV.8 FONDAMENTI DI ELETTRONICA DI POTENZA

    IV.8.1 Circuiti raddrizzatori

    Tra i bipoli fondamentali si è già accennato (§I.17) al diodo ideale e reale1 (fig.IV.8.1): si hanno fenomeni significativi di conduzione (con caratteristica non lineare) se la tensione tra anodo A è catodo C è positiva (tratto © di “conduzione”), non si hanno praticamente fenomeni di conduzione se tale tensione è negativa (tratto ® di “interdizione”, a meno di non raggiungere valori di tensione eccessivi che determinano il collasso (breadown) del componente) .

    fig.IV.8.1 fig.IV.8.2

    1 Un diodo reale viene realizzato attraverso una “giunzione P-N” di due strati di un materiale tetravalente puro, semiconduttore intrinseco come il Silicio, uno drogato con materiale trivalente (come il boro) che quindi rende lo strato ricco di “lacune elettroniche” (P è l’anodo) e l’altro drogato con materiale pentavalente (quale l’antimonio) che quindi rende lo strato ricco di elettroni disponibili per la conduzione (N è il catodo). Applicando una tensione positiva si avrà una agevole migrazione o diffusione di elettroni verso l’anodo e “lacune” verso il catodo; la migrazione inversa è evidentemente molto difficile.

    VAC A

    anodo catodo C

    VAC

    I

    I diodo ideale

    diodo reale ©

    ®

    vu

    i

    + e(t) Ru

    vAC

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    Cap. IV – Trasformazione e conversione dell’energia elettrica III parte - pag.2

    La caratteristica è fortemente asimmetrica; quindi, imponendo una tensione vAC variabile (ad esempio sinuoidale) , l’intensità di corrente risulterà fortemente distorta e viceversa. Se si alimenta con un generatore sinusoidale una serie diodo-resistore (fig.IV.8.2), la caratteristica di fig. IV.8.1 andrà confrontata con quella del bipolo “visto” dal diodo

    ( ) R

    tvteiiRtetv ACuAC )()()( −=→−= (IV.6.1)

    Tale caratteristica è una retta che intercetta la zona di conduzione se e(t)>0, quella di interdizione se e(t)0, per cui la tensione sul resistore v2 risulterà praticamente coincidente con e(t); se e(t) è minore di zero, risulterà invece piccola l’intensità di corrente e quindi trascurabile la v2 (fig.IV.8.4, raddrizzamento ad una semionda).

    La tensione di uscita risulta quindi periodica con lo stesso periodo della e(t) – se questa è periodica -, ma con un valore medio significativo; nel caso e(t) sia sinusoidale di valore massimo EM e periodo T

    ( ) MM Tt

    t AC EEdttvT

    V 318,011* 1

    1

    =≅= ∫ +

    π

    Anche l’intensità di corrente presenterà quindi un valore medio non nullo. Nel caso (frequente) in cui la e(t) sia fornita attraverso un trasformatore su ferro (fig.IV.5.5), questa circostanza potrebbe comportare saturazione del ferro e conseguente cattivo funzionamento del trasformatore. Per tensioni non elevate si può ricorrere ad una

    diodo reale ©

    VAC

    I diodo ideale

    ®

    ( ) iRtetv uAC −= )(

    t

    e

    v2

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    Cap. IV – Trasformazione e conversione dell’energia elettrica III parte - pag.3

    alimentazione “doppia” del resistore Ru considerando un trasformatore con secondario a presa centrale (fig.IV.8.6), circuito a doppia semionda). Le due tensioni v2 e v2* sono di uguale ampiezza ed in opposizione di fase; a vuoto (Ru infinita) le correnti al secondario sono praticamente nulle perché i due diodi sono in antiserie; per R finita,, il diodo D conduce per il semiperiodo in cui v è positiva (mentre v* è negativa e quindi il diodo D* interdetto); per l’altro semiperiodo D* conduce e D è interdetto. In tale caso, a parità di valore massimo EM della tensione di alimentazione il valore medio nel periodo T raddoppia

    ( ) MM Tt

    t AC EEdttvT

    V 636,021* 1

    1

    =≅= ∫ +

    π ;

