Riassunto lezioni Conversione statica dell'energia, prof. Zanchetta

Classificazione dei Convertitori

La struttura del convertitore risulta fortemente influenzata:

• dal tipo di sorgente primaria di alimentazione
• dalla peculiarità del carico
• dalla potenza che deve essere trasferita al carico
• dal tipo di semiconduttori impiegati

Una prima classificazione può essere fatta sulla base del tipo di sorgente (in c.c. o c.a.) e dal tipo di tensione fornita in uscita.

Tipi di convertitori:

• Continua - Continua (C.C. - C.C.)
• Continua - Alternata (C.C. - C.A.)
• Alternata - Alternata (C.A. - C.A.)
• Alternata - Continua (C.A. - C.C.)

Una seconda suddivisione prende in considerazione le possibilità di trasferimento dell'energia.

• Monodirezionali: permettono il trasf. dell'energia in una sola direzione. Nessuna delle grandezze di uscita (I, V) può cambiare di segno.
• Bidirezionali: permettono il trasf. dell'energia in entrambe le direzioni. Per poter cambiare la direzione del flusso di energia, almeno una delle grandezze di uscita deve poter cambiare di segno.

V ↑

a) I →

b)

Convertitore monodirezionale

Convertitore bidirezionale a 2 quadranti

Caratterizzazione Dei Convertitori Statici

È necessario tenere presente che il convertitore può essere considerato:

• come un dispositivo che permette il trasferimento controllato di energia dalla sorgente primaria al carico
• come un amplificatore, che consente di applicare al carico la tensione richiesta dal dispositivo di controllo

Per quanto concerne i convertitori bidirezionali a 2 quadranti, occorre osservare che la possibilità di trasferimento di en. dal carico verso la sorgente diventa effettiva solo se la grandezza (V, I) che deve cambiare di segno, affinché il carico possa funzionare da generatore, coincide con quella che può cambiare di segno ai morsetti di uscita del convertitore.

Affinché la macchina elett. possa funzionare da generatore è necess. che la corrente di armatura (o altra) cambi di segno; pertanto il recupero di en. meccanica è possibile solo se il convertitore è in grado di operare nel secondo quadrante (Figura 6, d)

Convertitori C.C. - C.C. Monostadio

monodirezionali

I monodirezionali sono impiegati per produrre in uscita un livello di tensione diverso da quello previsto per la sorgente. Ci sono 2 tipologie di questi convertitori:

• Chopper riduttore: con tensione di uscita inferiore a quella di alimentazione
• Chopper elevatore: con tensione di uscita maggiore di quella di alimentazione

Chopper Riduttore - carico resistivo

Idealizzando il comportamento del transistor S, se, con un periodo di ripetizione T, il transistor viene alternativamente chiuso e aperto, durante gli intervalli di tempo (durata γ) in cui il transistor è chiuso, la tensione Vu applicata al carico risolta pari alla tensione di alimentazione E_B e la corrente i_u applicata al carico è: i_u = E_B/R.

Nei restanti intervalli di tempo (di durata T-γ) la tensione Vu e la corrente i_u sono null.

In generale:

• V̅_u = γ/T * E_B
• V̅_u varia tra 0 e E_B in funzione di γ
• I̅_u = V̅_u/R = γ/T * E_B/R
• Varia lineariamente in funzione di γ

E_m fornite al carico: E_m = E²_B/R * γ

P_u fornite al carico: P_u = E²₀/R * γ/T

La corrente di carico assume un andamento esponenziale, tendendo ad ^Es/_R con una costante di tempo pari a _L/_R, cioè:

_iin(t) = I_o + (^Es/_R - I_o) (1 - e^{-R/_L t})

Nell’istante t₂ = t_o + τ₁ in cui il Transistor si apre, la corrente in risulta pari a:

_iin(t₂) = I_o + (^Es/_R - I_o) (1 - e^{-R/_L τ₁})

Durante l’interv. di tempo (t₁, t_o + τ) la tensione V_in è nulla, e la corrente diminuisce con un andamento esponenziale tendendo a zero con la stessa costante di tempo:

_iin(t) = I_o e^{-R/_L (t - t₁)}

Nell’istante t₂ = t_o + τ in cui il Transistor viene nuovamente chiuso, la corrente in risulta pari a:

_iin(t_o + τ) = _iin(t₂) = I₂ e^{-R/_L (t_o + T - t_o + τ)}

I_o = I₂ e^{-R/_L (T - τ)}

Sostituendo I_o come a pag. successivo...

