ELETTRONICA DI POTENZA(Allievi CdL Ing. Navale)

(aggiornato al 5/12/2013)

Sistemi elettronici di conversione (conversione ac-dc, ac-ac, dc-dc,

dc-ac)

Cenni su alcuni componenti raddrizzanti elementari

Diodo, tiristore, contattore statico

DiodoElemento raddrizzatore non controllabile

Diodo

Diodi

Tiristore

Elemento raddrizzatore controllabile

Tiristore

Simbolo tiristore

Tiristori

Tiristore a vite Tiristore a pastiglia(da 70 g a quasi 2 kg)

Contattore statico

Nel tiristore tradizionale si ha un solo comando destinato ad innescare la conduzione. Nel contattore statico abbiamo un ulteriore comando per l’estinzione della i. Si possono usare particolari tiristori a spegnimento controllato o transistori o più tiristori + circuiti ausiliari .

Elemento raddrizzatore controllabile

Il settore, che ha cominciato a percorrere i primi passi nel 1948 con l’invenzione del transistor, è un settore tecnologico in continua crescita ed evoluzione. Nel 1956 venne inventato il transistore PNPN che fu chiamato tiristore o SCR (Silicon Controlled Rectifier, raddrizzatore controllato al silicio). Dopo di allora ci sono stati straordinari progressi dei dispositivi di potenza a semiconduttore realizzati prevalentemente in silicio, ma anche in carburo di silicio. Abbiamo oggi 3 tipi di diodi di potenza, 11 tipi diversi di tiristori a spegnimento non controllato o controllato, 4 tipi di transistor di potenza (ad es. gli IGBT adatti per tensioni e correnti elevate, fino a 1700 V e 2400 A.

Classificazione dei dispositivi

Sono possibili diversi criteri di classificazione: ad es. sulla base delle funzioni svolte (variatori o regolatori di corrente, raddrizzatori,convertitori di corrente, inverter, convertitori di frequenza) oppure sulla base della commutazione (passaggio della conduzione da un elemento raddrizzante ad un altro) distinguendo tra:

• Dispositivi con commutazione (naturale o forzata); la commutazione naturale avviene esclusivamente per i valori assunti da v ed i; quella forzata per l’intervento di un contattore statico.

• Dispositivi senza commutazione

Variatori o regolatori di corrente

Conversione ac-ac

Conversione dc-dc

Raddrizzatori semplici e controllati

Nei raddrizzatori semplici la tensione in uscita non è regolabile e può essere data da:

con k fisso e dipendente dal tipo di raddrizzatore. Nei raddrizzat. controllati

con h variabile in funzione del segnale di comando e tale che hk<1.

tVv sin2 11 12 2VkV 10 k

12 2VhkV 10 k

Dominio di lavoro dei raddrizzatori semplici e controllati

La corrente in uscita I2 è unidirezionale con verso imposto dagli elementi raddrizzanti. Se per il bipolo collegato all’uscita del raddrizzat.re si adopera la convenz.ne dell’utilizzatore, il luogo dei possibili valori di V2 ed I2 si trova nel primo quadrante del piano I2, V2 Il flusso della potenza P= V2 I2 è unidirezionale dall’ingresso all’uscita.

Convertitori di corrente

Conversione ac-dc realizzata da particolari raddrizzatori controllati in grado di invertire V2:

Il luogo dei punti I2,V2 appartiene al I ed al IV quadrante. La potenza P può cambiare di segno ed il suo flusso è bidirezion.

12 2VhkV 10 kbha 10 a 10 b

tVv sin2 11

Inverter

Conversione dc-ac. La tensione in uscita è periodica non sinusoidale di valore efficace V2. Sono regolabili la frequenza f e V2 in funzione dei segnali applicati ai canali di comando.

Convertitore di frequenza

Conversione ac-ac. La tensione in uscita è periodica non sinusoidale di valore efficace V2. Sono regolabili la frequenza f e V2 in funzione dei segnali applicati ai canali di comando.

Ponti raddrizzatori (conversione ac-dc)

Raddrizzatori semplici e controllati, convertitori di corrente

Ponte a diodi (ponte di Graetz)

dt

di

L

vR 220

se 22 tancos IteiL

1v

t

12V

0 2

t

2I

tVv sin2 11

Ponte a diodi (ponte di Graetz)

2I

11

0

2

22)()sin(2

1VtdtVV

Ponte monofase a tiristori

2I

LR,

t

t

gcv

3

2

cos22

)()sin(21

112 VtdtVV

Ponte monofase semicontrollato

LR,

2I

t

t

2

2vBAv

)cos1(2

)()sin(21

112 VtdtVV

Ponte trifase a diodi

%

)sin(2 tEeA

)120sin(2 tEeB

)240sin(2 tEeC

Tensioni stellate

Tensioni concatenate

)30sin()3(2 tEvAB

)90sin()3(2 tEvBC

)210sin()3(2 tEvCA

)210sin()3(2 tEvBA

)90sin()3(2 tEvCB

)30sin()3(2 tEvAC

vu

eA, eB, eC

%

Tensione d’uscita sul carico

Vu è fornito dall’inviluppo delle 6 tensioni concatenate in sequenza vCB,vAB, vAC, vBC, vBA e vCA, che rappresenta in ciascun intervallo angolare pari a π/3 il massimo delle stesse 6 tensioni. Sono in conduzione i 2 diodi (uno del semiponte inferiore e l’altro del semiponte superiore e non appartenenti allo stesso ramo) collegati a due dei tre morsetti A, B e C corrispondenti alle tensioni concatenate massime. La tensione d’uscita

