8/10/2015
Convertitori elettronici di potenza
Negli impianti eolici e fotovoltaico questo convertitore è assolutamente indispensabile, non produce l’energia, ma senza il convertitore elettronico di energia l’energia prodotta non potrebbe essere utilizzata nella rete elettrica. Con il convertitore io posso andare anche a massimizzare l’energia prodotta.
Sono oggetti importanti. Ad esempio studiando il motore asincrono abbiamo detto che per agire sulla frequenza di alimentazione è necessario avere un convertitore elettronico di potenza.
Quali sono le sue parti importanti, difetti e pregi? Vediamo uno schema a blocchi grossolano di quella è la struttura di un questo convertitore.
A cosa serve? Serve per collegare un generatore (cella fotovoltaica, pannello fotovoltaico) al suo carico, che magari è la rete elettrica, per erogare potenza alla rete. Il generatore funzionerà con valori tipici di V1 e f1, che saranno tali da rendere ottime le prestazioni del generatore; il carico funzionerà invece con valori di tensione e frequenza (V2 e f2) diversi, ottimi per il carico. Per la cella fotovoltaica ho che è in grado di produrre energia elettrica in corrente continua. Avrò quindi corrente costante nel tempo e tensioni dipende dal caso, la corrente la voglio però erogare o al carico locale, che sarebbe l’ideale per la cella fotovoltaica.
Se alimento i carichi vicini evito tutti i problemi legati alla connessione dell’energia elettrica sulle lunghe distanze. Sulle lunghe distanze io dissiperei potenza sotto forma di effetto joule!
In ogni caso l’utilizzatore funzione in corrente alternata per cui c’è bisogno di un sistema che converta l’energia erogata dal generatore.
Ciascun convertitore elettronico di potenza che realizza questa funzione è costituito da due blocchi principali: * Blocco di potenza: insieme di dispositivi in cui dovrà passare la corrente che verrà effettivamente utilizzata dall’utilizzatore * Dispositivo di controllo: perché vedremo che per passare da corrente continua ad alternata ci sarà bisogno di comandare degli interruttori e quindi tutta la logica di controllo sarà governata da una parte del dispositivo dedicata.
Se dobbiamo catalogare i convertitori elettronici di potenza li possiamo suddividere in quattro tipologie: * Ci sono quelli che trasformano la corrente da alternata a continua, quindi in entrata hanno potenza erogata in alternata e in uscita continua, sono i convertitori AC-DC o raddrizzatori * Ci sono quelli che prendono in entrata potenza in corrente continua ed erogano potenza in regime di corrente alternata, sono i convertitori DC-AC o inverter * Ci convertitori che realizzano la conversione da corrente continua a corrente continua, sono i chopper o convertitori DC-DC, è il convertitori che permette di far lavorare la cella fotovoltaica che lavora in corrente continua nelle condizioni di massimo rendimento che dipende dalla tensione di lavoro che a sua volta dipende dal cambiare delle condizioni di irraggiamento e dalla temperatura del sistema * Corrente alternata a corrente alternata, convertitori AC-AC, la maggior parte delle volte vengono realizzati in più stadi, c’è uno stadio in cui un convertitori prende corrente alternata e poi mediante un raddrizzatore la converte in corrente continua e uno stadio in cascata a questa che prende potenza in corrente continua e la trasforma in corrente alternata cambiando i parametri secondo il bisogno. (ad esempio il convertitore che deve gestire la velocità di un motore asincrono)

