Sistemi elettronici di conversione: raddrizzatori a semionda e a ponte

Sistemi Elettronici di Conversione

Sistemi elettronici di conversione (conversione ac-dc, ac-ac, dc-dc, dc-ac) C. Petrarca

Cenni su alcuni componenti elementari

Diodo, tiristore, contattore statico, transistore

Interruttore ideale

interruttore ideale chiuso interruttore ideale aperto L'interruttore ideale è un bipolo tempo-variante che può assumere in istanti diversi due stati diversi: chiuso o aperto. Quando è chiuso costituisce un cortocircuito ideale; Quando è aperto costituisce un circuito aperto ideale

Diodo

Elemento raddrizzatore non controllabile a) AO OK + Va - b) Vd V Zona di breakdown inverso A: Anodo K: Catodo Fig. A.2: Simbolo, caratteristica reale (a) e ideale (b) di un diodo.

Diodo Zener

• Se polarizzato direttamente, si comporta come un diodo normale.
• Se polarizzato inversamente, si comporta come un interruttore aperto ma, per tensioni inferiori alla tensione di breakdown Vz, non si distrugge e mantiene la tensione ai suoi morsetti
• E' usato come stabilizzatore di tensione Anode Cathode Vz Vd Zona di breakdown

Tiristore

Elemento raddrizzatore controllabile (SCR) İd G İd AO -OK ON Zona di breakdown diretto id + Vd - A: Anodo K: Catodo OFF gate Vd Zona di breakdown inverso a) OFF Vd b) Fig. A.4: Simbolo, caratteristica reale (a) e ideale (b) di un SCR. Il tiristore può essere immaginato come un interruttore pilotato in chiusura ma non in apertura: Tramite il morsetto di comando (il gate), possiamo comandare la chiusura dell'interruttore (a patto che sia va>0), ma non l'apertura. ON G: Gate

Transistore

Dispositivo a semiconduttore a tre morsetti con vasto uso in elettronica E' un dispositivo controllato sia in chiusura che in apertura

BJT (bipolar junction transistor)

BJT (bipolar junction transistor - fig. III-9a) agiscono come tasti chiusi o aperti a seconda che ci sia o no una elevata corrente di base; sono i transistori meno costosi, ma hanno una complessa circuiteria di comando poiché sono controllati in corrente BJT C B E n-p-n transistor C B E p-n-p transistori

MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor)

MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor rispetto ai BJT presentano i seguenti vantaggi: 1) potenza di comando praticamente nulla, in quanto sono controllati in tensione, 2) circuiti di comando più semplici e più efficienti, 3) frequenze di commutazione più alte (>100kHz) ma limitatamente ad applicazioni di bassa potenza (alcuni kVA) FET Drain Drain + - Gate Gate 0- 0- 2 Signal 1 Signal + - Source O Source O

IGBT (insulated-gate bipolar transistor)

gli IGBT (insulated-gate bipolar transistor), se si esclude il campo di potenze oltre il MVA, l'IGBT è attualmente il principale componente di quasi tutti i convertitori statici di potenza 1) sono dispositivi ibridi che consentono di trattare elevate correnti con basse perdite di conduzione come i BJT 2) presentano facilità di controllo e basse perdite di commutazione come i MOSFET 3) richiedono, essendo controllati in tensione, poca potenza di comando 4) possono resistere a tensioni inverse come i GTO Collector CO G O Gate EO Emitter

Caratteristiche dei dispositivi di potenza

I ideale SCR GTO BJT MOSFET IGBT perdite basse basse alte alte molto alte basse pilotaggio semplic molto compless complesso medio molto semplice semplice frequenza alta bassa bassa alta =5kH molto alta>100kH alta =10kH corrente alta alta alta media molto bassa medio-alta tensione alta alta alta media molto bassa media P max alta = 30MVA = 5MVA = 100kVA = 5 kVA =500kVA

Impiego dei dispositivi di potenza

SCR 107 106 Power [W] 105 GTO 104 103 BJT MOSFET IGBT 102 10 102 103 10 105 10 107 108 Frequency [Hz]

Impiego dei dispositivi di potenza: Tensione e Frequenza

tensione tiristori 5 kV 4 kV GTO 3 kV MCT 2 kV IGBT corrente BJT 1 kHz 1 KV 10 KHz MOSFET 100 kHz 1 MHZ 500 A 1000 A 1500 A 2000 A 3000 A frequenza Fig. III-11a

