1
Corso di
ELETTRONICA INDUSTRIALE
INVERTITORI MONOFASE
A TENSIONE IMPRESSA
0.
2
Principi di funzionamento di
invertitori monofase a tensione impressa
0.
3
Principi di funzionamento di
invertitori monofase a tensione impressa
• Struttura e funzionamento dell’invertitore
monofase di tensione a due livelli
0.
4
Principi di funzionamento di
invertitori monofase a tensione impressa
• Struttura e funzionamento dell’invertitore
monofase di tensione a due livelli
• Metodi di modulazione a PWM analogici e
digitali
0.
5
Principi di funzionamento di
invertitori monofase a tensione impressa
• Struttura e funzionamento dell’invertitore
monofase di tensione a due livelli
• Metodi di modulazione a PWM analogici e
digitali
• Modulazioni a bassa frequenza di portante
e ad onda quadra
0.
6
Principi di funzionamento di
invertitori monofase a tensione impressa
• Struttura e funzionamento dell’invertitore
monofase di tensione a due livelli
• Metodi di modulazione a PWM analogici e
digitali
• Modulazioni a bassa frequenza di portante
e ad onda quadra
• Componenti di potenza per invertitori
1.
7
Invertitore di tensione monofase a PWM
Generazione di due livelli di tensione:
positivo e negativo
+
E
+
E
-
+
V
-
+
U
-
1.
8
Invertitore di tensione monofase a PWM
+
E
+
E
-
• Due livelli di tensione di uscita
Generazione di due livelli di tensione:
• Alimentazioni continue (+E e -E)
positivo e negativo
a bassa impedenza
• Carico connesso al punto
intermedio delle alimentazioni
+
V
-
+
U
-
1.
9
Invertitore di tensione monofase a PWM
+
E
+
E
-
Generazione di due livelli di tensione:
• Carico induttivo alla frequenza di
positivo e negativo
modulazione
• Armoniche di modulazione nella
corrente di uscita filtrate dal carico
+
V
-
+
U
-
1.
10
Invertitore di tensione monofase a PWM
+
E
+
E
-
Generazione di due livelli di tensione:
Per generare i due livelli di
positivo e negativo
tensione con correnti sia entranti
che uscenti si estende la struttura
del convertitore Buck
+
V
-
+
U
-
2.
11
Realizzazione dell’invertitore di tensione
a due livelli
(A) Corrente di carico uscente
Transistor conduttore
+
E
+
E
-
ON
I
+
V=+E
-
+
U
-
2.
12
Realizzazione dell’invertitore di tensione
a due livelli
(A) Corrente di carico uscente
Transistor interdetto
+
E
+
E
-
OFF
I
+
V=-E
-
+
U
-
3.
13
Realizzazione dell’invertitore di tensione
a due livelli
(B) Corrente di carico entrante
Transistor conduttore
+
E
+
E
-
ON
+
I V=-E
-
+
U
-
4.
14
Realizzazione dell’invertitore di tensione
a due livelli
(B) Corrente di carico entrante
Transistor interdetto
+
E
+
E
-
I
OFF
+
V=+E
-
+
U
-
4.
15
Realizzazione dell’invertitore di tensione
a due livelli
(A+B) Corrente di carico bidirezionale
+
E
+
E
-
I
+
V
-
+
U
-
5.
16
Realizzazione dell’invertitore di tensione
a due livelli
+
E
+
E
-
Corrente di carico bidirezionale
Tensione di uscita positiva
ON
I
+
V=+E
OFF
+
U
-
6.
17
Realizzazione dell’invertitore di tensione
a due livelli
+
E
+
E
-
Corrente di carico bidirezionale
Tensione di uscita negativa
OFF
ON
I
+
V=-E
-
+
U
-
6.
18
Realizzazione dell’invertitore di tensione
a due livelli
+
E
+
E
-
I
+
V
-
+
U
-
7.
19
Realizzazione dell’invertitore di tensione
a due livelli
+
E
+
E
-
+
V
-
Ciascun
transistor con
il diodo
I connesso in
parallelo
costituisce un +
interruttore
U
bidirezionale -
7.
20
Modulazione PWM a due livelli
Rappresentazione
con interruttori ideali
+
E
+
E
-
S1
S2
Per semplicità si
userà la
rappresentazione con
interruttori ideali
I
+
V
-
+
U
-
7.
