13. Alimentatori ca-cc

Corso di
ELETTRONICA INDUSTRIALE
“ Raddrizzatori con carico capacitivo.
Impatto sulla rete e filtraggio passivo”
Argomenti trattati
• Analisi di un raddrizzatore a
semionda
• Raddrizzatori a doppia semionda
• Impatto sulla rete
– Definizione di Power Factor
– Definizione di THD (distorsione
armonica totale)
• Filtri passivi
Impatto sulla rete di alimentazione
in c.a. dei raddrizzatori con carico
capacitivo
Schema generale di un alimentatore switching
ig
ii
Ci
ug
raddrizzatore
Io
+
Ui
convertitore cc/cc
(trasformatore AF)
+
Uo
-
Schema generale di un alimentatore switching
ig
ii
Ci
ug
raddrizzatore
ii = Ii + Δii
Io
+
Ui
-
+
Uo
-
convertitore cc/cc
(trasformatore AF)
Ii = componente continua
Δii = componente alternata
ad AF (ripple)
Schema generale di un alimentatore switching
ig
ii
Ci
ug
raddrizzatore
Note:
Io
+
Ui
convertitore cc/cc
(trasformatore AF)
+
Uo
-
Schema generale di un alimentatore switching
ig
ii
Ci
ug
raddrizzatore
Note:
Io
+
Ui
-
+
Uo
-
convertitore cc/cc
(trasformatore AF)
• Le componenti armoniche ad alta frequenza
di ii (Δii) vengono assorbite da Ci e non
influenzano il funzionamento lato rete
Schema generale di un alimentatore switching
ig
ii
Ci
ug
raddrizzatore
Note:
Io
+
Ui
convertitore cc/cc
(trasformatore AF)
• Pertanto il convertitore cc/cc viene visto
dal raddrizzatore come un generatore di
corrente:
Uo ⋅ Io
Ii ≅
Ui
+
Uo
-
Analisi di un raddrizzatore con filtro capacitivo e
carico costituito da un generatore di corrente
Analisi di un raddrizzatore con filtro capacitivo e
carico costituito da un generatore di corrente
ig
ug
C
^
+
uC
-
ug = Ug ⋅ sin(ωt)
Ii
ig
D on
ug
C
+
uC
-
Ii
ig
D on
ug
C
+
uC
-
Ii
Questo modo di funzionamento inizia
quando ug=uC e termina quando ig = 0
ig
D on
ug
C
+
uC
-
Ii
Questo modo di funzionamento inizia
quando ug=uC e termina quando ig = 0
uC = ug
dug
^
ig = C ⋅
+ Ii = ωCUg cos(ωt) + Ii
dt
ig
D on
ug
C
+
uC
-
Ii
Questo modo di funzionamento inizia
quando ug=uC e termina quando ig = 0
uC = ug
dug
^
ig = C ⋅
+ Ii = ωCUg cos(ωt) + Ii
dt
Condizione di fine:
ig = 0 ⇒ cos(ωt) =
−I i
^
ωC U
g
ig
D on
ug
C
+
uC
-
Ii
Questo modo di funzionamento inizia
quando ug=uC e termina quando ig = 0
uC = ug
dug
^
ig = C ⋅
+ Ii = ωCUg cos(ωt) + Ii
dt
Condizione di fine:
^
ig = 0 ⇒ uC = U2 = Ug ⋅ 1 −
2
Ii
^
ωCUg
(
)
2
ig
D off
ug
C
+
uC
-
Ii
ig
D off
ug
ig = 0
C
iC = - Ii
+
uC
-
Ii
Ii
uC = U2 − ⋅ t
C
ig
D off
ug
ig = 0
C
iC = - Ii
+
uC
-
Ii
Ii
uC = U2 − ⋅ t
C
Condizione di fine:
Ii
^
uC = ug ⇒ U2 − ⋅ t* = Ugsin(ωt) ⇒ uC = U1
C
t*=t+(T-t2)
Forme d’onda durante ton (D on)
Forme d’onda durante ton (D on)
U2
U1
uC
t
Forme d’onda durante ton (D on)
U2
U1
uC
t
ig
^
Ig
ton T
t
Forme d’onda durante toff (D off)
U2
U1
uC
t
ig
^
Ig
toff
ton T
t
Nota
Nota
Per avere una piccola ondulazione di
tensione ΔU si sceglie C grande.