Vediamo qual è il principio di funzionamento di questi convertitori. Si chiamano anche convertitori a commutazione perché si basano sulla possibilità di avere interruttori che potrebbero essere meccanici (interruttore chiuso o aperto, le due posizioni permesse). Supponendo di avere interruttori ideali, capaci di aprire e chiudere il circuito istantaneamente con la frequenza principale allora vediamo come poter realizzare un inverter: * Supponiamo di avere in generatore di tensione in corrente continua che rende disponibile una tensione Vdc costante * E di voler alimentare la resistenza in figura in corrente alternata.
Se comando gli interruttori a due a due, cioè chiudo ad esempio 1 e 2 ed apro 3 e 4 e riporto la tensione Vac in funzione del tempo, fintanto che 1 e 2 rimangono chiusi la tensione sul carico rimane costante su quel valore. A un certo istante di tempo posso aprire istantaneamente 1 e 2 e chiudo 3 e 4, in questo caso passa corrente tra 3 e 4 e in questo caso il carico è alimentato dal generatore con una corrente inversa alla precedente e la tensione Vac ai capi della resistenza si è invertita, quindi è uguale a -Vac.
Se vogli una tensione alternata in un certo periodo mi basterà decidere ogni quanto tempo andrò ad invertire le aperture e chiusure degli interruttori.
Se voglio una frequenza di 50 Heartz mi basta dire che ogni metà periodo vada a cambiare le aperture e chiusure degli interruttori.
L’andamento della tensione, riportata in arancione, non è sinusoidale, ma ha le caratteristiche di una tensione alternata: è periodica del periodo giusto ed a valor medio nullo. È una funzione distorta, non possiamo dire che sia sinusoidale. La sinusoidale così non la ottengo senza fare interventi.
(la qualità dell’energia è tanto migliore quanto più la forma d’onda della tensione è sinusoidale, se non lo è si hanno effetti negativi: surriscaldamento cavi, protezioni con problemi, ecc).

Se ho a che fare con una funzione a(t) nel tempo periodica di periodo T con la proprietà che l’integrale sul periodo del modulo della funzione sia una quantità finita allora si può dimostrare che questa funzione si può esprimere come una serie di funzioni sinusoidali nel tempo di pulsazione ω , pulsazione fondamentale: ω=2πT→ ∆t=12f
Allora i coseni è seni sono funzioni sinusoidali nel tempo con una frequenza multipla di quella fondamentale.

Ciascuna funzione sinusoidale con pulsazione k per ω è chiamata armonica del segnale. Dato il segnale periodico lo scompongo come somma del suo valore medio più una sommatoria di funzioni armoniche con pulsazione multipla di quella fondamentale.
Con k pari le armoniche si annullano.
Le ampiezze decrescono al crescere dell’ordine dell’armonica, quindi arrivati ad un certo ordine dell’armonica questi termini possono essere trascurati rispetto ai precedenti perché sono piccoli in confronti ai primi. La distorsione del segnale sarebbe molto ridotta se riuscissi a togliere i contributi delle armoniche con ampiezze più grandi.
Supponendo di partire con tensione continua di 256 Volt (la tensione che studiamo è quella ai capi della resistenza), l’onda quadra che si ottiene è quella riportata in figura. Per i primi 10 millisencodi la tensione vale 256 Volt costante per i 10 millisecondi successivi la tensione vale -256 Volt. L’analisi armonica ci da una curva fondamentale che è quella rossa a cui corrisponde il valore efficace riportato.
Il valore efficace si calcola:
Vac,eff= 1T0+∞Vac2tdt

Un altro teorema fondamentale legato all’analisi armonica è che se io voglio fare il valore efficace della mi grandezza di partenza periodica a cui ho applicato l’analisi armonica, dovrei fare l’integrale di questa serie. C’è un teorema che dice che l’integrale della sommatoria diventa di 0. Quindi il valore efficace è uguale a quello riportato nella slide che segue.

Il valor medio della potenza assorbita dal resistore se considero solo la prima armonica è solo l’81% di quello che in effetti il resistore assorbirà se fosse alimentato con un’onda quadra.