21
Modulazione PWM a due livelli
Rappresentazione
con interruttori ideali
+
E
+
E
-
S1
S2
Tuttavia, la reale
struttura degli
interruttori pone dei
vincoli alle modalità di
I
operazione
+
V
-
+
U
-
8.
22
Modulazione PWM a due livelli
S1
Ad esempio, la
contemporanea
chiusura di S1 ed S2
provoca un corto
circuito
I sulle
alimentazioni
S2
+
V
-
Rappresentazione
con interruttori ideali
+
E
+
E
-
+
U
-
8.
23
Invertitore di tensione monofase a due livelli
Sovrapposizione di conduzione dei transistor
+
E
+
E
-
ON
ON
8.
24
Invertitore di tensione monofase a due livelli
Sovrapposizione di conduzione dei transistor
La sovrapposizione della
conduzione dei due
transistori può essere
+
ON causata da ritardi e
E
imprecisioni dei comandi
+
E
-
ON
9.
25
Invertitore di tensione monofase a due livelli
Sovrapposizione di conduzione dei transistor
Per evitare la conduzione
contemporanea dei due
interruttori si dà un tempo
+
ON morto fra i due comandi di
E
accensione
+
E
-
ON
9.
26
Tempo morto di comando
+
E
+
E
-
C S1
C S2
+
+
V
-
U
-
C S1
t
C S2
Tempo morto
t
11
27
Tempo morto di comando
+
E
+
E
-
C S1
C S2
Durante il tempo
morto è necessario
avere una via di
+
+
richiusura
per la
U
V
corrente
di carico
-
C S1
t
C S2
Tempo morto
t
11
Conduzione dei diodi duranteil tempo morto
+
E
+
E
-
OFF
I
I uscente
V<0
I entrante
V>0
+
U
-
+
V
OFF
28
CS
t
C S1
t
C S2
t
I entrante V > 0
Durante il tempo morto
t
V
TD
T SW
13
29
Conduzione dei diodi durante
La via di richiusura
è assicurata
il tempo
morto
dai diodi in antiparallelo. La
tensione in uscita dipende dal
verso della corrente
+
I uscente
OFF
I
E
I entrante
+
+
V
E
OFF
V>0
V<0
+
U
-
13
30
Invertitore di tensione monofase a due livelli
Stati dell’invertitore
S1 ON S2 OFF
S1 OFF S2 ON
S1 OFF S2 OFF
S1 ON S2 ON
V = +E
V=-E
V dipende dal segno di I
NON AMMESSA
14
31
Invertitore di tensione monofase a due livelli
Rappresentazione
con interruttori ideali
+
E
+
E
-
La modulazione
PWM verrà studiata
con riferimento a
interruttori ideali
I
S1
S2
+
V
-
+
U
-
14
32
Modulazione PWM a due livelli
δ > 0.5
+E
Vmed > 0
v(t)
-E
Nella modulazione PWM,
Vmed
t
T
variando il duty cycle δ si
varia il valore medio della (1−δ)T
tensione di uscita
V = Vmed = (2 δ - 1) E
δT
16
33
Modulazione PWM a due livelli
δ > 0.5
+E
-E
Vmed > 0
v(t)
Vmed
t
T
(1−δ)T
V = Vmed = (2 δ - 1) E
δT
16
34
Modulazione PWM a due livelli
δ < 0.5
+E
-E
v(t)
Vmed < 0
t
T
δ T (1−δ)T
V = Vmed = (2 δ - 1) E
Vmed
16
35
Modulazione PWM a due livelli
Nel complesso, variazioni del “duty
δ
<
0.5
V
<
0
med
cycle” (fattore di utilizzazione) δ da 0
v(t)
+E a 1 generano una tensione media di
uscita V variabile fra -E e +E
-E
t
T
V = Vmed = (2 δ - 1) E
δ T (1−δ)T
Si ottiene V=0 con δ =0.5
V = Vmed = (2 δ - 1) E
Vmed
17
36
Modulazione PWM a due livelli
La PWM consente di far seguire a
δ < forma
0.5 d’ondaVV*
med < 0
Vmed una
v(t)
assegnata,
mediante
variazioni
nel
+E
tempo del valore di δ:
-E
t
T
V = Vmed = (2 δ(t) - 1) E
δ T (1−δ)T
V = Vmed = (2 δ - 1) E
Vmed
17
37