Nota
Per avere una piccola ondulazione di
tensione ΔU si sceglie C grande.
U2
U1
uC
t
ig
^
Ig
toff
ton T
t
Nota
Per avere una piccola ondulazione di
tensione ΔU si sceglie C grande.
Ció implica che:
^
ωCUg >> Ii
( I g >> Ii )
^
Nota
Per avere una piccola ondulazione di
tensione ΔU si sceglie C grande.
Ció implica che:
^
ωCUg >> Ii
( I g >> Ii )
^
Allora:
^
⎧U2 ≅ Ug
^
Ii
Ii
⎪
⇒ U1 ≅ Ug − ⋅ T ⇒ ΔU ≅ ⋅ T
⎨
C
C
⎪⎩t off ≅ T
Nota
Una piccola ondulazione di tensione ui (ΔU) implica
elevati picchi di corrente dall’alimentazione.
U2
U1
uC
t
ig
^
Ig
toff
ton T
t
Note
Una piccola ondulazione di tensione ui (ΔU) implica
elevati picchi di corrente dall’alimentazione.
Infatti:
1
Pi = Ui ⋅ Ii = ⋅
T
^
Ug
ug ⋅ ig dt ≅
⋅
0
T
∫
T
t on
∫0
ig dt
Nota
Una piccola ondulazione di tensione ui (ΔU) implica
elevati picchi di corrente dall’alimentazione.
Infatti:
1
Pi = Ui ⋅ Ii = ⋅
T
^
Ug
ug ⋅ ig dt ≅
⋅
0
T
∫
T
t on
∫0
ig dt
Se ton é piccolo occorre un elevato impulso di ig
per fornire la potenza richiesta dal carico
Schema del raddrizzatore reale
• L’assorbimento di corrente ig
unidirezionale non é ammissibile, tranne
che per potenze piccolissime
• Si usa perció un raddrizzatore a doppia
semionda
Schema del raddrizzatore reale
• L’assorbimento di corrente ig
unidirezionale non é ammissibile, tranne
che per potenze piccolissime
• Si usa perció un raddrizzatore a doppia
semionda
Ig
Ug
+
Ui
-
Ii
Raddrizzatore a doppia semionda
Forme d’onda tipiche
Raddrizzatore a doppia semionda
Forme d’onda tipiche
ug
Tensione di
alimentazione
t
Raddrizzatore a doppia semionda
Forme d’onda tipiche
ug
Tensione di
alimentazione
t
Tensione
raddrizzata
ug
t
Raddrizzatore a doppia semionda
Forme d’onda tipiche
ug
Tensione di
alimentazione
t
ug
uC Tensione
filtrata
t
Raddrizzatore a doppia semionda
Forme d’onda tipiche
ug
Corrente di
alimentazione
ig
t
ug
uC Tensione
filtrata
t
Note
Note
• Il funzionamento é lo stesso che nel
caso del raddrizzatore a singola
semionda, peró:
1 Ii ⋅ T
ΔU ≅ ⋅
2 C
Note
• Il funzionamento é lo stesso che nel
caso del raddrizzatore a singola
semionda, peró:
1 I i⋅ T
ΔU ≅ ⋅
2 C
• ig é alternata
Note
• Il funzionamento é lo stesso che nel
caso del raddrizzatore a singola
semionda, peró:
1 I i⋅ T
ΔU ≅ ⋅
2 C
• ig é alternata
• Anche in questo caso per avere bassa
ondulazione di tensione occorre
scegliere C elevata, causando elevati
picchi di corrente
Problema dei raddrizzatori
con carico capacitivo
ig é fortemente distorta