Si fa in modo di equilibrare i carichi in modo da mantenere la corrente sul filo neutro bassa. Se i carichi sono tutti uguali, la somma delle tre armoniche fa zero, se però le tensioni hanno un contenuto armonico, tipo la terza armonica che è quella che da più fastidio. Le terza armonica (tratteggiata in figura) quando le sommo sono tutte uguali in fase e si sommano, il risultato è la tratteggiata nera, dove le tre si sommano. In questo caso sul neutro circola una terza armonica di corrente che è tanto più grande quanto sono grandi le terze armoniche.
Le armoniche di ampiezza/ordine più elevato le dobbiamo abbattere in un qualche modo. L’analisi armonica serve perché per un sistema lineare vale la legge della sovrapposizione degli effetti, quindi se fra il mio carico e il convertitore vado a introdurre un condensatore o un induttore ottengo un sistema lineare a cui applico una tensione non sinusoidale che abbiamo potuto scomporre come somma di tante funzioni sinusoidali. Allora per il principio di sovrapposizione degli effetti posso considerare l’effetto della singola armonica sul sistema L-C-R separatamente da quello di tutte le altre. Posso quindi calcolarmi anche gli effetti, tipo la tensione. zL=jkωL zC= -jkωC zR=R zRC=zRzczR+ zC zeq= zL+zRC
I=Vac,kzeq Vout,k=zRCI
Con I fase della matrice (ci va una linea sotto).
Tutti sti calcoli li faremo per ogni armonica, le impedenze cambieranno e aumenteranno e quella del condensatore calerà perché inversamente prop. alla frequenza. Condensatore in parallelo al carico e in serie all’induttore funzionano da filtro. Man mano che cresce l’ordine dell’armonica, l’induttore impedirà il passaggio di corrente di quell’armonica perché avrà una impedenza sempre più grande e il condensatore visto che crescendo K, abbiamo che zC diventa sempre più piccola, cortocircuiterà il carico, invece che circolare sul carico, la corrente portata da quella armonica circolerà nel condensatore. Il contribuito di quell’armonica quindi calerà.
Sono riportate le ampiezze delle armoniche in uscite che calano molto più velocemente che quelle in entrata.
Conclusione, la tensione in uscita è quella tratteggiata in nero, non è sinusoidale perché si discosta dalla rossa ma è molto più vicino alla sinusoidale che l’onda quadra di partenza. Mi è quindi bastato inserire fra il convertitore e il mio carico un oggetto che si chiamerà filtro che ha come compito quello di filtrare l’armonica. Entra quell’armonica ed esce ridotta nell’ampiezza.
Il filtro LC è sicuramente il filtro più utilizzato in tutti i convertitori elettronici di potenza. Il problema è che fin che L la posso prendere grande ma non troppo perché dopo L ha anche la sua prima armonica, e passando corrente sull’induttanza ho una caduta di tensione. Vorrei C molto grande, ma più di tanto non posso perché per la fondamentale non vorrei che poi la corrente andasse tutta sul condensatore e non sul resistore. (?)
Io per la fondamentale vorrei che L e C siano praticamente invisibili, voglio che ωL siano trascurabile rispetto alla resistenza e allo stesso modo vorrei che l’impedenza del condensatore siamo molto maggiore di R.