Modulazione PWM a due livelli
Tensione di uscita variabile
+E
-E
v(t)
Vmed
t
T
V = Vmed = (2 δ(t) - 1) E
19
Modulazione PWM a due livelli
Forma d’onda sinusoidale
v(t)
Vmed
i(t)
I med
38
Modulazione PWM a due livelli
Vmed e Imed sono definite
Forma come
d’ondalesinusoidale
medie in un
periodo di modulazione dei
valori istantanei di tensione
v(t) e di corrente i(t)
v(t)
Vmed
i(t)
I med
21
39
22
40
Modulazione PWM a due livelli
L’ondulazione di corrente intorno a Imed
è ridotta dall’azione filtrante del carico
v(t)
Vmed
i(t)
I med
22
41
Modulazione PWM a due livelli
Modulazione analogica
(con portante
triangolare)
La generazione
dei segnali
di comando
v(t)δ(t) corrispondente ad una
con il duty cycle
+E
forma d’onda di riferimento V*
può essere fatta per via analogica
-E
o per via digitale
V med
V*
T
t
T
t
23
42
Modulazione PWM a due livelli
Modulazione analogica
(con portante triangolare)
v(t)
+E
t
-E
V med
V*
T
T
t
25
43
Modulazione PWM a due livelli
Laanalogica
modulazione
Modulazione
è
(con portanteanalogica
triangolare)
normalmente ottenuta
v(t)
+E
comparando il
riferimento V* con una
t
portante
triangolare
-E
V med
(modulazione “senoT
T
V*
triangolo”)
t
25
44
Modulazione PWM a due livelli
Modulazione analogica: schema a blocchi
+E
Modulatore a
V*
+
-
PWM
CS1
Logica di
comando
CS2
degli
interruttori
V
-E
Controllo del tempo morto
26
45
Modulazione PWM a due livelli
Modulazione
digitale a microcontrollore
La modulazione
digitale calcola
direttamente gli istanti di
Memoria
commutazione, e quindi le
(forma d'onda)
durate di conduzione degli
interruttori, a partire dalla+E
forma
Csolito
S1
Clock
d’onda
di
riferimento,
di
Calcolo
Amp.
memorizzata dei
in forma numerica
di V*
V
CS2
tempi di
Freq. Conv.
di V*
A/D
accensione
-E
μC
27
46
Modulazione PWM a due livelli
Modulazione digitale a microcontrollore
μC
Memoria
(forma d'onda)
+E
Amp.
di V*
Freq.
di V*
Clock
Conv.
A/D
Calcolo
dei
tempi di
accensione
CS1
V
CS2
-E
28
47
Modulazione PWM a due livelli
L’utilizzo di microcontrollori o di circuiti integrati
dedicati (ASIC) consente una realizzazione
compatta del controllo digitale
29
48
Modulazione PWM a due livelli
L’utilizzo di microcontrollori o di circuiti integrati
dedicati (ASIC) consente una realizzazione
compatta del controllo digitale
Secondo la tendenza attuale, si preferisce il
controllo digitale per la sua affidabilità, per
l’assenza di procedure di taratura e per la
facilità di aggiornare il controllo senza
modificare il circuito
29
49
Modulazione ad onda quadra
Quando la frequenza di modulazione diventa
prossima a quella della V* da generare
(pochi impulsi per periodo) il filtraggio del
carico si riduce e la forma d’onda della
corrente è molto distorta
31
50
Modulazione ad onda quadra
Quando la frequenza di modulazione diventa
prossima a quella della V* da generare
(pochi impulsi per periodo) il filtraggio del
carico si riduce e la forma d’onda della
corrente è molto distorta
In alcuni casi le deformazioni sono accettabili.
