1
INVERTITORI MONOFASE
INVERTITORI MONOFASE
A TENSIONE IMPRESSA
A TENSIONE IMPRESSA
Corso di
E
LETTRONICA INDUSTRIALE
Corso di
E
LETTRONICA INDUSTRIALE
1
INVERTITORI MONOFASE
INVERTITORI MONOFASE
A TENSIONE IMPRESSA
A TENSIONE IMPRESSA
Corso di
E
LETTRONICA INDUSTRIALE
Corso di
E
LETTRONICA INDUSTRIALE
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
0.
7
Invertitore di tensione monofase a PWM
Generazione di due livelli di tensione:
positivo e negativo
+
-
U
-
E
+
E
-
+
+
V
-
1.
8
Generazione di due livelli di tensione:
positivo e negativo
Invertitore di tensione monofase a PWM
+
-
U
+
V
-
-
E
+
E
-
+
• Due livelli di tensione di uscita
• Alimentazioni continue (
+E
e
-E
)
a bassa impedenza
• Carico connesso al
punto
intermedio
delle alimentazioni
1.
9
Generazione di due livelli di tensione:
positivo e negativo
Invertitore di tensione monofase a PWM
+
-
U
-
E
+
E
-
+
+
V
-
• Carico
induttivo
alla frequenza di
modulazione
• Armoniche di modulazione nella
corrente di uscita filtrate dal carico
1.
10
Generazione di due livelli di tensione:
positivo e negativo
Invertitore di tensione monofase a PWM
+
-
U
-
E
+
E
-
+
+
V
-
Per generare i due livelli di
tensione con correnti sia entranti
che uscenti si estende la struttura
del
convertitore Buck
1.
11
I
ON
+
-
U
-
E
+
E
-
+
+
V=+E
-
Realizzazione dell’invertitore di tensione
a due livelli
(
A
) Corrente di carico uscente
Transistor conduttore
2.
12
Realizzazione dell’invertitore di tensione
a due livelli
I
OFF
+
-
U
-
E
+
E
-
+
+
V=-E
-
(
A
) Corrente di carico uscente
Transistor interdetto
2.
13
I
ON
+
-
U
-
E
+
E
-
+
+
V=-E
-
Realizzazione dell’invertitore di tensione
a due livelli
(
B
) Corrente di carico entrante
Transistor conduttore
3.
14
(
B
) Corrente di carico entrante
Transistor interdetto
OFF
+
-
U
-
E
+
E
-
+
+
V=+E
-
I
Realizzazione dell’invertitore di tensione
a due livelli
4.
15
Realizzazione dell’invertitore di tensione
a due livelli
+
-
U
-
E
+
E
-
+
I
+
V
-
(
A
+
B
) Corrente di carico bidirezionale
4.
16
Realizzazione dell’invertitore di tensione
a due livelli
+
-
U
-
E
+
E
-
+
I
ON
OFF
+
V=+E
-
Corrente di carico bidirezionale
Tensione di uscita positiva
5.
17
+
-
U
-
E
+
E
-
+
I
OFF
ON
+
V=-E
-
Realizzazione dell’invertitore di tensione
a due livelli
Corrente di carico bidirezionale
Tensione di uscita negativa
6.
18
Realizzazione dell’invertitore di tensione
a due livelli
+
-
U
+
V
-
-
E
+
E
-
+
I
6.
19
+
-
U
+
V
-
-
E
+
E
-
+
I
Realizzazione dell’invertitore di tensione
a due livelli
Ciascun
transistor con
il diodo
connesso in
parallelo
costituisce un
interruttore
bidirezionale
7.
20
Modulazione PWM a due livelli
+
-
U
-
E
+
E
-
+
I
S
2
S
1
+
V
-
Per semplicità si
userà la
rappresentazione con
interruttori ideali
Rappresentazione
con interruttori ideali
7.
21
+
-
U
-
E
+
E
-
+
I
S
2
S
1
+
V
-
Modulazione PWM a due livelli
Tuttavia, la reale
struttura degli
interruttori pone dei
vincoli alle modalità di
operazione
Rappresentazione
con interruttori ideali
7.
22
+
-
U
-
E
+
E
-
+
I
S
2
S
1
+
V
-
Rappresentazione
con interruttori ideali
Modulazione PWM a due livelli
Ad esempio, la
contemporanea
chiusura di S
1
ed S
2
provoca un
corto
circuito
sulle
alimentazioni
8.
23
Invertitore di tensione monofase a due livelli
ON
ON
-
E
+
E
-
+
Sovrapposizione di conduzione dei transistor
8.