Conversione AC/DC: Raddrizzatori

Raddrizzatori monofase

R I D1 N D2 DI R + + 5) D4 D3 R V D2 - N

Raddrizzatori trifase

DA, iA A + A T + DB iB + B DC 4 R ec Dc ic + C 0 0 V Vo 2 Vd V out

Parametri di qualità del raddrizzamento (lato carico)

Ogni circuito raddrizzatore fornisce in uscita tensioni e correnti unidirezionali e periodiche, ma non costanti Al valor medio V0 in uscita, diverso da circuito a circuito, si sovrappongono ondulazioni Valor medio Vo = 1 T t+T Jvu(T) dr t Ampiezza dell'ondulazione 8 =V -V m max Fattore di ondulazione k = m 1 8 2 V m

Parametri di qualità del raddrizzamento (lato alimentazione)

Una qualsiasi funzione periodica (con periodo T) non sinusoidale può essere rappresentata con una sommatoria di: • Una sinusoide di periodo T (fondamentale) · Delle sinusoidi con frequenza pari a multipli interi della fondamentale (armoniche superiori) · Una componente continua lo 00 i(t)= I0 + I, sin(@t +@1)+ _In sin(not+Pn) 00 2 THD - tasso di distorsione armonica THD = n=2 - I n 1 I2 h I1 PF = I cos(+1)= 1 %THD 2 COS(+) 1+ 100 ) PF - fattore di potenza I=2+R +2 = 12 + R + I . THD DI = fase(tensione) - fase(corrente) n=2

Effetti delle armoniche in un impianto elettrico

• Sovraccarico (aumento del valore efficace della corrente)
• Vibrazioni
• Malfunzionamento di utenze sensibili
• Disturbi (es. linee di comunicazione)
• Usura di componenti (motori, trasformatori)
• Sovraccarico e usura di condensatori di rifasamento
• Presenza di perdite supplementari (costi maggiori)
• Interventi intempestivi degli organi di protezione

Raddrizzatore a semplice semionda

V -200 D V(V1:+) 2 QU VD D -200 D V(D1:1)- V(D1:2) 2 QU BU- SEL>> -200- 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ns 40ns 45ns 50ms D V(R1:2)- V(R1:1) Tine Raddrizzator .. I R + + 1/d V - R = 10k 1) La tensione di alimentazione è positiva, il diodo è in conduzione, la tensione sul diodo è nulla, la tensione sul resistore è uguale alla tensione di alimentazione. 2) La tensione di alimentazione è negativa, il diodo è interdetto, la corrente è nulla, la tensione sul diodo è uguale alla tensione di alimentazione, la tensione sul resistrore è nulla V. R 2

Raddrizzatore a semplice semionda con condensatore

2 QU 150 VR R 1 QU C SU 0s 5ms 10ms 15ns 20ms 25ns 30ms 35ms 40ms 45ms 5 0ns D · V AU(R1:2) (A) Chopper ... [D] Raddrizz. Time Ideal + Load - 1) Quando il diodo è interdetto, il condensatore si scarica più o meno lentamente sul carico

Raddrizzatore a doppia semionda

V -4QU D V(V1:+, V2 :- ) 2 QU 1QU SEL>> 5ms 10ns 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 4Ons 45ms 50ms · V(R1:2) Time (A) Caratteri ... [D] Raddrizz. VD1 D + D. R Da Vg = Vm sin cot 1) Dal morsetto centrale sono rese disponibili due tensioni sinusoidali di alimentazione uguali. 2) I diodi sono alternativamente interdetti e la tensione in uscita è unidirezionale periodica. 3) E' necessario avere un trasformatore con presa centrale VR R

Raddrizzatore a ponte di Graetz - carico R

2 QU V -20U D V(V1 :+)- V(V1 :- ) 2 QU 1 QU VR R SEL>> -1QU Os 5ms 10ms 15ms 20ms 25ns 3 0ms 35ms 40ms 45ms 50ms · V(R1:2) Time (A) Caratteri .. [D] Raddrizz ... 2] [F] Raddrizza. R V VL. v3 = Vm sin ot 1) I diodi conducono a coppie 2) E' possibile usare un trasformatore tradizionale 3) I diodi possono avere tensione nominale uguale alla metà di quelli usati per il ponte a doppia semionda