CHOPPER RIDUTTORE - CARICO ATTIVO

In molte applicazioni, il carico del convertitore non è solamente passivo ma presenta in serie alla resistenza e all'induttanza, anche una forza controelettromotrice E_c.

Un carico attivo tipico è il circuito di armatura di un motore in c.c.

È comunque possibile, mediante un carico attivo, ridurre l'ondulazione della tensione di uscita a valori trascurabili negli alimentatori a tensione controllata inserendo in parallelo al carico una capacità.

L'induttanza L non fa parte del carico ma viene aggiunta per limitare l'ondulazione di corrente (INDUTTANZA DI SPIANAMENTO), mentre la resistenza R rappresenta la resistenza dei collegamenti e quella propria dell'avvolgimento dell'induttore (RESISTENZA DI VALORE MOLTO PICCOLO).

Si possono avere 2 distinte modalità di funzionamento del convertitore:

• CONDIZIONE CONTINUA: quando la corrente fornita dal convertitore è sempre maggiore di zero.
• CONDIZIONE DISCONTINUA: quando in alcuni intervalli di tempo essa si annulla.

Tecniche di Modulazione

Ad eccezione di carico attivo e condurre discontinua, il valore medio della tensione fornita dal convertitore risulta sempre

Esistono 3 diverse possibilità secondo cui variare tale rapporto:

• modulare a larghezza di impulso: T cost. e τ cost.
• modulare di frequenza (PFM): T variab. e τ cost.
• modulare di rapporto (PRM): T variab. e τ variab.

Modulazione a Larghezza di Impulso

È la tecnica maggiormente utilizzata nei circuiti di conversione. T costante, τ varia in maniera proporz. al valore desiderato della tensione di uscita.

Confronto tra un segnale modulante proporz. al valore desiderato per la tensione di uscita e un segnale portante a dente di sega.

Convertitore a 2 Quadranti

IS1 ON - IS2 OFF

IS1 OFF - IS2 ON

Convertitori a 4 Quadranti

- Struttura a Ponte

• impiega 4 IS e 4 diodi
• Necessita di un'alimentazione indipendente
• La tensione di uscita Vu può assumere 3 livelli (E₀, E_0/2)
• Può fornire un valor medio di tensione positivo o negativo

- Struttura a Semiponte

• impiega 2 IS e 2 diodi
• Necessita di 2 alimentazioni indipendenti
• La tens. d'uscita Vu può assumere 2 livelli (E_a, -E_a/2)
• Può fornire un valor medio di tens. positivo o negativo

Analisi Armonica delle Grandezze in Uscita

a(t) = A₀ + ∑ [A_ksin kωt + B_kcos kωt]

Forma d'onda DISPARI

a(t) = ∑ A_ksin kωt

A_k = 2/T ∫ a(t)sin kωt dt

A_k = 8/T ∫₀^T/ω A sin kωt dt

A_k = 8A/kωT [−cos (kπ/2] +cos (kδ)]

A_k = 4A/kπ cos(kδ)

Nuovo Sistema: ωt' = ωt + 30°

V_AB = ∑ V_ABk sin k(ωt + 30°)

V_ABk = ΔV/n × cos kδ/k = V_BCk = V_CAk

V_BC = ∑ V_BCk sin k(ωt + 90°)

V_CA = ∑ V_CAk sin k(ωt - 210°)

Le armoniche significative sono la 5^a e la 7^a

T_HD_V = √(∑ V_{k ≠ 1}²)/V₁

T_HD_I = I_r/I₁ = √(∑ I_{k ≠ 2})/I₁