24
Sovrapposizione di conduzione dei transistor
Invertitore di tensione monofase a due livelli
ON
ON
-
E
+
E
-
+
La
sovrapposizione
della
conduzione dei due
transistori può essere
causata da
ritardi
e
imprecisioni
dei comandi
8.
25
Sovrapposizione di conduzione dei transistor
Invertitore di tensione monofase a due livelli
ON
ON
-
E
+
E
-
+
Per evitare la conduzione
contemporanea dei due
interruttori si dà un
tempo
morto
fra i due comandi di
accensione
9.
26
Tempo morto di comando
Tempo morto
t
t
C
S1
C
S2
C
S1
C
S2
+
-
U
+
V
-
-
E
+
E
-
+
9.
27
Tempo morto di comando
Tempo morto
t
t
C
S1
C
S2
C
S1
C
S2
+
-
U
+
V
-
-
E
+
E
-
+
Durante il tempo
morto è necessario
avere una via di
richiusura per la
corrente di carico
11
28
Conduzione dei diodi durante
il tempo morto
+
-
U
+
V
-
-
E
+
E
-
+
OFF
OFF
I
I uscente
V > 0
I entrante
V < 0
11
29
+
-
U
+
V
-
-
E
+
E
-
+
OFF
OFF
I
Conduzione dei diodi durante
il tempo morto
I uscente
V > 0
I entrante
V < 0
La via di richiusura è assicurata
dai diodi in antiparallelo. La
tensione in uscita dipende dal
verso
della corrente
13
30
Invertitore di tensione monofase a due livelli
Stati dell’invertitore
S
1
OFF S
2
OFF
V dipende dal segno di I
S
1
ON S
2
ON
NON AMMESSA
S
1
ON S
2
OFF
V = +E
S
1
OFF S
2
ON
V = - E
13
31
Invertitore di tensione monofase a due livelli
Rappresentazione
con interruttori ideali
+
-
U
+
V
-
-
E
+
E
-
+
I
S
2
S
1
La modulazione
PWM verrà studiata
con riferimento a
interruttori ideali
14
32
Modulazione PWM a due livelli
t
-E
+E
T
δ
T
(1−δ)
T
v(t)
V
med
δ
> 0.5
V
med
> 0
V = V
med
= (2
δ
- 1) E
Nella modulazione PWM,
variando il
duty cycle
δ
si
varia il valore medio della
tensione di uscita
14
33
Modulazione PWM a due livelli
t
-E
+E
T
δ
T
(1−δ)
T
v(t)
V
med
δ
> 0.5
V
med
> 0
V = V
med
= (2
δ
- 1) E
16
34
Modulazione PWM a due livelli
t
-E
+E
T
δ
T
(1−δ)
T
v(t)
V
med
δ
< 0.5
V
med
< 0
V = V
med
= (2
δ
- 1) E
16
35
Modulazione PWM a due livelli
δ
< 0.5
V
med
< 0
V = V
med
= (2
δ
- 1) E
t
-E
+E
T
δ
T
(1−δ)
T
v(t)
V
med
Nel complesso, variazioni del “
duty
cycle
” (fattore di utilizzazione)
δ
da 0
a 1 generano una tensione media di
uscita V variabile fra -E e +E
Si ottiene V=0 con
δ
=0.5
V = V
med
= (2
δ
- 1) E
16
36
Modulazione PWM a due livelli
t
-E
+E
T
δ
T
(1−δ)
T
v(t)
V
med
δ
< 0.5
V
med
< 0
V = V
med
= (2
δ
- 1) E
La PWM consente di far seguire a
V
med
una forma d’onda V*
assegnata, mediante variazioni nel
tempo del valore di
δ
:
V = V
med
= (2
δ
(t) - 1) E
17
37
Modulazione PWM a due livelli
t
-E
+E
T
v(t)
V
med
Tensione di uscita variabile
V = V
med
= (2
δ
(t) - 1) E
17
38
Modulazione PWM a due livelli
v(t)
i(t)
I
med
V
med
Forma d’onda sinusoidale
19
39
Forma d’onda sinusoidale
Modulazione PWM a due livelli
v(t)
i(t)
I
med
V
med
V
med
e
I
med
sono definite
come le
medie in un
periodo di modulazione
dei
valori istantanei di tensione
v(t) e di corrente i(t)
21
40
Modulazione PWM a due livelli
v(t)
i(t)
I
med
V
med
L’
ondulazione di corrente
intorno a I
med
è
ridotta
dall’azione filtrante del carico
22
41
Modulazione PWM a due livelli
Modulazione analogica
(con portante triangolare)
t
t
-E
+E
v(t)
V
med
T
T
V*
La
generazione dei segnali di comando
con il duty cycle
δ
(t) corrispondente ad una
forma d’onda di riferimento V*
può essere fatta per via
analogica
o per via
digitale
22
42
Modulazione PWM a due livelli
Modulazione analogica
(con portante triangolare)
t
t
-E
+E
v(t)
V
med
T
T
V*
23
43
Modulazione PWM a due livelli
Modulazione analogica
(con portante triangolare)
t
t
-E
+E
v(t)
V
med
T
T
V*
La modulazione
analogica è
normalmente ottenuta
comparando il
riferimento V*
con una
portante triangolare
(modulazione “seno-
triangolo”)
25
44
Modulazione PWM a due livelli
Modulazione analogica: schema a blocchi
Modulatore a
Logica di
comando
degli
interruttori
C
S1
C
S2
V
PWM
+E
-E
+
-
Controllo del tempo morto
V*
25
45
Modulazione PWM a due livelli
Modulazione digitale a microcontrollore
Calcolo
dei
tempi di
accensione
C
S1
C
S2
V
+E
-E
Amp.