Raddrizzatore a ponte di Graetz - carico R: Polarità negativa

V D1N4002 D5 D7 + D1N4002 V1 10 10 R1 I D1N4002 D1N4002 D8 D6 1) V1 polarità negativa 2) D5 e D8 in conduzione 2) D6 e D7 in conduzione 150 1 BU -511 150 -200 2ns 18m

Raddrizzatore a ponte di Graetz - carico R: Polarità positiva

V D1N4002 D5 D7 + D1N4002 V1 R1 D1N4002 D1N4002 D8 D6 1) V1 polarità positiva

Raddrizzatore a ponte di Graetz - carico R - C+0

150 SU .SU -1 BU -15V -2BU Sns 15ms 25M 3 0ms 35ms 45m- a V(05:2, 08:1) . V(D5:1) V D1N4002 D5 D7 + D1N4002 10 R1 C3 D8 1m D6 D1N4002 D1N4002 1) Il condensatore ha il compito di filtrare la tensione, lato continua. 2) Quando la tensione sul diodo è maggiore della tensione di alimentazione, tutti i diodi sono interdetti e il condensatore si scarica sulla resistenza R V1

Raddrizzatore a ponte di Graetz - carico R - C0, effetto di t

İalim VR 25A -DA +1 -20A -40A SEL>> -65A D · I(V1) 150 1 9Ų SU Bs 5ns 10ns 15ms 20ms 25ns 30ms 35ms 40ns 45ms 50ms D · V(D5:2,08:1) 1) Più è elevata la costante di tempo, più diminuisce l'ondulazione sul carico; 2) Più è elevata la costante di tempo, più diminuisce il tempo in cui il carico è collegato all'alimentazione 3) Più è elevata la costante di tempo, più elevata è l'intensità di corrente elettrica di alimentazione (e quindi nei diodi) 4) L'effetto è limitato dalla presenza dell'induttanza della linea di alimentazione

Ponte raddrizzatore trifase

Va Rsa L w Rsb W V. Rsc R f 1) La tensione di alimentazione deve essere trifase, simmetrica 2) La tensione sul carico presenta una fluttuazione con periodicità sestupla rispetto alla fondamentale dei generatori 3) L'ondulazione della tensione sul carico diminuisce. 4) A parità di fluttuazione della tensione, la capacità del condensatore è più piccola.

Ponte raddrizzatore trifase: Correnti e Tensioni

3 QU V RL 200 Vc 1 QU VA -10U -2QU 5ms 15ms 20ms 25ms 30ms 45ms 5.005 7005 75ms 80ms 85ms 90ms 95ms 100ms D V(R4:2,L2:1) & V(V3:+) = V(V2:+) & V(V1:+) Tine İD1 GA -10 -100A D I(D1) 100A İD3 -100A D I (D3) 100A GA -100A I(D5) 100A DA -ID SEL>> -100A 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms 45ms 50ms 55ms 6 0ms 65ms 70ms 75ms 8 0ms 85ms 90ms 95ms 100ms D I(D2) Time İ D5 I D2 VB B 100A

Raddrizzatori controllati

V -1QU D V(V1:+) 1 QU 5Ų D V( X1 :G) SEL>> -100 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 4 0ms 45ms 50ms D V(R1:2)- V(R1:1) Time Raddrizzator. V V X1 V1 2N1595 V2 R1 0.5 1) Il tiristore va in conduzione solo quando è applicato un impulso alla gate 2) Generalmente, non viene specificato il tempo di ritardo ma l'angolo elettrico di ritardo a=@·TD 3) I raddrizzatori controllati richiedono, oltre ai circuiti di potenza, anche circuiti di comando Verificare la variazione del valor medio della tensione sul carico in funzione dell'angolo di ritardo V G VR 100 OU JR

Raddrizzatori controllati - carico RL

5.0A LOAD GA-401 SEL>> -5.0A 0 -I (R1) 1 QU -1 QU- 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms 45ms 50ms 55ms 6 0ms 65ms 70ms 75ms 8 0ms 85ms 90ms 95ms 100ms V(R1:2) + V(V1:+) Time (A) Raddrizz ... (C) Raddrizz. V V X1 V1 2N1595 R1 0.5 V2 L2 6.5m V LOAD

Inverter

Effettua la conversione dc-ac. La tensione in uscita è periodica con frequenza f, non sinusoidale di valore efficace V2. Sono regolabili la frequenza fe V, in funzione dei segnali applicati ai canali di comando. Tipica applicazione: regolazione di velocità nei motori AC