Problema dei raddrizzatori
con carico capacitivo
ig é fortemente distorta
basso fattore
di potenza
Problema dei raddrizzatori
con carico capacitivo
ig é fortemente distorta
basso fattore
di potenza
distorsione
di tensione
Fattore di potenza (PF)
Fattore di potenza (PF)
P
Potenza attiva
PF = =
S Potenza apparente
Fattore di potenza (PF)
P
Potenza attiva
PF = =
S Potenza apparente
consumo
Fattore di potenza (PF)
P
Potenza attiva
PF = =
S Potenza apparente
consumo
dimensionamento
Fattore di potenza (PF)
P
Potenza attiva
PF = =
S Potenza apparente
consumo
dimensionamento
P = Ug ⋅ Ig1 ⋅ cosϕ 1
Fattore di potenza (PF)
P
Potenza attiva
PF = =
S Potenza apparente
consumo
dimensionamento
P = Ug ⋅ Ig1 ⋅ cosϕ 1
∞
^
Ug
S = Ug ⋅ Ig =
⋅
2
∞
∑
1
I2gn = Ug ⋅ Ig1 ⋅ 1 +
S1
∑
2
I2gn
I2g1
Fattore di potenza (PF)
∞
^
Ug
S = Ug ⋅ Ig =
⋅
2
∞
∑
1
I2gn = Ug ⋅ Ig1 ⋅ 1 +
S1
∑
2
2
Ign
I2g1
Fattore di potenza (PF)
∞
^
Ug
S = Ug ⋅ Ig =
⋅
2
∞
∑
1
I2gn = Ug ⋅ Ig1 ⋅ 1 +
S1
S = S1 ⋅ 1 + ( THD) 2
2
∑
2
2
Ign
I2g1
Fattore di potenza (PF)
∞
^
Ug
S = Ug ⋅ Ig =
⋅
2
∞
∑
1
I2gn = Ug ⋅ Ig1 ⋅ 1 +
∑
2
2
Ign
I2g1
S1
S = S1 ⋅ 1 + ( THD) 2
2
dove:
THD = distorsione armonica =
totale di corrente
∞
∑
I2gn
2
I2g1
Fattore di potenza (PF)
P = Ug ⋅ Ig1 ⋅ cos ϕ1 = S1 ⋅ cos ϕ1
Fattore di potenza (PF)
P = Ug ⋅ Ig1 ⋅ cos ϕ1 = S1 ⋅ cos ϕ1
S = S1 ⋅ 1 + ( THD) 2
2
Fattore di potenza (PF)
P = Ug ⋅ Ig1 ⋅ cos ϕ1 = S1 ⋅ cos ϕ1
S = S1 ⋅ 1 + ( THD) 2
2
cos ϕ 1
P P
1
PF = =
⋅
=
=
2
S S1 1 + ( THD) 2
1 + ( THD)
= cos ϕ 1 ⋅ DF
Fattore di potenza (PF)
P = Ug ⋅ Ig1 ⋅ cos ϕ1 = S1 ⋅ cos ϕ1
S = S1 ⋅ 1 + ( THD) 2
2
cos ϕ 1
P P
1
PF = =
⋅
=
=
2
S S1 1 + ( THD) 2
1 + ( THD)
= cos ϕ 1 ⋅ DF
dove:
DF = Distortion Factor =
1
1 + ( THD)
2
=
Ig1
Ig
Note
Note
• Il Power Factor (PF) é influenzato sia
dallo sfasamento alla fondamentale
sia dalla distorsione armonica
Note
• Il Power Factor (PF) é influenzato sia
dallo sfasamento alla fondamentale
sia dalla distorsione armonica
• Per i raddrizzatori il picco di ig é
localizzato in prossimitá del picco di
tensione quindi:
1
cos ϕ 1 ≅ 1 ⇒ PF ≅
2
1 + (THD)
Note
• Il Power Factor (PF) é influenzato sia
dallo sfasamento alla fondamentale
sia dalla distorsione armonica
• Per i raddrizzatori il picco di ig é
localizzato in prossimitá del picco di
tensione quindi:
1
cosϕ 1 ≅ 1 ⇒ PF ≅
2
1 + ( THD)
Valori tipici di PF per i raddrizzatori con carico
capacitivo sono nel campo 0.5 - 0.6
Distorsione di tensione
(Effetto dell’induttanza di linea)