Caratteristica dell’interruttore ideale: quando è chiuso è un cortocircuito perfetto e quando aperto è un circuito aperto perfetto.
Succederà che per un qualsiasi interruttore reale, la tensione non sarà perfettamente zero quando è chiuso, ci sarà una piccola caduta di tensione e quindi una piccola perdita e quindi la corrente non potrà essere grande quanto mi pare.
Gli interruttori statici non potranno sopportare più di un certo valore nominale della corrente.
Stessa cosa per un interruttore aperto. Se la tensione ai capi dell’interruttore diventa troppo grande, la sua capacità di bloccare la corrente viene meno (?)
Gli interruttori statici ci aprono e si chiudono molto velocemente però pur sempre con dei ritardi. Supponiamo di collegare il nostro interruttore con un segnale di comando come quello riportato in figura sopra. Praticamente l’interruttore dovrà stare acceso per un tempo ton e poi dovrà spegnersi per un tempo toff. Se partiamo dall’istante iniziale dove l’interruttore è aperto la corrente è zero mentre la tensione è Voff, quando arriva il comando di chiusura dell’interruttore c’è un piccolo comando di ritardo in cui non succede niente, dopo di che la corrente comincia a crescere, raggiunge il suo valore di regime e a quel punto comincia a calare anche la tensione, che raggiunge il suo valore di regime corrispondente che non sarà 0 e quindi avrò una piccola caduta di tensione.
Tutto questo sarebbe dovuto avvenire istantaneamente, ma nella realtà ovviamente non è possibile. L’interruttore rimane chiuso per un po’ e poi arriva il comando di apertura, anche qui ho un tempo di ritardo, dopo di che la tensione comincia a risalire fino ad un valore di tensione corrispondente al valore di interruttore aperto. Quando la tensione ha raggiunto il suo valore di regime, cala anche il valore della corrente fino al valore zero. Anche qui il tempo di apertura non è nullo ma pari a tc, off mentre prima era stato tc, on.
Se vado a riportare il prodotto della tensione per la corrente mi rendo conto che ho una piccola perdita di conduzione quando l’interruttore è chiuso (dovuta alla caduta di tensione) e vedo anche picchi di potenza assorbita in presenza delle commutazioni, quindi picchi di energia dissipata, perdita di commutazione. Quindi in tutti questi dispositivi ci sono delle perdite. Entrambe le perdite sono proporzionali alla frequenza.

Gli interruttori sono realizzati a partire da monocristalli di silicio.
Un semiconduttore puro è cattivo conduttore, per questo motivo viene drogato, cioè nel reticolo cristallino sostituisco alcuni atomi di silicio con quelli di un altro gruppo con diverso numero di elettroni di valenza, per migliorarne la conduzione

Per le applicazioni di grande potenza i tiristori trovano grande impiego.
Noi vedremo diodi, tiristori, GTO e IGBT. Tiristori e GTO per i grandi inverter, IGBT per tutte le applicazioni che permettono di collegare generatori eolici alla rete, convertitori degli impianti fotovoltaici alla rete.
In cosa si differenziano? In tanto per la possibilità di controllo. Tutti saranno controllati tranne il diodo. Funzionerà da interruttore ma non lo posso controllare.

Si differenziano anche per il tipo di controllo. Il controllo può avvenire su un segnale di tensione o di corrente, in maniera continua (ovvero l’interruttore è chiuso quando è presente una tensione positiva al terzo terminale di controllo del dispositivo, se la tolgo la tensione il dispositivo si apre), mediante dei segnali in più stati (il segnale di apertura lo do inviando un impulso di tensione che poi va a zero, ricevuto questo impulso il dispositivo si chiude, se lo voglio aprire gli devo mandare un impulso di tensione ma in questo caso glielo devo mandare negativo).
Supponiamo di avere una tensione costante e una resistenza di R, di voler controllare la tensione sulla resistenza mediante un interruttore che poniamo tra la resistenza e il generatore di tensione. In questo caso l’interruttore è un tiristore. Ci sono due terminali di potenza e uno che è il terminale di controllo, che in questo caso si chiamerà gate. Il controllo del tiristore viene fatto con degli impulsi di corrente, solo che l’unica cosa che posso fare è quella di fare un controllo parziale. Per questo motivo viene in fatti chiamato componente semi-controllato. L’unica cosa che posso fare inviando un impulso di corrente positiva è quello di dirgli di accendersi o chiudersi. Se arriva una corrente positiva il tiristore si accende, ma lo voglio spegnere non posso, devo aspettare. Il tiristore si spegne solo quando, per un qualche motivo che dipende dal circuito in cui è inserito, la sua corrente va a zero. È semicontrollato in accensione. Controllato mediante degli impulsi di corrente inviati al gate. (lo posso controllare in chiusura ma non apirlo).

