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I.T.I.S. SPOLETOMODULO DIDATTICO:
ELETTRONICA INDUSTRIALE DI POTENZA
E
AZIONAMENTI ELETTRICIA 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
ON I > 0
I
I
V
Ordine di grandezza dei parametri elettrici
Applicazioni di potenza
Tensioni: kV
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
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
G
A = Anodo;
K = Catodo;
G = Gate (morsetto di controllo)
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 SCRE’ 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.
pn+ n+
n-
p
p+
A
K
G
p
n
p
n
A
K
G
Connessione dei BJT
p
n
p
n
A
K
G
T1
T2
A
G
K
T1
T2
SCR:
IG
IA
IK
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
IAH
VAK
IA
Stato di ON
IG = 0
I’GI’’G
IG< I’G< I’’G
Stato di OFF diretto
Stato di OFF inverso
Breakdown
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.
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 TRIFASIL1
L2
L3
L
R
E
T1 T3 T5
T2T6T4
Impulsi ai gate
Per capire il funzionamento, si farà il caso semplice di un convertitore a ponte di SCR, con carico resistivo
vs
Vs = Vso sin t
T1 T2
T3 T4
R
id
vd
FUNZIONAMENTO
Vs > 0: T1 e T4 sono polarizzati direttamente; si possono accendere con l’impulso di gate, mentre T3 e T4 sono polarizzati in inversaVs < 0: è il contrario del caso sopra!vd
t =
Ig1
Ig2
Ig3
Ig4
= angolo di innesco
<Vd> = valor medio della Vd
<Vd> = Vso (1+cos )/
Variando l’angolo di innesco, la Vd si modifica e varia, di conseguenza, la tensione media sul carico (<Vd>).
• 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.
<Vd> = Vso (1+cos )/
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.
Unità N°3
CONVERTITORI DC - AC:
INVERTERS
Principio di funzionamento di un INVERTER monofase
Vi R
VuVi
Vi
t
Vu
1
2A
B
t
T
Fig. 1
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
M
CONTROLLO
MOTORE
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)
M
DC/AC
Fig. 2
M
DC/ACAC/DC
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
Modulante
Oscillatore
Portante
Modulatore
PWM
Invertitore
Alimentatore
Vout
Vin
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
Generatore di impulsi di GATE
+
Regolatore
Id*
Id
M
3
Rettificatore INVERTER
Alimentazione (trifase a 50 Hz)
-+
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
Cm a
a
Accelerazione
Decelerazione
Schema di principio del controllo V/Hz
Alimentazione ACAC/DC INVERTER
M
3
G1 G2+*
-
Tachimetro
++
Controllo della Is-
a
G+Vo
Vs*
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:
Rete di alimentazione
f = 50 Hz
Utilizzatore