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 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

Conversione statica dell’energia elettrica Applicazioni CONVERSIONE DELLA CORRENTE DA ALTERNATA A CONTINUA: CONVERTITORI AC-DC (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 K A = Anodo; K = Catodo; G = Gate (morsetto di controllo) A K G

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 A K n+ p n+ p n n- p G p n p+ K A

Connessione dei BJT SCR: A A IA T1 p T1 n G p T2 G n IG K T2 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 VAK IG = 0 I’’G I’G IG< I’G< I’’G IAH Stato di ON IG = 0 I’’G I’G IAH 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.

CONVERTITORI AC-DC CONTROLLATI 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 T5 T1 T3 L R E T4 T6 T2 Impulsi ai gate

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 vd vs T3 T4

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 Variando l’angolo di innesco, la Vd si modifica e varia, di conseguenza, la tensione media sul carico (<Vd>). t =   = angolo di innesco Ig1 <Vd> = valor medio della Vd Ig2 <Vd> = Vso (1+cos )/ Ig3 Ig4

<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.

CONVERTITORI DC - AC: INVERTERS Unità N°3 CONVERTITORI DC - AC: INVERTERS

Principio di funzionamento di un INVERTER monofase Vi Vi R t 1 B A 2 Vi Vu 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 DC/AC M M Fig. 2 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 Alimentazione (trifase a 50 Hz) 3 - Generatore di impulsi di GATE + Id* + Regolatore

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 INVERTER Alimentazione AC Vs* a 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