I T I S SPOLETO MODULO DIDATTICO ELETTRONICA

I. T. I. S. SPOLETO MODULO DIDATTICO: ELETTRONICA INDUSTRIALE DI POTENZA E AZIONAMENTI ELETTRICI A 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 I OFF I=0 V I ON I>0

Ordine di grandezza dei parametri elettrici Tensioni: k. V Applicazioni di potenza Correnti: A - k. A Potenze: k. W - 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 ACDC (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 = Anodo; K = Catodo; A K G 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, 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 SCR E’ 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. G n+ A n+ p K p n n- p G p n p+ A K

Connessione dei BJT SCR: A IA T 1 p A T 1 n G p G T 2 n T 2 K IG IK K

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 IA Stato di ON IG = 0 IAH I’’G I’G VAK Stato di OFF inverso Stato di OFF diretto Breakdown IG< I’’G

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 k. Hz

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 k. W 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 TRIFASI L 1 L 2 L 3 T 1 T 3 T 5 L R E T 4 T 6 Impulsi ai gate T 2

Per capire il funzionamento, si farà il caso semplice di un convertitore a ponte di SCR, con carico resistivo Vs = Vso sin t id T 1 T 2 R vs T 3 T 4 vd

FUNZIONAMENTO Vs > 0: T 1 e T 4 sono polarizzati direttamente; si possono accendere con l’impulso di gate, mentre T 3 e T 4 sono polarizzati in inversa Vs < 0: è il contrario del caso sopra! vd t = Ig 1 Ig 2 Ig 3 Ig 4 Variando l’angolo di innesco, la Vd si modifica e varia, di conseguenza, la tensione media sul carico (<Vd>). = angolo di innesco <Vd> = valor medio della Vd <Vd> = Vso (1+cos )/

<Vd> = Vso (1+cos )/ • 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.

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 Vi R B A Vi Vu t 1 2 Vu Fig. 1 t T

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 MOTORE M CONTROLLO 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) AC/DC DC/AC M M Fig. 2 DC/AC 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 k. Hz); • Tensione di uscita con forma d’onda più vicina a quella sinusoidale e, quindi, con minor contenuto di armoniche.

Schema a blocchi dell’INVERTER controllo PWM Oscillatore Portante Alimentatore Oscillatore Modulante Vin Modulatore PWM Invertitore Vout 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 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 Rettificatore INVERTER Id M 3 Alimentazione (trifase a 50 Hz) Generatore di impulsi di GATE Regolatore - + + Id*

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 a Cm Accelerazione Decelerazione a

Schema di principio del controllo V/Hz AC/DC Alimentazione AC INVERTER Vs* Vo a G + M 3 * + + - G 1 + - G 2 Tachimetro Controllo della Is 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 = 50 Hz) 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: Utilizzatore Rete di alimentazione f = 50 Hz