La PWM può consentire ancora di regolare
l’ampiezza della componente fondamentale
della tensione
31
51
Modulazione ad onda quadra
Con un solo impulso per periodo (modulazione
ad onda quadra) l’ampiezza della
componente fondamentale della tensione
generata è fissa e se ne può regolare
soltanto la frequenza
32
52
Modulazione ad onda quadra
^
vo /E
(Vo1)/E
1.4
4/π
4/ π
1.2
+1
1
0.8
0
0.6
fondamentale della
tensione di uscita
0.4
-1
0.2
T
T/2
T/2
(a)
0
1
3
5
7
9
11
13
armoniche
(b)
La tensione d’uscita è notevolmente deformata, le armoniche sono
molto vicine alla frequenza della fondamentale
15
17
h
Modulazione PWM a due livelli
Modulazione analogica (con portante triangolare)
23
53
9.
54
Invertitore monofase a ponte intero
Si può realizzare un invertitore
monofase di tensione (a ponte “ad H”)
unendo due invertitori monofase di
tensione a due livelli che utilizzano la
stessa alimentazione
Convertitore full bridge (ponte intero)
+
S 1B
S 1A
vdc
o
io
vAo
+ vo _
vBo
S 2B
S 2A
_
(b)
MODULAZIONE A DUE LIVELLI: gli interruttori del ramo A vengono
comandati in modo complementare rispetto a quelli del ramo B
23
55
10
Invertitore di tensione monofase a PWM
Generazione di tensione a tre livelli
+
E
+
E
-
S1A
S1B
v12
v1 v2
S2A
S2B
56
E
E
v1
V1med
V 2med
v2
2E
13
V12med
v12
V1med > Vtri
S1A ON
V1 = E
S1A, S2B ON
V1 = E V2 = -E V12=2E
V1med < Vtri
S2A ON
V1 = -E
S2A, S1B ON
V1 = -E V2 = E V12=-2E
(-V1med) > Vtri S1B ON
V2 = E
S1A, S1B ON
V1 = E V2 = E V12= 0
(-V1med) < Vtri S2B ON
V2 = -E
S2A, S2B ON
V1 = -E V2 = -E V12= 0
57
13
Le due fasi sono modulate con
tensioni di riferimento uguali ed
Invertitore
di tensione monofase a PWM
opposte. Normalmente si usa la
Generazione
di tensione
a tre
livelli
stessa portante
per le due
fasi
con alimentazione singola
E
E
2E
v1
V1med
V 2med
v2
v12
V12med
58
13
Per generare tensioni medie positive
si mudula la tensione istantanea vo
Invertitore
monofase
tra 0 edi
2Etensione
e per generare
tensioni a PWM
medie negative
0 e -2E. a tre livelli
Generazione
ditra
tensione
E
E
2E
v1
con alimentazione singola
V1med
V 2med
v2
v12
V12med
59
13
La frequenza di commutazione vista
dal carico è doppia rispetta a quella di
Invertitore
di tensione
monofase a PWM
commutazione
degli interruttori.
Generazione di tensione a tre livelli
con alimentazione singola
E
E
2E
v1
V1med
V 2med
v2
v12
V12med
60
Invertitore trifase
di tensione a PWM
Generazione di tre tensioni
indipendenti a due livelli
1.
Si ottiene un invertitore 61
trifase di tensione a
PWM con tre invertitori
monofase di tensione a
due livelli che utilizzano
la stessa alimentazione
+
E
+
E
-
v1
v2
v3
4.
62
Invertitore trifase di tensione a PWM
V1*
v1
v2
v3
V2*
V3*
V1med
V2med
V3med
2.
63
Invertitore trifase di tensione a PWM
V1*
v1
v2
v3
V2*
V3*
V1med
Per produrre tre tensioni
di fase secondo dati
V2med
riferimenti, ciascuna fase
può essere modulata in
modo indipendente V3med
5.
64
Invertitore trifase di tensione a PWM
V1*
v1
v2
v3
V2*
V3*
V1med
Normalmente per le tre fasi
V2med
si usa la stessa frequenza
di modulazione e spesso la
stessa portante triangolare
V3med
5.
65
Invertitore di tensione trifase a PWM
Generazione di tre tensioni indipendenti a due livelli
+
E
+
E
-
v1 v2 v3
Invertitore di tensione trifase a PWM
Generazione di tre tensioni indipendenti a due livelli
Se il carico è privo di connessione
di centro stella si può usare
un’unica tensione di alimentazione
+
2E
v1 v2 v3
8.
66