Potenza 3 kW

Lunghezza 7 cmAltezza 4,2 cm

è molto meno ondulata di quella che si ha nel ponte monofase. La tensione in uscita è:

11

6/

6/

2

23)()cos(2

3VtdtVVV u

Variatori di corrente

Variatori di corrente alternata e di corrente continua

Variatore di corrente alternata (carico puramente ohmico)

R i1i

2i

t

t

Per α<ωt<π i=i1=v2/R; Per π<ωt<π+α i=0;Per π+ α<ωt<2π i=i2=v2/R.

)sin(2)( 11 tVtv

Variatore di corrente alternata (carico puramente induttivo)

L

1i

2i

t

t

)sin(2 1 tVdt

diL 0

1 )cos(2

ItL

Vi

per t 0i

cos2 1

0 L

VI )cos(cos

2 1 tL

Vi

%

Variatore di corrente alternata (carico puramente induttivo)

Corrente:

si annulla per:

Deve essere:

)cos(cos2 1 tL

Vi

2t

2/

2

Variatore di corrente alternata (carico ohmico-induttivo)

)sin(2)( 11 tVtv

dt

diLRiv 1

)()( tiketi pt

TL

R 1

tLR

Vtip sin

)(2)(

22

1 )(R

Larctg

k si calcola imponendo che all’istante d’innesco di T1 ωt=α, i=0: %

)/(0)/(

pT ikei

L

R

eLR

Vk

)sin()((

222

1

)sin()sin()(

2)()(

22

L

Rt

etLR

Vti t

0)/( i

β è soluz. dell’eq. trascendente:

0)sin()sin()(

L

R

e

in ωt=β T1 si blocca; in ωt=π+α siinnesca T2 e i=i2 diventa negativa.

Dev’essere

e quindi

Variatori corrente alternata

In tutti i casi considerati l’armonica fondamentale di corrente è sfasata in ritardo rispetto alla tensione sinusoidale v1 di un angolo variabile con l’angolo d’innesco α. Il variatore quindi assorbe una potenza reattiva Q dalla rete di alimentazione, per cui si può rendere necessario il rifasamento. Poiché Q dipende da α il rifasamento deve tener conto della variabiltà di Q.

Variatore di corrente continua (Chopper)

t

t

t

t

t

2vpT

ct Dt

2V

1V

aa

sa

1i

2I1I

DI 2I

Di12 V

tt

tV

dc

c

21 Itt

tI

dc

c

2211 IVIV

INVERTER

Convertitori di frequenza

Esistono due categorie di convertitori di frequenza:

• I convertitori diretti (o cicloconvertitori) che trasformano direttamente la tensione in ingresso vi a frequenza fi in quella d’uscita vu a frequenza fu

(dispositivi a commutazione naturale)

• I convertitori a circuito intermedio che trasformano prima la tensione d’ingresso alternata in una continua e poi di nuovo questa in una alternata a frequenza diversa da quella di ingresso (dispositivi a commutazione forzata).

Cicloconvertitore

Lo schema di principio è costituito da due ponti di tiristori collegati in antiparallelo. La regolazione dei tiristori di ciascun ponte consente l’inversione della vu sul carico; il passaggio della conduzione da un ponte all’altro consente l’inversione periodica della i. Il sistema alternativo di uscita a frequenza fu è ottenuto mediante un’opportuna regolazione dell’angolo d’innesco α dei tiristori. I due ponti monofasi possono essere sostituiti da due ponti trifasi.

%

Ciascun ponte monofase, se è in conduzione con α costante fornisce una tensione d’uscita vu variabile di periodo τ’ con valor medio costante Vd

V2 cos9,0cos VHVVd

Se α è variabile, Vd assume in ciascun intervallo τ’ valori via via diversi.Se approssimiamo in ciascuno di tali intervalli la tensione sul carico vu con il suo valore medio, essa assume la forma di una funzione variabile a scatti. Se α varia periodicamente nel tempo con periodo 2τu la vu sul carico diventa una funzione periodica, variabile a scatti, di periodo anche essa 2τu %

vu=vk per tk<t<tk+1

tV uu )/(cos2

nu /' kuuk tVv )/(cos2

nnkt uk /)2/(

nnkVv uk /)2/(cos2

)'2/(1 if nff iuu /)2/(1 Il cicloconvrtitore è un riduttore di frequenza

ui VHV 2

La commutazione tra i due ponti si ha per ogni inversione di segno della corrente

nnkk /)2/(

Convertitori di frequenza a circuito intermedio

1v iv 2v

1f 2f0if

%

%