Memoria
(forma d'onda)
Conv.
A/D
Freq.
µ
C
di V*
di V*
Clock
La modulazione digitale
calcola
direttamente
gli istanti di
commutazione, e quindi le
durate di conduzione degli
interruttori, a partire dalla forma
d’onda di riferimento, di solito
memorizzata
in forma numerica
26
46
Modulazione PWM a due livelli
Calcolo
dei
tempi di
accensione
C
S1
C
S2
V
+E
-E
Amp.
Memoria
(forma d'onda)
Conv.
A/D
Freq.
µ
C
di V*
di V*
Clock
Modulazione digitale a microcontrollore
27
47
Modulazione PWM a due livelli
L’utilizzo di microcontrollori o di circuiti integrati
dedicati (
ASIC
) consente una realizzazione
compatta del controllo digitale
28
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
29
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
31
52
Modulazione ad onda quadra
v
I
V1
U
I1
32
53
Componenti attivi usati negli invertitori
Gli invertitori attuali usano componenti
controllati in spegnimento
34
54
Componenti attivi usati negli invertitori
Gli invertitori attuali usano componenti
controllati in spegnimento
Solo per grossissime potenze e in vecchie
costruzioni sono ancora usati invertitori a
SCR
34
55
Componenti attivi usati negli invertitori
Darlington IGBT
GTO MOSFET
35
56
Componenti attivi usati negli invertitori
Darlington IGBT
GTO
MOSFET
I
MOSFET
sono quasi
esclusivamente usati
per piccole potenze,
elevate frequenze di
commutazione ed
applicazioni
economiche alimentate
dalla rete a 220V
35
57
Componenti attivi usati negli invertitori
Darlington
IGBT
GTO MOSFET
I transistori
darlington
di
potenza sono
stati quasi
completamente
soppiantati
dagli IGBT
36
58
Componenti attivi usati negli invertitori
Darlington
IGBT
GTO MOSFET
Per le potenze medie/grandi (10-200 kW)
si usano prevalentemente
IGBT
36
59
Componenti attivi usati negli invertitori
Darlington IGBT
GTO
MOSFET
I
GTO
sono SCR
dotati di capacità di
spegnimento. Si
usano
normalmente per
grandi/grandissime
potenze (molti MW)
37
60
Componenti attivi usati negli invertitori
In applicazioni di media potenza si usano spesso
moduli comprendenti una o più unità IGBT-
DIODO già connessi secondo gli schemi degli
invertitori
37
61
Componenti attivi usati negli invertitori
In applicazioni di media potenza si usano spesso
moduli comprendenti una o più unità IGBT-
DIODO già connessi secondo gli schemi degli
invertitori
Si stanno presentando sul mercato moduli
comprendenti anche la circuiteria di comando,
che sono convenienti sia dal punto di vista
della facilità di realizzazione sia per la
maggiore affidabilità
37
62
Componenti attivi usati negli invertitori
In applicazioni di media potenza si usano spesso
moduli comprendenti una o più unità IGBT-
DIODO già connessi secondo gli schemi degli
invertitori
Si stanno presentando sul mercato moduli
comprendenti anche la circuiteria di comando,
che sono convenienti sia dal punto di vista
della facilità di realizzazione sia per la
maggiore affidabilità
Come alternativa ai GTO sono in fase di sviluppo
IGBT adatti all’impiego fino a qualche MW
38