ELETTRONICA DI POTENZA (Allievi CdL Ing 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

Diodo Elemento 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.

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.

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)

Ponte a diodi (ponte di Graetz)

Ponte monofase a tiristori

Ponte monofase semicontrollato

Ponte trifase a diodi

Tensioni stellate

Tensioni concatenate

Tensione d’uscita sul carico vu eA, eB, eC 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

è molto meno ondulata di quella che si ha nel ponte monofase. La tensione in uscita è: Lunghezza 7 cm Altezza 4,2 cm Potenza 3 kW

Variatori di corrente alternata e di corrente continua

Variatore di corrente alternata (carico puramente ohmico) Per α<ωt<π i=i1=v2/R; Per π<ωt<π+α i=0; Per π+ α<ωt<2π i=i2=v2/R.

Variatore di corrente alternata (carico puramente induttivo)

Variatore di corrente alternata (carico puramente induttivo) si annulla per: Deve essere:

Variatore di corrente alternata (carico ohmico-induttivo) k si calcola imponendo che all’istante d’innesco di T1 ωt=α, i=0:

β è soluz. dell’eq. trascendente: in ωt=β T1 si blocca; in ωt=π+α si innesca 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)

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 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 Il cicloconvrtitore è un riduttore di frequenza La commutazione tra i due ponti si ha per ogni inversione di segno della corrente

Convertitori di frequenza a circuito intermedio