Distorsione di tensione
(Effetto dell’induttanza di linea)
ig
us
LS
+
ug
-
Ii
Distorsione di tensione
(Effetto dell’induttanza di linea)
ig
us
LS
+
ug
-
Ii
Tenendo conto dell’induttanza di linea si ha:
dig
ug = u S − L S ⋅
dt
Distorsione di tensione
(Effetto dell’induttanza di linea)
ig
us
LS
+
ug
-
Ii
Tenendo conto dell’induttanza di linea si ha:
dig
ug = u S − L S ⋅
dt
LS causa il fenomeno dello “schiacciamento”
di tensione (peak clipping)
Schiacciamento di tensione
us
ug
ig
t
Schiacciamento di tensione
us
ug
ig
t
La distorsione di tensione si ripercuote anche
sugli altri carichi connessi allo stesso nodo
Normative
Tendono a limitare THD e ad incrementare PF
Es: EN 61000-3-2 (fino a 16A)
EN 61000-3-4 (oltre i 16A)
Normative
Tendono a limitare THD e ad incrementare PF
Es: EN 61000-3-2 (fino a 16A)
EN 61000-3-4 (oltre i 16A)
Soluzioni:
Normative
Tendono a limitare THD e ad incrementare PF
Es: EN 61000-3-2 (fino a 16A)
EN 61000-3-4 (oltre i 16A)
Soluzioni:
Filtri passivi
Normative
Tendono a limitare THD e ad incrementare PF
Es: EN 61000-3-2 (fino a 16A)
EN 61000-3-4 (oltre i 16A)
Soluzioni:
Filtri passivi
Controllo attivo del Power Factor (PFC)
Filtri passivi
Filtri passivi
ig
us
LS
+ Lg
ug
-
LS = 0.2mH
Ui
Lg = 0
Il più semplice filtro passivo è costituito da
un’induttanza all’ingresso del convertitore
Ii
Filtri passivi
ig
us
LS
+ Lg
ug
-
LS = 0.2mH
Ui
Lg = 0
us
ig
t
Ii
Filtri passivi
ig
us
LS
+ Lg
ug
-
LS = 0.2mH
THD(ug) = 0.3%
THD(ig) = 180%
PF = 0.48
Ui = 324V
Ui
Lg = 0
us
ig
t
Ii
Filtri passivi
ig
us
LS
+ Lg
ug
-
Ui
LS = 0.2mH Lg = 1.8mH
THD(ug) = 0.2%
THD(ig) = 147%
PF = 0.56
Ui = 320V
us
ig
t
Ii
Filtri passivi
ig
us
LS
+ Lg
ug
-
Ui
LS = 0.2mH Lg = 19.8mH
THD(ug) = 0.1%
THD(ig) = 95%
PF = 0.7
Ui = 306V
us
ig
t
Ii
Tabella comparativa
Al crescere di Lg aumenta il Power Factor e
si riduce il valore di picco di ig
^
Lg[mH] Ig [A] PF
THD(ug) THD(ig) Ui [V]
0
7.2
0.48
0.3%
180%
324
1.8
4.3
0.56
0.2%
147%
320
19.8
2.3
0.70
0.1%
95%
306
Difetti dei filtri passivi
• Sono ingombranti (induttanze a 50Hz)
• Le prestazioni dipendono dal carico
• Causano cadute di tensione
Conclusioni
• I raddrizzatori con carico capacitivo hanno un
pesante impatto sulla rete
– assorbono armoniche di corrente
– deformano la tensione di alimentazione
• I filtri passivi costituiscono una soluzione
semplice, ma sono ingombranti e non sempre
efficaci
• In generale ogni modifica della struttura del
carico richiede una riprogettazione del filtro