Il diodo, nel monocristallo di silicio sono create due regioni, una tipo p e una di tipo n, a cui sono collegati dei terminali. Alla regione di tipo p è collegato l’anodo, alla regione di tipo n è collegato il catodo. Anodo e catodo non sono intercambiabili. Il diodo ha due stati possibili (chiuso e aperto), ma la corrente quando è chiuso può passare solo dall’anodo al catodo.
Negli interruttori ideali in teoria potrebbe andare nella direzione che gli pare.
Il transistore BJT ha 3 regioni. Collettore e emettitore sono collegati alle regioni di tipo n, mentre il gate, chiamata base qui, alla regione di tipo p.
Il tiristore ha 4 regioni. Due regioni drogate di tipo p e due di tipo n. Stessa cosa nel IGBT dove abbiamo 4 regioni. È controllato in tensione perché fra il gate e il dispositivo abbiamo uno strato isolante, non c’è passaggio di corrente fra gate e dispositivo, il controllo viene effettuato mediate la presenza di campo elettrico legato ad un segnale di tensione mandato fra gate e catodo/emettitore.

Le caratteristiche del diodo che andiamo a studiare saranno statiche.
Vogliamo trovare la relazione tra la tensione V ai capi del diodo e la corrente I che lo attraversa in regime stazionario, cioè corrente e tensione costante.
Dovremo avere a disposizione un generatore di tensione variabile da collegare al dispositivo, misurare la variazione di tensione e di corrente.
La curva è l’insieme dei punti tensione-corrente che è possibile avere nei punti di funzionamento a regime del diodo. Il diodo è caratterizzato da tre regioni: * Una regione di conduzione in cui la corrente è positiva e la tensione ai capi del diodo è positiva. La potenza elettrica P=VI ovviamente sarà maggiore di 0. * Una regione di interdizione in cui la corrente non è zero, ma negativa molto piccola rispetto alle correnti dirette che può sopportare il diodo. In questa regione V è minore di zero, I minore di zero, ma P=VI maggiore di zero. Qui la potenza dissipata è molto piccola a differenza di quella che viene dissipata nella zona di conduzione.
A un certo punto ciascun diodo ha un valore massimo della corrente massima ammissibile. La corrente non può essere maggiore di 3000 o 4000 ampere altrimenti la potenza dissipata nella zona di conduzione, che si traduce in calore, si trasforma in potenza asportata (uguale in valore) e la temperatura di regime è molto alta. Se vado oltre una certa temperatura il diodo si rompe.
La stessa cosa succede per la tensione massima nella zona di interdizione. Qui la corrente è piccola fintanto che la tensione non diventa troppo negativa. Quando si raggiunge il valore della tensione limite inversa nel dispositivo accade qualcosa, per cui la capacità del diodo di opporsi al passaggio della corrente da catodo ad anodo viene meno. Si ha quindi un crescere esponenziale della corrente negativa (da catodo ad anodo) che il diodo non è assolutamente in grado di sostenere e quindi si rompe.
Le condizioni di lavoro del diodo sono: valore massimo della corrente positiva al di sotto di un certo limite, tensione negativa più grande di una valore minimo ammissibile al di fuori di questa zona di lavoro il diodo si rompe.
Come si fa ad approssimare questo dispositivo con un interruttore? Se voglio capire il principio di funzionamento di un dispositivo o descriverlo in prima approssimazione, invece che considerare la curva reale considero una retta verticale, corrispondente a tensione nulla (che sarebbe la caratteristica dell’interruttore ideale) in fondo io faccio un errore sulla tensione che è nell’ordine di qualche volt (poco in confronto alla tensione alla tensione che girerà). Tensione nulla = potenza dissipata nulla
Nella curva di funzionamento della zona di interdizione, la corrente è nell’ordine di frazioni di ampere, quindi qui una buona approssimazione è quella di considerare il diodo come un circuito aperto dove la corrente è zero.
La caduta tipica di tensione è intorno al Volt, e come questa, anche la corrente che può essere sostenuta dipende dal parametro corrente di saturazione inversa.
Diodi piccoli faranno passare correnti piccole e viceversa. (curva caratteristica diodo sopra?)