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
Elemento raddrizzatore
controllabile
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 .
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:
V2  k 2V1
v1  2V1 sin t
0  k 1
con k fisso e dipendente
dal tipo di raddrizzatore.
Nei raddrizzat. controllati
V2  hk 2V1 0  k  1
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
v1  2V1 sin t
Conversione ac-dc
realizzata da particolari
raddrizzatori controllati in
grado di invertire V2:
V2  hk 2V1
0  k 1
 a  h  b 0  a 1
0  b 1
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)
v1
v1  2V1 sin t
2V1
0
2

t
I2
v2 di2
R0 
L dt
se L    i2  cos tan te  I 2

t
Ponte a diodi (ponte di Graetz)
I2
V2 
1


0
2V1 sin( t )d (t ) 
2 2

V1
Ponte monofase a tiristori
t
3  

R, L
v gc

   2  
I2
V2 
1

 

t
2V1 sin( t )d (t ) 
2 2

V1 cos 
Ponte monofase semicontrollato
v2
v BA
R, L

2  
t
I2
t
V2 
1

 
2V1 sin( t )d (t ) 
2

V1 (1  cos  )
Ponte trifase a diodi
%
e A  2 E sin( t )
Tensioni stellate
eB  2 E sin( t  120)
eC  2E sin( t  240)
Tensioni concatenate
v AB  2 ( 3E ) sin( t  30)
vBA  2 ( 3E ) sin( t  210)
vBC  2 ( 3E) sin( t  90)
vCB  2 ( 3E) sin( t  90)
vCA  2 ( 3E) sin( t  210)
vAC  2 ( 3E) sin( t  30)
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:
V2  Vu 
3

 /6

2V1 cos(t )d (t ) 
 /6
Lunghezza 7 cm
Altezza 4,2 cm
Potenza 3 kW
3 2

V1
Variatori di corrente
Variatori di corrente alternata e di
corrente continua
Variatore di corrente alternata
(carico puramente ohmico)
t

R
i

v1 (t )  2V1 sin( t )
i1
t
Per α<ωt<π i=i1=v2/R;
Per π<ωt<π+α i=0;
Per π+ α<ωt<2π i=i2=v2/R.
i2
Variatore di corrente alternata
(carico puramente induttivo)
  
t

L
i1


t

 
i2
di
2V1
per t  
L  2V1 sin( t )  i  
cos(t )  I 0
dt
L
2V1
2V1
I


 0 L cos  
i
(cos   cos t )
L
i0
%
Variatore di corrente alternata
(carico puramente induttivo)
Corrente:

2
2V1
i
(cos   cos t )
L
si annulla per:
t    2  
Deve essere:


 
       / 2
Variatore di corrente alternata (carico
ohmico-induttivo)
v1 (t )  2V1 sin( t )
di
v1  Ri  L
dt
i(t )  ket  i p (t )

i p (t )  2
V1
R  (L)
2
2
sin t   
R
1

L
T
  arctg (
L
R
k si calcola imponendo che all’istante d’innesco di T1 ωt=α, i=0:
)
%

i ( /  )  0  ke
i (t )  2

T
 i p ( /  )
k 
2V1
( R  (L)
2
2
sin(    )e
R
L
(t  ) R



L
sin( t   )  e
sin(    )   t  

R 2  (L) 2 


 i(  /  )  0
V
β è soluz. dell’eq. trascendente:
(   ) R



L
sin(    )  0
sin(    )  e


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)
Tp
v2
tc
tD
V1
V2
t
aa
t
as
t
i1
t
V2  c V1
tc  td

t
I1  c I 2
tc  td
V1 I1  V2 I 2

I1
I2
t
iD
ID
I2
t
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
2V
Vd  HV cos   0,9V cos 
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
 'u / n
tk  (k  n / 2) u / n
vk  2Vu cos( /  u )tk 
vk  2Vu cos(k  n / 2) / n
2Vu cos( /  u )t 
fi  1 /( 2 ' )
fu  1 /( 2 u )  fi / n 
 k  (k  n / 2) / n
Il cicloconvrtitore è un
riduttore di frequenza
HVi  2Vu
La commutazione tra i due ponti si ha per ogni inversione di segno della corrente
Convertitori di frequenza a
circuito intermedio
v1
f1
vi
v2
fi  0
f2
%
%