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

TiristoreElemento 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.

TransistoreDispositivo a semiconduttore a tre morsetti con vasto uso in

elettronica

E’ un dispositivo controllato sia in chiusura che in apertura

BJT

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

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

Frequency [Hz]

Power [W]

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

maxmax VVm

Tt

t

u dvT

V 1

0

m

m

Vk

2

1

Valor medio

Ampiezza dell’ondulazione

Fattore di ondulazione

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

2

110 sinsinn

nn tnItIIti

THD – tasso di distorsione armonica1

2

1

2

2

I

I

I

I

THD hnn

PF – fattore di potenza

12

11

1 cos

100

%1

cos

THD

I

I

IPF

THDIIIIIII h 1

2

1

2

0

22

1

2

0

)()(1 correntefasetensionefase

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

V

VR

VD

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

VR

1) Quando il diodo è interdetto, il

condensatore si scarica più o meno

lentamente sul carico

Raddrizzatore a semplice semionda con condensatore

C

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 doppia semionda

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

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

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

ialim

VR

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

Ponte raddrizzatore trifase

VRL

VB

VA

VC

iD1

iD2

iD5

iD3

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

Raddrizzatori controllati

Verificare la variazione del valor medio della

tensione sul carico in funzione dell’angolo di ritardo

iLOAD

V1

VLOAD

Raddrizzatori controllati – carico RL

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

S1

VR

S2

on

offon

off

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

A larghezza d’impulso (PWM)

Afrequenza costante

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)

t

t

t

t

t

2v

pT

ct Dt

2V

1V

aa

sa

1i

2I

1I

DI 2I

Di12 V

tt

tV

dc

c

21 Itt

tI

dc

c

2211 IVIV