    Tale valore risulta abbastanza prossimo al valore efficace della tensione di ingresso sinusoidale (=0,707 EM) (fig.IV.8.7)

    fig.IV.8.5 fig.IV.8.6

    fig.IV.8.7

    vAC

    vu

    i

    Ru e=v2 +

    v2*

    D

    D*

    vu

    i

    Ru

    vAC

    e=v 2

    +

    v2

    vu

    v*2

    t

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    Cap. IV – Trasformazione e conversione dell’energia elettrica III parte - pag.4

    Con questa soluzione si avranno correnti a valor medio non nullo nei due avvolgimenti, significative in semiperiodi diversi; con opportune disposizioni (ravvicinate) dei due avvolgimenti si potrà creare un campo magnetico praticamente alternativo dovunque. Per tensioni più elevate si potrà utilizzare il circuito di fig. IV.8\.8 (ponte di Graetz) con unico avvolgimento interessato da correnti alternative

    fig. IV.6.8 Una versione polifase del circuito ad una semionda è presentata in fig.IV.8.9; la tensione sul carico è rappresentata in fig. IV.8.10 nel caso trifase. Come si nota, all’aumentare del numero delle fasi il valore medio della tensione di uscita diventa sempre più prossima al valore massimo e si riduce sempre più il fattore di ondulazione.

    Fig. IV.6.9

    e=v2 +

    vu

    Ru

    + e1(t)

    + e2(t)

    + e3(t)

    1

    2

    i2(t)

    i1(t)

    i3(t) 0

    vu

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    Cap. IV – Trasformazione e conversione dell’energia elettrica III parte - pag.5

    Fig.IV.6.10

    t

    e1

    v

    e2

    e3

  • Anno Accademico 2011/2012– CdL in Ingegneria Meccanica - (M-Z) – Ing, Navale

    Cap. IV – Trasformazione e conversione dell’energia elettrica III parte - pag.6

    IV.8.2 Tiristori o SCR (Silicon Controlled Rectifier) – Il TRIAC (triode for alternating current)

    Il tiristore o SCR è un diodo controllato. La effettiva conduzione del diodo, se ammessa, avviene solo se si invia un opportuno comando (anche un “impulso”) di tensione sul terminale di controllo (gate G) (fig.IV.8.11)

    fig.IV.8.11- Caratteristica di un tiristore

    Il tiristore si comporta quindi come un interruttore a stato solido (in chiusura); inoltre esso si interdice se l’intensità di corrente scende al disotto di un valore di soglia; in caso di grandezze variabili, si interdice sempre (e non si riaccende fino ad un nuovo comando sull’elettrodo di controllo) se la intensità di corrente passa per lo zero. Il tempo di “accensione” è di 1-4 μs, quello di “spegnimento” di 10-25 μs

    Il TRIAC è costituito sostanzialmente da due SCR in antiparallelo, che hanno l’elettrodo di controllo in comune. La conduzione può essere attivata sia per tensioni positive che negative (con impulsi positivi e negativi). In fig. IV.8.12 è rappresentata la caratteristica reale e quella ideale

    VAC A anodo catodo

    G gate C

    VAC

    I

    I SCR ideale

    SCR reale ©

    ®

    VAC

    I

    VGC

    A

    G

    C

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    Cap. IV – Trasformazione e conversione dell’energia elettrica III parte - pag.7

    fig.IV.6.12- Caratteristica di un triac

    Come si vede si possono parzializzare i fenomeni di conduzione; il triac quindi può funzionare come un regolatore di corrente sinusoidale (alternata).

    Per elevate correnti e tensioni si preferisce usare due tiristori separati in antiparallelo, per meglio dissipare le perdite sul componente.

    Costruttivamente il tiristore è costituito da un quadruplo strato di semiconduttori p-n-p-n (fig. IV.8.13), con l'anodo collegato allo stato p esterno, il catodo allo strato n opposto ed il gate al p intermedio. L’iniezione di elettroni attraverso l’elettrodo di controllo consente la conduzione anche attraverso la giunzione inversa.

    fig.IV.8.13

    L'impiego tipico si ha nei raddrizzatori di tensione controllabili, in grado di fornire tensioni continue regolabili da una tensione alternata fissa. Altri impieghi si hanno negli inverter e nei convertitori di tensione

    VAC

    I TRIAC ideale

    TRIAC reale ©

    ®

    vAC

    VGC

  • Anno Accademico 2011/2012– CdL in Ingegneria Meccanica - (M-Z) – Ing, Navale

    Cap. IV – Trasformazione e conversione dell’energia elettrica III parte - pag.8

    alternata. Il circuito di