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